Pescando descuidadamente: cuando la meiosis sale mal Understand article
Traducido por Lucía Herrera. ¿Por qué la meiosis sale mal tan seguido? ¿Cuáles son las consecuencias?
movimiento: las líneas de
colores trazan el movimiento
(morado a amarillo) de los
cinetocoros (puntos verdes)
mientras los microtúbulos
los enganchan para separar
los cromosomas (cian).
Imagen cortesía de Tomoya
Kitajima, EMBL
En la feria de un pueblo, más allá de los carros chocones y del algodón de azúcar, la frente de un niño se arruga en concentración. Él está haciendo su mejor esfuerzo para atrapar un pez de madera de un estanque de plástico, usando un imán en el extremo de su caña de pescar. Congele la escena, regrese al desarrollo del niño, más allá del punto en el que el espermatozoide fertiliza el óvulo, al momento en que el óvulo en sí se formó, allí encontrara un juego similar de pesca en acción. La diferencia, como investigadores del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL; ver recuadro) la han encontrado, consiste en que el niño armado con su imán es quizás más exitoso que los pescadores de la maquinaria del óvulo (Kitajima et al., 2011).
Conforme el óvulo, u oocito, madura dentro de los ovarios de la mujer, pasa por un tipo de división celular llamado meiosis, en el cual los pares de cromosomas en su interior se alinean y son pescados aparte, expulsando la mitad de estos. Los cromosomas son juntados de todas partes de la célula (Mori et al., 2011) y son pescados aparte por filamentos de proteínas llamados microtúbulos. Como la caña de pescar del niño que tira del pescado con el imán, un microtúbulo atrapa un cromosoma por su cinetocoro – un conjunto de proteínas y material genético en el centro del cromosoma en forma de X.
A: Durante los primeros cinco meses del desarrollo de un embrión humano, se forman todas las potenciales células del futuro óvulo. En cada una de estas células, luego de la replicación del ADN, los cromosomas homólogos intercambian material genetico durante el entrecruzamiento. La meiosis se detiene hasta la ovulación, y la mayoría de los potenciales óvulos mueren de nuevo.
B: Entre la pubertad y la menopausia, en cada ciclo menstrual, unos pocos óvulos progresan en los estadíos de la meiosis, pero solo uno a la vez eventualmente completa el proceso. Cromosomas homólogos se alinean en el ecuador celular del oocito primario para luego ser pescados aparte por los microtúbulos. El oocito primario se divide para formar un oocito secundario y un cuerpo polar. Ahora las cromátides hermanas se encuentran alineadas en el ecuador del cuerpo polar y del oocito, y al momento de la ovulación, los microtúbulos se unen a ellas. La meiosis es detenida en este punto hasta el momento de la fertilización.
Ahora las cromátides hermanas se encuentran alineadas en el ecuador del cuerpo polar y del oocito, y al momento de la ovulación, los microtúbulos se unen a ellas. La meiosis es detenida en este punto hasta el momento de la fertilización.
C: Si la fertilización ocurre, las cromátides hermanas son separadas, moviendose hacia polos opuestos de la célula. El cuerpo polar se divide en dos, el oocito secundario se divide en un tercer cuerpo polar y un óvulo maduro para completar la meiosis. Cada una de las cuatro células hijas tiene una composición genética diferente.
El material genético de los cuerpos polares es descartado, mientras que el del óvulo se une al material genético del espermatozoide fertilizador, para empezar el desarrollo de un nuevo embrión. Haga clic sobre la imagen para ampliarla.
Imagen cortesía de Nicola Graf
Mediante la observación de óvulos bajo el microscopio, el científico del EMBL Tomoya (Tomo) Kitajima fue el primero en seguirle la pista a todos los cinetocoros del óvulo durante todo el proceso de división – todas las 10 horas del mismo. “Hemos sido capaces, por primera vez, de seguirle la pista a todos los cinetocoros durante el proceso de división – así que no hay un solo momento en el que fuera ambiguo en dónde está esa parte del cromosoma – y eso es realmente un gran avance en el campo, alcanzar esto en estas células grandes y sensibles a la luz”, comenta Jan Ellenberg, quien encabeza el grupo de investigación.
