Cromosoma sexual

Un cromosoma sexual (también conocido como alosoma, cromosoma heterotípico, gonosoma, heterocromosoma o idiocromosoma) es un cromosoma que difiere de un autosoma ordinario en forma, tamaño y comportamiento. Los cromosomas sexuales humanos, un par típico de alosomas de mamíferos, determinan el sexo de un individuo creado en la reproducción sexual. Los autosomas se diferencian de los alosomas porque los autosomas aparecen en pares cuyos miembros tienen la misma forma pero difieren de otros pares en una célula diploide, mientras que los miembros de un par de alosomas pueden diferir entre sí y, por lo tanto, determinar el sexo.

Nettie Stevens y Edmund Beecher Wilson descubrieron de forma independiente los cromosomas sexuales en 1905. Sin embargo, a Stevens se le atribuye haberlos descubierto antes que Wilson.

Diferenciación

En los humanos, cada núcleo celular contiene 23 pares de cromosomas, un total de 46 cromosomas. Los primeros 22 pares se llaman autosomas. Los autosomas son cromosomas homólogos, es decir, cromosomas que contienen los mismos genes (regiones de ADN) en el mismo orden a lo largo de sus brazos cromosómicos. El par de cromosomas número 23 se llama alosomas. Estos consisten en dos cromosomas X en la mayoría de las mujeres y un cromosoma X y un cromosoma Y en la mayoría de los hombres. Por lo tanto, las mujeres tienen 23 pares de cromosomas homólogos, mientras que los hombres tienen 22. Los cromosomas X e Y tienen pequeñas regiones de homología llamadas regiones pseudoautosómicas.

El cromosoma X siempre está presente como el cromosoma 23 en el óvulo, mientras que un cromosoma X o Y puede estar presente en un espermatozoide individual. En las primeras etapas del desarrollo embrionario femenino, en células distintas de los óvulos, uno de los cromosomas X se desactiva de forma aleatoria y permanente: en algunas células, el cromosoma X heredado de la madre se desactiva; en otras células, es el cromosoma X heredado del padre. Esto asegura que ambos sexos siempre tengan exactamente una copia funcional del cromosoma X en cada célula del cuerpo. El cromosoma X desactivado es silenciado por la heterocromatina represiva que compacta el ADN e impide la expresión de la mayoría de los genes. Esta compactación está regulada por PRC2 (Polycomb Repressed Complex 2).

Determinación del sexo

Todos los organismos diploides con sexo determinado por alosomas obtienen la mitad de sus alosomas de cada uno de sus padres. En la mayoría de los mamíferos, las hembras son XX y pueden transmitir cualquiera de sus X; dado que los machos son XY, pueden transmitir una X o una Y. Las hembras de tales especies reciben un cromosoma X de cada padre, mientras que los machos reciben un cromosoma X de su madre y un cromosoma Y de su padre. Por lo tanto, es el esperma del macho el que determina el sexo de cada descendiente en tales especies.

Sin embargo, un pequeño porcentaje de humanos tiene un desarrollo sexual divergente, conocido como intersexualidad. Esto puede resultar de alosomas que no son ni XX ni XY. También puede ocurrir cuando dos embriones fertilizados se fusionan, produciendo una quimera que podría contener dos conjuntos diferentes de ADN, uno XX y el otro XY. También podría resultar de la exposición, a menudo en el útero, a sustancias químicas que interrumpen la conversión normal de los alosomas en hormonas sexuales y más adelante en el desarrollo de órganos internos o genitales externos ambiguos.

Hay un gen en el cromosoma Y que tiene secuencias reguladoras que controlan los genes que codifican la masculinidad, llamado gen SRY. Este gen produce un factor determinante de testículos ("TDF"), que inicia el desarrollo de testículos en humanos y otros mamíferos. La prominencia de la secuencia SRY en la determinación del sexo se descubrió cuando se estudió la genética de los hombres XX con sexo invertido (es decir, humanos que poseen rasgos biológicos masculinos pero en realidad tienen alosomas XX). Después del examen, se descubrió que la diferencia entre un individuo XX típico (mujer tradicional) y un hombre XX invertido en el sexo era que los individuos típicos carecían del gen SRY. Se teoriza que en los hombres XX con sexo invertido, el SRY se transloca por error a un cromosoma X en el par XX durante la meiosis.

