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¿Mediante qué mecanismo se pueden fusionar dos cromosomas?

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¿Qué condición (es) probablemente existiría que podría causar la fusión de 2 cromosomas en el óvulo recién fertilizado de un mamífero placentario? Suponga que esto es más probable que tener el mismo par de cromosomas fusionados en un óvulo individual, así como en un espermatozoide individual.


Las fusiones de cromosomas (así como las fisiones y otros cambios) suelen tener lugar durante la división o el emparejamiento celular, por lo que es muy poco probable que dos cromosomas se fusionen en un óvulo ya fertilizado. Si lo hacen, este huevo probablemente sería abortado.

Un factor que puede conducir a la fusión cromosómica es la pérdida de secuencias theloméricas (telómero = extremidad cromosómica) (O'Sullivan y Karsleder, 2010), pero probablemente no en un óvulo fertilizado.


Biología del desarrollo. 6ª edición.

El reconocimiento de los espermatozoides por la envoltura vitelina o la zona pelúcida es seguido por la lisis de esa porción de la envoltura o zona en la región de la cabeza del esperma por las enzimas acrosómicas (Colwin y Colwin 1960 Epel 1980). A esta lisis le sigue la fusión de la membrana plasmática de los espermatozoides con la membrana plasmática del óvulo.

La entrada de un espermatozoide en un huevo de erizo de mar se ilustra en la Figura 7.19. La unión espermatozoide-óvulo parece causar la extensión de varias microvellosidades para formar el cono de fertilización (Summers et al. 1975 Schatten y Schatten 1980, 1983). Se vuelve a demostrar la homología entre el óvulo y el espermatozoide, porque el cono de fecundación transitoria, al igual que el proceso acrosómico, parece prolongarse por la polimerización de la actina. Las membranas plasmáticas del esperma y del óvulo se unen y el material de la membrana del esperma se puede encontrar más tarde en la membrana del óvulo (Gundersen et al. 1986). El núcleo y la cola del esperma atraviesan el puente citoplasmático resultante, que se ensancha por la polimerización de actina. Un proceso similar ocurre durante la fusión de gametos de mamíferos (Yanagimachi y Noda 1970 Figura 7.20).

Figura 7.20

Entrada de esperma en huevo de hámster dorado. (A) Micrografía electrónica de barrido de espermatozoides que se fusionan con el óvulo. La mancha & # x0201cbald & # x0201d (sin microvellosidades) es donde el cuerpo polar se ha desprendido. (B) Primer plano de la unión de la zona de los espermatozoides. (C) Transmisión de electrones (más.)

En el erizo de mar, todas las regiones de la membrana plasmática del huevo son capaces de fusionarse con los espermatozoides. En varias otras especies, ciertas regiones de la membrana están especializadas para el reconocimiento y la fusión de los espermatozoides (Vacquier 1979). La fusión es un proceso activo, a menudo mediado por proteínas específicas & # x0201cfusogénicas & # x0201d. Parece que la bindina juega un segundo papel como proteína fusogénica. Glabe (1985) ha demostrado que la bindina del erizo de mar hará que las vesículas de fosfolípidos se fusionen y que, al igual que las proteínas fusogénicas virales, la bindina contiene un tramo largo de aminoácidos hidrófobos cerca de su extremo amino. Esta región es capaz de fusionar vesículas de fosfolípidos (Ulrich et al. 1998).

En los mamíferos, el fertilización Las proteínas de la membrana plasmática de los espermatozoides son esenciales para la fusión de la membrana del esperma con la membrana del óvulo (Primakoff et al. 1987 Blobel et al. 1992 Myles et al. 1994). La fertilina de ratón se localiza en la membrana plasmática posterior de la cabeza del esperma (Hunnicut et al. 1997). Adhiere el esperma al óvulo uniéndose a la proteína integrina & # x003b16 & # x003b21 en la membrana plasmática del óvulo (Evans et al. 1997 Chen y Sampson 1999). Además, al igual que la unión del erizo de mar (con la que no está relacionada estructuralmente), la fertilina tiene una región hidrófoba que podría mediar potencialmente en la unión de las dos membranas (Almeida et al. 1995). Por lo tanto, la fertilina parece unir la membrana plasmática del esperma a la membrana plasmática del óvulo y luego fusionar las dos. Los ratones homocigotos para la fertilina mutante tienen espermatozoides con varios defectos, uno de ellos es la incapacidad de fusionarse con la membrana plasmática del huevo (Cho et al. 1998). Cuando las membranas se fusionan, el núcleo del esperma, las mitocondrias, el centríolo y el flagelo pueden ingresar al óvulo.


Implicaciones para comprender nuestro "convertirnos en humanos"

La principal implicación de este trabajo es que sitúa el evento de fusión mucho antes del advenimiento de nuestra especie. A menudo he conversado informalmente con cristianos sobre la evolución y, en ocasiones, algunos han pensado que este evento de fusión fue lo que "inició" nuestra especie, o hizo que nuestra especie no pudiera cruzarse con otros grupos. Algunos incluso han sugerido que quizás el evento de fusión fue lo que produjo al primer humano (es decir, Adán).

