Millones de personas en todo el mundo sienten la devastación de las enfermedades mitocondriales, y aproximadamente 1 de cada 4300 personas en los Estados Unidos.
La mecánica de estas enfermedades, que pueden conducir a un crecimiento deficiente, debilidad muscular, problemas neurológicos y más, radica en los genes dentro de las mitocondrias, que son los orgánulos celulares que producen la energía de la célula. Los genomas mitocondriales, que se heredan solo de la madre, están separados de los genomas nucleares en los que tendemos a pensar y que se heredan por igual de la madre y el padre.
En humanos y otros animales, los genomas mitocondriales tienen tasas de mutación extremadamente altas, y estas mutaciones se transmiten de madre a hijo con mucha facilidad. Los científicos están ansiosos por aprender más sobre por qué ocurren estas altas tasas de mutación y qué se podría hacer para detenerlas, de modo que la enfermedad mitocondrial pueda convertirse en una cosa del pasado.
Los biólogos de la Universidad Estatal de Colorado están financiados por los Institutos Nacionales de Salud para buscar respuestas a estas mismas preguntas, pero no son investigadores médicos, son biólogos de plantas. Resulta que los humanos tienen mucho que aprender de las plantas, desde un punto de vista genético, sobre cómo mantener nuestros genomas mitocondriales libres de mutaciones que causan enfermedades.
¿Cómo experimentan las plantas las mutaciones mitocondriales?
Amanda Broz, científica investigadora en el laboratorio de Dan Sloan, profesor asociado en el Departamento de Biología, dirigió un estudio reciente publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias eso arroja nueva luz sobre cómo las plantas, aunque raramente, experimentan mutaciones en sus genomas mitocondriales. A diferencia de los humanos, las plantas pueden corregir rápidamente estas mutaciones y, lo que es más importante, no transmitirlas a su descendencia.
En trabajos anteriores, Sloan y los miembros de su laboratorio plantearon la hipótesis de que los genes responsables de la replicación, recombinación y reparación del ADN en orgánulos de plantas como las mitocondrias y los cloroplastos podrían estar involucrados en mantener estos orgánulos sanos y libres de mutaciones. Perfeccionaron un gen llamado homólogo 1 de MutSo MSH1 para abreviar, que se encuentra en las plantas pero no en los humanos. Al generar plantas en el laboratorio con mutaciones en este gen, encontraron evidencia de que este gen es crítico para mantener bajas las tasas de mutación mitocondrial en las plantas.
Siguió un análisis más detallado, ya que buscaron comprender cómo se propagan las mutaciones en los genomas de las mitocondrias y los cloroplastos, tanto dentro de la planta como entre generaciones. Lo que encontraron, y se detalla en su nuevo artículo, fue que las plantas son muy buenas para clasificar el ADN normal (bueno) y mutante (enfermo). Una vez que ha ocurrido el proceso de clasificación, la selección natural se hace cargo: los descendientes que heredan ADN enfermo tienen menos probabilidades de sobrevivir, por lo que la mutación no se transmite a la progenie.
En contraste, el ADN enfermo en humanos tiende a permanecer mezclado con el bueno y se transmite de generación en generación, porque esta capacidad de clasificación es mucho menos efectiva. En términos más técnicos, las plantas eliminan la heteroplasmia, la presencia de ADN mutante y no mutante, de sus compartimentos celulares mucho más rápido y de manera más eficiente que sus contrapartes animales y humanas.
Los investigadores rastrearon las mutaciones mitocondriales que identificaron en una especie llamada Arabidopsis a lo largo del tiempo y el espacio usando una técnica sensible llamada PCR de gotitas digitales. Esta técnica les permitió analizar la cantidad de ADN mitocondrial mutante frente al normal en estas plantas.
Y, volviendo a ese gen especial: usando las plantas mutantes que cultivaron en el laboratorio, los biólogos de la CSU descubrieron que las copias funcionales de MSH1 son los que aceleran el proceso de clasificación del ADN en las mitocondrias de las plantas. Ellos piensan que MSH1 es responsable de identificar primero las mutaciones en el ADN mitocondrial y corregirlas. Sin embargo, si una mutación persiste por una razón u otra, MSH1 también puede trabajar para separar rápidamente esa mutación del ADN normal.
«Algo realmente interesante de nuestro trabajo es que ilustra cómo la naturaleza ha ideado múltiples formas de lidiar con las mutaciones en los genomas de los orgánulos», dijo Broz. «Sabemos que las mutaciones mitocondriales son uno de los factores clave que conducen al envejecimiento y la enfermedad en los humanos. Saber cómo las plantas y otros organismos mantienen tasas de mutación mitocondrial tan bajas puede darnos una mejor comprensión de cómo este proceso falla en los humanos y, potencialmente, cómo se puede remediar».
Los investigadores tienen mucho más que aprender de sus plantas mutantes. A continuación, están creando un modelo matemático que intenta comprender qué fuerzas celulares son responsables de las diferentes tasas de clasificación del ADN de los orgánulos que observaron en las plantas, y qué papel MSH1 juega en el proceso. Esa parte del proyecto está siendo dirigida por colaboradores de la Universidad de Bergen en Noruega. También buscan investigar si MSH1 tiene el mismo impacto en la clasificación del ADN mitocondrial en otros tipos de plantas además arabidopsis, como árboles que tienen patrones de desarrollo muy diferentes.
