DNA Mitocondrial

Genética Mitocondrial

CARACTERÍSTICAS GENERALES

• Poseen un sistema genético propio y la maquinaria necesaria para sintetizar DNA, RNA y las proteínas que codifica (Herencia Citoplasmática)

Genoma Nuclear Genoma Mitocondrial

Tamaño aproximado 3 000 MB 16.6 MB

Numero de moléculas distintas 23 en mujeres24 en hombres 1

Numero de copias por célula diploide 2 > 1 000

Tipo de Molécula Lineal Circular

Proteínas asociadas Histonas y proteínas no histonas Libre de proteínas

Número de genes 22 000 37

Densidad genética ~1/40 kb 1/0.45 kb (alta)

DNA repetitivo ~20% Casi no existe

DNA codificante ~2% 90%

Recombinación > 1 por cromosoma y meiosis No

Tasa de mutación Baja Alta

Herencia Mendeliana, con la excepción del cromosoma Y Monoparental materna

• El código genéticos esta alterado respecto al universal ya que 4 de los 64 codones presentan un significado diferente al que posee para la síntesis citoplasmática.

• El hecho El hecho de que el código genético mitocondrial es casi el mismo en todos los organismos proporciona fuertes evidencias de que todas las células eucariotas evolucionaron a partir de un antepasado común.


Codón Código Universal Código mitocondrial

UGA STOP Trp

AUA Ile Met

AGAAGG Arg STOP

Membrana externa

Espacio Intermembranoso

Membrana interna

Matriz mitocondrial

Cresta

Citosol


Codón Código estándar: proteínas codificadas en el núcleo

Mamíferos

Mitocondrias

Drosophila Neurospora Levaduras Plantas

UGA Terminación Trp Trp Trp Trp Terminación

AGA, AGG Arg Terminación Ser Arg Arg Arg

AUA Ile Met Met Ile Met Ile

AUU Ile Met Met Met Met Ile

CUU, CUC, CUA, CUG Leu Leu Leu Leu Thr Leu

Alteraciones en el código genético estándar en las mitocondrias

• En la mayoría de los eucariontes, todos los tRNA utilizados para la síntesis de proteínas en la mitocondria son codificados por mtDNA. Sin embargo, en el trigo, en el parásito protozoario Trypanosoma brucei (causante de la enfermedad del sueño africana), y en los protozoos ciliados, la mayoría de los tRNA mitocondriales son codificados por el DNA nuclear e incorporados a la mitocondria.

• Molécula circular, cerrada y de doble cadena. Forman conjuntos de 4 a 5 cromosomas mitocondriales (Nucleoides)

• Tamaño:

– Humanos: 16 569 pb (Secuencia de Cambridge)

– Levaduras: 78 000 – 80 000 pb

– Plantas: 100 y 2 000 kb

• Las dos cadenas complementarias tienen una proporción C y G muy diferentes

– Cadena pesada o H (Heavy): rica en bases púricas. Peso molecular: 5 168 726 daltons

– Cadena ligera o L (Light): rica en pirimidinas. Se representa por convenio y sobre la cual se realiza la numeración genómica mitocondrial. 5 060 609 daltons

• No presentan intrones, por lo tanto su información esta muy compactada.

• El mtDNA humano tiene 13 secuencias que comienzan con un codón ATG (metionina) y finaliza con un codón de terminación, y son lo suficientemente largos como para codificar un polipéptido de más de 50 aminoácidos.

ESTRUCTURA Y ORGANIZACIÓN DEL DNA MITOCONDRIAL

La doble tinción revela las múltiples moléculas de DNA mitocondrial (hasta 30) en una célula de Euglena gracilis en crecimiento. Las células fueron tratadas con una mezcla de dos colorantes: bromuro de etidio, que se fija al DNA y emite una fluorescencia roja, y DiOC6, que se incorpora específicamente dentro de las mitocondrias y emite una fluorescencia verde. Por ende, el núcleo emite una fluorescencia roja y las áreas ricas en DNA mitocondrial fluorescen de color amarillo -una combinación de fluorescencia roja de DNA y verde mitocondriales. (De Y. Hayashi y K. Ueda, 1989, J. Cell. Sci. 93:565.)

• Región codificante: contiene 37 genes, 90% del total de la molécula. 28 codificados por la cadena H y 9 por la cadena L.

– 22 codifican para ARNt

– 2 codifican para ARNr (12s y 16s)

– 13 codifican para ARN mensajeros (por lo tanto para 13 polipéptidos implicados en la cadena de fosforilación oxidativa)

* 7 de las 48 sub-unidades de NADH deshidrogenasa, para el complejo I (ND1, ND2, ND3, ND4L, ND4, ND5 y ND6)

* 1 Citocromo b del complejo III

* 3 de las 13 sub-unidades de Citocromo oxidasa (COX) del complejo IV

* 2 ATPasas (ATPasa 6 y 8) del complejo V

• Región no codificante (Región control): 1.2 kb, 10% restante de la molécula. Presenta dos regiones: Región Hipervariable I (HVI) y Región Hipervariable II (HVII). Se extiende desde la posición 16 024 hasta la 16 569 y desde la 1 hasta la 576.

