Tema 10: EL GENOMA EXTRANUCLEAR OBJETIVOS: Conocer sobre el genoma mitocondrial y cloroplástico, cómo es su estructura,

qué genes contienen, cómo se produce la replicación del ADN, cómo es la transcripción y

traducción de sus genes, cómo es la herencia, cuál es su utilidad en la agricultura.

TEMAS:

1. El genoma mitocondrial

1.1. Genes del ADNmt

1.2. Transcripción

1.3. Uso del ARNmt para determinación de parentescos

2. El genoma del cloroplasto

2.1. Organización de los genes en el ADNcp

3. Herencia materna

4. Androesterilidad en cereales

Hasta ahora, al estudiar la genética en organismos eucariotas, hemos analizado la

estructura y la expresión de los genes que están localizados en los cromosomas dentro del

núcleo celular. Fuera del núcleo, el ADN está localizado en las mitocondrias (tanto en células

animales como vegetales) y en los cloroplastos (en plantas). Se dice que estos genomas de las

mitocondrias y de los cloroplastos contienen genes extranucleares o citoplásmicos, o también

genes no-mendelianos.

En la mayoría de los organismos, el citoplasma es heredado casi exclusivamente por vía

materna. Es decir, en la formación de un cigoto, el gameto femenino aporta un núcleo

haploide y además el citoplasma, mientras que el gameto masculino aporta casi

exclusivamente un núcleo haploide sin citoplasma.

1. EL GENOMA MITOCONDRIAL

Las mitocondrias son orgánulos que se encuentran en todos los seres eucariotas

aeróbicos; contienen las enzimas para la mayoría de las reacciones oxidativas que generan

energía para las funciones celulares. Estas enzimas incluyen a la piruvato-deshidrogenasa, a

las involucradas en el transporte de electrones, en la fosforilación oxidativa, en el ciclo del

ácido cítrico, y en la oxidación de ácidos grasos. Actualmente se conocen las secuencias

completas del ADN de varios genomas mitocondriales. Al ADN mitocondrial se lo conoce

como ADNmt (mtDNA).

La estructura de muchos genomas mitocondriales es circular como es el del genoma

bacteriano. Se trata de una molécula circular de ADN, helicoidal, con doble hebra, y

supercondensada. Se conocen también algunos pocos casos de genomas mitocondriales de

forma lineal, como en algunos protozoarios y hongos. En muchos casos, el contenido de GC

(guanina-citosina) del ADNmt difiere en gran medida del ADN nuclear, y esto permite

separar el ADNmt del nuclear por centrifugación en un gradiente de cloruro de cesio. No

existen histonas u otras proteínas semejantes asociadas al ADNmt. Existen muchas copias del

genoma mitocondrial en cada mitocondria, las que se ubican en ciertas regiones llamadas

nucleoides.

En muchos animales, las dos hebras que componen el ADNmt difieren en densidad

porque las bases nitrogenadas no están distribuidas de forma equilibrada en ambas hebras.

Esto hace que una hebra sea más "pesada" y otra más "liviana".

El contenido de genes de genomas mitocondriales de distintas especies es bastante

similar tanto en número como en cantidad de funciones distintas. Sin embargo, el tamaño

varía enormemente entre distintos organismos. En los animales, el genoma mitocondrial

generalmente es menor a 20 kb (kilobases); por Ej. en el hombre el ADNmt tiene 16.569 bp

(pares de bases). Por su parte, el ADNmt de una levadura contiene cerca de 80.000 bp (80

kb), mientras que en las plantas varía entre 100 y 2.000 kb. La mayor diferencia entre

animales, hongos y plantas es que en los animales el ADNmt codifica algún producto en casi

toda su extensión, mientras que en el genoma mitocondrial de hongos y plantas existen largas

secuencias de DNA que no codifican productos.

