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Las mitocondrias (las estructuras marrones con forma ovalada) contienen su propio ADN.
Carol y Mike Werner / Visuals Unlimited, Inc.
¿Por qué las plantas de energía de nuestra célula tienen su propio ADN?
Por Laurel Hamers
18 de febrero de 2016, 3:00 p.m.
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Es uno de los grandes misterios de la biología celular. ¿Por qué las mitocondrias -las estructuras ovaladas que dan poder a nuestras células- tienen su propio ADN, y por qué lo han conservado cuando la propia célula tiene suficiente material genético propio? Un nuevo estudio puede haber encontrado una respuesta.
Los científicos piensan que las mitocondrias fueron una vez organismos unicelulares independientes hasta que, hace más de mil millones de años, fueron ingeridas por células más grandes. En lugar de ser digeridos, se establecieron y desarrollaron una relación mutuamente beneficiosa desarrollada con sus anfitriones que eventualmente permitió el surgimiento de una vida más compleja, como las plantas y los animales de hoy en día.
Con los años, el genoma mitocondrial se ha reducido. El núcleo ahora alberga la gran mayoría del material genético de la célula, incluso los genes que ayudan a la función mitocondrial. En los humanos, por ejemplo, el genoma mitocondrial contiene solo 37 genes, en comparación con los 20,000 o más del núcleo. Con el tiempo, la mayoría de los genes mitocondriales han saltado al núcleo. Pero si esos genes son móviles, ¿por qué las mitocondrias retienen algún tipo de genes, especialmente teniendo en cuenta que las mutaciones en algunos de esos genes pueden causar enfermedades raras pero incapacitantes que destruyen gradualmente los cerebros, hígados, corazones y otros órganos clave de los pacientes?
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Los científicos han barajado algunas ideas, pero no ha habido datos contundentes para elegir una sobre otra.
Así que Iain Johnston, un biólogo de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido, y el biólogo Ben Williams del Instituto Whitehead para Investigación Biomédica en Cambridge, Massachusetts, modelaron el problema, comparando matemáticamente diferentes hipótesis por primera vez. Analizaron más de 2000 diferentes genomas mitocondriales de animales, plantas, hongos y protistas (como las amebas). Ellos rastrearon su camino evolutivo, creando un algoritmo que calculó las probabilidades de que diferentes genes y combinaciones de genes se perderían en determinados puntos en el tiempo.
“Ese es uno de los aspectos innovadores de este trabajo, que utiliza modelos que normalmente no se incluyen en este tipo de estudios”, dice Keith Adams, biólogo de la Universidad de Columbia Británica, Vancouver, en Canadá, que no participó en el estudio. la investigación.
Las mitocondrias producen energía a través de una serie de reacciones químicas que pasan electrones a lo largo de una membrana. La clave de este proceso es una serie de complejos proteicos, grandes globs proteicos que se incrustan en la membrana interna de la mitocondria. Todos los genes restantes de la mitocondria ayudan a producir energía de alguna manera. Pero el equipo descubrió que era más probable que un gen se quedara si creaba una proteína que era fundamental para uno de estos complejos. Los genes responsables de más funciones periféricas de producción de energía, mientras tanto, tenían más probabilidades de ser tercerizados al núcleo, el grupo informa hoy en Cell Systems .
“Mantener esos genes localmente en las mitocondrias le da a la célula una manera de controlar individualmente las mitocondrias”, dice Johnston, porque las proteínas pivotales se crean en las propias mitocondrias. Ese control local significa que la célula puede regular más rápida y eficientemente la producción de energía momento a momento en las mitocondrias individuales, en lugar de tener que realizar cambios radicales en los cientos o miles de mitocondrias que contiene. Por ejemplo, la mitocondria fuera de control se puede arreglar de forma individual en lugar de desencadenar una respuesta general de toda la célula que podría desequilibrar algo más.
Es como responder a un incendio, dice John Allen, un biólogo de University College London que no participó en el estudio. Si una habitación individual en un gran edificio se incendia, no llame al administrador del edificio para pedir permiso para apagarla. Tomas un extintor de incendios y apuntas.
“Creo que es un mecanismo de retroalimentación muy fundamental”, dice Allen. En su propia investigación, encontró evidencia que sugiere que la producción de ciertas proteínas mitocondriales justo donde se necesitan ayuda a la célula a regular mejor la producción de energía. Otras estructuras en nuestras células también podrían beneficiarse de este tipo de control local. Pero las mitocondrias, con su historia como células independientes, son las únicas con su propio centro de comando.
El modelo de Johnston y Williams señala otros factores que también podrían ser importantes. Por ejemplo, los genes que codifican proteínas mitocondriales que son hidrofóbicas o que repelen el agua tienen más probabilidades de producirse en las mitocondrias. Si estas proteínas se fabrican en otra parte de la célula, a veces pueden quedarse atrapadas en el tránsito, por lo que puede ser más eficiente producirlas en la mitocondria.
La composición química de los genes mismos también puede influir en la probabilidad de que permanezcan. Es más probable que persistan los genes que son químicamente capaces de resistir las duras condiciones dentro de las mitocondrias en lugar de descomponerse.
Johnston cree que el programa de computadora que él y Williams desarrollaron es bueno para algo más que examinar los genomas mitocondriales. El algoritmo puede analizar cualquier problema en el que los rasgos individuales se pierdan o se adquieran con el tiempo, ya sean genes o síntomas de una enfermedad. Él espera que el modelo sea útil para predicciones futuras en este sentido, como mirar las vías de progresión de la enfermedad.
