Tema 13. Variacions Cromosòmiques Numèriques I PDF

TEMA 13 Variacions Cromosòmiques Numèriques I Variacions del cicle cel·lular i les seues conseqüències Haploïdia Origen Identificació Comportament citogenètic Aplicacions en millora vegetal Poliploïdia Origen Identificació Comportament citogenètic Poliploïdia artific...

TEMA 13 Variacions Cromosòmiques Numèriques I Variacions del cicle cel·lular i les seues conseqüències Haploïdia Origen Identificació Comportament citogenètic Aplicacions en millora vegetal Poliploïdia Origen Identificació Comportament citogenètic Poliploïdia artificial i millora genètica Poliploïdia en humans Diploïdia uniparental  El més normal és que totes les cèl·lules d’un organisme (excepte els gàmetes) i tots els organismes d’una espècie, tinguen: 1) El mateix nombre de jocs de cromosomes (2 en les espècies diploides que són les més freqüents en eucariotes superiors, és a dir dues còpies de cada cromosoma que constitueixen la parella de cromosomes homòlegs) 2) El mateix nombre de cromosomes en cada joc Von (2015) https://www.genome.gov/genetics-glossary/Diploid  Però també existeixen organismes heteroploides, que no compleixen aquestes regles Aneuploïdia Guany o pèrdua d’un o més cromosomes respecte del contingut diploide Poliploïdia Variació de l’euploïdia que implica la presència de més de dos conjunts complets de cromosomes Klug et al., Concepts of Genetics Terminologia - nombre gamètic (n) - nombre somàtic (2n) - nombre cromosòmic bàsic (X), nº de cromosomes que constitueixen un joc Col (Brasica oleracea) Blat (Triticum aestivum) Euploïdia normal: Diploïdia: 2x=18 Hexaploïda: 6x=42 Euploïdies anormals: Monoploïdia x=9 x=7 Triploïdia 3x=27 3x=21 Tetraploïdia 4x=36 4x=28 Nombre haploide: n=9 n=21 No sempre el nombre monoploide (x) és el mateix que el nombre haploide (n), ja que aquest últim es defineix com el nombre de cromosomes que porta una gàmeta Variacions cromosòmiques numèriques són mutacions cromosòmiques que produeixen un canvi en el nombre normal de cromosomes d’una cèl·lula o espècie Origen de les variacions cromosòmiques numèriques Alteracions en la meiosi: No disjunció de cromàtides germanes i/o cromosomes homòlegs produeixen gàmetes amb un nombre incorrecte de cromosomes que poden donar lloc a organismes ANEUPLOIDES Morton and Lee, Yen & Jaffe's Reproductive Endocrinology Alteracions en la mitosi: Produeixen cèl·lules amb un nombre erroni de jocs cromosòmics, que poden acabar donant lloc a cèl·lules germinals que a la seua vegada produiran organismes EUPLOIDES (POLIPLOIDES)  VARIACIONS DEL CICLE CEL.LULAR 1. Variacions en la replicació i en el repartiment del material hereditari 2. Variacions que afecten als estats mitòtics 3. Variacions que afecten a la citocinesi en relació amb la cariocinesi Metafase Anafase Telofase Profase G2 G1 2n=2 S Interfase  1. Variacions en la replicació i en el repartiment del material hereditari La situació normal en el cicle cel·lular és que si una cèl·lula entra en període S i replica el seu material genètic, queda obligada a entrar en mitosi Øvrebø and Edgar, 2018 En acabar la mitosi i abans d’entrar en altre cicle de divisió, la cèl·lula ha de passar necessàriament per un període S de replicació Però en ocasions es produeixen “tallacircuits”: Endoreduplicació Haplocromosomes 1. Variacions en la replicació i en el repartiment del material hereditari Endoreduplicació: Ocorren dues rondes de replicació successives sense passar per cap període de mitosi intermedi Adaptada de Øvrebø and Edgar, 2018 Quan la cèl·lula entra en mitosi, poden observar-se duplocromosomes formats per quatre cromàtides unides Pot ser l’origen d’una poliploïdia Lima et al. (2004) 1. Variacions en la replicació i en el repartiment del material hereditari Haplocromosomes: En acabar la telofase la cèl·lula torna a entrar en mitosi sense passar pel període S Divisió després fase S Divisió sense fase S Adaptada de Mantikou et al. (2012) Els cromosomes, en arribar a la metafase, apareixen formats per una sola cromàtida i reben el nom d’haplocromosomes Excepcionalment poden donar lloc a cèl·lules