viernes, 14 de abril de 2017

Mil millones de años en cohabitación

Un engolfamiento de una pequeña bacteria por un archaeon más grande hace más de mil millones de años no dio lugar a la muerte, sino en una de las asociaciones más exitosas en la tierra. Mientras usted se sienta allí, cada una de sus células (aparte de sus glóbulos rojos) contiene cientos o miles de los descendientes de esa bacteria, aún ganando su sustento como parte de ese acuerdo endosymbiotic golpeado en alguna piscina antigua. Sin embargo, mil millones de años de intimidad han difuminado la distinción entre estos socios y los han dado forma irrevocable.
La célula huésped proporciona protección y alimento a la mitocondria, y suministra sólo un puñado de los cientos de proteínas necesarias para administrar sus asuntos (este puñado está codificado por un diminuto genoma mitocondrial rudimentario, un simple vestigio de su antecesor bacteriano). Sin embargo, el trato se divide en ambos sentidos y, como quid pro quo, la célula delega una serie de tareas sucias a estos diminutos organelos. El más obvio de éstos es que las mitocondrias hacen la mayor parte de la moneda de la energía de la célula, en forma de ATP. Pero también ayudan a almacenar y regular el calcio, sintetizar y degradar sustancias químicas específicas, y tomar parte en la decisión de la célula de suicidarse.
Como muchas fábricas, las mitocondrias son lugares peligrosos con sustancias químicas desagradables, y manipular el trabajo sucio de la célula toma su peaje en los orgánulos, amenazando su integridad y la de sus genomas reducidos. Esto hace que el control de calidad de las mitocondrias frente a estos daños sea un problema crucial en la evolución, la enfermedad y el envejecimiento.
Un estudio reciente en PLOS Biology de Nick Lane y colegas [ 1 ] sugiere que la necesidad de transmitir de alta calidad mitocondrias a nuestra descendencia ha determinado cómo los organismos elegir qué células contribuirán a la próxima generación. Las plantas pueden generar gametos de muchas partes de sus cuerpos, incluso relativamente tarde en el desarrollo, produciendo flores de tallos recientemente crecidos. Sin embargo, los seres humanos -y muchos otros animales- han optado por dejar a un lado ("secuestrar") una "línea germinal" distinta en una etapa temprana de desarrollo, manteniéndola segura cuando es necesaria ( Fig. 1 ). ¿Por qué la diferencia en la estrategia?
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Fig. 1. Secuestrar o no secuestrar.
A medida que los zigotos se desarrollan hasta la edad adulta (de izquierda a derecha), la línea germinal (roja) de diferentes organismos puede aparecer tarde en el desarrollo (fila superior) o ser secuestrada tempranamente (fila inferior). Un estudio reciente [ 1 ] sugiere que la elección de la estrategia está impulsada por la tasa de mutación mitocondrial. Crédito de la imagen : journal . Pbio 2000410 .
Estos autores utilizan un modelo matemático para argumentar que un determinante principal de esta decisión -de secuestrar o no- es la selección de la calidad mitocondrial. Cada vez que una célula se divide, las mutaciones surgen y las mitocondrias se reparten entre las células hijas (y los tejidos que forman), generando una población con una aptitud variable en la que la selección puede actuar. Las plantas y los animales primitivos, que tienen bajas tasas de mutación, pueden permitir que la selección se produzca durante muchas rondas de división de células somáticas en ruta a la formación de gametos. Sin embargo, la evolución de estilos de vida metabólicamente caros como la depredación (y su evasión de corolario) en la explosión cámbrica, implicó un aumento sustancial de las tasas de mutación mitocondrial. Los autores muestran que esto cambia el equilibrio, favoreciendo la retirada temprana de las células de las que se produce la cría (la línea germinal), y por lo tanto limitar el número de rondas de división celular incurrido.
Además, cuando la transmisión de las mitocondrias es un trabajo confiado enteramente a la madre (como en los seres humanos), esto tiene otras consecuencias intrigantes. Aquí la oportunidad de selección sobre la calidad mitocondrial se reduce aún más por el gran número de mitocondrias en cada huevo; Esto es abordado por un proceso despilfarrador en el que un enorme exceso de oocitos se produce a través de rondas adicionales de división celular (reinstante la variación), seguido de despiadado (pero aleatorio) sacrificio.
