Research limitations and implications for future research

El mtDNA de mamíferos es una molécula circular de doble cadena de aproximadamente 16,5 kb que se replica y transcribe en la matriz mitocondrial (Clayton 1982; Clayton 1991). Cada mitocondria contiene entre 2 y 10 copias de mtDNA y cada célula alrededor de 103 y 104 copias, dependiendo del tejido y de las necesidades energéticas de la célula (Satoh y Kuroiwa 1991). La replicación de estos genomas es independiente del ciclo celular.

El mtDNA de mamíferos contiene información para 37 genes: 13 proteínas, que forman parte de la cadena de transporte electrónico, y 24 RNAs necesarios para su síntesis (2 RNAs ribosómicos y 22 tRNAs). De estos polipéptidos, siete forman parte del complejo I (ND1, ND2, ND3, ND4, ND4L, ND5 y ND6), uno corresponde al apocitocromo b del complejo III (CYTB), tres subunidades del complejo IV (COI, COII y COIII), y dos son las subunidades 6 y 8 de la ATPasa o complejo V (ATP6 y ATP8) (Anderson, Bankier et al. 1981; Bibb, Van Etten et al. 1981; Bayona-Bafaluy, Acin-Perez et al. 2003). Estos genes se distribuyen heterogéneamente entre las dos cadenas del mtDNA, que por su diferente contenido en bases G+T pueden separarse utilizando gradientes alcalinos de CsCl (Kasamatsu y Vinograd 1974), dando lugar a la denominación de cadena pesada (H, heavy) y ligera (L, light). La cadena H contiene

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13 información para los dos rRNAs, 14 tRNAs y 12 polipéptidos, mientras que la cadena L sólo contiene 9 genes: 8 tRNAs y la subunidad ND6 del complejo I.

Figura 4. Mapa genético del mtDNA humano y sistema OXPHOS. A) Mapa genético del mtDNA

humano. Representación de las dos cadenas que lo componen y los genes que codifican: siete subunidades de complejo I (NDs), una subunidad de complejo III (CYTB), tres subunidades de complejo IV (COX), y dos subunidades de complejo V (A6 y A8), se muestran en distintos colores. Los RNAs ribosómicos 12S y 16S se muestran en verde y los 22 tRNAs en azul oscuro. B) Representación esquemática del sistema OXPHOS embebido en la membrana interna mitocondrial (IMM). Muestra las subunidades codificadas por el nDNA en azul y las codificadas por el mtDNA en distintos colores. Los electrones (e-) fluyen a través de los complejos de la cadena de transporte electrónico (mtCTE) y los protones son bombeados desde la matriz (MAT) al espacio intermembrana (IMS), a través de los complejos I, III y IV, volviendo a la matriz mediante el complejo V para producir ATP. Los transportadores móviles son el coenzima Q10 (CoQ) y el citocromo c (Cyt c). Figura adaptada de (Schon, DiMauro et al. 2010).

El genoma mitocondrial de mamíferos reúne una serie de características particulares: I) su código genético difiere ligeramente del código genético universal (Barrell, Bankier et al. 1979); II) presenta una alta tasa de mutación, 10 veces superior a la del DNA nuclear (Brown, George et al. 1979), debido a la exposición del mtDNA a las especies reactivas de oxígeno generadas en el interior de la mitocondria, a su menor protección por asociación de proteínas que el nuclear, y a la ausencia de sistemas eficientes para su reparación (Fernandez-Silva, Enriquez et al. 2003); III) se transmite por herencia materna, no mendeliana (Giles, Blanc et al. 1980); IV) es muy compacto ya que carece de intrones,

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de regiones no traducidas en los extremos del gen y de espaciadores entre genes. Otra característica de los genes codificados en el mtDNA es que la mayor parte de ellos carecen de codon de parada. En estos casos, se ha visto que presentan una T o TA justo después del último triplete y que estas bases van seguidas por el extremo 5‟ del gen adyacente por lo que el codon de terminación se genera mediante la poliadenilación del extremo 3‟ del mRNA correspondiente (Ojala, Montoya et al. 1981).

