Los neocentrómeros son centrómeros nuevos que se forman en un lugar del cromosoma que normalmente no es centromérico. Por lo general, surgen debido a la alteración del centrómero normal. [1] Estos neocentrómeros no deben confundirse con los “perillas”, que también se describieron como “neocentrómeros” en el maíz en la década de 1950. [2] A diferencia de la mayoría de los centrómeros normales, los neocentrómeros no contienen secuencias satélite que sean altamente repetitivas, sino que consisten en secuencias únicas. A pesar de esto, la mayoría de los neocentrómeros aún pueden llevar a cabo las funciones de los centrómeros normales [1] en la regulación de la segregación y la herencia cromosómica. Esto plantea muchas preguntas sobre qué es necesario y qué es suficiente para constituir un centrómero.
Como los neocentrómeros son todavía un fenómeno relativamente nuevo en la biología celular y la genética, puede ser útil tener en cuenta que los neocentrómeros pueden estar relacionados de alguna manera con los centrómeros puntuales, los holocentrómeros y los centrómeros regionales. Mientras que los centrómeros puntuales se definen por la secuencia, los regionales y los holocentrómeros se definen epigenéticamente por la ubicación de un tipo específico de nucleosoma (el que contiene la histona centromérica H3 ). [3]
También puede ser analíticamente útil tener en cuenta que el centrómero se define generalmente en relación con el cinetocoro , específicamente como la “parte del cromosoma que une dos cromátidas hermanas a través del cinetocoro”. Sin embargo, la aparición de investigaciones sobre neocentrómeros pone en tela de juicio esta definición convencional y cuestiona la función de un centrómero más allá de ser una “plataforma de aterrizaje” para la formación del cinetocoro. [4] Esto amplía el alcance de la función del centrómero para incluir la regulación de la función del cinetocoro y del huso mitótico .
Los neocentrómeros se descubrieron hace relativamente poco tiempo. Los observó por primera vez Andy Choo en un caso clínico de cariotipo humano en 1997 [5] , utilizando hibridación in situ fluorescente (FISH) y análisis citogenético . Los neocentrómeros se observaron en el cromosoma 10 de un paciente, que era un niño con retrasos en el desarrollo.
Los análisis citogenéticos y FISH de sus cromosomas encontraron tres cromosomas marcadores : uno era un cromosoma bisatélite y dos se derivaban del cromosoma 10. De los dos derivados del cromosoma 10, uno formaba un anillo y el otro una versión "eliminada" del cromosoma 10, etiquetada como mar del (10). [5] Se confirmó que las dos derivaciones provenían del cromosoma 10 mediante la caracterización de YAC y BAC; [6] esta confirmación sirve como una forma de control endógeno para el experimento de instigación del neocentrómero. El mar del (10) y los cromosomas bisatélites estaban presentes en cada célula examinada, pero el cromosoma en anillo solo estaba presente en el 4-8% de las células. [5] Algunos han atribuido esta estadística a la posible inestabilidad mitótica de los cromosomas en anillo. [7]
Los centrómeros se definen convencionalmente por la heterocromatina de tinción oscura que consiste en el sitio de constricción primario [7] —esta convención existe porque la heterocromatina se encuentra generalmente flanqueando el centrómero. Con esto en mente, la heterocromatina centromérica se encontró en los marcadores bisatélites y de anillo, pero no en el marcador mar del(10). Sin embargo, mar del(10) todavía pudo segregar de manera estable in vivo e in vitro, lo que implica la presencia de un centrómero y cinetocoro funcionales. Se ha asumido que la heterocromatina centromérica es tan importante como el cinetocoro en la segregación y estabilización de los cromosomas, porque la heterocromatina está asociada con el reclutamiento de proteínas y tiene la capacidad definitoria de silenciar la expresión génica. [8] Sin embargo, esta noción es desafiada por la observación en mar del (10).
