La compensación de dosis de genes es un mecanismo epigenético que permite igualar el nivel de expresión de genes ligados al sexo en machos y hembras de aquellas especies en las que la determinación del sexo se produce mediante cromosomas sexuales . Entonces, por ejemplo, en los mamíferos machos , los genes del cromosoma X , sin contar las regiones pseudoautosómicas , están presentes en una copia, y en las hembras, en dos. Dado que tal diferencia podría dar lugar a graves anomalías, existen mecanismos de compensación de dosis de genes que no están directamente relacionados con la determinación del sexo. En los mamíferos, esto se hace inactivando un cromosoma X en las células femeninas, de modo que en cada célula somática de un individuo de cualquier sexo, solo hay un cromosoma X activo por juego diploide de cromosomas .
En 1949, Murray Barr y Ewart Bertram , estudiando el cariotipo de las células de los gatos, notaron que en los núcleos de las hembras hay un cuerpo denso, diferente al nucléolo , pero no lo está en las células de los gatos machos. Llamaron a esta estructura cromatina sexual . Más tarde se hizo más conocido como el cuerpo de Barr . En 1959, Susumu Ohno descubrió que el cuerpo de Barr es un cromosoma X supercondensado [1] . En 1961, Mary Lyon propuso una hipótesis según la cual la inactivación del cromosoma X compensa la dosis de los genes, y la elección del cromosoma a "apagar" se produce por casualidad. Lyon llegó a tales conclusiones sobre la base del estudio de células con un número anormal de cromosomas, en particular con trisomías para cromosomas sexuales y poliploidía. Los siguientes resultados fueron obtenidos:
| Cariotipo: | Número de cromosomas X inactivados |
| Mujer normal (XX + 44 autosomas): | una |
| Varón normal (XY + 44 autosomas): | 0 |
| Una mujer con trisomía X (XXX + 44 autosomas): | 2 |
| Varón con síndrome de Klinefelter (XXY + 44 autosomas): | una |
| Células femeninas tetraploides (XXXX + 88 autosomas): | 2 |
A partir de los resultados obtenidos, se concluyó que las células tienen algún tipo de mecanismo de “conteo” de cromosomas X y dejan un cromosoma X activo por cada par de autosomas. A favor de la hipótesis sobre la elección aleatoria del cromosoma a convertir en heterocromatina , evidenciada por la observación de la coloración en mosaico en ratones hembra heterocigotos para los genes ligados al X responsables del color del pelaje. El mosaico surge debido a que la inactivación de uno de los cromosomas X se produce en las células del embrión durante el periodo de gastrulación y se hereda mitóticamente , por lo que el clon de cada una de estas células conserva el mismo cromosoma X activo: materno o paterno. origen. Se obtuvieron resultados similares que sugerían mosaicismo a partir de isoformas de glucosa-6-fosfato isomerasa , que está codificada por el gen del cromosoma X en humanos.
Los resultados obtenidos encontraron rápidamente aplicación tanto en la investigación biológica como más allá. Así, en 1965, Stanley Gartler utilizó la inactivación del cromosoma X para probar el origen clonal de los tumores cancerosos . Y en 1966, en los Juegos Olímpicos, se empezó a utilizar la detección de cuerpos de Barr para confirmar el sexo de los deportistas.
La mayor cantidad de información sobre los mecanismos moleculares de compensación de dosis en mamíferos se ha acumulado gracias al trabajo realizado con células madre embrionarias .
Diferentes especies utilizan diferentes mecanismos de compensación de dosis: inactivación aleatoria o impresa de uno de los cromosomas X en el sexo homogamético (en los mamíferos), un aumento del doble en la actividad de expresión con uno de los cromosomas X del sexo heterogamético (en la mosca de la fruta), o una disminución del doble en su actividad de expresión con ambos cromosomas X. cromosomas del sexo homogamético (en el nematodo Caenorhabditis elegans ). Independientemente del mecanismo específico, la compensación siempre ocurre solo en uno de los sexos y es una condición necesaria para su actividad vital.
En Drosophila y mamíferos, la compensación de dosis implica ARN no codificantes que cubren el cromosoma X regulado, así como la modificación específica del sexo de las proteínas: histonas en el cromosoma correspondiente.
En los mamíferos placentarios, la compensación de la dosis de los genes se produce mediante la inactivación aleatoria de uno de los cromosomas X. Este proceso ocurre aproximadamente durante el período de gastrulación (en humanos, aproximadamente el día 12). Todos los descendientes de una determinada célula conservan inactivado el mismo cromosoma que la célula madre, es decir, como otras marcas epigenéticas, ésta se hereda mitóticamente. La reprogramación por inactivación X se produce en las células primordiales de la línea germinal . Un papel clave para garantizar la inactivación del cromosoma X lo desempeña un Xist de ARN no codificante largo , que actúa como un elemento regulador cis , es decir, afecta exactamente al cromosoma desde el que se transcribe .