Otro aspecto interesante del mtDNA es la posibilidad de que existan varias formas alélicas en un mismo individuo, pudiendo diferir su proporción relativa dependiendo del tejido (Holt, Harding et al. 1988). La presencia de más de un tipo de mtDNA en una célula o tejido se denomina heteroplasmia, frente al término homoplasmia que se utiliza cuando todas las moléculas de mtDNA de una célula u organismo son idénticas. Dentro de un mismo individuo pueden encontrarse distintos grados de heteroplasmia en los diferentes tejidos y suele darse la necesidad de alcanzar un umbral de porcentaje de DNA mutante para que empiecen a manifestarse los efectos patológicos de la mutación (Mazat, Rossignol et al. 2001). Otro fenómeno destacable es que mientras algunas moléculas de mtDNA pueden sufrir varias rondas de replicación a lo largo del ciclo celular, otras pueden no replicarse. Este hecho, junto a la distribución al azar de mitocondrias entre las células hijas en el proceso de división celular, permite la segregación de variantes alélicas.

El mtDNA es además altamente polimórfico: esto significa que hay numerosas diferencias en su secuencia, no patológicas, entre individuos del mismo grupo étnico y que se ven incrementadas entre individuos de grupos distintos. Estas variantes se denominan haplogrupos del mtDNA y se basan en patrones específicos de polimorfismos. Algunos haplogrupos parecen estar relacionados con diversos procesos como la motilidad espermática (Ruiz-Pesini, Lapena et al. 2000), el envejecimiento (Castri, Melendez- Obando et al. 2009), la susceptibilidad a diversas enfermedades (Hendrickson, Hutcheson et al. 2008; Khusnutdinova, Gilyazova et al. 2008) o la sensibilidad a fármacos (Pacheu- Grau, Gomez-Duran et al. 2010; Pacheu-Grau, Gomez-Duran et al. 2010). Además, se han utilizado para seguir el rastro de los movimientos poblacionales mundiales, la antigüedad de la especie humana y proporcionan un medio para evaluar la descendencia étnica (Horai 1995; Disotell 1999; Rhouda, Martinez-Redondo et al. 2009; Catelli, Alvarez-Iglesias et al. 2011).

Durante mucho tiempo se pensó que las moléculas de mtDNA están desnudas y sin protección, es decir, que no se encuentran asociadas a proteínas, como las histonas al DNA nuclear. Sin embargo, ahora se sabe que el mtDNA está asociado a varias proteínas dentro de una estructura denominada nucleoide. Los nucleoides tiene forma oval y están formados por un número variable de copias de mtDNA, entre 1-10. Recientemente se ha descrito que tienen un tamaño de ~70 nm y la mayor parte de ellos contienen una sola copia de mtDNA (Kukat, Wurm et al. 2011). Este tamaño implica un alto grado de compactación del DNA, ya que dicho diámetro corresponde a 300 pb lineales (Bogenhagen 2011).

La principal proteína estructural en el nucleoide es el factor de transcripción mitocondrial A (TFAM ó mtTFA), de la que se calcula que existen 1,4 x 103 moléculas por nucleoide. Además de compactar el mtDNA, TFAM funciona como factor de transcripción (ver más abajo) y recientemente se ha determinado el cambio estructural que provoca su unión en la molécula de mtDNA (Ngo, Kaiser et al. 2011; Rubio-Cosials, Sidow et al. 2011).

15 Se ha descrito que la organización del mtDNA en los nucleoides es importante durante la segregación y afecta al grado de heteroplasmia (Jacobs, Lehtinen et al. 2000; Poe, Duffy et al. 2010).

También se ha propuesto un modelo de la estructura del nucleoide en capa. En este modelo, la replicación y la transcripción tienen lugar en el interior del nucleoide, mientras que la traducción tiene lugar en la zona periférica, estando el nucleoide unido a la membrana interna mitocondrial (Bogenhagen, Rousseau et al. 2008).