Tenga en cuenta que pensar de esta manera sugiere un malentendido de cómo ocurren las fusiones cromosómicas y qué efecto tienen en sus anfitriones. Una fusión no precipita un evento de especiación, sino que el individuo con la fusión sigue siendo parte de su población y puede cruzarse, incluso si tiene una fertilidad reducida. Además, no hay ningún efecto biológico necesario o cambio que la fusión produzca sobre la apariencia del organismo. Sin embargo, dejando de lado estos malentendidos, lo que muestra esta nueva evidencia es que este evento de fusión tuvo lugar mucho antes de que surgieran los humanos modernos, hace unos 200.000 años. De hecho, la fecha de hace 800.000 años para el último ancestro común humano & # 8211 denisovano significa que esta es la fecha más reciente posible para la fusión. Si bien es una pieza interesante de nuestra historia evolutiva, no parece tener mucho que ver con cómo llegamos a adquirir los rasgos que nos diferencian de otras especies similares y, en última instancia, las superan en la competencia.

Dennis Venema

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Patrones observados de reordenamiento cromosómico

El entusiasmo del Dr. Miller acerca de este reordenamiento cromosómico puede estar ligado a la noción más antigua de que tales mutaciones son la base de la especiación.8 Esta creencia demostró ser demasiado simplista hace décadas cuando aparecieron artículos que describían variaciones cromosómicas que no fueron eliminadas por selección. Un ejemplo intrigante es una sola especie de roedor (Holochilus brasiliensis) donde se identificaron 26 cariotipos diferentes en los 42 individuos evaluados.9 Se han identificado reordenamientos cromosómicos en muchas especies de rumiantes. Hay ejemplos tanto en cabras como en ovejas en los que los individuos con una o más fusiones céntricas son fenotípicamente indistinguibles de otros animales.10 Un investigador que estudió ovejas que portaban hasta tres fusiones céntricas diferentes concluyó: “Ahora se considera que hay poca o ninguna evidencia sugerir que las fusiones céntricas en una variedad de combinaciones afectan la aptitud productiva total de las ovejas domésticas ”. 11 Por lo tanto, la conclusión es que las fusiones céntricas en sí mismas no resultan inevitablemente en una nueva especie. Es concebible que existan algunos simios con 46 cromosomas. Sin embargo, estos animales serán claramente simios y no "evolucionarán" para convertirse en humanos. Si la evidencia observada es realmente de una fusión, se explica mejor por la fusión de dos humano cromosomas.


Determinación del sexo entre dos individuos de la misma especie | Biología

El sexo es la diferencia hereditaria entre dos individuos de la misma especie. El sexo es uno de los tipos de diferencias hereditarias más llamativas e interesantes que se observan entre individuos de la misma especie.

La determinación del sexo se determina en el momento de la fertilización, cuando los gametos masculino y femenino se fusionan.

A. Heterogamia masculina:

Los machos forman dos tipos de gametos. Un gameto posee el cromosoma X y el otro carece de él. En algunos casos, el hombre puede poseer un cromosoma Y. Estos machos se conocen como heterogaméticos. En tales casos, las hembras forman solo un tipo de gameto que contiene el cromosoma X.

La heterogamia masculina es de dos tipos:

En 1900, cuando las técnicas microscópicas se habían desarrollado bastante y se entendía el comportamiento de los cromosomas, se notó que había un par de cromosomas que se diferenciaba de los demás. En las hembras, los miembros de este par eran similares, pero difieren en apariencia en otros sexos (machos).

Los dos cromosomas, que eran iguales (en la hembra) eran los mismos que uno de los miembros del par diferente en el macho. El cromosoma que estaba presente en pareja en la hembra y único en el macho se identificó como cromosoma X. En los machos, el otro cromosoma se denominó Y. Por tanto, los dos sexos se pueden caracterizar como debajo (Fig. 5.32).

Los cromosomas X fueron identificados por primera vez por Wilson y Stevens en 1905. El llamado sistema XY se encuentra en una amplia variedad de animales, incluidos Drosophila y mamíferos, así como al menos en algunas plantas (por ejemplo, Lychnis, una angiosperma).

Los cromosomas X e Y se denominan cromosomas sexuales (alosomas), los restantes de un complemento dado, que son iguales en ambos sexos, se denominan autosomas. El tipo de sistema discutido anteriormente se llama sistema XX-XY.

Otro sistema informado es XX-XO. En 1902, un estadounidense McClung informó que las células somáticas de las hembras de saltamontes tienen 24 cromosomas, mientras que las de los machos solo tenían 23. Por lo tanto, en muchos insectos hay una diferencia cromosómica entre los sexos, las hembras se denominan XX que tienen dos cromosomas X y los machos como XO (& # 8220X & # 8211 Oh & # 8221 con un cromosoma X).

Como resultado de la meiosis, todos los óvulos de estas especies llevan el cromosoma X, mientras que solo la mitad de los espermatozoides tienen uno y la otra mitad no lo tiene. Dado que los machos producen dos tipos de gametos X u O en el tipo XO y X e Y en el tipo XY, se les llama heterogaméticos. Las hembras son homogaméticas y producen solo un tipo de gameto con cromosoma X.

B. Heterogamia femenina:

En tales casos, las hembras producen dos tipos de gametos. Un huevo contiene X y otro que no lo tiene (X) o que contiene el cromosoma Y. Por tanto, el macho es AAXX y la hembra es AAXO o AAXY. Por conveniencia y para evitar confusiones, la práctica estándar es que en estos organismos X se denota como Z e Y como W.

La heterogamia femenina también es de dos tipos.

