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Inactivación del cromosoma X

La coloración de los gatos carey y calicó es una manifestación visible de la inactivación del cromosoma X. Los alelos negro y naranja de un gen de coloración del pelaje residen en el cromosoma X. En cualquier zona de pelaje, la inactivación de un cromosoma X que porta un alelo da como resultado el color del pelaje del otro alelo activo.
El proceso y los posibles resultados de la inactivación aleatoria del cromosoma X en células embrionarias humanas femeninas que experimentan mitosis .
1. Célula embrionaria en etapa temprana de una mujer humana
2. Cromosoma X materno
3. Cromosoma X paterno
4. Mitosis y evento de inactivación aleatoria del cromosoma X
5. El cromosoma paterno se inactiva aleatoriamente en una célula hija, el cromosoma materno se inactiva en la otra
6. El cromosoma paterno se inactiva aleatoriamente en ambas células hijas
7. El cromosoma materno se inactiva aleatoriamente en ambas células hijas
8. Tres posibles resultados de combinación aleatoria
Núcleo de una célula femenina. Arriba: Se detectan ambos cromosomas X mediante FISH . Abajo: El mismo núcleo teñido con un colorante de ADN ( DAPI ). El corpúsculo de Barr está indicado por la flecha, que identifica el cromosoma X inactivo (Xi).
Célula de fibroblasto humano femenino en interfase. [1] Las flechas señalan la cromatina sexual del ADN ( DAPI ) en el núcleo celular (izquierda) y la cromatina X correspondiente (derecha).
Izquierda: Núcleo teñido con ADN (DAPI). La flecha indica la ubicación del cuerpo de Barr (Xi). Derecha: Proteína histona asociada al ADN detectada
La figura muestra imágenes de microscopía confocal de un experimento combinado de hibridación in situ de ARN-ADN para Xist en células de fibroblastos de ratones hembra adultos, que demuestra que el ARN Xist recubre solo uno de los cromosomas X. Las señales de hibridación in situ de ARN del ARN Xist se muestran en color rojo, marcando el cromosoma X inactivo (Xi). Las señales de hibridación in situ de ADN de los loci Xist se muestran en color amarillo, marcando los cromosomas X activos e inactivos (Xa, Xi). El núcleo ( teñido con DAPI ) se muestra en color azul. La figura está adaptada de:. [2]

La inactivación del cromosoma X (también llamada Lyonización , en honor a la genetista inglesa Mary Lyon ) es un proceso por el cual una de las copias del cromosoma X se inactiva en los mamíferos hembras de la familia Therian . El cromosoma X inactivo se silencia al ser empaquetado en una estructura transcripcionalmente inactiva llamada heterocromatina . Como casi todos los mamíferos hembras tienen dos cromosomas X, la inactivación del cromosoma X evita que tengan el doble de productos génicos del cromosoma X que los machos, que solo poseen una única copia del cromosoma X (ver compensación de dosis ).

La elección del cromosoma X que se inactivará en una célula embrionaria particular es aleatoria en mamíferos placentarios como los humanos, pero una vez que un cromosoma X se inactiva, permanecerá inactivo durante toda la vida de la célula y sus descendientes en el organismo (su línea celular). El resultado es que la elección del cromosoma X inactivado en todas las células del organismo es una distribución aleatoria, con frecuencia con aproximadamente la mitad de las células que tienen el cromosoma X paterno inactivado y la otra mitad con un cromosoma X materno inactivado; pero comúnmente, la inactivación del cromosoma X se distribuye de manera desigual a través de las líneas celulares dentro de un organismo ( inactivación del cromosoma X sesgada ).

A diferencia de la inactivación aleatoria del cromosoma X en los mamíferos placentarios, la inactivación en los marsupiales se aplica exclusivamente al cromosoma X derivado del padre.

Mecanismo

Ciclo de activación del cromosoma X en roedores

Los párrafos siguientes se refieren únicamente a roedores y no reflejan la presencia de XI en la mayoría de los mamíferos. La inactivación del cromosoma X forma parte del ciclo de activación del cromosoma X a lo largo de la vida de la hembra. El óvulo y el cigoto fertilizado utilizan inicialmente las transcripciones maternas, y todo el genoma embrionario queda silenciado hasta la activación del genoma cigótico . A partir de entonces, todas las células del ratón experimentan una inactivación temprana e impronta del cromosoma X de origen paterno en los embriones en estadio de 4 a 8 células . [3] [4] [5] [6] Los tejidos extraembrionarios (que dan lugar a la placenta y otros tejidos que sostienen al embrión) conservan esta inactivación temprana impronta y, por tanto, solo el cromosoma X materno está activo en estos tejidos.

