DNA de organulos

20DNA DE LOS ORGANULOS

El anlisis de las secu enc ias de DNA de las m ito co ndrias de los asnos ind ica que el burro dom stico (fo to g ra fa su p e rio r) desciende del asno sa lva je a fr ican o (fo to g ra fa in fe r io r ). El DNA mitocondrial posee algunas caractersticas que lo hacen muy apropiado para el estudio de las relaciones evolutivas. (Fotografa superior; PhotoDisc; fotografa inferior: Joanna Van Cruisen/Ardea London.)

El burro: asno salvaje o semiasno? Biologa de las mitocondrias y los cloroplastos

Estructura de las mitocondrias y los cloroplastosGentica de los rasgos codificados por los orgnulos La teora endosimbitica

DNA mitocondrial Estructura gentica y organizacin del mtDNACodones no universales en el mtDNA Replicacin, transcripcin y traduccin del mtDNA Evolucin del mtDNA Organismo modelo: la levadura Saccharomyces cerevisiae

DNA de los cloroplastos Estructura gnica y organizacin del cpDNAReplicacin, transcripcin y traduccin del cpDNA Evolucin del cpDNA

Intercambio intergenmico de informacin gentica DNA mitocondrial y envejecimiento en los seres humanos

El burro; asno salvaje o semiasno?1 burro (Equus asinus) tiene una historia larga y destacada, puesto que sirvi como

i portador de personas, posesiones y diversos productos en muchas culturas durante gran parte de la historia humana. A pesar de su larga asociacin con la cultura humana, los orgenes de los burros domsticos son inciertos. El hecho de que se cuente con poca evidencia arqueolgica sugiere que los burros habran sido domesticados hace aproximadamente 5 000 aos -alrededor de la misma poca que los caballos-.

Los burros domsticos estn claramente relacionados con otros asnos, que incluyen dos subespecies de asnos salvajes africanos, el asno salvaje nubio {E. africanus africanus) y el asno salvaje de Somalia (E. a. somaliensis), y dos especies de semiasnos asiticos (. hemionus y E. kiang). Hasta hace poco no estaba claro cul de esos asnos dio origen a los burros y dnde ocurri la domesticacin.

588 Captulo 20

A sn os sa lv a je s a fr ica n o s ydo m stico s

Para tratar de responder estas preguntas un equipo multinacional de cientficos conducido por Albano Beja-Pereira estudi el DNA en las mitocondrias. Como analizaremos en este captulo las mitocondrias, junto con los cloroplastos y algunos otros orgnulos celulares, poseen su propio DNA, que codifica algunas de las protenas y las molculas de RNA halladas en los orgnulos. El DNA mitoconclrial (mtDNA) tiene algunas ventajas para el estudio de las relaciones evolutivas y por eso Beja-Pereira y col. lo utilizaron en su estudio de los burros. En primer lugar, la longitud de la molcula de DNA hallada en las mitocondrias es mucho menor que la longitud del DNA de los cromosomas hallados en los ncleos de las clulas eucariontes. En segundo lugar, el mtDNA es abundante porque cada clula tpicamente tiene numerosas mitocondrias, cada una con varias copias del cromosoma mitocondrial. Por ende, el mtDNA es ms fcil de aislar y de estudiar que el DNA nuclear. En tercer lugar, el mtDNA de los animales tiende a evolucionar ms rpidamente que el DNA nuclear y por eso es til observar las relaciones entre organismos estrechamente relacionados. Por iltimo, el mtDNA se hereda de uno solo de los progenitores (habitualmente la madre) y por lo consiguiente sus genes no son remodelados en cada generacin mediante recombinaein, lo que tiende a oscurecer las relaciones genticas.

Para estudiar el origen gentico de los burros Beja-Pereira y col. obtuvieron tejido de burros domsticos en 52 pases del Viejo Mundo y de asnos salvajes africanos y semiasnos asiticos. Despus de aislar DNA de las muestras estos cientficos determinai'on la secuencia de nucletidos de 479 pares de bases (pb) del cromosoma mitocondrial. Luego las secuencias de DNA fueron utilizadas para construir un rbol evolutivo (fig. 20-1) que mostrara las relaciones entre diferentes grupos de burros y asnos.

El anlisis revel que los asnos salvajes africanos y los semiasnos asiticos eran genticamente distintos -ellos formaban dos grupos totalmente separados en el rbol evolutivo (vase fig. 20-1)-. Todos los burros domsticos se agrupaban dentro del grupo de los asnos salvajes africanos, lo que indica que los burros evolucionaron a partir de los asnos salvajes y no a partir de los semiasnos. Otra caracterstica interesante indicada por el anlisis fue que los burros parecan tener por lo menos dos orgenes distintos a partir de los asnos salvajes africanos, como lo demostr el hecho de que algunos burros se agrupan con los asnos salvajes de Somalia y otros burros se agrupan con los asnos salvajes de Nubia. Este hallazgo sugiere por lo menos dos eventos de domesticacin independientes. Tambin se observ una diversidad gentica significativamente mayor en los burros domsticos del norte de Africa que en los burros de otras regiones del mundo.

La clara afinidad entre los burros domsticos y los asnos salvajes africanos, sumada al hallazgo de una mayor diversidad entre los burros del norte de frica, sugiere que la domesticacin del burro habra tenido lugar por lo menos dos veces en Africa. Muchas evidencias indican que los primeros animales de granja -ovejas y cabras- fueron domesticados en Medio Oriente. Los burros constituyen el nico ungulado conocido que ha sido domesticado solo en Africa, lo que subraya el importante papel que desempe el norte de Africa en la primera expansin poblacional y comercial de todo el Viejo Mundo.

Las secuencias de DNA encontradas en las mitocondrias y otros orgnulos poseen propiedades peculiares que las tornan tiles en los campos de la biologa de la conservacin, la evolucin y la gentica mdica. La herencia uniparental demostrada por los genes encontrados en las mitocondrias y los cloroplastos se explic en el captulo 5; en este captulo examinaremos los aspectos moleculares del DNA de los orgnulos. Para comenzar describiremos brevemente la estructura de las mitocondrias y los cloroplastos, la herencia de los rasgos codificados por sus genes y el origen evolutivo de estos orgnulos. Luego examinaremos las caractersticas generales del mtDNA y analizaremos la organizacin y la funcin de los diferentes tipos de genomas mitoeon- driales. Por ltimo consideraremos-el DNA del cloroplasto (cpDNA) y examinai'emos sus caractersticas, su organizacin y su funcin.*

r. a. somaliensis f-E. a. somaliensis ------- E. a. somaliensis

E. asinus (burro domstico) f . asinus (b u rro d o m stico )

E. asinus (b u rro dom stico )E. asinus (burro domstico) f . a. africanus

E. asinus (burro dom stico )~E. a. africanus

Semi-asno sa s i ticos

kiang E. kiang

E. kiang E. kiang

kiang

E. hemionus luteusE. hemionus kulan

E. hemionus kulanE. hemionus kulan E. hemionus onagerL'

C ab allo s E. caballus E. caballus

E. caballus

informacin adicional sobre la gentica de los asnos y los caballos y el uso del mtDNA en estudios evolutivos.

Fig. 20" 1 . Relacin e vo lu t iva de los b u rro s dom stico s , lo s a sn o s s a lv a je s a frican o s y lo s sem iasno s asiticos. (De A. Beja-Pereira y coi., Science 304[2004]:1781.)

DNA de Los orgnulos 589

M itocondria

oT=3

Membrana.externa

Membrana- internaMatriz

Estroma-Grana-

C lo ro p lasto

DNA^Ribosomas-

Membrana-tilacoide

O)f=3

f"g. 20"2. Com paracin de las e s tru c tu ra s de la s m itocondrias y lo s c lo ro p la s to s .(Izquierda: Don Fawcett/Visuals Unlimited. Derecha: Biophoto Associates/Photo Researchers.)

Biologa de las mitocondrias y los cloroplastos

as mitocondrias y los cloroplastos son orgnulos limitados -J por membranas localizados en el citoplasma de las clulas

eucariontes (fig. 20-2). Las mitocondrias se encuentran en prcticamente todas las clulas eucariontes mientras que los cloroplastos se encuentran en las plantas y en algunos protistas. Ambos orgnulos generan ATP, el portador universal de energa de las clulas.

Estructura de las mitocondrias y los cloroplastos

Las mitocondrias miden de 0,5 a 1 micrmetro (|am) de dimetro, aproximadamente el tamao de una bacteria tpica, inientras que el dimetro tpico de los cloroplastos es de alrededor de 4 a 6 |im. Ambos orgnulos estn rodeados por dos membranas que encierran una regin (llamada matriz en las mitocondrias y estroma en los cloroplastos) que contiene enzimas, ribosomas, RNA y DNA. En las mitocondrias la membrana interna est muy plegada y en su interior contiene las enzimas que catalizan el transporte de electrones y la fosforilacin oxidativa. Los cloroplastos tienen una tercera membrana, denominada membrana tilacoide, que es muy plegada y se apila para formar agregados llamados grana. Esta membrana posee los pigmentos y las enzimas necesarios para la fotofosforilacin. Las nuevas mitocondrias y cloroplastos se originan por divisin de los orgnulos existentes (fig . 20-3). Las mitocondrias y los cloroplastos poseen DNA que codifica los polipptidos usados por el orgnulo, as como los rRNA y tRNA necesarios para la traduccin de estas protenas.

Fig. 20-3. La nuevas m itocondrias se o rig inan en la d iv is i n de m ito co ndrias e x is te n te s , (a) Las molculas de DNA dentro de las mitocondrias se separan al azar durante la divisin del orgnulo. (b ) Microfotografa electrnica de una mitocondria en divisin de una clula del hgado. (Parte b: T. Kanaseki y D. Faw^ cett/Visuals Unlimited.)

(a) Mitocondria

DNAmitocondria!

Una mitocondria crece y . ' su DNA se replica.

