Un nuevo estudio publicado en la revista Nature (Wei W., Schon, K, Elgar G. et al, 2022) afirma que en 1/10000 nacimientos y en 1/1000 cánceres se observan inserciones de novo, de ADN mitocondrial en nuestro genoma nuclear. Más del 99% de nosotros, poseemos algún fragmento, de los 1637 estudiados posibles, insertados en nuestro genoma.
Se han asociado diferentes patologías relacionadas con el ADN mitocondrial, todas ellas suelen revestir gravedad. Sin embargo, hasta ahora no se había estudiado en tanta profundidad su potencial evolutivo.
La teoría de la endosimbiosis
Hace tiempo, publicamos en este blog una entrada sobre esta maravillosa teoría de la Biología Celular Evolutiva, formulada por Lynn Margulis. Esta teoría afirma que las mitocondrias fueron antiguas bacterias aerobias, que fueron fagocitadas por una célula eucariota primitiva. Lejos de descomponer este rico fagocitado, la célula la albergó en su interior y se generó una hermosa relación de endosimbiosis. La célula eucariota proporcionó a la joven mitocondria cobijo y alimento, mientras que esta le facilitaba la obtención de energía de una manera mucho más efectiva gracias a la respiración celular basada en la captación de O2 para descomponer la glucosa en CO2.
Te recomiendo algunos libros de la fantástica Lynn Margulis. Sin duda, es una de las teorías más bonitas de la Biología:
Lynn Margulis: Vida y legado de una científica rebelde. Escrito por Dorion Sagan, su hijo.
Symbiotic Planet: a new look at evolution.
Los inicios de la vida: la evolución en la Tierra precámbrica.
Un proceso similar ocurriría con los cloroplastos, que serían antiguas cianobacterias, permitiendo a la joven célula eucariota vegetal realizar la fotosíntesis.
Sabemos que esto fue así por varias pruebas contrastadas y difícilmente explicables con otro sentido científico:
- Tanto las mitocondrias como los cloroplastos presentan ADN propio y ribosomas propios en su interior. Estructuras propias de las células y que no se encuentran en ningún otro orgánulo. Además, el ADN presenta características procariotas (formado por un único cromosoma circular, como todas las bacterias). Y el ribosoma también, ya que son de tamaño más pequeño (70S) al de eucariota (80S).
- Sus tamaños también son muy similares al de las bacterias: mitocondria, 2-8µm y cloroplasto 2-10µm.
- Presentan doble membrana plasmática, un hecho que parece indicar que la más interna era la suya propia de procariota (además presenta composición típicamente procariota) y la externa es la que le aportó la célula eucariota al fagocitarla por endocitosis. En este proceso, la célula invagina su membrana hacia dentro y envuelve su captura en una vesícula con su propia membrana.
- Se dividen mediante mitosis, un proceso para enviar una copia de su genoma a cada mitocondria / cloroplasto hijo y dividirse en 2. Este proceso de división es propio de las células.
El ADN mitocondrial se está fusionando con el nuclear
A lo largo de la evolución, se ha observado una reducción del ADN mitocondrial. Esto podría explicarse debido a que este ADN podría estar incorporándose en el ADN nuclear.
La propia anatomía celular facilitaría este proceso, ya que si el ADN mitocondrial se encuentra repentinamente en el citoplasma celular, puede pasar fácilmente al núcleo. El núcleo presenta poros en su envoltura nuclear, por donde este genoma mitocondrial podría acceder.
Evolución humana gracias al ADN mitocondrial
Cuando un fragmento de ADN exógeno (que puede proceder de mitocondrias, virus, etc) se inserta en el ADN nuclear, este provoca una mutación en su lectura. Esta mutación puede conferir una ventaja evolutiva, una desventaja o puede ser, simplemente, neutral.
Algunos investigadores del campo de la evolución, como Mooto Kimura, afirman que la mayoría de las mutaciones son neutrales, ya que hay mucho «ADN basura» en nuestro genoma. Si quieres aprender más sobre ADN basura, te recomiendo esta otra entrada.
En este estudio, se analizaron 8201 familias (incluyendo madre, padre e hijos). En 2 de ellas, se observaron 3 genes de origen mitocondrial en el núcleo de los hijos que no estaban presentes en ninguno de sus dos padres, por lo que podemos afirmar que eran 3 inserciones «de novo«. Esto pudo extraer un dato estadístico de la probabilidad de nuevas inserciones: 2,44 · 10-4 por generación.
Estas inserciones, pueden provocar cambios significativos en la lectura de nuestras secuencias de ADN. Si el cambio es perjudicial, posiblemente de la cara a corto plazo, provocando una enfermedad o síndrome en la persona que la padece. Sin embargo, puede provocar una ventaja adaptativa, que quizás no seamos conscientes hasta medio-largo plazo. Por otro lado, teniendo en cuenta que en torno al 95% de nuestro genoma es ADN no codificante, o basura, lo más probable es que caiga en estas secuencias y muchas de ellas no tendrían, por tanto, un efecto neutral.