El centrómero (punto rojo) es
el punto de ensamble del
cinetocoro.
Imagen cortesía de Tryphon;
Origen de la imagen:
Wikimedia Commons
Tomo utilizó software que había sido desarrollado previamente en el laboratorio de Jan, el cual le permitió programar un microscopio de escaneamiento láser para encontrar los cromosomas en el vasto espacio interior del óvulo, y luego filmarlos durante la división celular. “El oocito es una célula grande, pero los cromosomas se encuentran en una pequeña parte de esa célula, y esa es la que nos interesaba. Así que básicamente solo hicimos a nuestros microscopios lo suficientemente inteligentes para que pudieran reconocer en donde se encontraban los cromosomas y luego hacer un acercamiento, en espacio y tiempo, justo en esa región,” explica Jan.
Enfocando el microscopio únicamente en la parte de la célula en donde los cromosomas se encuentran, Tomo pudo obtener imágenes de alta resolución en intervalos de tiempo cortos de tan solo un minuto y medio, lo cual le dio una imagen muy clara del proceso. Dado que el microscopio solo iluminaba esa pequeña región del oocito, la luz causó menos daño a la célula, permitiéndoles a los científicos que siguieran obteniendo imágenes por las 10 horas de la división celular (ver recuadro para más información sobre microscopía inteligente).
Imagen cortesía de QUOI
Media; Origen de la imagen:
Flickr
De vuelta al estanque, los ánimos se encienden y las voces se elevan en aguda acusación: “¡Eso es trampa! ¡No puedes empujar el pez con la caña!” Gracias al trabajo de Jan y Tomo, el niño acusado puede discutir en su defensa, que sus células ya se encontraban haciendo “trampa” de esta forma antes de que el naciera. Cuando los científicos del EMBL analizaron los videos, ellos encontraron que, antes de que los microtúbulos se unieran a los cinetocoros, ellos empujan a los cromosomas hacia una posición favorable, tal y como el niño resitúa el pez con el extremo de su caña de pescar. Los microtúbulos empujan los brazos de los cromosomas, colocando los cromosomas en forma de anillo, desde la cual les resulta más fácil pescarlos.
“Pero aún con este pre-posicionamiento, no funciona del todo bien”, cuenta Jan. “Vimos que el 90% de las conexiones del cinetocoro fueron inicialmente mal establecidas, y que los microtúbulos tuvieron que soltar el cromosoma e intentarlo de nuevo – en promedio, esto tenía que hacerse tres veces por cromosoma.”
antes de que empiecen a
unirse a los cinetocoros
(verde), los microtúbulos
empujan a los cromosomas
(rojo) formando un anillo
alrededor del huso
acromático.
Imagen cortesía de Tomoya
Kitajima, EMBL
Científicos en Estados Unidos han demostrado que la misma ‘trampa’ también ocurre en el otro tipo de división celular, que nuestras células experimentan cuando crecemos o cuando nuestros tejidos como la piel se regeneran (Magidson et al., 2011). En este segundo tipo de división celular, llamada mitosis, una célula se divide en dos células hijas, cada una con la misma carga genética que la ‘células madre’, en lugar de la mitad del material genético como pasa en la meiosis. Pero los descubrimientos de Jan y Tomo destacan que la pesca de cromosomas implica mayor error en la meiosis que en la mitosis. Este mayor grado de error en meiosis puede, según creen los científicos, deberse a una fundamental diferencia en como los microtúbulos pescan y separan en los dos tipos de división celular.
célula ha replicado su ADN,
los cromosomas se alinean
en el ecuador de la célula.
Los microtúbulos se unen a
los cinetocoros de las
cromátides hermanas y las
separan. Luego de la mitosis,
la célula se divide. Las dos
células hijas resultantes son
genéticamente idénticas a la
célula madre. Haga clic sobre
la imagen para ampliarla.