Otros vertebrados

Diversos mecanismos están involucrados en la determinación del sexo en los animales. Para los mamíferos, la determinación del sexo está a cargo de la contribución genética del espermatozoide. Los cordados inferiores, como los peces, los anfibios y los reptiles, tienen sistemas que están influenciados por el medio ambiente. Los peces y los anfibios, por ejemplo, tienen una determinación genética del sexo, pero su sexo también puede verse influido por los esteroides disponibles externamente y la temperatura de incubación de los huevos. En los reptiles, solo la temperatura de incubación determina el sexo.

Plantas

Muchos científicos argumentan que la determinación del sexo en las plantas con flores es más compleja que en los humanos. Esto se debe a que incluso el subconjunto de plantas con flores tiene una variedad de sistemas de apareamiento. Su determinación sexual está regulada principalmente por los genes MADS-box. Estos genes codifican proteínas que forman los órganos sexuales de las flores.

Los cromosomas sexuales de plantas son más comunes en briófitos, relativamente comunes en plantas vasculares y desconocidos en helechos y licofitos. La diversidad de plantas se refleja en sus sistemas de determinación del sexo, que incluyen sistemas XY y UV, así como muchas variantes. Los cromosomas sexuales han evolucionado de forma independiente en muchos grupos de plantas. La recombinación de cromosomas puede dar lugar a la heterogamia antes del desarrollo de los cromosomas sexuales, o puede reducirse la recombinación después del desarrollo de los cromosomas sexuales. Solo quedan unas pocas regiones pseudoautosómicas una vez que los cromosomas sexuales se diferencian por completo. Cuando los cromosomas no se recombinan, comienzan a acumularse divergencias de secuencia neutra, lo que se ha utilizado para estimar la edad de los cromosomas sexuales en varios linajes de plantas. Incluso la divergencia estimada más antigua, en la hepáticaMarchantia polymorpha, es más reciente que la divergencia de mamíferos o aves. Debido a esta novedad, la mayoría de los cromosomas sexuales de las plantas también tienen regiones ligadas al sexo relativamente pequeñas. La evidencia actual no apoya la existencia de cromosomas sexuales vegetales más antiguos que los de M. polymorpha.

La alta prevalencia de autopoliploidía en las plantas también afecta la estructura de sus cromosomas sexuales. La poliploidización puede ocurrir antes y después del desarrollo de los cromosomas sexuales. Si ocurre después de que se establezcan los cromosomas sexuales, la dosis debe ser constante entre los cromosomas sexuales y los autosomas, con un impacto mínimo en la diferenciación sexual. Si ocurre antes de que los cromosomas sexuales se vuelvan heteromórficos, como es probable en la acedera roja octoploide Rumex acetosella, el sexo se determina en un solo sistema XY. En un sistema más complicado, la especie de sándalo Viscum fischeri tiene cromosomas X1X1X2X2 en las hembras y cromosomas X1X2Y en los machos.

Composición y evolución de secuencias

La amplificación de elementos transponibles, las repeticiones en tándem, especialmente la acumulación de retrotransposones de repeticiones en tándem largas (LTR), son responsables de la evolución de los cromosomas sexuales de las plantas. La inserción de retrotransposones es probablemente la principal causa de la expansión del cromosoma Y y la evolución del tamaño del genoma de la planta. Las retrotransposonas contribuyen a la determinación del tamaño de los cromosomas sexuales y su proliferación varía incluso en especies estrechamente relacionadas. Las repeticiones LTR y en tándem juegan un papel dominante en la evolución de los cromosomas sexuales de S. latifolia. Athila es una nueva familia de retroelementos descubierta en Arabidopsis thaliana, presente solo en la región de heterocromatina. Los retroelementos de Athila están sobrerrepresentados en X pero ausentes en Y, mientras que las repeticiones en tándem están enriquecidas en el cromosoma Y. También se han identificado algunas secuencias de cloroplastos en el cromosoma Y de S. latifolia. S. vulgaris tiene más retroelementos en sus cromosomas sexuales en comparación con S. latifolia. Los datos de microsatélites muestran que no hay una diferencia significativa entre los microsatélites de los cromosomas X e Y en ambos Sileneespecies. Esto concluiría que los microsatélites no participan en la evolución del cromosoma Y. La porción del cromosoma Y que nunca se recombina con el cromosoma X se enfrenta a una reducción de la selección. Esta selección reducida conduce a la inserción de elementos transponibles ya la acumulación de mutaciones deletéreas. El Y se vuelve más grande y más pequeño que X debido a la inserción de retroelementos y la eliminación de material genético, respectivamente. El género Humulus también se utiliza como modelo para el estudio de la evolución de los cromosomas sexuales. Según la distribución de topología filogenética, hay tres regiones en los cromosomas sexuales. Una región que deja de recombinarse en el ancestro de H. lupulus, la segunda que deja de recombinarse en el H. lupulus moderno y la tercera región denominada región pseudoautosómica.H. lupulus es el caso raro de plantas en las que Y es más pequeña que X, mientras que su planta antepasada tiene el mismo tamaño de cromosomas X e Y. Esta diferencia de tamaño debería ser causada por la eliminación de material genético en Y, pero ese no es el caso. Esto se debe a dinámicas complejas, como que el tamaño más grande de X que el cromosoma Y puede deberse a la duplicación o retrotransposición y el tamaño de Y sigue siendo el mismo.

