Mitochondrial DNA

El ADN mitocondrial (ADNmt) es el material genético que se encuentra dentro de las mitocondrias, los orgánulos de las células eucariotas que convierten la energía química de los compuestos orgánicos en ATP. Si bien la mayor parte del ADN de una célula reside en el núcleo (y, en plantas y algas, también en plástidos como los cloroplastos), el ADNmt constituye solo una pequeña fracción. Codifica 13 subunidades esenciales del sistema de fosforilación oxidativa, implicado en la conversión de energía celular.

El ADNmt humano fue la primera porción importante del genoma humano en secuenciarse, revelando 16 569 pares de bases que codifican 13 proteínas. Al igual que en otros vertebrados, el código genético mitocondrial humano difiere ligeramente del ADN nuclear. Debido a que el ADNmt animal evoluciona más rápido que los marcadores genéticos nucleares, es una herramienta clave en filogenética y biología evolutiva. También ayuda a rastrear relaciones poblacionales, lo que lo hace valioso en antropología y biogeografía.

Se cree que el ADN nuclear y el mitocondrial tienen orígenes evolutivos separados. La teoría endosimbiótica propone que el ADNmt deriva de los genomas circulares de bacterias fagocitadas por los ancestros de las células eucariotas modernas. Hoy en día, la gran mayoría de las proteínas mitocondriales (alrededor de 1500 tipos en mamíferos) están codificadas por el ADN nuclear, aunque se cree que muchos de esos genes tienen origen bacteriano y fueron transferidos al núcleo durante la evolución.

Se debate por qué las mitocondrias retienen algunos genes. La existencia en algunas especies de orgánulos derivados de mitocondrias sin genoma sugiere que la pérdida completa de genes es posible, y transferir genes al núcleo ofrece ventajas. Una hipótesis es que los productos proteicos hidrofóbicos son difíciles de dirigir de forma remota a la mitocondria; otra es que la colocalización permite una regulación redox localizada. El análisis reciente de muchos genomas de ADNmt sugiere que ambos factores pueden dictar qué genes se retienen.

En todos los organismos, existen seis tipos principales de genomas mitocondriales, clasificados por su estructura (circular o lineal), tamaño, presencia de intrones o estructuras similares a plásmidos, y si el material genético es una molécula única o una colección de moléculas homogéneas o heterogéneas. En muchos organismos unicelulares (por ejemplo, el ciliado Tetrahymena y el alga verde Chlamydomonas reinhardtii), y raramente en multicelulares (por ejemplo, algunos cnidarios), el ADNmt es lineal.

La mayoría de los ADNmt lineales tienen telómeros independientes de la telomerasa con diferentes modos de replicación, lo que los convierte en sujetos de investigación interesantes, ya que muchos de estos organismos unicelulares son patógenos. La mayoría de los animales bilaterales tienen un genoma mitocondrial circular, aunque los clados Medusozoa y Calcarea incluyen especies con cromosomas lineales. Con pocas excepciones, los animales tienen 37 genes en su ADNmt: 13 para proteínas, 22 para ARNt y 2 para ARNr.

Los genomas mitocondriales animales promedian alrededor de 16 000 pares de bases. La anémona Isarachnanthus nocturnus tiene el ADNmt animal más grande conocido con 80 923 pb, mientras que el ctenóforo Vallicula multiformis tiene el más pequeño con 9961 pb. En febrero de 2020, se descubrió que un parásito relacionado con las medusas, Henneguya salminicola, carece por completo de un genoma mitocondrial pero conserva orgánulos relacionados con las mitocondrias.

Los genes nucleares para la respiración aeróbica y la replicación y transcripción del ADNmt estaban ausentes o eran pseudogenes, lo que lo convierte en el primer organismo multicelular conocido que vive completamente sin dependencia del oxígeno. El crustáceo Armadillidium vulgare tiene un ADNmt excepcionalmente grande, aproximadamente 30 kb más grande que el promedio de los crustáceos, lo que lo convierte en un organismo modelo en la investigación del ADNmt.

Las plantas y los hongos tienen tres tipos de genomas mitocondriales. El primero es un genoma circular con intrones (tipo 2), que va de 19 a 1000 kpb. El segundo es un genoma circular (20–1000 kpb) con una estructura similar a un plásmido (1 kb) (tipo 3). El tercero es un genoma lineal de moléculas de ADN homogéneas (tipo 5).

El contenido y el tamaño de los genes varían mucho entre hongos y plantas, aunque un subconjunto central de genes aparece en todos los eucariotas (excepto aquellos sin mitocondrias). En los hongos, ningún gen individual es compartido entre todos los mitogenomas. Algunas plantas tienen genomas mitocondriales enormes; el ADNmt de Silene conica contiene hasta 11 300 000 pares de bases, pero tiene el mismo número y tipo de genes que plantas relacionadas con ADNmt mucho más pequeños.

El pepino (Cucumis sativus) tiene tres cromosomas mitocondriales circulares (1556, 84 y 45 kilobases), cada uno en gran medida autónomo en su replicación. Los protistas tienen los genomas mitocondriales más diversos, con cinco tipos diferentes. Los tipos 2, 3 y 5 (que se encuentran en plantas y hongos) también aparecen en algunos protistas, junto con dos tipos únicos: una colección heterogénea de moléculas de ADN circular (tipo 4) y una colección heterogénea de moléculas lineales (tipo 6).