Los cromosomas holocéntricos son cromosomas que poseen múltiples cinetocoros a lo largo de su longitud en lugar del único centrómero típico de otros cromosomas. [1] Fueron descritos por primera vez en experimentos citogenéticos en 1935. Desde esta primera observación, el término cromosoma holocéntrico se ha referido a los cromosomas que: i) carecen de la constricción primaria correspondiente al centrómero observado en los cromosomas monocéntricos ; [2] y ii) poseen múltiples cinetocoros dispersos a lo largo de todo el eje cromosómico, de modo que los microtúbulos se unen al cromosoma a lo largo de toda su longitud y se mueven de lado hacia el polo desde la placa metafásica . [3] Los cromosomas holocéntricos también se denominan holocinéticos , porque, durante la división celular , las cromátidas hermanas se separan en paralelo y no forman las figuras clásicas en forma de V típicas de los cromosomas monocéntricos. [4] [5] [6]
Los cromosomas holocéntricos han evolucionado varias veces durante la evolución animal y vegetal, y actualmente se informan en alrededor de ochocientas especies diversas, incluidas plantas, insectos, arácnidos y nematodos. [7] [8] Como consecuencia de sus cinetocoros difusos, los cromosomas holocéntricos pueden estabilizar fragmentos cromosómicos creados por roturas accidentales de doble cadena , evitando la pérdida de los fragmentos y favoreciendo los reordenamientos del cariotipo . [9] [10] Sin embargo, los cromosomas holocéntricos también pueden presentar limitaciones al entrecruzamiento , causando una restricción del número de quiasmas en bivalentes , [11] y pueden causar una reestructuración de las divisiones meióticas que resulte en una meiosis "invertida". [12]
Los cromosomas holocéntricos fueron descritos por primera vez por Franz Schrader en 1935, quien identificó cromosomas con un cinetocoro difuso (o con una actividad cinetocórica difusa), lo que hace que estos cromosomas sean capaces de unirse a los microtúbulos a lo largo de toda su longitud en lugar de en una única constricción primaria, como es típico de los cromosomas con centrómeros . En las últimas décadas, varios estudios determinaron que este comportamiento durante la mitosis se puede observar en cromosomas holocéntricos/holocinéticos pero también en cromosomas policinéticos, que contienen numerosos (pero discretos) sitios de unión a microtúbulos; aun así, el término “holocéntrico/holocinético” todavía se usa comúnmente para referirse a ambos procesos. [1] [5] [7]
Antes de que los métodos moleculares estuvieran disponibles, la presencia de cromosomas holocéntricos se evaluaba principalmente mediante citología y, considerando que muchas especies son difíciles de estudiar citológicamente, se puede suponer que la verdadera presencia de holocentrismo puede estar subestimada. Además, hay varios taxones cuyos cromosomas aún no están caracterizados, aunque su posición filogenética sugiere que deberían tener cromosomas holocéntricos. [7] [13] La presencia de cromosomas holocéntricos se ha evaluado hasta ahora en alrededor de 800 especies, incluidos insectos , plantas , arácnidos y nematodos , [1] [5] [7] lo que sugiere que, en general, los cromosomas holocéntricos probablemente se originaron por evolución convergente a partir de ancestros que poseían cromosomas monocéntricos . Excepciones interesantes están representadas por insectos pertenecientes a Oligoneoptera y Neoptera , cuyos cromosomas monocéntricos probablemente evolucionaron a partir de un ancestro holocéntrico en dos eventos diferentes e independientes. [7] La evidencia de la evolución convergente sugiere que el holocentrismo es adaptativo, pero las condiciones específicas bajo las cuales el holocentrismo proporciona una ventaja selectiva parecen ser diversas para diferentes taxones. [7] [14] De hecho, en insectos fitófagos (como pulgones y lepidópteros ), el holocentrismo podría ser una defensa evolucionada contra la producción por las plantas de compuestos capaces de inducir roturas cromosómicas ( clastógenos ), mientras que en otros casos, el holocentrismo puede constituir una defensa contra el daño del ADN resultante de la desecación y/u otros factores de rotura de cromosomas. [14]
A pesar de estas diferencias, los cromosomas holocéntricos presentan beneficios intrínsecos ya que las mutaciones cromosómicas , como las fisiones y fusiones, son potencialmente neutrales en los cromosomas holocéntricos con respecto a los monocéntricos. Sin embargo, la hipótesis del holocentrismo como una adaptación anticlastogénica necesita pruebas más sistemáticas, incluyendo tanto experimentos de laboratorio controlados como estudios de campo a través de gradientes clastogénicos y análisis filogenéticos a gran escala. [8] Al mismo tiempo, Nagaki et al. [15] propusieron que el holocentrismo puede adquirirse fácilmente durante la evolución de plantas y animales por una ligera diferencia en el origen del cinetocoro. En particular, plantearon la hipótesis de que si la dirección del origen del cinetocoro gira 90° y ocurre a lo largo de los ejes cromosómicos hasta las regiones teloméricas , es posible "generar" cromosomas holocéntricos sin ningún paso adicional.