Se ha encontrado otro sistema ZZ-ZW interesante en algunas aves, incluidas aves domésticas, mariposas y algunos peces. En este caso, las hembras son heterogaméticas y los machos son homogaméticos. Los cromosomas sexuales aquí se han designado como Z y W para evitar confusiones con casos en los que la hembra es homogamética. Las hembras aquí son ZW y los machos ZZ (Fig. 5.34).

En ZO-ZZ tipo de determinación del sexo que ocurre en algunas mariposas y polillas. Es opuesto a lo que se encuentra en cucarachas y saltamontes. Aquí las hembras tienen un cromosoma sexual impar (AA + Z) mientras que los machos tienen dos cromosomas sexuales homomórficos (AA + ZZ).

Las hembras son heterogaméticas. Producen dos tipos de huevos, el macho se forma con un cromosoma sexual (A + Z) y la hembra se forma sin el cromosoma sexual (A + O). Los machos son homogéneos, formando tipos similares de espermatozoides (A + Z). Los dos sexos se obtienen en la progenie en igual proporción (Fig. 5.35) ya que ambos tipos de huevos se producen en igual proporción.

Determinación del sexo en el hombre:

Un hombre humano tiene un cromosoma X y un cromosoma Y y 22 pares de autosomas, lo que hace un total de 46. Las mujeres tienen un par de cromosomas X y 22 pares de autosomas, lo que nuevamente hace un total de 46. Los cromosomas sexuales se segregan en la meiosis al igual que los otros cromosomas, s6 esto significa que cada espermatozoide recibirá sólo un cromosoma sexual.

Por tanto, en el momento de la espermatogénesis, habrá dos tipos de espermatozoides producidos en igual número, los que contienen un cromosoma X y los que contienen un cromosoma Y. Cada uno de los huevos producidos por la hembra contendrá un cromosoma X. Por lo tanto, el sexo de la progenie se determina en el momento de la fertilización del óvulo.

Si el óvulo es fertilizado por un espermatozoide que tiene un cromosoma Y (junto con 22 cromosomas ordinarios en el hombre), el cigoto tendrá una X y una Y y se desarrollará como macho. Si el óvulo es fertilizado por un espermatozoide X, el cigoto tendrá dos cromosomas X y se convertirá en una hembra (Fig. 5.36).

Ginandromorfos:

Se encontró que pocos individuos de Drosophila tenían la mitad del cuerpo como macho y la otra mitad como hembra. Se les llama ginandromorfos.

Se pueden diferenciar tres tipos de gynanders o ginandromorfos:

1. Gynanders bilaterales:

Aquí la mitad lateral es de macho y la otra mitad es de hembra.

2. Gynanders anteroposterior:

Aquí el extremo anterior del animal es de un sexo y posterior del otro.

En este caso, la mosca hembra presenta manchas irregulares de tejido masculino. Morgan y Bridges (1919) explicaron que en Drosophila, el cigoto que se convierte en hembra tiene dos cromosomas X. Debido a la pérdida o desaparición de un cromosoma X durante la división del óvulo fertilizado, se forma un ginandromorfo.

Determinación del sexo en plantas:

Allen (1940) dio una lista de especies de plantas en las que se habían informado cromosomas sexuales. Wastergard (1950) elaboró ​​una lista de especies de plantas en las que la presencia de un par de cromosomas sexuales heteromórficos estaba bien establecida y también de aquellas en las que no estaba establecida.

Uno de los métodos para determinar el sexo heterogamético en plantas se ha estudiado en plantas como Cannabis y Melandrium. Si las proporciones de sexos en las progenies de polen escaso frente a exceso de polen difieren, sugiere que el sexo masculino es heterogamético.

Por ejemplo, en el cáñamo (Cannabis), la polinización escasa dio un exceso de machos, mientras que en Melandrium, la polinización escasa dio un exceso de hembras, lo que sugiere que el sexo masculino es heterogamético en ambos casos. Si la hembra es heterogamética, la polinización escasa debe dar machos y hembras en igual proporción.

En Melandrium album, Warmeke (1946) observó diploides, triploides y tetraploides con diferentes dosis de cromosomas X e Y. Se encontró que la planta es masculina cuando uno o más cromosomas Y están presentes y en las mujeres el cromosoma Y está ausente.

El número de autosomas no afectó visiblemente la expresión sexual. En Melandrium, el cromosoma Y es más largo que el cromosoma X y forman un bivalvo heteromórfico en la meiosis.

Teoría del equilibrio genético de la determinación del sexo:

La teoría del equilibrio genético de la determinación del sexo fue propuesta por Bridges (1923), quien creía que “la interacción de los genes presentes en el cromosoma sexual y los autosomas, que gobierna la potencia femenina y masculina, respectivamente, determina el sexo de una descendencia. En Drosophila Genie Balance Theory Opera (Y-no tiene ningún papel)

X / A = entre 0.5 a 1 = Inter sex

Más de 1 = Super mujer

Los mecanismos de determinación del sexo en las plantas son similares a los que se encuentran en los animales. La mayoría de las plantas son hermafroditas y sólo en las plantas dioicas se encuentran plantas masculinas y femeninas separadas en papaya, espinaca, Vitis, espárragos, etc. Se rige por un solo gen.

En papaya, gen único con alelos de Bires (m, M1, y M2) se sugiere para controlar la diferenciación sexual. Las plantas femeninas son homocigotas (mm.) Los machos son heterocigotos (M1m) y heterocigotos (M2m) produce hermafrodita. En las plantas, el sexo está determinado por el cromosoma Y. Si el cromosoma Y está presente, la planta es masculina, de lo contrario, femenina.