– Promotores de la transcripción de ambas cadenas

– Origen de replicación

– Secuencias de regulación

– Lugares de unión de factores de transcripción

– Secuencias conservadas relacionadas con el inicio de la replicación de la cadena H

– Secuencias asociadas a la finalización del bucle de desplazamiento (D-Loop): presenta 1 100 pares de bases, se genera durante la replicación de la cadena H por la síntesis de un corto segmento de la hebra pesada (DNA 7s), que permanece unido al DNA molde, desplazando la cadena H y formando una triple hélice.


Capacidad de codificación del DNA (mtDNA) mitocondrial humano. Las proteínas y los RNA codificados por cada una de las dos "hebras" se muestran por separado. La transcripción de la hebra exterior (H) ocurre en el sentido de las agujas del reloj, y la de la hebra (L) en dirección contraria a las agujas del reloj. Las abreviaturas para los aminoácidos denotan los genes tRNA correspondientes. ND1, ND2, etc., denotan genes que codifican subunidades del complejo de la NADH-CoQ reductasa. El gen de 207 bp que codifica la subunidad 8 de la ATPasa se superpone, fuera del marco, con la porción N-terminal del segmento que codifica la subunidad 6 de la ATPasa. Los genes mtDNA de los mamíferos no contienen intrones, aunque entre algunos genes se ubica DNA interviniente. ( Región codificante: Genes ARNr /ARNt en verde)

La mayoría de los genes se encuentran en la cadena H. La cadena L codifica para una proteína (subunidad 6 de la ND) y 8 tRNA. A partir de la cadena H se transcriben dos RNA, uno corto para los rRNA y otro largo para mRNA y 14 tRNA. De la cadena L se produce un solo transcrito. Un RNA 7S se transcribe en sentido contrario a las agujas del reloj cerca del origen de replicación (ORI), localizado entre las horas 11 y 12 de la estructura circular.


• Herencia del DNA mitocondrial Humano

Se hereda como un patrón no mendeliano, herencia exclusivamente materna y ausente de recombinación (excepto en plantas, hongos, mejillones o peces, en los cuales sí hay recombinación).

• Tasa de mutación del DNA mitocondrial

Depende de la velocidad y se fijan las mutaciones en los linajes.

La mitocondria consume mas del 90% del oxigeno que entra en la célula, para producir energía, esta actividad metabólica produce grandes cantidades de radicales libres con efecto mutágeno. La molécula de mtDNA carece de histonas protectoras y DNApol mitocondrial con escasa actividad correctora.

la Tasa de evolución está en función de dos procesos: la frecuencia con la que surgen nuevas mutaciones en la molécula y la probabilidad de que estas nuevas mutaciones se fijen en la población.

• Polimorfismo del DNA mitocondrial

En términos generales se asume que un locus es polimórfico cuando el alelo mas común para este locus tiene una frecuencia inferior al 99%

– Polimorfismo de longitud : producidos por inserciones o delecciones de uno o mas nucleótidos.

– Polimorfismo de secuencia: producidos por el cambio de uno o mas nucleótidos en una secuencia de DNA.

• Heteroplasmia en el DNA mitocondrial

Cuando se encuentran mutaciones en el mtDNA, las células suelen contener mezclas de mtDNA de tipo silvestre y de tipo mutante -una condición conocida como Heteroplasmia.

Puede observarse en diferentes formas:

– Un individuo puede presentar mas de un tipo de mtADN en un solo tejido.

– Un individuo puede tener un tipo de mtADN en un tejido y otro en tipo en otro tejido.

– Un individuo puede ser heteroplásmico en un tejido y homoplásmico en otro tejido.

Después de varios ciclos de división la proporción de mtADN mutante y normal en una célula puede derivar hacia el mutante puro o hacia el normal puro (homoplasmia) en un proceso conocido como segregación replicativa. Este proceso puede suceder durante la replicación de la célula somática o durante la proliferación de las células germinales femeninas.

CONSIDERACIONES

Fisión binaria

Genoma mitocondrial replicado

La fisión binaria en completada

Cromosoma mitocondrial en Nucleoide

Fisión binaria de la Mitocondria

Microfotografía electrónica de transmisión del proceso

HETEROPLASMIA

Herencia citoplasmática de la mutación petite en la levadura. Las mitocondrias de cepas petite son defectuosas en la fosforilación oxidativa debido a una delección en el mtDNA. (a) Las células haploides se fusionan para producir una célula diploide que experimenta meiosis, durante la cual tiene lugar la segregación aleatoria de los cromosomas y las mitocondrias que contiene el mtDNA de los progenitores. Puesto que la levadura contiene normalmente ~50 moléculas de mtDNA por célula, todos los productos de la meiosis suelen contener tanto el mtDNA petíte como el normal y son capaces de respirar. (b) A medida que estas células haploides crecen y se dividen por medio de la mitosis, el citoplasma (incluidas las mitocondrias) se distribuye aleatoriamente en las células hijas. A veces, se genera una célula que contiene sólo mtDNA petíte defectuoso y origina una colonia petite. Por ende, la formación de estas células petite es independiente de cualquier marcador genético nuclear.