Una década después de la observación inicial de neocentrómeros, en 2002 se documentaron 60 casos más de neocentrómeros humanos en todo el genoma, no solo en el cromosoma 10. [7] Estos casos también se observaron típicamente en niños con retraso del desarrollo o anomalías congénitas . [7] En 2012, se habían descrito más de 90 casos de neocentrómeros humanos en 20 cromosomas diferentes. [9]
Los estudios sugieren que los neocentrómeros se forman en última instancia a partir de procesos epigenéticos , en lugar de cambios en la secuencia de ADN. [7] Existe un consenso general de que los neocentrómeros son el resultado de un intento de arreglar los cromosomas que carecen de un centrómero convencional, a través de reordenamientos cromosómicos.
El tipo más común de reordenamiento que conduce a un neocentrómero es una duplicación invertida, categorizada como Clase I. El cromosoma marcador resultante consta de dos copias del segmento cromosómico. Cada una de las dos copias es una imagen especular del segmento cromosómico. El neocentrómero se forma en un sitio intersticial, entre el punto de ruptura y uno de los telómeros . [7] A pesar de tener secuencias idénticas en dos mitades del cromosoma, el neocentrómero solo se forma una vez. En algunos casos, la segregación de estos cromosomas da como resultado una trisomía parcial y, en otras ocasiones, una tetrasomía parcial . En la tetrasomía parcial, el cariotipo parece normal excepto por el cromosoma marcador.
Los mecanismos de formación de los neocentrómeros aún no están claros, pero se han propuesto algunos. Se especula firmemente que los neocentrómeros se forman durante la mitosis o la meiosis . [10]
En el caso de la clase I, el mecanismo propuesto es que la rotura de cromátidas ocurre durante la mitosis, lo que da como resultado un fragmento de cromosoma. Ese fragmento de cromosoma acéntrico puede segregarse con la cromátida intacta y dar como resultado una tetrasomía parcial; o puede segregarse con la cromátida rota complementaria y dar como resultado una trisomía parcial porque la cromátida rota puede salvarse mediante la restitución de los telómeros. [10] En ambos casos, el marcador duplicado invertido se forma solo después de la división celular y la replicación al volver a unir los extremos rotos y replicados del fragmento. [10] También se sugiere que el intercambio de tipo U durante la meiosis I puede dar lugar a una tetrasomía parcial.
Por otra parte, los cromosomas marcadores de clase II son el resultado del segundo tipo más común de reordenamiento: las deleciones intersticiales. Un cromosoma se reordena para dar lugar a un cromosoma en anillo y a un cromosoma lineal. Por lo tanto, en retrospectiva, la primera observación de neocentrómeros realizada por Andy Choo en 1997 fue muy probablemente un ejemplo de una deleción intersticial pericéntrica de clase II, seguida de un reordenamiento complejo. El neocentrómero puede aparecer en el cromosoma lineal o en el cromosoma en anillo, dependiendo de cuál de los dos carezca de centrómero. [10]
En el caso de la clase II, no está claro cuándo se produce el reordenamiento. Las hipótesis generales incluyen la ruptura del cromosoma dos veces y la unión de los extremos. El argumento alternativo es que durante la meiosis I, la formación de bucles y la recombinación homóloga dentro de una cromátida hermana pueden causar este reordenamiento. [10]
Una estimación aproximada indica que la formación de neocentrómeros en cromosomas duplicados invertidos ocurre cada 70.000 a 200.000 nacidos vivos. [10] Sin embargo, esta estadística no incluye los reordenamientos de clase II.
Los centrómeros humanos suelen estar formados por entre 2000 y 4000 kilobases de una unidad repetida de 171 pares de bases. Este satélite alfa no está presente en absoluto en los neocentrómeros humanos. [10] En 2008, se detectaron más de 90 casos notificados de neocentrómeros humanos en cromosomas marcadores que experimentaron una pérdida de centrómero y una posterior reorganización. [10] Los rasgos comunes entre estos neocentrómeros humanos incluyen ser analfoides, tinción negativa de banda C, contener un sitio de constricción primaria y unirse a proteínas esenciales del centrómero que señalan la presencia de un cinetocoro. [10]
Se han detectado neocentrómeros en cánceres humanos, [10] aunque la frecuencia observada de neocentrómeros en la población es relativamente baja. Existe una fuerte correlación entre los neocentrómeros y una clase específica (ALP-WDLPS) de tumores lipomatosos . [11] Se ha observado que los tumores lipomatosos con secuencias alfoides en el centrómero son más agresivos y metastásicos. Por lo tanto, una sugerencia es que los neocentrómeros pueden evolucionar rápidamente a un centrómero con satélite alfa, pero la correlación entre la secuencia repetitiva y la agresividad de los tumores sigue sin estar clara. [10]
También se han descrito neocentrómeros en el carcinoma de pulmón y la leucemia mieloide aguda . [10] Cabe señalar que los neocentrómeros en el cáncer pueden aparecer con mayor frecuencia que lo observado actualmente, porque muchas pruebas de detección del cáncer que implican cariotipo no utilizan ensayos que detecten formaciones de neocentrómeros.
