Estructura y comportamiento de los cromosomas sexuales durante la meiosis de mamíferos

Resumen

La meiosis es un tipo especial de división celular en el que se reduce a la mitad el número cromosómico de la especie. Durante la meiosis ocurren una serie de fenómenos celulares que son exclusivos de este tipo de división: el apareamiento (asociación de los cromosomas homólogos en el núcleo), la sinapsis, la recombinación y la segregación de los cromosomas homólogos. Se entiende por sinapsis la asociación física de las parejas de homólogos durante las primeras etapas de profase I. Esta unión está mediada por el ensamblaje de una estructura característica de meiosis, el complejo sinaptonémico. De manera simultánea a la sinapsis ocurre un fenómeno de recombinación entre los cromosomas homólogos que lleva a la formación de uniones físicas entre ellos conocidas como quiasmas. La formación de los quiasmas, junto con la existencia de mecanismos que mantienen la cohesión entre las cromátidas hermanas, favorece que los cromosomas homólogos se mantengan asociados hasta la metafase de la primera divisi.n meiótica. Así, cada homólogo orientará y migrará con sus dos cromátidas hacia un polo celular, produciéndose un fenómeno de segregación que reduce el número de cromosomas en las células resultantes a la mitad. Este paradigma general se aplica a la mayoría de las especies que se han estudiado hasta la fecha. Sin embargo existen variaciones en algunos de estos procesos que pueden ser característicos de determinados grupos de organismos o de determinados tipos de cromosomas. Algunas de estas excepciones a la regla general han sido descritas en los cromosomas sexuales de una gran variedad de organismos. Estas variaciones son especialmente relevantes en los casos en los que uno de los dos sexos porta una pareja de cromosomas heteromorfos; éste es el caso de los cromosomas X e Y en los machos de los mamíferos. En la mayor parte de los mamíferos estudiados, los cromosomas sexuales comparten una peque.a región de homología (región pseudoautosómica o PAR) en la que normalmente ocurren la sinapsis y la recombinación. En estas especies los cromosomas sexuales segregan de manera correcta durante la primera división meiótica debido a la existencia de un quiasma entre ellos y a la existencia de los mismos mecanismos de cohesión entre cromátidas hermanas que se observan en los autosomas. De este modo, los cromosomas sexuales de la mayoría de los mamíferos parecen comportarse de la misma manera que los autosomas, al menos de forma parcial, respecto de los fenómenos de apareamiento, sinapsis, recombinación y segregación. Sin embargo, se dan ciertas diferencias importantes. En primer lugar, existen procesos de sinapsis entre regiones no homólogas de los cromosomas X e Y que resultan especialmente interesantes. En segundo lugar, debido a las diferencias de tamaño entre estos cromosomas, suelen aparecer de manera generalizada regiones asinápticas en los mismos durante profase I. La presencia de estas regiones asinápticas está asociada a un proceso de inactivación transcripcional característico de los cromosomas sexuales que se relaciona a su vez con la formación de un cuerpo de cromatina diferencialmente condensada denominado cuerpo sexual. Por otro lado, existen especies en diferentes grupos de mamíferos cuyos cromosomas sexuales no sinapsan entre sí ni presentan un quiasma que los mantenga asociados hasta su segregación durante la primera división meiótica. Aun así, estos cromosomas llevan a cabo un proceso de apareamiento en el núcleo durante profase I y segregan correctamente durante anafase I. Este fenómeno es característico de la mayoría de especies de mamíferos metaterios (marsupiales) y de algunas especies de mamíferos euterios de las familias Gerbillidae y Cricetidae. En el caso de los marsupiales se ha propuesto que estructuras derivadas de los componentes del complejo sinaptonémico podrían actuar como mecanismos de asociación de los cromosomas sexuales. En el caso de las especies de gerbíllidos y cricétidos se han propuesto diferentes mecanismos de asociación a través de regiones de heterocromatina. Así pues, los cromosomas sexuales