Xene nuclear

Un xene nuclear é un xene cuxa secuencia de nucleótidos está situada no núcleo dunha célula eucariota. O xene forma parte dalgún cromosoma do núcleo. O termo utilízase para distinguir os xenes nucleares dos que se encontran nas mitocondrias ou cloroplastos.^[1] A gran maioría dos xenes dos eucariotas son nucleares.

Localización dun xene nuclear.

Teoría endosimbiótica

As mitocondrias e os plastidios evolucionaron a patir de procariotas que inicialmente eran de vida libre, pero que actualmente se converteron en orgánulos citoplasmáticos das células eucariotas despois de sufriren un proceso de evolución endosimbiótica chamado simbioxénese.^[2] As mitocondrias son en xeral necesarias para a vida eucariótica, aínda que hai uns poucos eucariotas sen mitocondrias que viven en ambientes moi especiais. Proporcionan a maior parte da enerxía en forma de ATP que necesita a célula para vivir por medio da respiración celular aerobia. O xenoma mitocondrial (ADNmt) contén os seus propios xenes e replícase separadamente do xenoma nuclear do hóspede. O ADNmt humano ten xenes que codifican 13 proteínas, a maioría das cales están implicadas na fosforilación oxidativa, así como 2 xenes para ARNr e 22 para ARNt. O xenoma nuclear codifica o resto das proteínas que necesita a mitocondria, que son transportadas ata a mitocondria.^[3] Os xenomas destes orgánulos proceden da célula procariota da cal derivaron, pero sufriron un proceso de redución de xenes e agora son moito máis pequenos que os orixinais. Isto debeuse a unha ampla transferencia de xenes desde o endosimbionte ata o xenoma nuclear, e á perda de xenes no orgánulo. Isto orixinou novos xenes nucleares.^[2]

Interaccións co orgánulo endosimbiótico

Aínda que os xenes nucleares e mitocondriai e plastidiais están separados en distintas partes da célula, poden afectarse uns a outros de diversas maneiras. Os xenes nucleares exercen importantes papeis na expresión dos xenes dos cloroplastos e mitocondrias.^[4] Ademais, os produtos xénicos das mitocondrias poden afectar a expresión de xenes do núcleo.^[5] As mitocondrias poden influír no núcleo por medio de metabolitos e de certos péptidos que se translocan desde as mitocondrias ao núcleo, onde afectan a expresión xénica. Por exemplo, observouse en células con xenoma mitocondrial mutante que os nivels de acetil-CoA e alfa-cetoglutarato xerados na mitocondria causaban cambios na expresión de xenes nucleares porque acababan causando unha modificación de histonas epixenética.^[6] Os péptidos mitocondriais MOTS-c translócanse ao núcleo en casos de estrés metabólico, onde regulan a expresión de xenes.^[7][8]

Estrutura

Os xenomas mitocondriais e plastidiais están formados por cromosomas circulares e non teñen a organización que se observa na cromatina do núcleo. Os xenomas nucleares teñen estruturas cromatínicas de maior orde relacionadas co empaquetamento e expresión xénica, permitindo que se poida acceder aos xenes durante a transcrición, replicación e reparación do ADN.^[9][9] A maior parte da proteínas mitocondriais, encimas metabólicos, ADN polimerases e ARN polimerases, proteínas ribosómicas e factores reguladores do ADNmt están codificados en xenes nucleares.^[3]

Células eucariotas sen xenes nucleares

Os eritrocitos maduros son células que perderon o núcleo durante a súa maduración e, por tanto, carecen de xenes nucleares; tamén perderon os outros orgánulos, entre eles as mitocondrias, polo que tampouco teñen ADN mitocondrial. En consecuencia, non poden sintetizar proteínas e as que teñen formáronse nas etapas iniciais cando tiñan núcleo. O seu ATP non procede das mitocondrias, que perderon, senón doutras vías metabólicas como a glicólise e fermentación láctica ; tamén poden realizar a ruta das pentosas fosfato.