B La divison del orgnulo I con la constriccin!de la nnembrana externa. I

' ' . ] Durante la divisin,el DNA celular se

' ' ' 1 distribuye ai azar.i(b)

1 |im

590 Captulo 20

Gentica de los rasgos codificados por los orgnulos

Las mitocondrias y los cloroplastos estn presentes en el citoplasma y habitualmente se heredan de un solo progenitor. Por ende, los rasgos codificados por el mtDNA y el cpDNA muestran una herencia uniparental. En los animales el mtDNA se hereda casi exclusivamente de la madre, aunque se ha documentado la transmisin paterna ocasional de mtDNA. La herencia paterna de orgnulos es frecuente en las gimnospermas y tambin en algunas angiospermas. Algunas plantas incluso muestran herencia biparental de mtDNA y cpDNA.

Cada clula puede contener de docenas a centenares de orgnulos, cada uno de ellos con numerosas copias del genoma del orgnulo; en consecuencia, cada clula tpica posee de cientos a miles de copias de los genomas mitocondrial y del cloroplasto (fig.20-4). Una mutacin que surja dentro de una molcula de DNA de un orgnulo generar una mezcla de secuencias de DNA mulante y de tipo silvestre dentro de la clula. La existencia de dos variedades distintas de DNA dentro del citoplasma de una sola clula se denomina heteroplasma. Cuando una clula hetero- plsmica se divide los orgnulos se distribuyen al azar entre las dos clulas hijas en un proceso llamado segregacin replicativa (fig. 20-5) y el azar determina la proporcin de orgnulos mulantes en cada clula. Aunque la mayor parte de las clulas de la progenie heredarn una mezcla de orgnulos mutantes y normales, por efecto del azar algunas clulas pueden recibir orgnulos con secuencias mutantes solamente o solo con secuencias de tipo silvestre; esta situacin se conoce como homoplasmia.

Cuando la segregacin replicativa tiene lugar en clulas somticas puede crear una variacin fenotpica dentro de un mismo organismo; diferentes clulas del organismo pueden poseer proporciones diferentes de secuencias mutantes y de tipo silvestre, con distintos grados de expresin fenotpica entre distintos tejidos.

P f'Q : 2 0 - 4 . Cada c lu la p u e d e C o n te n e r m uchas m itoco n d ria s , cada una de e lla s con v a r ia s cop ias del genom a m ito co ndria l. Se muestra una clula de Euglena gracilis, un protista, teida para que el ncleo aparezca rojo, las mitocondrias verdes y el mtDNA amarillo. (De Y. Huyashi y K. Veda, Journal ofCell Sciences 93[1 989]:565.)

Cuando la segregacin replicativa tiene lugar en las clulas germinales de un donante citoplsmico heteroplasmtico la progenie puede mostrar fenotipos bastante diferentes.

La enfermedad conocida como sndrome de epilepsia miocl- nica y enfermedad de las fibras rojas rasgadas es causada por una mutacin de un gen del mtDNA. Un paciente de 20 aos que portaba esta mutacin en el 85% de su mtDNA presentaba un fenotipo normal en tanto que un primo que tena la mutacin en el

p..

/ \Divisin celular!^ \ '

^ ^ % &'

Una clula hete- roplsmica tiene dos variedades diferentes de

I DNA en sus i i orgnulos.

\ Las orgnulos se 1 i distribuyen al | i azar durante la | i divisin celular., i

Replicacin de as mitocondrias

Replicacin delas mitocondrias

...seI reproducen...

I ...y nuevamente ! se distribuyen al azar durante la

i divisin celular.'..... ...........

i Los orgnulos i se reproducen nuevamente...

.....I...,\........ y se distribuyen al azar.

..........

Clulahomo-

plsmica

Clulasheteroplsmicas

Clulashomoplsmicas

Conclusin: la mayora de las clulas son heteroplsmicas ^pero, por azar, algunas clulas pueden recibir ur soto tipo de orgnulo (p. ej., pueden recibir todos normales

; O todos mutantes).

f ig ; 20-5 . Los o rg nu lo s de una c lu la heterop lsm ica se d is tr ib u ye n al a z a r en la s c lu la s de la descendencia .Este diagrama ilustra la segregacin replicativa en la mitosis; el mismo proceso tiene lugar en la meiosis.

DNA de los orgnuLos 591

96% de su mtDNA estaba gravemente afectado. La gravedad de las enfermedades causadas por mutaciones en el mtDNA habitualmente se relaciona con la proporcin de secuencias de mtDNA mutantes heredada al nacer.

Se han estudiado varios rasgos codificados por el DNA de los orgnulos. Uno de los primeros en ser examinados en detalle fue el fenotipo producido por las mutaciones petite en las levaduras (fig20-6). A fines de la dcada de 1940 Boris Ephrussi y col. advirtieron que cuando se desarrollaban en un medio slido algunas colonias de levadura eran mucho ms pequeas que lo normal. El examen de estas colonias petite revel que la tasa de desarrollo de las clulas dentro de esas colonias era muy reducida. Los resultados de los estudios bioqumicos demostraron que las levaduras con la mutacin petite eran incapaces de llevar a cabo la respiracin aerobia; obtenan toda su energa de la respiracin anaerobia (gluclisis), que es mucho menos eficaz que la aerobia y da como resultado un menor tamao de la colonia.

Algunas mutaciones petite se heredan de ambos progenitores y son defectos del DNA nuclear. Sin embargo, la mayor parte de estas mutaciones se heredan de un solo progenitor; estas levaduras mutantes poseen deleciones grandes en el mtDNA o, en algunos casos, carecen completamente de mtDNA. Como gran parte de su mtDNA codifica enzimas que catalizan la respiracin aerobia, las levaduras con mutacin petite son incapaces de llevar a cabo la respiracin aerobia y por consiguiente no pueden producir cantidades normales de ATP, lo que inhibe su desarrollo.

Otra mutacin conocida del mtDNA se observa en Neurospora (vanse pp. 403-407 del captulo 15). Aislados por Mary Mitehell en 1952, los mutantes poky se desarrollan lentamente, muestran herencia eitoplasmtica y tienen cantidades anormales de citocromos. Los citocromos son componentes proteicos de la cadena de transporte de electrones de las mitocondrias y desempean un papel fundamental en la produccin de ATP. La mayor parte de los organismos tiene tres tipos primarios de citocromos; el citocromoa, el citocromo b y el citocromo c. Los mutantes poky tienen citocromo c pero cai'ecen de los citocromos a o b. Como los mutantes petite, los mutantes poky son defectuosos en la sntesis de ATP y por consiguiente crecen ms despacio que las clulas de tipo silvestre normales.

En los ltimos aos se han identificado varias enfermedades genticas resultantes de mutaciones del mtDNA en los seres humanos. La neuropata ptica hereditaria de Leber, que tpicamente conduce a la prdida sbita de la visin en la edad madura, es resultado de mutaciones en los genes del mtDNA que codifican las protenas de transporte de electrones. Otra enfermedad causada por mutaciones mitocondriales es la enfermedad consistente en debilidad muscular neurognica, ataxia y retinitis pigmentaria, que se caracteriza por convulsiones, demencia y retraso del desarrollo. Otras enfermedades mitocondriales son el sndrome de Kearns-Sayre y la oftalmopleja externa crnica, dos enfermedades que producen parlisis de los msculos del ojo, ptosis palpe- bral y, en los casos graves, prdida de la visin, sordera y demencia. Todas estas enfermedades muestran herencia eitoplasmtica y expresin variable (vase cap. 5).

Un rasgo de los vegetales que es producido por mutaciones en los genes mitocondriales es la esterilidad eitoplasmtica masculina, un fenotipo mutante que se encuentra en ms de 140 especies diferentes de plantas y solo se hereda del progenitor femenino. Estas mutaciones inhiben el desarrollo del polen pero no afectan la fertilidad femenina.

Tambin se han descubierto varios mutantes del cpDNA, Uno de los primeros que se reconoci fue el jaspeado de la hoja de Mi-

Colonia de clulas normales

Colonia de clulas con mutacin petite

F9- 20-6 . Las le vad u ras con la m utacin petite tienen de lec iones g randes en su mtDNA y son incapaces de lle v a r a cabo la fo s fo rila c i n o xid a tiva . (a ) Una clula de levadura normal y (b) una levadura mutante petite. (Parte a: David M. Phillips/Visuals Unlimited. Parte b: cortesa del doctor Des Clark-Wall

592 Captulo 20

Clula eucarionte anaerobia

K1 Hace aproximadamente mii a mil quinientos millones de aos una clula eucarionte anaerobia incorpor una clula eubacteriana aerobia por endocitosis.

f E ae

endosimbionie I aerobio evoluciono hasta convertirse en mitocondria.

H De forma similar, la en- dodtosis de una eubacteria fotosintetizadora...

...condujo a la evolucin i de las clulas eucariontes modernas con mitocondrias y doropiastos, i

Endocitosis i

DNA

a-proteobacterla(aerobia)

Fig. 20-7. La teora en d osim b i tica p o stu la que las m ito co ndrias y los d o ro p ia sto s de la s c lu la s eu cario ntes su rg ie ro n de las eu b acterias.

Evolucin!

Ciano-bacteria

(g )

Mitocondria' Cloroplasto

Clula animal actual

Clula vegetal actual

drias y los doropiastos alguna vez fueron bacterias de vida libre c]ue se transformaron en habitantes internos (endosimbiontes) de las clulas eucariontes primitivas. Segn esta teora, entre 1000 y 1 500 millones de afios atrs una gran clula eucarionte anaerobia fagocito una eubacteria aerobia que posea las enzimas necesarias para la fosforilacin oxidativa. La eubacteria proporcion a la clula originalmente anaerobia la capacidad de fosforilacin oxidativa y le permiti producir ms ATP por cada molcula orgnica digerida. Con el tiempo los endosimbiontes se transformaron en un componente integral de la clula husped eucarionte y sus descendientes evolucionaron hasta convertirse en las mitocondrias actuales. En algn momento posterior surgi un relacin similar entre las eubacterias fotosintetizadoras y las clulas eucariontes que condujo a la evolucin de los doropiastos.

Muchas evidencias avalan la idea de que las mitocondrias y los doropiastos provienen de clulas eubacterianas. En la actualidad muchos eucariontes unicelulares (protistas) son huspedes de bacterias endosimbiticas. Las mitocondrias y los doropiastos tienen un tamao similar al de las eubacterias actuales y poseen su propio DNA, que tiene muchas caractersticas en comn con el DNA eubacteriano. Las mitocondrias y los doropiastos poseen ribosomas, algunos de los cuales son de tamao y estructura similares a los de los ribosomas de las eubacterias. Finalmente, los antibiticos que inhiben la sntesis de protenas en las eubacterias pero no afectan la sntesis de protenas en las clulas eucariontes tambin inhiben la sntesis de protenas en estos orgnulos.

