Cromosoma

Un cromosoma es una molécula larga de ADN con parte o todo el material genético de un organismo. La mayoría de los cromosomas eucarióticos incluyen proteínas de empaque llamadas histonas que, con la ayuda de proteínas chaperonas, se unen y condensan la molécula de ADN para mantener su integridad. Estos cromosomas muestran una estructura tridimensional compleja, que juega un papel importante en la regulación transcripcional.

Los cromosomas normalmente son visibles bajo un microscopio óptico solo durante la metafase de la división celular (donde todos los cromosomas están alineados en el centro de la célula en su forma condensada). Antes de que esto suceda, cada cromosoma se duplica (fase S) y ambas copias se unen mediante un centrómero, lo que da como resultado una estructura en forma de X (en la imagen de arriba), si el centrómero está ubicado ecuatorialmente, o una estructura de dos brazos, si el centrómero se encuentra distalmente. Las copias unidas ahora se llaman cromátidas hermanas. Durante la metafase, la estructura en forma de X se denomina cromosoma en metafase, que está muy condensado y, por lo tanto, es más fácil de distinguir y estudiar. En las células animales, los cromosomas alcanzan su mayor nivel de compactación en la anafase durante la segregación cromosómica.

La recombinación cromosómica durante la meiosis y la posterior reproducción sexual juegan un papel importante en la diversidad genética. Si estas estructuras se manipulan incorrectamente, a través de procesos conocidos como inestabilidad cromosómica y translocación, la célula puede sufrir una catástrofe mitótica. Por lo general, esto hará que la célula inicie la apoptosis que conduce a su propia muerte, pero a veces las mutaciones en la célula dificultan este proceso y, por lo tanto, provocan la progresión del cáncer.

Algunos usan el término cromosoma en un sentido más amplio, para referirse a las porciones individualizadas de cromatina en las células, visibles o no al microscopio óptico. Otros utilizan el concepto en un sentido más estricto, para referirse a las porciones individualizadas de cromatina durante la división celular, visibles al microscopio óptico debido a la alta condensación.

Etimología

La palabra cromosoma ( / ˈ k r oʊ m ə ˌ s oʊ m , - ˌ z oʊ m / ) proviene del griego χρῶμα ( chroma , "color") y σῶμα ( soma , "cuerpo"), describiendo su fuerte tinción por tintes particulares. El término fue acuñado por el anatomista alemán Heinrich Wilhelm Waldeyer, en referencia al término cromatina, que fue introducido por Walther Flemming, el descubridor de la división celular.

Algunos de los primeros términos cariológicos han quedado obsoletos. Por ejemplo, Chromatin (Flemming 1880) y Chromosom (Waldeyer 1888), ambos atribuyen color a un estado no coloreado.

Historia del descubrimiento

Los científicos alemanes Schleiden, Virchow y Bütschli estuvieron entre los primeros científicos que reconocieron las estructuras ahora conocidas como cromosomas.

En una serie de experimentos que comenzaron a mediados de la década de 1880, Theodor Boveri hizo contribuciones definitivas para dilucidar que los cromosomas son los vectores de la herencia, con dos nociones que se conocieron como "continuidad cromosómica" e "individualidad cromosómica".

Wilhelm Roux sugirió que cada cromosoma tiene una configuración genética diferente, y Boveri pudo probar y confirmar esta hipótesis. Con la ayuda del redescubrimiento a principios del siglo XX del trabajo anterior de Gregor Mendel, Boveri pudo señalar la conexión entre las reglas de la herencia y el comportamiento de los cromosomas. Boveri influyó en dos generaciones de citólogos estadounidenses: Edmund Beecher Wilson, Nettie Stevens, Walter Sutton y Theophilus Painter fueron influenciados por Boveri (Wilson, Stevens y Painter en realidad trabajaron con él).

