Cromosomas humanos. Genética, Resúmenes de Genética Médica

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a TENER NS CROMOSOMAS HUMANOS Y SU ESTUDIO Araceli Lantigua Cruz Existen varios enfoques sobre el estudio de los cromosomas humanos, que dependen del nivel de profundidad de lo que se quiere conocer, la urgencia del resultado y de los recursos técnicos con los que se cuenta para hacer el estudio. Las fases del ciclo celular de una célula somática pueden ser clasificadas, desde el punto de vista citológico, en dos grandes momentos de estadio celular: la interfase y la mitosis. Tanto en una, como en la otra, es posible obtener información sobre los cromosomas humanos. En la interfase, la cual comprende los estadios o fases Gl, S y G2, la información se obtiene por las características de la cromatina nuclear y está relacionada, especificamente, con los cromosomas humanos X y Y. Durante la mitosis es posible conocer muchos más detalles de cada uno de los 46 cromosomas humanos: En el capítulo 1 de este texto, se tratan aspectos relacionados con la historia de la citogenética; en el presente capítulo, se exponen los fundamentos biológi- cos y componentes de las técnicas citogenéticas, con el propósito de compren- der sus resultados e interpretaciones. Cromatina nuclear La molécula de ADN (ácido dexosirribonucleico) de un cromosoma existe como un complejo formado por una familia de proteínas básicas cromosómicas denominadas histonas (más información sobre estos tipos de proteínas en el capítulo 2) y de un grupo heterogéneo de proteínas ácidas no histonas, que, a pesar de que se encuentran menos caracterizadas, tienen un importante papel 98 _ Introducción a la Genética Médica en la estructura y expresión apropiada de los genes. La cromatina nuclear de- pende del estado de condensación y descondensación del ADN. Hay dos for- mas de cromatina de acuerdo con lo descrito hasta aquí: - Eucromatina, en un estado de condensación que permite la expresión génica - Heterocromatina, en un estado mucho más condensado que, atendiendo a sus características de activación o inactivación, se clasifica en dos grupos: + Constitutiva, siempre inactiva y que se encuentra en sitios específicos de la estructura de los cromosomas. + Facultativa, que puede existir en forma genéticamente activa (descondensada) o en forma inactiva y condensada, situación esta propia del cromosoma X. Cromosomas En la división celular o mitosis, la información es más completa y se extiende al estudio de cada par cromosómico, por lo.que es posible analizar el comple- mento cromosómico, tanto desde el punto de vista numérico, como estructural. Como la mitosis comienza al finalizar lafase G2 del ciclo celular, al que a su vez le antecede la síntesis del ADN (ver capítulo 2), los cromosomas siempre están constituidos por dos cromátidas (expresión citológica de la síntesis de ADN) unidas por una constricción primaria o centrómero y por extremos deno- minados telómeros. Desde la profase hasta el'inicio de la anafase, los cro- mosomas se mantienen con sus cromátidas unidas por el centrómero o constricción primaria. Cada especie presenta un número haploide constante de cromosomas y a su vez un número diploide, en el que cada par cromosómico se caracteriza por una estructura específica. Esta condición de las especies permite el estudio de los cromosomas. En los cromosomas humanos se destacan tres tipos por la posición que ocupa el centrómero y la longitud de las cromátidas. La posición del centrómero divide al cromosoma en dos regiones denomina- das brazos y que son designados como cortos (p, del francés, petit: pequeño) y largos (q, por ser la siguiente letra del alfabeto después de la p) (Fig. 6.1). Los cromosomas humanos son clasificados de acuerdo con la posición del centrómero en: - Metacéntricos: cuando el centrómero está muy próximo al centro y ambos brazos, cortos y largos, tienen igual longitud. - Submetacéntricos: cuando el centrómero está desplazado hacia un extremo y se identifican brazos cortos y brazos largos. =- Acrocéntricos: cuando el centrómero está desplazado hacia un extremo, sien- do los brazos cortos extremadamente pequeños. 