Las pruebas ms contundentes a favor de la teora endosimbitica provienen del estudio de secuencias de DNA en el DNA de los orgnulos. Se ha observado que las secuencias del RNA ribosmico y de los genes codificadores de protenas de las mitocondrias y doropiastos estn relacionadas ms estrechamente con las secuencias de los genes de las eubacterias que con las encontradas en el ncleo de los eucariontes. Las secuencias del DNA mi- toeondrial son muy similares a las secuencias encontradas en un grupo de eubacterias llamadas a-proteobacterias, lo que sugiere que los endosimbiontes bacterianos originales provinieron de este grupo. Las secuencias de DNA de los doropiastos se relacionan ms estrechamente con las secuencias halladas en las ciano-

bacterias, un grupo de eubacterias fotosintetizadoras. Todas estas evidencias indican que las mitocondrias y los doropiastos estn ms estrechamente relacionados con las clulas eubacterianas que con las clulas eucariontes dentro de las cuales se encuentran ahora.

CONCEPTOS CLAVELas mitocondrias y los doropiastos son orgnulos limitados por membranas presentes en las clulas eucariontes; generalmente poseen su propio DNA. La bien fundamentada teora endosimbitica postula que estos orgnulos empezaron como eubacterias de vida libre que desarrollaron relaciones endosimbiticas estables con las clulas eucariontes primitivas.

DNA mitocondrialEn los animales y en la mayora de los hongos el genoma mi

tocondrial consiste en una sola molcula de DNA circular muy enrollada. Los genomas mitocondriales de las plantas a menudo se encuentran como una coleccin compleja de mltiples molculas de DNA circulares. Cada mitocondria contiene numerosas copias del genoma mitocondrial y una clula puede contener muchas mitocondrias. Por ejemplo, una clula tpica de hgado de rata tiene de 5 a 10 molculas de mtDNA en cada una de sus aproximadamente 1 000 mitocondrias; por ende cada clula posee de 5 000 a 10 000 copias del genoma mitocondrial y el mtDNA constituye aproximadamente el 1 % del DNA celular total en una clula de hgado de rata. Como sucede con los cromosomas de las eubacterias, el mtDNA normalmente carece de las histonas asociadas con el DNA nuclear de los eucariontes. La diferencia existente entre el contenido de guanina- citosina (GC) del mtDNA y el contenido del DNA nuclear a menudo es lo suficientemente grande como para que el mtDNA pueda ser separado del DNA nuclear por centrifugacin en gradientes de densidad.

DNA de Los orgnuLos 593

Cyadro 20-11

O rgan ism o

Tamaos de los genomasmitocondriales en organismos seleccionados

Tamaodel m tDNA (pb)

Ascaris summ (gusano nem atodo) 14 284

DrosophUa melanogaster (m osca de la fruta) 19 517

Lumbricus terrestis (lom briz de tierra) 14 998

Xenopus laevis (rana) 1 7 553

Mus musculus (ratn dom stico) 16 295

Canis fam iliaris {perro) 16 728

Homo sapiens (ser humano) 16 569Pichia canadensis (hongo) 27 694

Podospora anserina (hongo) 100 314

Schizosaccharomyces pombe (hongo) 1 9 431

Saccharomyces cerevisiae (hongo) 85 779*Chiamydomonas reinhardtii (alga verde) 1 5 758

Paramecium aurelia (protista) 40 469Reclnomonas americana (protista) 69 034

Arabdopsis thaliana (planta) 166 924

Brassica hirta (planta) 208 000

Cucumis mel (planta) 2 400 000

* El tamao vara segn la cepa.

Los genomas mitocondriales son pequeos en comparacin con los genomas nucleares y su tamao vara mucho entre diferentes organismos (cuadro 20-1). La mayor parte de estas variaciones de tamao corresponden a secuencias no codificadoras, como los intrones y las regiones intergnicas.

Estructura gentica y organizacin del mtDNA

Se ha determinado la secuencia de nucletidos del genoma mitocondrial de una variedad de organismos diferentes, como protistas, hongos, plantas y animales. Los genes de muchas de las protenas y enzimas estructurales que se encuentran en las mitocondrias realmente son codificados por el DNA nuclear, son traducidos en los ribosomas del citoplasma y luego son transportados a las mitocondrias; el genoma mitocondrial solo codifica algunas molculas de rRNA y tRNA necesarias para la sntesis de protenas mitocondriales. La organizacin'de estos genes mitocondriales y cmo la forma en que se expresan son sumamente diversas entre diferentes organismos.

Genomas mitocondriales ancestrales y derivados. Los genomas mitocondriales pueden dividirse en dos tipos bsicos, a sa

ber, genomas ancestrales y genomas derivados, aunque hay muchas variaciones dentro de cada tipo y el mtDNA de algunos organismos no encaja bien en ninguna de las dos categoras. Los genomas mitocondriales ancestrales se encuentran en algunas plantas y protistas y conservan muchas caractersticas de sus antepasados eubacterianos. Estos genomas mitocondriales contienen ms genes que los genomas derivados, tienen genes de rRNA que codifican ribosomas similares a los de las eubacterias y poseen un juego completo o casi completo de genes de tRNA. Presentan pocos intrones y poco DNA no codificante entre los genes, generalmente usan codones universales y tienen sus genes organizados en racimos similares a los que se encuentran en las eubacterias.

Por su parte, los genomas mitocondriales derivados por lo general son ms pequeos que Jos genomas ancestrales y contienen menos genes. Sus genes de rRNA y sus ribosomas difieren sustancialmente de los de las eubacterias tpicas. Las secuencias de DNA que se encuentran en los genomas mitocondriales derivados difieren ms de las secuencias de las eubacterias tpicas que los genomas ancestrales y contienen codones no universales. La mayor parte de los genomas mitocondriales de los animales y los hongos pertenecen a esta categora.

El mtDNA humano. El mtDNA humano es una molcula circular que abarca 16 569 pb que codifican dos rRNA, 22 tRNA y 13 protenas. Las dos cadenas de nucletidos de la molcula difieren en su composicin de bases: la cadena pesada (H) tiene ms nucletidos de guanina, en tanto que la cadena liviana (L) tiene ms nucletidos de citosina. La cadena H es el molde para ambos rRNA, para 14 de los 22 tRNA y para 12 de las 13 protenas, en tanto que la cadena L funciona como plantilla para solo 8 tRNA y una protena.

El origen de replicacin de la cadena H est dentro de una regin conocida como bucle D (fig. 20-8) que tambin contiene promotores para las cadenas H y L. El mtDNA humano es muy econmico en su organizacin: hay pocos nucletidos no codificantes entre los genes; casi todos los mRNA se traducen (no hay ninguna regin 5 y 3 que no se traduzca) y no hay ningn intrn. Cada cadena tiene un solo promotor de modo que la transcripcin produce dos precursores de RNA muy grandes que luego son fragmentados en molculas de RNA individuales. Muchos de los genes que codifican polipptidos cai'ecen incluso de un codn de terminacin completo y terminan en U o en UA; el agregado de una cola de poli(A) al extremo 3 del mRNA proporciona un codn de terminacin LAA que detiene la traduccin. El mtDNA humano tambin contiene muy poco DNA repetitivo. La nica regin del mtDNA humano que contiene algunos nucletidos no codificantes es el bucle D.

El mtDNA de las levaduras. La organizacin del mtDNA de las levaduras es muy diferente de la del mtDNA humano. Aunque el genoma mitocondrial de las levaduras, con 78 000 pb es casi cinco veces ms grande, codifica solo seis genes ms, para un total de 2 rRNA, 25 tRNA y 16 polipptidos (fig. 20-9). La mayor parte del DNA adicional presente en el genoma mitocondrial de las levaduras consiste en intrones y secuencias no codificantes. Los genes mitocondriales de las levaduras estn separados por larga regiones intergnicas espadadoras que no tienen ninguna funcin conocida. Los genes que codifican polipptidos a menudo incluyen regiones que codifican regiones 5 y 3 no traducidas del mRNA; tambin hay secuencias repetitivas cortas y algunas duplicaciones.

594 Capitulo 20

Fig. 2 0 -8 . El genom a m itocondria l hum ano, que c o n s is te en 16 569 pb, es m uy econm ico en su o rg an izac in .(a) El crculo externo representa la cadena pesada (H) y el crculo interno representa la cadena liviana (L). Los orgenes de replicacin de las cadenas H y L son or H y or L, respectivamente. Los genes con el rtulo ND son los que codifican las subunidades de la NADH deshidrogenasa. (b) Microfotografia electrnica del mtDNA aislado. (Parte b: CNRI/Photo Researchers.)

(a) rRNAdeieS rRNAdel2S

NDlile

fMET ^ '

leu\val

1 7

Bucle D

th r

OI-I HND2 trp -

Citocromo- oxidasa 1 -

y giri

f ^ asn - ^ c y s

y tyr i or/ L

a s p ,

Citocromo- oxidasa II

DNAmitocondrial

humanoCadena L

^ATPasa 8

- Cito- cromo b

-Cadena H

'ND 5

lys

Subunidad 6 de la ATPasa

Citocromo- oxidasa III

0 iyND3

h is

ND4

leuse r

ND4L

Referencias fHSi Gen de tRNA

Gen de protena Gen de rRNA

(b)

Fig. 2 0"9. El genom a m itocondria l de las levad u ras , que co n s is te en 78 000 pb, contiene mucho DNA no codifican te .

RNAribosmico grande \

r /o

g lu '

Protena asociada con el ribosomaSubunidad 9 de la ATPasa

Citocromo c oxidasa II

Citocromo c oxidasa III

DNA mitocondrial de levadura

ReferenciasGen de tRNA Gen de proteina

WM Gen de rRNA

trp

,fM et-p ro't r p

- RNA ribosmico pequeo

E l mtDNA de las plantas con flores. Las plantas con flores (angiospermas) tienen el genoma mitocondrial ms grande y ms complejo que se conoce; sus genomas mitocondriales varan en tamao de 186 000 pb en la mostaza blanca a 2 400 000 pb en el meln. Incluso hay especies de plantas estrechamente relacionadas que pueden diferir mucho en cuanto al tamao de sus mtDNA.