En su famoso libro de texto The Cell in Development and Heredity , Wilson vinculó el trabajo independiente de Boveri y Sutton (ambos alrededor de 1902) al nombrar la teoría cromosómica de la herencia teoría cromosómica de Boveri-Sutton (los nombres a veces se invierten). Ernst Mayr comenta que la teoría fue fuertemente cuestionada por algunos genetistas famosos: William Bateson, Wilhelm Johannsen, Richard Goldschmidt y TH Morgan, todos con una mentalidad más bien dogmática. Eventualmente, la prueba completa provino de los mapas cromosómicos en el propio laboratorio de Morgan.

El número de cromosomas humanos fue publicado en 1923 por Theophilus Painter. Por inspección a través del microscopio, contó 24 pares, lo que significaría 48 cromosomas. Su error fue copiado por otros y no fue hasta 1956 que el citogenetista nacido en Indonesia, Joe Hin Tjio, determinó el número real, 46.

Procariotas

Los procariotas (bacterias y arqueas) suelen tener un solo cromosoma circular, pero existen muchas variaciones. Los cromosomas de la mayoría de las bacterias, que algunos autores prefieren llamar genóforos, pueden variar en tamaño desde solo 130 000 pares de bases en las bacterias endosimbióticas Candidatus Hodgkinia cicadicola y Candidatus Tremblaya princeps , hasta más de 14 000 000 de pares de bases en la bacteria del suelo Sorangium cellulosum . Las espiroquetas del género Borrelia son una notable excepción a este arreglo, con bacterias como Borrelia burgdorferi , la causa de la enfermedad de Lyme, que contiene un solo cromosoma lineal .

Estructura en secuencias

Los cromosomas procarióticos tienen menos estructura basada en secuencias que los eucariotas. Las bacterias suelen tener un único punto (el origen de la replicación) a partir del cual comienza la replicación, mientras que algunas arqueas contienen múltiples orígenes de replicación. Los genes en los procariotas a menudo se organizan en operones y no suelen contener intrones, a diferencia de los eucariotas.

Empaque de ADN

Los procariotas no poseen núcleos. En cambio, su ADN está organizado en una estructura llamada nucleoide. El nucleoide es una estructura distinta y ocupa una región definida de la célula bacteriana. Sin embargo, esta estructura es dinámica y se mantiene y remodela por las acciones de una variedad de proteínas similares a las histonas, que se asocian con el cromosoma bacteriano. En las arqueas, el ADN en los cromosomas está aún más organizado, con el ADN empaquetado dentro de estructuras similares a los nucleosomas eucariotas.

Ciertas bacterias también contienen plásmidos u otro ADN extracromosómico. Estas son estructuras circulares en el citoplasma que contienen ADN celular y juegan un papel en la transferencia horizontal de genes. En procariotas (ver nucleoides) y virus, el ADN suele estar densamente empaquetado y organizado; en el caso de las arqueas, por homología con las histonas eucariotas, y en el caso de las bacterias, por proteínas similares a las histonas.

Los cromosomas bacterianos tienden a estar atados a la membrana plasmática de la bacteria. En la aplicación de biología molecular, esto permite su aislamiento del ADN plasmídico mediante centrifugación de bacterias lisadas y sedimentación de las membranas (y el ADN adherido).

Los cromosomas y plásmidos procarióticos, como el ADN eucariótico, generalmente están superenrollados. Primero, el ADN debe liberarse en su estado relajado para acceder a la transcripción, regulación y replicación.

Eucariotas

Cada cromosoma eucariótico consta de una larga molécula de ADN lineal asociada con proteínas, formando un complejo compacto de proteínas y ADN llamado cromatina. La cromatina contiene la gran mayoría del ADN de un organismo, pero una pequeña cantidad heredada por vía materna se puede encontrar en las mitocondrias. Está presente en la mayoría de las células, con algunas excepciones, por ejemplo, en los glóbulos rojos.

Las histonas son responsables de la primera y más básica unidad de organización cromosómica, el nucleosoma.

