Biología Molecular y Citogenética (PDF)

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CITOGENÉTICA Fundamentos básicos de los cromosomas 7 / 1. Introducción y contextualización práctica 3 / 2. Niveles de complejidad del ADN: los cromosomas 4 / 3. Componentes y estructura de los cromosomas 4 / 4. Clasificación de los cromosomas 5 / 5. Autosomas y cromo...

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CITOGENÉTICA Fundamentos básicos de los cromosomas 7 / 1. Introducción y contextualización práctica 3 / 2. Niveles de complejidad del ADN: los cromosomas 4 / 3. Componentes y estructura de los cromosomas 4 / 4. Clasificación de los cromosomas 5 / 5. Autosomas y cromosomas sexuales 5 / 6. Heterocromatina y eucromatina 6 / 7. El ciclo celular 6 / 8. Cariotipos 7 8.1. Usos 7 / 9. Caso práctico 1: “Observación de cromosomas metafásicos” 8 / 10. Diferencias entre cromosomas X e Y 8 / 11. Caso práctico 2: “Reparación de los daños en el ADN” 9 / 12. Mitosis 9 / 13. Meiosis 10 / 14. Resumen y resolución del caso práctico de la unidad 10 / 15. Bibliografía 11 © MEDAC 978-84-18864-26-1 Reservados todos los derechos. Queda rigurosamente prohibida, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción, transmisión y distribución total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, incluidos la reprografía y el tratamiento informático. Conocer qué son los cromosomas. Aprender la nomenclatura cromosómica. Conocer la importancia del estudio de los cromosomas. / 1. Introducción y contextualización práctica Cuando hablamos de citogenética debemos mencionar los cromosomas. Estos son la máxima expresión del empaquetamiento del ADN. De esta manera, la información genética consigue condensarse en estructuras concretas que la célula puede manejar y de la que puede disponer con gran comodidad y versatilidad a la hora de repartir el material genético entre las células hijas. Esta unidad pretende enseñar al alumno la información relativa a los los cromosomas, así como la importancia de su estudio para la citogenética. A continuación, vamos a plantear un caso práctico a través del cual podremos aproximarnos de forma práctica a la teoría de este tema. Fig.1 Reconstrucción por ordenador de cromosomas en metafase Escucha el siguiente audio donde planteamos la contextualización práctica. Encontrarás su resolución en el apartado «Resumen y resolución del caso práctico de la unidad». Audio intro. Alteraciones en los cromosomas https://bit.ly/2VVoc9W TEMA 7. FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LOS CROMOSOMAS Biología molecular y citogenética /4 / 2. Niveles de complejidad del ADN: los cromosomas Los cromosomas forman estructuras visibles durante la división celular, como resultado de un mayor grado de condensación de la cromatina. Es una representación del sustrato morfológico del ADN y de las proteínas asociadas. Se distinguen dos tipos: los cromosomas somáticos, autosomas u homólogos y los cromosomas sexuales, heterocromosomas o gonosomas. El número de cromosomas varía de una especie a otra, pero dentro de una misma especie el número de cromosomas es constante en todos los individuos. El ser humano tiene 46 cromosomas, de los cuales 22 parejas son autosomas o cromosomas homólogos (cada una de las cuales porta los genes ordenados en la misma secuencia) y después cuenta con otra pareja de cromosomas, conocidos como cromosomas sexuales, que definen el sexo del individuo. El ADN en las células procariotas está disperso en el citoplasma. Sin embargo, en las células eucariotas, está dentro del núcleo, debido a que se compacta y organiza a través de su plegamiento alrededor de las histonas (proteínas globulares que forman octámeros). Este empaquetamiento, a su vez, forma estructuras globulares que se llaman nucleosomas. Esta estructura de proteínas y ADN se denomina cromatina y es fundamental para compactar el ADN y que pueda caber dentro del núcleo. De cara a la división celular, la cromatina se condensa hasta alcanzar su máximo grado de compactación, formando los cromosomas. Audio 1. Número de cromosomas https://bit.ly/2KBd3pw / 3. Componentes y estructura de los cromosomas El cromosoma, como hemos comentado en el apartado anterior, es la máxima expresión de la condensación del ADN, junto a las histonas. Una vez se completa esta compactación, obtenemos una estructura característica, con forma de «X», en la que quedan dos parejas de brazos a cada lado de un centro. Esta estructura no es exactamente igual en todos los cromosomas, ya