Parte de las amplias variaciones de tamao del mtDNA de las plantas con flores puede explicarse por la


135 000 bp y 83 000 pb). Otras especies contienen varias repeticiones directas, lo que aumenta la probabilidad de sucesos de entrecruzamiento complejos que pueden aumentar o disminuir el nmero y al tamao de los crculos.

Codones no universales en el mtDNA

En la mayora de los DNA bacterianos y eucariontes los mismos codones especifican los mismos aminocidos (vase p. 413 en cap, 15). Sin embargo, hay excepciones a este cdigo universal y muchas de esas excepciones se encuentran en el mtDNA (cuadro 20-2). No hay un cdigo mitocondrial; ms bien, existen excepciones al cdigo universal en las mitocondrias y estas excepciones difieren a menudo entre los organismos. Por ejemplo, AGA especifica la arginina en el cdigo universal pero codifica la serina en el mtDNA de Drosophila y es un codn de terminacin en el mtDNA de los mamferos.

CONCEPTOS CLAVE

El genoma mitocondrial consiste en DNA circular sin histonas asociadas. El tamao y la estructura del mtDNA difieren marcadamente entre los organismos. El mtDNA humano muestra una economa extrema pero los mtDNA que se encuentran en las levaduras y las plantas con flores contienen muchos nucletidos no codificantes y secuencias repetitivas. El DNA mitocondrial de la mayor parte de las plantas con flores es grande y tpicamente tiene una o ms repeticiones directas,grandes que pueden recombinarse para generar molculas ms grandes o ms pequeas.

Replicacin, transcripcin y traduccin del mtDNA

El DNA mitocondrial no se replica en la forma ordenada y regulada del DNA nuclear. El DNA mitocondrial se sintetiza dm'an- te todo el ciclo celular y no est coordinado con la sntesis del DNA nuclear. Las molculas de mtDNA que se replican en un momento dado parecen ser determinadas al azar; dentro de la misma mitocondria algunas molculas se replican dos o'tres veces en tanto que otras no se replican ni una vez. Adems, las dos cadenas del mtDNA humano pueden no replicarse de manera sin

crnica. La replicacin del DNA mitocondrial est a cargo de una DNA polimerasa especial denominada DNA polimerasa y (gamma). Probablemente se requieran helicasas y topoisomerasas para la replicacin del DNA mitocondrial, como sucede en la replicacin del DNA de las eubacterias y del DNA nuclear.

Los procesos de transcripcin y traduccin de los genes mitocondriales muestran grandes variaciones entre los diferentes organismos. En el mtDNA humano no existen operones similares a los de las eubacterias y hay dos promotores, uno para cada cadena de nucletidos, dentro del bucle D. La transcripcin de las dos cadenas se realiza en direcciones opuestas, generando dos RNA precursores gigantes que luego son fragmentados para dar rRNA, tRNA y mRNA individuales. A medida que los tRNA.se transcriben, se pliegan en configuraciones tridimensionales. Estas configuraciones son reconocidas y recortadas por enzimas. Los genes del tRNA generalmente flanquean a los genes de protenas y de rRNA; por ende, la fragmentacin de los tRNA libera mRNA y rRNA. En los genomas mitocondriales de los hongos, las plantas y los protistas hay promotores mltiples, aunque los genes a veces estn ordenados y se transcriben en operones.

La mayor parte de las molculas de mRNA producidas por la transcripcin del mtDNA no poseen casquetes en sus extremos 5, a diferencia de los mRNA transcriptos a partir de los genes nucleares (vase fig. 14-6). Se agregan colas de poli(A) a ios extremos 3 de algunos mRNA codificados por el mtDNA de los animales pero las colas de poli(A) estn ausentes de los mRA codificados por el mtDNA de los hongos, las plantas y los protistas. Las colas de poli(A) agregadas a los mRNA mitocondriales de los animales son ms cortas que las que se unen al mRNA codificado en el niicleo y probablemente se agreguen por un mecanismo completamente diferente.

Algunos de los genes del DNA mitocondrial de las levaduras y las plantas contienen intrones, muchos de los cuales producen au- tocorte y autoempalme. El RNA codificado por algunos genomas mitocondriales es sometido a una extensa edicin (vanse pp. 386-387 en cap. 14).

La traduccin en las mitocondrias tiene algunas similitudes con la traduccin en las eubacterias, pero tambin hay importantes diferencias. En las mitocondrias la sntesis de protenas es iniciada en los codones de iniciacin AUG por la iV-formilmetionina, de la misma forma que en las eubacterias. La traduccin mitocondrial tambin emplea factores de elongacin similares a los que se ven en las eubacterias y los mismos antibiticos que inhiben la traduccin en las eubacterias inhiben la traduccin en las mitocondrias. Sin embargo, los ribosomas mitocondriales son de estructura variable y a menudo difieren de los observados en las e- bacterias y en las clulas eucariontes. Adems, la iniciacin de la

t

Cuadro 20-2 ^ Codones no universales encontrados en el mtDNA-------------------------mtDNA

Codn Cdigo un iversa l Vertebrados Drosophila Levad u ras

UGA Terminacin Triptfano Triptfano Triptfano

AUA Iso leucina Metionina Metionina M etion ina

AGA Arginina Terminacin Serina Arginina

Fuente: segn T. D, Fox, Annual Review o f Cenetics 21(1 987): 69.

596 Captulo 20

traduccin en las mitocondrias debe ser diferente de la de las clulas eubacterianas y eucariontes, porque el mRNA mitocondrial de los animales no contiene ningn sitio de Shine-Dalgarno de unin a los ribosomas ni ningn casquete 5. (Se ha observado una secuencia de Shine-Dalgarno en el mRNA mitocondrial del protozoo Reclinomonas americana, que tiene una mitocondria muy primitiva parecida a la de las eubacterias.)

Tambin hay mucha diversidad en los tRNA codificados por diferentes genomas mitocondriales. El mtDNA humano codifica 22 de los 32 tRNA requeridos para la traduccin en el citoplasma. (Solo se necesitan 32 para la traduccin citoplasmtica porque el tambaleo en la tercera posicin del codn permite que los tRNA se apareen con ms de un codn; vanse pp. 412-413 en cap. 15.) En la traduccin mitocondrial humana hay aun ms tambaleo que en la traduccin citoplasmtica; muchos tRNA mitocondriales reconocern cualquiera de los cuatro nucletidos en la tercera posicin del codn, lo que permitir que la traduccin tenga lugar con aun menos cantidad de tRNA. El aumento del tambaleo tambin implica que cualquier cambio en un nucletido de DNA en la tercera posicin del codn sea una mutacin silenciosa (vase p. 479 en cap. 17) y no altere la secuencia de aminocidos de la protena. Por consiguiente, la mayor parte de los cambios que provoca el tambaleo en el mtDNA son silenciosos y se acumulan en el tiempo, lo que contribuye a una tasa ms alta de evolucin. En algunos organismos el mtDNA codifica menos de 22 tRNA; en estos organismos se importan los tRNA del citoplasma codificados en el nticleo para ayudar a completar la traduccin. En otros organismos el genoma mitocondrial codifica un juego completo de los 32 tRNA.

CONCEPTOS CLAVE

Los procesos de replicacin, transcripcin y traduccin varan ampliamente entre ios genomas mitocondriales y muestran una curiosa mezcla de caractersticas de las eubacterias, de los eucariontes y propias.

Evolucin del mtDNA

Como ya se mencion, las comparaciones de las secuencias de DNA mitocondrial con las secuencias homlogas en las bacterias avalan un origen eubacteriano comn de todos tos mtDNA. No obstante, los patrones de evolucin observados en el mtDNA varan mucho entre los diferentes grupos de organismos.

Las secuencias de mtDNA de los vertebrados muestran una tasa de cambio acelerada: por ejemplo, en los mamferos evoluciona tpicamente de 5 a 10 veces ms rpido que el DNA nuclear. Sin embargo, el contenido de genes y la organizacin de los genomas mitocondriales de los vertebrados son relativamente constantes. En contraste, las secuencias de mtDNA de las plantas evolucionan lentamente, a una tasa de solo una dcima parte de la del genoma nuclear, pero su contenido y la organizacin de sus genes cambian rpidamente. La razn de estas diferencias bsicas en las tasas de evolucin todava io se conoce.

Una posible explicacin de la acelerada tasa de evolucin observada en el mtDNA de los vertebrados es una alta tasa de mutacin en el mtDNA, que permitira que las secuencias de DNA cambiaran rpidamente. El aumento de los errores asociados con la replicacin, la ausencia de las funciones de reparacin del

DNA y la frecuente replicacin del mtDNA pueden aumentar el nmero de mutaciones. La gran magnitud del tambaleo en la traduccin mitocondrial tambin puede permitir que las mutaciones se acumulen con el tiempo, como se explic antes. El uso de mtDNA en los estudios evolutivos se describir con ms detalle en el captulo 23.

CONCEPTOS CLAVE

Todos los mtDNA parecen haber evolucionado a partir de un antepasado eubacteriano comn, pero los patrones de evolucin observados en los diferentes genomas mitocondriales varan mucho. El mtDNA de los vertebrados muestra cambios rpidos en la secuencia pero pocos cambios en el contenido y la organizacin de los genes, en tanto que ei mtDNA de las plantas muestra pocos cambios en la secuencia pero mucha variacin en el contenido y la organizacin de los genes.

Organismo modelo: la levaduraK j Saccharomyces cerevisiae

A partir del aislamiento y el estudio de las mutaciones petite la levadura comn de panadera (Saccharomyces cerevisiae) ha sido utilizada ampliamente para el estudio de los sistemas genticos n tocondriales y, en efecto, se ha convertido en un sistema modelo simple para el estudio de la gentica de los eucariontes en general (fig . 20-11). La levadura se ha utilizado durante mucho tiempo para hornear pan y fabricar cerveza. Louis Pasteur identific a S. cerevisiae como el microorganismo responsable de la fermentacin en 1857 y su uso en el anhsis gentico comenz aproximadamente en 1935. Despus de haber sido tema de extensos estudios genticos clsicos durante muchos aos los genes de las levaduras son muy conocidos y estn bien caracterizados. Al mismo tiempo, la naturaleza unicelular de la levadura permite que pueda ser estudiada con las tcnicas moleculares poderosas desarrolladas para las bacterias. Por lo tanto, la levadura combina tanto la gentica clsica como la biologa molecular para proporcionar un modelo poderoso para el estudio de los sistemas genticos de los eucariontes.

