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capítulo
Citogenética clínica
R E S U M E N D E L C A P Í T U L O
En los cuatro capítulos anteriores se presenta un panorama amplio y de largo alcance de la forma en que los genes “rigen” el fenotipo, y lo hacen a través de vías bioquímicas interconectadas e interacciones celulares. En este capítulo se revisa la forma en que la información genética “empaquetada” dentro de los cromosomas es duplicada y distribuida durante la división celular (fig. 5-1). En el capítulo 6 se revisa el comportamiento del cromosoma durante la formación y la fusión de los gametos como elemento decisivo de los resultados anticipables y en el orden de la genética, de una unión. El fenómeno de la división nuclear es muy exacto. Pese a ello pueden ocurrir errores que originan cambios en el número y la estructura de los cromosomas, a menudo con consecuencias graves o incluso letales. El estudio del control genético de la división nuclear es difícil, y se revisará solo a nivel descriptivo; ello se debe a que gran parte de los medios potentes con que cuenta el investigador en genética son las mutaciones. Al explorar la forma en que una mutación modifica un proceso será posible deducir las funciones de un gen normal. A pesar de ello, es difícil ais- lar las mutaciones a nivel de los fenómenos moleculares y bioquímicos que rigen la mitosis, que es la duplicación completa del genoma de una célula hasta producir dos células idénticas, y la meiosis, que es la división reductora que aparece en teji- dos que forman óvulos y espermatozoides. Para reunir y analizar la intervención de las mutaciones en un rasgo particular, el genetista debe ser capaz de generarlas y manipularlas. Sin embargo, las mutaciones que impiden la división nuclear natural- mente bloquean tal intento y obligan a los investigadores a hallar formas nuevas de explorar el control molecular de la transmisión genética. Sin embargo, gran parte de las aplicaciones médicas dependen simplemente del conocimiento de la lógica inherente de la mitosis y la meiosis, y las consecuencias de los errores u otras complicaciones que las modifican; este es el tema que se revisa en este capítulo. Además de los errores en la división nuclear que culminan en cambios del número de cromosomas, algunos agentes como la radiación alterarán la estruc- tura, cambios que afectan a un bloque de genes e influyen en muchos otros pro- cesos bioquímicos por lo demás independientes. También originan complejas interacciones físicas entre los cromosomas que tendrán consecuencias delicadas y trascendentes. En este capítulo se revisa en primer lugar los procesos normales de la distribución cromosómica en la mitosis y la meiosis, para explorar el tipo de errores que afectan el número y la estructura cromosómica. Se conocen innume- rables ejemplos médicos importantes de cada una de las situaciones.
Visión general de la división nuclear concebida como un sistema de distribución de información En los dos primeros capítulos se plantea la parte de la termino- logía básica utilizada para describir el genoma. Por ejemplo, se sabe que el núcleo de una célula diploide (2n) contiene dos copias
de cada gen. Los aspectos sutiles de tal planteamiento se revisan en el capítulo 4, pero no modifican los conocimientos sobre la división nuclear. Cada gen está situado en un punto particular de algunas de las innumerables hebras de DNA que se identifican con el microscopio como cromosomas, y cada uno de ellas, en conse- cuencia, constituye una unidad separada de transmisión de infor- mación, es decir, es una copia de un grupo de ligamiento o enlace.
Parte 1: Antecedentes generales e integración de sistemas
100 Capítulo 5 Citogenética clínica
Dicho grupo podría contener cientos o incluso miles de genes dispuestos en forma lineal, en la misma cadena de DNA. Se han detectado muchos grupos de ligamiento por enlace en especies, en la misma forma en que se conocen tipos genéticamente diferentes de cromosomas, sin mencionar las diferencias que distinguen a las formas alélicas del mismo gen. Un individuo diploide posee dos copias de cada grupo de ligamiento, es decir, un par de cromoso- mas homólogos. La función de la mitosis es duplicar cada cromo- soma y “pasar” o transmitir una copia de todos los cromosomas en cada uno de los dos núcleos nuevos de las células diploides hijas. El destino de la meiosis, por otra parte, es más complejo y en algunas formas, más importante, La meiosis es la división reductiva que abarca dos ciclos. En vez de transmitir una copia de cada cromosoma, en la meiosis hay el paso de una copia de cada tipo de cromosoma, es decir, una copia de cada grupo de enlace o ligamento a cada núcleo de un óvulo haploide (1n) o de un esper- matozoide. La composición nuclear diploide (2n) se recupera o regenera en la fecundación, en la cual hay el aporte de una copia de cada grupo de ligamiento, proveniente de cada progenitor. El cáncer, el mosaicismo somático y otros hechos resultantes que abarcan los cambios a nivel cromosómico pueden ser impor- tantes, pero por lo común los errores de la mitosis tienen solo con- secuencias poco importantes, si es que las tienen. Es difícil detectar la presencia de una célula anormal entre las muchas normales que existen en el cuerpo. Su anormalidad y muerte pasan inadvertidas; sin embargo, un error en la meiosis es mucho más grave porque afecta al genoma inicial del cigoto producido en la fecundación. Las estimaciones indican que 8 a 25% (muchas de las autoridades se inclinan por el extremo mayor de esta escala) de las fecunda- ciones humanas culminan en aborto espontáneo, muerte perinatal o graves consecuencias de desarrollo por cambios en el número de cromosomas, causados por errores en la meiosis o la fecunda- ción. Después de exponer los fenómenos normales de la división nuclear, se revisan algunas de las consecuencias de los errores en la meiosis.
