¿Podría el ADN mitocondrial de papá beneficiar a los híbridos?
ARRIBA: ISTOCK.COM, JIAN FAN
Mientras que la mayoría de las veces los eucariotas obtienen su genoma mitocondrial de su progenitor femenino, la presencia de mitocondrial paterno Ocasionalmente se ha informado ADN, especialmente en híbridos. Pero la fuga de este ADN durante la fertilización a menudo se considera una falla de los mecanismos que normalmente aseguran que solo la información genética mitocondrial materna se transmita a la descendencia.
Por ejemplo, en algunas especies, las mitocondrias en los espermatozoides tienen una etiqueta molecular que es reconocida por el óvulo fertilizado, que luego procede a degradar el genoma no deseado. En los híbridos, donde las diferencias entre los dos compañeros son más grandes que entre una pareja de la misma especie, la investigación sugiere que el proceso de reconocimiento puede no ser tan efectivo. Esto podría aumentar las posibilidades de que el ADN mitocondrial masculino (ADNmt) escape a la destrucción y sobreviva en el recién nacido.
Sin embargo, estudios teóricos y experimentales recientes sugieren que esta falla puede no ser siempre una mala adaptación. Los híbridos, por ejemplo, podrían beneficiarse de la aportación mitocondrial de ambos progenitores emparentados de forma lejana, de modo que los genes y las proteínas de este orgánulo puedan interactuar eficazmente con los del genoma nuclear. Algunos investigadores plantean la hipótesis de que la fuga paterna de mitocondrias podría incluso ser un error raro pero necesario en todos los eucariotas, al igual que la mutación.
Matriarcado mitocondrial
No se comprende del todo por qué heredamos principalmente el genoma mitocondrial por vía matrilineal. Sabemos muy poco sobre la evolución del ADN mitocondrial, dice Emmanuel Ladoukakis, biólogo evolutivo de la Universidad de Creta en Grecia. Agrega que incluso para explicar una pregunta tan fundamental como por qué el ADN mitocondrial se transmite por vía materna, en su mayoría tenemos hipótesis, pero no datos realmente sólidos.
El trabajo teórico y los estudios empíricos limitados sobre el tema, aunque , sugieren que la herencia uniparental de este orgánulo puede facilitar la eliminación de mutaciones perjudiciales en las mitocondrias y minimizar la propagación de mutaciones egoístas. Eso es porque, explica Ladoukakis, los linajes con tales mutaciones desaparecerían por selección, pero sin infectar a otros linajes, dada la transmisión uniparental. Es como un árbol que se poda a sí mismo, escribe.
La herencia uniparental también puede facilitar las interacciones entre genes nucleares y mitocondriales en ciertos contextos. Por ejemplo, tener diferentes variantes [de genomas mitocondriales] dentro del mismo citoplasma puede aumentar la respuesta de estrés de las células, dado que el núcleo recibe dos señales diferentes, dice la bioquímica y biotecnóloga de la Universidad de Oxford, Ana Victoria Lechuga-Vieco. Tener dos tipos de genomas mitocondriales en un individuo, conocido como heteroplasmia, se asocia comúnmente con patología en mamíferos, especialmente cuando resulta de mutaciones somáticas dentro de un individuo en lugar de herencia biparental.
Cuando el núcleo no puede hacer frente a tantas señales diferentes, explica Lechuga-Vieco, el organismo puede enfrentarse a problemas como el aumento de la producción de especies reactivas de oxígeno. Ella especula que la herencia uniparental puede, por lo tanto, facilitar la interacción entre el conjunto de genes en la mitocondria y el del núcleo.
Cuando esté en híbridos, haga lo que hacen los híbridos
A pesar de las posibles desventajas de tener varios genomas mitocondriales dentro de una célula, algunos científicos se preguntan si tener herencia biparental de El ADN mitocondrial podría ser útil para las personas que descienden de poblaciones lejanamente relacionadas. La suposición implícita del campo es que, debido a que es un defecto, debería ser desadaptativo y seleccionado, dice Tom Allison, biólogo computacional de la Universidad de Monash en Australia. Pero dada la cantidad limitada de estudios que abordan esta suposición, él y sus colegas decidieron explorar, teóricamente, si obtener algo de ADN mitocondrial paterno sería un obstáculo o una ayuda en el contexto genético específico de los individuos híbridos.