Los eucariotas (células con núcleos como los que se encuentran en plantas, hongos y animales) poseen múltiples cromosomas lineales grandes contenidos en el núcleo de la célula. Cada cromosoma tiene un centrómero, con uno o dos brazos que se proyectan desde el centrómero, aunque, en la mayoría de las circunstancias, estos brazos no son visibles como tales. Además, la mayoría de los eucariotas tienen un pequeño genoma mitocondrial circular, y algunos eucariotas pueden tener pequeños cromosomas citoplasmáticos circulares o lineales adicionales.

Las principales estructuras en la compactación del ADN: el ADN, el nucleosoma, la fibra de "cuentas en una cuerda" de 10 nm, la fibra de 30 nm y el cromosoma en metafase.

En los cromosomas nucleares de los eucariotas, el ADN no condensado existe en una estructura semiordenada, donde se envuelve alrededor de las histonas (proteínas estructurales), formando un material compuesto llamado cromatina.

Cromatina en interfase

El empaquetamiento del ADN en los nucleosomas genera una fibra de 10 nanómetros que puede condensarse aún más hasta fibras de 30 nm . La mayor parte de la eucromatina en los núcleos en interfase parece estar en forma de fibras de 30 nm. La estructura de la cromatina es el estado más descondensado, es decir, la conformación de 10 nm permite la transcripción.

Durante la interfase (el período del ciclo celular en el que la célula no se divide), se pueden distinguir dos tipos de cromatina:

• Eucromatina, que consiste en ADN activo, por ejemplo, que se expresa como proteína.
• Heterocromatina, que consiste principalmente en ADN inactivo. Parece tener propósitos estructurales durante las etapas cromosómicas. La heterocromatina se puede distinguir en dos tipos:
  • Heterocromatina constitutiva , que nunca se expresa. Se encuentra alrededor del centrómero y suele contener secuencias repetitivas.
  • Heterocromatina facultativa , que a veces se expresa.

Cromatina metafásica y división.

En las primeras etapas de la mitosis o meiosis (división celular), la doble hélice de la cromatina se condensa cada vez más. Dejan de funcionar como material genético accesible (se detiene la transcripción) y se convierten en una forma compacta transportable. Se cree que los bucles de las fibras de cromatina de 30 nm se pliegan más sobre sí mismos para formar los cromosomas compactos en metafase de las células mitóticas. El ADN se condensa así unas 10.000 veces.

El andamiaje cromosómico, que está hecho de proteínas como la condensina, TOP2A y KIF4, juega un papel importante en mantener la cromatina en cromosomas compactos. Los bucles de estructura de 30 nm se condensan aún más con el andamio en estructuras de orden superior.

Esta forma altamente compacta hace que los cromosomas individuales sean visibles y forman la clásica estructura de cuatro brazos, un par de cromátidas hermanas unidas entre sí en el centrómero. Los brazos más cortos se llaman brazos p (del francés petit , pequeño) y los brazos más largos se llaman brazos q ( q sigue a p en el alfabeto latino; qg "grande"; alternativamente, a veces se dice q es la abreviatura de cola que significa cola en francés ). Este es el único contexto natural en el que los cromosomas individuales son visibles con un microscopio óptico.

Los cromosomas en metafase mitótica se describen mejor mediante una matriz comprimida longitudinalmente organizada linealmente de bucles de cromatina consecutivos.

Durante la mitosis, los microtúbulos crecen a partir de los centrosomas ubicados en los extremos opuestos de la célula y también se unen al centrómero en estructuras especializadas llamadas cinetocoros, una de las cuales está presente en cada cromátida hermana. Una secuencia de bases de ADN especial en la región de los cinetocoros proporciona, junto con proteínas especiales, una unión más duradera en esta región. Luego, los microtúbulos separan las cromátidas hacia los centrosomas, de modo que cada célula hija hereda un conjunto de cromátidas. Una vez que las células se han dividido, las cromátidas se desenrollan y el ADN puede transcribirse nuevamente. A pesar de su apariencia, los cromosomas están estructuralmente muy condensados, lo que permite que estas estructuras gigantes de ADN estén contenidas dentro de un núcleo celular.

