El ADN mitocondrial (ADNmt) se hereda por línea materna (en casi todos los vertebrados). El espermatozoide humano está formado por una cabeza con el núcleo, una cola para su movilidad y, entre ambos, una vaina que contiene mitocondrias como fuente de energía (ATP). Se publica en Nature Genetics que las mitocondrias en la vaina no contienen ADNmt, junto a un mecanismo que explica como lo pierden en la espermatogénesis. La razón es un ayuste (o empalme) alternativo de un factor de transcripción (TF) llamado mitocondrial A (TFAM) que está codificado en al ADN nuclear (ADNn). En su forma normal protege y organiza el ADNmt en los nucleoides; además, regula su replicación y transcripción, luego su número de copias. El TFAM normal contiene un dominio N-terminal que codifica una secuencia de reconocimiento mitocondrial (MTS, por mitochondrial targeting sequence) que permite que sea importado desde el citoplasma a la mitocondria. En el TFAM alternativo la secuencia MTS está fosforilada, lo que impide que sea importado a la mitocondria; en su lugar se acumula en el núcleo de la cabeza del espermatozoide. Sin TFAM en las mitocondrias de la vaina, se produce una enorme reducción del número de copias del ADNmt paternal, hasta menos de una sola copia. Este descubrimiento podría tener aplicaciones terapéuticas en ciertos trastornos de fertilidad y en las terapias de células germinales.

En el nuevo estudio se han usado tres métodos para verificar la ausencia de ADNmt en los espermatozoides: (1) una variante de la PCR (la que se usaba para detectar el coronavirus), llamada PCR digital en gotas (ddPCR), que estima que, en promedio, contienen 0.58 copias de ADNmt; (2) la técnica de WGS (secuenciación del genoma completo) que estima que contienen entre 50 y 70 mitocondrias, con un promedio de 0.14 copias de ADNmt; y (3) la sonda RNAscope, que permite detectar moléculas de ADNmt individuales, durante las diferentes fases de la espermatogénesis, confirmando que tras madurar no hay rastro de ADNmt en la vaina donde se encuentran las mitocondrias. También se ha estudiado con microscopia confocal la presencia de TFAM en la cabeza, vaina y cola del espermatozoide; solo se observa en la cabeza; además se observa una relocalización del TFAM desde las mitocondrias al núcleo durante la espermatogénesis. La fosforilación de la secuencia MTS ocurre en dos residuos, las serinas 31 y 34 (bien conservadas entre los mamíferos); mutándolas a alaninas se bloque la fosforilación y se permite la importación de TFAM a la mitocondria. La metodología empleada es muy completa y muy convincente.

Como es obvio, que el nuevo mecanismo sea muy convincente y esté apoyado por evidencias experimentales, no implica que la fosforilación de la MTS del TFAM sea condición necesaria y suficiente para la herencia maternal del ADN mitocondrial. Puede que también intervengan otros mecanismos alternativos menos selectivos. Incluso si cientos de copias ADNmt parental lograran entrar en el óvulo, en comparación con las entre 100 y 300 mil copias de ADNmt maternal en el óvulo, se explicaría su herencia uniparental. El nuevo artículo es William Lee, …, Ramon Trullas, …, Dmitry Temiakov, «Molecular basis for maternal inheritance of human mitochondrial DNA,» Nature Genetics 55: 1632-1639 (18 Sep 2023), doi: https://doi.org/10.1038/s41588-023-01505-9; a nivel divulgativo recomiendo Sam Kavoosi, Martin Picard, Brett A. Kaufman, «TFAM mislocalization during spermatogenesis,» Trends in Genetics 40: 112-114 (29 Nov 2023), doi: https://doi.org/10.1016/j.tig.2023.11.002; .

Las espermatozoides se forman a partir de células madre llamadas espermatogonias, que proliferan mediante mitosis en los túbulos seminíferos de los testículos. Algunas se diferencian en espermatocitos que maduran mediante dos meoisis (primaria y secundaria) hasta espermátidas, ya con 23 cromosomas. Estas se transforman en espermatozoides inmaduros, ya con su forma final con cola, que maduran adquiriendo su movilidad y capacidad para fertilizar un óvulo. Se pensaba que tras este proceso los espermatozoides acumulaban entre una y mil copias del ADNmt. Se habían propuesto varios mecanismos que permitían la degradación de este ADNmt de tal forma que parte de este ADNmt parental lograba ingresar en el óvulo durante la fertilización. También se pensaba que debían existir mecanismos de destrucción de este ADNmt que actuaban dentro del óvulo. Todas estas ideas anteriores al nuevo artículo no se pueden descartar por completo, pero parecen tener un papel secundario en base a los nuevos resultados.

Esta figura ilustra el ayuste alternativo del TFAM observado, comparando la forma normal (célula HEK) con la forma alternativa (espermatozoide SPZ). La forma alternativa tiene ~ 5 kDa (kilodalton) más que la forma normal. Se observa que la región 3′ UTR (parte final del ARN mensajero que no es traducida en el ribosoma) es más corta en la forma alternativa. Además, se observa un primer exón (I^T) que se añade justo antes del primer exón (I), sin alterar el marco abierto de lectura de la proteína codificada. Y, finalmente, se observa la secuencia MTS en los residuos del 1 al 42, que no aparece en la forma normal.

La microscopía confocal de un espermatozoide (arriba y centro) permite localizar el TFAM (color rojo) en la cabeza, las mitocondrias (color verde) en la vaina (se usa un anticuerpo anti-TOM20) y el núcleo (color azul) usando el colorante DAPI. El número de copias de ADNmt medidas con ddPCR (abajo) en cinco muestras indican números inferiores a la unidad (salvo en la muestra 1), siendo la media 0.58 ADNmt por espermatozoide. Para los interesados en más detalles sobre la metodología de esta investigación recomiendo la lectura del artículo, que presenta de forma muy clara cada una de las evidencias que apoyan la hipótesis presentada. Sin lugar a dudas es un trabajo muy interesante que tendrá que ser confirmado con evidencias independientes. Nunca se debe olvidar que en Biología casi todo es mucho más complicado de lo que parece a primera vista.