• Muchas proteínas mitocondriales son agregados de productos génicos de genes nucleares y mitocondriales. Estos productos génicos se transportan hada la mitocondria después de la transcripción nuclear y la traducción citoplasmática. En las mitocondrias forman proteínas funcionales a partir de subunidades de productos génicos mitocondriales y nucleares. Esto explica porque algunos trastornos genéticos mitocondriales presentan herencia mendeliana, mientras que las alteraciones determinadas puramente por las mitocondrias muestran herencia por vía materna en forma exclusiva

COOPERACIÓN ENTRE EL GENOMA MITOCONDRIAL Y EL NUCLEAR

A. Alteraciones del mtDNA

a) Deleciones únicas (habitualmente esporádicas)

b) Duplicaciones o duplicaciones/delecciones (herencia materna)

c) Mutaciones puntuales (herencia materna)

B. Alteraciones del nDNA

a) Alteraciones de los genes que codifican proteínas mitocondriales (Autosómico recesivo)

b) Alteraciones en la importación de proteínas mitocondriales (Autosómico recesivo)

c) Alteraciones en la comunicación intergenómica

– Deleciones múltiples de mtDNA (AD/AR)

– Depleción de mtDNA (Autosómico recesivo)

A. Defectos de la oxidación de los ácidos grasos

B. Defectos del metabolismo del piruvato

a) Déficit de piruvato carboxilasa (PC)

b) Déficit de piruvato deshidrogenasa (PDH)

C. Defectos del ciclo de Krebs

D. Defectos en el acoplamiento oxidación-fosforilación

E. Defectos de la cadena respiratoria

a) Déficit de complejos I-V (aislados o combinados)

b) Deficiencia primaria de coenzima Q10

ENFERMEDADES MITOCONDRIALES

CLASIFICACIÓN BIOQUÍMICA DE LAS ENFERMEDADES MITOCONDRIALES POR DEFECTOS DEL METABOLISMO ENERGÉTICO

CLASIFICACIÓN GENÉTICA DE LAS ENFERMEDADES MITOCONDRIALES

• La severidad de la enfermedad va a depender de la naturaleza de la mutación y de la proporción de mtDNA y de tipo silvestre presente en un tipo de célula en particular.

• Epilepsia Mioclónica con Miofibrillas rojas rasgadas (MERRF)

– Presenta un patrón de herencia consistente con herencia materna

– Sordera y demencia además de ataques.

– Tanto las fibras musculares como las mitocondrias son anormales en apariencia

Se ha encontrado una mutación en uno de los genes mitocondriales que codifica al (tRNALys), cambio de bases en la posición 8 344 de la cadena pesada (disfunción del complejo V de la Cadena respiratoria)

ENFERMEDADES GENÉTICAS EN HUMANOS CAUSADAS POR MUTACIONES EN EL DNA MITOCONDRIAL

MERRF Myoclonic epilepsy and ragged red fiber diseaseLHON Leber hereditary optic neuropathyNARP Neurogenic muscle weakness, ataxia, and retinitis pigmentosumMELAS Mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and strokelike symptomsMMC Maternally inherited myopathy and cardiomyopathyPEO Progressive external opthalmoplegiaKSS Kearns-Sayre syndromeMILS Maternally inherited Leigh syndrome

• Neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON)

– Presenta herencia materna así como lesiones en el mtDNA

– Súbita ceguera bilateral. Edad promedio de perdida de la visión 27 años.

Cuatro mutaciones diferentes y todas ellas desorganizan la fosforilación oxidativa normal. 50% de los casos se debe a la mutación en una posición especifica en el gen mitocondrial que codifica ala sub-unidad de la NADH deshidrogenasa. Se sustituye Arginina por Histidina.

En muchos casos de LHON no hay antecedentes familiares.

• Síndrome de Kearns-Sayre (KSS)

– No se presentan síntomas durante la infancia, se desarrolla progresivamente cuando son adultos.

– Perdida de la visión, oído y anomalías cardiacas.

Delecciones en varios puntos en el mtDNA. La proporción del mtDNA que presenta deleciones aumenta a medida que la gravedad de los síntomas aumenta.

ENFERMEDADES GENÉTICAS EN HUMANOS CAUSADAS POR MUTACIONES EN EL DNA MITOCONDRIAL

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