Cromosomas humanos

Los cromosomas en humanos se pueden dividir en dos tipos: autosomas (cromosomas corporales) y alosomas (cromosomas sexuales). Ciertos rasgos genéticos están vinculados al sexo de una persona y se transmiten a través de los cromosomas sexuales. Los autosomas contienen el resto de la información genética hereditaria. Todos actúan de la misma manera durante la división celular. Las células humanas tienen 23 pares de cromosomas (22 pares de autosomas y un par de cromosomas sexuales), lo que da un total de 46 por célula. Además de estos, las células humanas tienen muchos cientos de copias del genoma mitocondrial. La secuenciación del genoma humano ha proporcionado una gran cantidad de información sobre cada uno de los cromosomas. A continuación se muestra una tabla que recopila estadísticas de los cromosomas, basada en la información del genoma humano del Instituto Sanger en la base de datos Vertebrate Genome Annotation (VEGA).El número de genes es una estimación, ya que se basa en parte en predicciones de genes. La longitud total de los cromosomas también es una estimación, basada en el tamaño estimado de las regiones de heterocromatina no secuenciadas.

Número en varios organismos

En eucariotas

El número de cromosomas en eucariotas es muy variable (ver tabla). De hecho, los cromosomas pueden fusionarse o romperse y, por lo tanto, evolucionar hacia nuevos cariotipos. Los cromosomas también se pueden fusionar artificialmente. Por ejemplo, los 16 cromosomas de la levadura se fusionaron en un cromosoma gigante y las células aún eran viables con tasas de crecimiento solo algo reducidas.

Las siguientes tablas dan el número total de cromosomas (incluidos los cromosomas sexuales) en el núcleo de una célula. Por ejemplo, la mayoría de los eucariotas son diploides, como los humanos, que tienen 22 tipos diferentes de autosomas, cada uno de los cuales se presenta como dos pares homólogos y dos cromosomas sexuales. Esto da 46 cromosomas en total. Otros organismos tienen más de dos copias de sus tipos de cromosomas, como el trigo harinero, que es hexaploide y tiene seis copias de siete tipos de cromosomas diferentes: 42 cromosomas en total.

Los miembros normales de una especie eucariota en particular tienen todos el mismo número de cromosomas nucleares (ver la tabla). Otros cromosomas eucarióticos, es decir, los pequeños cromosomas mitocondriales y similares a plásmidos, son mucho más variables en número, y puede haber miles de copias por célula.

Las especies que se reproducen asexualmente tienen un conjunto de cromosomas que son iguales en todas las células del cuerpo. Sin embargo, las especies asexuales pueden ser haploides o diploides.

Las especies que se reproducen sexualmente tienen células somáticas (células del cuerpo), que son diploides [2n] y tienen dos juegos de cromosomas (23 pares en humanos), uno de la madre y otro del padre. Los gametos, células reproductivas, son haploides [n]: tienen un conjunto de cromosomas. Los gametos se producen por meiosis de una célula de línea germinal diploide. Durante la meiosis, los cromosomas coincidentes del padre y la madre pueden intercambiar pequeñas partes de sí mismos (entrecruzamiento) y, por lo tanto, crear nuevos cromosomas que no se heredan únicamente de ninguno de los padres. Cuando un gameto masculino y uno femenino se fusionan (fertilización), se forma un nuevo organismo diploide.

Algunas especies animales y vegetales son poliploides [Xn]: tienen más de dos juegos de cromosomas homólogos. Las plantas importantes en la agricultura, como el tabaco o el trigo, suelen ser poliploides en comparación con sus especies ancestrales. El trigo tiene un número haploide de siete cromosomas, que todavía se ve en algunos cultivares, así como en los progenitores silvestres. Los tipos más comunes de trigo para pasta y pan son poliploides, con 28 cromosomas (tetraploides) y 42 (hexaploides), en comparación con los 14 cromosomas (diploides) del trigo silvestre.

