El ADN mitocondrial (ADNmt) es un tipo de ADN ubicado fuera del núcleo en la porción líquida de la célula (citoplasma) y dentro de los orgánulos celulares llamados mitocondrias. Las mitocondrias se encuentran en todas las células complejas o eucariotas, incluyendo plantas, animales, hongos y protistas unicelulares, que contienen su propio genoma de ADNmt., En animales con una columna vertebral, o vertebrados, el ADNmt es una molécula de doble cadena que forma un genoma circular, que varía en tamaño de dieciséis a dieciocho pares de kilo-base, dependiendo de la especie. Cada mitocondria en una célula puede tener múltiples copias del genoma del ADNmt. En los seres humanos, el óvulo maduro, u ovocito, contiene el mayor número de mitocondrias entre las células humanas, que van desde 100.000 a 600.000 mitocondrias por célula, pero cada mitocondria contiene solo una copia del ADNmt., En el desarrollo embrionario humano, el número de mitocondrias, el contenido de ADNmt en cada mitocondria, y la actividad posterior del ADNmt afecta la producción de los ovocitos, la fertilización de los ovocitos y el crecimiento y desarrollo embrionario temprano.
Las mitocondrias fueron una vez bacterias de vida libre que se establecieron dentro de una célula eucariótica primitiva en el proceso llamado endosimbiosis. Gran parte de la evidencia para la afirmación está en el genoma del ADNmt y el genoma nuclear., Los genomas co-evolucionaron, y el control de las mitocondrias implica el intercambio de información entre el núcleo y las muchas copias del ADNmt. En el embrión en desarrollo, el noventa y nueve por ciento de las mitocondrias, y por lo tanto el ADNmt, provienen de la madre. Las mutaciones puntuales y deleciones en el ADNmt pueden conducir a graves enfermedades mitocondriales del desarrollo.
en 1890, Richard Altmann, quien estudió enfermedades en Alemania, observó la aparición de mitocondrias en muchos tipos de células animales diferentes y notó que eran similares a las bacterias., Altmann propuso que las mitocondrias eran las partículas fundamentales de la vida, o la parte viva de la célula, y en 1896 las llamó bioblastos. En 1901, Carl Benda, un médico de Alemania, nombró a los orgánulos mitocondrias del griego mitos, que significa hilo, y condros, que significa granos.
en 1963 Margit M. K. Nass y Sylvan Nass publicaron «Intramitocondrial Fibers with DNA Characteristics: I. Fixation and Elewtron Staining Reactions», describiendo el ADN en mitocondrias de embriones de pollo., Nass y Nass, que trabajaron en el Instituto Wenner-Gren de biología Experimental en la Universidad de Estocolmo, Suecia, utilizaron un microscopio electrónico para detectar ADN en embriones de pollo. El documento proporcionó evidencia temprana de que las mitocondrias contenían ADN (ADNmt), apoyando la hipótesis de que las mitocondrias eran descendientes directos de bacterias., En su artículo de 1967 «On the Origin of Mitosing Cells», Lynn (Sagan) Margulis propuso la teoría de la endosimbiosis, que afirmaba que los orgánulos, incluidas las mitocondrias, alguna vez fueron bacterias de vida libre que llegaron a residir dentro de células complejas hace unos dos mil millones de años.
en las décadas de 1960 y 1970, los investigadores investigaron el ADNmt mediante el uso de mitocondrias de levadura. En 1975, Peter L. Molloy, Anthony W. Limmane, y H. B., Lukins publicó un mapa de la secuencia del genoma de la levadura (Saccharomyces cerevisiae) mtDNA en «Biogenesis of Mitochondria: Analysis of Deletion of Mitochondrial Antibiotic Resistance Markers in Petite Mutants of Saccharomyces cerevisiae.»La secuencia era un borrador de todo el genoma del ADNmt de levadura. De 1974 a 1976, varios laboratorios comenzaron a usar enzimas para romper el ADN en lugares específicos, un método llamado análisis de enzimas de restricción. El uso de análisis de enzimas de restricción resultó en mapas de ADNmt de levadura y varias otras especies, incluidos los humanos (Homo sapiens)., En 1981, el grupo de Fredrick Sanger en Cambridge, Inglaterra, reportó una secuencia completa del genoma humano del ADNmt.