Morgan y Drosophila:

Drosophila melanogaster (mosca de la fruta), que significa & # 8220amante del rocío de vientre negro & # 8221, se investigó intensamente por primera vez en los laboratorios de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York, donde Walter Sutton había sido antes un estudiante de posgrado. Aquí Thomas Hunt Morgan en 1910 descubrió una mosca de la fruta con ojos blancos en un frasco de moscas con ojos rojos normales.

Thomas Hunt Morgan (1866-1945). El descubrimiento de Morgan de rasgos ligados al sexo en Drosophila llevó a experimentos que colectivamente produjeron cromosomas & # 8220maps & # 8221 - identificación de los genes transportados por cada cromosoma, y ​​la ubicación aproximada de cada gen en un cromosoma.

Estaba criando miles de moscas de ojos rojos en botellas, suministrando puré de plátanos como alimento. ¿Cuál fue la base de esta variación? El gen de los ojos blancos surgió como una mutación de un gen que se encuentra en el cromosoma X y que participa en la producción del pigmento ocular.

La creciente evidencia de la teoría cromosómica de la herencia provino principalmente del estudio de Drosophila. Las mutaciones deberían implicar cambios en la estructura cromosómica porque los genes estaban presentes en el cromosoma como se discute en la teoría cromosómica de la herencia.

T. H. Morgan estudió principalmente la herencia de rasgos mutantes en Drosophila porque para él, eran menos costosos de criar que otros animales como ratones y conejos. Sin embargo, su estudio para trabajar en Drosophila resultó muy gratificante para las investigaciones en genética.

Drosophila es un material adecuado para los experimentos genéticos por las siguientes razones:

(a) Su tiempo de generación es de 12 a 14 días, lo que es útil para el estudio y análisis rápidos de resultados en laboratorio.

(b) Puede multiplicarse en gran número en condiciones de laboratorio.

(c) Se produce una gran cantidad de moscas en cada progenie. Un par de moscas en una leche pequeña puede producir cientos de descendientes en un solo apareamiento.

(d) La cría de moscas podría realizarse durante todo el año en un laboratorio con material económico.

(e) Cada célula de Drosophila melanogaster tiene cuatro pares de cromosomas. De los cuales, tres pares de cromosomas son similares en hombres y mujeres y se denominan autosomas. Los machos poseen un cromosoma X y un cromosoma Y que producen dos tipos de espermatozoides, la mitad con el cromosoma X y la mitad con el cromosoma Y.

El cromosoma Y generalmente tiene forma de J. La hembra posee dos cromosomas X homomórficos en sus células corporales, por lo que se denomina XX. Al ser homogaméticas, las hembras producen solo un tipo de huevos, cada uno con un cromosoma X.


Las células simplemente evitan la confusión cromosómica

Esta protección natural evita los recuentos de cromosomas incorrectos y las desalineaciones que provocan infertilidad, aborto espontáneo o afecciones congénitas.

"Los errores durante la división de las células reproductivas causan estos problemas, pero a menudo no se comprende qué es exactamente lo que sale mal", dijo Adele Marston del Wellcome Trust Center for Cell Biology de la Universidad de Edimburgo en Escocia y autora principal del estudio. Comprender los mecanismos de protección normales como el recién descubierto podría sugerir dónde pueden salir mal las cosas.

Marston es parte de un equipo internacional que estudia la meiosis, el tipo de división celular que divide a la mitad el número original de cromosomas de un organismo para la reproducción sexual. La meiosis ocurre, por ejemplo, para crear espermatozoides u óvulos. La reducción permite que la descendencia herede la mitad de sus cromosomas de su padre y la mitad de su madre.

"Durante la división celular", dijo, "los cromosomas deben clasificarse con precisión en una coreografía elaborada en la que los cromosomas se emparejan y luego se separan en una secuencia".

Sin embargo, la disposición se complica durante las primeras etapas de la división de las células reproductivas. En lugar de solo pares de cromosomas, el aparato en forma de huso en las células que separa los cromosomas tiene que lidiar con cuartetos. Cada una contiene dos 'cromátidas hermanas' que provienen de la madre unidas a dos que provienen del padre. Una cromátida es cualquiera de las dos hebras que se forman cuando un cromosoma se duplica. Las cromátidas hermanas son copias idénticas.

"El resultado correcto para la primera etapa de la meiosis", explicó el Dr. Charles L. Asbury, profesor de fisiología y biofísica en la Universidad de Washington, "es que las cromátidas hermanas migren juntas en lugar de separarse". Asbury es el autor principal del estudio.

En todos los tipos de división celular, señaló, las cromátidas hermanas se mantienen unidas al principio por cohesión. Pero en las primeras etapas de la división de las células reproductivas, el equipo de investigación descubrió que un vínculo fuerte y extra estrecho une a las cromátidas hermanas.

Cuando las células se preparan para dividirse, las máquinas moleculares, llamadas cinetocoros, aparecen y asumen varios roles. Ambos controlan e impulsan el movimiento de los cromosomas. Establecieron el tiempo para otros eventos de división celular, incluida la división real de los cromosomas.

Los cinetocoros consisten en una serie de proteínas que se unen a las puntas de estructuras minúsculas parecidas a fibras llamadas microtúbulos. Las puntas actúan como motores. El cinetocoro convierte el alargamiento y acortamiento de las puntas de los microtúbulos en una fuerza útil para mover los cromosomas.