Figura 5-1. Preparación por extensión cromosómica (sin selec-
cionar) con sondas fluorescentes, para el cromosoma número 14. Una célula que no está en fase de división está fuera, del lado, y también muestra las sondas del cromosoma 14. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
Ciclo celular de eucariotes Se trate de la mitosis o de la meiosis, es posible subdividir las fases del ciclo celular en dos secciones, la interfase y las etapas de la división nuclear (fig. 5-2a, que indica los fenómenos que se suceden en la mitosis). En ocasiones se califica de “fase de reposo” a la interfase, aunque induce a un equívoco. Pudiera ser una fase inactiva en el sentido de que se produce entre “rondas” de división nuclear activa, pero desde el punto de vista funcional constituye una fase de máxima actividad. En la fase G 1 de la interfase hay trascripción de genes activos y controlan la vida bioquímica de la célula. Los cromosomas, para quedar accesibles a las enzimas de la trascripción, mues- tran diversos grados de desenrollamiento, y es la razón por la cual una preparación microscópica teñida, hecha en la interfase, simplemente tiene el aspecto de un organelo oscuro con escasa estructura interna, salvo uno o más nucleolos. En esa etapa, cada cromosoma es una molécula de DNA de doble hélice, en com- plejo con proteínas nucleosómicas. En la fase G 1 típicamente la célula crece al duplicar su contenido, salvo el material nuclear. En esa etapa, en respuesta a una señal como la edad celular, el haber alcanzado un tamaño crítico de la célula por recibir la acción de un desencadenante molecular como un factor de crecimiento, se alcanza el punto de restricción o contención. La célula queda “comprometida” para iniciar la transición a la fase S o de síntesis. Un ejemplo de la activación de este “punto de contención” G 1 -S por parte de un factor de crecimiento se incluye en la figura 5-2b. La evolución a través de las fases G 1 (o G 1 -S) y los puntos de contención ulteriores G 2 (o G 2 -M), es regulada por la forma- ción de complejos de ciclinas específicas y cinasas dependien- tes de ciclina (CDK, cyclin-dependent kinases ). Estas cinasas regulan la actividad de otras proteínas al fosforilarlas y con ello activarlas o inactivarlas según la función de la proteína efectora. Las ciclinas específicas son las que “escogen” a las proteínas en las que actuarán. En el punto de contención G 1 -S el complejo de ciclina-CDK activa las proteínas necesarias para la replicación de DNA. En el punto de contención siguiente G 2 -M un com- plejo de ciclina-CDK diferente activa proteínas que intervienen en la condensación y otros cambios cromosómicos. Si se detecta alguna rotura de DNA, una proteína de control similar a p inhibe la formación de un complejo de ciclina/CDK activo. En algunas líneas celulares, un punto de restricción de la división actúa tardíamente o interrumpe el fenómeno. El núcleo puede quedar inactivo temporalmente (fig. 5-3) de modo que no está preparado para un nuevo ciclo de división celular, o podría quedar diferenciado en forma terminal y nunca se dividirá una vez más. La descripción que se hace de dicha célula es que entra en la fase G 0. En la fase de síntesis (S) se produce la replicación del DNA y para lograr esta tarea compleja indudablemente los cromosomas deben permanecer desenrollados o no condensados. Pero si se pudiera visualizarlos en el microscopio podría observarse que las dos plantillas de una sola hebra de la molécula original de DNA en fase de replicación se separan y se generan dos hebras nue- vas complementarias como se describió en el capítulo 2. Las dos hebras quedan conectadas a nivel del centrómero, de tal forma que cuando se condensan durante la división nuclear es posible percibir las dos copias por primera vez (fig. 5-4) en la forma de cromátides hermanas. A partir de este momento hasta el punto medio de la división nuclear, cada cromosoma tiene el doble del material usual de DNA.
102 Capítulo 5 Citogenética clínica
Par de cromátides hermanas
Un cromosoma
Cinetocoro (proteínas unidas al centrómero)
Centrómero (DNA oculto entre las proteínas del cinetocoro)
Una cromátide
Una cromátide
Figura 5-4. Los cromosomas muestran enrollamiento intenso
o están compactados durante los comienzos de la división nuclear (metafase) y muestran claramente la posición de la fijación del cen- trómero a las copias o la separación de las cromátides hermanas. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
Figura 5-3. La fase G 0 representa a la
célula que ya no se divide como ocurriría en una línea celular con diferenciación terminal. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
Mitosis
Interfase
G (^0)
G (^2)
S
M
Citocinesis TelofaseAnafase
G 0 MetafasePrometafaseProfase
G (^1)
Célula con pausa temporal o diferenciación terminal
La terminología del número de cromosomas y el contenido de DNA durante esta transición puede ser desorientadora, pero queda simplificada si no olvida el lector interesado alguna defi- nición básica. El término “cromosoma” literalmente significa “cuerpo coloreado”. Sea cual sea el número de brazos cromosó- micos que tenga, todo elemento unido en el mismo centrómero es una unidad y por consiguiente un cromosoma. Para contar los cromosomas simplemente se cuenta el número de centrómeros. El número de cromosomas no cambia entre el comienzo y el final de la interfase, lo que cambia es la cantidad de DNA en el núcleo. El valor C es la cantidad de DNA en el núcleo haploide (1n).
En consecuencia, la célula diploide en G 1 tiene un contenido de DNA de 2C. Durante S, se duplica y llega a 4C. La división nuclear lo reduce y lo devuelve a 2C en cada una de las dos célu- las hijas al final de la mitosis o a 1C en cada uno de los cuatro núcleos que son resultado de la división por reducción meiótica para producir óvulos o espermatozoides haploides. Durante G 2 la célula hace preparativos finales para la divi- sión del núcleo y del citoplasma. Un fenómeno fundamental que va de S hasta llegar a G2, es la corrección de errores en la repa- ración de DNA. El punto de control o contención entre G 2 y la mitosis o meiosis (M) no es superado hasta que se completan las actividades de reparación. La fecha de las subfases de la inter- fase difiere de una especie a otra y está en función de la actividad con que se divide el tejido, y el más variable es el periodo de interfase antes de S. Se estima que en la división de los fibroblas- tos de ratón, corresponde a 9.1 h para G 1 ; 9.9 h para S, 2.2 h para G 2 y 0.7 h para la mitosis (M).