Algunos genes en el cromosoma X evitan la inactivación, en particular la región pseudoautosómica , es decir, aquellos que tienen secuencias homólogas en el cromosoma Y , y algunos otros genes que pueden tener un impacto en la formación de características sexuales. Hay significativamente más áreas de este tipo en humanos que en ratones. El gen XIST también permanece activo en Xi .
Monotremas : un destacamento de mamíferos, que incluye ornitorrincos y cuatro especies de equidnas , que pertenecen a los mamíferos ovíparos. Aunque los monotremas también usan el sistema XX/XY, a diferencia de otros mamíferos, tienen más de un juego de cromosomas sexuales. Los equidnas machos de pico corto, por ejemplo, tienen nueve cromosomas sexuales, 5 X y 4 Y, mientras que los ornitorrincos machos tienen 5 cromosomas X y 5 cromosomas Y. Un estudio reciente [2] descubrió que cuatro cromosomas X del ornitorrinco, así como el cromosoma Y, son homólogos a ciertas regiones del cromosoma Z del ave. El cromosoma X1 del ornitorrinco comparte homología con el cromosoma Z del pollo, y ambos comparten homología con el cromosoma 9 humano. El descubrimiento de esta homología es importante para comprender el mecanismo de compensación de dosis para transeúntes individuales. En el 50% de las células del ornitorrinco hembra, solo se expresa un alelo de todos los cromosomas X, mientras que el 50% restante de las células expresa muchos alelos diferentes. Aunque el cromosoma X1 del ornitorrinco tiene 11 genes que se encuentran en todos los cromosomas X de los mamíferos, y el cromosoma X5 tiene un gen llamado DMRT1 que se encuentra en el cromosoma Z de las aves , siendo un gen sexual clave en las aves, los estudios genómicos generales han demostrado que cinco sexo Los cromosomas X del ornitorrinco son homólogos al cromosoma Z de las aves [3] . El ornitorrinco carece del gen SRY (un gen clave para la determinación del sexo en los mamíferos). Se caracteriza por una compensación de dosis incompleta descrita recientemente en aves. Al parecer, el mecanismo para determinar el sexo del ornitorrinco es similar al de sus antepasados reptiles .
En la mosca de la fruta Drosophila melanogaster , aunque la determinación del sexo, como en los mamíferos, se produce mediante cromosomas sexuales, no existen cuerpos de Barr en los núcleos de las hembras. Por otro lado, el cromosoma X de los machos se vuelve hiperactivo, el nivel de expresión de sus genes alcanza el nivel total de expresión de ambos cromosomas X de las hembras. El complejo de ribonucleoproteínas MSL ( male specific lethal ) juega un papel fundamental para garantizar dicha actividad , que, como su nombre indica, es necesaria para la actividad vital de los machos [4] . El MSL contiene productos proteicos de los genes msl1 , msl2 , msl3 , mle , mof , que, junto con el ARN no codificante RoX1 y RoX2, forman un compensasoma . Los compensasomas se unen a cientos de genes ligados al cromosoma X en los machos y mejoran selectivamente la transcripción de algunos de ellos, llevándolos al nivel de expresión en las hembras. La expresión de al menos algunos de los genes msl está bajo el control negativo del producto del gen Sxl ( sexo letal ) implicado en el recuento del cromosoma X y la determinación del sexo [5] [6] .
En el nematodo C. elegans , el sexo está determinado por el número de cromosomas X: en los machos es uno y en los hermafroditas dos. El mecanismo de compensación de dosis en estos animales se desencadena por la misma vía de señalización que la determinación del sexo, pero está controlado por un grupo diferente de genes. Este mecanismo consiste en una doble disminución de la actividad de transcripción en ambos cromosomas X de los hermafroditas.
La determinación del sexo y la compensación de dosis comienzan contando el número de cromosomas X por autosa. X: la señal A en los machos (X0) desencadena la expresión del gen xol-1 , que determina el desarrollo del embrión en un patrón masculino, y también suprime la expresión de la proteína SCD-2. La presencia de este último es una condición necesaria y suficiente para la activación de la compensación de dosis, que por lo tanto sólo ocurre en los hermafroditas. SCD-2 también dirige el complejo de compensación de dosis al cromosoma X. Este complejo multimérico contiene muchas proteínas que tienen otras funciones en la célula (por ejemplo, MIX-1 participa en la distinción de cromosomas en anafase ), o relacionadas con dichas proteínas (en particular, las proteínas DPY-26 DPY-27 y DPY-28 son similares a las proteínas del complejo condensina , está involucrado en el empaquetamiento de los cromosomas mitóticos (y meióticos ). El complejo de compensación de dosis se une al cromosoma X en varios lugares, después de lo cual su efecto inhibidor puede extenderse a distancias cortas o considerables.