Un análisis molecular detallado de la estructura de los cromosomas holocéntricos está actualmente disponible sólo para el nematodo Caenorhabditis elegans , [16] [17] mientras que la presencia de una verdadera naturaleza holocinética también ha sido confirmada en otros taxones por la evidencia de que los fragmentos cromosómicos inducidos experimentalmente continúan adhiriéndose al huso y segregándose correctamente. [3] Para la mayoría de las especies, los datos sobre el holocentrismo están relacionados con el análisis del comportamiento de los cromosomas durante la migración en anafase ya que las cromátidas hermanas holocéntricas migran en paralelo a los polos del huso , en contraste con las monocéntricas en las que las fuerzas de tracción se ejercen en un solo punto cromosómico y los brazos cromosómicos siguen detrás. Como consecuencia, las cromátidas de los cromosomas holocéntricos se separan en paralelo y no forman las clásicas figuras en forma de V típicas de los monocéntricos. [4] Además, si un cromosoma holocéntrico se fragmenta (por ejemplo, por irradiación de rayos X ), cada fragmento conserva la actividad del centrómero y puede segregar adecuadamente a los polos.
Entre los artrópodos , la presencia de cromosomas holocéntricos se ha reportado en diferentes especies pertenecientes a insectos ( Odonata , Zoraptera , Dermaptera , Psocoptera , Phthiraptera , Thysanoptera , Hemiptera , Trichoptera y Lepidoptera ), escorpiones ( Buthoidea ), ácaros y garrapatas del superorden Acariformes y género Rhipicephalus ( Ixodidae ), arañas ( Dysderidae y Segestridae ), [7] [14] milpiés [18] y ciempiés. [18] A pesar de esta ocurrencia generalizada, la mayoría de los datos actualmente disponibles sobre holocentrismo están relacionados con especies de pulgones y lepidópteros. [7] [5] En pulgones, los cromosomas holocéntricos han sido profundamente estudiados y su capacidad para estabilizar fragmentos cromosómicos ha sido asociada a su estilo de vida fitófago. De hecho, varias plantas producen sustancias químicas capaces de inducir daños en el ADN de los insectos plaga. La nicotina , por ejemplo, es un alcaloide natural que se encuentra principalmente en miembros de la familia de plantas solanáceas (incluida Nicotiana tabacum ) que puede causar estrés en la horquilla de replicación que resulta en varias formas de daño al ADN, incluidas fragmentaciones cromosómicas. [19] [20] También se han informado efectos similares de otras moléculas producidas por plantas, como la cafeína y el etanol . [19] [20] En vista de su capacidad para favorecer la herencia de fragmentos cromosómicos, el holocentrismo se ha asociado a cambios recurrentes en los cariotipos de algunas especies de pulgones y, en particular, en el pulgón de la patata del melocotonero Myzus persicae , donde también se han observado cariotipos reordenados tanto interindividuales como intraindividuales. [21] [22] Los pulgones también poseen una expresión constitutiva del gen codificador de la telomerasa , de modo que pueden iniciar una síntesis de novo de secuencias de telómeros en puntos de ruptura internos, lo que resulta en la estabilización de fragmentos cromosómicos. [23] [24] Entre los animales no poliploides, los lepidópteros exhiben la mayor variación en el número de cromosomas entre especies dentro de un género y niveles notables de variabilidad de cariotipo interespecífico e intraespecífico. [12] [25][26] Los lepidópteros toleran de hecho las variaciones cromosómicas en vista de sus cromosomas holocinéticos, que facilitan la herencia exitosa de nuevos fragmentos de fisión o fusión. Como consecuencia, los lepidópteros pueden evitar las consecuencias perjudiciales de la fisión y fusión cromosómica a gran escala. [12] [25] [26] Sin embargo, a veces pueden tolerar la heterocigosidad para múltiples reordenamientos en híbridos entre poblaciones con diferencias en su cariotipo, lo que plantea preguntas sobre mecanismos adicionales que rescatan la fertilidad en los híbridos cromosómicos . En los lepidópteros, por lo tanto, se cree que la evolución cromosómica desempeña un papel en el refuerzo de la especiación . [12] Comparando los genomas de las especies de lepidópteros también ha sido posible analizar el efecto del holocentrismo en términos de tasa de reordenamientos cromosómicos fijos . Este enfoque ha evidenciado en los lepidópteros dos roturas cromosómicas por megabase de ADN por millón de años: una tasa mucho mayor que la observada en Drosophila y que es una consecuencia directa de la naturaleza holocéntrica de los genomas de los lepidópteros. [27] [28] A nivel estructural, los cromosomas holocéntricos de los insectos no han sido estudiados en detalle, pero es interesante subrayar la ausencia de homólogos de CENP-C y CENP-A , previamente considerados esenciales para el funcionamiento del cinetocoro en eucariotas. [29]
El grupo más conocido de especies holocéntricas se puede encontrar en la clase Secernentea de los nematodos, que incluye a C. elegans . [16] [17] otros nematodos generalmente se describen como holocéntricos debido a su relación filogenética con C. elegans , pero las evidencias cariotípicas reales son escasas o controvertidas. [30] [31] [32] El desarrollo de los nematodos se caracteriza típicamente por linajes fijos y una única muerte celular inapropiada, por lo tanto, se ha sugerido que el holocentrismo podría evitar las desastrosas consecuencias de los eventos de rotura de cromosomas no reparados. [33] La disponibilidad de varios recursos moleculares y genómicos permitió una caracterización detallada de los cromosomas holocéntricos de C. elegans y, en particular, se ha diseccionado molecularmente la estructura del cinetocoro. [34] [35] Los datos actuales sugieren que los cinetocoros de C. elegans forman líneas o placas pareadas en caras opuestas de cromosomas mitóticos condensados, [35] donde cada línea representa el cinetocoro difuso de una sola cromátida. La microscopía electrónica de transmisión de los cromosomas de C. elegans reveló que el cinetocoro tiene una estructura trilaminar muy similar a la observada en cromosomas monocéntricos [35] [36] Se han identificado más de 30 proteínas diferentes como componentes del cinetocoro de C. elegans y la mitad de ellas ya se sabía que funcionaban en los cinetocoros de cromosomas monocéntricos. Entre estas, las proteínas altamente estudiadas incluyen homólogos de CENP-C y CENP-A, que son componentes estructurales altamente conservados del cinetocoro en eucariotas. [36] [37] Contrariamente a lo que generalmente se observa en los cromosomas monocéntricos, en los holocéntricos falta la localización preferencial de los centrómeros dentro de las áreas heterocromáticas junto con la presencia de secuencias de ADN específicas que en C. elegans no son necesarias para el ensamblaje de un cinetocoro funcional. [36] [37] En este sentido, se ha observado que los cromosomas holocéntricos de los nematodos son únicos porque tienen una gran cantidad de satélites dispersos por todo su genoma, mientras que no se encuentran satélites dispersos en los cromosomas monocéntricos del nematodo trichinella spiralis . [38] Curiosamente, estos ADN satélite no se conservan en sus secuencias entre especies, lo que sugiere que los ADN altamente repetitivospuede facilitar la formación de cinetocoros en vista de su repetitividad más que por su secuencia específica. [38] La ausencia de un centrómero localizado impulsó varios estudios para identificar proteínas que están involucradas en la cohesión de las cromátidas hermanas evaluando que se logra mediante un complejo separado de proteínas conservadas, denominado cohesina , que se compone de las subunidades centrales Scc3, Smc1, Smc3 y Scc1. Curiosamente, desempeñan la misma función en organismos con cromosomas monocéntricos con una excepción relacionada con la subunidad Scc1, cuyo gen además del ortólogo Scc1 presenta tres genes paralógicos adicionales. [36] [37]