que algunos tienen mayor o menor asimetría entre la longitud de sus brazos (solo tienes que ver la imagen del apartado posterior para conocer diferentes tipos de cromosomas atendiendo a su forma, según la posición del centrómero). Las partes que constituyen el cromosoma son: • Cromátidas: cada una de las dos mitades que quedan al separar longitudinalmente un cromosoma (es decir, si lo cortamos a través de su eje mayor). • Cromátidas hermanas: se denomina así a las dos copias idénticas de cada cromátida que se producen durante la replicación del ADN y que se encuentran unidas por el centrómero, formando un cromosoma. • Brazo corto (p): extremidad menor de un cromosoma. • Brazo largo (q): extremidad mayor de un cromosoma. • Centrómero: lugar de unión entre los diferentes brazos. • Cinetocoro: punto de unión para los microtúbulos al cromosoma (los microtúbulos son proteínas fibrilares que permiten desplazar los cromosomas durante la división celular). • Telómero: extremo de cada brazo (ya sea largo o corto). /5 TEMA 7. FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LOS CROMOSOMAS MEDAC · Instituto Oficial de Formación Profesional / 4. Clasificación de los cromosomas Hemos visto que se distinguen los cromosomas por ser somáticos o sexuales. Pero, además, se pueden clasificar según su forma. Para esto debemos atender a la posición de su centrómero, según el cual los cromosomas recibirán diferentes nomenclaturas. Así, dependiendo de la posición relativa de las cromátidas hermanas con el centrómero, distinguimos: • Metacéntrico: el centrómero queda aproximadamente a la mitad del cromosoma, dejando dos pares de brazos de la misma longitud. • Submetacéntrico: el centrómero queda más desplazado hacia un extremo que hacia el otro, lo que deja dos parejas de brazos desiguales, siendo unos claramente más largos que otros. • Subtelocéntricos o acrocéntricos: el centrómero está muy desplazado hacia un extremo, dejando una pareja de brazos muy largos y otra de brazos muy cortos. Habitualmente se pueden ver estructuras como el tallo y los satélites. • Telocéntricos: el centrómero se encuentra en un extremo del cromosoma, dejando solo una pareja de brazos. Fig. 2. Clasificación de cromosomas según la posición de su centrómero / 5. Autosomas y cromosomas sexuales Los autosomas son todos los cromosomas excepto los cromosomas X e Y, que son los cromosomas sexuales. Son similares para todos los individuos de la misma especie, salvo las diferencias genéticas propias de cada individuo o las alteraciones morfológicas y numéricas que puedan presentar. Se numeran, en el ser humano, por parejas desde el 1 hasta el 22. La pareja 23 correspondería a los cromosomas sexuales. Los cromosomas sexuales son la pareja de cromosomas que define la sexualidad del individuo. Hay de dos tipos, X e Y. Grosso modo, el cromosoma Y es una versión atrófica del cromosoma X. El varón se define por tener un cromosoma X y otro Y, por lo que heterogamético. La mujer, por su parte, tiene dos cromosomas X, por tanto, es homogamética. Dos de las alteraciones más típicas de estos cromosomas son el síndrome de Turner, donde se produce una monosomía del cromosoma X (45,X), y el síndrome de Klinefelter, que es debido a una trisomía de los cromosomas sexuales (47,XXY). TEMA 7. FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LOS CROMOSOMAS Biología molecular y citogenética /6 / 6. Heterocromatina y eucromatina Una vez conocemos qué es la cromatina, sabiendo que es la condensación del ADN al unirse a histonas y proteínas no histónicas, vamos a conocer qué tipos de cromatina podemos encontrar en el núcleo, ya que la cromatina no es homogénea, sino que puede presentarse de dos formas distintas. Heterocromatina: Es la que normalmente se encuentra más condensada y, por ello, inactiva. Aparece sobre todo alrededor de la membrana nuclear y del nucléolo. Puede dividirse, a su vez, en dos tipos diferentes de heterocromatina: • Heterocromatina facultativa: según las necesidades de la célula, puede descondensarse y convertirse en eucromatina para transcribir la información genética. • Heterocromatina constitutiva: no se descompacta. Permanece en su grado de condensación. Eucromatina: Se encuentra laxa, ocupando el espacio que deja libre la heterocromatina. Al no tener el grado de compactación de la anterior, es la que se encuentra activa y, por ello, en proceso de transcripción. Fig. 3. Eucromatina y heterocromatina en el núcleo de una célula / 7. El ciclo celular El ciclo celular comprende