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CAPTULO II Sistema gentico mitocondrial humano

Manuel J. Lpez Prez y Julio Montoya

Departamento de Bioqumica y Biologa Molecular y Celular, Universidad de Zaragoza. Miguel Servet 177. 50013 Zaragoza., Espaa. lopezper@posta.unizar.es

RESUMEN

Las mitocondrias son los orgnulos subcelulares encargados de la produccin de energa en forma de ATP. Contienen su propio sistema gentico con ADN mitocondrial que codifica un nmero

pequeo de polipptidos que forman parte de la cadena respiratoria junto con protenas mitocondriales codificadas en el ncleo. Para la biognesis de la mitocondria se requiere la

expresin coordinada de los dos sistemas genticos, el nuclear y el mitocondrial. Los genes estn dispuestos en el ADN mitocondrial de manera muy compacta con los tARNs intercalados entre los

genes de los rARNs y los codificantes de protenas. Esta organizacin gnica se ve tambin reflejada en su modo de expresin y en las caractersticas singulares de los ARNs. Las dos cadenas

del ADN mitocondrial se transcriben completamente en forma de tres molculas policistrnicas que se procesan posteriormente por enzimas especficos que cortan en los extremos 5' y 3' de los tARNs

para originar los rARNs, mARNs y tARNs maduros. La mitocondria posee asimismo su propia maquinaria para la sntesis de las protenas codificadas en su genoma. El ADN mitocondrial difiere

del nuclear en una serie de caractersticas. En especial, el genoma mitocondrial se hereda exclusivamente de la madre que lo transmite a todos sus hijos. Este ADN tiene tendencia a mutar y

a fijar estas mutaciones en variantes genticas poblacionales por lo que se est utilizando para estudiar la filogenia y estructura de poblaciones.

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INTRODUCCIN

Las mitocondrias son orgnulos subcelulares con doble membrana que se encuentran prcticamente en todas las clulas eucariotas y cuya funcin principal es la de llevar a cabo el metabolismo oxidativo con la consiguiente produccin de energa en forma de ATP. En este proceso, conocido como fosforilacin oxidativa (sistema OXPHOS), participan una serie de complejos enzimticos (complejos I al V) que proporcionan la mayor parte del ATP celular. Adems, estos orgnulos participan tambin en la biosntesis de otros componentes celulares: pirimidinas, aminocidos, fosfolpidos, nucletidos, cido flico, hemo, urea y una gran variedad de metabolitos (1).

La caracterstica mas singular de las mitocondrias es la de poseer un sistema gentico propio con toda la maquinaria necesaria para su expresin, es decir, para la sntesis de ADN, ARN y de todas las protenas que codifica. Este segundo sistema gentico celular, a pesar de contener un nmero muy pequeo de genes, es indispensable para la vida celular porque codifica 13 protenas integrantes de los complejos respiratorios mitocondriales. Sin embargo, las mitocondrias no son autnomas ya que tanto la formacin del orgnulo como la expresin de su genoma dependen de un gran nmero de protenas codificadas en el ncleo, que son sintetizadas en los ribosomas citoplsmicos e importadas a la mitocondria. La biognesis de las mitocondrias representa pues un caso nico en la clula ya que su formacin est bajo el control de los dos sistemas gentico celulares: el nuclear y el mitocondrial.

La existencia de un sistema gentico en el citoplasma empez a intuirse a finales de los aos 40 al descubrirse unos mutantes de levadura con deficiencias en las funciones respiratorias que eran debidas a un factor citoplsmico, no nuclear, y que era hereditario (2). El ADN mitocondrial se descubri en los aos 60 (3), y desde entonces se ha ido obteniendo una imagen muy detallada de su estructura as como de su relacin con determinadas patologas. Se conoce la secuencia nucleotdica completa de muchas especies de animales vertebrados e invertebrados, aunque el sistema gentico mejor estudiado es el humano.