En las plantas, se han encontrado cromosomas holocéntricos en algas zignematofíceas , [39] en los géneros Myristica ( Myristicaceae ), Chionographis ( Melanthiaceae ), Cuscuta ( Convolvulaceae ) y Droseraceae , [40] [41] [42] en las especies Trithuria submersa ( Hydatellaceae ), Prionium serratum ( Thurniaceae ), [43] [44] y, entre las plantas superiores, en muchos géneros pertenecientes a las familias Cyperaceae y Juncaceae , incluida la juncia nevada Luzula nivea (Juncaceae), la planta holocéntrica mejor estudiada. [45] [46] En Luzula spp., la actividad centromérica se localiza simultáneamente en varios sitios espaciados uniformemente a lo largo de cada cromosoma y los cromosomas pueden fragmentarse de forma natural o por irradiación en cromosomas más pequeños (pero viables). [47] [48] La presencia de cariotipos reordenados no afecta la aptitud, como se evaluó en estudios que informaron que los híbridos de Luzula con padres que poseen cromosomas más pequeños y más grandes mostraron los cromosomas más pequeños alineados y emparejados con los más grandes. [47] De manera similar, en plantas pertenecientes al género Carex , se ha demostrado que la diferenciación del cariotipo se correlaciona con la divergencia genética dentro de las especies, [49] entre poblaciones dentro de las especies, [50] y dentro de las poblaciones, [51] lo que sugiere que, como se informó previamente en los lepidópteros, [12] los reordenamientos cromosómicos holocéntricos contribuyen a la diferenciación genética en diferentes escalas evolutivas en la evolución y especiación de Carex . En las plantas, también se ha sugerido que el cinetocoro difuso de los cromosomas holocéntricos puede suprimir el impulso meiótico de las repeticiones centroméricas y sus consecuencias negativas. [46] En particular, las expansiones (o contracciones) de las repeticiones centroméricas pueden conducir a un cinetocoro más grande (o más pequeño), que atrae más (o menos) microtúbulos durante la meiosis. [17] [46]Esta hipótesis, que correlaciona la presencia de cromosomas holocéntricos con la supresión del impulso centrómero, es muy intrigante pero sólo explica la evolución del holocentrismo cromosómico en la meiosis y no en la mitosis, un hecho que no es trivial considerando que algunas especies con cromosomas holocéntricos pueden presentar una restricción de la actividad del cinetocoro durante la meiosis. [17] [52] De manera similar a lo que se informó previamente para C. elegans , en L. elegans los centrómeros no están hechos por retrotransposones asociados al centrómero ni por ADN satélite asociado al centrómero, sino que las proteínas cenH3 parecen estar asociadas con un plegamiento de cromatina específico del centrómero en lugar de con secuencias de ADN centromérico específicas. [53] La conservación de elementos entre cromosomas mono y holocéntricos no se limita a las proteínas centroméricas, sino que también se extiende a las marcas epigenéticas . De hecho, la fosforilación dependiente del ciclo celular de la serina 10 o la serina 28 de H3 (que normalmente se enriquece en regiones pericéntricas de cromosomas vegetales monocéntricos) ocurre uniformemente a lo largo de los cromosomas de Luzula . [53] Como se describió previamente en pulgones, L. elegans posee una formación de telómeros de novo rápida y eficiente basada en un proceso de curación mediado por la telomerasa que se activa inmediatamente después del daño cromosómico por irradiación de cromosomas. [54] Las repeticiones de telómeros recién formadas fueron detectables citológicamente 21 días después de la irradiación en aproximadamente el 50% de los casos, con una curación completa de los telómeros después de tres meses que favoreció la estabilización del fragmento y la fijación del cariotipo. [54]
A finales del siglo XIX, van Beneden (1883) y Boveri (1890) describieron la meiosis por primera vez a través de una cuidadosa observación de la formación de células germinales en el nematodo Ascaris . Estas observaciones, junto con varios análisis posteriores, evidenciaron que la meiosis canónica consiste en una primera división (llamada división reduccional) que implica la segregación de homólogos cromosómicos que resulta en la reducción del número de cromosomas, seguida de una segunda división (llamada división ecuacional) que implica la segregación de cromátidas hermanas. Por lo tanto, una regla general para la meiosis es: primero homólogos, luego hermanas.
