Quimera (genética)

Chimera de rosa de dos colores

Un quimerismo genético o quimera (ky-MEER-ə, kə-) es un único organismo compuesto de células con más de un genotipo distinto. En animales y quimeras humanas, esto significa un individuo derivado de dos o más cigotos, lo que puede incluir la posesión de células sanguíneas de diferentes tipos de sangre, variaciones sutiles en la forma (fenotipo) y, si los cigotos fueran de diferentes sexos, incluso la posesión de órganos sexuales masculinos y femeninos. Las quimeras animales se producen por la fusión de dos (o más) embriones. En las quimeras de plantas, sin embargo, los distintos tipos de tejido pueden tener su origen en el mismo cigoto, y la diferencia a menudo se debe a la mutación durante la división celular ordinaria. Normalmente, el quimerismo genético no es visible en una inspección casual; sin embargo, se ha detectado en el curso de la prueba de filiación. Por el contrario, un individuo en el que cada célula contiene material genético de dos organismos de diferentes razas, variedades, especies o géneros se denomina híbrido.

Otra forma en que el quimerismo puede ocurrir en animales es mediante el trasplante de órganos, dando a un individuo tejidos que se desarrollaron a partir de un genoma diferente. Por ejemplo, el trasplante de médula ósea a menudo determina el tipo de sangre resultante del receptor.

Etimología

Mientras que el dermatólogo alemán Alfred Blaschko describió las líneas de Blaschko en 1901, la ciencia genética tardó hasta la década de 1930 en abordar un vocabulario para el fenómeno. El término quimera genética se ha utilizado al menos desde el artículo de 1944 de Belgovskii.

Animales

Una quimera animal es un organismo único que se compone de dos o más poblaciones diferentes de células genéticamente distintas que se originaron a partir de diferentes cigotos involucrados en la reproducción sexual. Si las diferentes células han surgido del mismo cigoto, el organismo se denomina mosaico. Las quimeras innatas se forman a partir de al menos cuatro células progenitoras (dos óvulos fertilizados o embriones tempranos fusionados). Cada población de células mantiene su propio carácter y el organismo resultante es una mezcla de tejidos. Se han documentado casos de quimeras humanas.

Esta condición es innata o sintética, adquirida por ejemplo a través de la infusión de células sanguíneas alogénicas durante un trasplante o transfusión.

En gemelos no idénticos, el quimerismo innato ocurre por medio de anastomosis de vasos sanguíneos. La probabilidad de que la descendencia sea una quimera aumenta si se crea mediante fertilización in vitro. Las quimeras a menudo pueden reproducirse, pero la fertilidad y el tipo de descendencia dependen de qué línea celular dio origen a los ovarios o testículos; pueden resultar diversos grados de diferencias intersexuales si un conjunto de células es genéticamente femenino y otro genéticamente masculino.

Quimerismo tetragamético

violetas africanas que exhiben chimerismo

El quimerismo tetragamético es una forma de quimerismo congénito. Esta condición ocurre a través de la fertilización de dos óvulos separados por dos espermatozoides, seguida de la agregación de los dos en las etapas de blastocisto o cigoto. Esto da como resultado el desarrollo de un organismo con líneas celulares entremezcladas. Dicho de otra manera, la quimera se forma a partir de la fusión de dos gemelos no idénticos (presumiblemente ocurre una fusión similar con los gemelos idénticos, pero como sus genotipos no son significativamente distintos, el individuo resultante no se consideraría una quimera). Como tales, pueden ser hombres, mujeres o tener características intersexuales mixtas.

A medida que el organismo se desarrolla, puede llegar a poseer órganos que tienen diferentes conjuntos de cromosomas. Por ejemplo, la quimera puede tener un hígado compuesto de células con un conjunto de cromosomas y un riñón compuesto de células con un segundo conjunto de cromosomas. Esto ha ocurrido en humanos, y en un momento se pensó que era extremadamente raro, aunque la evidencia más reciente sugiere que este no es el caso.