Mitosis: división de células somáticas
Las etapas de la mitosis (fig. 5-5) se definen por comodidad, al señalar los detalles de tal fenómeno. Sin embargo, no hay que olvidar que se trata en realidad, de un proceso continuo. En el comienzo el DNA y las proteínas cromosómicas mostraron ya duplicación en la interfase y que están unidas en el centrómero las dos cromátides hermanas de cada cromosoma duplicado (después de replicación) (fig. 5-4). En este punto también inter- viene un organelo adicional. El centrosoma que contiene un par de centriolos está situado en el citoplasma cerca del núcleo; produce el conjunto de microtúbulos que “mueven” a los cromo- somas durante la división del núcleo. La profase es una fase preparatoria ( pro = antes). Los cro- mosomas se enrollan o condensan en estructuras compactas que pueden desplazarse fácilmente dentro de la célula y que comien- zan a identificarse en la revisión microscópica. La membrana nuclear se desintegra y los centrosomas se dividen y comienzan a desplazarse a los polos opuestos de la célula. En su migración, generan un conjunto de microtúbulos denominado huso, com- puesto de tubulina.
Mitosis: división de células somáticas 103
INTERFASE PROFASE PROMETAFASE
Membrana nuclear
Cromosomas
Nucleolo
Dos centrómeros, cada uno con pares de centriolos
Microtúbulos que forman el huso mitótico
Cromátides hermanas Membrana nuclear que se fragmenta en vesículas
(a) (b) (c)
Polo del huso
Huso mitótico
Microtúbulo polar Proteínas del cinetocoro unidas al centrómero
Microtúbulo del cinetocoro
Microtúbulo astral
Lámina metafásica
Cromosomas Reformación de la membrana nuclear
Descondensación de cromosomas
Surco de segmentación
(d) METAFASE (e) ANAFASE (f) TELOFASE Y CITOCINESIS
Figura 5-5. Etapas de la mitosis. (Microfotografías con autorización de © Dr. Coonly L. Rieder, Wadsworth Center, Albany, New York 12201-
- (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
Resumen de los cambios en el número y estructura de los cromosomas 105
S
Citocinesis
G 1 G 2
Surco de segmentación
(a) (b)
Figura 5-7. La división del citoplasma en la citocinesis se
observa en la formación de un surco de segmentación producido por un anillo de filamento de actina y proteínas motoras de miosina. La citocinesis divide el citoplasma y sus organelos internos en dos células hijas. (b: Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
profase I ; en ella, al igual que ocurrió al inicio de la mitosis, se forma el huso, se condensan los cromosomas y se fragmenta la membrana nuclear. Pero en vez de que cada cromosoma se una de manera independiente a los microtúbulos del huso, el par de cromosomas homólogos se unen para formar un biva- lente. El proceso de formación de pares o emparejamiento ha sido denominado sinapsis y entraña la creación de un complejo sinaptonémico (fig. 5-9) que se forma solo entre las cromáti- des de diferentes cromosomas homólogos. No se forma entre cromátides hermanas. En consecuencia, surge un bivalente por cada tipo de cromosoma, es decir, un bivalente para cada grupo de ligamiento. Es precisamente el bivalente que se une al huso de modo que en la anafase I, uno de los cromosomas (aún con las dos cromátides hermanas unidas a nivel del centrosoma) se desplaza a un polo, en tanto que el homólogo lo hace al polo contrario. Por todo lo expuesto, disminuye el número cromosó- mico del conjunto diploide de cromosomas (2n) a dos núcleos haploides (1n) al final de la primera división meiótica. La sinapsis desempeña, al menos, dos funciones importantes en la profase I. En primer lugar, coloca a todas las copias de cada grupo de ligamiento en un conjunto separado, de modo que así la célula podrá distribuir un conjunto completo de información genética para cada célula al final de la primera división. La sinap- sis hace que los cromosomas homólogos queden juntos en un grupo. En segundo lugar, hay un intercambio entre cromosomas homólogos denominada recombinación o entrecruzamiento que “arrastra” a los alelos que son portados por los dos homó- logos. La recombinación es una fuerza potente para generar el número casi infinito de variaciones genéticas que aparecen entre los descendientes de cada par de progenitores. Ante el número tan importante de fenómenos que ocurren durante la profase I, se le divide en subfases descritas en detalle en la figura 5-10. Después de la profase I los cromosomas se desplazan al ecuador de las células en metafase I (fig. 5-11), y los cromoso- mas homólogos son desplazados hasta los polos contrarios en anafase I. Como se revisa en el capítulo 6, dicha separación o segregación de cualquier diferencia genética en los alelos trans- portados por homólogos constituye la base de una de las normas
mendelianas fundamentales de transmisión genética. Después de una breve telofase I y citocinesis, surge la segunda división, al igual que la mitosis, excepto que en este momento el número de cromosomas es haploide. La división reductora surge durante la primera división meiótica. En los seres humanos, el resultado a partir de cada célula primaria serían los cuatro núcleos del espermatozoide haploide en la espermatogénesis o un núcleo haploide del óvulo además de los tres pequeños cuerpos polares haploides en la ovogénesis (fig. 5-12).
El cariotipo El cariotipo es la imagen de la composición cromosómica (fig. 5-13). Las sustancias como la colquicina y el colcemid, su equi- valente sintético, se unen y desensamblan los microtúbulos del huso. Al no haber un huso funcional, queda detenida la división celular en la prometafase y la metafase. Las formas condensadas indican claramente los tamaños relativos de cromosomas y el sitio del centrómero. En este punto se pueden utilizar tales carac- terísticas para disponer pares de cromosomas homólogos en un perfil estandarizado llamado cariotipo. Se pueden obtener más datos al modificar los protocolos de tinción básica antes de visualizar por microscopia los cromoso- mas. Giemsa es un colorante policromático que imparte un color oscuro y uniforme al material de cromatina. Los cromosomas en células en división lo muestran claramente, pero algunas modi- ficaciones de la técnica intensificarán detalles estructurales. Un ejemplo serían las bandas G que se mencionan en el capítulo 4 (fig. 4-19) que entraña el tratamiento previo de los cromosomas con tripsina, enzima proteolítica, antes de teñirlos con Giemsa. Las bandas oscuras resultantes son áreas de heterocromatina que es material cromosómico altamente condensado. Las ban- das claras entremezcladas son eucromatina y así se genera un perfil de bandas oscuras y claras específico de cada cromosoma que permite algún grado de resolución para detectar los cambios intracromosómicos en su estructura. Estas técnicas no detectan cambios pequeños, pero los datos respecto al cariotipo de una persona permiten la identificación de cambios en el número cro- mosómico y grandes modificaciones en la estructura cromosó- mica que poseen importancia clínica.
