Els mitocondris no són només les centrals elèctriques de les nostres cèl·lules; aquestes petites estructures també tenen un paper central en la nostra fisiologia. A més, en permetre respostes fisiològiques flexibles a nous entorns, els mitocondris han ajudat els humans i altres mamífers a adaptar-se i evolucionar al llarg de la història de la vida a la Terra.
Un científic pioner en biologia mitocondrial, Douglas C. Wallace, Ph. D., sintetitza l'evidència de la importància dels mitocondris en un article provocatiu de Perspective avui a la revista Cell.
Residint en gran nombre fora del nucli de cada cèl·lula, els mitocondris contenen el seu propi ADN, amb característiques úniques que "pot requerir una reavaluació d'algunes de les nostres suposicions bàsiques sobre la genètica humana i la teoria de l'evolució", conclou Wallace, director de el Centre de Medicina Mitocondrial i Epigenòmica de l'Hospital Infantil de Filadèlfia.
Wallace ha investigat els mitocondris durant més de 40 anys. El 1988, va ser el primer a demostrar que les mutacions en l'ADN mitocondrial (ADNmt) poden causar mal alties hereditàries humanes. El seu cos de recerca s'ha centrat en com les mutacions de l'ADNmt contribueixen tant a mal alties rares com comunes en alterar la bioenergètica: reaccions químiques que generen energia a nivell cel·lular.
Wallace i els seus col·legues van demostrar anteriorment a finals de la dècada de 1970 que l'ADN mitocondrial humà s'hereta exclusivament a través de la mare. Després van utilitzar aquests coneixements per reconstruir les antigues migracions de les dones comparant la variació de l'ADNmt entre les poblacions de tot el món. A partir d'aquests estudis, els científics han conclòs que els humans van sorgir a l'Àfrica fa uns 200.000 anys i que només dos llinatges d'ADNmt van sortir amb èxit d'Àfrica fa uns 65.000 anys per colonitzar la resta del món.
Basant-se en els coneixements d'aquests estudis de migració humana, Wallace aborda una qüestió científica de llarga data plantejada per l'evolució darwiniana, tant en humans com en altres espècies. A mesura que les subpoblacions es van traslladar a zones aïllades, com van romandre aïllades durant un temps suficient perquè sorgissin nous trets que defineixin espècies en els gens nuclears i s'enriqueixin amb la selecció natural per permetre l'especiació?
La gran majoria dels nostres 20.000 gens aproximadament existeixen a l'ADN dins del nucli de cada cèl·lula, a diferència dels 13 gens que codifiquen proteïnes dins de l'ADNmt. Tanmateix, Wallace argumenta que les mutacions de l'ADNmt proporcionen adaptacions més ràpides i flexibles als entorns canviants que les mutacions de l'ADN nuclear. L'ADNmt té una taxa de mutació molt més alta que l'ADN nuclear, que per si sol podria posar en perill la supervivència de les espècies, perquè la majoria de les mutacions d'ADN són perjudicials. Tanmateix, les mutacions de l'ADNmt alteren la fisiologia a nivell unicel·lular. Per tant, les cèl·lules de l'ovari de la mare que alberguen les mutacions d'ADNmt més nocives es poden eliminar per selecció natural abans de la fecundació. Així, només s'introdueixen a la població variants lleus d'ADNmt, un subconjunt de les quals pot ser potencialment beneficioso.
L'elevada taxa de mutació de l'ADNmt més la selecció d'ovaris ofereixen així una eina poderosa perquè els humans (i els animals) s'adaptin a un canvi ambiental, sense posar en perill la supervivència global d'una població. L'ADN mitocondrial també intercanvia senyals amb l'ADN nuclear, i la interacció ajuda a impulsar l'evolució dels processos fisiològics al llarg del temps. Wallace argumenta que les poblacions que s'expandeixen a un espai ambiental marginal, adapten la seva fisiologia mitjançant la mutació de l'ADNmt per explotar millor les fonts d'aliments limitades i altres recursos d'aquest entorn. Això permet una ocupació prolongada de l'entorn marginal, donant temps suficient perquè les mutacions de l'ADN nuclear generin estructures anatòmiques adequades per explotar els recursos alimentaris més abundants en el nou entorn.
Per donar suport a aquesta hipòtesi, Wallace proposa que la variació dels mitocondris pot donar lloc a intercanvis energètics crucials. A nivell cel·lular, els mitocondris converteixen l'oxigen i els nutrients en ATP químic ric en energia, alhora que produeixen calor. En climes tropicals, aquest procés d'acoblament és màximament efectiu, permetent una producció més eficient d'ATP amb una producció de calor mínima. A l'Àrtic, la conversió d'aliments en ATP és menys eficient, requereixen consumir més calories per la mateixa quantitat d'ATP, i això genera més calor. Per tant, els diferents patrons de variació de l'ADNmt probablement siguin beneficiosos en climes càlids versus freds. De la mateixa manera, certes variants d'ADNmt s'enriqueixen a les poblacions tibetanes, cosa que suggereix que la variació de l'ADNmt pot permetre l'adaptació a la baixa tensió d'oxigen a gran altitud.
Wallace també cita diversos estudis que mostren que la variació regional de l'ADNmt es correlaciona amb la predilecció a una gran varietat de mal alties metabòliques i degeneratives, com ara la mal altia d'Alzheimer i Parkinson, la diabetis, l'obesitat i les mal alties cardiovasculars.
Els biòlegs saben des de fa temps que les adaptacions que confereixen un avantatge en un entorn poden arribar a ser menys beneficioses en un altre entorn. Wallace suggereix que un contribuent important a aquest fenomen podria ser l'adaptació fisiològica de la variació de l'ADNmt. Postula que a mesura que les poblacions migren i els patrons dietètics es globalitzen, les persones amb ADNmt optimitzat per a un entorn, on mengen una dieta a l'Àfrica subsahariana, poden no estar ben adaptades a un altre entorn, on poden consumir una dieta d'Europa central. "Com que els mitocondris tenen un paper tan crucial en la nostra fisiologia, els canvis en l'ADN mitocondrial poden tenir efectes profunds en la biologia humana", afegeix.
La Fundació Simon i els Instituts Nacionals de Salut (subvencions NS021328 i CA182384) van donar suport a aquest estudi. A més de la seva posició CHOP, Wallace forma part del professorat de la Perelman School of Medicine de la Universitat de Pennsylvania.