plantean varios interrogantes a la hora de entender cómo ocurren y cómo están regulados los procesos de apareamiento, sinapsis, recombinación y segregación que ocurren durante la meiosis. Especialmente relevante es el hecho de que algunas especies lleven a cabo un proceso de segregación normal en ausencia de sinapsis y recombinación entre los cromosomas sexuales. Con estos antecedentes, el objetivo principal planteado en esta tesis es profundizar en la caracterización del comportamiento meiótico de los cromosomas sexuales y realizar un estudio comparado entre diferentes especies que presentan variaciones en el comportamiento de dichos cromosomas. Para ello se ha llevado a cabo un análisis detallado de todos los fenómenos mencionados anteriormente con respecto a los cromosomas sexuales en cuatro especies de mamíferos euterios: el ratón de laboratorio Mus musculus domesticus (Muridae), que presenta cromosomas sexuales sinápticos, que se ha tomado como patrón del comportamiento típico de la mayoría de los mamíferos y que ha sido la especie tradicionalmente más utilizada en los estudios de meiosis; el jerbo de Mongolia Meriones unguiculatus (Gerbillidae), que presenta cromosomas sexuales asinápticos; el topillo mediterráneo Microtus duodecimcostatus (Cricetidae), que también presenta cromosomas sexuales asinápticos; y el topillo de agua Arvicola terrestris (Cricetidae), especie evolutivamente cercana a la anterior pero que presenta cromosomas sexuales sinápticos, y por tanto un comportamiento meiótico similar al observado en ratón. El comportamiento de los cromosomas sexuales en dichas especies se ha estudiado utilizando principalmente técnicas inmunocitológicas para la detección de proteínas. En particular se ha estudiado la localización de: componentes del complejo sinaptonémico (SYCP1 y SYCP3); componentes de los complejos enzimáticos implicados en la recombinación meiótica (RAD51 y MLH1); componentes de la región centromérica de los cromosomas; y proteínas implicadas en la inactivación de los cromosomas sexuales durante la meiosis (¿H2AX, ATR y diferentes modificaciones de la histona H3). Los resultados de este estudio revelan que en las especies con cromosomas sexuales sinápticos el apareamiento de los mismos sigue unas pautas bien definidas. Particularmente en el caso del ratón, los cromosomas X e Y muestran un patrón de cambios morfológicos en la organización de sus elementos axiales que es característica de cada una de las etapas de la meiosis. Además, el inicio de la sinapsis se produce en una región cercana al límite de la PAR con el segmento diferencial, y después esta sinapsis se extiende de manera heteróloga hasta ocupar prácticamente toda la longitud del cromosoma Y. La sinapsis se detiene en el centrómero de dicho cromosoma y posteriormente ocurre un desensamblaje del elemento central del complejo sinaptonémico hasta quedar la sinapsis restringida únicamente a la región más distal de ambos cromosomas sexuales. Un comportamiento similar se ha detectado en Arvicola terrestris; sin embargo, en esta especie la sinapsis heter.óoga no se detiene en el centrómero del cromosoma Y, sino que progresa más allá del mismo, constituyendo un caso particular de sinapsis heteróloga a través de la región centromérica. Este fenómeno es muy poco frecuente en el conjunto de los mamíferos, dado que la región centromérica actúa normalmente de barrera para este tipo de sinapsis. Este rasgo constituye por tanto una característica particular de esta especie. En cuanto a las especies Meriones unguiculatus y Microtus duodecimcostatus, nuestros resultados confirman el carácter asináptico de los cromosomas X e Y, dado que sus elementos axiales no se aproximan lo suficiente y no se produce incorporación de componentes del elemento central entre ellos. No obstante, en ambos casos los cromosomas sexuales muestran una asociación entre sí que puede establecerse en diferentes etapas de profase I, generalmente hacia el final de paquitene o durante diplotene. Aunque las bases citológicas que promueven este apareamiento no están claras, se proponen algunas hipótesis sobre los factores que mantienen dicha asociación durante profase I, como por