Esta vulnerabilidad del genoma mitocondrial puede tener un efecto más tangible e inmediato en nuestras vidas. Dos artículos recientes de PLOS Genetics analizan la carga de mutaciones soportadas por los genomas mitocondriales tanto en la línea germinal como en el soma. Un estudio de ADN mitocondrial de más de 500 tumores humanos [ 2 ] revela un compendio de más de 600 mutaciones somáticas. Los autores hallan que aunque en el cáncer las reglas de la evolución se reescriben para priorizar la célula sobre el organismo, la selección todavía favorece fuertemente un funcionamiento mitocondrial. Por el contrario, una búsqueda de las mutaciones de la línea germinal que causan trastornos congénitos mitocondrial [ 3 ] revela la medida en que las proteínas codificadas por el genoma nuclear contribuyen a la función mitocondrial. Los autores examinaron los genomas mitocondriales y nucleares de 142 pacientes, encontrando mutaciones causales claras en aproximadamente un tercio de los casos (sobre todo en los genes nucleares) y variantes sospechosas en más de la mitad del resto.
Aunque el cuadro de texto de una célula eucariótica todavía tiende a representar a las mitocondrias como objetos discretos en forma de frijol en forma de frijol, en realidad son organelos bastante fluidos, se fusionan dinámicamente para formar redes y luego se separan de nuevo, permitiendo la destrucción de las mitocondrias dañadas por mitófagos y Su sustitución por la biogénesis. Los autores de dos artículos PLOS ONE se propusieron modelar (de muy diferentes maneras) este complejo conjunto de procesos para ver cuán útil puede ser la función mitocondrial en un cuerpo envejecido [ 4 ] y cómo las respuestas mitocondriales cotidianas a las demandas energéticas Y el estrés se gestionan [ 5 ].
No sólo las mitocondrias forman su propia red dinámica, sino que también han evolucionado para interactuar íntimamente con otros sistemas en la célula; Ninguno más íntimamente que el retículo endoplasmático (ER), una red tubular penetrante dentro del citoplasma. Tan estrecha es esta relación, de hecho, que un reciente artículo de Biología PLOS muestra que las mutaciones en una proteína ER (wolframin) probablemente causan una enfermedad neurológica humana (síndrome de Wolfram) a través de sus efectos sobre la dinámica mitocondrial [ 6 ]. Un documento eLife destaca la importancia del pas-de-deux mitocondrial ER para la regulación de la apoptosis, un papel mitocondrial clave; Los autores encontraron que el puente regulado de la ER y las mitocondrias por una proteína llamada IRBIT ayuda a desencadenar la afluencia de iones de calcio de ER a las mitocondrias, kick-starting apoptosis [ 7 ]. El manejo del calcio también subyace en una intrigante función específica del tipo celular de las mitocondrias en las neuronas, un estudio de PLOS revela que las sinapsis corticales con mitocondrias asociadas tienen propiedades de liberación de neurotransmisores presinápticas distintas debido a que las mitocondrias limpian el exceso de calcio.
Un informe de Scientific Reports muestra que el calcio no es la única moneda en los puntos comerciales entre estos organelos; La membrana lipídica fosfatidilserina también es objeto de trata de ER a las mitocondrias, dependiente de la ER-mitocondria encuentro estructura (ERMES) [ 9 ]. El grado de complejidad de las interacciones mitocondriales ER se refleja en el flujo constante de jugadores adicionales reconocidos, tales como los papeles descritos para la pequeña GTPasa Sar1 [ 10 ] y la proteína multi-membrana de cobertura VMP1 [ 11 ] en dos recientes PLOS UN papeles.
Así que después de mil millones de años de convivencia, hemos subyugado una bacteria de vida libre, convirtiéndola en un orgánulo domesticado. Pero también nos ha dado forma y es serio pensar que si no fuera por las mitocondrias, en lugar de separar cuidadosamente nuestras líneas germinales en dos gónadas ordenadas dentro de un par de meses de concepción, podríamos estar brotándolas por todo nuestro cuerpo como Alcanzamos la madurez sexual.

Para una lectura más detallada, consulte la Colección PLOS asociada [ 12 ].