Cinetoplasto

Un cinetoplasto es una red de ADN circular (llamado kADN) dentro de una mitocondria que contiene muchas copias del genoma mitocondrial . ^{[ 1 ] [ 2 ]} La estructura más común del cinetoplasto es un disco, pero se han observado en otras disposiciones. Los cinetoplastos solo se encuentran en Excavata de la clase Kinetoplastida . La variación en las estructuras de los cinetoplastos puede reflejar relaciones filogenéticas entre los cinetoplástidos. ^{[ 3 ]} Un cinetoplasto suele estar adyacente al cuerpo basal flagelar del organismo , lo que sugiere que está unido a algunos componentes del citoesqueleto . En Trypanosoma brucei, esta conexión citoesquelética se llama complejo de unión tripartito. ^{[ 4 ]}

En los tripanosomas , un grupo de protozoos flagelados, el cinetoplasto existe como un gránulo denso de ADN dentro de la mitocondria. Trypanosoma brucei , el parásito que causa la tripanosomiasis africana (enfermedad del sueño africana), es un ejemplo de un tripanosoma con cinetoplasto. Su cinetoplasto es fácilmente visible en muestras teñidas con DAPI , un colorante fluorescente de ADN , o mediante el uso de hibridación fluorescente in situ (FISH) con BrdU, un análogo de la timidina . ^{[ 5 ]} Otro parásito del género, Trypanosoma cruzi , causa la enfermedad de Chagas en humanos (principalmente en América Central y del Sur), que se transmite a través de la chinche besucona . El cinetoplasto de T. cruzi es significativamente más grande que el de T. brucei . ^{[ 6 ]} Trypanosoma equiperdum causa la enfermedad durina en caballos y es la única infección por tripanosomas de transmisión sexual. ^{[ 7 ]} Los cinetoplastos de T. equiperdum son únicos porque cada minicírculo tiene la misma secuencia genética. ^{[ 8 ]}

El ADN purificado del cinetoplasto de Crithidia fasciculata es comercializado por dos empresas bioquímicas, TopoGen e Inspiralis . Este ADN se utiliza como sustrato para evaluar la funcionalidad de fármacos o toxinas que actúan sobre la topoisomerasa II , una proteína asociada a la división celular que desenreda el ADN mediante el paso de las hebras entre sí. Dado que los cinetoplastos suelen ser demasiado grandes para atravesar un gel de agar , la aparición de bandas asociadas a minicírculos durante una electroforesis en gel indica que la topoisomerasa II ha descatenado los cinetoplastos. Este ensayo permite determinar la presencia de fármacos o toxinas que actúan sobre la topoisomerasa II. ^{[ 11 ]} Los cinetoplastos de C. fasciculata también se utilizan en estudios biofísicos del ADN del cinetoplasto como ejemplo natural de gel olímpico . ^{[ 12 ]}

El cinetoplasto contiene ADN circular en dos formas: maxicírculos y minicírculos . Los maxicírculos tienen un tamaño de entre 20 y 40 kb y hay unas pocas docenas por cinetoplasto. Hay varios miles de minicírculos por cinetoplasto y tienen un tamaño de entre 0,5 y 1 kb. Los maxicírculos codifican los productos proteicos típicos necesarios para las mitocondrias, que están cifrados. Aquí reside la única función conocida de los minicírculos: producir ARN guía (ARNg) para decodificar esta información cifrada de los maxicírculos, generalmente mediante la inserción o eliminación de residuos de uridina . La red de maxicírculos y minicírculos se concatena para formar una red planar que se asemeja a una cota de malla . La reproducción de esta red requiere que estos anillos se desconecten del cinetoplasto parental y posteriormente se vuelvan a conectar en el cinetoplasto hijo. ^{[ 5 ] [ 13 ]} Este modo único de replicación del ADN puede inspirar posibles dianas farmacológicas .

La estructura de kDNA mejor estudiada es la de Crithidia fasciculata , un disco concatenado de maxicírculos y minicírculos circulares de kDNA, la mayoría de los cuales no están superenrollados . ^{[ 3 ]} Fuera del disco de kDNA, pero directamente adyacentes, se encuentran dos complejos de proteínas situados a 180° entre sí e involucrados en la replicación de los minicírculos. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 13 ]} La topología de red del ADN del cinetoplasto se comprende principalmente a partir de experimentos en C. fasciculata , ^{[ 14 ]} basados ​​en electroforesis en gel de cinetoplastos que han sido degradados por enzimas de restricción . Estos experimentos indican que cada minicírculo está unido a tres en promedio, y que la estructura de red cristalina más consistente con los datos es la red de panal . Estudios más recientes basados ​​en microscopía de fuerza atómica han corroborado la conectividad trivalente, pero muestran que la estructura está altamente desordenada. ^{[ 15 ]}

También se han observado variaciones en las redes de cinetoplastos, las cuales se describen según la disposición y la ubicación de su kDNA.