Resumen de los cambios en el número y estructura de los cromosomas
Cada especie difiere en la forma en que están distribuidos sus genomas, en los cromosomas. No existe correlación entre el número de cromosomas y la complejidad de un organismo en cuanto a su desarrollo. En forma similar, entre los cromosomas están distribuidos genes de función similar, pero no existe una correlación entre un cromosoma particular o un segmento especial del cuerpo o un proceso metabólico. Los cromosomas son simple- mente las estructuras que unen y distribuyen información genética de la generación de una célula a la siguiente durante la mitosis y la meiosis. Euploide es la composición de un cromosoma normal de una persona o individuo ( eu = verdadero o normal; ploid = múl- tiple). Las desviaciones que entrañan la pérdida o la ganancia de uno o más cromosomas reciben el nombre de aneuploides o múl- tiplos “no verdaderos”. Un organismo poliploide tiene “muchos” múltiplos de cromosomas, como sería el caso de triploides 3n o
106 Capítulo 5 Citogenética clínica
Figura 5-8. La meiosis comprende dos “rondas” de división y genera cuatro núcleos haploides, y de ellos cada uno contiene una copia
de cada tipo de cromosoma. Los fenómenos fundamentales ocurren en la profase I del primer ciclo que incluye sinapsis o formación de pares de copias homólogas de cromosomas y la recombinación entre ellas. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
MEIOSIS I
Huso mitótico Bivalente
Fragmentación de la membrana nuclear
Cromátides hermanas
Sinapsis de cromátides homólogas y entrecruzamiento
Centrosomas con centriolos
COMIENZO DE LA PROFASE FINAL DE LA PROFASE PROMETAFASE
METAFASE ANAFASE TELOFASE Y CITOCINESIS
Lámina de metafase
Surco de segmentación
MEIOSIS II
Cuatro células hijas haploides
PROFASE PROMETAFASE METAFASE ANAFASE TELOFASE Y CITOCINESIS
108 Capítulo 5 Citogenética clínica
Cinetocoro
Figura 5-11. Los microtúbulos del cinetocoro de un polo se fijan
únicamente a uno de los pares de cromátides en un mecanismo bivalente. Por consiguiente, los cromosomas en un par homólogo están fijados a polos diferentes. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
Espermatocito primario (diploide)
Ovocito secundario
Ovocito primario (diploide)
(a) Espermatogénesis
(b) Ovogénesis
Cuerpo polar
Cuerpos polares
Espermátides Espermatozoides (haploides)
Óvulo (haploide)
MEIOSIS I MEIOSIS II
Figura 5-12. Comparación de: a) espermatogénesis que puede generar cuatro espermatozoides haploides, y b) ovogénesis, que genera
una célula haploide de óvulo e incluso tres cuerpos polares haploides que se degeneran. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
tetraploides 4n. Al surgir, el número de cromosomas casi siempre asume una seriedad mucho mayor que la de un solo gene o muta- ción puntual, porque intervienen muchos genes diferentes y con ello están en juego muchos proceso bioquímicos. El número de cromosomas también se puede alterar por fusión o fisión de las regiones centroméricas, aunque dicho fenómeno típicamente asu- me más importancia cuando se comparan las homologías de bra- zos cromosómicos en una especie afín. Las aberraciones cromosómicas o cambios de su estruc- tura surgen cuando se altera el ligamiento de genes dentro de los cromosomas y entre ellos (fig. 5-14). Los cambios de la estruc- tura cromosómica provienen más bien de roturas que son repa- radas incorrectamente durante la replicación. Tales roturas son muy frecuentes. Se ha calculado que en promedio, se producen 55 000 roturas monocatenarias y 9 roturas bicatenarias en molé- culas de DNA en cada núcleo todos los días. La mayor parte de ellas se reparan, pero en el caso de que algunas de las hebras afectadas estén muy cerca entre sí, los cabos rotos se unen nue- vamente en forma incorrecta. Tres tipos de aberraciones afectan el contenido genético de un cromosoma individual. Si se reparan dos roturas de modo que quede “afuera” el segmento intermedio, parte del cro- mosoma deja de estar unido a un centrómero y se pierde del núcleo la siguiente vez que se divida; ello genera una deleción o
Resumen de los cambios en el número y estructura de los cromosomas 109
Figura 5-13. Los cariotipos son mecanismos para organizar y representar la composición cromosómica de una persona. (a: Reimpreso
con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 4rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2012. b: Reimpreso con autorización de Dr. Warren G. Sanger, University of Nebraska Medical Center.)
