Las mitocondrias no son solo las plantas de energía de nuestras células; estas pequeñas estructuras también juegan un papel central en nuestra fisiología. Además, al permitir respuestas fisiológicas flexibles a nuevos entornos, las mitocondrias han ayudado a los humanos y otros mamíferos a adaptarse y evolucionar a lo largo de la historiade la vida en la tierra.
Un científico pionero en biología mitocondrial, Douglas C. Wallace, Ph.D., sintetiza evidencia de la importancia de las mitocondrias en un artículo de Perspectiva provocativa hoy en la revista Celda .
Residiendo en grandes cantidades fuera del núcleo de cada célula, las mitocondrias contienen su propio ADN, con características únicas que "pueden requerir una reevaluación de algunos de nuestros supuestos centrales sobre la genética humana y la teoría evolutiva", concluye Wallace, director del Centro paraMedicina mitocondrial y epigenómica en el Hospital de Niños de Filadelfia.
Wallace ha investigado las mitocondrias durante más de 40 años. En 1988, fue el primero en demostrar que las mutaciones en el ADN mitocondrial ADNmt pueden causar enfermedades humanas hereditarias. Su cuerpo de investigación se ha centrado en cómo las mutaciones de ADNmt contribuyen a las mutaciones de ADNmt.enfermedades comunes al interrumpir la bioenergética: reacciones químicas que generan energía a nivel celular.
Wallace y sus colegas demostraron previamente a fines de la década de 1970 que el ADN mitocondrial humano se hereda exclusivamente a través de la madre. Luego utilizaron este conocimiento para reconstruir las antiguas migraciones de mujeres al comparar la variación en el ADNmt entre las poblaciones de todo el mundo. De tales estudios, los científicoshan concluido que los humanos surgieron en África hace unos 200,000 años y que solo dos linajes de ADNmt salieron exitosamente de África hace aproximadamente 65,000 años para colonizar el resto del mundo.
Basado en los conocimientos de estos estudios de migración humana, Wallace aborda una cuestión científica de larga data planteada por la evolución darwiniana, tanto en humanos como en otras especies. A medida que las subpoblaciones se trasladaron a áreas aisladas, ¿cómo permanecieron aisladas durante un tiempo suficiente para nuevas¿Qué rasgos definitorios de especies surgen en los genes nucleares y se enriquecen con la selección natural para permitir la especiación?
La gran mayoría de nuestros aproximadamente 20,000 genes existen en el ADN dentro del núcleo de cada célula, a diferencia de los 13 genes codificadores de proteínas dentro del ADNmt. Sin embargo, Wallace argumenta que las mutaciones de ADNmt proporcionan adaptaciones más rápidas y más flexibles a los entornos cambiantes que los que lo hacenmutaciones de ADN nuclear. El ADNmt tiene una tasa de mutación mucho más alta que el ADN nuclear, lo que por sí solo podría poner en peligro la supervivencia de la especie, porque la mayoría de las mutaciones de ADN son perjudiciales. Sin embargo, las mutaciones de ADNmt alteran la fisiología a nivel de células individuales. Por lo tanto, las células de la madrelos ovarios que albergan las mutaciones de ADNmt más perjudiciales pueden eliminarse mediante selección natural antes de la fertilización. Por lo tanto, solo se introducen variantes leves de ADNmt, un subconjunto de las cuales puede ser potencialmente beneficioso.
La alta tasa de mutación en el ADNmt más la selección ovárica proporciona una herramienta poderosa para que los humanos y los animales se adapten a un cambio ambiental, sin poner en peligro la supervivencia general de la población. El ADN mitocondrial también intercambia señales con el ADN nuclear, y la interacción ayuda a impulsarLa evolución de los procesos fisiológicos a lo largo del tiempo. Wallace argumenta que las poblaciones que se expanden en un espacio ambiental marginal adaptan su fisiología a través de la mutación de ADNmt para explotar mejor las fuentes limitadas de alimentos y otros recursos en ese ambiente. Esto permite la ocupación prolongada del ambiente marginal, dandotiempo suficiente para que las mutaciones del ADN nuclear generen estructuras anatómicas apropiadas para explotar recursos alimentarios más abundantes en el nuevo entorno.
Para respaldar esta hipótesis, Wallace propone que la variación de las mitocondrias puede dar lugar a intercambios energéticos cruciales. A nivel celular, las mitocondrias convierten el oxígeno y los nutrientes en el químico ATP rico en energía, al tiempo que producen calor. En climas tropicales, este proceso de acoplamiento esMáxima eficacia, que permite una producción más eficiente de ATP con una producción mínima de calor. En el Ártico, la conversión de alimentos a ATP es menos eficiente, ya que requiere que se consuman más calorías para la misma cantidad de ATP, y esto genera más calor.de la variación de ADNmt son probablemente beneficiosas en climas cálidos versus fríos. De manera similar, ciertas variantes de ADNmt están enriquecidas en poblaciones tibetanas, lo que sugiere que la variación de ADNmt puede permitir la adaptación a la baja tensión de oxígeno a gran altitud.
Wallace también cita múltiples estudios que muestran que la variación regional de ADNmt se correlaciona con la predilección a una amplia variedad de enfermedades metabólicas y degenerativas, incluidas la enfermedad de Alzheimer y Parkinson, diabetes, obesidad y enfermedades cardiovasculares.
Los biólogos saben desde hace tiempo que las adaptaciones que confieren una ventaja en un entorno pueden volverse menos beneficiosas en otro entorno. Wallace sugiere que un contribuyente importante a este fenómeno podría ser la adaptación fisiológica de la variación del ADNmt. Postula que a medida que las poblaciones migran y los patrones dietéticos se vuelvenglobalizado, las personas con ADNmt optimizado para un entorno, donde comen una dieta del África subsahariana, pueden no estar bien adaptadas a otro entorno, donde pueden consumir una dieta centroeuropea ". Debido a que las mitocondrias tienen un papel crucial en nuestra fisiología,los cambios en el ADN mitocondrial pueden tener profundos efectos en la biología humana ", agrega.
La Fundación Simon y los Institutos Nacionales de Salud subvenciones NS021328 y CA182384 apoyaron este estudio. Además de su puesto en CHOP, Wallace está en la facultad de la Facultad de Medicina Perelman de la Universidad de Pennsylvania.
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Materiales proporcionado por Hospital de Niños de Filadelfia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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