Los cromosomas sexuales (también conocidos como alosomas , cromosoma heterotípico, gonosomas , heterocromosomas , [1] [2] o idiocromosomas [1] ) son cromosomas que portan los genes que determinan el sexo de un individuo. Los cromosomas sexuales humanos son un par típico de alosomas de mamíferos . Se diferencian de los autosomas en forma, tamaño y comportamiento. Mientras que los autosomas se presentan en pares homólogos cuyos miembros tienen la misma forma en una célula diploide , los miembros de un par de alosomas pueden diferir entre sí.
Nettie Stevens y Edmund Beecher Wilson descubrieron de forma independiente los cromosomas sexuales en 1905. Sin embargo, a Stevens se le atribuye haberlos descubierto antes que Wilson. [3]
En los seres humanos, cada núcleo celular contiene 23 pares de cromosomas, un total de 46 cromosomas. Los primeros 22 pares se llaman autosomas . Los autosomas son cromosomas homólogos , es decir, cromosomas que contienen los mismos genes (regiones de ADN) en el mismo orden a lo largo de sus brazos cromosómicos. El par 23 de cromosomas se llama alosomas. Estos constan de dos cromosomas X en las mujeres y un cromosoma X y un cromosoma Y en los hombres. Por lo tanto, las mujeres tienen 23 pares de cromosomas homólogos, mientras que los hombres tienen 22. Los cromosomas X e Y tienen pequeñas regiones de homología llamadas regiones pseudoautosómicas .
Un cromosoma X siempre está presente como el cromosoma 23 en el óvulo , mientras que un cromosoma X o Y puede estar presente en un espermatozoide individual . [4] Temprano en el desarrollo embrionario femenino, en células distintas de los óvulos, uno de los cromosomas X se desactiva parcialmente de forma aleatoria y permanente : en algunas células, el cromosoma X heredado de la madre se desactiva; en otras células, es el cromosoma X heredado del padre. Esto asegura que ambos sexos siempre tengan exactamente una copia funcional de un cromosoma X en cada célula del cuerpo. El cromosoma X desactivado es silenciado por la heterocromatina represiva que compacta el ADN e impide la expresión de la mayoría de los genes. Esta compactación está regulada por PRC2 (Polycomb Repressed Complex 2). [5]
Todos los organismos diploides con sexo determinado por alosomas obtienen la mitad de sus alosomas de cada uno de sus padres. En la mayoría de los mamíferos, las hembras son XX y pueden transmitir cualquiera de sus X; dado que los machos son XY, pueden transmitir un X o un Y. Las hembras de estas especies reciben un cromosoma X de cada padre, mientras que los machos reciben un cromosoma X de su madre y un cromosoma Y de su padre. Por tanto, es el esperma del macho el que determina el sexo de cada cría en dichas especies.
Sin embargo, un pequeño porcentaje de humanos tiene un desarrollo sexual divergente, conocido como intersexual . Esto puede resultar de alosomas que no son ni XX ni XY. También puede ocurrir cuando dos embriones fertilizados se fusionan, produciendo una quimera que podría contener dos conjuntos diferentes de ADN, uno XX y otro XY. [ cita necesaria ] También podría resultar de la exposición, a menudo en el útero, a sustancias químicas que interrumpen la conversión normal de los alosomas en hormonas sexuales y promueven el desarrollo de genitales externos u órganos internos ambiguos . [6]
Hay un gen en el cromosoma Y que tiene secuencias reguladoras que controlan los genes que codifican la masculinidad, llamado gen SRY . [7] Este gen produce un factor determinante de los testículos ("TDF"), que inicia el desarrollo de los testículos en humanos y otros mamíferos. La prominencia de la secuencia SRY en la determinación del sexo se descubrió cuando se estudió la genética de los hombres XX con sexo inverso (es decir, humanos que poseen rasgos biológicos masculinos pero que en realidad tienen alosomas XX). Después del examen, se descubrió que la diferencia entre un individuo XX típico (mujer tradicional) y un hombre XX con sexo inverso era que los individuos típicos carecían del gen SRY. Se teoriza que en los hombres XX con sexo invertido, el SRY se transloca por error a un cromosoma X en el par XX durante la meiosis . [8]
En la determinación del sexo de los animales intervienen diversos mecanismos. [9] Para los mamíferos, la determinación del sexo se realiza mediante la contribución genética del espermatozoide. Muchos cordados inferiores, como peces, anfibios y reptiles, tienen sistemas influenciados por el medio ambiente. Los peces y los anfibios, por ejemplo, tienen una determinación genética del sexo, pero su sexo también puede verse influenciado por los esteroides disponibles externamente y la temperatura de incubación de los huevos. [10] [11] En algunos reptiles, por ejemplo, las tortugas marinas , sólo la temperatura de incubación determina el sexo ( determinación del sexo dependiente de la temperatura ).
