Por qué las mitocondrias necesitan un genoma?


Manuel-Gonzalo Claros



Las mitocondrias, junto con los cloroplastos, son los orgánulos celulares que presentan una serie de características muy peculiares que los hacen parecer una célula dentro de otra célula: contienen DNA, poseen ribosomas, están separados del citosol por una doble membrana, contienen proteínas típicas del núcleo (polimerasas, helicasas, histonas...). Todo esto hace pensar que estos orgánulos no surgieron por una diferenciación interna sino que tienen un origen xenógeno. De hecho se acepta la teoría endosimbióntica para explicar su génesis. Esta teoría propone que durante la evolución independiente de las arquebacterias, las eubacterias y los urcariotes (pre-eucariotas muy parecidos a los actuales eucariotas, aunque carecerían de mitocondrias y cloroplastos; fósiles vivientes de este tipo de células son los géneros Giardia y Varimorpha), una bacteria fotosintética púrpura sería fagocitada por una célula urcariota y, en lugar de ser digerida, pasaría a formar parte de ella en forma de lo que hoy conocemos como mitocondria. Posteriormente, una cianobacteria, mediante un proceso similar, entraría en simbiosis con estas células con mitocondrias, y originarían los cloroplastos. La teoría endosimbióntica está avalada por los análisis sobre los pigmentos clorofílicos, la composición y distribución génica de los DNA, y por análisis ultraestructurales. Esta teoría explicaría con facilidad el origen de la doble membrana: la interna pertenecería originalmente a la bacteria, y la externa sería un aporte de la célula anfitriona (de hecho, ambas membranas tienen muy distinta composición y permeabilidad). También encuadra perfectamente dentro de la teoría endosimbióntica la existencia de pruebas que demuestran que a lo largo de la evolución, tanto mitocondrias como cloroplastos han ido perdiendo su material genético. Parte de este material se ha perdido, pero otra parte se ha realojado en el núcleo. La presencia de genes duplicados en los cromosomas que no comparten un ancestro común, la presencia simultánea en el orgánulo y en el núcleo del mismo gen, o que el uso de codones de algunos genes con destino mitocondrial sea más parecido al del orgánulo que al del núcleo, constituyen pruebas contundentes de esta migración. Datos recientes sugieren que las ultimas migraciones se produjeron hace unos 15-60 millones de años.
Una de las consecuencias de esta pérdida de DNA es que más del 90% de las proteínas que necesitan las mitocondrias y los cloroplastos están codificadas en el núcleo, se traducen en el citoplasma y tienen que ser importadas específicamente en el orgánulo. Por eso, ambos orgánulos han adquirido un complejo sistema de importación de proteínas. Este mecanismo implica la presencia de un elevado número de proteínas que actúan de receptores y translocadores. Esta maquinaria está presente tanto en la membrana externa como la interna del orgánulo. Las proteínas a importar deben poseer una secuencia guía que las conduzca específicamente al orgánulo. El que la codificación y síntesis de las proteínas de localización mitocondrial o cloroplastídica se haga utilizando la maquinaria celular supone un claro ahorro, por lo que es sorprendente que habiéndose deshecho de la mayoría de su genoma, todavía queden genes dentro de estos orgánulos (en mitocondrias de humanos, por ejemplo, hay 13 genes). Esto conlleva el coste energético de mantener duplicados un sistema de replicación y traducción (en las plantas está triplicado) para sólo unos pocos genes. ¿Por qué entonces algunos genes no han migrado al núcleo para evitar este despilfarro?
Esta pregunta ha sido abordada concretamente en las mitocondrias donde la respuesta es clara, no siendo así en los cloroplastos. En la actualidad existen una serie de barreras que tiene que superar cualquier gen que quiera salir de la mitocondria para alojarse en el núcleo. Estas barreras son: (1) las diferencias del código genético entre el núcleo y la mitocondria; (2) la modificación posttranscripcional del RNA mitocondrial que se produce en ciertas especies; (3) la probabilidad de encontrar una secuencia guía apropiada o simplemente un promotor y terminador; (4) que tras ser importada, la proteína adquiera su conformación correcta. Sin embargo estas bareras no explican la retención de genes. Otras evidencias apuntaban a que la hidrofobicidad de los genes debía estar implicada en su retención, porque la mayoría de los genes de codificación mitocondrial son hidrofóbicos. De hecho, los dos genes que se encuentran en todas las mitocondrias conocidas, el citocromo b y la subunidad I de la citocromo oxidasa, son genes muy hidrofóbicos. Un elegante análisis ha podido demostrar que no son ni el número de dominios hidrofóbicos ni la hidrofobicidad media lo que justifica la retención, sino que es una combinación de dos parámetros. Para que una proteína pueda, siendo codificada en el núcleo, importarse en la mitocondria y ser activa, necesita no tener ningún dominio muy hidrofóbico y además, que los dominios hidrofóbicos estén separados. De hecho, la mayoría de las proteínas que quedan en los genomas mitocondriales no respetan estas condiciones y por tanto, no pueden ser importadas. En cambio, en los casos en que la misma proteína está en el núcleo y la mitocondria, las propiedades físico-químicas de la forma nuclear permiten su importación.

Manuel G. Claros es investigador postdoctoral de Bioquímica y Biología Molecular.