Figura 5-14. Las aberraciones cromosómicas son cambios en la estructura de estos pequeños cuerpos coloridos. a) La deleción es la
pérdida de un segmento del cromosoma. b) La duplicación es la inserción de una parte del cromosoma de tal modo que están presentes dos copias de cada gen afectado. c) Las inversiones ocurren cuando dos puntos de rotura se vuelven a unir en cabos alternos. d) La trans- locación sencilla es el desplazamiento de una sección de un cromosoma a un grupo de ligamiento diferente. e) La translocación recíproca comprende el intercambio de secciones entre cromosomas no homólogos. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
q p
Deleción
Duplicación
Inversión
Translocación
Translocación
4 3 2 1 1 2 3 4 3 1 1 2 3
4 3 2 1 1 2 3 4 3 2 3 2 1 1 2 3
4 3 2 1 1 2 3 4 2 3 1 1 2 3
1 1 2 3
21 1 1 2 3
4 3 2 1 1 2 3
2 11 4 3 2 2 11
2 11
4 3 2 1
4 3 2 1 1
1 2 3
sencilla
recíproca
(a) Sistema convencional de numeración de las bandas G en cromosomas humanos
p
3 2 1 1 2 3 4
(^65) (^43) (^21) (^21) (^32) (^11) 2
(^12) (^123) 4
(^12) (^34) q 5
p
q
2
1
1 2
3
(^54) (^32) (^16) (^54) (^32) (^11) (^23) 4
(^12) (^34) (^56) 7
(^12) (^34)
2
1 1
2
(^76) (^54) (^32) (^14) (^32) (^11) (^23) (^12) (^34) (^56) (^78) 9
1 1
3
2
(^65) (^43) (^21) (^12) (^345) (^67) 8
(^12) 3
(^123) (^45)
1
1
3
2
(^54) (^32) (^11) (^23) (^45) (^12) (^31) (^23) (^45)
1 1
2
(^54) (^32) 1 (^12) (^34) (^56) (^12) (^345) (^67)
2 (^21 ) 1
3
2
(^2 ) (^54) (^321) 1 (^12) (^12) (^34) (^56)
1 1 2
(^32) (^212) (^11) (^23) 1 (^23) 4
1 1 2 3
(^432) (^213) (^21) (^12) (^31) (^21) (^23) 4
1 1 2
(^54) (^32) (^11) (^12) (^34) (^56)
1 1 2
(^54) (^32) (^11) (^23) (^41) (^23) (^45)
1 1 2
(^32) (^11) (^23) (^45) (^12) 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1
1
2 3
(^32) (^11) (^234) (^123) 4
(^12)
1
1
2
(^21)
(^12) (^31) (^234) (^56) (^78)
2 1 1
1
2 3
(^32) (^11) (^23)
(^12)
(^12) 34 1
1
2
(^32) (^11) (^23) (^123) 4
1
1
2
(^32) (^11) (^21) (^234) 5
1 1
(^32) (^11) (^23)
1 1
(^32) (^11) (^23)
1 1
(^32) (^11) (^23)
1 (^1 )
1 1 1 2
(^321) 1 (^12)
1
1
2
(^12)
(^21)
(^12) 3
1
1
2
(^32) (^11) (^234) (^51) (^234) (^56) 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Y X
1
6 7 8 9 10 11 12
13
19 (b)
20 21 22 X X
14 15 16 17 18
2 3 4 5
Inactivación del cromosoma X en mamíferos 111
dos por tales deficiencias terminan por fallecer en fase temprana. Si existe una copia adicional de un cromosoma, se contará con tres copias de ese grupo de ligamiento, calificándolo de trisó- mico (tres cuerpos). Como otra posibilidad, si el gameto anor- mal perdió su copia de ese cromosoma, la fecundación culmina solamente en la existencia de una copia del grupo de ligamiento o monosómica (la partícula “mono” equivale a la unidad) y pro- viene del gameto normal que fecundó a aquel con deficiencia. En los seres humanos, muchos de los productos con trisomía y salvo un tipo de alteración monosómica, terminan por fallecer en etapas tempranas del desarrollo. Muchos de los casos especia- les comprenden aneuploidia de los cromosomas X o Y. La mujer porta dos cromosomas X, pero el varón solamente uno, razón por la cual es normal que aparezca una diferencia en el número de copias o dosis de todos los genes ligados al cromosoma X cuando se comparan los dos sexos. Más adelante se revisa el mecanismo que compensa esta diferencia en el número de copias que es la inactivación del cromosoma X. En este punto simplemente se señala que el mecanismo que permite a los varones y a las muje- res desarrollarse normalmente con números diferentes de cromo- somas X también permite el desarrollo hasta llegar a un estado casi normal si se produce aneuploidia de un cromosoma sexual.
Inactivación del cromosoma X
en mamíferos
En los mamíferos, el número de copias de los genes ligados al cromosoma X será diferente entre los varones (con un cromo- soma X) y las mujeres (dos cromosomas X). Para equilibrar dicha diferencia, es decir, realizar la “compensación de dosis” quedan inactivados prácticamente todos los genes con un cromosoma X en una célula (Xi) por un proceso llamado lyonización , en honor de su descubridora la Dra. Mary Lyon. Más adelante se revisan algunas excepciones importantes. La lyonización comprende el enrollado estrecho de todos los cromosomas X, excepto el que queda genéticamente activo (Xa). La inactivación del cromosoma X es permanente en las células somáticas, pero tiene que ser rever- sible en el desarrollo de las células germinativas. En resumen, la inactivación X aparece desde fase temprana de la embriogénesis, es aleatoria, y clonal en cuanto a que una vez inactivado, el mismo cromosoma X queda inactivo en las células hijas somáticas. En los núcleos en interfase el X inactivado se advierte en la forma de una zona oscura o corpúsculo de Barr, que recibió su nombre de Murray Barr, quien las describió por primera vez en células de gatas. Si aparecen cromosomas X adicionales por errores de la segregación, también están lyonizados para generar cuerpos de Barr adicionales. Por ejemplo, el núcleo de la figura 5-16 tiene tres cuerpos de Barr en la célula anormal que contiene un total de cuatro cromosomas X además de los 22 pares normales de autosomas (2n = 48). La inactivación del cromosoma X es un ejemplo de modi- ficación epigenética. En dicho fenómeno, un gen o en este caso un cromosoma, queda inactivado durante toda la vida del indivi- duo. La inactivación X es transmitida a células hijas durante la división celular y se generan perfiles similares a la distribución de zonas irregulares blancas y naranjas que aparecen en los gatos calico (fig. 5-17). La inactivación se produce en forma aleatoria de modo que una hembra en realidad es un “parche” de expresio- nes genéticas o un “mosaico funcional” porque todos los genes difieren entre sus dos copias de cromosoma X. Sin embargo, en
Figura 5-16. Tres cuerpos de Barr en una célula anormal que
contiene un total de cuatro cromosomas X. Los cuerpos de Barr se forman por el enrollamiento intenso, o la lyonización de todos los cromosomas X, salvo uno, de tal forma que el núcleo normal femenino posee solo un cuerpo de Barr.