haploides La causa d’ambdós processos pareix estar en alteracions de l'expressió de gens relacionats amb el control del cicle cel·lular En Schizosaccharomyces pombe el gen rum1 regula la replicació del DNA en relació amb el moment de la mitosi: - La seua sobreexpressió provoca dos períodes S sense passar per M - La seua inactivació provoca dos M sense període S intermedi Sveiczer et al. (2004) 2. Variacions que afecten als estats mitòtics Endomitosi: La membrana nuclear no desapareix i la mitosi continua dins de l’embolcall nuclear, per la qual cosa es dobla el nombre de cromosomes que hi ha al nucli sense que aquest es divideixi Pot originar poliploïdia Adaptada de Matsunaga et al. (2011)  2. Variacions que afecten als estats mitòtics Anomalies del fus acromàtic: Formació de fusos multipolars C-mitosi Repartiment desequilibrat dels cromatidis Bloqueig de la formació de microtúbuls que impedeix la migració dels cromosomes Mitosi Mitosi normal amb fusos multipolars Adaptada de Funk et al. (2016) Pot originar aneuploïdies Pot originar Adaptada de Janssen and Medema (2011) poliploïdies 3. Variacions que afecten a la citocinesi en relació amb la cariocinesi Citocinesi sense cariocinesi: Estrangulament dels nuclis profàsics amb mort cel·lular Citocinesi en cèl·lules enucleades Cariocinesi sense citocinesi: Produeix una cèl·lula binucleada Mason and Bessler (2011) Si es fusionen els dos nuclis es pot originar poliploïdia 3. Variacions que afecten a la citocinesi en relació amb la cariocinesi Fenòmens naturals de cariocinesi sense citocinesi: Les cèl·lules del tapet del sac pol·línic de les anteres en plantes angiospermes són bi- i tetranucleades Pereira (2011) El blastoderm sincitial de Drosophila melanogaster té uns 5000 nuclis Watters (2005) Haploïdia (2n=x) És la constitució cromosòmica d’un organisme, teixit o cèl·lula que té un sol joc de cromosomes Pot ser l’estat normal d’una espècie o cèl·lula (gàmetes), però també pot ser una anomalia Els animals haploides per “anomalia” no són viables, mentre que els vegetals sí ho són Griffiths et al., An Introduction to Genetic Analysis. Haploïdia en angiospermes Hi ha tres processos fisiològics que poden conduir a l’aparició de plantes haploides en angiospermes: 1. Per partenogènesi Desenvolupament d’un embrió a partir d’un òvul (egg cell) no fertilitzat 2. Per androgènesi Regeneració d’una planta a partir de micròspores en condicions de cultiu in vitro 3. A partir d’una cèl·lula haploide del sac embrionari, distinta de la gàmeta femenina Walbot and Evans (2003)  Mètodes d’obtenció de plantes angiospermes haploides Adaptada de Kalinowska et al. (2019) Adaptada de Kalinowska et al. (2019) Griffiths et al., An Introduction to Genetic Analysis Com solucionar el problema de l’esterilitat de les plantes haploides Gilles et al. (2017)  Identificació d’haploides haploide diploide 1. Mitjançant control cromosòmic 2n = x = 9 2n = 2x = 18 Adaptada de Aleza et al. (2009) 2. Altres característiques més fàcils d’observar: més xicotetes que les diploides diploide haploide haploide diploide haploide diploide haploide diploide Adaptada de Yahata and Kunitake (2018) Comportament citogenètic La mitosi no presenta cap problema En la meiosi els cromosomes no formen bivalents ja que no tenen homòleg: - la segregació de cromosomes és aleatòria - es formen gàmetes desequilibrats poc fèrtils - si hi ha descendència és diploide perquè “per atzar” s’han format i unit gàmetes n  Aplicacions en la millora genètica Obtenció de línies pures Parental Micròspores Descendents Diploides AB ¼ AB ¼ AA BB cultiu cel·lular diploidització a b ¼ a b ¼ aa bb Aa Bb A b haploidització ¼ A b ¼ AA bb a B ¼ a B ¼ aa BB Eliminació d'al·lels letals recessius (ex. al·lel b) Parental Micròspores Descendents Diploides AB ¼ AB ½ AA BB cultiu cel·lular diploidització Aa Bb a b ¼ a b ¼ aa bb A b haploidització ¼ A b ¼ AA bb a B ¼ a B ½ aa BB  Poliploïdia Els poliploides són organismes amb tres o més dotacions cromosòmiques Per exemple, en Triticum aestivum: 2n= 42, n=21, però x= 7. Per tant, n= 3x i 2n= 6x, amb la qual cosa es tracta d’un