Diferencia entre el ADN mitocondrial y el ADN nuclear.

¿Qué es el ADN?

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

Cada molécula de ADN está formada por dos hebras de biopolímero que se enrollan entre sí para formar una doble hélice. Estas dos hebras de ADN se llaman polinucleótidos, porque están formadas por unidades monoméricas más simples llamadas nucleótidos2.

Cada nucleótido individual está formado por uno de los cuatro nucleósidos que contienen nitrógeno: citosina (C), guanina (G), adenina (A) o timina (T), junto con un azúcar llamado desoxirribosa y un grupo fosfato.

Los nucleótidos se unen mediante enlaces covalentes, entre el fosfato de un nucleótido y el azúcar del siguiente. Esto crea una cadena, que da como resultado una columna vertebral alterna de azúcar y fosfato. Las bases nitrogenadas de las dos hebras de polinucleótidos se unen mediante enlaces de hidrógeno para formar ADN de doble hebra según estrictos emparejamientos de bases (A a T y C a G)3.

Dentro de las células eucariotas, el ADN está organizado en estructuras llamadas cromosomas, y cada célula tiene 23 pares de cromosomas. Durante la división celular, los cromosomas se replican a través del proceso de replicación del ADN, hasta que cada célula tiene su propio conjunto completo de cromosomas. Los organismos eucariotas como animales, plantas y hongos almacenan la mayor parte de su ADN dentro del núcleo de la célula y parte de su ADN en organismos como las mitocondrias4.

Debido a que se encuentra en diferentes regiones de la célula eucariota, existen algunas diferencias fundamentales entre el ADN mitocondrial (ADNmt) y el ADN nuclear (ADNn). Con base en propiedades estructurales y funcionales clave, estas diferencias afectan la forma en que funcionan dentro de los organismos eucariotas.

Diferencias organizativas y estructurales del ADN mitocondrial y el ADN nuclear

Ubicación → Situado exclusivamente en las mitocondrias, el mtDNA contiene de 100 a 1000 copias por célula somática. El ADN nuclear se encuentra dentro del núcleo de cada célula eucariota (con algunas excepciones, como las neuronas y los glóbulos rojos) y normalmente tiene solo dos copias por célula somática5.

Estructura → Ambos tipos de ADN tienen dos hebras. Sin embargo, NDNA tiene una estructura lineal abierta que está encerrada por una membrana nuclear. Esto es diferente del mtDNA, que generalmente tiene una estructura circular cerrada y no está cubierto por ninguna membrana.

Tamaños del genoma → Tanto el mtDNA como el nDNA tienen sus propios genomas pero son de tamaños muy diferentes. En los humanos, el tamaño del genoma mitocondrial es de solo 1 cromosoma que contiene 16 569 pares de bases de ADN. El genoma nuclear es mucho más grande que el mitocondrial y consta de 46 cromosomas que contienen 3.300 millones de nucleótidos.

Codificación de genes → El único cromosoma mtDNA es mucho más corto que los cromosomas nucleares. Hay 36 genes que codifican para 37 proteínas, todas las cuales son proteínas específicas utilizadas en los procesos metabólicos llevados a cabo por las mitocondrias (como el ciclo del ácido cítrico, 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 necesarias para su función, incluidos también los genes mitocondriales. Al ser orgánulos semiautónomos, una mitocondria no puede codificar todas sus propias proteínas. Sin embargo, pueden codificar 22 tRNA y 2 rRNA, lo que el nDNA no puede hacer.

Diferencias funcionales

Proceso de traducción → El proceso de traducción entre nDNA y mtDNA puede variar. El ADNn sigue el patrón de codones universal, pero no siempre es así con el ADNmt. Algunas secuencias de codificación mitocondrial (codones triples) no siguen el patrón de codones universal cuando se traducen en proteínas. Por ejemplo, AUA codifica la metionina en una mitocondria (no la isoleucina). UGA también codifica triptófano (no un codón de parada como en los genomas de mamíferos)6.

Proceso de transcripción → La transcripción de genes dentro del ADNmt es policistrónica, lo que significa que el ARNm se crea con secuencias que codifican muchas proteínas. Para la transcripción de genes nucleares el proceso es monocistrónico, donde el ARNm producido solo tiene secuencias para una proteína8.

Herencia del genoma → El ADN nuclear es diploide, lo que significa que hereda el ADN tanto de la madre como del padre (23 cromosomas de cada madre y padre). Sin embargo, el ADN mitocondrial es haploide, ya que el cromosoma único se hereda por parte de la madre y no por recombinación genética9.

Tasa de mutación → A medida que el NDNA experimenta una recombinación genética, el ADN de los padres se altera y, por lo tanto, cambia durante la herencia de los padres a su descendencia. Sin embargo, debido a que el ADNmt solo se hereda de la madre, no hay cambios durante la transmisión, lo que significa que cualquier cambio en el ADN proviene de mutaciones. La tasa de mutación en el ADNmt es mucho mayor que en el ADN, que suele ser inferior al 0,3%10.

Diferencias en la aplicación de mtDNA y NDNA en ciencia

Debido a las diferentes propiedades estructurales y funcionales de mtDNA y NDNA, existen diferencias en sus aplicaciones dentro de la ciencia. Con la tasa de mutación mucho más alta, el mtDNA se ha utilizado como una herramienta poderosa para rastrear la ascendencia y el linaje a través de las mujeres (paternidad). Se han desarrollado métodos utilizados para rastrear la ascendencia de muchas especies a lo largo de cientos de generaciones y se han convertido en un elemento básico de la filogenética y la biología evolutiva.

Debido a la mayor tasa de mutación, el mtDNA evoluciona mucho más rápido que los marcadores genéticos nucleares11. Existen muchas variaciones entre los códigos utilizados por el mtDNA resultantes de mutaciones, muchas de las cuales no son dañinas para el organismo. Al aprovechar esta mayor tasa de mutación y estas mutaciones inofensivas, los científicos determinan las secuencias de mtDNA y las comparan con 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 especies de los que se tomó el mtDNA. Esto da una idea de qué tan cerca y distante está cada uno: cuantas más mutaciones de ADNmt sean iguales en cada genoma mitocondrial, más estrechamente relacionadas están.

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

Todo el mundo tiene un modelo genético único, incluso los gemelos idénticos12. Los departamentos forenses pueden usar técnicas de reacción en cadena de la polimerasa (PCR), usando nDNA, para comparar muestras con un caso. Esto implica el uso de pequeñas cantidades de NDNA para hacer copias de regiones objetivo conocidas como repeticiones cortas en tándem (STR) en la molécula13. A partir de estos ROS, se obtiene un ‘perfil’ a partir de elementos de prueba, que luego se pueden comparar con muestras conocidas tomadas de las personas involucradas en el caso.

El mtDNA humano también se puede usar para ayudar a identificar a las personas mediante análisis forense, pero a diferencia del NDNA, no es específico de un individuo, sino que se puede usar junto con otras pruebas (como pruebas antropológicas y circunstanciales) para establecer la identificación. Debido a que el ADNmt tiene un mayor número de copias por célula que el ADN, tiene la capacidad de reconocer muestras biológicas mucho más pequeñas, dañadas o degradadas14. Debido a que el mtDNA tiene una mayor cantidad de copias por célula que el nDNA, es posible encontrar una coincidencia de ADN con un pariente vivo, incluso si muchas generaciones maternas los separan de los restos óseos del pariente.

Comparación tabular de diferencias clave entre ADN mitocondrial y nuclear