un contexto más amplio es importante ser muy cuidadoso cuando se utiliza el término “mosaico” porque en genética médica por lo común se le reserva para describir diferencias en la composición genética y no simplemente la expresión. El mecanismo de inactivación del X comprende una can- tidad limitada de la proteína del factor bloqueador que se une a un cromosoma X y bloquea su inactivación. Todos los demás cromosomas X quedan sin protección y son inactivados. Según se piensa, el centro de inactivación del X (XIC) controla este proceso de anulación cromosómica al unirse a la proteína del
Figura 5-17. Los gatos calico son hembras heterocigotas res-
pecto a alelos de colores negro y naranja, transportados en cromo- somas X inactivados en forma aleatoria, para generar “parches” o zonas de pelaje color naranja y negro, respectivamente. (Por cortesía de Sarah M. Granlund.)
112 Capítulo 5 Citogenética clínica
factor de bloqueo. De hecho, cuando XIC es translocado a un autosoma, este terminará por quedar inactivado.
Poliploidia
La poliploidia es un cambio del número de cromosomas, que abarca múltiplos de un conjunto haploide completo. Por lo regu- lar se le detecta en plantas, en donde constituye un mecanismo importante para la definición de especies. Muchas cosechas de plantas son poliploides provenientes de ancestros “naturales”. Entre los ejemplos están el café (4×, 6×, 8×), bananas (3×), trigo comestible (6×) y tabaco común (4×). Los genetistas en agri- cultura, en forma artificial inducen la poliploidia para combinar genomas de diferentes especies vegetales. Por alguna razón, en el desarrollo animal la poliploidia no es tolerada de la forma como ocurre en el reino vegetal. En los seres humanos la poliploidia suele ser mortal desde edad temprana del desarrollo. Entre las causas posibles, tal fenómeno surgirá si varios espermatozoides penetraran en el óvulo simultáneamente o si los núcleos haploi- des no se separaran durante la meiosis en el óvulo en desarrollo.
Cambios en el contenido cromosómico:
deleciones y duplicaciones
Los términos “deleción” y “deficiencia” pueden usarse indis- tintamente y denotan la pérdida de una sección del DNA, y el tamaño puede variar desde la que afecta simplemente la región de un gen, hasta la que incluya decenas o centenas de genes liga- dos. Si se limita a un solo gen, sería difícil señalar que existe una deleción por sustitución de nucleótido u otra mutación puntual. Una forma de identificarla es la secuenciación del DNA o al medir el tamaño de los fragmentos amplificado por una reac- ción en cadena de polimerasa , (PCR; cap. 2). Una deleción pequeña generará un fragmento de DNA amplificado menor que aquel que provendría de la mutación sustitutiva de una base sim- ple, en la cual están presentes todos los nucleótidos. En las figuras 5-18 y 5-19 se señalan algunas de las for- mas en que puede cambiar el contenido cromosómico. En forma
Duplicación
Deleción
Entrecruzamiento con alineación defectuosa
A
A
B
B
C
C
D
A B C D
A B C D
A B C C
A B D
D
D
A
A
B
B
C
C
D
D
Figura 5-19. Entrecruzamiento entre dos homólogos con alinea-
ción inadecuada que genera deleciones y duplicaciones por acción de la recombinación. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
Figura 5-18. La pérdida de material genético ocurre por: a)
deleciones terminales en que se pierde el extremo roto de un cro- mosoma o b) deleciones intersticiales en que participan dos roturas y la pérdida de la sección intermedia del cromosoma. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
típica, la homocigosidad por una deleción es letal (es equiva- lente a ser homocigoto respecto a un gran número de mutacio- nes puntuales lesivas) y la heterocigosidad puede ejercer efectos graves en el desarrollo. Una deleción también afecta al feno- tipo si resulta ser heterocigoto, con un alelo mutante recesivo en el homólogo “normal”. En el cromosoma eliminado falta el dominante y por esta razón el único alelo recesivo se expresa en el fenotipo. El fenómeno anterior a veces recibe el nombre de seudodominancia. En microorganismos experimentales como Drosophila , la cartografía de la deleción (mapeo) es un instru- mento potente para analizar las relaciones de ligamiento y para manipular los procesos de desarrollo. Las duplicaciones son regiones de un cromosoma que aparecen dos veces, de tal forma que el diploide tiene un total de tres copias de cada gen en la duplicación. Las copias dupli- cadas pueden estar exactamente muy juntas, situación deno- minada duplicaciones en tándem , o estar situadas a cierta distancia entre sí, como sería el caso de las duplicaciones dispersas. En equilibrio, en términos generales, la duplica- ción ejerce un efecto menor en el desarrollo, en comparación con el que ocurre con una deleción del mismo tamaño. Sin embargo, en ambos casos, las deleciones y las duplicaciones alteran esencialmente la dosis génica que cambia la cantidad de proteína producida cuando los genes están activos. Lo ante- rior hace que se desequilibren los procesos bioquímicos en todo el cuerpo.