1.1. Genes del ADNmt

En general, el ADNmt contiene información para la síntesis de una cantidad de

componentes de las mitocondrias, como ser: distintos ARNt y ARNr, algunos de los

polipéptidos que constituyen las enzimas citocromo-oxidasas, NADH-deshidrogenasa, y

ATPasas. Otros componentes de las mitocondrias están codificados por genes nucleares y

luego son introducidos a las mitocondrias. Estos componentes incluyen a la ADN-polimerasa

y otras proteínas necesarias para la replicación del ADNmt; también la ARN-polimerasa y

otras proteínas de la transcripción, o proteínas ribosomales para la formación de los

ribosomas mitocondriales, factores de transcripción proteicos, y algunas otras subunidades

peptídicas para la integración de las enzimas citocromo-oxidasas, NADH-deshidrogenasa, y

ATPasas.

Los genes mitocondriales que codifican proteínas se pueden encontrar en cualquiera de

las dos hebras del ADNmt. Los ARN mensajeros (ARNm) que se sintetizan a partir de genes

en el ADNmt permanecen dentro de la mitocondria y son traducidos por ribosomas propios

de la mitocondria. Los ribosomas mitocondriales consisten de dos subunidades como sucede

con los ribosomas del citoplasma. En células humanas, el ribosoma mitocondrial completo es

una unidad de 60S que consiste en una subunidad de 45S y otra de 35S. Existen solamente

dos moléculas de ARNr en el ribosoma mitocondrial de muchos organismos: una molécula de

ARNr de 16S en la subunidad mayor y otra 12S en la subunidad menor del ribosoma animal.

Generalmente existe solo un gen en el genoma mitocondrial para cada una de estas dos

moléculas de ARNr (Fig. 1).

Figura 1. Mapa del ADNmt humano. El ciclo externo muestra los genes que se transcriben

de la hebra pesada (H strand), y el círculo interno muestra los genes de la hebra liviana (L

strand). Se indican los orígenes y las direcciones de la replicación de la hebra H y de la hebra

L (ori). También se indican con flechas las direcciones de transcripción de cada una de las

hebras. Los genes para los ARNr (16S y 12S) están indicados en azul. Los genes para los

ARNt están indicados en púrpura y se los identifica por los aminoácidos que transportan

(Val, Pro, Trp, Arg, Leu; Ser etc). Los genes que codifican proteínas están indicados en

amarillo. ATPasas 6 y 8: componentes del complejo enzimático mitocondrial ATPasa. COI,

COII y COIII: genes para las subunidades de la oxidasa del citocromo c. cyt b: gene para el

citocromo b. NAD1-6: genes para los componentes 1 a 6 de la deshidrogenasa del NADH.

Las proteínas que constituyen los ribosomas mitocondriales están codificadas en genes

nucleares, se traducen en ribosomas citoplásmicos y luego se introducen en las mitocondrias

para integrar los ribosomas mitocondriales. En algunos organismos, sin embargo, una o

algunas proteínas del ribosoma mitocondrial están codificadas por genes del genoma

mitocondrial.

1.2. Transcripción

En el ADNmt de los mamíferos es bastante particular: tiene un solo lugar de inicio y se

transcribe en forma continua formando un solo transcripto, inusualmente largo. Este

transcripto es procesado luego para producir distintas moléculas de ARNt y de ARNr, además

de moléculas maduras de ARNm para la producción de cadenas polipeptídicas. Para eso es

interesante observar que los genes que codifican ARNr o ARNm están separados por genes

que codifican ARNt (Fig. 1). En el largo transcripto original, las moléculas de ARNt son

identificadas por enzimas que cortan el transcripto y separan los ARNt, dejando libres a los

ARNm y ARNr. Estos transcriptos así procesados luego son modificados para producir

ARNm maduros. El proceso de modificación incluye también el agregado de la cola de

poliadenina al extremo 3' de los ARNm y la secuencia CCA en el extremo 3' de los ARNt.

Los ARNm de las mitocondrias no tienen la cápsula característica del extremo 5' que se

agrega en los ARNm del genoma nuclear de los eucariotas.

En los genomas mitocondriales de los hongos y las plantas, que son mucho más grandes,

los genes de ARNt no son separadores de los otros genes, ya que existen secuencias no

codificantes bastante grandes entre genes. En estos sistemas, el final de la transcripción está

indicado por otro tipo de secuencias en el ADNmt. No existen intrones en el genoma

mitocondrial de animales, pero sí existen en el genoma mitocondrial de las plantas.

