Por que as mitocôndrias têm o seu próprio DNA?

Este é um dos grandes mistérios da biologia celular: por que as mitocôndrias – estruturas com formato oval que dão energia às nossas células – têm seu próprio DNA, e por que elas continuam tendo o seu próprio DNA, já que a própria célula tem o seu próprio material genético? Um novo estudo pode ter encontrado uma resposta.

Há a teoria de que as mitocôndrias já foram organismos unicelulares independentes, até que, mais de um bilhão de anos atrás, foram engolidas por células maiores. Em vez de serem digeridas, estabeleceram e desenvolveram um relacionamento mutuamente benéfico com as células maiores, o que, eventualmente, permitiu o surgimento de vida mais complexa, como as plantas e os animais de hoje.

Ao longo dos anos, o genoma mitocondrial diminuiu. O núcleo agora abriga a grande maioria do material genético da célula – inclusive genes que ajudam na função das mitocôndrias. Nos seres humanos, por exemplo, o genoma mitocondrial contém apenas 37 genes, contra mais de 20.000 genes do núcleo da célula. Com o tempo, genes mitocondriais tem migrado para o núcleo. Mas se esses genes são móveis, por que as mitocôndrias mantiveram alguns genes, especialmente considerando que mutações em alguns desses genes podem causar doenças raras que, gradualmente, destroem o cérebro dos pacientes, fígado, coração e outros órgãos importantes?

Os cientistas têm algumas ideias, mas é difícil conseguir dados que comprovem as teorias.

Então Iain Johnston, um biólogo da Universidade de Birmingham (no Reino Unido), e o biólogo Ben Williams, do Whitehead Institute for Biomedical Research (nos EUA), compararam matematicamente diferentes hipóteses pela primeira vez. Eles analisaram mais de 2.000  genomas mitocondriais diferentes de animais, plantas, fungos e protistas (como amebas). Eles rastrearam o seu caminho evolutivo, criando um algoritmo que calculasse as probabilidades de diferentes genes e combinações de genes serem perdidos em determinados pontos no tempo.

“Esse é um dos aspectos inovadores deste trabalho, que utiliza uma modelagem que normalmente não é incluída nestes tipos de estudos”, diz Keith Adams, um biólogo da Universidade de British Columbia, no Canadá, que não esteve envolvido na pesquisa.

A mitocôndria produz energia através de uma série de reações químicas que passam elétrons ao longo de uma membrana. A chave para este processo é uma série de complexos de proteínas que estão incorporados na membrana interna das mitocôndrias. Todos os genes restantes das mitocôndrias ajudam a produzir energia de alguma forma. Mas a equipe descobriu que um gene era mais propenso a continuar existindo no interior da mitocôndria se ele fosse responsável por criar uma proteína que fosse importante para algum desses complexos . Os genes responsáveis por funções de produção de energia mais periféricas, entretanto, eram mais propensos a serem terceirizados para o núcleo, de acordo com a declaração do grupo de pesquisadores na revista Cell Systems.

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As mitocôndrias (estruturas castanhas de forma oval) contém seu próprio DNA. Fonte: Carol and Mike Werner/Visuals Unlimited, Inc.

“Mantendo os genes localmente nas mitocôndrias, a célula confere uma maneira de controlar individualmente as mitocôndrias,” diz Johnston, porque as proteínas fundamentais são criadas nas próprias mitocôndrias. O controle local permite que a célula possa regular mais rapidamente e eficientemente a produção de energia na mitocôndria, em vez de ter que fazer grandes mudanças para as centenas ou milhares de mitocôndrias que existem na célula. Por exemplo, se uma mitocôndria estiver fora de sincronia, ela pode ser “consertada” individualmente, ao invés de desencadear uma ampla resposta celular que poderia desequilibrar as coisas.

“Eu acho que é um mecanismo muito fundamental de feedback“, diz John Allen, biólogo da University College Londres, que não esteve envolvido no estudo. Em sua própria pesquisa, ele encontrou evidências que sugerem que a produção de certas proteínas mitocondriais onde elas são necessárias ajuda a célula a regular melhor a produção de energia. Outras estruturas em nossas células também poderiam se beneficiar deste tipo de controle local. Mas as mitocôndrias, com a sua história de “células independentes”, são as únicas com o seu próprio centro de comando.

O modelo de Johnston e Williams aponta outros fatores que também podem ser importantes. Por exemplo, genes que codificam proteínas mitocondriais que são hidrofóbicas são mais propensas a serem produzidas nas mitocôndrias. Se estas proteínas forem fabricadas em outras partes da célula, elas podem por vezes ficar presas durante o transporte, de modo que podem ser mais eficiente produzi-las nas mitocôndrias.

A composição química dos genes em si também pode influenciar a probabilidade de continuarem nas mitocôndrias. Os genes que são quimicamente capazes de suportar as severas condições encontradas no interior das mitocôndrias podem persistir e continuar dentro delas.

Johnston acha que o programa de computador que ele e Williams desenvolveram tem um potencial maior do que apenas peneirar genomas mitocondriais. O algoritmo pode analisar qualquer problema em que características individuais são perdidas ou adquiridas ao longo do tempo, ou se aqueles são genes ou sintomas de uma doença. Ele espera que o modelo seja útil para futuras previsões ao longo desta linha, como olhar para as vias de progressão de uma doença.

Texto traduzido de Science Magpor Vinicius de Oliveira Mussi.

Revisado por Igor Augusto G. Cunha

Vinicius Mussi

Vinicius Mussi

Capixaba, graduado em Biomedicina, com especialização em Saúde Pública e mestre em Biociências e Biotecnologia pela UENF - Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro.
Vinicius Mussi

Vinicius Mussi

Capixaba, graduado em Biomedicina, com especialização em Saúde Pública e mestre em Biociências e Biotecnologia pela UENF - Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro.

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