Sanger encontró que el ADNmt circular en vertebrados consiste en una hebra ligera y una hebra pesada. Ambas hebras son secuencias codificantes, y el proceso de replicación del ADN procede en ambas hebras simultáneamente en direcciones opuestas. El equipo de Sanger también encontró que el ADNmt vertebrado es extremadamente compacto y conservado a través de la evolución, ya que la mayoría de los animales tienen conjuntos similares de genes mitocondriales., En vertebrados, el ADNmt codifica para treinta y siete productos genéticos, y trece de los genes del ADNmt codifican para proteínas. Veintidós genes del ADNmt codifican para las moléculas que llevan los componentes básicos de las proteínas (aminoácidos), llamados ARN de transferencia (ARNt), y dos genes codifican para las estructuras donde las células ensamblan proteínas, llamadas ARN ribosómico (ARNr).
en el ADN animal, algunas de las proteínas y los genes del ARNr se encuentran junto a un gen del ARNt. Justin C. San, John en la Universidad de Monash en Melbourne, Australia, informó en 2010 que algunas regiones de codificación se superponen, lo que significa que una secuencia de códigos de ADNmt para más de un producto. La única región que no codifica para una proteína es el bucle de desplazamiento (bucle D), que está organizado como una estructura de triple cadena que contiene la región reguladora principal involucrada con la replicación del ADNmt. En contraste, el ADNmt de levadura tiene secuencias no codificantes entre la proteína y las secuencias codificantes del gen mtRNA.,
Las trece proteínas codificadas en el ADNmt están involucradas en la producción de lo que la célula utiliza como energía, una molécula llamada adenosina-5 ‘ – trifosfato (ATP). Las mitocondrias generan ATP en un proceso llamado fosforilación oxidativa (OXPHOS). Los grandes complejos proteicos de OXFOS requieren cientos de proteínas, trece de las cuales están codificadas en el ADNmt. El ADN del núcleo celular (nDNA) codifica las proteínas restantes. Sistemas específicos transportan las proteínas a las mitocondrias desde el citoplasma. La transcripción del ADNmt está bajo el control de los genomas nuclear y mitocondrial., El genoma del ADNmt y el genoma nuclear trabajan juntos para regular la producción de energía, de lo contrario pueden ocurrir varios problemas en la célula que pueden afectar a todo el organismo y pueden conducir a enfermedades.
Los investigadores reportaron por primera vez un paciente que sufría de una enfermedad mitocondrial en 1959, unos años antes de que descubrieran el ADNmt. La paciente era una mujer de Suecia que tenía la tasa metabólica humana más alta registrada en ese momento. Los investigadores declararon que el problema que tenía estaba relacionado con un defecto en las mitocondrias., Sus mitocondrias producían energía en forma de ATP y calor; incluso cuando la mujer estaba en reposo, sudaba. El defecto mitocondrial, llamado enfermedad de Luft por el endocrinólogo Rolf Luft, quien lo describió por primera vez en 1962, es uno de los trastornos mitocondriales más raros.
en 1988, los científicos comenzaron a describir mutaciones patógenas en el ADNmt. Los investigadores habían estudiado el ADNmt desde 1963, pero los científicos clínicos le prestaron poca atención., En 1988, el grupo de Ian Holt en el Instituto de Neurología en Londres, Reino Unido, identificó deleciones a gran escala de pares de bases de ADNmt en pacientes con enfermedad muscular mitocondrial (miopatías). En el mismo año, el grupo de Douglas Wallace en la Escuela de Medicina de la Universidad de Emory en Atlanta, Georgia, describió mutaciones en el ADNmt en una familia humana cuyos miembros tenían neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON). LHON resulta en degeneración del nervio óptico y ceguera. Las mutaciones dentro del ADNmt se relacionan con una serie de trastornos neurológicos primarios., Con una prevalencia de diez en cien mil personas, los trastornos son uno de los trastornos neurológicos hereditarios más comunes. Las enfermedades mitocondriales resultan de sustituciones de una sola base de ADNmt, deleciones de una o varias bases, reordenamiento de secuencias génicas y duplicación de genes. Hay cientos de enfermedades mitocondriales.
