Clase dictada por la profesora Soledad Berríos

Transcripción por Javiera Corradini

Meiosis: variabilidad genética, haploidía, segregaciones cromosómicas, permutación y recombinación. Teoría cromosómica de la herencia

¿Por qué es tan importante la meiosis? Porque la genética estudia muchas cosas y un aspecto es la estructura del genoma, del “material hereditario”. Hoy en día con la base del conocimiento de la doble hélice de DNA comenzamos a construir sobre eso. Otro problema como es que esa información se hace consistente, coherente en el sistema celular. Cómo llega a ser un FENOTIPO. En el sentido de que se regule su expresión, etc. Y otro capítulo que siempre ha sido de interés es: cómo es que se transfiere esta información a las próximas generaciones, es decir, como la información en el DNA pasa de los padres a los hijos. Entonces aquí es donde adquiere protagonismo la meiosis, porque realmente todo lo que observamos de soma va a perecer con nosotros al momento de nuestra muerte, a excepción del aporte cultural que hayamos hecho a la sociedad. Pero en términos biológicos, lo que queda es lo que trasciende en el material genético que heredamos, nuestros genes. Y eso es una realidad desde el punto de vista evolutivo. Y entonces aquí hay otro punto entusiasmante y es que la meiosis es la base biológica de la propia individualidad. E individualidad no concebida en el sentido de las diferencias en cuanto a favorecimiento de un individuo, sino que en el sentido de que somos diferentes y “que bueno que así sea”, que tenemos distintos talentos y que eso no es casualidad, está contemplado en el plan genético y se debe en gran medida a 2 cosas: Somos organismos de reproducción sexuada, luego nosotros somos el producto de la concurrencia del aporte de nuestros padres. No somos si nuestro padre ni nuestra madre sino que una mezcla.Y también, a la diversidad genética (pues este primer argumento no es suficiente para distinguir entre 2 hermanos) y no refiriéndonos únicamente a la mutación – o error- si no que a la combinatoria única producida por la meiosis.

Temario de la claseTEORIA CROMOSOMICA DE LA HERENCIA.– Movimientos de los cromosomas– Diploidía y haploidía– Asociación y segregación de los cromosomas– Relación con principios MendelianosVARIABILIDAD GENETICA– Reproducción sexuada– Permutación cromosómica– Recombinación genéticaHERENCIA LIGADA AL SEXO– Sexo homogamético y heterogamético– Sinapsis de cromosomas sexuales XX y XY– Recombinación genética en PAR

Clase dictada por la profesora Soledad Berríos

Transcripción por Javiera Corradini

La meiosis la experimentan todos los organismos de reproducción sexuada. En algunos individuos la meiosis se haya incrustada en su ciclo de vida, por lo que el individuo experimenta una meiosis, se transforma en haploide, se encuentra con otro individuo haploide se fusionan y pasan a una fase diploide (por ejemplo pasa en los Saccharomyces cerevisiae). En la medida en que los organismos se fueron complejizando, se fue reduciendo la fase haploide a un período muy corto de su vida o se limitó a un grupo de células llamadas “estirpe germinal”, alojadas en las gónadas. Entonces como producto de la meiosis se producen células haploides. Para definir una célula haploide NO BASTA con decir: “posee la mitad de los cromosomas” (la profe fue muy enfática en esto). Considerando que las células diploides poseen 2 juegos de cromosomas que son homólogos, uno de origen paterno y otro de origen materno, una célula haploide posee solo 1 juego de cromosomas, con 1 solo miembro de cada par homólogo y no corresponden a cromosomas de un mismo origen (en sentido de paterno o materno). Uno de las características de la meiosis es garantizar que la segmentación conduzca a células haploides.

En los varones la meiosis ocurre una vez alcanzada la pubertad y no se detiene nunca más. A diferencia de ellos, las mujeres son un ejemplo de complejidad, puesto que la meiosis comienza para ellas en la vida intrauterina (embrionaria) donde los gonocitos se diferencian a folículos primordiales iniciando su meiosis quedando detenidos en profase I. El período en que estos oocitos están detenidos va desde el nacimiento a la pubertad, donde se retoma la meiosis cada vez que la mujer ovula. En este proceso una cohorte de oocitos madura, pero solo 1 (o eventualmente 2) son ovulados en metafase II. El oocito queda detenido –nuevamente- en una etapa de la meiosis y solo podrá finalizarla si es fecundado. Es decir que la meiosis femenina, en su última etapa, es dependiente del gameto masculino. En los hombres la meiosis ocurre en individuos fértiles, después de la pubertad en los túbulos seminíferos. El crecimiento del testículo y la transformación de cordón a túbulo seminífero se debe al comienzo de la meiosis, donde cada espermatocito se va diferenciando hacia “adentro del túbulo” y a lo largo de todos los metros de tubo. En las mujeres el proceso que ocurre en el ovario es radicalmente distinto al del hombre. Primero los folículos primordiales comienzan a desarrollarse, este oocito está detenido en profase I, “engordando” gracias al apoyo de las células que se encuentran a su alrededor, para luego llegar a metafase al ser ovulado y detenerse nuevamente. Aunque mirando el núcleo de ambos “citos”, el proceso es el mismo, por lo que se puede hablar de la meiosis indistintamente de hombre o mujer.