(a) Deleción terminal
Rotura única
(Perdido y degradado)
4 3 2 1 1 2 3
4 3
2 1 1 2 3
(b) Deleción intersticial
Dos roturas y recomposición de las piezas externas (Perdido y degradado)
4 3 2
3 2
1 1 2 3
4 1 1 2 3
114 Capítulo 5 Citogenética clínica
g
e f d b
c e
d
Cromosomas después de replicación A B C D E F G H I
A
A
B
B
C
C
D
D
E
E
A
B
C D
E
F
F
G
G
H
H
I
A B C D E F G H I
I H G F e d h i
A B C D E f g c^ b a
I (^) F G H^ I
a b c g f e d h i
a
a
b
b
c
c
g
g g
f
f
f
e
e e
d
d (^) d
h
h
i
a b c g f e d h i
i a
b
c
fg
e
d
h i
Cromosomas después de replicación
Con inversión:
Par homólogo durante la profase Sitio de entrecruzamiento
Productos después del entrecruzamiento
Normal:
Con inversión:
Fragmento acéntrico
Zona duplicada/ eliminada por deleción
Cromosoma dicéntrico Puente dicéntrico
Normal:
(a) Inversión pericéntrica (^) (b) Inversión paracéntrica
Sitio de entrecruzamiento
A B C D E F G H I
A B C D E F
A B C d e a
G H I
I H G F E D c b f g h i
a e d c b f g h i
A B C D E F G H I a e d c b f g h i
a e d c b f g h i Par homólogo durante la profase
Productos después del entrecruzamiento
Figura 5-21. El entrecruzamiento en un heterocigoto por inversión genera deleciones y duplicaciones en la mitad de los productos haploi-
des de la meiosis. En un heterocigoto con inversión paracéntrica se incluirá el centrómero en el segmento que es duplicado o eliminado. Todo lo anterior causa puentes dicéntricos o fragmentos acéntricos, respectivamente. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
este modo, habrá duplicación de algunas regiones, pero deficien- cia en otras. Todo lo anterior no generará cigotos viables. Sin embargo, considérese ahora que los centrómeros de uno de los bivalentes queda “expulsado” de modo que el centrómero supe- rior izquierdo se segrega a todo lo largo con el centrómero in- ferior derecho y el izquierdo inferior pasa a ocupar el superior derecho; esto constituye la segregación alterna y como resul- tado, un haploide tendrá los dos cromosomas normales y el otro haploide los dos cromosomas translocados. El contenido gené- tico queda equilibrado y los cigotos que surjan tendrán cada uno un genoma diploide completo. Un ejemplo importante de este tipo de aberración es la translocación robertsoniana en la que dos cromosomas acro- céntricos o telocéntricos no homólogos se fusionan a nivel de
sus centrómeros para producir un grupo de ligamiento; el resul- tado será un número cromosómico reducido que puede tener un efecto en el fenotipo según si se pierde o no, cualquier DNA codificador en la fusión.
Mosaicos somáticos
Los cambios en la composición cromosómica descritos hasta este momento en la meiosis afectan a todas las células del cuerpo de los hijos; sin embargo, durante la mitosis también se producen cambios en el número y la estructura cromosómicas. El efecto de tales cambios somáticos se circunscribe a la línea de células que provienen del error original. Esto culmina en la aparición de un individuo que constituya un mosaico celular de
La naturaleza peculiar del cromosoma Y 115
genotipos diferentes. Por tanto, en algún nivel, probablemente todos seamos mosaicos producto de leves diferencias genéti- cas que se produjeron durante el desarrollo de cada ser. Casi todos incluyen mutaciones puntuales de genes que aún no han sido transcritos en el tipo celular especializado en que aparecen. Unos cuantos comprenderán cambios en el número o estructura cromosómicos que originarán trastornos médicos como algu- nos cánceres. En este punto se revisa otro fenómeno similar y es la expre- sión de gen autónomo. El vocablo “autónomo” denota algo autocontenido. En el contexto de la expresión génica denota a un gen que modifica solo las actividades bioquímicas de la célula en la cual actúa. Su producto génico no es difusible, de tal forma que las células mutantes en dicho “parche” mosaico no podrán ser auxiliadas por el tejido normal que las rodea. El fenotipo de dicho rasgo visible, en consecuencia sería un mosaico único o en “parche” de segmentos mononucleótidos o binucleótidos.
La naturaleza peculiar del cromosoma Y
Un número escaso de genes está situado, comparativamente, en el cromosoma Y humano; los que son peculiares de dicho cromo- soma reciben el nombre de holándricos , que incluyen el gen de la región Y de la determinación del sexo ( Sry ) necesario para el desa- rrollo normal con especificidad masculina. Especifica la aparición selectiva de testículos y promueve la síntesis de testosterona. Ade- más, aparecen muy pocos genes en zonas pequeñas de homología entre los cromosomas X y Y en las llamadas regiones seudoau- tosómicas. Tales genes inducen el “emparejamiento” de los genes X y Y para facilitar la segregación apropiada durante la meiosis. A semejanza de genes en el cromosoma X de humanos, los que están en la región seudoautosómica del cromosoma Y muestran recombinación; pero estos no experimentan lyonización o inac- tivación del cromosoma X, de tal modo que esta pequeña región de homología de Z y Y se comporta como una región autosómica.
Cruce de translocación
(a) Segregación alterna
Dos células normales
- 2 células con translocaciones equilibradas
(b) Segregación adyacente-1 (c) Segregación adyacente-2 (muy rara)
Posible segregación durante la anafase de la meiosis I
Cromosoma 1 normal
Cromosoma 1 y además una pieza del cromosoma 2
Cromosoma 2 normal
Cromosoma 2 y además una pieza del cromosoma 1
Las 4 células están desequilibradas
Las 4 células están desequilibradas
1
1
1
1
2
2
2
1
1
2
2
1
1
2
2
1
1
2
2
1
2
1
1 1
2
2 2
2 1 1
2 1 1
2 2 2
2
2
1
1
Figura 5-22. La aparición de los productos de la translocación depende de la forma en que los centrómeros homólogos se fijan al huso
durante la meiosis. (Reimpreso con autorización de Brooker RJ: Genetics: Analysis & Principles, 3rd. Ed. New York: McGraw-Hill, 2008.)