Muchos científicos sostienen que la determinación del sexo en las plantas es más compleja que en los humanos. Esto se debe a que incluso las plantas con flores tienen una variedad de sistemas de apareamiento, y su determinación del sexo está regulada principalmente por genes de la caja MADS. Estos genes codifican proteínas que forman los órganos sexuales de las flores. [12]
Los cromosomas sexuales de las plantas son más comunes en las briófitas , relativamente comunes en las plantas vasculares y desconocidos en los helechos y licófitos . [13] La diversidad de las plantas se refleja en sus sistemas de determinación del sexo, que incluyen sistemas XY y UV , así como muchas variantes. Los cromosomas sexuales han evolucionado de forma independiente en muchos grupos de plantas. La recombinación de cromosomas puede conducir a la heterogamidad antes del desarrollo de los cromosomas sexuales, o la recombinación puede reducirse después de que se desarrollen los cromosomas sexuales. [14] Normalmente, sólo quedan unas pocas regiones pseudoautosómicas una vez que los cromosomas sexuales se diferencian por completo. Cuando los cromosomas no se recombinan, comienzan a acumularse divergencias de secuencia neutra, lo que se ha utilizado para estimar la edad de los cromosomas sexuales en varios linajes de plantas. Incluso la divergencia estimada más antigua, en la hepática Marchantia polymorpha , es más reciente que la divergencia de mamíferos o aves. Debido a esta antigüedad, la mayoría de los cromosomas sexuales de las plantas también tienen regiones ligadas al sexo relativamente pequeñas. La evidencia actual no respalda la existencia de cromosomas sexuales vegetales más antiguos que los de M. polymorpha . [15]
La alta prevalencia de autopoliploidía en las plantas también afecta la estructura de sus cromosomas sexuales. La poliploidización puede ocurrir antes y después del desarrollo de los cromosomas sexuales. Si ocurre después de que se hayan establecido los cromosomas sexuales, la dosis debe ser constante entre los cromosomas sexuales y los autosomas, con un impacto mínimo en la diferenciación sexual. Si ocurre antes de que los cromosomas sexuales se vuelvan heteromórficos, como es probable en la acedera roja octoploide Rumex acetosella , el sexo se determina en un único sistema XY. En un sistema más complicado, la especie de sándalo Viscum fischeri tiene cromosomas X1X1X2X2 en las hembras y cromosomas X1X2Y en los machos. [dieciséis]
La amplificación de elementos transponibles, repeticiones en tándem , especialmente la acumulación de retrotransposones de repeticiones en tándem largas ( LTR ) , son responsables de la evolución de los cromosomas sexuales de las plantas. La inserción de retrotransposones es probablemente la causa principal de la expansión del cromosoma y y la evolución del tamaño del genoma de las plantas . Los retrotransposones contribuyen a la determinación del tamaño de los cromosomas sexuales y su proliferación varía incluso en especies estrechamente relacionadas. Las repeticiones LTR y tándem desempeñan un papel dominante en la evolución de los cromosomas sexuales de S. latifolia . [17] Athila es una nueva familia de retroelementos, descubierta en Arabidopsis thaliana , presente únicamente en la región de heterocromatina . Los retroelementos de Athila están sobrerrepresentados en X pero ausentes en Y, mientras que las repeticiones en tándem están enriquecidas en el cromosoma Y. También se han identificado algunas secuencias de cloroplastos en el cromosoma Y de S. latifolia . S. vulgaris tiene más retroelementos en sus cromosomas sexuales en comparación con S. latifolia . Los datos de microsatélites muestran que no existe una diferencia significativa entre los microsatélites de los cromosomas X e Y en ambas especies de Silene . Esto concluiría que los microsatélites no participan en la