La definición clásica es: “Un tipo de reproducción celular en la que hay duplicación del DNA y dos divisiones celulares sucesivas”. Esta definición está bien, mientras no se olvide que la meiosis implica una larga profase (de hecho en mujeres los oocitos pueden pasar décadas solamente en profase) y la formación de haploides, es decir que las divisiones no son de cualquier manera, sino que siguen un orden y mecanismo determinado de división.

En la mitosis existen 4 etapas principales profase, metafase, anafase y telofase. De estas, la profase mitótica se caracteriza por condensación de cromatina y el desensamblamiento del núcleo, por lo tanto, el cese de la actividad transcripcional, el genoma deja de mostrar su información porque ahora el objetivo es repartir esa información. En la meiosis

Haploide: es cuando una célula posee solo 1 juego cromosómico.Diploide: cuando una célula posee 2 juegos cromosómicos. cDNA: es la cantidad de cromosoma, es decir, cuantas cromátidas por cromosoma.

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Transcripción por Javiera Corradini

es todo lo contrario, la profase es extensa y se caracteriza por una reorganización de la cromatina, pero como los nombres fueron puestos de acuerdo a la mitosis, entonces hay que someterse a esa norma. Para resolverlo, la profase meiotica se divide en 5 subetapas más: Leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno y diacinesis, donde solo al final se desarma el núcleo y se condensa la cromatina. Pero el paso por estas subetapas puede durar muchos años (mujeres) o 15 días (hombres).Luego de la profase I se llega a la metafase I, donde los cromosomas se ordenan a modo de líneas ecuatoriales con su par homologo al lado. Aquí es donde ocurre el proceso de permutación cromosómica, que es: la distribución al azar de los pares homólogos en la metafase I en la meiosis. La famosa ecuación de 2 elevado a la enésima potencia para calcular la cantidad de permutaciones, donde n sería el numero haploide de cromosomas, sigue la lógica matemática de la cantidad de permutaciones posibles, pero en la lógica biológica, es necesario dividir en 2 ese resultado ya que no hay diferencia entre “irse a la derecha o a la izquierda”.

La permutación cromosómica es la principal forma de variabilidad y se le llama recombinación intercromosomica. Es evidente que mientras más pares homólogos, mayor será la variabilidad. Con este mecanismo se vuelve improbable que dos gametos sean iguales (a mayor numero de cromosomas).La segunda ley de Mendel (asociación independiente) se explica precisamente a través de la recombinación intercromosomica, en otras palabras, la permutación garantiza que todos los posibles gametos (en cuanto a cromosomas) poseen la misma probabilidad de ser. Con la unión del conocimiento teórico y el experimental, nace la “teoría cromosómica de la herencia”. (Ojo que el caso que no explica, es el caso de los genes ligados, o sea, que están en el mismo cromosoma).

Luego, ocurrirá la separación de los homólogos en la anafase I. Posteriormente en la segunda fase de esta meiosis, no hay reorganización del núcleo ni des-condensación de DNA, si no que pasa inmediatamente a metafase II, que se parece mucho más a una mitosis (a excepción del número de cromosomas), puesto que se separan las cromátidas. Finalmente se generan células haploides y el material se condensa nuevamente. En los hombres se formarán espermatozoides todos idénticos, que son un tipo de célula móvil. En la mujer, se formará el ovocito II (óvulo). Una célula enorme (en comparación con el espermatozoide) y 3 células pequeñas (los polocitos). Esta diferencia se explica a través de la movilidad que tiene el huso en el ovocito.

Cromosomas homólogos: en la metafase son fácilmente distinguibles porque tienen la misma forma, es decir, mismo tamaño y misma posición del centrómero. Además tienen la misma secuencia de loci-génico.

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Transcripción por Javiera Corradini

Ahora, volviendo a la profase I, se hace necesario recordar que se trata de una interesante reorganización del núcleo que va a permitir entender el crossing over. El crossing over no es un proceso simple y trivial, si no que ocurre en el contexto de la sinapsis de los cromosomas homólogos, a la que se llega por esta reorganización del núcleo. Recordando la organización del núcleo somático, se observa que la cromatina condensada está hacia la periferia y la cromatina descondensada hacia el centro del

núcleo. En el núcleo meiótico, de cada cromosoma surge un eje proteico, que está unido por las puntas a la envoltura nuclear, al que se une la cromatina del cromosoma correspondiente formando asas (es decir, se agarra y se suelta, se agarra y se suelta).La secuencia que se une al complejo sinaptonemico es una secuencia altamente repetida y que no codifica para proteína. Esto ocurre con todos los cromosomas en la primera parte de la profase que es el leptoteno. El eje proteico (del cual no interesan los nombres de las proteínas que lo conforman) reconoce sitios específicos del DNA (que son los que se le unen).