hexaploide Els organismes i les cèl·lules poliploides solen ser més grans Tan et al. (2019)  Tipus: – Autopoliploides: conjunts monoploides de la mateixa espècie – Al·lopoliploides: conjunts monoploides de distintes espècies Klug et al., Concepts of Genetics L'autopoliploïdia és resultat d’accidents L'al·lopoliploïdia s’origina per la en la meiosi o la mitosi que produeixen hibridació entre dues espècies i el conjunts addicionals de cromosomes, poliploide resultant porta conjunts tots procedents de la mateixa espècie, o de cromosomes derivats de dues o per unió de gàmetes n i 2n més espècies  A la natura, la poliploïdia és relativament freqüent en vegetals però molt rara en animals Ren et al. (2019)  A la natura, la poliploïdia és relativament freqüent en vegetals però molt rara en animals La major part d’espècies animals es reprodueixen per fecundació encreuada, mentre que en vegetals és freqüent l’autogàmia i la reproducció vegetativa En animals és molt difícil la formació d’híbrids interespecífics i aquests quasi sempre són estèrils mentre que en vegetals són més freqüents Ren et al. (2019)  A la natura, la poliploïdia és relativament freqüent en vegetals però molt rara en animals La major part d’espècies animals es reprodueixen per fecundació encreuada, mentre que en vegetals és freqüent l’autogàmia i la reproducció vegetativa En animals és molt difícil la formació d’híbrids interespecífics i aquests quasi sempre són estèrils mentre que en vegetals són més freqüents Ren et al. (2019) Els animals poliploides no solen ser viables perquè: No es produeix gigantisme com en vegetals, sinó menor nombre de cèl·lules, la qual cosa altera el funcionament, sobre tot del sistema nerviós Es produeix desequilibri en el mecanisme cromosòmic de determinació del sexe El desenvolupament animal és molt més complex  En vegetals, els poliploides naturals són: Especialment freqüents entre les angiospermes (33% de les espècies) Molt comuns entre les molses Molt rars entre les gimnospermes (4% de les espècies) La poliploïdia ha jugat un paper important en l’evolució de les plantes superiors Jiao et al. (2011) Obtenció d’autopoliploides per reproducció sexual: Per la fecundació simultània d’un òvul per dos grans de pol·len Per una alteració mitòtica en teixits germinals 4x Per una “no disjunció” total en la gametogènesi 3x Adaptada de Pierce, Genetics: A conceptual approach Obtenció d'autopoliploides per reproducció vegetativa: Per una alteració mitòtica en teixits somàtics (esqueixos) 4x Adaptada de Pierce, Genetics: A conceptual approach No-disjunció Adapada de Griffiths et al., An Introduction to Genetic Analysis Obtenció d'al·lopoliploides La fecundació entre dues espècies pot donar un híbrid estèril, que per duplicació dels seus cromosomes formarà un al·lopoliploide fèrtil Hegarty and Hiscock (2008) Klug et al., Concepts of Genetics Comportament citogenètic dels poliploides La mitosi no presenta problemes La meiosi presenta diferents particularitats a) Autotriploides (AAA): - Qualsevol tipus d’aparellament dóna segregacions no equilibrades - Són pràcticament estèrils b) Autotetraploides (AAAA): - Segons el tipus d’aparellament poden donar segregacions equilibrades o no equilibrades - Són menys fèrtils que els diploides corresponents Griffiths et al., An Introduction to Genetic Analysis c) Al·lopoliploides - Parells (AABB), les distintes dotacions de cromosomes poden ser suficientment diferents per a que sols, o en la seua major part, es formen bivalents (diploidització de l'al·lopoliploide) La seua fertilitat és alta AABB → gàmetes AB si el genomi A és molt distint del genomi B Pikaard (2001) - Imparells (AAABB), solen ser estèrils por segregació desequilibrada dels seus cromosomes  A la natura la poliploïdia és essencial per generar i mantindre la diversitat d’espècies Abbott and Rieseberg (2012) Osborn et al. (2003)  Poliploïdia artificial i millora genètica En vegetals Avantatges de la poliploïdia: - Heterosi Els poliploides són més vigorosos que els seus progenitors diploides - Redundància gènica Protegeix als poliploides de l’efecte de mutacions