En el blastocisto temprano , esta inactivación inicial del cromosoma X se revierte en las células de la masa celular interna (que dan lugar al embrión), y en estas células ambos cromosomas X se vuelven a activar. Cada una de estas células inactiva entonces de forma independiente y aleatoria una copia del cromosoma X. [5] Este evento de inactivación es irreversible durante la vida del individuo, con la excepción de la línea germinal. En la línea germinal femenina antes de la entrada meiótica, la inactivación del cromosoma X se revierte, de modo que después de la meiosis todos los ovocitos haploides contienen un solo cromosoma X activo.

Descripción general

Xi marca el cromosoma X inactivo, Xa el cromosoma X activo. X P denota el cromosoma X paterno y X M to denota el cromosoma X materno. Cuando el óvulo (que lleva X M ) es fertilizado por un espermatozoide (que lleva un Y o un X P ) se forma un cigoto diploide. Desde el cigoto, pasando por la etapa adulta, hasta la siguiente generación de óvulos, el cromosoma X sufre los siguientes cambios:

  1. Xi P Xi M cigoto → experimentando una activación del genoma cigótico , lo que conduce a:
  2. Xa P Xa M → sufre inactivación del cromosoma X (paternal) impresa , lo que conduce a:
  3. Xi P Xa M → experimentando activación X en la etapa temprana de blastocisto , lo que conduce a:
  4. Xa P Xa M → sufre una inactivación aleatoria de X en el linaje embrionario (masa celular interna) en la etapa de blastocisto, lo que conduce a:
  5. Xi P Xa M O Xa P Xi M → experimentando una reactivación X en las células germinales primordiales antes de la meiosis , lo que conduce a:
  6. Células germinales diploides Xa M Xa P en detención meiótica. Como la meiosis I sólo se completa con la ovulación , las células germinales humanas existen en esta etapa desde las primeras semanas de desarrollo hasta la pubertad. La finalización de la meiosis conduce a:
  7. Células germinales haploides Xa M y Xa P (óvulos).

El ciclo de activación del cromosoma X se ha estudiado mejor en ratones, pero existen múltiples estudios en humanos. Como la mayoría de las pruebas provienen de ratones, el esquema anterior representa los eventos en ratones. La finalización de la meiosis se simplifica aquí para mayor claridad. Los pasos 1 a 4 se pueden estudiar en embriones fertilizados in vitro y en células madre en diferenciación; la reactivación del cromosoma X ocurre en el embrión en desarrollo y los pasos subsiguientes (6 a 7) dentro del cuerpo femenino, por lo que es mucho más difícil de estudiar.

Momento

El momento en que se produce cada proceso depende de la especie y, en muchos casos, el momento preciso es motivo de intenso debate. [Toda la parte de esta tabla que habla del momento en que se produce la inactivación del cromosoma X en humanos es muy cuestionable y debería eliminarse hasta que se confirme adecuadamente con datos empíricos].

Herencia del estado de inactivación a lo largo de generaciones celulares

Los descendientes de cada célula que inactiva un cromosoma X en particular también inactivarán ese mismo cromosoma. Este fenómeno, que se puede observar en la coloración de los gatos carey cuando las hembras son heterocigotas para el gen del pigmento ligado al cromosoma X , no debe confundirse con el mosaicismo , que es un término que se refiere específicamente a las diferencias en el genotipo de varias poblaciones celulares en el mismo individuo; la inactivación del cromosoma X, que es un cambio epigenético que da como resultado un fenotipo diferente, no es un cambio a nivel genotípico . Para una célula o linaje individual, la inactivación está, por lo tanto , sesgada o " no aleatoria ", y esto puede dar lugar a síntomas leves en las hembras "portadoras" de trastornos genéticos ligados al cromosoma X. [12]

Selección de un cromosoma X activo

Las mujeres poseen dos cromosomas X y, en cualquier célula, un cromosoma estará activo (denominado Xa) y el otro inactivo (Xi). Sin embargo, los estudios de individuos con copias adicionales del cromosoma X muestran que en las células con más de dos cromosomas X, todavía hay un solo cromosoma Xa y todos los cromosomas X restantes están inactivados. Esto indica que el estado predeterminado del cromosoma X en las mujeres es la inactivación, pero siempre se selecciona un cromosoma X para que permanezca activo.