Entre los desafíos biológicos que enfrentan los híbridos está que sus genes nucleares y mitocondriales pueden no interactuar adecuadamente. Nathan Rank, ecologista evolutivo de la Universidad Estatal de Sonoma en California, explica que esta interacción puede ocurrir de diferentes maneras; por ejemplo, las proteínas nucleares están involucradas en la replicación de los cromosomas mitocondriales; además, las proteínas codificadas por ambos genomas pueden interactuar entre sí; y la síntesis de proteínas que ocurre dentro de las mitocondrias requiere una combinación de productos genéticos mitocondriales y nucleares. Se han informado desajustes mitonucleares entre los genomas mitocondriales maternos y los genes nucleares heredados del progenitor masculino tanto en poblaciones híbridas modificadas como naturales.
Consulte Los dos genomas en cada célula eucariota
Por ejemplo, Rank ha estudiado durante décadas el escarabajo de la hoja Chrysomela aeneicollis, que se encuentra en el oeste de América del Norte en diferentes latitudes y elevaciones. Varias subpoblaciones del escarabajo se han adaptado a entornos locales específicos. Dentro de las diferentes condiciones climáticas y de altitud presentes a lo largo de las montañas de Sierra Nevada en California, Rank y sus colegas observaron que las subpoblaciones muestran variaciones en los genes metabólicos que podrían estar relacionados con la adaptación a las temperaturas locales y la disponibilidad de oxígeno.
Un Chrysomela aeneicollis escarabajoNATHAN RANK
Recientemente, su equipo encontró dos genes (uno nuclear y otro mitocondrial) que mostraban una variación significativamente mayor a lo largo del gradiente térmico latitudinal de Sierra Nevada en comparación a otros genes. Además, su variación de frecuencia parecía ser similar a lo largo del gradiente, con diferentes alelos asociados con poblaciones en el norte y el sur, y más variación entre individuos en áreas superpuestas donde las subpoblaciones a menudo se mezclan.
Rank y sus colegas luego preguntaron si los híbridos que tienen una copia del norte de un gen junto con una copia del sur del otro gen podrían verse afectados por este desajuste. Descubrieron que la incompatibilidad mitonuclear estaba asociada con una velocidad de carrera reducida y un menor éxito reproductivo en comparación con los híbridos con copias coincidentes. Este efecto fue más intenso en ambientes donde la demanda metabólica era más fuerte, como después del tratamiento térmico oa gran altura.
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Allison y sus colegas se centraron particularmente en probar si obtener algo de ADN mitocondrial paterno podría reducir tales incompatibilidades mitonucleares en individuos híbridos. El equipo desarrolló un modelo computacional que simulaba poblaciones de individuos que pertenecían a dos linajes distintos, cada uno con sus propios genomas nucleares y mitocondriales. Estos individuos se aparearon y migraron.
En esta simulación, algunas hembras permitieron que solo su propio ADNmt se transmitiera a sus crías, mientras que otras podían tener dos tipos de herencia mitocondrial: uniparental si su pareja estaba relacionada o biparental si la pareja estaba relacionada. compañero era de un linaje diferente. Los resultados de los equipos predicen que las poblaciones donde la herencia biparental está habilitada tendrían una ventaja de aptitud y, por lo tanto, serían seleccionadas en escenarios donde existe la mayor mezcla entre poblaciones divergentes, ya que tener ADN mitocondrial de ambos padres puede reducir la probabilidad de desajustes mitonucleares en híbridos.
La ecologista evolutiva de la Universidad de Zúrich, Hanna Kokko, que no participó en este estudio pero colaboró anteriormente con uno de sus coautores, dice que estas conclusiones le hicieron pensar en la frase cuando estaba en Roma, haz como el Los romanos sí. En un entorno en el que muchos de los genes provienen de otro individuo, dice, podría ser bueno obtener también las mitocondrias de ese otro individuo.
Rank, que tampoco participó en el estudio , dice que el papel es inspirador. Explica que recientemente realizó algunos análisis preliminares sobre la variación genómica mitocondrial entre C. aeneicollis y encontró alguna evidencia de heteroplasmia. Si la heteroplasmia es potencialmente beneficiosa en las poblaciones híbridas, como predice el artículo teórico, podría explicar esta observación, dice.
Ladoukakis, quien ha estudiado ampliamente la heteroplasmia, dice que los investigadores ya tienen las herramientas para probar las ideas propuestas por el artículo teórico de Allison y sus colegas. En un correo electrónico de seguimiento, agrega que le otorga un papel funcional y adaptativo potencial a la heteroplasmia, lo cual es emocionante, dado que durante muchos años se pensó que este fenómeno era un error aleatorio del . . . mecanismos que protegen la transmisión uniparental de ADNmt.