Diagnóstico de laboratorio de anomalías cromosómicas 117
causadas por la falta de disyunción cromosómica. Es posible que los errores meióticos de ese tipo guarden relación con el estado normal de los ovocitos humanos. En forma típica, en la etapa media de la gestación los fetos femeninos tienen varios millones de ovocitos y en el término de la gestación el número en cuestión se reduce a unos cuantos cientos de miles de células funcionales aunque solo unas 400 serán liberadas en la ovulación durante toda la vida reproductiva de la mujer. Los ovocitos en cuestión han comenzado la meiosis, pero muestran detención a mitad del proceso en la fase especializada llamada dictioténica en la pro- fase I. La meiosis I se completa solo con la ovulación y la meio- sis II se logra hasta la fecundación. Es posible que cuanto más
tiempo permanezcan estas células en estado de “suspensión” estén predispuestas a una mayor posibilidad de falta de disyun- ción cuando se permita finalmente que culmine el proceso. El incremento en la falta de disyunción se observa en primer lugar cuando la mujer tiene más de 35 años y la cifra aumenta en forma asintótica después de los 40 años de vida. El vínculo de la edad avanzada de la gestante con la apari- ción de síndrome de Down es un hecho sabido, pero debe des- tacarse que tal relación también es válida para todos los tipos de disyunción. También es importante subrayar que este incre- mento de frecuencia aparece por cada embarazo. De ese modo, la falta de disyunción surge con mayor frecuencia en madres añosas, por cada embarazo. Dado que se suceden muchos más em- barazos en mujeres más jóvenes, en realidad muchos más niños nacen con síndrome de Down y otras anomalías cromosómicas en las gestantes de menor edad.
Diagnóstico de laboratorio de anomalías cromosómicas
Como se describe antes, el cariotipo es una representación convencional de la estructura y el número de cromosomas (fig. 5-23). El método utilizado en casi todas las instituciones de diagnóstico clínico es la tinción con bandas G de los cromoso- mas. La norma actual es lo que se conoce como alta resolución o cromosomas en prometafase. Ello representaría típicamente 700 a 800 bandas identificables en el cariotipo.
Edad de la madre
Frecuencia del síndrome de Down (recién nacidos vivos) <25 1/ 25-29 1/ 30-34 1/ 35-39 1/ 40-42 1/
42 1/
Cuadro 5-3. Frecuencia de síndrome de Down y
su relación con la edad de la madre
(a) (b)
Figura 5-23. Cariotipos normales. Presentados con la técnica de bandas G. Alta resolución (prometafase). a) De mujer. b) De varón. (Por
cortesía del Dr. Warren G. Sanger, University of Nebraska Medical Center.)
118 Capítulo 5 Citogenética clínica
Sonda de la región cromosómica en síndromes de Prader Willi / Angelman
Figura 5-25. Estudio FISH en que se demuestra una deleción
15q en la región del síndrome de Prader-Willi/Angelman. (Cortesía del Dr. Warren G. Sanger, University of Nebraska Medical Center.)
13 12
11 11
p
q
13.33 13.
13 12
11 11
3 13.
1 1
1 1 1
(a) Esquema de FISH (b) Idiograma de FISH
Hibridación in situ por fluorescencia
Sonda de DNA
Marcado con colorante fluorescente
Desnaturalizacióne hibridación
Figura 5-24. Hibridación in situ fluorescente (FISH). a) Esquema del proceso. b) Idiograma que señala una deleción en el cromosoma 22.
Los progresos recientes en citogenética han sido producto de los ocurridos en la tecnología llamada hibridación in situ con fluorescencia (FISH, fluorescent in situ hybridization ). En forma básica la técnica FISH utiliza una sonda sintetizada compuesta de la sucesión del complemento cromosómico de un segmento conocido de DNA. Se agrega a la sonda un marcador fluorescente. La hebra de la sonda se aplica al DNA del paciente. Si está presente la hebra complementaria, las dos mostrarán hibridación. Sobre tal base la presencia de ese fenómeno se detecta por la fluorescencia que surge y se percibe en el micros- copio (fig. 5-24). La tecnología de hibridación in situ fluorescente ha revolu- cionado sin duda alguna la práctica de la genética clínica. Los primeros usos clínicos de la técnica fueron FISH de un solo locus. Estos estudios permitieron la descripción y definición del origen de trastornos reconocibles específicos causado por dupli- caciones o deleciones demasiado pequeñas para ser detectadas incluso con técnicas de cromosomas de alta resolución (fig. 5.25). En conjunto se pueden denominar a tales trastornos sín- drome de genes contiguos. Estas alteraciones se caracterizan por perfiles identificables de malformaciones y anomalías múl- tiples causadas por la duplicación o deleción de algunos genes situados juntos en un locus cromosómico particular. En aparta- dos siguientes se revisan con mayor detalle. La tecnología de la hibridación in situ fluorescente tiene otras muchísimas aplicaciones en el entorno clínico. Con un conjunto de sondas FISH es posible estudiar todos los cromosomas que se pueden utilizar en el gradiente diferencial fluorocromático; tal técnica puede ser muy útil para identificar reordenamientos complejos, detectar el origen de cromosomas marcadores y otras aplicaciones más. Una ventaja notable de la tecnología FISH en relación con el análisis corriente del cariotipo es que FISH no necesita contar con células en fase de división activa. Para crear un cariotipo tradicional es necesario que las células vivas se divi- dan. En esta situación la división celular debe interrumpirse por métodos bioquímicos para impedir su evolución. Para visualizar un “cromosoma” se necesita interrumpir el ciclo celular en un punto entre la metafase y la profase. Pero los estudios con téc- nica FISH se pueden realizar en cualquier segmento de ácido
nucleico “preescogido”, sea cual sea el punto en que esté el ciclo celular. Se puede usar en cualquier segmento de ácido nucleico, incluso los que están fuera de una célula, lo cual brinda una gran ventaja en el terreno clínico, pues permite la aplicación en dife- rentes entornos y un diagnóstico más rápido (fig. 5-26). Las áreas por debajo de los telómeros de los cromosomas son regiones en que fácilmente se suceden reordenamientos y errores o falta de congruencia entre los nucleótidos de una y otra hebras. La expansión de las aplicaciones de los estudios FISH permitió ampliar la técnica desde FISH de un simple locus hasta lo que se conoce como conjuntos FISH subteloméricos (fig. 5-27). Los conjuntos de esa índole, creados entre 1998 y 1999, incluían unas 40 sondas que correspondían a regiones subtelo- méricas de los cromosomas (hay que destacar que no hay 46 sondas porque los cromosoma acrocéntricos no poseen telóme- ros de brazo corto).