Se entiende que la inactivación del cromosoma X es un proceso aleatorio que ocurre aproximadamente en el momento de la gastrulación en el epiblasto (células que darán origen al embrión). Los cromosomas X maternos y paternos tienen la misma probabilidad de inactivación. Esto sugeriría que se esperaría que las mujeres sufrieran trastornos ligados al cromosoma X aproximadamente un 50% más a menudo que los hombres (porque las mujeres tienen dos cromosomas X, mientras que los hombres tienen solo uno); sin embargo, en realidad, la incidencia de estos trastornos en las mujeres es mucho menor que eso. Una explicación para esta disparidad es que entre el 12 y el 20% [13] de los genes en el cromosoma X inactivado permanecen expresados, lo que proporciona a las mujeres una protección adicional contra los genes defectuosos codificados por el cromosoma X. Algunos [¿ quiénes? ] sugieren que esta disparidad debe ser evidencia de una inactivación preferencial (no aleatoria). La inactivación preferencial del cromosoma X paterno ocurre tanto en marsupiales como en linajes celulares que forman las membranas que rodean al embrión, [14] mientras que en los mamíferos placentarios el cromosoma X derivado de la madre o del padre puede inactivarse en diferentes líneas celulares. [15]

El período de tiempo para la inactivación del cromosoma X explica esta disparidad. La inactivación ocurre en el epiblasto durante la gastrulación, que da lugar al embrión. [16] La inactivación ocurre a nivel celular, lo que resulta en una expresión en mosaico, en la que parches de células tienen un cromosoma X materno inactivo, mientras que otros parches tienen un cromosoma X paterno inactivo. Por ejemplo, una mujer heterocigota para hemofilia (una enfermedad ligada al cromosoma X) tendría aproximadamente la mitad de sus células hepáticas funcionando correctamente, lo que suele ser suficiente para garantizar una coagulación sanguínea normal. [17] [18] El azar podría dar lugar a significativamente más células disfuncionales; sin embargo, tales extremos estadísticos son poco probables. Las diferencias genéticas en el cromosoma también pueden hacer que un cromosoma X sea más propenso a sufrir inactivación. Además, si un cromosoma X tiene una mutación que impide su crecimiento o lo vuelve no viable, las células que inactivaron aleatoriamente ese X tendrán una ventaja selectiva sobre las células que inactivaron aleatoriamente el alelo normal. Por lo tanto, aunque la inactivación es inicialmente aleatoria, las células que inactivan un alelo normal (dejando activo el alelo mutado) eventualmente serán superadas y reemplazadas por células funcionalmente normales en las que casi todas tienen el mismo cromosoma X activado. [17]

Se ha planteado la hipótesis de que existe un «factor de bloqueo» codificado autosómicamente que se une al cromosoma X y evita su inactivación. [19] El modelo postula que existe un factor de bloqueo limitante, por lo que una vez que la molécula de factor de bloqueo disponible se une a un cromosoma X, el resto de los cromosomas X no están protegidos de la inactivación. Este modelo está respaldado por la existencia de un único cromosoma Xa en células con muchos cromosomas X y por la existencia de dos cromosomas X activos en líneas celulares con el doble del número normal de autosomas. [20]

Las secuencias en el centro de inactivación X ( XIC ), presente en el cromosoma X, controlan el silenciamiento del cromosoma X. Se predice que el factor de bloqueo hipotético se une a secuencias dentro del XIC.

Expresión de trastornos ligados al cromosoma X en mujeres heterocigotas

El efecto de la heterocigosidad del cromosoma X de la hembra es evidente en algunos rasgos localizados, como el patrón único del pelaje de un gato atigrado . Sin embargo, puede resultar más difícil comprender por completo la expresión de rasgos no localizados en estas hembras, como la expresión de enfermedades.