evolución del cromosoma Y. La porción del cromosoma Y que nunca se recombina con el cromosoma X enfrenta una reducción de selección. Esta selección reducida conduce a la inserción de elementos transponibles y a la acumulación de mutaciones perjudiciales . Y se vuelve más grande y más pequeño que X debido a la inserción de un retroelemento y la eliminación de material genético, respectivamente. El género Humulus también se utiliza como modelo para el estudio de la evolución de los cromosomas sexuales. Según la distribución de la topología filogenética, hay tres regiones en los cromosomas sexuales. Una región que deja de recombinarse en el ancestro de H. lupulus , la segunda que deja de recombinarse en el H. lupulus moderno y la tercera región llamada región pseudoautosomal. H. lupulus es un caso raro en plantas en las que Y es más pequeño que X, mientras que su planta antecesora tiene el mismo tamaño de cromosomas X e Y. Esta diferencia de tamaño debería deberse a la eliminación de material genético en Y, pero ese no es el caso. Esto se debe a una dinámica compleja, como que el mayor tamaño del cromosoma X que el Y puede deberse a la duplicación o retrotransposición y el tamaño de Y sigue siendo el mismo. [18]
Los helechos y los licófitos tienen gametofitos bisexuales , por lo que no hay evidencia de cromosomas sexuales. [13] En las briofitas, incluidas las hepáticas, las hornworts y los musgos, los cromosomas sexuales son comunes. Los cromosomas sexuales de las briofitas afectan el tipo de gameto que produce el gametofito, y existe una amplia diversidad en el tipo de gametofito. A diferencia de las plantas con semillas, donde los gametofitos son siempre unisexuales, en los briófitos pueden producir gametos masculinos, femeninos o ambos. [19]
Los briófitos emplean más comúnmente un sistema de determinación del sexo UV, donde U produce gametofitos femeninos y V produce gametofitos masculinos. Los cromosomas U y V son heteromórficos, siendo U más grande que V y frecuentemente ambos más grandes que los autosomas. Hay variaciones incluso dentro de este sistema, incluidas las disposiciones cromosómicas UU/V y U/VV. En algunas briofitas, se ha descubierto que los microcromosomas coexisten con los cromosomas sexuales y probablemente afectan la determinación del sexo. [19]
La dioecia es común entre las gimnospermas y se encuentra en aproximadamente el 36% de las especies. Sin embargo, los cromosomas sexuales heteromórficos son relativamente raros, con solo cinco especies conocidas en 2014. Cinco de ellas usan un sistema XY y una ( Ginkgo biloba ) usa un sistema WZ. Algunas gimnospermas, como el pino de Johann ( Pinus johannis ), tienen cromosomas sexuales homomórficos que son casi indistinguibles mediante el cariotipo . [dieciséis]
Las angiospermas cosexuales con flores monoicas o hermafroditas no tienen cromosomas sexuales. Las angiospermas con sexos separados (dioicas) pueden utilizar cromosomas sexuales o flores ambientales para determinar el sexo. Los datos citogenéticos de aproximadamente 100 especies de angiospermas mostraron cromosomas sexuales heteromórficos en aproximadamente la mitad, en su mayoría tomando la forma de sistemas de determinación del sexo XY. Su Y suele ser más grande, a diferencia de los humanos; sin embargo, existe diversidad entre las angiospermas. En el género Poplar ( Populus ) algunas especies tienen heterogamia masculina mientras que otras tienen heterogamia femenina. [15] Los cromosomas sexuales han surgido de forma independiente varias veces en las angiospermas, a partir de la condición ancestral monoica. El paso de un sistema monoico a dioico requiere que tanto mutaciones de esterilidad masculina como femenina estén presentes en la población. La esterilidad masculina probablemente surge primero como una adaptación para evitar la autofecundación. Una vez que la esterilidad masculina ha alcanzado una cierta prevalencia, entonces la esterilidad femenina puede tener la posibilidad de surgir y propagarse. [13]
