Cariotipo

O estudo dos cariotipos faise posible por tinguidura. Xeralmente, unha tinguidura adecuada é o Giemsa,^[5] despois de que a célula parou a súa división ao ser tratada cunha solución de colchicina. Para o caso humano, as células que se usan máis frecuentemente son os leucocitos porque poden ser facilmente inducidos a se dividir e crecer en cultivos de tecidos.^[6] Algunhas observacións poden facerse en células que non están en división (interfase), como por exemplo para determinar o sexo dun feto a partir de células extraídas por amniocentese, nas que se comproba a existencia de corpo de Barr.

Xeralmente, obsérvanse e compáranse seis diferentes características dos cariotipos:^[7]

1. Diferenzas nos tamaños absolutos dos cromosomas. Os cromosomas poden variar en tamaño absoluto ata en 20 veces entre xéneros da mesma familia taxonómica: Lotus tenuis e Vicia faba (legumes), teñen ambas as dúas seis pares de cromosomas (n=6) pero os cromosomas de V. faba son moitas veces máis longos. Esta característica probablemente reflicte unha diferente proporción de duplicacións do ADN.
2. Diferenzas na posición dos centrómeros. Isto prodúcese debido a translocacións.
3. Diferenzas no tamaño relativo dos cromosomas. Poden orixinarse só polo intercambio segmental de lonxitudes desiguais.
4. Diferenzas no número básico de cromosomas. Poden ocorrer debido a sucesivas translocacións desiguais que finalmente eliminan todo o material xenético esencial dun cromosoma, que pasa a outros cromosomas, permitindo que este se perda sen un prexuízo para o organismo (isto denomínase hipótese da dislocación). Na evolución poden orixinarse estas diferenzas por fusións de cromosomas (ver cromosoma 2 humano) ^[8].
5. Diferenzas en número e posición dos satélites. Os satélites son pequenos corpos esféricos unidos a un cromosoma por un filamento máis fino, que aparecen nalgúns cromosomas.
6. Diferenzas no grao e distribución das rexións de heterocromatina. A heterocromatina tínguese máis escura ca eucromatina, o que indica que está máis empaquetada, e consiste principalmente en secuencias de ADN repetitivo xeneticamente inactivas.

Xeralmente atópanse variacións entre:

1. Sexos
2. Entre a liña xerminal (gametos) e as células somáticas
3. Entre membros dunha mesma poboación (polimorfismo cromosómico)
4. Variacións xeográficas entre razas
5. Mosaicos xenéticos ou individuos anormais.^[9]

O cariotipo humano normal contén 22 pares de cromosomas autosómicos (autosomas) e un par de cromosomas sexuais. Os cariotipos normais das mulleres conteñen dous cromosomas X e escríbense 46,XX; os homes teñen un X un Y e escríbense 46,XY. Calquera variación do cariotipo estándar pode orixinar anormalidades no desenvolvemento do individuo.

Aínda que a replicación e a transcrición do ADN está moi estandarizada nos eucariotas, non ocorre o mesmo cos cariotipos, que son moi variables. Hai variación interespecífica no número de cromosomas, e nos detalles da súa organización, malia estaren construídos coas mesmas macromoléculas. Estas variacións son examinadas nos estudos de citoloxía evolutiva.

Nalgúns casos mesmo hai variacións significativas dentro dunha especie. Nunha revisión, Godfrey e Masters conclúen:

"Ao noso ver, é improbable que un proceso ou outro poida por si só explicar o amplo rango de estruturas de cariotipos atopadas... Pero, utilizadas en conxunto con outros datos filoxenéticos, a fisión de cariotipos pode axudar a explicar as grandes diferenzas nos números diploides entre especies moi relacionadas, que eran previamente inexplicables." ^[10]

Aínda que se sabe moito dos cariotipos a nivel descritivo, e está claro que os cambios na organización do cariotipo tiveron efectos no curso da evolución de moitas especies, non está tan clara a súa significación xeral.

"O noso coñecemento das causas da evolución do cariotipo é moi pequeno, a pesar de moitas investigacións cuidadosas... o significado xeral da evolución dos cariotipo é escura." Maynard Smith.^[11]

En vez da habitual represión xenética, algúns organismos experimentaron unha eliminación a grande escala da heterocromatina, ou outros tipos de axuste visible dos cariotipos.