Ventajas de la levadura como organismo gentico modelo. La gran ventaja de la levadura es que es un organismo eucarionte, con sistemas gentico y celular similares a los de otros eucariontes ms complejos, como los seres humanos, y al mismo tiempo es unicelular, con muchas de las ventajas de manipulacin observadas en los sistemas bacterianos. Al igual que las bacterias, las clulas de levadura necesitan poco espacio y gran cantidad de clulas pueden crecer fcilmente y con bajo costo en el laboratorio.

La levadura existe en formas diploides y haploides. Cuando son haploides las clulas solo poseen un nico alelo en cada lo- cus, lo que significa que el alelo ser expresado en el fenotipo; a diferencia de lo que sucede en las formas diploides, no hay una dominancia mediante la cual algunos alelos enmascaren la expresin de otros. Por consiguiente, se pueden identificar fcilmente los alelos recesivos en las clulas haploides y luego se pueden examinar las interacciones entre alelos en las clulas diploides.

Otra caracterstica que convierte a la levadura en un sistema gentico modelo poderoso es que despus de la meiosis todos los


VENTAJAS

Eucarionte unicelular Ciclo vital corto de 90 minutos Existe en formas haploides y diploides Todos los productos de la meiosis se encuentran en una estructura nica

Taxonoma:Tamao:

Anatoma:Hbitat:

hongo 2 |im unicelular superficie de las plantasi*

Ascosporos

Gemacin

a a

Germinacin Meiosis

a aFusin 2n

1

\E a Fase

V

haploide .

/

Gemacin

Cromosomas

I a a a a

Vdiploide .t tGemacin

a a a a

Cromosomas: 16 pares ide cromosomas |

Cantidad de DNA: 1 2 millones de pares de bases I

Nmero de genes: 6 144 Porcentaje de genes en

comn con los seres humanos: 25%

Tamao promediodel gen: 1 500 pares de bases

Genoma secuenciadoen el ao: 1 996

CONTRIBUCIONES A LA GENETICAGentica mitocondrial Control del ciclo celular

B Recombinacin > Apoptosis

F i g . 2 0 - 1 1 . La levadura Saccharom yces cerevisiae e s un o rg an ism o gentico m odelo.(La fotografa es cortesa de Mara Stewart y Dean Dawson, Departamento de Microbiologa y Biologa Molecular, Sackier School o f Biomedical Sciences, Tufts University.)

productos de una divisin meitica estn presentes en una linica estructura llamada asco (vase la prxima subseccin) y se mantienen separados de los productos de otras divisiones meiticas. Las cuatro clulas producidas por una nica divisin meitica se

denominan ttrada. En la mayor parte de los organismos los productos de diferentes divisiones meiticas se mezclan y por ende es imposible identificar los resultados de una nica divisin meitica. Por ejemplo, si furamos a aislar cuatro' espermatozoi

598 Captulo 20

des de los testculos de un ratn, es extremadamente improbable que los cuatro fueran producidos por la misma divisin meitica. El hecho de contar con ttradas separadas en la levadura permite observar directamente los efectos de las divisiones meiticas individuales sobre los tipos de gametos producidos e identificar ms fcilmente los eventos de entrecruzamiento. El anlisis gentico de una ttrada se denomina anlisis de la ttrada.

La levadura ha sido sometida a un anlisis gentico extenso y se han identificado miles de mulantes. Adems, muchas tcnicas moleculares poderosas desarrolladas para manipular las secuencias genticas en las bacterias han sido adaptadas para ser usadas en las levaduras. No obstante, a pesar de su estructura unicelular y de su fcil manipulacin, las clulas de levadura poseen muchos de los genes hallados en los seres humanos y otros eucariontes multicelulares complejos y muchos de esos genes tienen funciones idnticas o similares en estos eucariontes. Por ende, el estudio gentico de las clulas de levadura a menudo contribuye a nuestro conocimiento de otros organismos eucariontes ms complejos, incluidos los seres humanos.

Ciclo vital de las levaduras. Saccharomyces cerevisiae puede existir como clulas haploides o diploides (vase fig. 20-11), Las clulas haploides suelen aparecer cuando las levaduras son privadas de nutrientes y se reproducen por mitosis para generar clulas hijas haploides idnticas a travs de la gemacin. En las clulas de levadura tambin es posible la reproduccin sexual. Existen dos tipos de apareamiento, a y a ; las clulas haploides de diferentes tipos de apareamiento se fusionan y luego sufren fusin nuclear para crear una clula diploide. Esta clula es capaz de experimentar gemacin por mitosis para producir clulas diploides genticamente idnticas. La privacin de nutrientes determina que las clulas diploides pasen por la meiosis, lo que da como resultado cuatro ncleos haploides que se separan en clulas diferentes y producen esporas haploides. Los cuatro productos de la meiosis (una ttrada) estn encerrados en una estructura comn, el asco, que permite aislar todos los productos de una sola meiosis (anlisis de la ttrada).

Tcnicas genticas con levaduras. Saccharomyces cerevisiae tiene 16 pares de cromosomas eucariontes tpicos, cada uno con centrmero, telmero y mltiples orgenes de replicacin. El cromosoma I es el ms pequeo y comprende aproximadamente 235 000 pb; el cromosoma XII es el ms grande y tiene hasta 3 060 000 pb (el tamao de este cromosoma vara debido a la cantidad variable de genes de rRNA en diferentes cepas). La tasa de recombinacin es alta y proporciona a la levadura un mapa gentico relativamente largo comparado con los de otros organismos.

El genoma de S. cerevisiae contiene 12 000 000 pb, ms los2 000 000 a 3 000 000 pb de los genes de rRNA. La mayor parte del cromosoma mitocondrial de las levaduras consiste en un DNA de secuencia nica, pero existen algunas secuencias repetidas. En 1996 S. cerevisiae fue el primer organismo eucarionte cuyo genoma se secuenci totalmente.

Una ventaja que tiene la levadura para los investigadores es el uso de plsmidos para transferir genes o secuencias de DNA de inters a las clulas. Las clulas de levadura poseen un plsmido circular natural, llamado 2|i, que tiene una longitud de 6 300 pb y es transmitido a las clulas hijas en la mitosis y la meiosis. Es ^te plsmido tiene un origen de replicacin reconocido por el sistema de replicacin de la levadura de modo que se replica de forma autnoma en la clula. Se ha construido una imitacin del plsmido 2i mediante ingeniera gentica para contar con un vec

tor eficiente para la transferencia de genes a la levadura. En otros casos se han adaptado plsmidos bacterianos para poder utilizarlos en la levadura. Algunos de ellos sufren recombinacin homologa con el cromosoma de la levadura o transfieren sus secuencias a ese cromosoma. Son particularmente eficaces los vectores lanzadera (vase p. 523 en cap. 18), que pueden ser propagados en bacterias y levaduras. Estos vectores permiten construir y manipular secuencias de genes en las bacterias, para las que a menudo existen tcnicas ms poderosas de manipulacin y seleccin de genes, y transferir luego las secuencias de los genes a las clulas de levadura, en las que se puede evaluar su funcin.

Los plsmidos tienen una limitacin relacionada con el tamao de los fragmentos de DNA que pueden transportar (vase p. 520 en cap. 18). Para superar esta limitacin se han desarrollado cromosomas artificiales de levadura (YAC) que pueden transportar porciones muy grandes de hasta unoscientos de miles de pb) de DNA. Los cromosomas artificiales de levadura son fragmentos de DNA construida por ingeniera gentica que contienen secuencias centromricas y telomricas y se segregan como cromosomas en la meiosis y la mitosis. Q

DNA de los cloroplastosLos genetistas saben desde hace largo tiempo que muchos ras

gos asociados con los cloroplastos muestran herencia citoplasmtica, lo que indica que estos rasgos no son codificados por los genes nucleares. En 1963 se demostr que los cloroplastos tienen su propio DNA (fig. 20-12).

Entre las diferentes plantas el genoma del cloroplasto vara en tamao de 80 000 a 600 000 pb, pero la mayora de los genomas de cloroplasto varan entre 120 000 y 160 000 pb (cuadro 20-3). El DNA del cloroplasto habitualmente est contenido en una sola molcula de DNA bicatenaria circular, muy enrollada y sin histonas asociadas. Como sucede con el mtDNA, se encuentran mltiples copias del genoma del cloroplasto en cada cloroplasto y hay numerosos orgnulos en cada clula; por ende en una clula vegetal tpica hay entre varios centenares y varios miles de copias de cpDNA.

Cuadro 20-3 Tamao de los genomas del cloroplasto en organisrr jS seleccionados

O rgan ism oT a m a o

d e l cp D N A tib )

Euglena graciis (protista) 143 172Porphyra purpurea (alga roja) 191 028Chiorella vulgars (alga verde) 1 50 613Marchanta polymorpha (heptica) 121 024Nicotiana tabacum (tabaco) 1 55 939Zea mays (maz) 140 387Pinus thunbergii (pino negro) 1 19 707

DNA de los orgnulos 599

f.

0>o>

, O

>S v/''' w7 p

-O R F4 3

c-

600 Captulo 20

Poco se sabe sobre el proceso de replicacin del cpDNA. Los resultados de los estudios en los que se observ la replicacin del cpDNA mediante microscopia electrnica sugieren que la replicacin empezara dentro de dos bucles D y progresara hacia afuera para formal' una estructura similar a una theta (vase fig. 12-4), Despus de una ronda inicial de replicacin la sntesis de DNA puede cambiar a un mecanismo de tipo crculo rodante (vase fig, 12-5),

La transcripcin y la traduccin de los genes de cloroplasto son similares en muchos aspectos a estos procesos en las eubacterias. Por ejemplo, los promotores encontrados en el cpDNA son casi idnticos a los encontrados en las eubacterias y poseen secuencias similares a las secuencias de consenso -10 y -35 de los promotores eubacterianos. Los mismos antibiticos que inhiben la sntesis de protenas en las eubacterias (as como en las mitocondrias) inhiben la sntesis de protenas en los cloroplastos, lo que indica que la sntesis de protenas en las eubacterias y los cloroplastos es similar. La traduccin del cloroplasto es iniciada por la 7V-formilmetionina, como sucede en las eubacterias.