Plantas no vasculares

Los helechos y los licofitos tienen gametofitos bisexuales, por lo que no hay evidencia de cromosomas sexuales. En las briófitas, incluidas las hepáticas, los antocerotes y los musgos, los cromosomas sexuales son comunes. Los cromosomas sexuales en los briófetos afectan qué tipo de gameto produce el gametofito, y existe una amplia diversidad en el tipo de gametofito. A diferencia de las plantas con semillas, donde los gametofitos son siempre unisexuales, en las briófitas pueden producir gametos masculinos, femeninos o ambos.

Los briófitos emplean más comúnmente un sistema de determinación de sexo UV, donde U produce gametofitos femeninos y V produce gametofitos masculinos. Los cromosomas U y V son heteromórficos con U más grande que V y, con frecuencia, ambos son más grandes que los autosomas. Hay variaciones incluso dentro de este sistema, incluidos los arreglos cromosómicos UU/V y U/VV. En algunas briófitas, se ha encontrado que los microcromosomas coexisten con los cromosomas sexuales y probablemente afectan la determinación del sexo.

Gimnospermas

La dioecia es común entre las gimnospermas y se encuentra en aproximadamente el 36% de las especies. Sin embargo, los cromosomas sexuales heteromórficos son relativamente raros, con solo 5 especies conocidas en 2014. Cinco de ellas usan un sistema XY y una ( Ginkgo biloba ) usa un sistema WZ. Algunas gimnospermas, como el pino de Johann ( Pinus johannis ), tienen cromosomas sexuales homomórficos que son casi indistinguibles a través del cariotipo.

Angiospermas

Las angiospermas cosexuales con flores monoicas o hermafroditas no tienen cromosomas sexuales. Las angiospermas con sexos separados (dioicas) pueden usar cromosomas sexuales o flores ambientales para determinar el sexo. Los datos citogenéticos de unas 100 especies de angiospermas mostraron cromosomas sexuales heteromórficos en aproximadamente la mitad, en su mayoría en forma de sistemas de determinación del sexo XY. Su Y es típicamente más grande, a diferencia de los humanos; sin embargo, existe diversidad entre las angiospermas. En el género Poplar ( Populus ), algunas especies tienen heterogamia masculina mientras que otras tienen heterogamia femenina.Los cromosomas sexuales han surgido de forma independiente varias veces en las angiospermas, a partir de la condición ancestral monoica. El paso de un sistema monoico a un sistema dioico requiere la presencia de mutaciones de esterilidad masculina y femenina en la población. Es probable que la esterilidad masculina surja primero como una adaptación para evitar la autofecundación. Una vez que la esterilidad masculina ha alcanzado cierta prevalencia, entonces la esterilidad femenina puede tener la oportunidad de surgir y propagarse.

En la papaya domesticada ( Carica papaya ), están presentes tres cromosomas sexuales, denominados X, Y e Y. Esto corresponde a tres sexos: hembras con cromosomas XX, machos con XY y hermafroditas con XY. Se estima que el sexo hermafrodita surgió hace solo 4000 años, después de la domesticación de la planta. La arquitectura genética sugiere que el cromosoma Y tiene un gen que inactiva X, o que el cromosoma Y tiene un gen que activa X.

Aplicaciones médicas

Los alosomas no solo portan los genes que determinan los rasgos masculinos y femeninos, sino también los de otras características. Se dice que los genes que son transportados por cualquiera de los cromosomas sexuales están ligados al sexo. Las enfermedades ligadas al sexo se transmiten de padres a hijos a través de uno de los cromosomas X o Y. Dado que generalmente los hombres heredan los cromosomas Y, son los únicos que heredan los rasgos ligados a Y. Los hombres y las mujeres pueden obtener los ligados al cromosoma X, ya que ambos heredan los cromosomas X.