• Eliminación de cromosomas. Nalgunhas especies, como en moitas moscas Sciaridae, son eliminados cromosomas completos durante o desenvolvemento.^[12]
• Diminución da cromatina (pai fundador: Theodor Boveri). Neste proceso, que se dá nalgúns copépodos e nematodos como Ascaris suum, pérdense porcións dos cromosomas en determinadas células. Este proceso é un rearranxo do xenoma cuidadosamente organizado no que se forman novos telómeros e pérdense certas rexións de heterocromatina.^[13][14] En A. suum, todos os precursores das células somáticas sofren a diminución da cromatina.^[15]
• Inactivación do X. A inactivación dun cromosoma X ten lugar durante o desenvolvemento inicial dos mamíferos (ver corpo de Barr e compensación de dose). Nos mamíferos placentarios, a inactivación é aleatoria entre os dous cromosomas X; de modo que unha femia de mamífero é un mosaico con respecto aos seus cromosomas X. Nos marsupiais é sempre o cromosoma X de orixe paterno o que se inactiva. Nas mulleres un 15% das células somáticas escapan á inactivación.^[16]

Un exemplo espectacular de variabilidade entre especies moi emparentadas é o cérvido Muntiacus. O número diploide da especie chinesa Muntiacus reevesi é 46, e todos os cromosomas son telocéntricos. Pero a especie india emparentada Muntiacus muntjak ten un cariotipo nas femias de só 6 cromosomas e nos machos de 7.^[17]

O número de cromosomas do cariotipo de especies relativamente non emparentadas é moi variable. O récord de menos cromosomas teno o nematodo Parascaris univalens, no que o número haploide é n = 1; e o récord máis alto teno o fento Ophioglossum, que ten unha media de 1262 cromosomas.^[18] Nos animais atopamos os valores máis altos no esturión Acipenser brevirostrum con 372 cromosomas.^[19] A existencia de cromosomas supernumerarios ou cromosomas B significa que o número de cromosomas pode variar mesmo entre unha poboación que se pode aparear; e os aneuploides son outro exemplo, aínda que neste caso non poden considerarse membros normais da poboación.

O número fundamental dun cariotipo é o número de brazos cromosómicos maiores visibles por conxunto de cromosomas.^[20][21] Deste modo, cando o número fundamental ≤ 2n, a diferenza depende do número de cromosomas presentes considerados dun só brazo (acrocéntricos ou telocéntricos). Os humanos temos un número fundamental = 82,^[22] debido á presenza de cinco pares de cromosomas acrocéntricos (13, 14, 15, 21 e 22).

A ploidía é o número de conxuntos completos de cromosomas (dotacións) que ten unha célula. As células cun conxunto completo son haploides, e as que teñen dous son diploides. Nas haploides todos os cromosomas son distintos (hai un de cada), e nas diploides cada cromosoma está repetido (hai pares de cromosomas) e os cromosomas de cada par denomínanse cromosomas homólogos.

• Poliploidía. Dáse cando hai máis de dous conxuntos completos de cromosomas homólogos nas células, e prodúcese principalmente en plantas. É moi importante na evolución das plantas tal como sinalou Stebbins.^{[23][24][25][26]} A proporción de plantas con flor que son poliploides foi estimada por Stebbins no 30-35%, pero nas plantas herbáceas a media é moito maior, de arredor do 70%.^[27] A poliploidía nas plantas inferiores (fentos, equisetos e psilotales) é tamén común, e algunhas especies de fentos atinguiron niveis de poliploidía moi superiores aos atopados en plantas con flor.
  A poliploidía nos animais é moito menos común, pero é significativa nalgúns grupos.^[28]
  As series poliploides en especies emparentadas, que consisten en números múltiplos dun número básico único denomínanse euploidías.
• Haplodiploidía. Dáse cando un sexo é haploide e o outro diploide. É común nos Hymenoptera (por exemplo, abellas femia diploides e machos haploides), e noutros grupos.
• Endopoliploidía. Aparece cando nos tecidos adultos diferenciados as células deixaron de facer a división celular pola mitose típica, pero o núcleo celular contén máis cromosomas ca o número orixinal das células somáticas.^[29] No endociclo (endomitose ou endorreplicación) os cromosomas nun núcleo "en repouso" sofren reduplicación, e os cromosomas fillos sepáranse uns doutros dentro dun núcleo con envoltura nuclear intacta, aumentando o número de cromosomas.^[30]
  En moitos casos, os núcleos endopoliploides conteñen decenas ou mesmo miles de cromosomas (que non poden ser contados con exactitude). As células non sempre conteñen múltiplos exactos do número básico (potencias de dous), polo que unha definición como "aumento do número de dotacións cromosómicas causado pola replicación sen división celular" non é de todo exacta.
  Este proceso (especialmente estudado nos insectos e nalgunhas plantas superiores como o millo) pode ser unha estratexia de desenvolvemento para incrementar a produtividade de tecidos que son biosinteticamente moi activos.^[31]
  O fenómeno ocorre esporadicamente entre os eucariotas desde os protozoos ao home; é diverso e complexo, e serve para a diferenciación celular e a morfoxénese de moitas maneiras.^[32]
• A paleopoliploidía investiga as duplicacións de cariotipos que se produciron no pasado nas especies.