las diferentes fases y procesos que tienen lugar en la célula antes y después de la división celular. Las fases son las siguientes: G1: tienen lugar los procesos de transcripción y traducción para sintetizar las proteínas que la célula necesita para vivir, duplicar sus orgánulos (ya que viene de una división celular) y poder sintetizar su ADN en la siguiente fase. El momento previo a la fase G1, tras finalizar la división celular, se denomina fase G0. S: se da la replicación, es decir, se duplica el material genético. Los cromosomas pasan a tener 2 cromátidas exactamente iguales. ¡Ojo! Recuerda que las cromátidas idénticas son las del mismo cromosoma, pero no tienen por qué serlo del cromosoma homólogo de cada pareja de cromosomas. G2: la célula continúa con su crecimiento celular, además de terminar de desarrollar todos los elementos que empleará en la mitosis. División celular: la célula se divide, realizando primero la mitosis o meiosis (diferentes formas de división celular que veremos más adelante) y a continuación la citocinesis, que consiste en el reparto del citoplasma entre las células hijas. Las fases G1, S y G2 se corresponden con la interfase de la división celular. Sabías que... Las células tienen un ciclo vital, el ciclo celular, compuesto por fases que se suceden y preparan a la célula para multiplicarse. TEMA 7. FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LOS CROMOSOMAS MEDAC · Instituto Oficial de Formación Profesional /7 / 8. Cariotipos El cariotipo es el complemento cromosómico de un individuo que viene definido por las características morfológicas y numéricas de los cromosomas en metafase mitótica. Para obtenerlo, se realiza una tinción de los cromosomas con colorante, generalmente Giemsa, lo cual permitirá resaltar su estructura para, posteriormente, visionarlo en el microscopio. Es necesario extraerlo de células en mitosis. Para ello, se detiene la división celular empleando colchicina. Otros conceptos importantes relacionados con los cariotipos son: • Cariograma: es la ordenación de los cromosomas, se disponen en parejas ordenadas según sus tamaños y posiciones de sus centrómeros. • Ideograma: representación gráfica de los cromosomas tras aplicar técnicas de bandeo (tinción de sus diferentes bandas). • Formula cromosómica: es la descripción del cariotipo en la que se va a especificar el número de cromosomas, seguido de una coma y especificando los cromosomas sexuales. En el caso de que existiesen aberraciones en la estructura o en el número de cromosomas, se especificaría separadas de una coma. Cabe señalar que los conceptos de cariotipo y cariograma habitualmente se emplean indistintamente. En este sentido, recuerda que el idiograma es una representación gráfica, un dibujo, mientras que el cariograma lo forman imágenes reales. 8.1. Usos El cariotipo se representa mediante cariogramas o idiogramas, como hemos estudiado en esta unidad. Ahora bien, su finalidad es muy sencilla: exponer, de manera clara y ordenada, todos los cromosomas para comprobar que se ciñen a los estándares de normalidad. Por ende, se trata de un método diagnóstico que expondrá si los cromosomas se han alterado en cuanto a su número o estructura. De esta forma, podríamos encontrar carencia de un cromosoma dentro de una pareja, carencia de parejas completas, tres cromosomas en lugar de dos para un cromosoma en particular, o alteraciones en los brazos de los mismo que evidencien que se ha perdido material genético. Son muy empleados en los laboratorios de citogenética, ya que son la base del diagnóstico de aneuploidías, es decir, de alteraciones cromosómicas. También se les aplican técnicas de fluorescencia, tinciones y bandeos, que estudiaremos en unidades posteriores, para destacar regiones concretas de los mismos. Fig. 4. Hibridación Fluorescente In Situ (FISH) de un cariotipo TEMA 7. FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LOS CROMOSOMAS Biología molecular y citogenética /8 / 9. Caso práctico 1: “Observación de cromosomas metafásicos” Planteamiento: en el laboratorio realizaremos la observación con microscopio de cromosomas metafásicos con el fin de elaborar un cariotipo. Para ello, nos dan un protocolo que consiste en cultivar la muestra con estimulantes de la mitosis y, transcurrido un tiempo, añadir colchicina. Nudo: ¿qué finalidad pueden tener estos dos productos? Desenlace: para poder visualizar los cromosomas es preciso tenerlos disponibles. El ADN se encuentra formando la eucromatina y la heterocromatina