Los investigadores determinaron que, durante las primeras etapas de la meiosis, los cinetocoros entre los cromosomas hermanos se fusionan mecánicamente. El anclaje evita que los cromosomas se separen prematuramente y terminen fuera de lugar.

Los cinetocoros fusionados contienen más elementos de unión que los cinetocoros individuales y forman uniones resistentes y difíciles de romper. Un complejo de proteínas llamado monopolina se encuentra dentro de las células durante las primeras etapas de la división celular reproductiva. Parece estar detrás de esta modificación. La monopolina sola pudo fusionar partículas de cinetocoro en una placa de laboratorio en ausencia de otros factores.

Los investigadores creen que la fusión del cinetocoro es un mecanismo básico para la correcta distribución de los cromosomas en las células sanas. Esta característica de la división de las células reproductivas se conserva en todas las especies y es fundamental para llevar a cabo los patrones esperados de herencia genética.

En este estudio, los investigadores trabajaron con una forma de vida simple, la levadura de panadería, y utilizaron técnicas avanzadas y altamente sofisticadas. Estos incluyeron manipulación genética, atrapamiento láser y microscopía de fluorescencia.

"Combinamos el control genético del ciclo celular con la manipulación biofísica de una máquina de proteínas compleja, el cinetocoro, a un nivel de partícula único", dijo Asbury. "Creo que nuestro trabajo guiará a otros que están estudiando maquinarias moleculares que están reguladas de acuerdo con el ciclo celular".


El SAC y el control del ciclo celular en la transición del ovocito al embrión

No solo el ensamblaje y la función del huso, sino también el control de la segregación cromosómica fiel y la duración de la fase de división celular (fase M), son diferentes en el ovocito y el embrión temprano en comparación con las células somáticas (Figura 1). En todas las células, la entrada de la fase M se rige por un aumento de la actividad de la quinasa 1 dependiente de ciclina (CDK1), que está mediada por la síntesis y unión de la ciclina B y la activación de la quinasa mediante un cambio en su estado de fosforilación [43]. Por el contrario, salir de la fase M requiere que la actividad de CDK1 disminuya. Esto está mediado por la degradación de la ciclina B y la fosforregulación inversa de la quinasa. Para que la ciclina B se degrade, el complejo promotor de la ligasa anafase E3 o el poliubiquitinilato del ciclosoma (APC / C) la proteína y, por lo tanto, la dirige para la degradación proteasomal. Tras la activación de la APC / C a través de la unión de la proteína 20 del ciclo de división celular (Cdc20), la APC / C modifica sustratos clave, como la ciclina B y la securina con cadenas de ubiquitina, y por lo tanto impulsa la progresión hacia la anafase.

En las células somáticas, la duración mitótica y la actividad de CDK1 dependiente de ciclina B se mantienen breves, por lo general sólo duran aproximadamente 40 minutos [44,45]. Solo bajo ciertas condiciones se puede estabilizar la actividad de CDK1. Esto está mediado principalmente por el SAC, que retrasa el inicio de la anafase hasta que todos los pares de cinetocoros de las cromátidas hermanas se unen de forma estable a los microtúbulos del huso desde los polos del huso opuestos [46,47]. El SAC asegura así que los cromosomas se segreguen fielmente. Molecularmente, el SAC logra esto bloqueando la activación de APC / C cuando los cinetocoros están desacoplados, reclutan componentes del SAC, como el arresto mitótico deficiente 2 (Mad2), la gemación desinhibida por los benzimidazoles 3 (Bub3) y la gemación desinhibida por los benzimidazoles relacionados 1 ( BubR1), que, junto con Cdc20, forman el complejo del punto de control mitótico, que incluso se une a una segunda molécula de Cdc20. Al secuestrar este activador de APC / C, el SAC retrasa la degradación de la ciclina B y la inactivación de CDK1 y, por lo tanto, retrasa la progresión del ciclo celular a la anafase. Una vez que todas las cromátidas hermanas están correctamente biorientadas a los microtúbulos de los polos del huso opuestos, los cinetocoros dejan de reclutar componentes del SAC, desactivando el punto de control [48,49].

En comparación con las células somáticas, la fase M en la meiosis I de ovocitos de ratón es mucho más prolongada, con una duración de hasta 10 horas. Comenzando con la maduración de los ovocitos, los niveles de ciclina B aumentan solo gradualmente cuando la proteína se traduce del ARNm previamente almacenado y silenciado [50-52]. En consecuencia, la actividad de CDK1 también aumenta gradualmente. Se cree que este aumento gradual, así como la fase M prolongada, son esenciales para generar uniones estables entre microtúbulos y cinetocoros en el ovocito [53]. Además, el control de la segregación cromosómica fiel en la meiosis I difiere del control en la mitosis somática: los componentes del SAC están presentes y el punto de control es generalmente activo [54-58] pero parece ser menos sensible, porque puede silenciarse incluso en presencia de cinetocoros mal alineados o mal conectados, que pueden conducir a aneuploidía [59-62]. Estudios recientes sugieren que los componentes del SAC podrían no estar lo suficientemente concentrados en el enorme volumen del ovocito para detener la progresión del ciclo celular en respuesta a uno o muy pocos cinetocoros mal conectados [63].