Se dice que un alelo es dominante o recesivo. La herencia dominante ocurre cuando un gen anormal de uno de los padres causa una enfermedad a pesar de que el gen correspondiente del otro padre es normal. El alelo anormal domina. La herencia recesiva es cuando ambos genes coincidentes deben ser anormales para causar la enfermedad. Si solo un gen en el par es anormal, la enfermedad no ocurre o es leve. Alguien que tiene un gen anormal (pero sin síntomas) se llama portador. Un portador puede transmitir este gen anormal a sus hijos.El cromosoma X lleva alrededor de 1500 genes, más que cualquier otro cromosoma en el cuerpo humano. La mayoría de ellos codifican algo más que rasgos anatómicos femeninos. Muchos de los genes ligados al cromosoma X que no determinan el sexo son responsables de las condiciones anormales. El cromosoma Y lleva alrededor de 78 genes. La mayoría de los genes del cromosoma Y están involucrados en las actividades esenciales de mantenimiento de las células y en la producción de espermatozoides. Solo uno de los genes del cromosoma Y, el gen SRY, es responsable de los rasgos anatómicos masculinos. Cuando alguno de los 9 genes involucrados en la producción de espermatozoides falta o es defectuoso, el resultado suele ser un recuento muy bajo de espermatozoides e infertilidad. Los ejemplos de mutaciones en el cromosoma X incluyen enfermedades más comunes como las siguientes:

• El daltonismo o la deficiencia de la visión del color es la incapacidad o la disminución de la capacidad para ver el color o percibir las diferencias de color en condiciones normales de iluminación. El daltonismo afecta a muchos individuos de la población. No hay ceguera real, pero hay una deficiencia de la visión del color. La causa más habitual es una falla en el desarrollo de uno o más conjuntos de conos retinianos que perciben el color en la luz y transmiten esa información al nervio óptico. Este tipo de daltonismo suele ser una condición ligada al sexo. Los genes que producen fotopigmentos se encuentran en el cromosoma X; si algunos de estos genes faltan o están dañados, el daltonismo se expresará en los hombres con mayor probabilidad que en las mujeres porque los hombres solo tienen un cromosoma X.
• La hemofilia se refiere a un grupo de trastornos hemorrágicos en los que la sangre tarda mucho en coagularse. Esto se conoce como recesivo ligado al X. La hemofilia es mucho más común en hombres que en mujeres porque los hombres son hemicigotos. Solo tienen una copia del gen en cuestión y, por lo tanto, expresan el rasgo cuando heredan un alelo mutante. Por el contrario, una hembra debe heredar dos alelos mutantes, un evento menos frecuente ya que el alelo mutante es raro en la población. Los rasgos ligados al cromosoma X se heredan por vía materna de madres portadoras o de un padre afectado. Cada hijo nacido de una madre portadora tiene un 50% de probabilidad de heredar el cromosoma X portador del alelo mutante.
• El síndrome de X frágil es una condición genética que involucra cambios en parte del cromosoma X. Es la forma más común de discapacidad intelectual hereditaria (retraso mental) en los hombres. Es causado por un cambio en un gen llamado FMR1. Una pequeña parte del código genético se repite en un área frágil del cromosoma X. Cuantas más repeticiones, más probable es que haya un problema. Tanto los hombres como las mujeres pueden verse afectados, pero debido a que los hombres tienen solo un cromosoma X, es probable que un solo X frágil los afecte más. La mayoría de los hombres con X frágil tienen testículos grandes, orejas grandes, caras estrechas y trastornos del procesamiento sensorial que resultan en problemas de aprendizaje.

Otras complicaciones incluyen:

• El trastorno testicular del desarrollo sexual 46,XX, también llamado síndrome masculino XX, es una afección en la que los individuos con dos cromosomas X en cada célula, el patrón que normalmente se encuentra en las mujeres, tienen una apariencia masculina. Las personas con este trastorno tienen genitales externos masculinos. En la mayoría de las personas con el trastorno testicular del desarrollo sexual 46,XX, la condición resulta de un intercambio de material genético entre cromosomas (translocación). Este intercambio ocurre como un evento aleatorio durante la formación de espermatozoides en el padre de la persona afectada. El gen SRY (normalmente en el cromosoma Y) está fuera de lugar en este trastorno, en un cromosoma X. Cualquier persona con un cromosoma X que porta el gen SRY desarrollará características masculinas a pesar de no tener un cromosoma Y.