1.3. Uso del ARNmt para determinación de parentescos

Gracias a que en el genoma mitocondrial humano existe una región de aproximadamente

400 pares de bases que es altamente polimórfica, y al hecho que las mitocondrias se heredan

a través del citoplasma materno (el del óvulo), se puede decir que ese ADN se mantiene

inalterable a través de la línea materna. Esto permite analizar parentescos por medio de

estudios de PCR del ADN mitocondrial, porque el ADNmt de cada individuo es idéntico al

ADNmt de su madre. El ADNmt puede ser obtenido de muestras de sangre u otros tejidos,

pero también de los huesos, por lo que es posible usar esta técnica incluyendo a individuos

que hayan muerto hace muchos años.

El análisis del ADNmt está siendo usado para estudios de relaciones filogenéticas no

solo en humanos sino también en muchos otros organismos. Por ejemplo, este sistema puede

ser usado para estimar la variabilidad genética existente en poblaciones naturales. Estos

estudios pueden ser de mucha utilidad en políticas de conservación de especies,

particularmente de aquellas bajo amenaza de extinción.

2. EL GENOMA DEL CLOROPLASTO

Los cloroplastos son orgánulos celulares que se encuentran en las plantas, algas verdes y

en cianobacterias. Estos orgánulos son el sitio de los procesos fotosintéticos de los

organismos que los contienen. Los cloroplastos tienen su propio genoma al que denominamos

ADNcp (cpDNA).

La estructura del genoma del cloroplasto es similar al mitocondrial. Aquí también el

ADN tiene forma circular, está constituido por una doble hebra supercontraída y no existen

proteínas como es el caso de las histonas de los cromosomas nucleares. Muchas veces existe

una gran diferencia en el contenido de guanina-citosina del ADNcp en relación tanto al ADN

nuclear como al ADNmt, lo que permite separar el ADNcp en un gradiente de cloruro de

cesio.

El ADNcp es una molécula más grande que el ADNmt de los animales, con un tamaño

que varía entre 80 y 600 kb. Por ejemplo, el ADNcp del arroz contiene 155.844 pares de

bases. Todos los genomas del cloroplasto que se conocen hasta ahora tienen una proporción

muy alta de secuencias de ADN que no codifican ningún producto.

El número de copias del ADNcp en cada cloroplasto es variable, pero siempre hay varias

copias por cada cloroplasto y estas copias se distribuyen en grupos que forman nucleoides.

2.1. Organización de los genes en el ADNcp

El genoma cloroplástico contiene los genes para producir cada uno de los ARNr de los

ribosomas típicos del cloroplasto (16S, 23S, 4,5S y 5S). También contiene genes para los

ARNt, y genes que codifican algunas (pero no todas) las proteínas requeridas en los procesos

de transcripción y traducción dentro del cloroplasto (como ser las proteínas de los ribosomas,

las subunidades de la ARN polimerasa y los factores de traducción), o requeridas para la

fotosíntesis. Algunos, aunque no todos los genes que codifican proteínas en el ADNcp

transcriben intrones. Algunas de las proteínas con funciones dentro del cloroplasto son

codificadas en el ADN nuclear y sintetizadas en el citoplasma y luego ingresadas al

cloroplasto. En la Fig. 2 se esquematiza la organización de los genes en el ADNcp.

De manera característica, el genoma del cloroplasto contiene dos copias de cada uno de

los genes para la producción de ARN de transferencia (ARNt). Los dos sets de genes de

ARNt se localizan en dos regiones de 10 a 25 kb con secuencias repetitivas idénticas, pero

con orientación invertida, que se conocen como IRA e IRB (Fig. 2). Hay otros genes en estas

secuencias repetitivas invertidas y por lo tanto esos genes también están repetidos. La

ubicación de estas secuencias repetitivas definen otras dos regiones del genoma donde los

genes no están repetidos: una región corta SSC (short single copy) y una región más larga

llamada LSC (long single copy).

Tanto en tabaco como en arroz, dos especies para las cuales se conoce el ADNcp, existen

30 genes de ARNt, mientras que en Marchantia (una hepática) son 32. Se han identificado

cerca de 100 secuencias ORF (open reading frames) que se supone codifican proteínas.