Sin embargo, la comprensión de la división reduccional en la meiosis de Ascaris spp. se ha obtenido mediante el estudio de los cromosomas holocéntricos que, en muchos otros taxones, siguen un orden inverso de división meiótica. [12] De hecho, como se ha informado en varios nematodos, en insectos pertenecientes a los hemípteros y lepidópteros, [55] [56] en ácaros, [57] y en algunas plantas con flores, [8] las especies con cromosomas holocéntricos generalmente presentan una secuencia meiótica invertida, en la que la segregación de homólogos se pospone hasta la segunda división meiótica.
Además, en la mayoría de los casos de meiosis invertida se ha observado la ausencia de una estructura cinetocórica canónica, junto con una restricción de la actividad cinética a los extremos cromosómicos. [12] [55] [56] Estos cambios están relacionados con la cohesión peculiar que ocurre en tétradas de los cromosomas homólogos holocéntricos durante la meiosis que imponen obstáculos a la liberación de cromosomas involucrados en múltiples eventos de entrecruzamiento. [55] [56] [57] En los cromosomas holocéntricos de la meiosis femenina de C. elegans , [58] este problema se evita restringiendo el entrecruzamiento para formar solo un único quiasma por bivalente y desencadenando la redistribución de las proteínas cinetocóricas a lo largo del eje bivalente, formando estructuras en forma de copa específicas de la meiosis que recubren uniformemente cada medio bivalente pero se excluyen de la región media bivalente. [58] Durante la anafase I, los cromosomas homólogos de C. elegans se segregan hacia los polos mediante el empuje de microtúbulos desde las regiones bivalentes medias hacia los polos. [58]
A diferencia de C. elegans , otros organismos con cromosomas holocéntricos, incluidas tanto plantas como insectos, [12] [55] [56] evitan este problema segregando las cromátidas hermanas durante la meiosis I, lo que conduce al término meiosis invertida, en la que el orden de división reduccional y ecuacional se invierte con respecto a la meiosis canónica. En este caso, por lo tanto, la separación de los cromosomas homólogos sigue en lugar de preceder a la segregación de las cromátidas hermanas. Sin embargo, para tener una meiosis invertida exitosa, es necesario que ocurra una orientación bipolar de los cinetocoros hermanos, junto con su unión a los microtúbulos de los polos opuestos del huso en la meiosis I. Esto permite la segregación de las cromátidas hermanas a polos opuestos en la anafase I (división ecuacional), pero requiere un mecanismo para alinear y emparejar los cromosomas homólogos durante la segunda división meiótica. [55] [56] [57] Curiosamente, la presencia de meiosis invertida también puede facilitar la segregación cromosómica adecuada en híbridos de especies parentales con diferencias en sus cariotipos o derivados de poblaciones con cariotipos reordenados, permitiendo rescatar la fertilidad y viabilidad de los híbridos y promoviendo una rápida evolución del cariotipo y posiblemente la especiación cromosómica , como se ha informado en los lepidópteros. [12]
Este artículo fue adaptado de la siguiente fuente bajo licencia CC BY 4.0 (2020) (informes de los revisores): Mauro Mandrioli; Gian Carlo Manicardi (2020). "Holocentric cromosomas". PLOS Genetics . 16 (7): e1008918. doi : 10.1371/JOURNAL.PGEN.1008918 . ISSN 1553-7390. PMC 7392213 . PMID 32730246. Wikidata Q97932961.