Sistema OXPHOS: integración funcional de dos genomas

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Bioquímica. Fecha de lectura: 26/06/2014El DNA mitocondrial (mtDNA) es peculiar por muchos aspectos: es circular, extranuclear y poliploide, no tiene intrones, es transmitido uniparentalmente (no cumple las reglas mendelianas), no sufre recombinación y tiene su propio código genético. Si se valora la transcendencia del mtDNA por el tamaño genómico, podría ser considerado casi irrelevante: tan solo 16.569 pb que codifican para 13 proteínas mitocondriales, frente a más de los 3,3 billones de pb del genoma nuclear (nDNA) que codifican para más de 1000 proteínas mitocondriales. Pero, de su relevancia da idea el esfuerzo energético de la célula en su mantenimiento, ya que en términos de masa, el mtDNA representa en torno al 1-3% del DNA celular total, encontrándose en el rango de cualquier otro cromosoma, y alcanza hasta un 35% del DNA total de un oocito. El mtDNA concentra un número estable de polimorfismos en regiones codificantes que definen los llamados haplogrupos mitocondriales. Aunque durante mucho tiempo esta diversidad genética fue considerada funcionalmente irrelevante, en los último años la neutralidad funcional de las variantes de mtDNA se encuentra en constante debate. En este trabajo se ha abordado el estudio de las implicaciones funcionales de la variabilidad poblacional del mtDNA, teniendo en cuenta el doble origen genético de la cadena de transporte de electrones (mETC), en modelos murinos. El sistema de fosforilación oxidativa (OXPHOS) es el único proceso de las células animales cuyos componentes están codificados en dos genomas (mtDNA y nDNA). Por ello proponemos que se pueden generar diferentes grados de ajuste estructural entre los productos génicos nucleares y mitocondriales, concepto que, para distinguirlo del desajuste patológico, denominamos “mismatch intrínseco del nDNA/mtDNA”. Esta hipótesis predice que para un determinado haplotipo de mtDNA, su combinación con diferentes componentes nucleares puede generar un rendimiento variable de la mETC (no patológico) que puede ser detectado a nivel celular desencadenando cascadas de señalización y adaptación específicas. Para evaluar este fenómeno se han usado ratones conplásticos (idéntico nDNA y distinto mtDNA) y heteroplásmicos (contienen dos variantes de mtDNA en la misma célula). De este modo se ha puesto de manifiesto la relevancia del “mismatch nDNA/mtDNA”, y por tanto las implicaciones funcionales de las variantes de mtDNA, en tres puntos claves de la vida de un individuo: (i) durante el desarrollo embrionario, donde un nuevo contexto nuclear se enfrenta a una variante de mtDNA, (ii) en un individuo formado, donde diferentes contextos nucleares y funcionales conviven en los diferentes tipos celulares, (iii) y durante el proceso de envejecimiento, cuando se produce un declive en la capacidad homeostática celularMitochondrial DNA (mtDNA) is peculiar in many aspects: it is circular, extranuclear, polyploid, lacks introns, is uniparentally transmitted (and therefore does not follow mendelian inheritance patterns), does not undergo recombination, and has its own genetic code. In terms of genome size, mitochondrial DNA (mtDNA) could be considered almost irrelevant: 16,569 bp in the mtDNA, encoding only 13 proteins, compared with more than 3.3 billion bp in the nuclear genome, including genes codifying more than 1000 mitochondrial proteins. However, all cells invest a considerable effort in maintaining this small and odd genome. Thus, around 1-3% of the total DNA is mtDNA in a regular cell, and this figure can rise to an incredible 35% in the oocyte. The peculiarity of mtDNA genetics generates a high level of sequence diversity between individuals and human populations, known as mtDNA haplogroups. This diversity was long considered to functionally irrelevant, but this view has now been challenged for more than a decade. Using mice as a model, we have taken into account the double genetic origin of the electron transport chain (mETC) to investigate the possible functional consequences of different mtDNA variants. The OXPHOS system is genetically unique in being the only process in animal cells that requires components encoded in two genomes, mtDNA and nuclear DNA (nDNA). We hypothesize that functional OXPHOS can be generated at high frequency with different degrees of mismatch between mtDNA and nDNA OXPHOS genes; we refer to this as “intrinsic mismatch” to fully distinguish it from pathological mismatch. This proposal predicts that combination of a given non-pathological mtDNA haplotype with different nDNA components would generate distinguishable (yet non-pathological) performance of mtETC. Thus, within certain limits of mismatch, the activity of the OXPHOS system is sensed by the cell, which reacts to optimize its performance to match its specific requirements. We have investigated this concept using conplastic mice (with identical nuclei but interchanged mtDNA) and heteroplasmic mice (containing two mtDNA variants in the same cell). These approaches have revealed the importance of intrinsic mismatch, and therefore the functional implications of mtDNA variants, at three key levels: (i) during embryo development, when a mtDNA variant is confronted with a new nuclear context; (ii) in different cellular and functional contexts within individuals; and (iii) during aging, when there is a decline in homeostatic capacit