ejemplo la presencia de modificaciones comunes de la cromatina que ocurren en estas etapas. En relación a los fenómenos de recombinación, los resultados obtenidos muestran que en las cuatro especies el cromosoma X aparece marcado con la proteína RAD51, lo cual es indicativo de que en este cromosoma se producen roturas de DNA que son reparadas durante profase I. Sin embargo el comportamiento del cromosoma Y muestra claras diferencias. Así, mientras que el cromosoma X siempre muestra gran cantidad de puntos de RAD51, el cromosoma Y muestra muy pocas o incluso ninguna marca con esta proteína. Adicionalmente, el patrón temporal de aparición de RAD51 sobre el cromosoma Y es, cuando aparece, más tardío que en el cromosoma X. Estos datos sugieren que ambos cromosomas sexuales, aun presentando características comunes, pueden estar regulados de diferente manera en relación a la existencia de roturas de DNA y a la progresión de la reparación de las mismas. Por otro lado, se ha encontrado que las especies con sinapsis en sus cromosomas sexuales son las únicas que llegan a formar un quiasma entre ambos, localizado mediante la presencia de la proteína MLH1. Las especies con cromosomas sexuales asinápticos no muestran marca con MLH1 y sus cromosomas sexuales son por tanto también aquiasmáticos. El análisis de los fenómenos de segregación ha revelado que en el ratón, como ya había sido descrito, los cromosomas sexuales se mantienen asociados por medio de un quiasma, que en último término es el responsable de mantener su asociación hasta que se inicia la segregación en anafase I. Sin embargo, el análisis de este fenómeno en las dos especies con cromosomas sexuales asinápticos ha revelado que en ausencia de un quiasma, la asociación de los cromosomas sexuales durante las etapas tardías de profase I y en metafase I está mediada por estructuras formadas por agregados de la proteína SYCP3 del elemento axial/lateral del complejo sinaptonémico. Los cromosomas X e Y se observan unidos por conexiones que parecen estar implicadas en la correcta biorientación y en la dinámica de segregación de dichos cromosomas durante anaphase I en ambas especies, con características especiales propias en cada uno de los casos. Por último, en la especie Arvicola terrestris, que presenta cromosomas sexuales quiasmáticos, aun cuando se ha observado que la segregación de los mismos durante metafase I depende en ultimo término de la presencia de un quiasma, se han encontrado filamentos de SYCP3 que podrían estar relacionados con la posición distal del quiasma entre los cromosomas X e Y hasta el inicio de la segregación en anafase I. Estos datos, junto con los descritos previamente en especies de marsupiales, indican que los componentes del complejo sinaptonémico pueden tener un papel importante en la segregación de cromosomas aquiasmáticos, tal y como ha sucedido de manera recurrente e independiente en varios momentos de la historia evolutiva de los mamíferos. Finalmente, en relación a los fenómenos de inactivación de los cromosomas sexuales, hemos encontrado que dichos fenómenos aparecen en todas las especies estudiadas y que algunos de los factores involucrados, como las proteínas ¿H2AX o ATR, tienen patrones de localización similares en todas las especies. Sin embargo, se ha encontrado una gran variación en lo que respecta a los patrones de modificación de la histona H3. En estos casos hemos determinado que estas modificaciones no se producen de la misma manera en todas las especies estudiadas, por lo que parece existir un patrón especie-específico de las mismas. Además, sobre la base de nuestros resultados se ha revisado la relación aceptada actualmente entre determinadas modificaciones de las histonas y su efecto sobre la cromatina y sobre la actividad transcripcional. Todos estos datos ponen de manifiesto la existencia de rasgos comunes de los cromosomas sexuales en cuanto a su comportamiento meiótico, tanto en los casos de sinapsis como en los de asinapsis, reflejando una serie de características que pueden ser universales y aplicables a otros grupos de organismos con cromosomas sexuales heteromórficos, tanto dentro de los mamíferos como fuera de ellos.