Esto es particularmente cierto para el tití. Investigaciones recientes muestran que la mayoría de los titíes son quimeras, que comparten ADN con sus gemelos fraternos. El 95% de los gemelos fraternos tití intercambian sangre a través de fusiones coriónicas, lo que los convierte en quimeras hematopoyéticas.

La mayoría de las quimeras pasarán por la vida sin darse cuenta de que son quimeras. La diferencia en los fenotipos puede ser sutil (por ejemplo,, tener un pulgar de autoestopista y un pulgar recto, ojos de colores ligeramente diferentes, crecimiento diferencial del vello en lados opuestos del cuerpo, etc.) o completamente indetectable. Las quimeras también pueden mostrar, bajo un cierto espectro de luz ultravioleta, marcas distintivas en la espalda que se asemejan a las puntas de flecha que apuntan hacia abajo desde los hombros hasta la parte inferior de la espalda; esta es una expresión de la irregularidad del pigmento llamada líneas de Blaschko.

Otro caso fue el de Karen Keegan, de quien también se sospechaba (inicialmente) que no era la madre biológica de sus hijos, luego de Las pruebas de ADN de sus hijos adultos para un trasplante de riñón que necesitaba parecían mostrar que ella no era su madre.

El estado tetragamético tiene implicaciones importantes para el trasplante de órganos o células madre. Las quimeras suelen tener tolerancia inmunológica a ambas líneas celulares.

Microquimerismo

El microquimerismo es la presencia de un pequeño número de células que son genéticamente distintas de las del individuo huésped. La mayoría de las personas nacen con unas pocas células genéticamente idénticas a las de sus madres. y la proporción de estas células disminuye en individuos sanos a medida que envejecen. Se ha observado que las personas que retienen un mayor número de células genéticamente idénticas a las de su madre tienen tasas más altas de algunas enfermedades autoinmunes, presumiblemente porque el sistema inmunitario es responsable de destruir estas células y un defecto inmunitario común impide que lo haga y también causa problemas autoinmunes. Las tasas más altas de enfermedades autoinmunes debido a la presencia de células derivadas de la madre es la razón por la que en un estudio de 2010 de un hombre de 40 años con una enfermedad similar a la esclerodermia (una enfermedad reumática autoinmune), las células femeninas detectadas en su torrente sanguíneo a través de Se pensaba que FISH (hibridación fluorescente in situ) se derivaba de la madre. Sin embargo, se descubrió que su forma de microquimerismo se debía a un gemelo desaparecido, y se desconoce si el microquimerismo de un gemelo desaparecido también podría predisponer a las personas a enfermedades autoinmunes. Las madres a menudo también tienen algunas células genéticamente idénticas a las de sus hijos, y algunas personas también tienen algunas células genéticamente idénticas a las de sus hermanos (hermanos maternos solamente, ya que estas células se las pasan porque su madre las retuvo).

Quimerismo simbiótico en rape

El quimerismo ocurre naturalmente en el rape ceratioideo adulto y, de hecho, es una parte natural y esencial de su ciclo de vida. Una vez que el macho alcanza la edad adulta, comienza su búsqueda de una hembra. Usando fuertes receptores olfativos (u olfativos), el macho busca hasta que localiza una hembra de rape. El macho, de menos de una pulgada de largo, muerde su piel y libera una enzima que digiere la piel tanto de su boca como de su cuerpo, fusionando la pareja hasta el nivel de los vasos sanguíneos. Si bien este apego se ha vuelto necesario para la supervivencia del macho, eventualmente lo consumirá, ya que ambos rapes se fusionan en un solo individuo hermafrodita. A veces, en este proceso, más de un macho se unirá a una sola hembra como simbionte. En este caso, todos serán consumidos en el cuerpo de la pescadora más grande. Una vez fusionados con una hembra, los machos alcanzarán la madurez sexual, desarrollando grandes testículos a medida que sus otros órganos se atrofian. Este proceso permite que el esperma esté en constante suministro cuando la hembra produce un óvulo, de modo que el pez quimérico pueda tener un mayor número de crías.