A aneuploidía é unha condición cromosómica na cal o número de cromosomas das células non é o número típico da especie, xa que hai copias de máis ou de menos de cromosomas concretos (non de toda a dotación, xa que o número do resto de cromosomas é o normal). Isto orixina anormalidades cromosómicas como un cromosoma extra ou un ou máis cromosomas ausentes, o cal xeralmente causa anormalidades no desenvolvemento. Son exemplos a síndrome de Down (un cromosoma 21 de máis) e a síndrome de Turner (un cromosoma X de menos).

A aneuploidía pode tamén ocorrer dentro dun grupo de especies emparentadas. Os exemplos clásicos son as plantas do xénero Crepis, nos que o número gamético (haploide) de cromosomas aparece nas distintas especies na serie x = 3, 4, 5, 6, e 7; e no xénero Crocus todos os números entre x = 3 a x = 15 están representados en polo menos algunha das especies do grupo. Diversas evidencias mostran que as tendencias evolutivas seguiron diferentes direccións en diferentes grupos.^[33]

Algunhas especies animais son polimórficas debido a fusións ou disociacións de cromosomas.^[34] Cando isto ocorre, o número de cromosomas é variable dun individuo a outro. Exemplos que foron moi investigados son o do escaravello Chilocorus stigma, algúns mántidos do xénero Ameles, e a musaraña común europea Sorex araneus. Hai algunhas evidencias claras no caso do molusco Thais lapillus (do grupo dos corniños) das costas británicas, de que os morfos de dous cromosomas están adaptados a diferentes hábitats.^[35]

O estudo detallado do bandeado cromosómico nos insectos con cromosomas politénicos pode revelar as relacións entre as especies máis emparentadas: o clásico exemplo é o estudo do bandeado cromosómico das moscas drosofílidas hawaianas feito por Hampton Carson.

Nos seus aproximadamente 17.000 km², as illas Hawai teñen a colección máis diversa de moscas drosofílidas do mundo, que viven desde nos bosque tropicais hawaianos ata nos prados de tipo subalpino da parte alta das illas. Existen alí unhas 800 especies destas moscas, que xeralmente se clasifican en dous xéneros, Drosophila e Scaptomyza, da familia Drosophilidae.

O bandeado politénico do grupo picture wing, que é o máis estudado, permitiulle a Carson construír a árbore evolutiva destas especies moito antes de que fose posible aplicar as técnicas de análise do xenoma. En certa medida, os arranxos xénicos son visibles no padrón de bandas de cada cromosoma. Os rearranxos cromosómicos, especialmente as inversións cromosómicas, poden indicar que especies están máis emparentadas.

As inversións trazadas en forma de árbore (e independentemente doutras informacións), mostran un claro "fluxo" de especies desde as illas máis vellas ás máis modernas. Hai tamén casos de colonización á inversa cara ás illas antigas, e saltos de illas, pero estes son moito menos frecuentes. Utilizando datación radiométrica K-Ar, comprobouse que as illas actuais teñen unha antigüidade de 0,4 millóns de anos (ma) (Mauna Kea) ata 10ma (illa Necker no noroeste do arquipélago). A illa máis antiga do arquipélago que aínda sobresae do mar é o atol Kure, que ten 30 ma. O arquipélago, que se orixinou polo movemento da placa do Pacífico sobre un punto quente do manto, leva existindo desde moito antes do Cretáceo, pero foron destruíndose illas e formándose novas. As illas primixenias están agora baixo o mar e son montes submarinos (guyots), que forman a cadea mergullada dos montes Emperador.^[36]

Todas as especies de Drosophila e Scaptomyza nativas de Hawai aparentemente descenden dunha única especie ancestral que colonizou as illas, probablemente hai 20 millóns de anos. A subseguinte radiación adaptativa foi estimulada pola ausencia de competencia e pola ampla variedade de nichos ecolóxicos dispoñibles. Aínda que é posible que unha soa femia fecundada colonice unha illa, é máis probable que fose un grupo de individuos da mesma especie.^{[37][38][39][40]}

Hai outros animais e plantas do arquipélago de Hawai que sufriron radiacións adaptativas similares, aínda que non tan espectaculares.^[41][42]