El SAC también está presente en la meiosis II [55], pero su funcionalidad sigue siendo difícil de alcanzar, porque la reanudación meiótica depende principalmente del llamado factor citostático (LCR) [64]. La actividad del LCR aumenta y estabiliza la actividad de CDK1 después de la reanudación de la meiosis I y mantiene una detención en la metafase II hasta la fertilización, mientras que el SAC es silencioso y los cinetocoros están biorientados [28]. El inhibidor mitótico temprano 2 (Emi2) es un actor clave en la actividad del LCR y se cree que funciona como un inhibidor de la APC / C porque también se une a Cdc20 [65]. En la fertilización, Emi2 se degrada, lo que se cree que contribuye a la activación de la APC / C y, en consecuencia, a la degradación de la ciclina B y la securina, lo que permite la progresión a la anafase de la meiosis II [66].

Por lo tanto, el cigoto hereda un sistema regulador del ciclo celular de dos divisiones meióticas que anula el SAC o tiene un mecanismo adicional aguas abajo para detener la salida de la fase M hasta la fertilización. La progresión del ciclo celular cigótico se basa únicamente en factores maternos almacenados, como lo demuestra la activación de CDK1 que es independiente de los núcleos [67]. También similar a la meiosis, la primera fase M embrionaria es inusualmente larga en comparación con las mitosis somáticas, en consonancia con la estabilización observada de la actividad de CDK1 [32]. Un estudio reciente indica que la activación de APC / C se retrasa en la primera fase M en comparación con la fase M en la división de dos células y que este retraso parece ser independiente de Emi2 [33]. La mayor duración de la mitosis en el cigoto no es causada por el proceso de ensamblaje de doble huso, porque la fase M no se acorta en los “cigotos” haploides partenogénicos [68]. Queda por dilucidar si se requiere la fase M cigótica prolongada para otros eventos de la primera escisión embrionaria, o si es un remanente de factores (distintos de Emi2) que median la detención en la meiosis II.

Todavía no entendemos en detalle cómo se controla el ciclo celular durante la embriogénesis temprana. Está claro que cambia enormemente desde el desarrollo preimplantacional temprano al tardío: al principio, durante los primeros ciclos celulares prolongados, lo más probable es que los puntos de control estén activos. Sin embargo, en la etapa de blastocisto, las fases de brecha y algunos puntos de control del ciclo celular se omiten para permitir una explosión masiva en la división celular [69]. Pero aún deben realizarse estudios comparativos de la maquinaria de control del ciclo celular entre las diferentes divisiones de escisión. Tampoco está claro cómo se establecen y controlan las uniones de cinetocoros de microtúbulos estables y la biorientación durante la transición de ovocito a embrión. A partir de los estudios disponibles de embriones humanos y de ratón, parece que los componentes de SAC están presentes y, en principio, son funcionales durante las escisiones previas a la implantación [70,71]. Además, las proteínas efectoras de SAC, Bub3, Mad2 y BubR1, son esenciales para la embriogénesis temprana, ya que los mutantes nulos de estos componentes mueren en etapas muy tempranas de la embriogénesis [72-74]. Un estudio afirma que Mad2 se desplaza de los cinetocoros ya antes de que se establezca una placa de metafase, lo que indica que el SAC podría no ser responsable de la fase M prolongada en la primera división embrionaria [75]. Pero hasta ahora, no entendemos en detalle cómo se logra la prolongación de la fase M en la primera división. Faltan estudios sistemáticos que analicen la actividad de la SAC y la regulación de la salida mitótica y su potencial impacto en la fidelidad de la segregación cromosómica en la primera y subsiguientes mitosis embrionarias.


7.2 Meiosis

La reproducción sexual requiere fertilización, una unión de dos células de dos organismos individuales. Si esas dos células contienen cada una un conjunto de cromosomas, entonces la célula resultante contiene dos conjuntos de cromosomas. El número de conjuntos de cromosomas en una célula se denomina nivel de ploidía. Las células haploides contienen un conjunto de cromosomas. Las células que contienen dos juegos de cromosomas se denominan diploides. Si el ciclo reproductivo va a continuar, la célula diploide debe reducir de alguna manera su número de juegos de cromosomas antes de que la fertilización pueda ocurrir nuevamente, o habrá una duplicación continua en el número de juegos de cromosomas en cada generación. Entonces, además de la fertilización, la reproducción sexual incluye una división nuclear, conocida como meiosis, que reduce la cantidad de juegos de cromosomas.

La mayoría de los animales y plantas son diploides y contienen dos juegos de cromosomas en cada célula somática (las células no reproductoras de un organismo multicelular), el núcleo contiene dos copias de cada cromosoma que se denominan cromosomas homólogos. Las células somáticas a veces se denominan células "corporales". Los cromosomas homólogos son pares emparejados que contienen genes para los mismos rasgos en ubicaciones idénticas a lo largo de su longitud. Los organismos diploides heredan una copia de cada cromosoma homólogo de cada padre en conjunto, se consideran un conjunto completo de cromosomas. En los animales, las células haploides que contienen una sola copia de cada cromosoma homólogo se encuentran solo dentro de los gametos. Los gametos se fusionan con otro gameto haploide para producir una célula diploide.