Aproximadamente 60 de esas ORFs ya han sido correlacionadas con genes que codifican

proteínas con función conocida, mientras que el resto no se sabe qué función cumplen.

La síntesis de proteínas dentro del cloroplasto se realiza en ribosomas específicos del

cloroplasto que son de 70S con dos subunidades de 50S y 30S. Las subunidad de 50S

contiene una copia de cada una de las moléculas de ARNr de 23S, 5S y 4,5S y la subunidad

30S contiene una molécula de ARNr de 16S. No se sabe muy bien cuántas proteínas

constituyen cada una de las subunidades ribosómicas, pero sí se sabe que algunas de esas

proteínas son codificadas por ADN nuclear y otras por ADNcp.

Figura 2. Organización del genoma del cloroplasto del arroz (Oryza sativa)

3. HERENCIA MATERNA

Existen características fenotípicas que se transmiten exclusivamente vía materna y están

controladas por genes citoplasmáticos. Un ejemplo ya clásico es el de las hojas variegadas

(verdes con manchas blanco-amarillentas) de la planta ornamental Mirabilis jalapa

(Dondiego de noche). En 1909, Carl Correns publicó algunos resultados sorprendentes de una

serie de hibridaciones que practicó en esta especie. Existen algunas plantas variegadas en las

que la mayoría de las ramas son variegadas, aunque también existen ramas totalmente verdes

y otras totalmente blanco-amarillentas (de ahora en más diremos solamente "blancas" para

simplificar). Las flores se forman sobre los tres tipos de ramas, y Correns hizo todos los

cruzamientos posibles entre las distintas clases de ramas, castrando las flores que actuarían

como madres y tomando polen de aquellas ramas que actuarían como progenitores

masculinos. Los resultados son los del siguiente cuadro:

Fenotipo de la rama que

actuó como madre

Fenotipo de la rama que

aportó el polen

Fenotipo de la progenie

blanco blanco blanco

blanco verde blanco

blanco variegado blanco

verde blanco verde

verde verde verde

verde variegado verde

variegado blanco variegado, verde o blanco

variegado verde variegado, verde o blanco

variegado variegado variegado, verde o blanco

En primer lugar, hay que destacar en estos resultados la diferencia entre cruzamientos

recíprocos: por ejemplo, blanco verde no da el mismo resultado que verde blanco. En

general, el fenotipo de la madre es el único responsable del fenotipo de la progenie. El

fenotipo del polinizador es irrelevante respecto al fenotipo que se obtiene en la progenie. El

único que contribuye al fenotipo de la progenie es el progenitor femenino. Es un caso

característico de herencia materna. Ciertamente, la progenie blanca no puede sobrevivir

porque carece de clorofila, pero las demás progenies sobreviven y pueden ser utilizadas para

hacer nuevos cruzamientos. Siempre las progenies siguen el mismo patrón de herencia

materna observada en el experimento original. Los resultados de Correns se deben al hecho

de que en la fecundación, el gameto masculino no aporta cloroplastos, porque es el gameto

femenino, la ovocélula, la que aporta prácticamente todo el citoplasma para formar el cigoto.

Los plástidos (cloroplastos y/o leucoplastos) para el nuevo individuo son aportados por la

ovocélula. En los dos primeros tipos de cruzamientos donde el progenitor femenino era

blanco o verde, la herencia era estrictamente materna: cuando la madre es blanca, la

ovocélula aporta solamente leucoplastos; cuando la madre es verde, la ovocélula lleva solo

cloroplastos. Sin embargo, cuando la madre es variegada, la ovocélula puede llevar solamente

cloroplastos y entonces la nueva planta será verde; si la ovocélula lleva solo leucoplastos, la

progenie será blanca (y morirá por falta de clorofila); pero si la ovocélula lleva una mezcla de

leucoplastos y cloroplastos, la progenie será variegada. Hay que tener en cuenta, sin embargo,

que en muchos casos donde en una célula existe una mezcla de plástidos genéticamente

diferentes (leucoplastos y cloroplastos) por lo común suele observarse que al dividirse la

célula por mitosis, funciona un proceso de agrupamiento mediante el cual una de las células

hijas lleva los plástidos verdes y otra los blancos.

