Los cromosomas balanceadores (o simplemente balanceadores ) son un tipo de cromosoma diseñado genéticamente que se utiliza en biología de laboratorio para el mantenimiento de mutaciones recesivas letales (o estériles) dentro de organismos vivos sin interferencia de la selección natural . Dado que tales mutaciones son viables solo en heterocigotos , no se pueden mantener de manera estable a través de generaciones sucesivas y, por lo tanto, conducen continuamente a la producción de organismos de tipo salvaje , lo que se puede prevenir reemplazando el cromosoma de tipo salvaje homólogo con un balanceador. En esta capacidad, los balanceadores son cruciales para la investigación genética en organismos modelo como Drosophila melanogaster , la mosca de la fruta común, para la cual no se pueden archivar existencias (por ejemplo, congelarlas). También se pueden utilizar en pantallas genéticas avanzadas para identificar específicamente mutaciones recesivas letales (o estériles). Por esa razón, los balanceadores también se utilizan en otros organismos modelo, más notablemente el gusano nematodo Caenorhabditis elegans y el ratón. [1]
Los cromosomas equilibradores típicos están diseñados para (1) portar ellos mismos mutaciones letales recesivas, eliminando homocigotos que no portan la mutación deseada; (2) suprimir la recombinación meiótica con sus homólogos, lo que impide la creación de novo de cromosomas de tipo salvaje; y (3) portar marcadores genéticos dominantes , que pueden ayudar a identificar recombinantes raros y son útiles para fines de detección.
Los cromosomas equilibradores fueron utilizados por primera vez en la mosca de la fruta por Hermann Muller , quien fue pionero en el uso de la radiación para la mutagénesis organismal . [2]
En el uso moderno de los cromosomas balanceadores, las mutaciones aleatorias se inducen primero exponiendo organismos vivos con cromosomas normales a sustancias que causan daño al ADN ; en moscas y nematodos, esto ocurre generalmente al alimentar larvas con metanosulfonato de etilo (EMS). Las larvas con ADN dañado (o los adultos en los que se desarrollan) se examinan luego para detectar mutaciones. Cuando se observa un fenotipo de interés, la línea que expresa la mutación se cruza con otra línea que contiene cromosomas balanceadores para mantener su linaje. [3] En un caso, se utilizaron balanceadores para examinar genéticamente una población de Caenorhabditis elegans . En ese momento, los científicos ya se habían dado cuenta de los beneficios de poder examinar genéticamente poblaciones de organismos para el estudio genético. Igualmente importante, también se dieron cuenta de que podían limitar el entrecruzamiento en estas poblaciones, así como darles composiciones genéticas muy consistentes. [4]
Desde entonces, el uso de cromosomas balanceadores se ha convertido en un método conocido y ampliamente utilizado para el cribado genético de organismos modelo. Incluso se están utilizando para investigar el papel del empaquetamiento de la heterocromatina y el efecto que tiene sobre los genes, [5] así como para estudios de los efectos que tienen los telómeros sobre el silenciamiento de genes . [6]
En los organismos diploides , las mutaciones sin fenotipos recesivos letales (o estériles) pueden simplemente reproducirse hasta la homocigosidad y mantenerse de manera estable e indefinida mediante el cruce de homocigotos. Sin embargo, los homocigotos para mutaciones recesivas letales son por definición no viables, porque la presencia del alelo recesivo letal en ambos homólogos cromosómicos hace que el organismo muera en una etapa temprana del desarrollo; un organismo que es homocigoto para una mutación recesiva que causa esterilidad produce esencialmente el mismo resultado (es decir, su material genético no puede transmitirse a la progenie, incluso si el propio individuo estéril sobrevive hasta la madurez). Este problema obliga a los genetistas que desean estudiar mutaciones recesivas letales/estériles a mantener la mutación en organismos heterocigotos (en los que un cromosoma que contiene una mutación recesiva letal/estéril se complementa con un homólogo que funciona como tipo salvaje en el mismo locus, lo que permite que el organismo sobreviva y se reproduzca de manera más o menos normal).