Imagen cortesía de Mysid;
Origen de la imagen:
Wikimedia Commons
Durante la mitosis, los mircrotúbulos se empiezan a formar en los puntos opuestos de la célula y se unen a una estructura con forma de limón – el huso acromático – que tira de cada cromátide apareado hacia un lado o polo. Pero en la meiosis, como descubrió el grupo de Jan hace algunos años (Schuh & Ellenberg, 2007), los microtúbulos del huso acromático convergen desde un máximo de 80 puntos distintos al principio, y solo más tarde se ordenan a sí mismos en una estructura polarizada en dos. “Entonces cuando los microtúbulos se encuentran uniéndose por primera vez a los cromosomas, es difícil saber si van a terminan tirando hacia direcciones opuestas o no,” explica Jan. Esto, junto con el hecho de que el óvulo es una extensión mucho mayor a través de la cual los microtúbulos tienen que encontrar y arrastrar a los cromosomas – un óvulo es cuatro veces más grande que una célula de la piel – podría explicar por qué la pesca de cromosomas es mucho más propensa a error en la división de un óvulo.
Estos resultados también proveen a los científicos con un lugar más concreto para buscar en el estudio de la infertilidad femenina y patologías como el Síndrome de Down, que en gran parte provienen de óvulos con un número anormal de cromosomas. Demostrando que tales errores ocurren más probablemente porque los microtubulos fallan en establecer las conexiones correctas para separar los cromosomas adecuadamente, Tomo y Jan han proporcionado un enfoque para estudios futuros. De hecho, Tomo va a estudiar por qué este proceso de ensayo y error es más propenso a equivocarse en óvulos más viejos. Si ellos y otros pudieran señalar en dónde fallan los mecanismos de corrección en células más viejas, podría ser algún día el punto de inicio para procedimientos médicos que ayuden a los microtúbulos a mejorar sus técnicas de pesca. Tal vez el secreto en la lucha contra la infertilidad asociada a la edad es hacer a los microtúbulos tan exitosos en la pesca como son los niños con sus juguetes con imán.
Haciendo más inteligentes a los microscopios
alinean en señal de
preparación para la
separación. Los cinetocoros
(rojo) unen los cromosomas
con los microtúbulos de la
célula (verde).
Imagen cortesía de Tomoya
Kitajima, EMBL
El software que Tomo utilizó para encontrar y filmar a los cromosomas a lo largo de la división celular fue un preludio de lo que viene. Desde entonces, en colaboración con otro equipo en el EMBL dirigido por Rainer Pepperkok, el grupo de Jan ha desarrollado un programa más complejo, capaz de hazañas mayores en automatización. Llamado Micropilot, el nuevo software analiza imágenes de baja resolución captadas por un microscopio y encuentra no solo cromosomas sino cualquier estructura que los científicos le hayan enseñado a buscar.
Una vez que Micropilot ha identificado la célula o la estructura en que los científicos están interesados, automáticamente instruye al microscopio que empiece un experimento. Esto puede ser tan simple como grabar videos de alta resolución a intervalos o tan complejo como el uso de lásers para interferir con la fluorescencia de una proteína etiquetada y registrar los resultados. El software es de gran ayuda para los estudios de biología de sistemas, ya que genera más información a un paso más veloz. Gracias a su alto rendimiento, Micropilot puede fácil y rápidamente generar suficiente información para obtener resultados estadísticamente válidos, permitiéndoles a los científicos explorar el papel de cientos de proteínas en un particular proceso biológico.
Más acerca del EMBL
El European Molecular Biology Laboratory (Laboratorio de Biología Molecular Europeo, EMBL)w1 es una de las mejores instituciones de investigación en el mundo, dedicado a la investigación básica en las ciencias de la vida. El EMBL es internacional, innovador e interdisciplinario. Sus trabajadores de 60 nacionalidades tienen bases en biología, física, química y ciencias de la computación, y colaboran en la investigación que cubre el espectro completo de la biología molecular.