El sistema gentico mitocondrial presenta una serie de caracteres particulares como son la utilizacin de un cdigo gentico propio con algunas desviaciones con respecto al universal, la existencia de una alta velocidad de mutacin, su transmisin por herencia materna, no-mendeliana, y la organizacin y expresin de sus genes (4-9). Asimismo, desde que en 1988 se describi por primera vez mutaciones en el ADN mitocondrial que podan causar enfermedades degenerativas humanas con deficiencias en la produccin de ATP (10-

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12), el estudio de la bioenergtica y gentica mitocondrial ha adquirido nuevas dimensiones (13-15).

SISTEMA GENTICO MITOCONDRIAL HUMANO

Estructura y organizacin del ADN mitocondrial humano

Las clulas humanas contienen de 1.000 a 10.000 copias de ADN mitocondrial dependiendo de los tejidos; las plaquetas tienen unas cuatro y los oocitos unas 10.000. El ADN mitocondrial humano es una molcula duplohelicoidal circular cerrada que consta de 16.569 pares de bases (pb) cuya secuencia se conoce en su totalidad (16,17). Este ADN codifica 37 genes que corresponden a dos ARN ribosmicos (rARN) componentes de los ribosomas mitocondriales (rARNs 12S y 16S), 22 ARNs de transferencia (tARNs), y 13 polipptidos componentes de los complejos respiratorios de la membrana interna mitocondrial (sistema OXPHOS). De estos polipptidos, siete forman parte del complejo I (subunidades ND1, ND2, ND3, ND4, ND4L, ND5 y ND6) ; uno corresponde al apocitocromo b del complejo III; tres subunidades, COI; COII y COIII al complejo IV; y dos son las subunidades 6 y 8 de la ATPasa (complejo V) (18-20). El resto de las subunidades polipeptdicas de estos complejos estn codificadas por el ADN nuclear.

Una de las caractersticas mas sorprendentes del ADN mitocondrial es que presenta una organizacin gentica extremadamente compacta. Como se puede observar en la Figura 1 donde se muestra el mapa gentico y de transcripcin del ADN mitocondrial humano, ste se encuentra prcticamente saturado por genes. La cadena pesada (H) del ADN codifica los 2 rARNs, 14 tARNs y 12 polipptidos, mientras que la cadena ligera (L) contiene solamente informacin para 8 tARNs y un polipptido (ND6). La nica zona del ADN que no codifica ningn gen es un pequeo fragmento que corresponde al 7% del ADN, localizado alrededor del origen de replicacin de una de las cadenas y que incluye el bucle de desplazamiento (bucle D). Todos estos genes carecen de intrones. Los genes, en la cadena pesada, se disponen uno a continuacin del otro, sin tramos no codificantes intermedios (16). Adems, la mayor parte de genes codificantes de protenas carecen de un codon de terminacin. Estos presentan una T o TA despus del ltimo codon con sentido y preceden al extremo 5' del gen adyacente. El codon de terminacin UAA del mARN se

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forma postranscripcionalmente por poliadenilacin del extremo 3' como veremos mas adelante.

Otra de las peculiaridades de la organizacin gentica del ADN mitocondrial es la distribucin de los genes de los tARNs a lo largo de la secuencia del ADN. En la cadena pesada, estos separan casi con absoluta regularidad los genes de los rARNs y los codificantes de protenas. Esta disposicin tendr consecuencias muy importantes para el procesamiento del ARN(16).

Replicacin del ADN mitocondrial

El mecanismo exacto de replicacin de ADN mitocondrial en animales es una materia controvertida desde hace unos aos. Durante dcadas se consideraba que la replicacin suceda por un modelo de desplazamiento de las cadenas con dos orgenes de replicacin, una para la cadena pesada y otra para la ligera. Ms recientemente en lo ltimos aos se ha propuesto un modelo alternativo con un solo origen de replicacin, a su vez con dos variantes que lo explican; una conocida como replicacin acoplada y otra conocida como RITOLS, que luego explicaremos.