Aunque no se discute explícitamente en relación con los neocentrómeros, vale la pena señalar que el ciclo de rotura-fusión-puente también involucra a los cromosomas en anillo. [12] En particular, estos cromosomas en anillo involucrados en ciclos de rotura-fusión-puente tienen un porcentaje relativamente alto de prevalencia en tumores lipomatosos y una prevalencia menor pero aún notable en leucemia mieloide aguda y pulmonar, según la base de datos Mitelman. Tal vez un estudio más profundo de los cromosomas en anillo y las enfermedades, desde la perspectiva de la formación de neocentrómeros, pueda arrojar luz sobre los mecanismos de formación de tumores debido a anomalías cromosómicas. Por ejemplo, uno puede preguntarse si los cromosomas en anillo presentes en los tumores contienen un neocentrómero después de una deleción de Clase II, porque el neocentrómero puede o no estar presente en el anillo.
Además de los autosomas, también se han observado neocentrómeros humanos en los cromosomas sexuales y se correlacionan con algunas enfermedades ligadas al sexo. En 1999, el análisis de un neocentrómero en el cromosoma Y con un sitio de constricción en los amniocitos de una mujer de 38 años, y en su esposo y cuñado sirvió como evidencia experimental de que los neocentrómeros pueden transmitirse de manera estable a través de la meiosis a la siguiente generación. [13] El neocentrómero no solo es viable en un cromosoma, sino que también es suficiente para permitir la determinación adecuada del sexo masculino. [14] Estos marcadores neocéntricos transmitidos meióticamente muestran mosaicismo , que muchos piensan que se debe a la inestabilidad mitótica. [7] Sin embargo, por el contrario, otros también piensan que el mosaicismo podría desarrollarse postcigóticamente y, por lo tanto, puede no ser el resultado de la inestabilidad mitótica. [5] La formación postcigótica ocurre cuando la función del neocentrómero no está establecida en el momento del reordenamiento meiótico.
Otro caso de mosaicismo se ha observado en una niña de 15 años con un cromosoma X neocéntrico. [9] Sus características clínicas, junto con los análisis citogenéticos y FISH confirman que este es el primer caso de un síndrome de Turner en mosaico que involucra un neocentrómero. Durante el tiempo de este experimento, solo se habían observado hasta ahora otros dos casos de cromosomas X neocéntricos, lo que convierte a este experimento en el tercero. Uno de los dos casos anteriores también se confirmó como síndrome de Turner, pero no era mosaico. Una interacción de interés aquí sería entre los neocentrómeros y el gen XIST , que es responsable de la inactivación del cromosoma X. Se ha sugerido que la anomalía causada por los neocentrómeros puede explicar la inactivación selectiva del cromosoma X anormal en este paciente. Teniendo en cuenta que solo menos del 5% de los casos de síndrome de Turner son mosaicos, [9] se puede considerar, al igual que con los ensayos de neocentrómeros en el cáncer, [10] que los neocentrómeros pueden ocurrir con una frecuencia más alta en el síndrome de Turner en mosaico de lo observado.