A citoxenética emprega varias técnicas para visualizar os diferentes aspectos dos cromosomas:^[6]

• O bandeado G obtense utilizando a tinguidura Giemsa despois da dixestión dos cromosomas con tripsina. Orixina unha serie da bandas claras e escuras nos cromosomas. As rexións escuras tenden a ser heterocromáticas e ricas nos pares AT. As rexións lixeiras tenden a ser eucromáticas e ricas en GC. Este método producirá normalmente de 300 a 400 bandas no xenoma humano.
• O bandeado R é o inverso do bandeado G (e R significa "reverso" ou inverso). As rexións escuras son eucromáticas e as brillantes heterocromáticas.
• Bandeado C: O Giemsa únese á heterocromatina constitutiva, polo que tingue os centrómeros.
• O bandeado Q é un padrón fluorescente obtido utilizando quinacrina como tinguidura. O padrón de bandas é moi similar ao que se produce no bandeado G.
• Bandeado T: permite visualizar os telómeros.
• Tinguidura de prata: O nitrato de prata tingue as proteínas asociadas á rexión organizadora nucleolar (NOR). Isto orixina unha rexión escura onde a prata se deposita, indicando onde se encontran os xenes dos ARNr dentro dos NOR.

 

Na representación "clásica" dos cariotipos, úsase unha tinguidura xeralmente o bandeado G con Giemsa, ou menos frecuentemente con quinacrina para tinguir as bandas dos cromosomas. O Giemsa é específico para os grupos fosfato dos nucleótidos do ADN. A quinacrina únese ás rexións ricas en adenina-timina. Cada cromosoma ten un padrón de bandeado característico que axuda a identificalos; ambos os cromosomas dun mesmo par de homólogos teñen o mesmo padrón de bandeado.

Os cariotipos dispóñense colocando os cromosomas de modo que o brazo curto quede na parte de arriba, e o brazo longo abaixo. Algúns cariotipos designan os brazos curtos como p e os longos como q. Ademais, as rexións e subrexións con diferente tinguidura reciben designacións numéricas deste a posición proximal á distal no brazo do cromosoma. Por exemplo, a síndrome cri du chat implica unha deleción na rexión 15.2 do brazo curto do cromosoma 5, e escríbese 46,XX,del(5)(p15.2).^[43]

 

O cariotipado espectral é unha técnica citoxenética molecular utilizada para visualizar simultaneamente todos os pares cromosómicos dun organismo en diferentes cores. Fanse sondas para cada cromosoma marcadas fluorescentemente que marcan secuencias específicas de ADN de cada cromosoma con diferentes fluoróforos. Como hai un número limitado de fluoróforos espectralmente diferentes, utilízase un método combinatorio de marcado para xerar moitas cores diferentes. As diferenzas espectrais así xeradas son captadas e analizadas usando un interferómetro unido a un microscopio de fluorescencia. Un programa informático de procesamento de imaxes asigna despois unha falsa cor a cada diferente combinación espectral, permitindo a visualización dos cromosomas en diferentes cores.^[44] Esta técnica utilízase para identificar aberracións cromosómicas estruturais nas células cancerosas e outras doenzas cando o bandeado Giemsa ou outras técnicas non teñen precisión dabondo.

O cariotipado dixital é unha técnica usada para cuantificar o número de copias de ADN a escala xenómica. Íllanse e numéranse curtas secuencias de ADN de loci específicos de todo o xenoma.^[45] Este método coñécese tamén como cariotipado virtual.

As anormalidades cromosómicas poden ser numéricas, como a presenza de cromosomas extra ou a ausencia dun cromosoma, ou estruturais como nos cromosomas derivados, translocacións, inversións, delecións a grande escala ou duplicacións. As anormalidades numéricas, tamén chamadas aneuploidías, a miúdo ocorren como resultado da non disxunción na formación dos gametos durante a meiose; outras anormalidades numéricas comúns son as trisomías, nas cales están presentes tres copias dun determinado cromosoma en troques das habituais dúas copias. As anomalías estruturais xeralmente están causadas por erros na recombinación xenética entre homólogos. Ambos os tipos de anormalidades poden aparecer nos gametos e, por tanto, estarán presentes en todas as células da persoa afectada, ou poden ocorrer durante a mitose e daren lugar a un individuo que é un mosaico xenético, que ten algunhas células normais e outras anormais.