En la papaya domesticada ( Carica papaya ), están presentes tres cromosomas sexuales, denominados X, Y e Y h . Esto corresponde a tres sexos: hembras con cromosomas XX, machos con XY y hermafroditas con XY h . Se estima que el sexo hermafrodita surgió hace sólo 4000 años, después de la domesticación de la planta. La arquitectura genética sugiere que el cromosoma Y tiene un gen inactivador de X o que el cromosoma Y h tiene un gen activador de X. [20]
Los alosomas no sólo portan los genes que determinan los rasgos masculinos y femeninos, sino también los de otras características. Se dice que los genes que son transportados por cualquiera de los cromosomas sexuales están ligados al sexo . Las enfermedades ligadas al sexo se transmiten de padres a hijos a través de uno de los cromosomas X o Y. Dado que normalmente los hombres heredan los cromosomas Y, son los únicos que heredan rasgos ligados al Y. Hombres y mujeres pueden contraer los ligados al cromosoma X ya que ambos heredan el cromosoma X. [21]
Se dice que un alelo es dominante o recesivo . La herencia dominante ocurre cuando un gen anormal de uno de los padres causa una enfermedad aunque el gen correspondiente del otro padre sea normal. Domina el alelo anormal. La herencia recesiva ocurre cuando ambos genes coincidentes deben ser anormales para causar una enfermedad. Si sólo un gen del par es anormal, la enfermedad no ocurre o es leve. Alguien que tiene un gen anormal (pero no presenta síntomas) se llama portador. Un portador puede transmitir este gen anormal a sus hijos. [22] El cromosoma X porta alrededor de 1500 genes, más que cualquier otro cromosoma del cuerpo humano. La mayoría de ellos codifican algo más que rasgos anatómicos femeninos. Muchos de los genes ligados al cromosoma X que no determinan el sexo son responsables de condiciones anormales. El cromosoma Y lleva alrededor de 78 genes. La mayoría de los genes del cromosoma Y están involucrados en actividades esenciales de mantenimiento de las células y en la producción de esperma. Sólo uno de los genes del cromosoma Y, el gen SRY, es responsable de los rasgos anatómicos masculinos. Cuando alguno de los 9 genes implicados en la producción de esperma falta o es defectuoso, el resultado suele ser un recuento de espermatozoides muy bajo e infertilidad. [23] Ejemplos de mutaciones en el cromosoma X incluyen enfermedades más comunes como las siguientes:
Otras complicaciones incluyen:
Los cromosomas sexuales evolucionan a partir de pares estándar de cromosomas autosómicos. [27] En un gran número de organismos, los sistemas de determinación del sexo observados actualmente son productos del recambio de los cromosomas sexuales. El recambio de cromosomas sexuales es un proceso definido como cuando el tipo de cromosoma sexual cambia como producto de un cambio en la identidad de los genes determinantes del sexo (como por mutación) o por un cambio en su ubicación. [28] En otros casos, los cromosomas sexuales pueden crecer sustancialmente con respecto a sus formas ancestrales como resultado de eventos de fusión con autosomas, y las fusiones de autosomas y cromosomas sexuales dan como resultado lo que se denomina cromosomas neosexuales. Ahora se conocen cinco ejemplos de esto en la superfamilia de pájaros cantores Sylvioidea . [29] Hay un caso documentado experimentalmente de recambio de cromosomas sexuales que ocurrió durante un experimento evolutivo de 30 años que involucró peces teleósteos (específicamente los colas de espada ), en el cual los experimentos de hibridación resultaron en una translocación de la región determinante del sexo de un cromosoma sexual en un autosoma. Esto dio como resultado que el autosoma se convirtiera en un nuevo cromosoma sexual W. [30]
