Guía de Laboratorio Meiosis y Gametogénesis PDF

1 MEIOSIS 1. INTRODUCCIÓN. Los ciclos reproductivos sexuales de los organismos incluyen dos fases alternantes en las cuales el número de cromosomas en una fase es el doble del que corresponde a la otra fase. Típicamente, un ciclo vital consta de un...

1 MEIOSIS 1. INTRODUCCIÓN. Los ciclos reproductivos sexuales de los organismos incluyen dos fases alternantes en las cuales el número de cromosomas en una fase es el doble del que corresponde a la otra fase. Típicamente, un ciclo vital consta de una fase Diploide y una fase Haploide. La primera fase se inicia con la fusión de los gametos haploides; la segunda fase comienza, con la meiosis de un meiocito diploide, pero cada uno de estos eventos puede estar separado por extensos períodos extendidos de división celular mitótica y diferenciación. En los animales, los productos de la meiosis son los gametos mismos, que se fusionan para restaurar la fase diplode predominante. En algunas formas inferiores, la meiosis del cigoto sigue inmediatamente a la fusión de los gametos, y la mayor parte del ciclo de vida está representada por la fase haploide. En las plantas vasculares más evolucionadas las estructuras haploides (gametófitos) están contenidas y protegidas dentro del esporofito diploide que es predominante en el ciclo de vida. Sólo los meiocitos son capaces de realizar la meiosis, y estas células únicas están presentes en las gónadas, órgano que producen y albergan los gametos o los sistemas generadores de éstos. En la meiosis, cada meiocito diploide se divide dos veces en sucesión para generar cuatro células de las cuales una o todas pueden ser funcionales. Las divisiones meióticas son iniciadas después de la replicación del ADN en la interfase, de modo que inicialmente cada cromosoma replicado consiste de dos cromátidas, y cada cromátida corresponde a una macromolécula de ADN. En la primera división meiótica, los cromosomas homólogos se aparean y posteriormente se separan, de ahí que las células resultantes contienen un solo cromosoma replicado (haploide). En la segunda división meiótica, las cromátidas hermanas de cada cromosoma replicado se separan para integrar células hijas con una copia cromátida no replicada de cada cromosoma. La primera división produce núcleos cuyo número cromosómico es la mitad del meiocito, y en la segunda división se retiene este número haploide, pero se reduce el contenido de ADN al nivel haploide en cada núcleo hijo. Estas células hijas se pueden dividir mitóticamente como esporas o dar lugar a estructuras somáticas o, sin división posterior, pueden diferenciarse como gametos, fusionarse con gametos complementarios y  2 restablecer en el cigoto el número cromosómico diploide. Una ventaja clave de la reproducción sexual es la oportunidad para crear regularmente nuevas combinaciones de genes progenitores en cada generación. La primera división meiótica no es igual a la mitosis y puede durar un largo periodo. Es precedida por una interfase en la que pueden participar pocos replicones activos. Entonces los cromosomas entran en la profase I, en la que se pueden reconocer varias subetapas: a) Leptonema, en la cual la cromatina está dispersa como una maraña de hilos con cuentas. b) Cigonema, en la que los cromosomas homólogos realizan el apareamiento estrecho o sinapsis, estabilizada en un complejo sinaptonémico. c) Paquinema, en la cual los bivalentes condensados – pero no con sus cromátidas individuales – son distinguibles pudiendo ocurrir el entrecruzamiento y la recombinación genética. d) Diplonema, en la que los bivalentes se abren y separan excepto en los puntos donde se produjo entrecruzamiento (quiasmas). e) Diacinesis, se alcanza el estado más condensado de los cromosomas, la membrana nuclear se rompe, los cromosomas homólogos unidos por quiasmas de sus cromatídas no hermanas se adhieren a las fibras del huso y los nucléolos se dispersan. En la prometafase I los cromosomas se desplazan y alinean sobre el huso para empezar la metafase I. A diferencia de lo que ocurre en la mitosis, en la metafase meiótica I los extremos de los cromosomas están en el ecuador y los centrómeros homólogos están tan separados como es posible. En cada díada (par de cromatidas), las cromátidas hermanas permanecen asociadas estrechamente al centrómero. Los homólogos replicados (díadas), se separan en la anafase I, y los núcleos nuevos tienen un grado variable de reorganización en la telofase I. La citocinesis puede ocurrir ahora, o bien puede seguir la meiosis II. La segunda división meiótica es semejante a una división mitótica. Las díadas en ambos núcleos se alinean en ambos husos en la metafase II, los dos centrómeros de cada díada se desacoplan en la anafase II, y las cromátidas hermanas de cada par son atraídas a los polos opuestos de sus husos respectivos. Durante la telofase II, los cromosomas se desdoblan, surge una membrana nuclear alrededor de cada uno de los cuatros productos, y se presenta la citocinesis.  