Dado que los hombres sólo tienen una copia del cromosoma X, todos los genes del cromosoma X expresados ​​(o alelos , en el caso de múltiples formas variantes para un gen dado en la población) se encuentran en esa copia del cromosoma. Las mujeres, sin embargo, expresarán principalmente los genes o alelos ubicados en la copia del cromosoma X que permanece activa. Considerando la situación de un gen o múltiples genes que causan diferencias individuales en un fenotipo particular (es decir, causan variación observada en la población para ese fenotipo), en las mujeres homocigotas no importa particularmente qué copia del cromosoma está inactivada, ya que los alelos en ambas copias son los mismos. Sin embargo, en las mujeres que son heterocigotas en los genes causales, la inactivación de una copia del cromosoma sobre la otra puede tener un impacto directo en su valor fenotípico. Debido a este fenómeno, hay un aumento observado en la variación fenotípica en las mujeres que son heterocigotas en el gen o genes involucrados que en las mujeres que son homocigotas en ese gen o esos genes. [21] La variación fenotípica puede manifestarse de muchas formas diferentes. En muchos casos, las mujeres heterocigotas pueden ser asintomáticas o presentar solo síntomas menores de un trastorno determinado, como la adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X. [22]

La diferenciación del fenotipo en hembras heterocigotas se ve favorecida por la presencia de un sesgo de inactivación del cromosoma X. Normalmente, cada cromosoma X está silenciado en la mitad de las células, pero este proceso se ve sesgado cuando se produce una inactivación preferencial de un cromosoma. Se cree que el sesgo se produce por casualidad o por una característica física de un cromosoma que puede hacer que se silencie con mayor o menor frecuencia, como una mutación desfavorable. [23] [24]

En promedio, cada cromosoma X está inactivado en la mitad de las células, aunque entre el 5 y el 20 % de las mujeres presentan una desviación de la inactivación del cromosoma X. [23] En los casos en los que hay desviación, puede darse una amplia gama de expresión de síntomas, lo que da como resultado una expresión que varía de leve a grave según la proporción de desviación. Se observó un caso extremo de esto en el que dos gemelas monocigóticas tenían una variación extrema en la expresión de la enfermedad de Menkes (un trastorno ligado al cromosoma X), lo que dio como resultado la muerte de una gemela mientras que la otra permaneció asintomática. [25]

Se cree que la desviación de la inactivación del cromosoma X podría deberse a problemas en el mecanismo que provoca la inactivación o a problemas en el propio cromosoma. [23] [24] Sin embargo, el vínculo entre el fenotipo y la desviación aún se cuestiona y debe examinarse caso por caso. Un estudio que examinó mujeres sintomáticas y asintomáticas que eran heterocigotas para las distrofias musculares de Duchenne y Becker (DMD) no encontró un vínculo aparente entre la expresión de la transcripción y la desviación de la inactivación del cromosoma X. El estudio sugiere que ambos mecanismos se regulan de forma independiente y que hay otros factores desconocidos en juego. [26]

Componente cromosómico

El centro de inactivación del cromosoma X (o simplemente XIC) es necesario y suficiente para provocar la inactivación del cromosoma X. Las translocaciones cromosómicas que colocan el XIC en un autosoma provocan la inactivación del autosoma, y ​​los cromosomas X que carecen del XIC no se inactivan. [27] [28]

El XIC contiene cuatro genes de ARN no traducidos , Xist , Tsix , Jpx y Ftx , que participan en la inactivación del cromosoma X. El XIC también contiene sitios de unión para proteínas reguladoras conocidas y desconocidas . [29]

ARN Xist y Tsix

El gen de transcripción específica X-inactiva ( Xist ) codifica un ARN no codificante de gran tamaño que es responsable de mediar el silenciamiento específico del cromosoma X del que se transcribe. [30] El cromosoma X inactivo está recubierto por el ARN Xist, [31] mientras que el Xa no lo está (véase la figura de la derecha). Los cromosomas X que carecen del gen Xist no pueden inactivarse. [32] La colocación y expresión artificial del gen Xist en otro cromosoma conduce al silenciamiento de ese cromosoma. [33] [27]

Antes de la inactivación, ambos cromosomas X expresan débilmente el ARN Xist del gen Xist. Durante el proceso de inactivación, el futuro Xa deja de expresar Xist, mientras que el futuro Xi aumenta drásticamente la producción de ARN Xist. En el futuro Xi, el ARN Xist recubre progresivamente el cromosoma, extendiéndose desde el XIC; [33] el ARN Xist no se localiza en el Xa. El silenciamiento de los genes a lo largo del Xi ocurre poco después del recubrimiento por el ARN Xist.