Sucede que las puntas del eje, que van unidas a la envoltura nuclear son móviles, y en un proceso que aún no está claramente descrito, los cromosomas homólogos se reconocen, y por las puntas de los ejes empieza la sinapsis. Esta unión es posible gracias a una tercera proteína que va uniendo ambos ejes a modo de cierrecler (zigoteno). A este complejo proteico se le conoce con el nombre de “complejo sinaptonemico”. Cuando se cierra el complejo sinaptonemico y ambos cromosomas quedan unidos por esta estructura proteica, se le llama “Bivalente”.Los bivalentes se observan en el paquiteno. En esta etapa en que la cromatina se haya

completamente descondensada, hay actividad trasncripcional. Es más, todas las proteínas y RNAs que utiliza el espermatozoide se sintetizan acá. Es en este momento en que ocurre el crossing over, en uno o más puntos del complejo, existen “roturas programadas del DNA” (SPO11) y luego enzimas que reparan eso. Existen 2 opciones de reparación: que se reparen uniendo la misma fibra o que se repare uniendo la fibra del cromosoma homólogo (o sea, recombinación intracromosomica). En el último caso se genera un cromosoma NUEVO (de configuración materno-paterna) y es a esto que se le llama crossing over.

Experimentos señalan que en el paquiteno se incorpora uridina, lo que evidencia actividad transcripcional.

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Transcripción por Javiera Corradini

En el bivalente, en varios puntos del DNA ocurren roturas en lugares específicos (SPO11). Estas roturas son reparadas por el nódulo de recombinación, donde hay un complejo de proteínas que repara DNA. En esta reparación puede ocurrir que se repare “dejándolo como estaba” o podría quedar unido (dada que las secuencias son idénticas, altamente repetidas) de forma heterologa, en cuyo caso, ese cromosoma habría experimentado crossing over. Se ha observado que la distribución de los nódulos de recombinación no es al azar en el cromosoma, si no que están más concentrados hacia los telómeros.

Es importante recordar que la secuencia loci-genico se mantiene igual, ya que el crossing over se produce exclusivamente con el cromosoma homologo, que posee la misma secuencia de loci-génico. Pero se produce recombinación, ya que hay alelos que necesariamente se intercambian entre cromosomas, y esto se traduce en variabilidad. El complejo sinaptonemico garantiza 2 cosas:

- La eficiente segregación de los pares homólogos- Mayor variabilidad genética (crossing over)

Los gametos que se producen por crossing over , tienen una probabilidad muchísimo menor que un gameto sin crossing over, por lo tanto este tipo de variabilidad no respeta las leyes mendelianas (ni sus proporciones fenotípicas).

Una vez que ha terminado el proceso de sinapsis, los cromosomas comienzan a condensarse para llegar a la última etapa de la profase I, el complejo sinaptonemico se desarma y se recupera la identidad cromosomica. En la metafase, los homólogos se ordenan en una línea ecuatorial, éstos no se “encuentran” si no que vienen íntimamente unidos desde la sinapsis. Llegan unidos y eventualmente con las fibras “cruzadas” si es que ocurrió crossing over. Con convención, el origen del cromosoma se determina por el origen del centrómero, es decir, si el centrómero es materno, aunque tenga mayor cantidad del cromosoma paterno (por crossing over) el origen de ese cromosoma será materno de todas maneras.

LOS CROMOSOMAS SEXUALES En el caso de la mujer, en la especie humana, ambos cromosomas X se comportan como cromosomas autosómicos, es decir, forman un bivalente como cualquier otro, sufren eventualmente crossing over y son segregados. En el caso de los hombres, este proceso es ligeramente distinto, puesto que los

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cromosomas son derechamente distintos (distinto tamaño y posición de centrómero) y poseen genes propios de la determinación genética del sexo, por lo que no debiera existir recombinación. Por ejemplo, en el cromosoma Y, uno de los genes más importantes en la determinación genética del sexo masculino es el gen SRY (“responsable” de la diferenciación temprana

de la gónada masculina). Entonces la naturaleza debía congeniar el que “se sinapten, pero no tanto”. Lo que sucede es que se produce una sinapsis parcial entre los cromosomas X e Y, en una región que poseen ambos cromosomas llamada región PAR (pseudoautosomal region). Esta región y sinapsis son posibles, porque el origen de ambos cromosomas es autosómico. En la región PAR entonces, ocurre sinapsis y crossing over. Algo curioso con respecto al gen anteriormente mencionado (SRY) es que se encuentra muy cercano a la región PAR, al contrario de lo que se esperaría lógicamente, por lo que a veces, aunque muy rara vez, por crossing over queda en un cromosoma X. Las mujeres con este genotipo, poseen fenotipo femenino, pero gónadas pseudo-masculinas y son estrictamente infértiles. En los hombres, todas las regiones de los cromosomas sexuales que no participan en la sinapsis, se

condensan y se “inactivan” genéticamente, con el objetivo de proteger esa información y de que no participen en ninguna sinapsis.