en el núcleo, por lo que no podríamos verlos directamente. La primera solución propuesta, un estimulante de la mitosis, tiene como finalidad que las células comiencen la división celular. El segundo producto, por el contrario, pretende detenerla en el momento preciso en el que los cromosomas estén completamente formados, esto es, en la metafase. De esta manera, podremos teñirlos y visualizarlos al microscopio. Fig. 5. Cromosomas metafásicos teñidos con Giemsa vistos al microscopio óptico / 10. Diferencias entre cromosomas X e Y Como ya sabéis, los cromosomas X e Y son los cromosomas sexuales, los que definen el sexo de un individuo, XY para el varón y XX para la mujer. El reparto se hace en proporción 1:1 ya que, al heredar los cromosomas de los padres, de la madre siempre se heredará un cromosoma X, mientras que del padre puede recibir uno X o uno Y, con un 50 % de probabilidad, por lo que un individuo tiene las mismas probabilidades de ser varón o mujer. La diferencia más notable es que el cromosoma Y es mucho más pequeño que el cromosoma X, por lo que habrá muchos genes que solo existan en este cromosoma X y no en el Y. En los varones, ellos se expresarán en su totalidad, porque no existirán conflictos con genes homólogos en el otro cromosoma sexual, el X. A estos genes del cromosoma X, que no existen en el cromosoma Y, se les denomina genes ligados al cromosoma X. Por este motivo, en el caso de enfermedades de genes ligados al cromosoma X, los genes recesivos se comportan como dominantes en los hombres, ya que no se puede contrarrestar o inhibir su expresión con la de un gen dominante en otro cromosoma X. El cromosoma Y contiene los genes que determinan el sexo masculino, además de otros. Fig. 6. Cromosomas X e Y TEMA 7. FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LOS CROMOSOMAS MEDAC · Instituto Oficial de Formación Profesional /9 / 11. Caso práctico 2: “Reparación de los daños en el ADN” Planteamiento: cuando se sintetizan o hibridan las cadenas de ADN, cada nucleótido se empareja con su correspondiente complementario. Esto sucede en la inmensa mayoría de los casos. Sin embargo, en ocasiones, se aparean bases que no son complementarias. Esto genera un «error» en el ADN. Ejemplo de esto sería si se enfrentan la A de una cadena con la G de la otra; en este caso, es necesario arreglar este error, ya que podríamos producir errores en la codificación de proteínas que podría resultar en la no síntesis de dicha proteína, en la síntesis de una proteína defectuosa o, en el peor de los casos, en la síntesis de una proteína patológica. Nudo: ¿cómo se resuelve este error? Desenlace: la ADN Polimerasa, ante un error en la adición de nucleótidos, mediante el proceso de Revisión, lo elimina y continúa añadiendo el correspondiente, ya que también tiene actividad exonucleasa. En el caso de que se le escape, un grupo de proteínas reconoce el nucleótido nuevo mal colocado y lo eliminan, junto con bases nitrogenadas adyacentes. Posteriormente, la ADN Polimerasa rellena el hueco con los nucleótidos que faltan y las ADN ligasas sellan el nuevo fragmento. / 12. Mitosis Es el proceso de división celular. Una célula reparte equitativamente su material genético entre las dos células hijas(si no hay alteraciones en el proceso). La mitosis comprende las siguientes fases: • Interfase: no pertenece a la mitosis propiamente dicha, ya que es el periodo entre distintas mitosis. • Profase temprana: se comienza a condensar el ADN. • Profase: se condensa el ADN para formar la cromatina y las cromátidas. Los centrosomas se separan mientras van formando el huso mitótico, que es una red de túbulos proteicos por el que se desplazarán los cromosomas dentro de la célula. • Prometafase: la envoltura nuclear desaparece y los cromosomas ya formados se unen al huso mitótico por el cinetocoro. • Metafase: los cromosomas se disponen en el ecuador de la célula, unidos al huso mitótico por el cinetocoro. • Anafase: se retraen los husos mitóticos, repartiendo a cada polo celular una cromátida de cada cromosoma. • Telofase: se reconstruyen los núcleos celulares y se descondensan los cromosomas. • Citocinesis: se reparte el citoplasma y los orgánulos celulares, dividiendo la célula original en dos células hijas, cada una con la mitad del material genético. Hay que destacar que cada célula hija tendrá la misma dotación cromosómica que la célula original. Recuerda... La mitosis es el método de reproducción celular en el que una célula reparte equitativamente su material