3 Aún si la única redistribución de genes en este proceso proviniera de combinaciones al azar de los cromosomas paternos en el núcleo de cualquier gameto, la reproducción sexual daría pie a una variabilidad genotípica inmensamente aumentada: dos elecciones para cada uno de n cromosomas en un genoma permite 2n diferentes combinaciones cromosómicas. Además, existe la posibilidad de la recombinación incluso de los genes de un solo cromosoma (genes ligados). La recombinación genética es el resultado de intercambios físicos de segmentos de cromosomas homólogos. El entrecruzamiento en eucariontes y procariontes implica la ruptura y reunión de moléculas homólogas de ADN o cromosomas, más que la conexión de plantillas durante la replicación (elección de copia). En los meiocitos, el entrecruzamiento se produce en bivalentes en sinapsis durante el paquinema en la profese I e implica la introducción por endonucleasas de rupturas de cadenas sencillas en cromátidas no hermanas, la reasociación de cadenas y el sellado de los cortes con ADN ligasa, de ahí que las dos díadas de un bivalente poseen una cromátida paterna y una cromátida entrecruzada. Los ADN no hermanos existen como heterodúplex. Un proceso análogo sucede en bacterias y virus; implica cortes de una sola cadena, intercambio de cadenas, emigración de la ramificación y resolución por dos o más cortes de cadenas sencillas. Los bivalentes se mantienen juntos en el paquinema por efecto de una estructura especializada, el complejo sinaptonémico. Comienza a ensamblarse después de que el apareamiento estrecho se ha iniciado en el cigonema y se completa cuando se inicia el paquinema. Sin su influencia estabilizadora continua no podría darse el intercambio efectivo de recombinación. Los nódulos de recombinación abarcan el complejo sinaptonémico en sitios que posteriormente se ha visto que contienen quiasmas. En ausencia de formación del complejo sinaptonémico, la meiosis procede como es usual, pero la recombinación no se lleva a cabo. La recombinación mitótica suele ser mucho menos frecuente que la recombinación meiótica y se presenta en las células somáticas, las cuales no desarrollan complejos sinaptonémicos.  4 2. OBJETIVOS. Identificar morfológicamente núcleos en diferentes estadíos meióticos. Aprender un modelo generalizado de meiosis que incluya fenómenos como: apareamientos de los cromosomas homólogos, recombinación genética y segregación de los cromosomas homólogos. Interferir la importancia biológica de la meiosis. 3. CUESTIONARIO. ¿Cuáles son las características de la profase I de la meiosis?. Realice una comparación con la profase mitótica. ¿Qué es el crossing over?. ¿Qué importancia tienen la reacción de Feulgen en el estudio de la meiosis?. ¿Cuál es la importancia biológica de la meiosis?. Mediante un esquema compare una metafase I meiotica y una metafase mitótica. Considere una dotación cromosómica 2n=6. ¿En que células se lleva a cabo la meiosis?. En forma resumida explique cuáles serían las consecuencias genéticas de la meiosis.  5 4. ACTIVIDADES Meiosis en células vegetales. Observe al microscopio óptico placas de antera de lirio (Lilium sp.) teñidas con Hematoxilina- Safranina. Identifique y esquematice células en profase I (leptonema, paquinema y diplonema), metafase I y metafase II Preparación: Propósito: Tinción: Aumento: Descripción: Preparación: Propósito: Tinción: Aumento: Descripción:  6 GAMETOGENESIS 1. INTRODUCCIÓN. Las células sexuales masculinas y femeninas, se originan a partir de las células germinales primordiales. A medida que ocurre el proceso de desarrollo embrionario, se inicia la formación de estructuras básicas que culminan con la formación de la gónada. El esbozo de la gónada se forma con un componente somático, lugar al que llegan las células germinales primordiales y que constituirán el componente germinal. En conjunto ambas partes estructuran una gónada indiferenciada que, dependiendo de la dotación cromosómica resultante de la fecundación, xx ó xy, originará, ovarios o testículos respectivamente. La división de las células germinales primordiales que llegan a la futura gónada generan otros tipos celulares denominados