Como se mencionó anteriormente, se sabe que la formación del centrómero está regulada epigenéticamente. Sin embargo, estos mecanismos epigenéticos aún son motivo de debate; afortunadamente, los neocentrómeros proporcionan un sistema modelo para estudiar los diferentes mecanismos propuestos. [7] [15]
Los centrómeros están bien asociados con proteínas específicas que participan en la formación del cinetocoro y el huso mitótico. Debido a que los neocentrómeros no contienen secuencias repetitivas, son buenos candidatos para estudiar la regulación epigenética de la distribución de proteínas centroméricas, utilizando métodos de inmunoprecipitación de cromatina (ChIP) . [1]
Todos los centrómeros están asociados con la proteína centrómero A (CENPA). [8] La CENPA también ha sido ampliamente estudiada como un actor importante en la regulación del centrómero, ya que se une y especifica la ubicación del centrómero tanto para los centrómeros normales como para los neocentrómeros, independientemente de la secuencia de ADN. Existe un consenso general de que la CENPA se ensambla en nucleosomas octaméricos, con dos copias de CENPA reemplazando dos copias de la histona H3 en el locus objetivo [16] —este es el modelo más simple y aún se desconoce mucho sobre la composición de los nucleosomas de CENPA.
Los neocentrómeros han sido herramientas útiles para investigar los efectos de CENPA en ausencia de secuencias satélite. Esos estudios concluyen que la capacidad de CENPA para envolver el ADN parece ser independiente de la secuencia de ADN. [16] Esto lleva a varias preguntas: ¿cómo decide CENPA, entonces, dónde envolver? ¿Cuál es el propósito de las secuencias satélite (que están presentes en la mayoría de los centrómeros eucariotas) si no son necesarias para la envoltura de CENPA? Para complicar el asunto aún más, la introducción de ADN satélite alfa en las células puede causar la formación de novo de centrómeros. [7] Hasta ahora, esto sugiere que las secuencias repetitivas pueden desempeñar un papel fundamental pero no necesario en la formación de centrómeros. Además, también se han observado recientemente centrómeros no repetitivos en caballos, orangutanes y pollos. [1] [17]
La sobreexpresión de CENPA y CENPH (proteína centrómero H) también está asociada con el cáncer colorrectal. Vale la pena señalar que la sobreexpresión de estas proteínas centroméricas también está relacionada con la neocentromerización. Por lo tanto, esto puede servir como el comienzo de la explicación de cómo los neocentrómeros pueden conducir al cáncer. La sobreexpresión puede deberse a una pérdida de función en la regulación de CENPA por proteólisis en momentos inadecuados del ciclo celular. [18] Sin embargo, este vínculo necesita ser investigado más a fondo. [10]
El hecho de que los neocentrómeros y los centrómeros convencionales no compartan un entorno de cromatina consistente también debería tenerse en cuenta al cuestionar la regulación epigenética de la formación del centrómero. [19] Las colas N-terminales de las histonas pueden modificarse de varias maneras, incluyendo la fosforilación , acetilación , metilación y ubiquitinación . Aunque ciertas modificaciones de las histonas en los centrómeros parecen tener un propósito (por ejemplo, contribuir a una organización de orden superior de las cromatinas en los centrómeros de ratón [18] ), los convencionales y los neocentrómeros comparten muy pocas modificaciones, pero podría decirse que aún mantienen la misma función de un centrómero.
La reposición de CENPA en cada ciclo, que es importante para restablecer la identidad del centrómero, se lleva a cabo por HJURP (Holliday Junction Recognition Protein), o Scm3 en hongos y CAL1 en Drosophila . [19] La unión de HJURP a un locus no centromérico puede dar lugar a un neocentrómero, incluso después de la disociación de HJURP. Parece haber una relación coevolutiva entre la chaperona CAL1 de Drosophila y CENPA que explica la incompatibilidad de especies; esto se analiza más adelante. [20]
Mientras que la deposición de CENPA ocurre durante la fase S en S. cerevisiae , dos vías de deposición de CENPA en S. pombe determinan cuándo se deposita CENPA, a saber, la fase S y G2. En Arabidopsis thaliana , los experimentos sugieren que la deposición de CENPA se produce a través de un mecanismo independiente de la replicación en G2. En los humanos, el momento parece ser durante la fase G1 temprana. [18]
Esta regulación temporal es importante porque revela la composición de la cromatina centromérica durante el momento del ensamblaje del cinetocoro en la mitosis. Tal vez reimaginar la formación de neocentrómeros desde la perspectiva del ciclo celular podría revelar más sobre qué tipo de regulación es necesaria para la formación del centrómero.
