Diferencia entre el ADN mitocondrial y el ADN nuclear

Que es ADN?

El ácido desoxirribonucleico (ADN) lleva información genética que se utiliza como un conjunto de instrucciones para el crecimiento y el desarrollo, así como el mejor funcionamiento y la reproducción de los organismos vivos. Es un ácido nucleico y es uno de los cuatro tipos principales de macromoléculas que se sabe que son esenciales para todas las formas de vida¹.

Cada molécula de ADN está compuesta por dos hilos de biopolímero enrollados entre sí para formar una doble hélice. Estos dos hilos de ADN se llaman polinucleótidos, ya que están hechos de unidades de monómero más simples llamadas nucleótidos².

Cada nucleótido individual está compuesto por una de las cuatro nucleobasas que contienen nitrógeno: citosina (C), guanina (G), adenina (a) o timina (t)) junto con un azúcar llamado grupo de desoxiribosa y un grupo fosfato.

Los nucleótidos se unen entre sí por enlaces covalentes, entre el fosfato de un nucleótido y el azúcar del siguiente. Esto crea una cadena, lo que resulta en una columna vertebral de azúcar-fosfato de azúcar. Las bases nitrogenas de los dos hilos de polinucleótidos están unidos mediante enlaces de hidrógeno, para hacer ADN de doble cola de acuerdo con las parejas de bases estrictas (A a T y C a G)³.

Dentro de las células eucariotas, el ADN se organiza en estructuras llamadas cromosomas, y cada célula tiene 23 pares de cromosomas. Durante la división celular, los cromosomas se duplican a través del proceso de replicación de ADN, siempre que cada célula tenga su propio conjunto completo de cromosomas. Los organismos eucariotas como animales, plantas y hongos almacenan la mayoría de su ADN dentro del núcleo celular y algunos de su ADN en orgánulos como las mitocondrias⁴.

Al estar ubicado en diferentes regiones de la célula eucariota, hay una serie de diferencias fundamentales entre el ADN mitocondrial (ADNmt) y el ADN nuclear (ADNm). Según las propiedades estructurales y funcionales clave, estas diferencias afectan la forma en que operan dentro de los organismos eucariotas.

Organización y diferencias estructurales del ADN mitocondrial y el ADN nuclear

Ubicación → Ubicado exclusivamente en las mitocondrias, el ADNmt contiene 100-1,000 copias por célula somática. El ADN nuclear se encuentra dentro del núcleo de cada célula eucariota (con algunas excepciones como nervios y glóbulos rojos) y generalmente solo tiene dos copias por célula somática⁵.

Estructura → Ambos tipos de ADN son dos rayas. Sin embargo, el NDNA tiene una estructura lineal y de fin abierta encerrada por una membrana nuclear. Esto difiere del ADNmt, que generalmente tiene una estructura circular cerrada y no está envuelta por ninguna membrana

Tamaños del genoma → Tanto el ADNmt como el NDNA tienen sus propios genomas, pero son tamaños muy diferentes. En humanos, el tamaño del genoma mitocondrial consta de solo 1 cromosoma que contiene 16,569 pares de bases de ADN. El genoma nuclear es significativamente mayor que el mitocondrial, que consta de 46 cromosomas que contienen 3.3 mil millones de nucleótidos.

Codificación génica → El cromosoma singular de ADNmt es mucho más corto que los cromosomas nucleares. Contiene 36 genes que codifican para 37 proteínas, todas las cuales son proteínas específicas utilizadas en los procesos metabólicos que emprenden las mitocondrias (como el ciclo del ácido citrato, la síntesis de ATP y el metabolismo de los ácidos grasos). El genoma nuclear es mucho más grande, con 20,000-25,000 genes que codifican todas las proteínas requeridas para su función, que también incluye genes mitocondriales. Al ser orgánulos semiautónomos, la mitocondria no puede codificar para todas sus propias proteínas. Sin embargo, pueden codificar para 22 tRNA y 2 rRNA, que NDNA carece de la capacidad de hacer.

Diferencias funcionales

Proceso de traducción → El proceso de traducción entre NDNA y ADNmt puede variar. NDNA sigue el patrón de codón universal, sin embargo, este no siempre es el caso de mtDNA. Algunas secuencias de codificación mitocondrial (codones de triplete) no siguen el patrón de codón universal cuando se traducen en proteínas. Por ejemplo, AUA codifica la metionina en la mitocondria (no la isoleucina). UGA también codifica para triptófano (no un codón de parada como en el genoma de los mamíferos)⁶.