gonocitos. Como resultado de la división de los gonocitos, se forman las gonias, ovogonias o espermatogonias, las que deben atravesar por tres etapas: multiplicación, crecimiento y maduración, para originar finalmente los gametos. En mamíferos y en vertebrados en general, el proceso que tienen lugar en las gónadas, por el cual se forman los gametos, óvulos o espermios, se denomina gametogénesis y en ambos sexos las etapas o períodos que se mencionan precedentemente se caracterizan como sigue: 1.1 Multiplicación o proliferación de gonias. Por mitosis sucesivas, las gonias (células troncales), se dividen en determinadas etapas de la vida pre y post natal, cronológicamente diferentes en el macho y en la hembra. En la hembra de la mayoría de los mamíferos, la multiplicación de ovogonias sucede sólo en el período pre natal, mientras que en los machos, la existencia de células troncales en los túbulos seminíferos le permite tener una población de células germinales que se multiplican activamente en toda la época reproductiva.  7 1.2 Crecimiento. Las continuas mitosis producen un desequilibrio núcleo-citoplasma y la células tienden a restablecerlo mediante activo crecimiento, que dan como resultado la formación de espermatocitos u ovocitos primarios. Tanto el momento de inicio, como la duración y magnitud de este crecimiento presenta diferencias entre el macho y la hembra. Durante el período embrionario los ovocitos I entran en la profase de la primera división meiótica, evolucionando hasta el estado de diploteno, con posterioridad, se detienen en un estado transicional denominado dictioteno, hasta alcanzar la pubertad. Paralelamente, células prefoliculares planas rodean a los ovocitos para constituir folículos primordiales. En este estado se producen modificaciones en el volumen del ovocito, por un incremento importante de vitelo, o material nutritivo, que será utilizado en el desarrollo embrionario posterior. En los machos, a medida que los espermatocitos I, se alejan de la membrana basal del epitelio germinal de los túbulos seminíferos, se produce un aumento de volumen, tanto del núcleo como del citoplasma, lo cual se lleva a cabo en un período muy corto de tiempo, no obstante persiste durante toda la época reproductiva. 1.3 Maduración o etapa reduccional. En esta etapa se producen dos divisiones sucesivas de los espermatocitos y ovocitos primarios. En la primera división meiótica, se produce la reducción de la dotación cromosómica a la mitad, manteniéndose en dotación haploide hasta el final de la segunda división meiótica. Esta etapa coincide con la pubertad y, por acción de gonadotrofinas hipofisiarias FSH y LH, se produce, en las hembras, el crecimiento del folículo y la maduración del ovocito. A partir de estos dos eventos es que en 1968 Pedersen y Peters propusieron una terminología, para la clasificación de ovocitos y folículos, que no solo ha sido aceptada, sino que su uso se ha generalizado, aunque en algunos casos con algunas variantes. Esta clasificación se basa en: a) tamaño del ovocito en los folículos en distinto estado del desarrollo; b) tamaño del folículo, definido por la forma y el número de células que forman la envoltura folicular, y c) morfología del folículo mismo. Por su parte, el ovocito contenido en el folículo sale de su estado de reposo (dictioteno), no obstante, continúa en la primera división meiótica, obteniéndose, después de la reducción  8 cromosómica, dos células denominadas, ovocito II y el primer corpúsculo polar, respectivamente, las que presentan una dotación haploide de cromosomas. La segunda división ecuacional se produce sólo en caso de fecundación del ovocito. En los machos, los espermatocitos estimulados por presencia de gonadotrofinas, inician la meiosis entrando en la profase de la primera división meiótica y después de pasar por los estadios de metafase I, Anafase I y Telefase I, dan origen a dos espermatocitos II, que poseen la mitad del número de cromosomas. El significado funcional de esta etapa es igual para machos y hembras, pero hay diferencias importantes en cuanto a la duración, siendo en las hembras un período que puede durar semanas, meses o años, como ocurre en la mujer. También el número de células germinales es diferente, produciéndose por cada cito I que entra en división meiótica, 4 células funcionales en los machos y sólo una en las hembras. Al término de la espermatogénesis existe un período de transformación morfológica post meiótica de los espermátidas (células redondeadas), en espermatozoides (células flageladas), características de la especie. Esta etapa se