Entre as anormalidades cromosómicas que poden orixinar enfermidades nos humanos están:

• Síndrome de Turner. Orixinado por ter un só cromosoma X (45, X ou 45, X0).
• Síndrome de Klinefelter. É a enfermidade cromosómica máis común nos machos, causada por un cromosoma X extra (47, XXY).
• Síndrome de Edwards. Causada pola trisomía (tres copias) do cromosoma 18.
• Síndrome de Down, unha enfermidade cromosómica común, causada pola trisomía do cromosoma 21.
• Síndrome de Patau. Causada pola trisomía do cromosoma 13.
• Tamén están documentados casos de trisomía 8, trisomía 9 e trisomía 16, aínda que os individuos afectados xeralmente non sobreviven ao nacemento.

Algúns trastornos orixínanse pola perda de só unha parte dun cromosoma. Entre elas están:

• Cri du chat. Causado por un cromosoma 5 co brazo curto truncado. O nome vén do son dos choros dos bebés afectados, que lembra ao miar dun gato, causado por unha deformación na larinxe.
• Síndrome da deleción 1p36. Prodúcese a perda de parte do brazo curto do cromosoma 1.
• Síndrome de Angelman. O 50% dos casos teñen un segmento do brazo longo do cromosoma 15 ausente; é unha deleción de xenes maternos, polo que é un caso de impronta xenética (imprinting).
• Síndrome de Prader-Willi. O 50% dos casos teñen un segmento do brazo longo do cromosoma 15 ausente; é unha deleción de xenes paternos (outro caso de impronta xenética).

As anormalidades cromosómicas poden tamén ocorrer nas células cancerosas dun individuo xeneticamente normal. Un exemplo ben documentado é o cromosoma Filadelfia, unha mutación por translocación xeralmente asociada coa leucemia mielóxena crónica e menos frecuentemente coa leucemia linfoblástica aguda.

Os cromosomas foron observados por primeira vez en células de plantas por Karl Wilhelm von Nägeli en 1842. O seu comportamento nas células animais de píntega describiuno Walther Flemming, o descubridor da mitose, en 1882. O nome cromosoma propúxoo o anatomista alemán, von Waldeyer en 1888.

Os seguintes avances tiveron lugar despois do desenvolvemento da Xenética a comezos do século XX, cando se viu que o conxunto de cromosomas (o cariotipo) levaba os xenes do individuo. Levitsky parece ser o primeiro en definir o cariotipo como a aparencia fenotípica dos cromosomas somáticos, diferenciándoo do seu contido xenético.^[46][47] A seguinte evolución do concepto de cariotipo pode seguirse nos traballos de Darlington ^[48] e White.^[2][9]

Levou moitos anos de investigación establecer a cuestión máis básica: cantos cromosomas contén unha célula humana diploide.^[49] En 1912, Hans von Winiwarter informou que eran 47 cromosomas nas espermatogonias e 48 nas ovogonias, e concluíu que nos humanos existía un sistema de determinación do sexo X0 (XX femias e X0 machos).^[50] Painter en 1922 non estaba seguro se o número diploide dos cromosomas humanos era 46 ou 48, e inicialmente inclinábase por 46.^[51] Mudou de opinión despois e pasou a pensar que eran 48, e afirmou que a determinación de sexos nos humanos facíase polo sistema XY (XX femias e XY machos).^[52] Considerando as rudimentarias técnicas da época estes resultados son bastante notables. Hoxe sabemos que algúns invertebrados teñen un sistema de determinación do sexo X0.

Houbo que agardar á aparición de novas técnicas para resolver definitivamente o problema. Entre os métodos que se empezaron a usar están:

1. Utilización de cultivos celulares.
2. Pretramento das células cunha solución hipotónica (con menos solutos ca a célula), o que fai que a célula capte auga e inche, estendendo os seus cromosomas.
3. Detención da mitose na metafase cunha solución de colchicina.
4. Esmagar a preparación no portaobxectos para que os cromosomas se coloquen nun só plano.
5. Recortar unha fotomicrografía e dispoñer os cromosomas formando un cariograma undiscutible.

Ata 1950 non se aceptou de forma xeral que o cariotipo humano constaba só de 46 cromosomas.^[53][54] Un descubrimento evolutivo interesante foi que os grandes simios teñen 48 cromosomas, e que o cromosoma 2 humano se formou pola unión de dous cromosomas ancestrais dos nosos antepasados, reducindo o seu número total a 46.

• Xenética
• Citoxenética
• Bandeado cromosómico
• Xenoma humano
• Microcromosoma

• Making a karyotype, an online activity from the University of Utah's Genetic Science Learning Center.
• Karyotyping activity with case histories from the University of Arizona's Biology Project.
• Printable karyotype project from Biology Corner, a resource site for biology and science teachers.
• Chromosome Staining and Banding Techniques