Quimerismo de línea germinal

El quimerismo de línea germinal ocurre cuando las células germinales (por ejemplo, espermatozoides y óvulos) de un organismo no son genéticamente idénticas a las suyas. Recientemente se ha descubierto que los titíes pueden portar las células reproductivas de sus hermanos gemelos (fraternos) debido a la fusión placentaria durante el desarrollo. (Los titíes casi siempre dan a luz mellizos).

Quimerismo artificial

Distribución por generación de rasgos chiméricos

Un ejemplo de quimerismo artificial en animales son las quimeras de pollitos de codorniz. Al utilizar el trasplante y la ablación en la etapa de embrión de pollo, se extirparon el tubo neural y las células de la cresta neural del pollo y se reemplazaron con las mismas partes de una codorniz. Una vez que eclosionaron, las plumas de codorniz eran visibles alrededor del área del ala, mientras que el resto del cuerpo del pollito estaba hecho de sus propias células de pollo.

Humanos

Un mecanismo importante del quimerismo humano es el mosaicismo, en el que hay una mutación del material genético en una célula, lo que da lugar a un subconjunto de células que son diferentes del resto. Otro mecanismo es la fusión de más de un cigoto fertilizado en las primeras etapas del desarrollo prenatal.

En el quimerismo artificial, un individuo tiene un linaje celular que se heredó genéticamente en el momento de la formación del embrión humano y el otro se introdujo a través de un procedimiento, incluido el trasplante de órganos o la transfusión de sangre. Los tipos específicos de trasplantes que podrían inducir esta afección incluyen trasplantes de médula ósea y trasplantes de órganos, ya que el cuerpo del receptor esencialmente trabaja para incorporar de forma permanente las nuevas células madre sanguíneas.

Por el contrario, un ser humano en el que cada célula contiene material genético de dos organismos de diferentes razas, variedades, especies o géneros se denomina híbrido humano-animal.

Investigación

Las primeras quimeras de primates conocidas son los gemelos del mono rhesus, Roku y Hex, cada uno con seis genomas. Fueron creados mezclando células de mórulas de cuatro células totipotentes; aunque las células nunca se fusionaron, trabajaron juntas para formar órganos. Se descubrió que uno de estos primates, Roku, era una quimera sexual; ya que el cuatro por ciento de las células sanguíneas de Roku contenían dos cromosomas x.

Un hito importante en la experimentación con quimeras ocurrió en 1984 cuando se produjo una cabra-oveja quimérica mediante la combinación de embriones de una cabra y una oveja, y sobrevivió hasta la edad adulta.

En agosto de 2003, investigadores de la Segunda Universidad Médica de Shanghai en China informaron que habían fusionado con éxito células de piel humana y óvulos de conejo para crear los primeros embriones quiméricos humanos. Se permitió que los embriones se desarrollaran durante varios días en un entorno de laboratorio y luego se destruyeron para recolectar las células madre resultantes. En 2007, científicos de la Facultad de Medicina de la Universidad de Nevada crearon una oveja cuya sangre contenía un 15 % de células humanas y un 85 % de células de oveja.

El 22 de enero de 2019, la Sociedad Nacional de Consejeros Genéticos publicó un artículo: Explicación del quimerismo: cómo una persona puede tener dos conjuntos de ADN sin saberlo, donde afirman que "el quimerismo tetragamético, en el que un embarazo gemelar se convierte en un solo hijo, actualmente es Se cree que es una de las formas más raras. Sin embargo, sabemos que del 20 al 30% de los embarazos únicos fueron originalmente un embarazo gemelar o múltiple. Debido a esta estadística, es muy posible que el quimerismo tetragamético sea más común de lo que implican los datos actuales”.

Esponjas

Se ha encontrado quimerismo en algunas especies de esponjas marinas. Se han encontrado cuatro genotipos distintos en un solo individuo, y existe la posibilidad de una heterogeneidad genética aún mayor. Cada genotipo funciona de forma independiente en términos de reproducción, pero los diferentes genotipos dentro del organismo se comportan como un solo individuo grande en términos de respuestas ecológicas como el crecimiento.