Proceso de transcripción → La transcripción génica dentro del ADNmt es policistrónica, lo que significa que un ARNm se forma con secuencias que codifican muchas proteínas. Para la transcripción del gen nuclear, el proceso es monocistrónico, donde el ARNm formado tiene secuencias que codifican una sola proteína⁸.

Herencia del genoma → El ADN nuclear es diploide, lo que significa que hereda el ADN tanto maternal como paternalmente (23 cromosomas de cada una de la madre y el padre). Sin embargo, el ADN mitocondrial es haploide, con el cromosoma único heredado por el lado materno y no se somete a recombinación genética⁹.

Tasa de mutación → A medida que el ADNm se somete a la recombinación genética, es una baraja del ADN de los padres y, por lo tanto, se altera durante la herencia de los padres a su descendencia. Sin embargo, como el ADNmt solo se hereda de la madre, no hay alteración durante la transmisión, lo que significa que cualquier cambio de ADN proviene de mutaciones. La tasa de mutación en el ADNmt es mucho más alta que en el ADNm, que normalmente es menor que 0.3%¹⁰.

Diferencias en la aplicación de ADNmt y NDNA dentro de la ciencia

Las diferentes propiedades estructurales y funcionales de ADNmt y NDNA han llevado a diferencias en sus aplicaciones dentro de la ciencia. Con su tasa de mutación significativamente mayor, el ADNmt se ha utilizado como una herramienta poderosa para rastrear ascendencia y linaje a través de las hembras (matrilineage). Se han desarrollado métodos que se utilizan para rastrear la ascendencia de muchas especies a través de cientos de generaciones y se ha convertido en el pilar de la filogenética y la biología evolutiva.

Debido a la mayor tasa de mutación, el ADNmt evoluciona mucho más rápido que los marcadores genéticos nucleares¹¹. Hay muchas variaciones entre los códigos utilizados por el ADNmt que surgen de las mutaciones, muchas de las cuales no son perjudiciales para sus organismos. Utilizando esta mayor tasa de mutación y estas mutaciones no dañinas, los científicos determinan las secuencias de ADNmt y las comparan de diferentes individuos o especies.

Luego se construye una red de relaciones entre estas secuencias que proporciona una estimación de las relaciones entre los individuos o las especies de las cuales se tomó el ADNmt. Esto da una idea de cuán relacionado con cada uno está relacionado con cada uno: más mutaciones de ADNmt que son las mismas en cada uno de sus genomas mitocondriales, más relacionadas están.

Debido a la menor tasa de mutación de ADN, tiene una aplicación más restringida en el campo de la filogenética. Sin embargo, dadas las instrucciones genéticas que posee para el desarrollo de todos los organismos vivos, los científicos han reconocido su uso en forense.

Cada persona tiene un plan genético único, incluso gemelos idénticos¹². Los departamentos forenses pueden usar técnicas de reacción en cadena de polimerasa (PCR), utilizando NDNA, para comparar muestras en un caso. Esto implica el uso de pequeñas cantidades de NDNA para hacer copias de regiones específicas llamadas repeticiones en tándem corta (STR) en la molécula¹³. De estos STR, se obtiene un 'perfil' de los elementos de evidencia, que luego se pueden comparar con muestras conocidas tomadas de las personas involucradas en el caso.

El ADNmt humano también se puede utilizar para ayudar a identificar a las personas que usan forenses, sin embargo, a diferencia del ADNc, no es específico para un individuo, sino que se puede usar en combinación con otra evidencia (como evidencia antropológica y circunstancial) para establecer la identificación. Debido a que el ADNmt tiene un mayor número de copias por célula que el ADNm, tiene la capacidad de identificar muestras biológicas mucho más pequeñas, dañadas o degradadas¹⁴. El mayor número de copias de ADNm por célula que el ADNm, también hace que sea posible obtener una coincidencia de ADN con un pariente vivo, incluso si numerosas generaciones maternas las separan de los restos esqueléticos de un pariente.

Comparación tabular de las diferencias clave entre el ADN mitocondrial y nuclear