Modelo de desplazamiento de las cadenas

En este modelo, la sntesis del ADN mitocondrial es unidireccional, asimtrica (21) y requiere dos orgenes de replicacin diferentes, uno para la cadena pesada (OH), que se

localiza en la regin del bucle de desplazamiento (bucle-D), y otro para la cadena ligera

(OL), situado entre los genes de los tARNCys y tARNAsn a dos tercios de la longitud total

del genoma respecto a OH (22) (Figura 1). La regin del blucle-D carece de secuencias

codificantes, se extiende entre los genes de los tARNs prolina y fenilalanina (1122 pb), y contiene, adems del origen de replicacin, los promotores de la transcripcin de las dos cadenas y las secuencias de regulacin (23). La replicacin comienza con la sntesis de un pequeo ARN iniciador, formado por procesamiento de un ARN transcrito a partir del promotor de la cadena ligera, que se prolonga por la accin de la ADN polimerasa gamma especfica de la mitocondria. La transicin de sntesis de ARN a sntesis de ADN se produce previa accin de una endorribonucleasa especfica que corta el ARN precursor originando el extremo 3' del ARN iniciador que acta como sustrato para su extensin por la ADN polimerasa. La replicacin comienza con la sntesis de un segmento corto de cadena H (ADN 7S de 680 nt) (24), que permanece unido al ADN molde, desplazando la cadena H y formando una triple hlice (bucle-D).

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La elongacin de la cadena H hija lo hace de forma unidireccional a lo largo de la cadena L, al tiempo que desplaza la cadena H parental. La replicacin de la cadena L requiere la accin de una primasa especfica y solo comienza cuando el desplazamiento de la cadena H ha dejado la zona del origen de replicacin OL como cadena sencilla. La

sntesis de la cadena ligera hija termina despus que la de la cadena pesada (22,25,26)).

Modelo acoplado y RITOLS.

Estos modelos se deben al trabajo del grupo Holt mediante estudios con electroforesis bidireccional en agarosa. En ellos se observaba la presencia de intermediarios de replicacin de doble cadena procedente de un nico punto de replicacin conocido como OriZ diferente en posicin al OH y OL del modelo anterior. La replicacin era bidireccional (27-31).

Ms adelante se comprob la existencia de ribonucletidos en los dplex intermediarios explicndose la existencia de stos por la existencia de fragmentos de Okazaki en la replicacin del ADN mitocondrial dando lugar al modelo RITOLS (incorporacin de ribonucletidos a lo largo de la cadena retrasada). En este modelo a partir del mismo punto de replicacin existe una replicacin unidireccional con una cadena conductora y otra retrasada.

Nucleoides

La replicacin del ADN mitocondrial est producida por varios factores de transcripcin y de replicacin codificados en el ncleo. stos junto con molculas de ADN se empaquetan en lo que se conoce como nucleoide que tiene unos 70 nm de dimetro. En estos nucleoides hay alrededor de treinta protenas diferentes muy conservadas entre especies. Existe un modelo estructural propuesto para los nucleoides en el que un ncleo central estara compuesto por protenas que participan en la sntesis de cidos nuclicos mientras que las protenas de ensamblaje estaran en la periferia. Hay un debate sobre el nmero de molculas de ADN que participan en un nucleoide, manejndose cifras que van desde 2 hasta 15 molculas de ADN por estructura (32,33).

Transcripcin del ADN mitocondrial y procesamiento del ARN

Las particularidades que presenta la estructura gentica y organizacin del mtADN se reflejan tambin en su modo de expresin. Las dos cadenas del ADN se transcriben completa y simtricamente (Figura 1). Los productos de transcripcin del ADN

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mitocondrial humano que han sido aislados incluyen los 2 rARNs (rARN 12S y 16S), un ARN precursor de los mismos, 22 tARNs y 18 ARNs poliadenilados en el extremo 3' (poli(A)-ARNs), la mayora de los cuales corresponden a los ARN mensajeros (mARNs) (34,35). La mayor parte de los ARNs maduros corresponden a un nico gen. Solamente dos de ellos, los mARNs de los genes para las subunidades 6 y 8 de la ATP sintasa y ND4 y 4L, contienen dos genes cada uno con el marco de lectura solapado. Los tres poli(A)-ARNs mayores (ARNs 1, 2 y 3), el menor (ARN 18) y 8 tARNs son productos de transcripcin de la cadena ligera del ADN mitocondrial mientras que el resto de los ARNs lo son de la cadena pesada (Figura 1).