genético entre las dos células hijas. TEMA 7. FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LOS CROMOSOMAS Biología molecular y citogenética / 10 / 13. Meiosis Es otra forma de división celular, exclusiva de las gónadas (ovarios y testículos). Se diferencia de la mitosis en que, en esta, se producen células genéticamente idénticas, mientras que en la meiosis hay diversidad genética entre generaciones celulares. En este caso, se produce una primera división donde los cromosomas en parejas intercambian información entre homólogos y se reparte el material genético; de esta manera, las células hijas tienen solo un cromosoma de cada tipo, en lugar de una pareja. La segunda división es una mitosis normal. Las fases de la primera división meiótica son: • Profase: se comienza a condensar el ADN y se compone de distintas fases, que son: • Leptoteno: los cromosomas homólogos se comienzan a emparejar. • Zigoteno: los cromosomas homólogos se aparean (sinapsis). • Paquiteno: los cromosomas homólogos intercambian fragmentos de ADN (entrecruzamiento cromosómico). • Diploteno: los cromosomas homólogos quedan ligeramente separados, salvo por los lugares donde intercambiaron información genética (quiasmas). • Diacinesis: los cromosomas se siguen condensando. • Continúan metafase, anafase, telofase y citocinesis. En este caso, las células hijas reciben, tras la primera división meiótica, la mitad de la dotación cromosómica de la célula original, es decir: de una célula diploide obtenemos dos células haploides. Del mismo modo que antes, la segunda división meiótica (al ser igual que una mitosis) dotará a las células hijas de la misma dotación cromosómica que la célula original. / 14. Resumen y resolución del caso práctico de la unidad Los cromosomas son la condensación del material genético con diferentes tipos de proteínas, entre las cuales destacan las histonas para formar la cromatina. En función de dónde quede el centrómero de dichos cromosomas, recibirán una nomenclatura u otra. Se distinguen, a su vez, 23 parejas de cromosomas en el ser humano, de las cuales 22 son parejas autosomas y una última pareja son los cromosomas sexuales, que definen el sexo del individuo, varón para la combinación XY y mujer para la combinación XX. La cromatina, a su vez, se puede dividir en heterocromatina (compacta) y eucromatina (laxa). También hemos visto las fases del ciclo celular donde la célula, tras dividirse, sufre un crecimiento y desarrollo de sus orgánulos citoplasmáticos, duplica su ADN, ultima los detalles de la mitosis y, entonces, se produce la división nuevamente. Destaca, además, el cariograma o idiograma, que son representaciones de la dotación cromosoma de un individuo, es decir, de su cariotipo, muy útiles en el diagnóstico de cromosomopatías. TEMA 7. FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LOS CROMOSOMAS MEDAC · Instituto Oficial de Formación Profesional / 11 Resolución del caso práctico de la unidad Ante las evidentes sospechas de una malformación por alteraciones genéticas, los médicos solicitan un cultivo de células sanguíneas de la madre para reqalizar un cariograma. Quieren valorar que no haya alteraciones numéricas o estructurales de los cromosomas del niño. La caracterización de los cromosomas mitóticos metafásicos, ordenados por parejas y bandeados con una tinción de Giemsa, nos ofrece el cariograma del niño, que resulta tener una aneuploidía. En este caso, presenta una trisomía del cromosoma 13, causante de estas malformaciones. Así, se confirman las sospechas de los médicos gracias al diagnóstico citogenético. / 15. Bibliografía Caparrós Mota, M., Cuenca Pardo, J. B. y Sipán Sarrión, M. C. (2016). Biología molecular y citogenética. Madrid: Paraninfo. Citogenética clínica. Recuperado de: http://biomodel.uah.es/citogene/horwitz/cytogen3.htm García Gregorio, M., Papí, M. A. y Furió Egea, J. (2009). Biología, 2 bachillerato. Guía didáctica. Paterna: ECIR Khan Academy. «Genética molecular». Recuperado de: https://es.khanacademy.org/science/high-school-biology/hs-molecular-genetics Universidad Complutense de Madrid. «El cromosoma eucariótico». Recuperado de: https://www.ucm.es/data/cont/media/www/pag-56185/04-El%20 cromosoma%20eucari%C3%B3tico.pdf Universidad de Vigo. «La célula, 4. El núcleo, cromatina». Recuperado de: https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/4-cromatina.php MSD Manual. Genes y cromosomas. Recuperado de: https://www.msdmanuals.com/es-es/hogar/fundamentos/gen%C3%A9tica/genes-y-cromosomas