100 _ inroducción a la Genética Médica cromosoma Y, que se observa con el uso de luz ultravioleta, por lo que se requie- re un microscopio con estas características, El cuerpo Y, como se le denomina, solo se observa cuando el cromosoma Y está presente en el genoma del indivi- duo en estudio, de tal modo que es positivo en las muestras obtenidas de indivi- duos del sexo masculino (varones) y negativo en individuos del sexo femenino (hembras). También se tiene en cuenta el número de cuerpos Y que se observa por cada núcleo examinado. Estudio del cromosoma X > Sulomentracetico En el texto se ha tratado sobre el fenómeno de inactivación (heterocromatina facultativa), de uno de los dos cromosomas X en estadios tempranos de preimplantación del cigoto. En el año 1949, los investigadores Barr y Bertran, observaron diferencias entre los núcleos de las células de tejido nervioso. de los animales sobre los que realizaban sus experimentos. A partir de esta observación, se comienzan a rea- lizar estudios que permitieron identificar el hallazgo de estos investigadores sobre la inactivación de uno de los cromosomas X enel sexo femenino. Igual que se realiza para el estudio del cuerpo Y, la muestra se obtiene de raspado de la mucosa bucal y, a diferencia del estudio del cuerpo Y, la colora- ción se puede realizar con colorantes habituales y la observación bajo micros- copio común, lo que facilita el uso común de su estudio. En el núcleo se observa una pequeña masa heterocromática, en forma con- 'yexa con uno de sus lados fijado a la envoltura nuclear que se tiñe intensamente (Fig. 6.2). El principio biológico de esta técnica, se relaciona con la inactivación facultativa de uno de los cromosomas X. Este fenómeno de inactivación del cromosoma X garantiza que solo se exprese uno de los dos cromosomas X en la mujer y, de este modo, se compensa la concentración de la expresión de sus genes en ambos sexos. Se considera que el número de cuerpos de Barr que se observan es igual al número de cromosomas X_ menos 1 (ver en el capítulo 8, cuerpos de Barr en aberraciones cromosómicas del X), En el análisis de 100 células somáticas del tejido en estudio, la mujer presenta aproximadamente 40 % de células en las que se observa un cuerpo Barr que corresponde con el número de cromosomas X-1. El estudio de la cromatina sexual para el análisis del cuerpo Barr es una técnica sencilla, económica, rápida de realizar y útil para identificar la presencia del cromosoma X en recién nacidos con genitales externos no bien definidos y que requieren de la identificación rápida del número de cromosomas X, resulta también útil en otras condiciones tales como: niñas con baja talla, individuos femeninos o masculinos con historia de infertilidad o el sexo de deportistas femeninos de alto rendimiento. Cd qe Cuerpo Barr Fig. 6.2. a) Foto de un núcleo en interfase con el cuerpo de Barr señalado por la flecha. b) Esquema de la imagen de un cuerpo Barr en el núcleo de una célula epitelial Estudio del cariotipo humano El término empleado para referirse al estudio delos cromosomas humanos, es el de cariotipo. A diferencia de la cromatina sexual, la cual su estudio se puede realizar en células en interfase, los cromosomas humanos requieren de la obtención de divisiones celulares. A finales de la década del 50 del siglo:pasado, se desarrollaron técnicas de cultivo de tejidos in vitro, que permitieron identificar el número preciso de cromosomas del humano. En la actualidad, el estudio cromosómico es una técnica muy utilizada. Se puede realizar en diferentes tipos de tejidos como: piel, cartílago, médula ósea, sangre, células de diversos órganos, tejidos fetales y trofoblásticos, que incluyen el líquido amniótico. La sangre periférica, por su fácil obtención, se ha convertido en el tejido más utilizado para los estudios cromosómicos. El cariotipo se define como, la culmi- nación del ordenamiento de los cromosomas humanos según su forma de acuerdo con la posición de su centrómero. A partir de microfotografías las parejas de cromosomas son identificados por su tamaño y morfología y se ordenan en grupos que van de la letra A, a la letra G, y en pares del 1 al 22, Pero también este término (cariotipo), se emplea para referirse al conjunto de cromosomas de unindividuo o al conjunto de cromosomas de una especie, por ejemplo: “el cariotipo de un hombre o mujer” o el “cariotipo humano”. En la actualidad se cuenta con sistemas automatizados, los cuales permiten la confección del cariotipo de forma automática, una vez que por medio del sistema de lentes del microscopio, y a partir de una lámina portaobjeto previa- mente preparada, se capta la imagen de la metafase que se desee estudiar (Fig. 6.3). Existe un sistema internacional de clasificación de los cromosomas, acorda- do en la Conferencia de Paris, en el año 1971. Este sistema se ha enriquecido en la medida en que se han ido perfeccionando las técnicas citogenéticas. De acuerdo con este sistema internacional, cada grupo y par cromosómico tiene las características siguientes: Cromosomas humanos y su estudio 103 HOM Ae A, ALS 7 3 Y 10 Tí 2) m Qupo T > Submentra. EE 16 Fig, 6.3. a) Sistema automatizado para la confección y análisis del cariotipo humano. b) Cariotipo de mujer con bandas G (450 bandas) de cromosomas normales Fundamento biológico: proporcionar alas células condiciones de nutrientes y factores de crecimiento que permitan iniciar y mantener suficientes ciclos celulares ín vitro. — Empleo de FHA (fitohemaglutinina). Fundamento biológico: estimular la división celular de los linfocitos T e iniciar el primer ciclo celular. 104 _ introducción a la Genética Médica = Incubación a 37 *C durante 72 h Fundamento biológico: mantener la temperatura adecuada similar a la cor- poral para lograr el inicio y continuidad del ciclo celular in vitro, - Empleo del uso de colchicina, producto que inhibe la formación del huso acro- mático e incubar a 37 “C por varios minutos. Fundamento biológico: como aún las cromátidas no se han separado y los cromosomas se mantienen en una sola estructura esto permite identificar a 46 cromosomas. - Cosecha de metafases, una vez detenido el cultivo en metafase por el uso de la colchicina, realizar una primera centrifugación. Fundamento biológico: permitir la sedimentación de los elementos formes en el cono del tubo de centrífuga. - Extraer el sobrenadante y sustituirlo por igual cantidad de una disolución hipotónica y realizar segunda centrifugación Fundamento biológico: lisis de los hematies y aumento del volumen de las células cosechadas al igualar las concentraciones de las soluciones entre las células cosechadas y el medio extracelular, de esta forma en las células dete- nidas en metafase los cromosomas se separan lo suficiente para su identifica- ción, evita la sobreposición de estos. — Fijación con ácido acético y metanol Fundamento biológico: permite mantener las características de las células o del tejido procesado. - Extensión sobre una lámina portaobjeto de las gotas deseadas y secar. = Coloración de las láminas obtenidas, para lo que existen diversos métodos según los propósitos del estudio. Se explica con detalles más adelante - Observación bajo microscopio óptico y análisis del número de metafases estimado, según los objetivos del estudio. — Fotografiar o archivar en el ordenador varias metafases, según sea necesa- rio, y la confección de uno o varios cariotipos. Método de coloración para análisis cromosómico común Existen diversos métodos de coloración de los cromosomas después de apli- car procedimientos técnicos que tienen como objetivo común, la identificación de cada pareja cromosómica teniendo en cuenta señales que permitan recono- cer la estructura longitudinal de cada uno de estos. A estas técnicas se les conoce como técnicas de bandas, ya que dejan en toda la longitud del cromosoma un patrón de señales en forma de bandas, que tienen la característica de ser constantes para cada par cromosómico y para cada especie, ya que las bandas obtenidas parecen estar relacionadas con re- giones del ADN ricas en AT(adenina-timina) y GC (guanina-citosina). ás ARE unos IS: 1 Is 16. ” 153 SS 19 2 2 2 x Y DE a Ml Fig. 6.5. Diferencias en el número de bandas de cromosomas 11 y X en alta resolución (prometafásico) con resolución de cromosomas en metafase de 450 bandas. Cromosomas humanos y su estudio 107 por técnicas de ADN