El anlisis estructural de los ARNs mitocondriales ha mostrado unas caractersticas muy particulares. As, los rARNs se caracterizan por estar metilados, aunque el grado de metilacin es mas bajo que el de los rARNs citoplsmicos, y por estar oligoadenilados en su extremo 3' con 1 a 10 adeninas no codificadas en el ADN (36,37). Los tARNs tienen un tamao que varia entre 59 y 75 nt son, por tanto, mas pequeos en general que sus homlogos del citoplasma o de procariotas. La estructura de los tARNs mitocondriales presenta numerosas desviaciones con respecto al modelo considerado como invariable de los sistemas no mitocondriales. As, la mayora de los tARNs carecen de los nucletidos constantes y el tamao del bucle "DHU" varia considerablemente llegando incluso a

desaparecer en el tARNSerAGY (38,39). La nica regin que ha conservado las

caractersticas generales de los tARNs, aparte del extremo -CCA, no codificada en el ADN,

es la regin del anticodn. Con la excepcin del tARNSerAGY, todos los tARNs

mitocondriales pueden plegarse en la caracterstica hoja de trbol. Los tARNs mitocondriales juegan adems un papel muy importante en el procesamiento de los precursores de ARN.

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Figura 1.- Mapa gentico y de transcripcin del ADN mitocondrial humano

Los dos crculos interiores representan las dos cadenas del ADN mitocondrial con los genes que codifican: rARNs (rARNs 12 S y 16 S), tARNs, indicados con la abreviatura del aminocido que les corresponde, y secuencias codificadoras de protenas (ND: subunidades de NADH deshidrogenas; cyt b: apocitocromo b; CO: subunidades citocromo C oxidasa). La posicin de los ARNs est indicada en los crculos exteriores con barras negras (transcritos de la cadena pesada) y con barras abiertas (transcritos de la cadena ligera). H1,

H2 y L indican los lugares de iniciacin de la transcripcin de la cadena pesada y ligera,

respectivamente. OH y OL simbolizan el origen de replicacin de la cadena pesada y ligera.

Las flechas exteriores indican la direccin de la transcripcin de la cadena pesada y ligera respectivamente. Las flechas al lado de OH y de OL muestran la direccin de sntesis de la

cadena pesada y ligera.

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El ADN mitocondrial humano contiene 13 genes que codifican polipptidos con un tamao que vara de 70 a 610 aminocidos. En las mitocondrias de clulas HeLa se han aislado e identificado, entre los poli(A)-ARNs, 10 mARNs que corresponden a los 12 polipptidos codificados en la cadena pesada (dos de ellos contienen 2 marcos de lectura solapados). Estos mARNs contienen exclusivamente la secuencia del patrn de traduccin y una cola de unos 55 adenosinas en el extremo 3'. Los mARNs mitocondriales humanos comienzan directamente por el codon de iniciacin AUG, AUA o AUU o tienen muy pocos nucletidos (1 a 3) delante de los mismos. Carecen por tanto de uno de los caracteres tpicos de los mARN de otros sistemas, como es la presencia de un tramo no codificante en el extremo 5' (40). Tampoco contienen la estructura "cap" en el extremo 5' (41). Asimismo, el extremo 3' de la mayor parte de los mARNs carecen de una regin no codificante y finalizan con un codon de terminacin incompleto U o UA (42). La poliadenilacin juega un papel muy importante y, en particular, la adicin postranscripcional de la cola de poli(A) genera en la mayor parte de los casos el codon de terminacin UAA. No existe ninguna secuencia en comn cerca del extremo 3' que pueda actuar como seal de la poliadenilacin, como sucede en los mARN nucleares.

Figura 2.- Nucleoide de ADNmt.