Casi todos los genes del cpDNA se transcriben en grupos; solo algunos genes tienen sus propios promotores y se transcriben como molculas de mRNA separadas. La RNA polimerasa que transcribe el cpDNA es ms parecida a la RNA polimerasa eubacteriana que a cualquiera de las RNA polimerasas que transcriben los genes nucleares de los eucariontes. Al igual que los mRNA de las eubacterias, los mRNA del cloroplasto no poseen casquetes en los extremos 5 y no se agregan colas de poli(A) a los extremos 3. Sin embargo, los intrones son eliminados de algunas molculas de RNA despus de la transcripcin y los extremos 5 y 3 pueden ser sometidos a algn proceso adicional antes de la traduccin de las molculas. Como en el caso de los mRNA de las eubacterias, muchos mRNA de cloroplasto tienen una secuencia de Shine-Dalgarno en la regin 5 no traducida, que puede funcionar como un sitio de unin al ribosoma.

Los cloroplastos, como las eubacterias, contienen ribosomas de 70S que consisten en dos subunidades, una subunidad grande (50S) y una subunidad ms pequea (30S), La subunidad pequea incluye una sola molcula de RNA de 16S de tamao, similar a la hallada en la subunidad pequea de los ribosomas de las eubacterias, La subunidad SOS ms grande posee tres molculas de rRNA: un rRNA de 23S, un rRNA de 5S y un rRNA de 4,5S, En los ribosomas de las eubacterias la subunidad grande posee solo dos molculas de rRNA, (una de 23S y otra de 5S). La molcula de rRNA de 4,5S que se encuentra en la subunidad grande de los ribosomas del cloroplasto es homloga al extremo 3 del rRNA de 23S que se encuentra en las eubacterias; por ende, la estructura del ribosoma del cloroplasto es muy similar a la de los ribosomas de las eubacterias.

Los factores de iniciacin, de elongacin y de terminacin funcionan de maneras similares en la traduccin del cloroplasto y en la traduccin de las eubacterias. La mayor parte de los cromosomas del cloroplasto codifican de 30 a 35 tRNA diferentes, lo que sugiere que el amplio tambaleo observado en las mitocondrias no existira en la traduccin del cloroplasto. Solo se han hallado codones universales en el cpDNA.

Replicadn, transcripcin y traduccin del cpDNA

Evolucin del cpDNA

Las secuencias del DNA de los cloroplastos son muy similares a las que se encuentran en las cianobacterias; en consecuencia, es

evidente que los genomas de los cloroplastos tienen un antepasado eubacteriano. En conjunto, las secuencias del cpDNA evolucionan lentamente en comparacin con las secuencias del DNA nuclear y de algunos mtDNA. En la mayora de los genomas de cloroplasto el tamao y la organizacin de los genes son similares, aunque hay algunas excepciones notables.

CONCEPTOS CLAVE

Muchos aspectos de la transcripcin y la traduccin del cpDNA son similares a los de las eubacterias. Las secuencias del DNA del cloroplasto son muy semejantes a las secuencias del DNA de las cianobacterias, l que avala la teora endosimbitica. La mayor parte del cpDNA evoluciona lentamente en su secuencia y estructura.

INTEGRACIN DE CONCEPTOS

Comparaciones de genomasEn las secciones precedentes sobre los genomas de las mito

condrias y los cloroplastos hemos esbozado una comparacin de estos genomas con los encontrados en las eubacterias y las clulas eucariontes (cuadro 20-4). La teora endosimbitica indica que las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron a partir de antepasados eubacterianos y por consiguiente se podna suponer que el mtDNA y el cpDNA seran similares al DNA que se encuentra en las clulas de las eubacterias. La situacin real es ms compleja: el DNA mitocondrial y el DNA del cloroplasto poseen una mezcla de caractersticas de las eubacterias y de los eucariontes y algunas que les son propias.

Los genomas de las mitocondrias y de los cloroplastos son similares a los de las clulas de las eubacterias en el sentido de que son relativamente pequeos, carecen de histonas y habitualmente se encuentran en molculas de DNA circulares. Sin embargo, la organizacin de los genes y la expresin de los genomas de los orgnulos se asemejan en algunos aspectos a las observadas en los genomas de las eubacterias y tambin de los genomas de los eucariontes. Algunos genomas de orgnulos poseen intrones pero otros carecen de ellos. Los intrones del pre-mRNA (vase la pg. 375 del captulo 14) puede hallarse una descripcin de los diferentes tipos de intrones) no existen en los genes mitocondriales y de cloroplasto, como sucede en los genes de las eubacterias. Los intrones del grupo I I estn presentes en algunos genomas de orgnulos y de eubacterias pero no existen en el genoma nuclear de los eucariontes. Los intrones del grupo I son frecuentes en algunos mtDNA y en la mayor parte de los cpDNA y estos intrones tambin se encuentran en los genomas de las eubacterias, de las arqueobacterias y de los eucariontes.

El mRNA policistrnico, que es una molcula de RNA que codifica ms de una cadena polipeptdica, es frecuente en las eubacterias pero raro en los eucariontes; tambin se lo encuentra en las mitocondrias y sobre todo en los cloroplastos. El mtDNA humano, que tiene poco DNA no codificante entre los genes y poco DNA repetitivo, posee una organizacin similar a la de los cromosomas eubacterianos tpicos, pero otros genomas mitocondriales y de cloroplasto poseen secuencias no codificantes largas entre los genes.

Los antibiticos que inhiben la traduccin en las eubacterias tambin inhiben la traduccin en los orgnulos y el casquete 5


Cuadro 20-4 Comparacin de los genomas nucleares es de los eucariontes, de las eubacterias, mitocondrial y del cloroplasto

C aracterstica Genoma Cenoma Genoma Cenomaeucarionte eubacteriano m itocondrial del cloroplasto

Cenoma de DNA de doble cadena S S S S

Circular No S La mayora S

Histonas S No No No

Tamao Grande Pequeo Pequeo Pequeo

Una sola molcula por genoma No S S en los animales No en algunas plantas

Si

Intrones de pre-mRNA Frecuentes Ausentes Ausentes Ausentes

Intrones del grupo 1 Presentes Presentes Presentes Presentes

Intrones del grupo II Ausentes Presentes Presentes Presentes

mRNA policistrnico Poco frecuente Frecuente Presente Frecuente

Casquete 5 agregado al mRNA S No No No

Cola poli(A) 3 agregada al mRNA S No Algunos en los animales No

Secuencia de Shine-Dalgarno en la regin 5 no traducida del mRNA

No S Raros Algunos

Codones no universales Raros Raros S No

Tambaleo extendido No No S No

Traduccin inhibida por la tetraciclina No S S S

que se agrega al mRNA de los eucariontes despus de la transcripcin est ausente del mRNA de los orgnulos. Una cola de poli(A) en 3, caracterstica de la mayor parte de los mRNA nucleares, solo est presente en el mRNA de las mitocondrias de algunos animales y parece ser fundamentalmente diferente de la que se encuentra en los mRNA nucleai'es. Las secuencias de Shi- ne-Dalgarno, los sitios de unin a los ribosomas caractersticos del DNA eubacteriano, estn presentes en algunos cpDNA pero faltan en el mtDNA. Finalmente, algunos genomas mitocndria- les usan codones no universales y presentan un amplio tambaleo, lo que es raro en el DNA de las eubacterias y los eucariontes.

Qu conclusiones se pueden extraer de estas comparaciones? Evidentemente los genomas de las mitocondrias y los cloroplastos no son tpicos de los genomas nucleares de las clulas eucariontes en las que se encuentran. En lo que respecta a la secuencia, el DNA de los orgnulos es muy similar al DNA eubacteriano pero muchos aspectos de la organizacin y la expresin de los genomas de los orgnulos son nicos. Es importante recordar que la teora endosimbitica no propone que las mitocondrias y cloroplastos son de naturaleza eubacteriana sino que surgieron hace ms de mil millones aos de los antepasados de las eubacterias. A travs del tiempo los genomas de los endosimbiontes han sufrido cambios evolutivos considerables y han desarrollado caractersticas que los diferencian de los genomas eubacterianos y eucariontes contemporneos.

Intercambio intergenmico de informacin gentica

Muchas protenas que se encuentran en las mitocondrias y los cloroplastos actuales son codificadas por genes nucleares, lo que sugiere que gran parte del material gentico original presente en los endosimbiontes probablemente haya sido transferido al ncleo, Esta suposicin es avalada por la observacin de que algunas secuencias de DNA normalmente encontradas en el mtDNA se han detectado en el DNA nuclear de algunas cepas de levaduras y en el maz. De la misma forma, se han encontrado secuencias de cloroplasto en el DNA nuclear de la espinaca. Adems, las secuencias de genes nucleares que codifican las protenas de los orgnulos son muy similares a sus anlogas eubacterianas.

Tambin existen evidencias de que el material gentico se ha desplazado de los cloroplastos a las mitocondrias. Por ejemplo, se han encontrado fragmentos de DNA del gen del rRNA de 16S y de dos genes de tRNA que normalmente son codificados por el cpDNA en el mtDNA del maz. Las secuencias del gen que codifica la subunidad grande de RuBisCO, que normalmente es codificada por el cpDNA, se encuentran duplicadas en el mtDNA del maz. Incluso hay pruebas de que algunos genes nucleares han pasado a los genomas mitocondriales. El intercambio de material gentico entre los genomas nuclear, mitocondrial y de cloroplasto ha dado origen al trmino DNA promiscuo'para describir es

602 Captulo 20

te fenmeno. El mecanismo por el que tiene lugar este intercambio no est del todo claro.

DNA mitocondrlal y envejecimiento en los seres humanos

Los sntomas de muchas enfermedades genticas humanas causadas por defectos en el mtDNA aparecen por primera vez en la edad madura o despus y se tornan ms graves a medida que aumenta la edad de las personas afectadas. Una hiptesis para explicar el inicio tardo y el empeoramiento progresivo de las enfermedades mitocondriales se relaciona con la eliminacin de la fosforilacin oxidativa con el envejecimiento.