En procariotas

Las especies de procariotas generalmente tienen una copia de cada cromosoma principal, pero la mayoría de las células pueden sobrevivir fácilmente con múltiples copias. Por ejemplo, Buchnera , un simbionte de pulgones tiene múltiples copias de su cromosoma, que van desde 10 a 400 copias por célula. Sin embargo, en algunas bacterias grandes, como Epulopiscium fishelsoni , pueden estar presentes hasta 100.000 copias del cromosoma. Los plásmidos y los pequeños cromosomas similares a plásmidos son, como en los eucariotas, muy variables en el número de copias. La cantidad de plásmidos en la célula está determinada casi en su totalidad por la tasa de división del plásmido: la división rápida provoca un alto número de copias.

Cariotipo

En general, el cariotipo es el complemento cromosómico característico de una especie eucariota. La preparación y estudio de cariotipos es parte de la citogenética.

Aunque la replicación y la transcripción del ADN están muy estandarizadas en los eucariotas, no se puede decir lo mismo de sus cariotipos, que suelen ser muy variables. Puede haber variaciones entre especies en el número de cromosomas y en la organización detallada. En algunos casos, existe una variación significativa dentro de las especies. A menudo hay:1. variación entre los dos sexos2. variación entre la línea germinal y el soma (entre los gametos y el resto del cuerpo)3. variación entre los miembros de una población, debido al polimorfismo genético equilibrado4. variación geográfica entre razas5. mosaicos o individuos anormales.

Además, la variación en el cariotipo puede ocurrir durante el desarrollo del óvulo fertilizado.

La técnica de determinación del cariotipo suele denominarse cariotipado . Las células se pueden bloquear a mitad de la división (en metafase) in vitro (en un vial de reacción) con colchicina. Luego, estas células se tiñen, se fotografían y se organizan en un cariograma , con el conjunto de cromosomas dispuestos, los autosomas en orden de longitud y los cromosomas sexuales (aquí X/Y) al final.

Como muchas especies que se reproducen sexualmente, los humanos tienen gonosomas especiales (cromosomas sexuales, en contraste con los autosomas). Estos son XX en mujeres y XY en hombres.

Historia y técnicas de análisis.

La investigación del cariotipo humano tomó muchos años para resolver la pregunta más básica: ¿Cuántos cromosomas contiene una célula humana diploide normal? En 1912, Hans von Winiwarter reportó 47 cromosomas en espermatogonias y 48 en ovogonias, concluyendo un mecanismo de determinación del sexo XX/XO. Painter en 1922 no estaba seguro de si el número diploide del hombre es 46 o 48, al principio a favor de 46. Más tarde revisó su opinión de 46 a 48 e insistió correctamente en que los humanos tienen un sistema XX/XY.

Se necesitaban nuevas técnicas para resolver definitivamente el problema:

1. Uso de células en cultivo.
2. Detención de la mitosis en metafase por una solución de colchicina
3. Pretratar las células en una solución hipotónica de 0,075 M KCl, que las hincha y disemina los cromosomas.
4. Aplastar la preparación en el portaobjetos forzando los cromosomas en un solo plano
5. Cortar una fotomicrografía y ordenar el resultado en un cariograma indiscutible.

Fue hasta 1954 que se confirmó que el número diploide humano era 46. Teniendo en cuenta las técnicas de Winiwarter y Painter, sus resultados fueron bastante notables. Los chimpancés, los parientes vivos más cercanos a los humanos modernos, tienen 48 cromosomas al igual que los otros grandes simios: en los humanos, dos cromosomas se fusionaron para formar el cromosoma 2.

Aberraciones

Las aberraciones cromosómicas son alteraciones en el contenido cromosómico normal de una célula y son una de las principales causas de afecciones genéticas en humanos, como el síndrome de Down, aunque la mayoría de las aberraciones tienen poco o ningún efecto. Algunas anomalías cromosómicas no causan enfermedades en las portadoras, como translocaciones o inversiones cromosómicas, aunque pueden aumentar las posibilidades de tener un hijo con un trastorno cromosómico. Los números anormales de cromosomas o conjuntos de cromosomas, llamados aneuploidías, pueden ser letales o pueden dar lugar a trastornos genéticos. Se ofrece asesoramiento genético a las familias que pueden tener un reordenamiento cromosómico.