• Un cinetoplasto de pro-kDNA es una estructura en forma de haz que se encuentra en la matriz mitocondrial próxima al cuerpo basal flagelar. A diferencia de la red de kDNA convencional, un cinetoplasto de pro-kDNA contiene muy poca concatenación y sus maxicírculos y minicírculos están relajados en lugar de superenrollados. Se ha observado pro-kDNA en Bodo saltans , Bodo designis , Procryptobia sorokini sin. Bodo sorokini , Rhynchomonas nasuta y Cephalothamnium cyclopi . ^{[ 3 ]}
• Un cinetoplasto de poli-kADN es similar en estructura de kADN a un cinetoplasto de pro-kADN. Contiene poca concatenación y carece de superenrollamiento. La característica distintiva del poli-kADN es que, en lugar de estar compuesto por un único haz globular como en el pro-kADN, el poli-kADN se distribuye entre varios focos discretos a lo largo del lumen mitocondrial. Se ha observado poli-kADN en Dimastigella trypaniformis (un comensal del intestino de una termita ), Dismastigella mimosa (un cinetoplástido de vida libre) y Cruzella marina (un parásito del intestino de una ascidia ). ^{[ 3 ]}
• Un cinetoplasto de pan-kDNA , al igual que el poli-kDNA y el pro-kDNA, presenta un menor grado de catenación, pero sí contiene minicírculos superenrollados. Los cinetoplastos de pan-kDNA ocupan la mayor parte de la matriz mitocondrial y no se limitan a focos discretos como el poli-kDNA. Se ha observado pan-kDNA en Cryptobia helicis (un parásito del receptáculo seminal de los caracoles ), Bodo caudatus y Cryptobia branchialis (un parásito de los peces ). ^{[ 3 ]}
• Un cinetoplasto de mega-kDNA se distribuye de manera bastante uniforme por toda la matriz mitocondrial, pero no contiene minicírculos. En cambio, secuencias de kDNA similares a otros minicírculos de cinetoplastos se conectan en tándem formando moléculas más grandes de aproximadamente 200 kb de longitud. Se ha observado mega-kDNA (o estructuras similares a mega-kDNA) en Trypanoplasma borreli (un parásito de peces) y Jarrellia sp. (un parásito de ballenas ). ^{[ 3 ]}

La presencia de esta variedad de estructuras de kADN refuerza la relación evolutiva entre las especies de kinetoplástidos. Dado que el pan-kADN se asemeja más a un plásmido de ADN , podría ser la forma ancestral del kADN. ^{[ 3 ]}

La replicación del cinetoplasto ocurre simultáneamente a la duplicación del flagelo adyacente y justo antes de la replicación del ADN nuclear . En una red de kADN tradicional de Crithidia fasciculata , el inicio de la replicación se promueve mediante la disociación de los minicírculos de kADN a través de la topoisomerasa II . Los minicírculos libres se liberan en una región entre el cinetoplasto y la membrana mitocondrial llamada zona cinetoflagelar (ZCF). ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 13 ]} Después de la replicación, los minicírculos migran por mecanismos desconocidos a los complejos proteicos antipodales que contienen varias proteínas de replicación, incluyendo una endonucleasa , una helicasa , una ADN polimerasa , una ADN primasa y una ADN ligasa , que inician la reparación de las discontinuidades restantes en los minicírculos recién replicados. ^{[ 5 ]}

Este proceso ocurre de uno en uno, y solo un pequeño número de minicírculos se encuentran desconectados en un momento dado. Para llevar un registro de qué minicírculos se han replicado, al unirse nuevamente a la red de kDNA, queda un pequeño hueco en los minicírculos nacientes, lo que los identifica como ya replicados. Los minicírculos que aún no se han replicado permanecen cerrados covalentemente. Inmediatamente después de la replicación, cada descendiente se une a la red de kDNA cerca de los complejos proteicos antipodales y los huecos se reparan parcialmente. ^{[ 1 ] [ 13 ]}

A medida que avanza la replicación de los minicírculos, para evitar la acumulación de nuevos minicírculos, toda la red de kDNA rotará alrededor del eje central del disco. Se cree que esta rotación está directamente relacionada con la replicación del flagelo adyacente, ya que el cuerpo basal hijo también rotará alrededor del cuerpo basal madre de forma similar a la rotación del cinetoplasto. Al rotar, los minicírculos del cinetoplasto hijo se ensamblan en espiral y comienzan a moverse hacia el centro del disco a medida que los nuevos minicírculos se desvinculan y se trasladan a la KFZ para su replicación. ^{[ 2 ] [ 5 ] [ 13 ]}

Aunque los mecanismos exactos del kADN maxicírculo aún no se han determinado con el mismo detalle que los del kADN minicírculo, se observa una estructura llamada nabelschnur ( término alemán que significa " cordón umbilical ") que une las redes de kADN hijas, pero que finalmente se rompe durante la separación. Mediante sondas FISH dirigidas al nabelschnur, se ha descubierto que contiene kADN maxicírculo. ^{[ 5 ]}

La replicación del cinetoplasto se describe como un proceso que ocurre en cinco etapas, cada una en relación con la replicación del flagelo adyacente.

• Etapa I : El cinetoplasto aún no ha iniciado la replicación, no contiene complejos proteicos antípodas y está posicionado en relación con un único cuerpo basal flagelar.
• Etapa II : El cinetoplasto comienza a mostrar complejos proteicos antípodas. El cuerpo basal flagelar inicia su replicación, al igual que el cinetoplasto. La asociación del cinetoplasto en replicación con los dos cuerpos basales provoca que adquiera una apariencia abovedada.
• Etapa III : El nuevo flagelo comienza a separarse y el cinetoplasto adquiere una forma bilobulada.
• Etapa IV : Los cinetoplastos aparecen como discos separados, pero permanecen conectados por el nabelschnur.
• Etapa V : Los cinetoplastos hijos se separan completamente al romperse el nabelschnur. Su estructura es idéntica a la observada en la Etapa I. ^{[ 5 ]}

Trypanosoma cruzi es capaz de reparar los nucleótidos de su ADN genómico o del cinetoplasto que han sido dañados por especies reactivas de oxígeno producidas por el huésped del parásito durante la infección. ^{[ 16 ]} La ADN polimerasa beta expresada en T. cruzi se emplea en la eliminación de los daños oxidativos del ADN mediante el proceso de reparación por escisión de bases . Parece que la ADN polimerasa beta actúa durante la replicación del ADN del cinetoplasto para reparar los daños oxidativos del ADN inducidos por el estrés genotóxico en este orgánulo. ^{[ 16 ]}