La fosforilacin oxidativa es el proceso que genera ATP, el transportador primario de energa de la clula. Este proceso tiene lugar en la membrana interna de la mitocondria y requiere varias protenas diferentes, algunas codificadas por el mtDNA y otras codificadas por genes nucleares. La fosforilacin oxidativa normalmente disminuye con la edad y, si desciende por debajo de cierto umbral crtico, los tejidos no fabrican ATP suficiente para sostener las funciones vitales y aparecen los sntomas de la enfermedad. La mayora de las personas comienzan su vida con un exceso de capacidad de fosforilacin oxidativa; esta capacidad disminuye con la edad pero tambin la mayora de las personas llegan a la vejez o mueren antes de sobrepasar el umbral crtico. Las personas nacidas con enfermedades mitocondriales portan mutaciones en su mtDNA que disminuyen su capacidad de fosforilacin oxidativa. Al nacer, esa capacidad puede ser suficiente para satisfacer sus necesidades de ATP pero cuando el envejecimiento determina una declinacin de la fosforilacin oxidativa atraviesan el umbral crtico y empiezan a experimentar sntomas. Estos sntomas suelen aparecer primero en los tejidos que ms dependen de la energa mitocondrial: el sistema nervioso central, el msculo esqueltico y cardacos, los islotes pancreticos, los riones y el hgado.

Por qu la capacidad de fosforilacin oxidativa disminuye con la edad? Una posible explicacin es que el dao del mtDNA aumenta con la edad; las deleciones y sustituciones de bases en el mtDNA aumentan con la edad. Por ejemplo, una delecin frecuente de 5 000 pb en el mtDNA est ausente en las clulas normales del msculo cardaco antes de los 40 aos, pero despus de esa edad se la encuentra con frecuencia creciente. La misma delecin se observa con escasa frecuencia en el tejido crebral normal antes de los 75 aos, pero se encuentra en el 11 al 12% de los mtDNA de los ganglios basales hacia los 80 aos. Las personas con enfermedades genticas del mtDNA pueden envejecer prematuramente porque empiezan la vida con el mtDNA daado.

Otras evidencias a favor de la hiptesis de que el dao del mtDNA se asocia con el envejecimiento provienen de un estudio en el que los genetistas aumentaron la tasa de mutaciones en el mtDNA de ratones. En los ratones, como en los seres humanos, una DNA polimerasa especial (DNA polimerasa y) cataliza la replicacin del mtDNA. La polimerasa y sintetiza DNA y lo corrige durante la lectura (vase cap. 12). Los genetistas crearon ratones transgnicos en los que la actividad de correccin durante la lectura de la enzima era defectuosa, aunque la actividad de la polimerasa no estaba afectada. Los tejidos somticos de estos ratones transgnicos acumularon mutaciones extensas en su mtDNA. Los ratones mostraron sntomas de envejecimiento prematuro que incluyeron prdida de peso y de pelo, reduccin de la fertili

dad, curvatura de la columna vertebral y disminucin de la expectativa de vida. Estos resultados apoyan la hiptesis de que las mutaciones en el mtDNA pueden conducir a por lo menos algunas caractersticas del envejecimiento.

El mecanismo responsable del aumento del dao del mtDNA relacionado con la edad todava se desconoce. Se sabe que los radicales del oxgeno, compuestos muy reactivos que son derivados naturales de la fosforilacin oxidativa, daan el DNA (vase p. 489 en cap. 17). Como el mtDNA est fsicamente cerca de las enzimas que intervienen en la fosforilacin oxidativa, puede ser ms propenso al dao oxidativo que el DNA nuclear. Cuando el mtDNA se ha daado, las clulas tienen menos capacidad de producir ATP. La generacin del ATP suficiente para reunir la energa requerida por las clulas exige aun ms fosforilacin oxidativa, lo que a su vez puede estimular la produccin de ms radicales del oxgeno con la creacin del consiguiente crculo vicioso.

Se han observado niveles significativamente elevados de defectos del mtDNA en algunos pacientes con enfermedades degenerativas de comienzo tardo, como por ejemplo diabetes me- llitus, cardiopata isqumica, enfermedad de Parkinson, enfermedad de Alzheimer y enfermedad de Huntington. Todas estas enfermedades aparecen entre la edad madura y la vejez y generan sntomas asociados con tejidos que dependen crticamente de la fosforilacin oxidativa para la produccin de ATP. Sin embargo, como la enfermedad de Huntington y algunos casos de enfermedad de Alzheimer se heredan como enfermedades dominantes autosmicas, los defectos del mtDNA no pueden ser la causa primaria de estas enfermedades, aunque podran contribuir a su progresin.

RELACION DE CONCEPTOS ENTRE CAPTULOS m

En este captulo hemos analizado las propiedades peculiares del DNA de los orgnulos, que forma parte del citoplasma y habitualmente muestra herencia uniparental. Un tema unificador ha sido que las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron a partir de eubacterias de vida libre que establecieron una relacin endosimbitica con las clulas eucariontes en las que se encuentran. La endosimbiosis ayuda a explicar muchas de las caractersticas del DNA mitocondrial y del DNA de los cloroplastos, que se parecen ms al DNA eubacteriano que al DNA nuclear de los eucariontes. Sin embargo, el mtDNA y el cpDNA no son similares en todos los aspectos al DNA de las eubacterias; el DNA de los orgnulos tiene varias propiedades que le son propias.

Otro tema importante bosquejado en este captulo es que el cpDNA y el mtDNA muestran una diversidad desconcertante de variaciones de tamao y organizacin. La razn de estas variaciones se desconoce pero dificulta el resumen de los genomas mitocondriales y de cloroplasto .

Los rasgos codificados por los genes mitocondriales y de cloroplasto se heredan de una manera muy diferente de los codificados por los genes nucleares. Como el DNA de los orgnulos se localiza en el citoplasma, los rasgos que codifica muestran herencia citoplasmtica y tpicamente se heredan de un solo progenitor, con mayor frecuencia de la madre. Muchos rasgos codificados por el mtDNA y el cpDNA muestran variacin fenotpica entre la descendencia de una solo cruzamiento e incluso entre las clulas y los tejidos de un organismo individual; esto ltimo ocu- iTc cuando hay dos o ms variantes genticas en una sola clula

DNA de los orgnuLos 603

y la separacin, al azar de los orgnulos durante la divisin celular produce clulas con diferentes proporciones de los dos tipos de DNA.

La comprensin de la herencia de los rasgos codificados por las mitocondrias y los cloroplastos complementa las descripciones anteriores de la herencia uniparental del captulo 5 y de la herencia biparental (con la que se compara) del captulo 3. El material del presente captulo se relaciona estrechamente con la informa

cin sobre la estructura y la organizacin del DNA que se encuentra en los captulos 10 y 11 y con las descripciones de la replicacin, la transcripcin, el procesamiento del RNA y la traduccin que se encuentran en los captulos 12 a 15. Las tcnicas moleculares descritas en este captulo se tratan ms profundamente en el captulo 18. El uso de mtONA en los estudios evolutivos se analizar con ms detalle en el captulo 23.

RESUMENLas mitocondrias y los cloroplastos son orgnulos de los eucariontes que poseen su propio DNA, Los rasgos codificados por el mtDNA y el cpDNA muestran herencia citoplasmtica y habitualmente se heredan de un solo progenitor, ms a menudo de la madre. La separacin al azar de los orgnulos durante la divisin celular puede producir variacin fenotpica entre las clulas dentro de un mismo individuo y entre la progenie de una misma hembra.

> La teora endosimbitica postula que las mitocondrias y los cloroplastos se originaron como microorganismos procarion- tes de vida libre (especficamente eubacterias) que establecieron una asociacin beneficiosa con las clulas eucariontes. Las similitudes en las secuencias de los genes de los orgnulos y de las eubacterias apoyan el origen eubacteriano del DNA mitocondrial y de los cloroplastos.

El genoma mitocondrial habitualmente consiste en una sola molcula circular de DNA que carece de histona, aunque las plantas pueden tener molculas circulares mtiltiples. El DNA mitocondrial vara en tamao entre los diferentes grupos de organismos; la mayor parte de esta variacin se debe al DNA no codificante. Cada clula contiene muchas copias de mtDNA.

La organizacin de los genes en el genoma mitocondrial difiere entre los organismos. Los genomas mitocondriales ancestrales tpicamente tiene caractersticas de los genomas eubacterianos, como ribosomas similares a los de las eubacterias, un juego completo o casi completo de genes de tRNA, pocos intrones, poco DNA no codificante entre los genes, los genes organizados en racimos similai-es a los de las eubacterias y el uso de codones universales solamente. Los genomas mitocondriales derivados son ms pequeos y contienen menos genes. Sus .genes de rRNA y sus ribosomas difieren de los encontrados en las eubacterias y usan algunos codones no universales.

El mtDNA humano es muy econmico, con pocos nueleti- dos no codificantes. Los mtDNA de los hongos y de las plantas contienen mucho DNA no codificante entre los genes, intrones iatrognicos y extensas regiones 5 y 3 que no se traducen. La mayor parte de los genomas mitocondriales de las plantas contienen una o ms repeticiones grandes directas, que pueden recombinarse para producir molculas de DNA ms pequeas o ms grandes.

El DNA mitocondrial se sintetiza durante todo el ciclo celular y su sntesis no est coordinada con la replicacin del DNA nuclear.

La transcripcin de los genes mitocondriales vara entre los diferentes organismos. Los RNA mensajeros producidos por

la transcripcin del mtDNA no poseen casquetes en sus extremos 5; se agregan colas de poli(A) a los extremos 3 de los mRNA de algunos animales pero estas colas son diferentes de las colas poli(A) que se encuentran en los mRNA codificados en el ncleo.

Los antibiticos que inhiben los ribosomas eubacterianos tambin inhiben los ribosomas mitocondriales. La sntesis de protenas en las mitocondrias es iniciada en los codones de iniciagin AUG por la W-formilmetionina y emplea factores de elongacin similares a los de las eubacterias. Muchos genomas mitocondriales codifican un niimero limitado de tRNA, con reglas de apareamiento codn-anticodn muy laxas y amplio tambaleo.