Los humanos heredan las mitocondrias de sus madres y el ADNmt a través del ovocito. En un embrión Femenino humano, los primeros ovocitos primarios se desarrollan a partir de las células germinales primordiales de dos a tres semanas en el proceso de desarrollo embrionario., Según lo informado por varios científicos, el número de mitocondrias en el ovocito primario varía de menos de diez a doscientos. Robert P. S. Jansen en su artículo de 2000 «Germline Passage of Mitochondria: Quantitative Considerations and Possible Embryological Sequelae» reporta menos de diez mitocondrias por célula germinal primordial humana. Sin embargo, en el momento en que nace la niña, cada ovocito primario tiene aproximadamente 10,000 mitocondrias por célula. Hay otro aumento de diez veces en el número mitocondrial durante el crecimiento y desarrollo del adulto., Para la mayoría de los mamíferos femeninos, el ovocito maduro tiene de 100.000 a 600.000 mitocondrias. La cantidad de ADNmt en cada mitocondria en la línea germinal femenina es ligeramente más ADNmt que el número de mitocondrias. La insuficiencia ovárica se asocia con una depleción importante del ADNmt en el ovocito.
a finales de la década de 1990, Jacques Cohen en el Centro Médico Saint Barnabas en Livingston, Nueva Jersey, y sus colegas investigaron el fenómeno de la insuficiencia ovárica., Transfirieron una pequeña cantidad de citoplasma de una célula de un donante que era fértil a los ovocitos de una mujer que se había sometido a varias rondas de FIV sin éxito. El procedimiento utilizado por Cohen y sus colegas se llamó transferencia ooplasmática o transferencia citoplasmática. En el transcurso de cuatro años, al menos treinta bebés nacieron usando esta técnica. Un problema con la transferencia ooplásmica, que los investigadores observaron, fue que la descendencia puede retener el ADNmt de la madre, así como del donante. La mezcla de ADNmt, llamada heteroplasmia, puede conducir a enfermedades mitocondriales., Por ejemplo, los científicos mostraron cómo los ratones experimentan problemas si su ADNmt normal se mezcla con un ADNmt diferente. En 2012, Mark S. Sharpley de la Universidad de Pensilvania en Filadelfia, Pensilvania, y su grupo publicaron un estudio sobre ratones en el que generaron ratones con mezclas de diferentes cepas de ADNmt. Los ratones con mezclas tenían comportamiento y cognición anormales.
Los científicos correlacionaron las mutaciones del ADNmt con un número creciente de enfermedades, y en las primeras décadas del siglo XX hubo pocos tratamientos para aliviar los síntomas., La transferencia Nuclear es una técnica alternativa para prevenir la enfermedad mitocondrial. Existen varias técnicas de transferencia nuclear. Estas técnicas utilizan un ovocito donante con ADNmt sano que tiene su núcleo eliminado. En 2010, el grupo de Helen Tuppen en el Reino Unido en la Universidad de Newcastle transfirió ovocitos fertilizados a un ovocito donante al que se le extirpó el núcleo., Un grupo liderado por Shoukhrat Mitalipov en la Oregon Health and Science University en Beaverton, Oregon, utilizó un ovocito no fertilizado, removió el núcleo, lo transfirió a un ovocito no fertilizado de un donante sano, y luego fertilizó el ovocito con esperma.
en los Estados Unidos, la administración de alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA, por sus siglas en inglés), con sede en Silver Spring, Maryland, regula las tecnologías reproductivas, y la FDA debe aprobar dichas técnicas antes de seguir usándolas. Mitalipov del grupo Oregon presentó una solicitud en enero de 2012 para utilizar los procedimientos de transferencia nuclear., La Autoridad de fertilización humana y Embriología con sede en Londres, Reino Unido, consideró permitir la terapia de reemplazo de mitocondrias, y pidió opinión pública a principios de 2013.