conoce como Espermiohistogénesis o Citodiferenciación. En esencia la diferenciación de las espermátidas se relaciona con la evolución del material nuclear (forma del núcleo, organización de la cromatina), de los centríolos y del aparato flagelar, y con el desarrollo del acrosoma, verdadero producto de secreción de la zona de Golgi, entre otros muchos procesos morfogenéticos que son comprensibles sólo al conocer en forma exacta la morfología del espermio maduro para cada especie. El proceso de la espermiohistogénesis en rata ha sido estudiado en detalle y, como se expone a continuación, pueden reconocerse las siguientes fases: i. Fase de Golgi: En esta, los gránulos proacrosómicos ( gránulos PAS), se hacen visibles en la zona de Golgi, coalesciendo hasta formar un gránulo mayor, rodeado de una vesícula grande, que se adhiere a la membrana nuclear en lo que será el polo anterior del núcleo del espermio. En el polo opuesto, uno de los dos centríolos da origen al flagelo. ii. Fase de Capuchón: La vesícula acrosómica se aplasta y expande sobre la superficie del núcleo, visualizándose dos zonas, gránulo y casquete, ambas rodeadas por membranas de origen Golgiano. Los centríolos migran, quedando el proximal situado en el polo posterior del núcleo y el distal es el corpúsculo basal del flagelo.  9 iii. Fase Acrosómica: Se caracteriza por transformaciones múltiples del acrosoma, núcleo y flagelo. El núcleo se hace excéntrico, se alarga y deforma y la cromatina se condensa. El acrosoma se adapta a la forma del núcleo y comienza a adquirir la forma que es específica para el espermatozoide de cada especie. El citoplasma y los organoides residuales se desplazan caudalmente a lo largo del flagelo. iv. Fase de Maduración: En este período se completa la transformación a espermatozoide. La cromatina se condensa y el acrosoma adquiere la forma propia de la especie. Se diferencian los constituyentes y/o segmentos propios del flagelo. El exceso de citoplasma, que pende como apéndice de la espermátida madura, se elimina en el lúmen del tubo seminífero (cuerpo residual de Regaud), o es fagocitado por las células de Sértoli. Poco después, las espermátidas se desprenden al lumen del mismo túbulo, durante la espermiación. 2. OBJETIVOS. 2.1 Conocer las bases biológicas del proceso de gametogénesis. 2.2 Identificar microscópicamente algunas células de las líneas germinales masculinas y femeninas. 2.3 Identificar y clasificar foliculas ováricos, de acuerdo con el esquema adjunto. 2.4 Identificar células somáticas del testículo que participan en el proceso de espermatogénesis. 2.5 Comparar los procesos de ovogénesis y espermatogénesis en las etapas de Proliferación, Crecimiento y Maduración. 2.6 Completar las observaciones microscópicas con la información anexada en las páginas siguientes.  10 3. CUESTIONARIO. 3.1 ¿Qué es el estado de dictioteno? ¿Qué ventajas representa este estado para la célula germinal femenina?. 3.2 ¿Qué semejanza y diferencia existen entre un ovocito I y primer corpúsculo polar?. 3.3 Haga un cuadro comparativo entre el proceso de ovogénesis y espermatogénesis que considere los siguientes aspectos: división o proliferación gonial; duración del crecimiento, duración de la meiosis, número de células funcionales. 3.4 ¿Qué caracteriza la intercinesis entre la meiosis I y II.? 4 ACTIVIDADES. 4.1 Espermatogénesis en Testículo de roedor. Observe un corte de testículo de roedor. Identifique los tres compartimentos fundamentales que constituyen el testículo. Reconozca células germinales y somáticas. Utilice el esquema anexo. Preparación: Propósito: Tinción: Aumento: Descripción:  11 Preparación: Propósito: Tinción: Aumento: Descripción: 4.2 Ovogénesis en ovario de mamífero Observe una placa de un corte transversal de ovario teñido con hematoxilina-eosina. Identifique los ovocitos I y los diferentes tipos de folículos ováricos de acuerdo con la clasificación anexa. Preparación: Propósito: Tinción: Aumento: Descripción:  12 a) Plexo de Haller b) Conducto epididimario c) Albugínea d) Tabique fibroso radiado e) Lóbulo testicular f) Túbulo seminifero g) Conducto eferente h) Epidídimo i) Conducto deferente Estructura anatómica y citomorfológica del testículo humano.  13 Las diversas etapas de la espermatogénesis de mamíferos.  14 Diagrama de un ovario de mamífero, en el cual se han esquematizado los estados progresivos del crecimiento y desarrollo folicular Clasificación de los folículos ováricos durante su crecimiento y desarrollo Estructura anatómica y citomorfológica del ovario de mamíferos.  15 Etapas de la Oogénesis de mamíferos.