Las comparaciones de las secuencias del mtDNA sugieren que las mitocondrias haban evolucionado a partir de un antepasado eubacteriano. El mtDNA de los vertebrados muestra cambios rpidos en las secuencias pero pocos cambios en el contenido y la organizacin de los genes. El mtDNA de las plantas muestra pocos cambios en la secuencia pero mucha variacin en el contenido y la organizacin de los genes.

La levadura comn de panadera, Saccharomyces cerevisiae, es un organismo euccuionte modelo que posee muchas de las ventajas genticas de los sistemas bacterianos, que incluyen estructura de clula nica, reproduccin rpida, tamao pequeo y fcil manipulacin.

Los genomas de los cloroplastos consisten en una sola molcula circular de DNA que vara poco en tamao y carece de histonas. Cada clula vegetal contiene copias mltiples del cpDNA.

La mayor parte de los cromosomas del cloroplasto poseen grandes repeticiones invertidas; algunos genes del cloroplasto contienen intrones.

La transcripcin y la traduccin son similares en los cloroplastos y las eubacterias; la mayor parte de los genes del cloroplasto se transcriben como unidades policistrnicas, sus mRNA no poseen casquetes, no se agregan colas poIi(A) y poseen una secuencia de Shine-Dalgamo de unin a los ribosomas.

Las secuencias del DNA del cloroplasto son muy similares a las de las cianobacterias y suelen evolucionar lentamente.

A travs del tiempo de evolucin muchos genes mitocondriales y de cloroplasto se han desplazado hacia los cromosomas nucleares. En algunas plantas hay pruebas de que ha habido copias de genes de cloroplasto que se han desplazado al genoma mitocondrial.

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TRMINOS IMPORTANTESDNA mitocondrial (mtDNA) (p. 588) DNA del cloroplasto (cpDNA) (p. 588) heteroplasmia (p. 590)

segregacin replicativa (p. 590) homoplasmia (p. 590) teora endosimbitica (p. 591)

bucle D (p. 593)ttrada (p. 597)anlisis de la ttrada (p, 598)

Problema;

1. Un mdico examina a un hombre joven que presenta un trastorno muscular progresivo y anomalas visuales. Varios parientes del paciente tienen la misma enfermedad, como se muestra debajo en el pedigr. El grado de expresin del rasgo es muy variable entre los miembros de la familia: algunos estn solo ligeramente afectados en tanto que otros desarrollaron sntomas graves a una edad temprana. El mdico concluye que este trastorno se debe a una mutacin en el genoma mitocondrial. Est de acuerdo con la conclusin del mdico? Por qu s o por qu no? El trastorno podra deberse a una mutacin de un gen nuclear? Explique su razonamiento.

probable es que los sntomas del trastorno aparezcan cuando una proporcin mnima de las mitocondrias es mutante. Simplemente por casualidad, algunos de los gametos producidos por una madre afectada contienen pocas mitocondrias mutantes y producen descendencia sin el trastorno.

Otra posible explicacin del trastorno es que sea resultado de un gen dominante autosmico. Cuando una persona afectada (he- terocigoto) se casa con una persona no afectada (homocigtica), alrededor de la mitad de la descendencia puede presentar el rasgo, pero simplemente por casualidad algunos padres afectados no tendrn ningn hijo afectado. Es posible que los individuos II-2 y II1-6 del pedigr simplemente sean de sexo masculino y su sexo no est relacionado con el modo de transmisin. La expresin variable podra ser explicaca por la expresividad variable (vase p. 104 en cap. 5).

2. Suponga que se descubre un nuevo orgnulo en un oscuro grupo de protistas. Este orgnulo contiene un genoma de DNA pequeo y algunos cientficos argumentan que, como los cloroplastos y las mitocondrias, este orgnulo se origin como una eubacteria de vida libre que estableci una relacin endosimbitica con el protista. Disee un plan de investigacin para determinar si el nuevo orgnulo evolucion a partir de una eubacteria de vida libre. Qu tipo de datos obtendra y qu pronsticos formulara si la teora fuera correcta?

* Solucin

Solucin

La conclusin de que el trastorno es causado por una mutacin en el genoma mitocondrial es apoyada por el pedigr y la observacin de la expresin variable en los miembros afectados de la misma familia. El trastorno solo pasa de las madres afectadas a su descendencia; cuando los padres estn afectados ninguno de sus hijos tiene el rasgo (como se puede observar en los nios de II-2 y de IH-6). Este resultado es esperable en el caso de los rasgos determinados por mutaciones en el mtDNA porque las mitocondrias estn en el citoplasma y habitualmente se heredan de uno solo de los progenitores (en los seres humanos, de la madre).

Los hechos de que algunos descendientes de madres afectadas no muestren el rasgo (IIL9 y IV-5) y de que la expresin vare de una persona a otra sugieren que las personas afectadas tendran heteroplasmia, con mitocondrias mutantes y de tipo salvaje. L segregacin al azar de las mitocondrias durante la meiosis puede producir gametos con tienen proporciones diferentes de secuencias mutantes y del tipo salvaje y las consiguientes diferencias en el grado de expresin fenotpica entre la descendencia. Lo ms

Podramos examinar la estructura, la organizacin y las secuencias del genoma del orgnulo. Si el orgnulo solo muestra caractersticas de DNA eucarionte lo ms probable es que tenga un origen eucarionte pero si muestra algunas caractersticas de DNA eubacteriano este hallazgo apoya la teora de un origen eubacteriano. Sin embargo, sobre la base de nuestro conocimiento de los genomas mitocondrial y del cloroplasto no debemos esperar que el genoma del orgnulo posea caractersticas completamente eu- baeterianas.

Podramos empezar por examinar las caractersticas globales del DNA del orgnulo. Si tiene un origen eubacteriano podramos esperar que los genomas del orgnulo consistieran en una molcula circular sin histona. Luego podramos estudiar la secuencia del DNA para determinar el contenido y la organizacin de los genes. La presencia de cualquier intrn del grupo II sugerira un origen eubacteriano, porque estos intrones solo se han encontrado en los genomas de las eubacterias y en los genomas derivados de ellas. Por otro lado, la presencia de cualquier intrn de pre- mRNA sugerira un origen eucarionte, porque estos intrones solo se han encontrado en los genomas nucleares de los eucariontes.


Si el genoma del* orgnulo tuviera un origen eubacteriano podramos encontrar mRNA policistrnico, ausencia de un casquete 5 e inhibicin de la traduccin por los antibiticos que tpicamente inhiben la traduccin de las eubacterias.

Finalmente, podramos comparar las secuencias de DNA en

contradas en el genoma del orgnulo con las secuencias homologas de los genomas de las eubacterias y de los eucariontes. Si la teora de un origen endosimbitico es correcta, las secuencias de los orgnulos deben ser muy similares a las secuencias homlogas encontradas en las eubacterias.

PREGUNTAS DE COMPRENSION*1. Describa brevemente la estructura general del mtDNA y del

cpDNA. En qu se parecen? En qu difieren? En qu son comparables sus estructuras con las estructuras del DNA eubacteriano y de los eucariontes (nuclear)?

2. Explique por qu muchos rasgos codificados por el mtDNA y el cpDNA muestran una variacin considerable en su expresin, incluso entre los miembros de la misma familia.

*3 . Qu es la teora endosimbitica? Cmo ayuda a explicar algunas de las caractersticas de las mitoeondrias y los cloroplastos?

4. Qu pruebas apoyan la teora endosimbitica?

5. Cmo se organizan los genes en el genoma mitocondrial? En qu difiere esta organizacin entre los genomas rnito- condriales ancestral y derivado?

*6. Cules son los codones no universales? Dnde se encuentran?

7. En qu difiere la replicacin del mtDNA de la replicacin del DNA nuclear en las clulas eucariontes?

*8. El genoma mitocondrial humano codifica solo 22 tRNA, en tanto que se requieren por lo menos 32 tRNA para la traduccin citoplasmtica. Por qu se necesitan menos tRNA en las mitoeondrias?

9. Cules son algunas posibles exphcaciones de la tasa acelerada de evolucin en las secuencias del mtDNA de los vertebrados?

10. Cules son algunas de las ventajas de utilizar levaduras para los estudios genticos?

*11. Describa brevemente la organizacin de los genes en el genoma del cloroplasto.

12. Qu significa el trmino DNA promiscuo?

PREGUNTAS Y PROBLEMAS DE APLICACION13. Se encuentra una planta de trigo de color verde plido cre

ciendo en un campo. El anlisis bioqumico revela que los eloroplastos de esta planta producen solo el 50% de la clorofila encontrada normalmente en los eloroplastos del trigo. Proponga un conjunto de cruzamientos para determinar si el fenotipo verde plido es causado por una mutacin en un gen nuclear o en un gen del cloroplasto.

*14. Se encuentra una enfermedad neurolgica rara en la familia ilustrada en el pedigr siguiente. Cul es el modo .de herencia ms probable de este trastorno? Explique su razonamiento.

r sCHi III

2 3 4 5 6 7

IV

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 2 3 4 5 6 7

15. En una cepa determinada de Neuros pora una mutacin poky muestra herencia biparental, en tanto que las mutaciones poky en otras cepas solo son heredadas de la madre. Explique estos resultados.

16. Los antibiticos como el cloranfenicol, la tetraeiclina y la eritromicina inhiben la sntesis de protenas *en las eubacterias pero no tienen efecto alguno sobre la sntesis de protenas codificadas por los genes nucleares. La cicloheximi- da inhibe la sntesis de protenas codificadas por los genes nucleares pero no tiene efecto sobre la sntesis de protenas en las eubacterias. Cmo podran usarse estos compuestos para determinar qu protenas son codificadas por los genomas mitocondrial y del cloroplasto?

"17. Una cientfica obtiene clulas en varios puntos del c iclo celular y asla el DNA de ellas. Mediante centrifugacin en gradientes de densidad separa el DNA nuclear y el mtDNA. Luego mide la cantidad de mtDNA y de DNA nuclear presente en los diferentes puntos del ciclo celular. En el grfico que se presenta al final de este prrafo dibuje una lnea para representar las cantidades relativas de DNA nuclear que la cientfica encuentre por clula a lo largo del ciclo celular. Luego dibuje una lnea de puntos en el mismo grfico para indicar la cantidad relativa de mtDNA que esperara encontrar usted en diferentes puntos a lo largo del c iclo celular.

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DNA de organulos

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