Se podría esperar que, dado que el centrómero desempeña un papel tan importante en la segregación cromosómica y la herencia general, el centrómero se encuentre altamente conservado, en la secuencia o en la regulación epigenética. Sin embargo, aunque la variante de histona CENPA está de hecho conservada, hay una cantidad sorprendentemente grande de diversidad en la organización de la cromatina centromérica, a través de diferentes linajes. [21] Otro aspecto sorprendente de la evolución del centrómero es que, si bien la función del centrómero se conserva entre todos los eucariotas, el ADN subyacente evoluciona rápidamente; este fenómeno se ha denominado la "paradoja del centrómero". [22]
Tanto la levadura como la Drosophila y los mamíferos tienen heterocromatina flanqueando sus centrómeros. [8] Aunque la chaperona vertebrada HJURP y la chaperona de levadura Scm3 han divergido, sus dominios N-terminales muestran una conservación sorprendente. [23] Por otro lado, las ranas y los pollos tienen dominios en sus chaperonas que no comparten en absoluto con los de la levadura. Por lo tanto, una mayor investigación sobre las propiedades mecanísticas de estas chaperonas podría revelar potencialmente cómo ayudan a determinar dónde y qué tipo de centrómero y neocentrómero se forman.
Otro elemento a considerar desde el punto de vista evolutivo es que, debido a que los neocentrómeros son viables y pueden transmitirse meióticamente de una generación a la siguiente, pueden desempeñar un papel en la evolución de las especies. Recientemente, se ha demostrado en Drosophila que la coevolución de CENPA y su chaperona CAL1 puede explicar la incompatibilidad entre especies. [20] Esta incompatibilidad existe entre las histonas centroméricas. Esta observación anima a estudiar los neocentrómeros junto con sus chaperonas, para ver si los neocentrómeros también pueden tener “neo-chaperonas” acompañándolos.
Con el tiempo, los neocentrómeros también pueden propagarse en una población y "madurar" hasta convertirse en centrómeros completos mediante la acumulación de elementos repetitivos, lo que puede conducir a algo conocido como nuevos centrómeros evolutivos. [24] [25] [26] También se cree que el reposicionamiento del centrómero y los nuevos centrómeros evolutivos están involucrados en la especiación , ya que la incompatibilidad entre centrómeros puede dar lugar a barreras reproductivas . [27] [28]
Otros fenómenos o estudios, que pueden o no estar relacionados explícitamente con los neocentrómeros, pueden referirse a conexiones que aún no se han establecido en la literatura científica.
Los holocentrómeros, que son centrómeros puntuales distribuidos por todo el cromosoma, han sido estudiados más extensamente en gusanos, C. elegans . [8] Los holocentrómeros sirven como modelos de comparación con los neocentrómeros porque los holocentrómeros tienen "semillas" aparentemente arbitrarias de CENPA distribuidas por todo el cromosoma, que trabajan juntas para formar un cinetocoro funcional. [1] Es importante señalar que estas semillas de CENPA están excluidas de los genes o loci que se transcriben en la línea germinal o el embrión temprano. Esto lleva a pensar que la dispersión aparentemente aleatoria de estas semillas no se hereda, y que cada generación o meiosis tiene su propia dispersión distintiva.
Los hallazgos en organismos modelo, en particular la inducción de neocentrómeros en sistemas de pollos y hongos, han planteado algunas correlaciones más para la reflexión. [19] Específicamente, en células DT40 de pollo, se encontró que ni las modificaciones de histonas ni el momento temprano de replicación están asociados con la formación de neocentrómeros. [29] Además, también se encontró que los neocentrómeros se forman tanto en loci transcripcionalmente activos como inactivos, [29] desafiando la noción ampliamente aceptada de que los centrómeros no aparecen en regiones codificantes del cromosoma. Esto lleva a preguntas sobre cómo los neocentrómeros pueden alterar la transcripción y expresión de esos genes.
Por último, un descubrimiento reciente es que el ARN de doble cadena especifica la ubicación del centrómero. [8] Parece que las matrices de secuencias repetitivas que flanquean el centrómero se transcriben en ARN que, a su vez, puede convertirse en maquinaria de ARNi que ayuda a la formación de heterocromatina. Esto posiblemente esté relacionado con la regulación de los niveles de proteínas centroméricas, de manera similar a cómo los niveles de CENPA se regulan mediante el ciclo celular y la proteólisis.