Al igual que los humanos y las moscas, algunas plantas también utilizan el sistema de determinación del sexo XX/XY y los mecanismos de compensación de dosis apropiados. Silene latifolia (alquitrán blanco) lleva un conjunto de cromosomas masculino (XY) o femenino (XX), con el cromosoma Y más pequeño que el cromosoma X y, en consecuencia, la cantidad de genes expresados a partir de él es menor. Dos estudios independientes [7] demostraron que la expresión de genes ligados al cromosoma X en tarántulas macho es el 70 % de la de las hembras. Si S. latifolia no utilizara la compensación de dosis, el nivel esperado de expresión génica en los machos ligados al cromosoma X sería del 50 % del de las hembras. Aunque esta planta tiene cierta compensación de dosis, la expresión génica de los machos aún no llega al 100% de las hembras, por lo que se ha sugerido que el sistema de compensación de dosis de S. latiforia aún está en proceso de evolución. Además, en especies de plantas que no poseen cromosomas sexuales distintos, la compensación de dosis puede activarse durante mitosis aberrantes o aneuploidía y poliploidía . La expresión génica en pares de cromosomas que han sufrido duplicación/deleción puede aumentar o disminuir para compensar los efectos nocivos y devolver el nivel de expresión a la normalidad.
El sistema de determinación del sexo ZZ/ZW se encuentra en la mayoría de las aves, algunos reptiles y lepidópteros . En este sistema, Z es el cromosoma más grande, por lo que los machos homogaméticos (ZZ) se ven obligados a inactivar parte del material genético para equilibrar la expresión con las hembras (ZW), que portan un pequeño cromosoma W. En lugar de heterocromatizar todo el cromosoma, como ocurre en los humanos, los gallos (un organismo modelo) utilizan el silenciamiento selectivo, es decir , solo se silencian ciertos genes en el segundo cromosoma Z [8] [9] . Por lo tanto, los gallos expresan en promedio 1.4-1.6 del ADN del cromosoma Z total expresado en pollos [10] . La expresión de los genes del cromosoma Z en pinzones cebra y gallos machos es más alta que el nivel de expresión de genes autosómicos, pero en humanos, el nivel de expresión del cromosoma X en una mujer es igual al nivel de expresión de genes autosómicos. genes [11] , lo que indica claramente que en gallos y pinzones cebras machos se produce un silenciamiento incompleto. Al igual que en el pollo doméstico, el sistema ZZ/ZW se ha estudiado en detalle solo en unos pocos organismos; estudios recientes de este sistema en gusanos de seda [12] han encontrado una compensación incompleta similar para los genes del cromosoma Z. Los genes ligados a Z se expresaron más intensamente en hombres que en mujeres, y varios genes fueron igualmente activos tanto en hombres como en mujeres.
Aunque el mecanismo epigenético de compensación de dosis en aves aún no se conoce bien en comparación con el mecanismo de compensación de dosis en humanos y Drosophila, investigaciones recientes en esta área han revelado detalles importantes de este proceso. Uno de esos detalles es MHM ( macho hipermetilado ), un ARN no codificante largo similar a Xist que solo se expresa en pollos (ZW). Se asocia con una hiperacetilación específica de la mujer de la histona 4 en la lisina 16 , cerca del locus MHM en el cromosoma Z. Este locus se está estudiando activamente, ya que parece ser un sitio de compensación de dosis, los cromosomas Z masculinos están hipermetilados y, por lo tanto, la expresión génica de este locus se reduce en comparación con los cromosomas sexuales femeninos, que están hiperacetilados, y los genes correspondientes se expresan activamente. [13] .
Al igual que en los mamíferos, las islas CpG están metiladas en el pollo doméstico. Un estudio encontró que las islas CpG se encuentran principalmente en la región compensatoria del cromosoma Z, que se expresan de manera diferente en gallinas y gallos. Por esta razón, es muy probable que estas islas CpG estén ubicadas en aquellos genes que están metilados y apagados en el cromosoma Z masculino, pero permanecen activos en el cromosoma Z femenino.
A veces, la inactivación del cromosoma X puede no ocurrir por casualidad. Por ejemplo, en los marsupiales , el cromosoma de origen paterno siempre está sujeto a este proceso. Este fenómeno se denomina inactivación impresa y se considera un mecanismo evolutivamente primitivo [14] .
La inactivación impresa puede ocurrir ocasionalmente en mamíferos placentarios, como ratones. En estos roedores, en la etapa de 2-4 blastómeros , el cromosoma X parental pasa a un estado de heterocromatina . Este patrón de inactivación se conserva en el trofoblasto del blastocisto , que está implicado en la formación de la placenta , mientras que la reprogramación se produce más tarde en las células del embrioblasto: primero, todos los cromosomas pasan a un estado activo, tras lo cual se produce una inactivación aleatoria [15] .