Fuga paterna: ¿un error importante?
Allison dice que puede imaginar escenarios además de la hibridación donde la fuga paterna podría ser potencialmente beneficiosa. Como sugiere el estudio de Ranks sobre los escarabajos de las hojas, señala, el medio ambiente desempeña un papel en las interacciones entre los genomas nuclear y mitocondrial. Así que podría ser que en ambientes que cambian rápidamente, podría valer la pena heredar mitocondrias de ambos padres, solo porque siempre tienes una reserva del haplotipo que será más beneficioso cuando el ambiente cambie la próxima vez.
Incluso si obtener todo el genoma mitocondrial de uno de los padres tiene claros beneficios, también podría tener inconvenientes. Por ejemplo, tener una herencia uniparental estricta crearía linajes vulnerables a la acumulación de mutaciones. Si tiene un genoma no recombinante, entonces este genoma acumula mutaciones más rápido que los genomas recombinantes, dice Ladoukakis. Pero en algunos casos, la fuga paterna puede ocurrir a niveles muy bajos, agrega, y esto puede conducir a [un poco] de recombinación, posiblemente suficiente para que el ADN mitocondrial escape a la acumulación de mutaciones perjudiciales.
Por eso, Ladoukakis y su equipo están interesados en preguntarse si la heteroplasmia podría controlarse mediante selección. Su primer paso es preguntarse si se trata realmente de un proceso aleatorio, como sugiere la opinión predominante. Junto con sus colegas, el equipo probó recientemente esta pregunta en dos generaciones consecutivas de híbridos de Drosophila creados mediante el cruce de D. simulans y D. mauritiana. Ladoukakis a menudo usa híbridos para estudiar la heteroplasmia como un fenómeno general, dadas las altas tasas de fuga biparental que tienen.
El equipo analizó el número de individuos heteroplásmicos en la primera generación (derivada de una fuga paterna) y en la segunda generación (debido tanto a la fuga paterna como a la herencia directa de una hembra heteroplásmica). Una de las preguntas principales era si la heteroplasmia se distribuía por igual entre las diferentes familias de moscas estudiadas.
No fue así. Algunas familias de moscas tuvieron un número significativamente mayor de descendientes heteroplásmicos en ambas generaciones que otras. Esto no significa que [la heteroplasmia] esté controlada totalmente por la genética, pero dice que tiene un componente genético, dice Ladoukakis. El principal hallazgo de su artículo, agrega, es que la fuga paterna no sigue un patrón aleatorio. Si bien esto no prueba necesariamente que esté regido por la selección, aclara, ofrece la posibilidad de que así sea.
Lechuga-Vieco ve un vínculo entre estos hallazgos, en los que no participó, y algunos resultados anteriores que ella y sus colegas informaron en ratones, donde también se mostró heteroplasmia del ADN mitocondrial en antecedentes genéticos nucleares homocigóticos. ser un proceso no aleatorio que dependía de interacciones mitonucleares y factores metabólicos. Su equipo no analizó la fuga paterna, sino la segregación de haplotipos de una hembra ya heteroplásmica que generaron artificialmente.
Resultados como los de Ladoukakiss y los suyos sugieren que la heteroplasmia no ocurre estrictamente por deriva aleatoria, dice; más bien, existen mecanismos que modulan esta segregación.
En su correo electrónico, Ladoukakis escribe que si la selección está en el trabajo, puede actuar positivamente, si la heteroplasmia es adaptativa, como sugiere su trabajo y el modelo de Allisons, o negativamente, si, por ejemplo, estricta maternal la transmisión debe protegerse activamente o, si están mutados, los haplotipos de ADNmt nocivos deben eliminarse, como parece ocurrir en el estudio de Lechuga-Viecos. Todos estos artículos sugieren que la selección podría actuar sobre la heteroplasmia, pero sugieren diferentes roles potenciales [no mutuamente excluyentes] de la heteroplasmia.
Ladoukakis dice que encuentra un paralelismo entre la fuga paterna y la mutación. La supervivencia de un organismo y una especie se basa en la replicación precisa del ADN, pero para que tenga lugar la evolución [necesita] tener variación; necesita mutación, incluso si ocurre a tasas muy bajas. Sin embargo, todavía hablamos de mutaciones como errores durante la replicación.
La fuga paterna puede ser análoga a esto, señala Ladoukakis. Es un error del mecanismo, pero [podría] ser un error muy importante.