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La sntesis de ARN se inicia en tres lugares diferentes, uno en la cadena ligera (L) y dos en la cadena pesada (H1 y H2), situados cerca del origen de replicacin, dando lugar a

dando lugar a tres molculas policistrnicas largas que se procesan posteriormente por cortes endonucleolticos precisos delante y detrs de los tARNs, dando lugar a los rARNs, tARNs y mARNs maduros (23,34,40,42). De acuerdo con este modelo que se denomina de "puntuacin por el tARN", las secuencias de los tARNs situadas entre los genes de los rARNs y mARNs, actan como seales de reconocimiento para los enzimas de procesamiento al adquirir la configuracin en hoja de trbol en las cadenas nacientes de ARN. Para la transcripcin del mtADN se requiere una ARN polimerasa (43) y dos factores de iniciacin de la transcripcin (mtTFA y mtTFB) (44-46).

La cadena pesada se transcribe mediante dos unidades de transcripcin solapadas en la regin de los rARNs (34). La primera de ellas, que se transcribe muy frecuentemente, comienza en el lugar de iniciacin H1, situado unos 19 nt por delante del gen para el

tARNPhe, termina en el extremo 3' del gen para el rARN 16S y es responsable de la sntesis

de los rARNs 12S y 16S, del tARNPhe y del tARNVal. Un factor de terminacin mTERF acta unindose en una secuencia inmediatamente posterior al gen del rARN 16S, situada

en el gen del tARNLeu (47-50). El segundo proceso de transcripcin, mucho menos frecuente que el anterior, comienza en el punto de iniciacin H2, cerca del extremo 5' del

gen rARN 12S, se extiende ms all del extremo 3' del gen rARN 16S y produce un ARN policistrnico que corresponde a casi la totalidad de la cadena pesada. Los mARNs de 12 pptidos y 12 tARNs se originan por procesamiento de este ARN policistrnico. Este modelo de transcripcin muestra asimismo un mecanismo por el cual se puede producir una regulacin en la transcripcin diferencial de los rARNs y de los mARNs (34).

La cadena ligera se transcribe mediante una nica unidad de transcripcin que empieza en el lugar de iniciacin L, cerca del extremo 5 del ARN 7S (poli(A)-ARN 18), dando lugar a 8 tARNs y al nico mARN (ND6) codificado en esa cadena. El inicio de la sntesis de ADN depende tambin de la actividad de esta unidad de transcripcin, como se ha mencionado anteriormente.

Traduccin del ADN mitocondrial

Los mARN mitocondriales traducen su mensaje en un sistema de traduccin propio de la mitocondria con ribosomas especficos. Los componentes de los ribosomas mitocondriales estn codificados por los dos sistemas genticos de la clula. As, mientras que los rARNs estn codificados en el ADN mitocondrial, las protenas ribosmicas lo

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estn en el genoma nuclear. El coeficiente de sedimentacin de los ribosomas mitocondriales es de 55S, con subunidades de 28S y 39S, que contienen 33 y 52 protenas respectivamente (51,52). Se conocen factores de iniciacin, elongacin y de terminacin de la sntesis de protenas.

El cdigo gentico utilizado por la mitocondria para traducir sus genes presenta algunas diferencias muy significativas con respecto al cdigo universal. As, el codon UGA codifica triptfano en lugar de ser uno de los codones de terminacin. Asimismo, la mitocondria humana, adems de AUG, utiliza AUA y AUU como codones de iniciacin, mientras que AGA y AGG, codones de arginina en el cdigo universal, son seales de terminacin. Reciente mente se ha propuesto que los codones AGA y AGG no actan directamente como codones de terminacin sino que producen un movimiento del ribosoma de un nucletido hacia atrs encontrndose entonces con un codon de terminacin caracterstico del cdigo universal (53).

Otra de las caractersticas particulares del sistema gentico mitocondrial es su inusual reconocimiento de codones, que permite la lectura del cdigo gentico con solo los 22 tARNs codificados en el mtADN. Cada una de las 8 familias del cdigo con 4 codones para un aminocido son ledas por un solo tARN, mientras en las otras 6 familias se siguen utilizando 2 tARNs para leer los codones de cada familia (54,55). De esta forma 24 tARNs son suficientes para traducir el cdigo gentico mitocondrial.