Ratones

Un ratón chimeric con su descendencia, que lleva el gen de color de la capa agouti; note su ojo rosa

Los ratones quiméricos son animales importantes en la investigación biológica, ya que permiten la investigación de una variedad de preguntas biológicas en un animal que tiene dos grupos genéticos distintos dentro de él. Estos incluyen información sobre problemas como los requisitos específicos de tejido de un gen, el linaje celular y el potencial celular.

Los métodos generales para crear ratones quiméricos pueden resumirse mediante inyección o agregación de células embrionarias de diferentes orígenes. El primer ratón quimérico fue creado por Beatrice Mintz en la década de 1960 mediante la agregación de embriones en etapa de ocho células. La inyección, por otro lado, fue iniciada por Richard Gardner y Ralph Brinster, quienes inyectaron células en blastocistos para crear ratones quiméricos con líneas germinales totalmente derivadas de células madre embrionarias inyectadas (células ES). Las quimeras pueden derivarse de embriones de ratón que aún no se han implantado en el útero, así como de embriones implantados. Las células ES de la masa celular interna de un blastocisto implantado pueden contribuir a todos los linajes celulares de un ratón, incluida la línea germinal. Las células ES son una herramienta útil en las quimeras porque los genes pueden mutar en ellas mediante el uso de la recombinación homóloga, lo que permite la selección de genes. Desde que se produjo este descubrimiento en 1988, las células ES se han convertido en una herramienta clave en la generación de ratones quiméricos específicos.

Biología subyacente

La capacidad de hacer quimeras de ratón proviene de la comprensión del desarrollo temprano del ratón. Entre las etapas de fertilización del óvulo y la implantación de un blastocisto en el útero, diferentes partes del embrión de ratón conservan la capacidad de dar lugar a una variedad de linajes celulares. Una vez que el embrión ha alcanzado la etapa de blastocisto, se compone de varias partes, principalmente el trofectodermo, la masa celular interna y el endodermo primitivo. Cada una de estas partes del blastocisto da lugar a diferentes partes del embrión; la masa celular interna da lugar al embrión propiamente dicho, mientras que el trofectodermo y el endodermo primitivo dan lugar a estructuras embrionarias adicionales que sustentan el crecimiento del embrión. Los embriones en etapa de dos a ocho células son competentes para hacer quimeras, ya que en estas etapas de desarrollo, las células de los embriones aún no están comprometidas para dar lugar a ningún linaje celular en particular, y podrían dar lugar a la masa celular interna o el trofectodermo. En el caso de que se utilicen dos embriones diploides de ocho células para hacer una quimera, el quimerismo se puede encontrar más tarde en el epiblasto, el endodermo primitivo y el trofectodermo del blastocisto de ratón.

Es posible diseccionar el embrión en otras etapas para dar lugar a un linaje de células de un embrión de forma selectiva y no al otro. Por ejemplo, se pueden usar subconjuntos de blastómeros para dar lugar a quimeras con un linaje celular específico de un embrión. La masa celular interna de un blastocisto diploide, por ejemplo, puede usarse para hacer una quimera con otro blastocisto de un embrión diploide de ocho células; las células extraídas de la masa celular interna darán lugar al endodermo primitivo y al epiblasto en el ratón quimera. A partir de este conocimiento, se han desarrollado las contribuciones de las células ES a las quimeras. Las células ES se pueden usar en combinación con embriones en etapa de ocho y dos células para hacer quimeras y dar lugar exclusivamente al embrión propiamente dicho. Los embriones que se van a usar en quimeras pueden modificarse genéticamente aún más para contribuir específicamente a solo una parte de la quimera. Un ejemplo es la quimera construida a partir de células ES y embriones tetraploides, que se fabrican artificialmente por electrofusión de dos embriones diploides de dos células. El embrión tetraploide dará lugar exclusivamente al trofectodermo y al endodermo primitivo en la quimera.