deletèries - Reproducció asexual Evita la necessitat de parelles sexuals compatibles Desavantatges de la poliploïdia: - Canvis en l’arquitectura cel·lular L’increment de la grandària genòmica provoca l’increment del volum cel·lular - Problemes en mitosi i meiosi Cèl·lules i gàmetes aneuploides per pèrdua de cromosomes - Canvis en la regulació de l'expressió gènica Canvis en el nombre de còpies dels gens pot conduir a desregulació gènica - Inestabilitat epigenètica Es poden desbaratar les adaptacions reguladores seleccionades en els parentals Hassan Dar and Rehman (2017) Cansian-Sattler et al. (2016) https://www.msn.com/en-in/foodanddrink/foodnews/seedless-vs- http://www.promusa.org/Domestication seeded-watermelon-whats-the-difference/ar-AAFV4Pa +of+the+banana  Tècniques d'obtenció de plantes poliploides A partir de llavors Per hibridació somàtica Griffiths et al., An Introduction to Genetic Analysis Adaptada de Griffiths et al., An Introduction to Genetic Analysis  Poliploïdia en animals Insectes i crustacis partenogenètics Peixos, rèptils i espècies en les que els cromosomes sexuals no estan diferenciats, com alguns amfibis O. americanus Odontophrynus occidentalis “ achalensis 2n = 2x = 22 “ cultripes “ americanus 2n = 4x = 44 Ceratophrys aurita 2n = 8x = 104 Martino et al. (2019) Un cas de mamífer poliploide: la rata viscatxa (al·lotetraploide) Teta et al. (2014) Gallardo et al. (2006) Poliploïdia artificial i millora genètica Aqüicultura Autopoliploides Triploides: Contenen dos genomes femenins i un masculí Son estèrils: produeixen gàmetes desequilibrats Griffiths et al., An Introduction to Genetic Analysis Piferrer et al. (2009)  Característiques millorades dels triploides estèrils: - S’inhibeix el procés de desenvolupament gonadal i s’afavoreix el seu creixement, per la qual cosa presenten major grandària - Resistència a malalties incrementada i menor taxa de mortalitat - Millors propietats organolèptiques Morfologia de mascles i femelles d’Astyanax altiparanae i de les seues gònades Ferreira do Nascimento et al. (2017) L'esterilitat proporciona una població neutra des del punt de vista reproductiu  Tècniques per a la producció de poliploides en aqüicultura Mètodes físics: xoc tèrmic o de pressió hidrostàtica Mètodes químics: citocalasina B Mètodes genètics: encreuament d’un diploide amb un tetraploide Peruzzi and Jobling (2010) Piferrer et al. (2009) Poliploïdia en humans Cariotip d’un tetraploide Bothur-Nowacka et al. (2013) Les referències a triploides i tetraploides en humans corresponen a fetus avortats espontàniament Es consideren condicions letals que causen greus malformacions i sols algun cas excepcional arriba a termini Se suposa una freqüència entre el 1 i el 3% de les gestacions  Origen de la triploïdia i tetraploïdia constitucional en humans 69, XXX 69, XXY 69, XYY Dispermia 92, XXYY 92, XXXX Stratchan and Read, Human Molecular Genetics Endoreduplicació Fusió cel·lular Adaptada de Adriani et al. (2017) de dos zigots  Teixits Poliploides La poliploïdia constitucional és una condició molt rara L’existència de cèl·lules poliploides en certs teixits i òrgans és normal: – Hepatòcits fins 8x – Megacariòcits de la medul·la òssia fins 128x – Cardiomiòcits fins 8x – Cèl·lules del múscul estriat amb diversos nuclis diploides – Cèl·lules gegants del trofoblast de la placenta fins 64x Davoli and de Lange (2011)  Diploïdia Uniparental Cariotip normal (46 cromosomes), però ambdós genomes deriven del mateix parental Sempre 46XX (46YY és inviable) L’embrió no es desenvolupa correctament Mola hidatiforme Concepció anòmala en la que no s’arriba a formar embrió S’origina en degenerar el pronucli de l’òvul fertilitzat i duplicar-se els cromosomes del pronucli masculí donant un zigot diploide Adaptada de Hoffner and Surti (2012) homozigot per a tots els seus gens Teratoma ovàric Tumor benigne rar de l’ovari que consisteix en una massa desorganitzada de teixit embrionari ben diferenciat (os, cartílag, pell) però que manca de membrana extraembrionària Sorgeix per activació d’un ovòcit que no ha ovulat Adaptada de Poaty et al. (2018)