recombinante. Con el uso de estas técnicas, la distancia entre grandes mutaciones cromosómicas y mutaciones de un solo gen se acor- ta, y su empleo ha permitido acumular gran cantidad de información sobre las características particulares, de regiones vecinas en una molécula de ADN. Una descripción de los fundamentos técnicos que permiten este tipo de estudio citogenético aparece con más detalles en los capítulos 7 y 12. Describir el cariotipo de forma resumida, ha requerido de un acuerdo entre todos los citogenetistas del mundo. Finalmente se han adoptado un conjunto de abreviaturas y simbolos, con los cuales informar lo que se observa en el análisis del cariotipo, pero de una forma muy sintética En la tabla 6.1 se muestran los términos que de forma habitual utiliza el citogenetista para de forma breve dar a conocer los resultados de sus observa- ciones. Los defectos genéticos expresados en las abreviaturas y símbolos se estudian en detalle en el capitulo 8. Tabla 6.1. Terminología utilizada para la descripción de los cromosomas y sus anormalidades Abreviatura Significado Ejemplo Condición p Brazo corto sp Brazo corto cromosoma 5 q Brazo largo Xq Brazo largo del cromosoma X cen Centrómero tor Region terminal otelómero h Región de heterocromatina + Ganancia 47,XX, +21 Femenino, trisomía 21 46, XY, 8p+ Masculino con porción extra en brazos cortos del cromosoma 8 46, XX, 9qh+ Femenino con región heterocromática grande de región pericentromérica de q - Pérdida 45, X Femenino monosomia 46, XY, Sp- del X. Masculino deleción bra- zo corto del cromosoma 5 / Mosaicismo 45, X/46, XX Dos líneas celulares del Deleción 46, XX, del (Ap) Femenino deleción de los brazos cortos del cromosoma 4 dup Duplicación 46, XY, dup (3p) Masculino duplicación brazos cortos del cromosoma 3 inv Inversión 46, XX, inv(9) Femenino inversión del cromosoma 9 ins Inserción Indica insercion de un segmen- to de un cromosoma en otro i Isocromosoma 46, X, ¡(Xq) Femenino isocromosoma de brazos largos del cromosoma X Cromosomas humanos y su estudio 109 das a las coloraciones deseadas. La técnica de bandas utilizada en cariotipos comunes son las bandas G y la resolución más efectiva es el nivel prometafásico de estudio. El fundamento biológico de las técnicas para el estudio de los cromosomas humanos, se basa en el conocimiento que se tiene sobre el ciclo celular y la división celular, que permite realizar cultivos in vitro al utilizar medios y tempe- raturas adecuadas así como sustancias, como la FHA para el inicio del ciclo celular y la colchicina que impide el progreso del ciclo deteniéndolo en metafase, para lograr el número de células y metafases deseadas La técnica de coloración de bandas G habitualmente utilizada trata las lámi- nas previamente con tripsina y posterior coloración con Giemsa Otras técni- cas de coloración para la obtención de bandas, se realizan cuando es necesario obtener más detalles de algún defecto cromosómico no bien identificado o cuando se proyectan investigaciones especificas. El análisis de cromosomas de mayor resolución se emplea cuando se desea identificar algún defecto pequeño, no identificado en el estudio de rutina. La citogenética molecular ofrece un nivel técnico mucho más especializado, y algunas de sus indicaciones las realizan especialistas en genética clínica cuan- do se quieren identificar defectos submicroscópicos de cromosomas especifi- cos o para uso de los citogenetistas con fines de investigaciones, en las que intervienen grupos de especialistas involucrados en el estudio de las causas de defectos genéticos poco comprendidos. Bibliografía Barch Raven, MJ. (1991): The act eytogenctics laboratory manual. 2nd ed. New York: Press. Dubinin, N.P. (1981): Genética Gencral. Tomo 1. Moscú: Editorial MIR. Nussboum, R. L., Me Inmesn, R.R., H.F Willard (2008): Thompson € Thompson: genética cn medicina 7ma. ed. Elseivier Masson. Mexico. Rimon. D.L.. Connor, .M., Pyentz, R.E.. BR. Korf(2007): Emory and Rimoin's Principles and Practice of Medical Genetics 6 ed. New York: Churchill Livingstone Vol. Scwanitz, G, R. Schubert (1999): Diagnostic Cytogenetics. Rolf-Dieter Wegner (ed.) 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