Métodos de producción

Hay una variedad de combinaciones que pueden dar lugar a un ratón quimera exitoso y, de acuerdo con el objetivo del experimento, se puede elegir una combinación adecuada de célula y embrión; son generalmente, pero no limitados a embriones diploides y células ES, embriones diploides y embriones diploides, células ES y embriones tetraploides, embriones diploides y embriones tetraploides, células ES y células ES. La combinación de células madre embrionarias y embriones diploides es una técnica común utilizada para la fabricación de ratones quiméricos, ya que la selección de genes se puede realizar en la célula madre embrionaria. Estos tipos de quimeras se pueden hacer mediante la agregación de células madre y el embrión diploide o mediante la inyección de células madre en el embrión diploide. Si las células madre embrionarias se van a utilizar para la selección de genes para hacer una quimera, el siguiente procedimiento es común: una construcción para la recombinación homóloga para el gen objetivo se introducirá en células madre embrionarias de ratón cultivadas del ratón donante, mediante electroporación; las células positivas para el evento de recombinación tendrán resistencia a los antibióticos, proporcionada por el casete de inserción utilizado en la selección de genes; y ser capaz de ser seleccionado positivamente. A continuación, se inyectan células ES con el gen objetivo correcto en un blastocisto de ratón huésped diploide. Luego, estos blastocistos inyectados se implantan en un ratón sustituto hembra pseudopreñado, que llevará a término los embriones y dará a luz a un ratón cuya línea germinal se deriva de las células madre embrionarias del ratón donante. Este mismo procedimiento se puede lograr mediante la agregación de células ES y embriones diploides, los embriones diploides se cultivan en placas de agregación en pozos donde caben embriones individuales, a estos pozos se agregan células ES y los agregados se cultivan hasta que se forma un solo embrión y ha progresado. a la etapa de blastocisto, y luego se puede transferir al ratón sustituto.

Plantas

Ficus con zonas celulares deficientes de clorofila

Estructura

La distinción entre quimeras vegetales sectoriales, mericinales y periclinales es ampliamente utilizada.

Injertar quimeras

mosaico de taxus

Éstos se producen mediante el injerto de progenitores genéticamente diferentes, diferentes cultivares o diferentes especies (que pueden pertenecer a diferentes géneros). Los tejidos pueden fusionarse parcialmente después del injerto para formar un solo organismo en crecimiento que conserva ambos tipos de tejido en un solo brote. Así como es probable que las especies constituyentes difieran en una amplia gama de características, el comportamiento de sus quimeras periclinales parece ser muy variable. La primera quimera conocida de este tipo fue probablemente la Bizzaria, que es una fusión de la cidra florentina y la naranja agria. Ejemplos bien conocidos de una quimera de injerto son Laburnocytisus 'Adamii', causado por una fusión de un Laburnum y una escoba, y "Family" árboles, donde se injertan múltiples variedades de manzanos o perales en el mismo árbol. Muchos árboles frutales se cultivan injertando el cuerpo de un árbol joven en un patrón.

Quimeras cromosómicas

Son quimeras en las que las capas difieren en su constitución cromosómica. Ocasionalmente, las quimeras surgen de la pérdida o ganancia de cromosomas individuales o fragmentos de cromosomas debido a una mala división. Más comúnmente, las citoquimeras tienen un múltiplo simple del complemento cromosómico normal en la capa modificada. Hay varios efectos sobre el tamaño celular y las características de crecimiento.

Quimeras diferenciales de genes nucleares

Estas quimeras surgen por mutación espontánea o inducida de un gen nuclear a un alelo dominante o recesivo. Como regla, un carácter se ve afectado a la vez en la hoja, flor, fruto u otras partes.

Quimeras diferenciales de genes plástidos

Estas quimeras surgen por mutación espontánea o inducida de un gen plástido, seguida de la separación de dos tipos de plástidos durante el crecimiento vegetativo. Alternativamente, después de la autofecundación o la termodinámica del ácido nucleico, los plástidos pueden clasificarse a partir de un huevo mixto o un cigoto mixto, respectivamente. Este tipo de quimera se reconoce en el momento de su origen por el patrón de clasificación en las hojas. Una vez completada la clasificación, las quimeras periclinales se distinguen de las quimeras diferenciales de genes nucleares de aspecto similar por su herencia no mendeliana. La mayoría de las quimeras de hojas abigarradas son de este tipo.