La ganancia o pérdida de ADN de los cromosomas puede conducir a una variedad de trastornos genéticos. Los ejemplos humanos incluyen:

• Cri du chat, que es causado por la eliminación de parte del brazo corto del cromosoma 5. "Cri du chat" significa "llanto del gato" en francés; la condición se llamó así porque los bebés afectados emiten gritos agudos que suenan como los de un gato. Las personas afectadas tienen ojos muy separados, cabeza y mandíbula pequeñas, problemas de salud mental de moderados a graves y son muy bajos.
• Síndrome de Down, la trisomía más común, generalmente causada por una copia adicional del cromosoma 21 (trisomía 21). Las características incluyen disminución del tono muscular, complexión más robusta, cráneo asimétrico, ojos rasgados y discapacidad del desarrollo de leve a moderada.
• Síndrome de Edwards, o trisomía-18, la segunda trisomía más común. Los síntomas incluyen retraso motor, discapacidad del desarrollo y numerosas anomalías congénitas que causan problemas de salud graves. El noventa por ciento de los afectados mueren en la infancia. Tienen las manos apretadas características y los dedos superpuestos.
• Isodicéntrico 15, también llamado idic(15), tetrasomía parcial 15q o duplicación invertida 15 (inv dup 15).
• Síndrome de Jacobsen, que es muy raro. También se denomina trastorno de deleción terminal 11q. Los afectados tienen una inteligencia normal o una discapacidad leve del desarrollo, con pocas habilidades de lenguaje expresivo. La mayoría tiene un trastorno hemorrágico llamado síndrome de Paris-Trousseau.
• Síndrome de Klinefelter (XXY). Los hombres con síndrome de Klinefelter suelen ser estériles y tienden a ser más altos y tienen brazos y piernas más largos que sus pares. Los niños con el síndrome suelen ser tímidos y callados y tienen una mayor incidencia de retraso en el habla y dislexia. Sin tratamiento con testosterona, algunos pueden desarrollar ginecomastia durante la pubertad.
• Síndrome de Patau, también llamado Síndrome D o trisomía-13. Los síntomas son algo similares a los de la trisomía 18, sin la característica mano plegada.
• Pequeño cromosoma marcador supernumerario. Esto significa que hay un cromosoma extra anormal. Las características dependen del origen del material genético adicional. El síndrome del ojo de gato y el síndrome del cromosoma 15 isodicéntrico (o Idic15) son causados ​​por un cromosoma marcador supernumerario, al igual que el síndrome de Pallister-Killian.
• Síndrome Triple-X (XXX). Las chicas XXX tienden a ser altas y delgadas y tienen una mayor incidencia de dislexia.
• Síndrome de Turner (X en lugar de XX o XY). En el síndrome de Turner, las características sexuales femeninas están presentes pero subdesarrolladas. Las mujeres con síndrome de Turner a menudo tienen una estatura baja, una línea del cabello baja, características oculares anormales y desarrollo óseo y una apariencia "hundida" en el pecho.
• Síndrome de Wolf-Hirschhorn, que es causado por la eliminación parcial del brazo corto del cromosoma 4. Se caracteriza por retraso en el crecimiento, retraso en el desarrollo de las habilidades motoras, rasgos faciales de "casco griego" y problemas de salud mental de leves a profundos.
• síndrome XYY. Los niños XYY suelen ser más altos que sus hermanos. Al igual que los niños XXY y las niñas XXX, es más probable que tengan dificultades de aprendizaje.

Aneuploidía espermática

La exposición de los hombres a ciertos peligros del estilo de vida, ambientales y/o laborales puede aumentar el riesgo de espermatozoides aneuploides. En particular, el riesgo de aneuploidía aumenta con el tabaquismo y la exposición ocupacional al benceno, insecticidas y compuestos perfluorados. El aumento de la aneuploidía a menudo se asocia con un mayor daño en el ADN de los espermatozoides.