Al igual que Xist, el gen Tsix codifica un ARN grande que no se cree que codifique una proteína. El ARN Tsix se transcribe en sentido antisentido con respecto a Xist, lo que significa que el gen Tsix se superpone al gen Xist y se transcribe en la cadena de ADN opuesta a la del gen Xist. [28] Tsix es un regulador negativo de Xist; los cromosomas X que carecen de la expresión de Tsix (y, por lo tanto, tienen altos niveles de transcripción de Xist) se inactivan con mucha más frecuencia que los cromosomas normales.

Al igual que Xist, antes de la inactivación, ambos cromosomas X expresan débilmente el ARN Tsix del gen Tsix. Al iniciarse la inactivación de X, el futuro Xi deja de expresar el ARN Tsix (y aumenta la expresión de Xist), mientras que Xa continúa expresando Tsix durante varios días.

Rep A es un ARN largo no codificante que trabaja con otro ARN largo no codificante, Xist, para la inactivación de X. Rep A inhibe la función de Tsix, el antisentido de Xist, junto con la eliminación de la expresión de Xite. Promueve la metilación de la región Tsix atrayendo a PRC2 y, por lo tanto, inactivando uno de los cromosomas X. [29]

Silenciamiento

El cromosoma X inactivo no expresa la mayoría de sus genes, a diferencia del cromosoma X activo. Esto se debe al silenciamiento del Xi por la heterocromatina represiva , que compacta el ADN Xi e impide la expresión de la mayoría de los genes.

En comparación con Xa, Xi tiene altos niveles de metilación de ADN , bajos niveles de acetilación de histonas , bajos niveles de metilación de lisina-4 de histona H3 y altos niveles de metilación de lisina-9 de histona H3 y marca de metilación de lisina-27 de H3 que es colocada por el complejo PRC2 reclutado por Xist , todos los cuales están asociados con el silenciamiento de genes. [34] PRC2 regula la compactación de la cromatina y la remodelación de la cromatina en varios procesos, incluida la respuesta al daño del ADN . [35] Además, una variante de histona llamada macroH2A ( H2AFY ) se encuentra exclusivamente en los nucleosomas a lo largo de Xi. [36] [37]

Cuerpos de Barr

El ADN empaquetado en heterocromatina, como Xi, está más condensado que el ADN empaquetado en eucromatina , como Xa. La X inactiva forma un cuerpo discreto dentro del núcleo llamado cuerpo de Barr . [38] El cuerpo de Barr generalmente se encuentra en la periferia del núcleo , se replica tardíamente dentro del ciclo celular y, como contiene Xi, contiene modificaciones de heterocromatina y el ARN Xist.

Genes expresados ​​en el cromosoma X inactivo

Una fracción de los genes a lo largo del cromosoma X escapan a la inactivación en el Xi. El gen Xist se expresa en niveles altos en el Xi y no se expresa en el Xa. [39] Muchos otros genes escapan a la inactivación; algunos se expresan por igual en el Xa y el Xi, y otros, aunque se expresan en ambos cromosomas, siguen expresándose predominantemente en el Xa. [40] [41] [42] Hasta una cuarta parte de los genes en el Xi humano son capaces de escapar. [40] Los estudios en el ratón sugieren que en cualquier tipo de célula dado, entre el 3% y el 15% de los genes escapan a la inactivación, y que la identidad del gen que escapa varía entre los tejidos. [41] [42]

Muchos de los genes que escapan a la inactivación están presentes en regiones del cromosoma X que, a diferencia de la mayoría del cromosoma X, contienen genes también presentes en el cromosoma Y. Estas regiones se denominan regiones pseudoautosómicas , ya que los individuos de ambos sexos recibirán dos copias de cada gen en estas regiones (como un autosoma), a diferencia de la mayoría de los genes a lo largo de los cromosomas sexuales. Dado que los individuos de ambos sexos recibirán dos copias de cada gen en una región pseudoautosómica , no se necesita compensación de dosis para las mujeres, por lo que se postula que estas regiones de ADN han desarrollado mecanismos para escapar de la inactivación del cromosoma X. Los genes de las regiones pseudoautosómicas del Xi no tienen las modificaciones típicas del Xi y tienen poco ARN Xist unido.