Todas las quimeras diferenciales de genes de plástidos y algunas de genes nucleares afectan el color de los plásmidos dentro de las hojas, y estos se agrupan como quimeras de clorofila, o preferiblemente como quimeras de hojas abigarradas. Para la mayoría de las variedades, la mutación involucrada es la pérdida de los cloroplastos en el tejido mutado, de modo que parte del tejido de la planta no tiene pigmento verde ni capacidad fotosintética. Este tejido mutado no puede sobrevivir por sí solo, pero se mantiene vivo gracias a su asociación con el tejido fotosintético normal. A veces, también se encuentran quimeras con capas que difieren con respecto a sus genes nucleares y plástidos.

Orígenes

Hay múltiples razones para explicar la aparición de quimeras vegetales durante la etapa de recuperación de la planta:

(1) El proceso de organogénesis del brote se inicia desde el origen pluricelular.

(2) La tolerancia endógena conduce a la ineficacia de los agentes selectivos débiles.

(3) Un mecanismo de autoprotección (protección cruzada). Las células transformadas sirven como guardias para proteger a las no transformadas.

(4) La característica observable de las células transgénicas puede ser una expresión transitoria del gen marcador. O puede deberse a la presencia de células de agrobacterium.

Detección

Las celdas no transformadas deben ser fáciles de detectar y eliminar para evitar quimeras. Esto se debe a que es importante mantener la capacidad estable de las plantas transgénicas a lo largo de diferentes generaciones. Los genes indicadores como GUS y la proteína fluorescente verde (GFP) se utilizan en combinación con marcadores selectivos de plantas (herbicida, anticuerpo, etc.). Sin embargo, la expresión de GUS depende de la etapa de desarrollo de la planta y la GFP puede verse influenciada por la autofluorescencia del tejido verde. La PCR cuantitativa podría ser un método alternativo para la detección de quimeras.

Virus

Boiling Springs Lake, California, es donde se encontró el primer virus natural chimeric en 2012.

En 2012, se descubrió inesperadamente el primer ejemplo de un virus híbrido de ARN-ADN de origen natural durante un estudio metagenómico del entorno ácido extremo del lago Boiling Springs, que se encuentra en el Parque Nacional Volcánico Lassen, California. El virus se denominó BSL-RDHV (virus híbrido de ARN y ADN de Boiling Spring Lake). Su genoma está relacionado con un circovirus ADN, que suele infectar aves y cerdos, y un tombusvirus ARN, que infectan plantas. El estudio sorprendió a los científicos, porque los virus de ADN y ARN varían y no se entendió la forma en que se unió la quimera.

También se han encontrado otras quimeras virales, y el grupo se conoce como virus CHIV ("virus quiméricos").

Ética y legislación

Ética

Estados Unidos y Europa occidental tienen estrictos códigos de ética y regulaciones que prohíben expresamente ciertos subconjuntos de experimentación con células humanas, aunque existe una gran diferencia en el marco regulatorio. A través de la creación de quimeras humanas surge la pregunta: ¿dónde traza ahora la sociedad la línea de la humanidad? Esta pregunta plantea serios problemas legales y morales, además de crear controversia. A los chimpancés, por ejemplo, no se les ofrece ningún estatus legal y son sacrificados si representan una amenaza para los humanos. Si se modifica genéticamente a un chimpancé para que se parezca más a un humano, puede desdibujarse la línea ética entre animal y humano. El debate legal sería el siguiente paso en el proceso para determinar si ciertas quimeras deberían tener derechos legales. Junto con los problemas relacionados con los derechos de las quimeras, las personas han expresado su preocupación sobre si la creación de quimeras humanas disminuye o no la "dignidad" de ser humano.