GENETICA MITOCONDRIAL

El sistema gentico mitocondrial presenta unas caractersticas genticas que lo diferencial del nuclear (7).

Herencia materna. El ADN mitocondrial se hereda con un patrn vertical, no mendeliano,

transmitido exclusivamente por va materna. La madre trasmite el genoma mitocondrial a todos sus hijos; por tanto, solamente las hijas lo trasmitirn a todos los miembros de la siguiente generacin y as sucesivamente.

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El ADN mitocondrial es poliploide y durante la divisin celular las mitocondrias se distribuyen al azar entre las clulas hijas (segregacin mittica). Todas las clulas de un individuo normal tienen el mismo ADN mitocondrial, es decir son homoplsmicas. Sin embargo, en la clula pueden aparecer molculas de ADN mitocondrial mutadas que pueden afectar a todas las molculas (homoplasmia para la mutacin) o que pueden coexistir con el ADN normal (heteroplasmia). Con la divisin celular el fenotipo de una lnea celular determinada puede variar dando lugar a tres posibles genotipos diferentes: homoplsmico para el ADN mitocondrial normal, heteroplsmico y homoplsmico para el ADN mutado. El fenotipo de una clula con heteroplasmia depender del porcentaje de ADN daado que exista en la clula, es decir del grado de heteroplasmia. Si nmero de molculas de ADN mutadas es pequeo se producir una complementacin de la funcin

Figura 3.- Modelos de replicacin

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con las molculas de ADN normal y no se manifestar el defecto gentico. Sin embargo, al aumentar el porcentaje de ADN mutado se har patente un fenotipo patognico. Es decir, el fenotipo se manifiesta de acuerdo con un efecto umbral. Si la produccin de ATP llega a estar por debajo de los mnimos de energa necesarios para el funcionamiento de los tejidos debido a la presencia de mitocondrias defectuosas se produce la aparicin de la patogenicidad.

Otra de las caractersticas particulares de la gentica mitocondrial es que tiene una gran tendencia a mutar siendo la tasa sustitucin de nucletidos unas 10 veces superior a la del ADN nuclear (56). Como consecuencia de esto, hay una gran variacin de secuencias entre especies e incluso entre individuos de una misma especie. Se puede calcular que dos individuos tienen al menos unos 50-70 nt de diferencia en su secuencia. Adems de estas diferencias, en un individuo determinado se esta produciendo continuamente, a lo largo de la vida, una heterogeneidad en el mtADN como consecuencia de las mutaciones que se estn originando en sus clulas somticas. Por tanto, es posible que una acumulacin de este dao mitocondrial sea la causa de la disminucin en la capacidad respiratoria de los tejidos que tiene lugar en el envejecimiento (57).

La gran variacin existente en la secuencia del mtADN de diferentes individuos se est utilizando hoy en da para estudios acerca de la filogenia y estructura de las poblaciones. Los datos disponibles son coherentes con los siguientes puntos (58,59): 1) Las mutaciones se van acumulando de un modo secuencial en la radiacin de de las diferentes lineas maternas; 2) La variacin del mtADN correlaciona con el origen tico y la distribucin geogrfica de los individuos; 3) Existe un nico rbol mitocondrial humano, cuyas ramas se dividen en los diferentes continentes, indicando que el origen del homo sapiens es nico; 4) La variacin actual es mayor en frica, seguida de Asia, Europa y finalmente Amrica. Ello implica que el homo sapiens se origin en frica (hace unos 300.000 aos de acuerdo con el ritmo de evolucin y asumiendo un "reloj molecular"), luego emigr a Asia y Europa y finalmente lleg (recientemente, hace unos 30.000 aos) a Amrica. El origen africano de la rama actual de la especie humana se ha visto confirmado recientemente mediante estudios de locus altamente polimrficos del cromosoma Y.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido subvencionado por ISCIII FIS PI 10/00662.

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