La división nuclear que forma las células haploides, que se llama meiosis, está relacionada con la mitosis. Como ha aprendido, la mitosis es parte de un ciclo de reproducción celular que da como resultado núcleos hijos idénticos que también son genéticamente idénticos al núcleo padre original. En la mitosis, tanto el núcleo padre como el hijo contienen el mismo número de conjuntos de cromosomas, diploides para la mayoría de las plantas y animales. La meiosis emplea muchos de los mismos mecanismos que la mitosis. Sin embargo, el núcleo inicial es siempre diploide y los núcleos que resultan al final de una división celular meiótica son haploides. Para lograr la reducción en el número de cromosomas, la meiosis consiste en una ronda de duplicación de cromosomas y dos rondas de división nuclear. Debido a que los eventos que ocurren durante cada una de las etapas de división son análogos a los eventos de mitosis, se asignan los mismos nombres de etapas. Sin embargo, debido a que hay dos rondas de división, las etapas se designan con una "I" o "II". Por tanto, la meiosis I es la primera ronda de la división meiótica y consta de profase I, prometafase I, etc. La meiosis I reduce el número de conjuntos de cromosomas de dos a uno. La información genética también se mezcla durante esta división para crear cromosomas recombinantes únicos. La meiosis II, en la que la segunda ronda de división meiótica tiene lugar de una manera similar a la mitosis, incluye la profase II, la prometafase II, etc.

Interfase

La meiosis está precedida por una interfase que consta de G1, S y G2 fases, que son casi idénticas a las fases que preceden a la mitosis. El g1 La fase es la primera fase de la interfase y se centra en el crecimiento celular. En la fase S, se replica el ADN de los cromosomas. Finalmente, en el G2 fase, la célula se somete a los preparativos finales para la meiosis.

Durante la duplicación del ADN de la fase S, cada cromosoma se compone de dos copias idénticas (llamadas cromátidas hermanas) que se mantienen juntas en el centrómero hasta que se separan durante la meiosis II. En una célula animal, los centrosomas que organizan los microtúbulos del huso meiótico también se replican. Esto prepara a la célula para la primera fase meiótica.

Meiosis I

Al principio de la profase I, los cromosomas pueden verse claramente microscópicamente. A medida que la envoltura nuclear comienza a descomponerse, las proteínas asociadas con los cromosomas homólogos acercan el par entre sí. El emparejamiento estrecho de los cromosomas homólogos se llama sinapsis. In synapsis, the genes on the chromatids of the homologous chromosomes are precisely aligned with each other. An exchange of chromosome segments between non-sister homologous chromatids occurs and is called crossing over . This process is revealed visually after the exchange as chiasmata (singular = quiasma) (Figure 7.3).

As prophase I progresses, the close association between homologous chromosomes begins to break down, and the chromosomes continue to condense, although the homologous chromosomes remain attached to each other at chiasmata. The number of chiasmata varies with the species and the length of the chromosome. At the end of prophase I, the pairs are held together only at chiasmata (Figure 7.3) and are called tetrads because the four sister chromatids of each pair of homologous chromosomes are now visible.

The crossover events are the first source of genetic variation produced by meiosis. A single crossover event between homologous non-sister chromatids leads to a reciprocal exchange of equivalent DNA between a maternal chromosome and a paternal chromosome. Now, when that sister chromatid is moved into a gamete, it will carry some DNA from one parent of the individual and some DNA from the other parent. The recombinant sister chromatid has a combination of maternal and paternal genes that did not exist before the crossover.

The key event in prometaphase I is the attachment of the spindle fiber microtubules to the kinetochore proteins at the centromeres. The microtubules assembled from centrosomes at opposite poles of the cell grow toward the middle of the cell. At the end of prometaphase I, each tetrad is attached to microtubules from both poles, with one homologous chromosome attached at one pole and the other homologous chromosome attached to the other pole. The homologous chromosomes are still held together at chiasmata. In addition, the nuclear membrane has broken down entirely.

During metaphase I, the homologous chromosomes are arranged in the center of the cell with the kinetochores facing opposite poles. The orientation of each pair of homologous chromosomes at the center of the cell is random.

This randomness, called independent assortment, is the physical basis for the generation of the second form of genetic variation in offspring. Consider that the homologous chromosomes of a sexually reproducing organism are originally inherited as two separate sets, one from each parent. Using humans as an example, one set of 23 chromosomes is present in the egg donated by the mother. The father provides the other set of 23 chromosomes in the sperm that fertilizes the egg. In metaphase I, these pairs line up at the midway point between the two poles of the cell. Because there is an equal chance that a microtubule fiber will encounter a maternally or paternally inherited chromosome, the arrangement of the tetrads at the metaphase plate is random. Any maternally inherited chromosome may face either pole. Any paternally inherited chromosome may also face either pole. The orientation of each tetrad is independent of the orientation of the other 22 tetrads.

In each cell that undergoes meiosis, the arrangement of the tetrads is different. The number of variations depends on the number of chromosomes making up a set. There are two possibilities for orientation (for each tetrad) thus, the possible number of alignments equals 2 norte dónde norte is the number of chromosomes per set. Humans have 23 chromosome pairs, which results in over eight million (2 23 ) possibilities. This number does not include the variability previously created in the sister chromatids by crossover. Given these two mechanisms, it is highly unlikely that any two haploid cells resulting from meiosis will have the same genetic composition (Figure 7.4).

To summarize the genetic consequences of meiosis I: the maternal and paternal genes are recombined by crossover events occurring on each homologous pair during prophase I in addition, the random assortment of tetrads at metaphase produces a unique combination of maternal and paternal chromosomes that will make their way into the gametes.

In anaphase I, the spindle fibers pull the linked chromosomes apart. The sister chromatids remain tightly bound together at the centromere. It is the chiasma connections that are broken in anaphase I as the fibers attached to the fused kinetochores pull the homologous chromosomes apart (Figure 7.5).