Los cruces entre heterocigotos producen organismos de tipo salvaje además de heterocigotos y homocigotos no viables. Para mantener una línea puramente heterocigótica, se debe identificar a la descendencia de tipo salvaje y evitar que se aparee. Esto puede requerir una cantidad de recursos prohibitiva, especialmente si el objetivo es el mantenimiento a largo plazo de la mutación recesiva.
La sustitución de un cromosoma balanceador por el homólogo de tipo salvaje del cromosoma que porta la mutación recesiva impide el establecimiento de organismos de tipo salvaje de varias maneras. En primer lugar, un balanceador porta su propia mutación letal recesiva independiente, que hace que el organismo no sea viable si se heredan dos copias del balanceador (es decir, ninguna copia de la mutación deseada). Sin embargo, la recombinación entre el balanceador y el homólogo que contiene el alelo mutado también puede dar lugar a la creación de novo de un cromosoma de tipo salvaje. Para suprimir la recombinación, los balanceadores suelen albergar múltiples inversiones cromosómicas anidadas de modo que se interrumpe la sinapsis entre los cromosomas homólogos. [7] Si se produce un entrecruzamiento, a menudo es desequilibrado, y cada cromátida resultante carece de algunos genes y porta dos copias de otros. El proceso también puede dar lugar a cromosomas dicéntricos o acéntricos (cromosomas con dos centrómeros o sin centrómero), que son inherentemente inestables y normalmente acaban rompiéndose y mutando o perdiéndose durante la mitosis posterior. Es muy probable que todos estos resultados sean letales.
Por último, las moscas con cromosomas balanceadores se identifican fácilmente mediante mutaciones de marcadores genéticos. Por ejemplo, alas rizadas o pelo incipiente. Estos fenotipos permiten a los investigadores reconocer fácilmente a las moscas que portan el balanceador. [8] En el improbable caso de una recombinación viable, el marcador puede perderse, lo que alerta a los investigadores sobre el evento.
Es importante destacar que la supresión de la recombinación por inversiones anidadas solo ocurre en los intervalos invertidos, mientras que otras regiones (generalmente las regiones pericentroméricas y subteloméricas) tienen libertad para recombinarse. De la misma manera, si la mutación deseada está en el mismo locus que la mutación letal recesiva del equilibrador (es decir, está en fuerte desequilibrio de ligamiento con ella), la recombinación que resulte en un cromosoma de tipo salvaje es muy poco probable, independientemente de las inversiones supresoras de la recombinación.
Además de mantener una mutación letal recesiva (o estéril) aislada, los cromosomas balanceadores también son útiles en los análisis genéticos directos para identificar dichas mutaciones. En dichos análisis, los organismos mutagenizados aleatoriamente que portan un balanceador se cruzan entre sí. La descendencia que porta el balanceador, identificada por el marcador dominante, puede cruzarse con hermanos de camada. Cualquier cruce de este tipo que no produzca animales negativos al marcador es probablemente el resultado de una mutación letal recesiva en el cromosoma que no es balanceador. Por supuesto, solo el intervalo genómico cubierto por las inversiones en el balanceador puede analizarse de esta manera, perdiéndose las mutaciones letales recesivas en otros intervalos y en otros cromosomas.
Los cromosomas balanceadores reciben su nombre por el cromosoma que estabilizan y por el marcador fenotípico o genético que porta el balanceador. [9] La denominación de los cromosomas balanceadores en D. melanogaster se ha estandarizado de la siguiente manera: la primera letra del nombre del cromosoma representa el número del cromosoma que estabiliza. F representa el primer cromosoma, S el segundo y T el tercero. El cuarto cromosoma pequeño no sufre recombinación y, por lo tanto, no requiere balanceo. Esta letra es seguida por una M para "multiplicar invertido". La M es seguida por un número para distinguir a los balanceadores del mismo cromosoma. Además, el marcador o marcadores genéticos dentro del balanceador se enumeran después del nombre y se separan por una coma. Generalmente, las mutaciones con rasgos fenotípicos dominantes fácilmente observables que a menudo son letales en homocigosis se utilizan para garantizar que toda la progenie sea heterocigota. Por ejemplo, el balanceador TM3, Sb, de uso común , estabiliza el tercer cromosoma y lleva un gen mutante Sb ("rastrojo") como marcador dominante. Todas las moscas que contienen el equilibrador TM3, Sb tendrán pelos cortos o velludos en la parte posterior del abdomen, que se ven fácilmente cuando se observan a través de un microscopio. El 3 distingue a este equilibrador de otros equilibradores de tercer cromosoma como TM1 y TM2 .