En la mayoría de las plantas los orgánulos son heredados a través del progenitor

femenino aunque existen algunos casos, raros por cierto, donde la herencia de los orgánulos

es a través del progenitor masculino.

4. ANDROESTERILIDAD

En plantas superiores la esterilidad masculina se debe a una falla en la formación de

polen, a la producción de polen no funcional, o a la incapacidad de ciertas plantas para

producir la dehiscencia de las anteras en la floración. La androesterilidad puede estar

determinada genéticamente por factores nucleares, generalmente de características recesivas.

Sin embargo, la androesterilidad puede deberse también a genes extranucleares. Existe un

tipo de androesterilidad controlada genéticamente por factores citoplásmicos y nucleares que

interactúan. En este caso existe un factor citoplásmico que produce androesterilidad y se

transmite por la ovocélula. Es decir, de acuerdo al citoplasma, una planta puede ser normal

(genotipo citoplásmico N) o androestéril (genotipo citoplásmico S). Sin embargo, en el

núcleo pueden existir factores que eventualmente restauren la fertilidad. El genotipo nuclear,

como vimos hasta ahora para cualquier gen nuclear, puede ser homocigota dominante para

fertilidad (RfRf), homocigota recesivo para esterilidad (rfrf) o heterocigota (Rfrf).

Relacionando genes citoplásmicos con genes nucleares podemos tener las siguientes

combinaciones genotípicas:

N / Rf Rf

N / Rf rf

N / rf rf

S / Rf Rf

S / Rf rf

S / rf rf

Siempre que el citoplasma sea normal, la planta va a presentar un genotipo androfértil.

Por el contrario, si el citoplasma tiene el factor de androesterilidad S, la planta será macho-

estéril, a no ser que en el núcleo exista el alelo dominante (Rf) para restaurar la fertilidad.

Por lo tanto, solamente las plantas con genotipo S / rf rf son androestériles. Por la herencia

materna del factor citoplásmico, las semillas de una planta con citoplasma N siempre darán

descendientes androfértiles, mientras que la semilla cosechada de una planta con citoplasma

S podrá producir tres tipos de progenies, dependiendo de su propio genotipo nuclear y del

genotipo nuclear del polinizador:

1) Toda la progenie androfértil: Una madre S / Rf Rf dará siempre descendientes

androfértiles independientemente del polinizador que usemos.

2) Toda la progenie androestéril: una madre androestéril S / rf rf con un polinizador N / rf

rf tendrá el 100% de la progenie androestéril (S / rf rf). Por eso, a una línea con genotipo N

/ rf rf se la llama línea mantenedora (o línea M) porque usada como fuente de polen sobre

plantas androestériles se mantendrá en la descendencia el genotipo androestéril S rf rf.

3) Una mezcla de plantas androfértiles y androestériles: Aquí dependerá tanto del genotipo

materno como del paterno. Si escribimos en primer término al progenitor femenino y a la

derecha el masculino, los cruzamientos posibles de una planta con citoplasma S (además de

los expuestos en 1 y 2) sería:

S Rf rf X N Rf Rf ó S Rf Rf ...........progenie 100% androfértil

S Rf rf X N Rf rf ó S Rf rf...............progenie 75% androfértil y 25% androestéril

S Rf rf X N rf rf...............................progenie 50% androfértil y 50% androestéril

S rf rf X N Rf Rf ó S Rf Rf..............progenie 100% androfértil

S rf rf X N Rf rf ó S Rf rf..................progenie 50% androfétil y 50% androestéril

Por esta razón se llama línea restauradora de la fertilidad (o línea R) a aquella que

sea homocigota dominante en su constitución nuclear (N Rf Rf ó S Rf Rf), ya que siempre

que la usemos como fuente de polen sobre una planta androestéril, la fertilidad se restaurará

en el 100% de la progenie. Este sistema de androesterilidad controlada por interacciones

entre factores nucleares y citoplásmicos es la principal herramienta en la producción de

híbridos comerciales y en su momento revolucionó el mejoramiento genético especialmente

del maíz.