La existencia de genes a lo largo del cromosoma X inactivo que no están silenciados explica los defectos en humanos con números anormales del cromosoma X, como el síndrome de Turner (X0, causado por el gen SHOX [43] ) o el síndrome de Klinefelter (XXY). Teóricamente, la inactivación del cromosoma X debería eliminar las diferencias en la dosis génica entre los individuos afectados y los individuos con un complemento cromosómico normal. Sin embargo, en los individuos afectados, la inactivación del cromosoma X es incompleta y la dosis de estos genes no silenciados diferirá a medida que escapen a la inactivación del cromosoma X, de manera similar a una aneuploidía autosómica .

No se conocen los mecanismos precisos que controlan el escape de la inactivación del cromosoma X, pero se ha demostrado que las regiones silenciadas y de escape tienen marcas de cromatina distintas. [41] [44] Se ha sugerido que el escape de la inactivación del cromosoma X podría estar mediado por la expresión de ARN largo no codificante (lncRNA) dentro de los dominios cromosómicos de escape. [2]

Usos en biología experimental

Stanley Michael Gartler utilizó la inactivación del cromosoma X para demostrar el origen clonal de los cánceres. El examen de tejidos normales y tumores de mujeres heterocigotas para las isoenzimas del gen G6PD ligado al sexo demostró que las células tumorales de dichos individuos expresan sólo una forma de G6PD, mientras que los tejidos normales están compuestos por una mezcla casi igual de células que expresan los dos fenotipos diferentes. Este patrón sugiere que una sola célula, y no una población, se convierte en un cáncer. [45] Sin embargo, se ha demostrado que este patrón es erróneo para muchos tipos de cáncer, lo que sugiere que algunos cánceres pueden ser de origen policlonal. [46]

Además, la medición del estado de metilación (inactivación) del receptor de andrógenos humano polimórfico (HUMARA) ubicado en el cromosoma X se considera el método más preciso para evaluar la clonalidad en biopsias de cáncer femenino. [47] Se evaluó una gran variedad de tumores mediante este método, algunos, como el carcinoma de células renales, [48] se encontraron monoclonales, mientras que otros (por ejemplo, el mesotelioma [49] ) se informaron como policlonales.

Los investigadores también han investigado el uso de la inactivación del cromosoma X para silenciar la actividad de los cromosomas autosómicos. Por ejemplo, Jiang et al. insertaron una copia del gen Xist en una copia del cromosoma 21 en células madre derivadas de un individuo con trisomía 21 ( síndrome de Down ). [50] El gen Xist insertado induce la formación de cuerpos de Barr, desencadena modificaciones estables de la heterocromatina y silencia la mayoría de los genes en la copia adicional del cromosoma 21. En estas células madre modificadas, el silenciamiento del gen mediado por Xist parece revertir algunos de los defectos asociados con el síndrome de Down.

Historia

En 1959 Susumu Ohno demostró que los dos cromosomas X de los mamíferos eran diferentes: uno parecía similar a los autosomas ; el otro era condensado y heterocromático. [51] Este hallazgo sugirió, independientemente a dos grupos de investigadores, que uno de los cromosomas X sufrió inactivación.

En 1961, Mary Lyon propuso la inactivación aleatoria de un cromosoma X femenino para explicar el fenotipo moteado de ratones hembra heterocigotos para genes de color de pelaje . [52] La hipótesis de Lyon también explicó los hallazgos de que una copia del cromosoma X en células femeninas estaba altamente condensada, y que los ratones con solo una copia del cromosoma X se desarrollaban como hembras infértiles. Esto sugirió [53] a Ernest Beutler , que estudiaba hembras heterocigotas para la deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PD), que había dos poblaciones de glóbulos rojos de eritrocitos en tales heterocigotos: células deficientes y células normales, [54] dependiendo de si el cromosoma X inactivado (en el núcleo de la célula precursora del glóbulo rojo) contiene el alelo G6PD normal o defectuoso.

Véase también

Referencias

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