El estudio también afirma que los cromosomas donde han observado mayor presencia de secuencias mitocondriales son las parejas 3, 6 y 21 y donde menos en el cromosoma X. No se ha podido estudiar su efecto sobre el cromosoma Y, por las particularidades estructurales y dificultades que desentraña este pequeño cromosoma.
Por otro lado, también se han comparado las secuencias mitocondriales en diferentes poblaciones mundiales. E incluso datar que fragmentos llevan más tiempo insertados en el genoma mitocondrial y qué mutaciones son más recientes. Un dato significativo es que se han encontrado más fragmentos de genes mitocondriales en el núcleo de poblaciones africanas. Esta población, además, presenta fragmentos que se puede rastrear que son más antiguos.
Sabemos que la cuna de nuestra especie es África, en especial se ha podido rastrear que nuestro origen está vinculado al valle del Rift, donde se han encontrado los restos fósiles de Homo sapiens más antiguos. Por ello, la población africana ha tenido más tiempo evolutivo para acumular estas mutaciones a lo largo de la historia y así se plasma en este estudio. Podemos afirmar que llevan más tiempo evolucionando.
Las secuencias mitocondriales y el cáncer
Se ha observado una estrecha relación entre la cantidad de ADN mitocondrial insertado en el genoma nuclear (NUMTs) y la aparición de tumores. De hecho, se han identificado algunos fragmentos mitocondriales específicamente relacionados con la aparición de ciertos tumores con una mayor probabilidad. O lo que es lo mismo, la tasa de mutaciones con inserciones de ADN mitocondrial es significativamente mayor en células tumorales que en sus homólogas de tejido sano.
En el estudio, A partir de estos datos, se ha podido afirmar que 1 de cada 1000 cánceres tiene relación con este proceso.
Sin embargo, en muchos tejidos, no se ha podido observar de manera estrecha esta correlación y la tasa de fragmentos de inserción mitocondrial es similar tanto en tejidos sanos como en tejidos afectados por cáncer.
Tampoco se ha podido apreciar una relación ligada al sexo o edad del individuo.
Un 2,3% (251 de 10713) de los tumores estudiados en el estudio presentaban fragmentos mitocondriales (NUMTs) recién insertados (de novo), un dato mucho más alto que la población total que presenta NUMTs de novo. Esto podría llevarnos a pensar que estos fragmentos se concentran en personas con un mayor riesgo de padecer cáncer, por el riesgo que estas inserciones provocan, como hemos mencionado anteriormente.
Una alta tasa de los tumores estudiados y relacionados a la presencia de NUMTs, 230 de los 251 pacientes oncológicos que dieron positivo en NUMTs de novo, tenían estas inserciones en ADN codificante (genes). Algunos de ellos, afectaban de manera específica a oncogenes.
Los oncogenes son genes que se consideran guardianes del genoma, porque se encargan de detectar y corregir errores en nuestro ADN. Muchos cánceres, tienen mutados estos genes (de ahí el nombre de oncogenes), lo que les provoca que la corrección sea incorrecta y acumulen mutaciones en el ADN (por otros factores como radiación ultravioleta, contaminantes, etc) con mayor facilidad, aumentando el riesgo de tumor.
Conclusión
A pesar de que el proceso de endosimbiosis que originó la célula eucariota tal y como la conocemos comenzó hace aproximadamente 1,45 billones de años, parece que ese proceso continúa evolucionando a día de hoy.
La tendencia es que la mitocondria está perdiendo su propio genoma para incorporarlo en el genoma nuclear, que estaría por tanto, aumentando de tamaño progresivamente.
En 1 de cada 10000 nacimientos hay una incorporación de nuevos fragmentos de ADN mitocondrial al genoma. Esto puede desencadenar procesos que pueden ser perjudiciales para la lectura normal de los genes, aumentando el riesgo de enfermedades como el cáncer.
Sin embargo, gracias a que este proceso ocurre, aumenta nuestra variabilidad genética, que es lo que nos ha permitido a lo largo de la evolución la posibilidad de adaptarnos a un medio cambiante con éxito.
Bibliografía
Wei, W., Schon, K.R., Elgar, G. et al. Nuclear-embedded mitochondrial DNA sequences in 66,083 human genomes. Nature (2022). Disponible en: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05288-7
Cuando un fragmento de ADN exógeno (que puede proceder de mitocondrias, virus, etc) se inserta en el ADN nuclear, este provoca una mutación en su lectura. Esta mutación puede conferir una ventaja evolutiva, una desventaja o puede ser, simplemente, neutral.
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