Outras células sen xenes nucleares son as plaquetas. As plaquetas orixínanse como fragmentos do citoplasma evaxinados dunha célula grande da medula ósea chamada megacariocito, polo que nunca tiveron núcleo nin ADN nuclear. Porén, conservan mitocondrias funcionais.^[10]

Importancia

Moitos factores de transcrición nucleares teñen un importante papel na expresión da cadea respiratoria. Estes factores poden tamén contribuír á regulación das funcións mitocondriais. O factor respiratorio nuclear (NRF-1) fusiónase con proteína de xenes que codifican a cadea respiratoria, con encimas limitantes da velocidade da biosíntese e con elementos da replicación e transcrición do ADN mitocondrial. O factor respiratorio nuclear 2 (NRF-2) é necesario para maximizar a produción de da subunidade IV da citocromo c oxidase (COXIV) e da Vb (COXVb).^[4]

O estudo de secuencias xénicas para investigar a especiación e determinar as semellanzas xenéticas é un dos moitos usos da xenética moderna, e o papel que teñen ambos os tipos de xenes nese proceso é importante. Aínda que tanto os xenes nucleares coma os que conteñen os orgánulos endosimbióticos proporcionan a constitución xenética dun organismo, hai características distintas que se observan mellor cando se examinan comparando uns cos outros. O ADN mitocondrial é útil no estudo da especiación, xa que adoita ser o primeiro que evoluciona no desenvolvemento dunha nova especie.^[11]

Como os xenes nucleares son a base xenética de todos os organismos eucariotas, calquera cousa que afecte a súa expresión, afectará directamente a características dese organismo a nivel celular. As interaccións entre os xenes dos orgánulos endosimbióticos son só algúns dos moitos factores que actúan sobre o xenoma nuclear.

Notas

1. Griffiths AJ, Gelbart WM, Miller JH, Lewontin RC (1999). "The Nature of Genomes". Modern Genetic Analysis. New York: W. H. Freeman.
2. Timmis, Jeremy N.; Ayliffe, Michael A.; Huang, Chun Y.; Martin, William (febreiro de 2004). "Endosymbiotic gene transfer: organelle genomes forge eukaryotic chromosomes". Nature Reviews Genetics 5 (2): 123–135. ISSN 1471-0056. PMID 14735123. doi:10.1038/nrg1271.
3. Annesley, Sarah J.; Fisher, Paul R. (2019-07-05). "Mitochondria in Health and Disease". Cells (en inglés) 8 (7): 680. ISSN 2073-4409. PMC 6678092. PMID 31284394. doi:10.3390/cells8070680.
4. Herrin DL, Nickelsen J (2004). "Chloroplast RNA processing and stability". Photosynthesis Research 82 (3): 301–14. PMID 16143842. doi:10.1007/s11120-004-2741-8.
5. Ali AT, Boehme L, Carbajosa G, Seitan VC, Small KS, Hodgkinson A (febreiro de 2019). "Nuclear genetic regulation of the human mitochondrial transcriptome". eLife 8. PMC 6420317. PMID 30775970. doi:10.7554/eLife.41927.
6. Fetterman JL, Ballinger SW (agosto de 2019). "Mitochondrial genetics regulate nuclear gene expression through metabolites". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 116 (32): 15763–15765. Bibcode:2019PNAS..11615763F. PMC 6689900. PMID 31308238. doi:10.1073/pnas.1909996116.
7. Kim KH, Son JM, Benayoun BA, Lee C (setembro de 2018). "The Mitochondrial-Encoded Peptide MOTS-c Translocates to the Nucleus to Regulate Nuclear Gene Expression in Response to Metabolic Stress". Cell Metabolism 28 (3): 516–524.e7. PMC 6185997. PMID 29983246. doi:10.1016/j.cmet.2018.06.008.
8. Mangalhara KC, Shadel GS (setembro de 2018). "A Mitochondrial-Derived Peptide Exercises the Nuclear Option". Cell Metabolism 28 (3): 330–331. PMID 30184481. doi:10.1016/j.cmet.2018.08.017.
9. Van Bortle K, Corces VG (2012). "Nuclear organization and genome function". Annual Review of Cell and Developmental Biology 28: 163–87. PMC 3717390. PMID 22905954. doi:10.1146/annurev-cellbio-101011-155824.
10. Melchinger H, Jain K, Tyagi T, Hwa J. Role of Platelet Mitochondria: Life in a Nucleus-Free Zone. Front Cardiovasc Med. 2019 Oct 29;6:153. doi: 10.3389/fcvm.2019.00153. PMID 31737646; PMCID: PMC6828734.
11. Moore WS (1995). "Inferring Phylogenies from mtDNA Variation: Mitochondrial-Gene Trees Versus Nuclear-Gene Trees". Evolution 49 (4): 718–726. JSTOR 2410325. PMID 28565131. doi:10.2307/2410325.