In telophase I, the separated chromosomes arrive at opposite poles. The remainder of the typical telophase events may or may not occur depending on the species. In some organisms, the chromosomes decondense and nuclear envelopes form around the chromatids in telophase I.

Cytokinesis, the physical separation of the cytoplasmic components into two daughter cells, occurs without reformation of the nuclei in other organisms. In nearly all species, cytokinesis separates the cell contents by either a cleavage furrow (in animals and some fungi), or a cell plate that will ultimately lead to formation of cell walls that separate the two daughter cells (in plants). At each pole, there is just one member of each pair of the homologous chromosomes, so only one full set of the chromosomes is present. This is why the cells are considered haploid—there is only one chromosome set, even though there are duplicate copies of the set because each homolog still consists of two sister chromatids that are still attached to each other. However, although the sister chromatids were once duplicates of the same chromosome, they are no longer identical at this stage because of crossovers.

Concepts in Action

Review the process of meiosis, observing how chromosomes align and migrate, at this site.

Meiosis II

En la meiosis II, las cromátidas hermanas conectadas que quedan en las células haploides de la meiosis I se dividirán para formar cuatro células haploides. In some species, cells enter a brief interphase, or interkinesis , that lacks an S phase, before entering meiosis II. Los cromosomas no se duplican durante la interquinesis. The two cells produced in meiosis I go through the events of meiosis II in synchrony. En general, la meiosis II se asemeja a la división mitótica de una célula haploide.

En la profase II, si los cromosomas se descondensan en la telofase I, se vuelven a condensar. If nuclear envelopes were formed, they fragment into vesicles. Los centrosomas duplicados durante la interquinesis se alejan unos de otros hacia polos opuestos y se forman nuevos husos. En la prometafase II, las envolturas nucleares se rompen por completo y el huso está completamente formado. Each sister chromatid forms an individual kinetochore that attaches to microtubules from opposite poles. En la metafase II, las cromátidas hermanas se condensan al máximo y se alinean en el centro de la célula. En la anafase II, las cromátidas hermanas son separadas por las fibras del huso y se mueven hacia los polos opuestos.

En la telofase II, los cromosomas llegan a los polos opuestos y comienzan a descondensarse. Nuclear envelopes form around the chromosomes. La citocinesis separa las dos células en cuatro células haploides genéticamente únicas. En este punto, los núcleos de las células recién producidas son haploides y solo tienen una copia del conjunto único de cromosomas. The cells produced are genetically unique because of the random assortment of paternal and maternal homologs and because of the recombination of maternal and paternal segments of chromosomes—with their sets of genes—that occurs during crossover.

Comparing Meiosis and Mitosis

Mitosis and meiosis, which are both forms of division of the nucleus in eukaryotic cells, share some similarities, but also exhibit distinct differences that lead to their very different outcomes. Mitosis is a single nuclear division that results in two nuclei, usually partitioned into two new cells. The nuclei resulting from a mitotic division are genetically identical to the original. They have the same number of sets of chromosomes: one in the case of haploid cells, and two in the case of diploid cells. On the other hand, meiosis is two nuclear divisions that result in four nuclei, usually partitioned into four new cells. The nuclei resulting from meiosis are never genetically identical, and they contain one chromosome set only—this is half the number of the original cell, which was diploid (Figure 7.6).

The differences in the outcomes of meiosis and mitosis occur because of differences in the behavior of the chromosomes during each process. Most of these differences in the processes occur in meiosis I, which is a very different nuclear division than mitosis. In meiosis I, the homologous chromosome pairs become associated with each other, are bound together, experience chiasmata and crossover between sister chromatids, and line up along the metaphase plate in tetrads with spindle fibers from opposite spindle poles attached to each kinetochore of a homolog in a tetrad. All of these events occur only in meiosis I, never in mitosis.

Homologous chromosomes move to opposite poles during meiosis I so the number of sets of chromosomes in each nucleus-to-be is reduced from two to one. For this reason, meiosis I is referred to as a reduction division . There is no such reduction in ploidy level in mitosis.

Meiosis II is much more analogous to a mitotic division. In this case, duplicated chromosomes (only one set of them) line up at the center of the cell with divided kinetochores attached to spindle fibers from opposite poles. During anaphase II, as in mitotic anaphase, the kinetochores divide and one sister chromatid is pulled to one pole and the other sister chromatid is pulled to the other pole. If it were not for the fact that there had been crossovers, the two products of each meiosis II division would be identical as in mitosis instead, they are different because there has always been at least one crossover per chromosome. Meiosis II is not a reduction division because, although there are fewer copies of the genome in the resulting cells, there is still one set of chromosomes, as there was at the end of meiosis I.

Cells produced by mitosis will function in different parts of the body as a part of growth or replacing dead or damaged cells. They may even be involved in asexual reproduction in some organisms. Cells produced by meiosis in a diploid-dominant organism such as an animal will only participate in sexual reproduction.


Functions of Crossing Over

Organisms that divide only asexually without the chance of such recombination suffer from a condition called Muller’s Ratchet. That is, each generation of that species contains at least as many genetic mutations as the previous generation, if not more. In other words, when all the progeny are genetically identical to one another, there is no scope for genetic errors to be corrected, or for new and beneficial combinations to arise.

Crossing over increases the variability of a population and prevents the accumulation of deleterious combinations of alleles, while also allowing some parental combinations to be passed on to the offspring. This way, there is a balance between maintaining potentially useful allelic combinations as well as providing the opportunity for variation and change.