EMBL es un miembro de EIROforumw2, la editorial de Science in School (Ciencia en la Escuela).
References
- Kitajima TS, Ohsugi M, Ellenberg J (2011) Complete kinetochore tracking reveals error-prone homologous chromosome biorientation in mammalian oocytes (Seguimiento completo del cinetocoro revela biorientación de cromosomas homólogos propensa a errores en óvulos mamíferos). Cell 146(4): 568-81. doi: 10.1016/j.cell.2011.07.031
- Magidson V et al. (2011) The spatial arrangement of chromosomes during prometaphase facilitates spindle assembly (El arreglo espacial de los cromosomas durante la prometafase facilita el ensamblaje del huso acromático). Cell 146(4): 555-67. doi: 10.1016/j.cell.2011.07.012
- Mori M et al. (2011) Intracellular transport by an anchored homogeneously contracting F-actin meshwork (Transporte intracélular por una malla homogéneamente contráctil de actina F anclada). Current Biology 21: 606-61. doi: 10.1016/j.cub.2011.03.002
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Una explicación gratis y con lenguaje simple de esta investigación se encuentra disponible en el reporte anual del EMBL:
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EMBL (2012) Neat nets (Redes meticulosas). En EMBL Annual Report (Reporte Annual del EMBL) 2011/2012 pp 86-88. Heidelberg, Alemania: European Molecular Biology Laboratory (Laboratorio Europeo de Biología Molecular).
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- Schuh M, Ellenberg J (2007) Self-organization of MTOCs replaces centrosome function during acentrosomal spindle assembly in live mouse oocytes (Organización propia de MTOCs reemplaza la función del centrosoma durante el ensamblaje acentrosomal del huso acromático en óvulos de ratón vivos). Cell130(3): 484-98. doi: 10.1016/j.cell.2007.06.025
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Una explicación gratis y con lenguaje simple de esta investigación se encuentra disponible en el reporte anual del EMBL:
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EMBL (2008) Push me, pull you (Empújame, te jalo). En EMBL Annual Report (Reporte Anual del EMBL) 2007/2008 pp 46-50. Heidelberg, Alemania: European Molecular Biology Laboratory (Laboratorio Europeo de Biología Molecular).
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Web References
- w1 – Para más información acerca del EMBL, vea el sitio web del EMBL.
- w2 – EIROforum es una colaboración entre las ocho organizaciones intergubernamentales en Europa más grandes de investigación científica, que combina sus recursos, instalaciones y habilidades para apoyar el potencial completo de la ciencia Europea. Como parte de sus actividades educativas y de divulgación, EIROforum publica Science in School (Ciencia en la Escuela).
Resources
- Vea un video de los microtúbulos empujando a los cromosomas a su posición.
Institutions
Review
Este artículo es sobre nuevos aportes científicos que conciernen el entendimiento de los mecanismos de división celular, es decir la unión de los microtúbulos a los cromosomas durante la mitosis y meiosis.
El nivel de detalle de este artículo lo hace particularmente útil para clases avanzadas de biología (edad 15+), para temas tales como citología (mitosis y meiosis), genética (las causas e implicaciones de las anormalidades cromosomales) y reproducción (gametogénesis e infertilidad).
Este artículo también puede ser empleado para iniciar discusiones más amplias tanto acerca de modelaje en fenómenos biológicos (los modelos pueden ayudarnos a entender procesos) como de los riesgos. Por ejemplo, en la mayoría de los libros de texto que describen mitosis y meiosis, los cromosomas son representados como estructuras grandes. Esto puede llevar a los estudiantes a creer que los cromosomas son fácilmente visibles en cualquier tipo de células. El artículo muestra, sin embargo, que este no es el caso.
Finalmente, el artículo ilustra como los esfuerzos realizados en un grupo de investigación pueden beneficiar otras áreas de investigación, así como también demuestra la relación sinérgica entre la ciencia y la tecnología.
Betina da Silva Lopes, Portugal