Se dice que una línea es "doblemente balanceada" si es heterocigota para dos cromosomas balanceadores diferentes (por ejemplo, TM6, Tb/TM3, Ser ) en un cromosoma y un mutante homocigoto-letal, heterocigoto-visible en el otro cromosoma, el de tipo salvaje (por ejemplo, D/TM3, Ser ). La mayoría de los cromosomas balanceadores también tienen un alelo recesivo, como la mutación "ebony", que solo se manifiesta en estas líneas con dos cromosomas balanceadores. Estas líneas se utilizan a menudo para proporcionar fuentes de rasgos fácilmente rastreables cuando se cruzan dos líneas diferentes, de modo que se pueda seleccionar la progenie correcta de cada cruce. Las líneas doblemente balanceadas tanto en el segundo como en el tercer cromosoma en Drosophila están ampliamente disponibles en los repositorios de líneas de moscas.
Los cromosomas balanceadores ofrecen a los genetistas un método confiable para examinar genéticamente organismos en busca de una mutación específica y mantener esa mutación de manera consistente en generaciones posteriores. Una nueva técnica que utiliza cromosomas balanceadores se explora en el artículo "La técnica autosómica Flp-Dfs para generar mosaicos de línea germinal en Drosophila Melanogaster", que mostró por primera vez que es posible examinar una mutación recesiva que solo muestra un fenotipo cuando es homocigota. Usando viejos métodos de cromosomas balanceadores, el examen genético solo permitía la selección de mutaciones dominantes heterocigotas. Este experimento usa el examen clonal para detectar individuos homocigotos y mantenerlos en una línea constante. [12] Lo lograron usando el gen de recombinasa FLP , aislado de levadura, que causa grandes inversiones cromosómicas . A través de prueba y error, descubrieron que los cromosomas podían recombinarse de tal manera que cada uno tuviera la mutación recesiva mientras que la otra mitad contenía la mitad de un cromosoma balanceador con un marcador físico y un recesivo letal. El otro homólogo no contenía el recesivo letal en las líneas que sobrevivieron. La figura 1 del artículo ilustra el análisis. Esta nueva técnica permitió el análisis recesivo en el 95% del genoma de Drosophila . También mejoró enormemente los resultados en las mutaciones de la línea germinal. [12]
Otro artículo publicado que empleó el uso de cromosomas balanceadores es "Inhibición de la interferencia del ARN y modulación de la expresión de elementos transponibles por muerte celular en Drosophila". Este artículo demuestra el poder de los cromosomas balanceadores y lo que se puede lograr con líneas genéticamente estables. Se estableció una línea que exhibió bajos niveles de muerte celular y se denominó EGFPir hs-hid. Cuando se analizaron los niveles de RNAi , los autores encontraron resultados interesantes en las células que experimentaron bajos niveles de muerte celular y las células circundantes en el tejido. Encontraron que estas células apagarían su mecanismo de RNAi al mantener el ARN en un estado de doble cadena; es decir, si el ARN permanece en un estado de doble cadena, entonces el mecanismo de RNAi de silenciamiento génico se desactiva de manera efectiva.
Los autores especularon que esta respuesta era una tendencia evolutiva hacia una respuesta inmunitaria redundante contra los virus de ARN. Si una célula ya está sufriendo una muerte celular para intentar detener la propagación de un virus, entonces la respuesta inmunitaria de ARNi ha sido ineficaz. Esto provoca otra respuesta inmunitaria que intenta detener el virus, que consiste en unir el ARN bicatenario y mantenerlo bicatenario para que no pueda transcribirse en proteínas virales. No se conoce el mecanismo preciso por el cual se mantiene el ARN bicatenario. [13]