Tenemos dos copias de cada cromosoma en cada célula de nuestro cuerpo, excepto las células reproductivas. Los espermatozoides y los óvulos contienen una única copia de cada cromosoma con una mezcla única de genes de nuestros padres, un truco evolutivo para dar variabilidad genética a nuestra descendencia. El espermatozoide y el óvulo se producen durante la meiosis, el proceso mediante el cual las células con dos copias cromosómicas reducen su número de cromosomas a uno. Para que la meiosis funcione, los dos cromosomas deben estar perfectamente alineados e intercambiar la cantidad correcta de información genética. Cualquier desviación pone en riesgo la fertilidad.
Ingrese al complejo sinaptonémico (SC), una estructura proteica en forma de cremallera que alinea y ancla los dos cromosomas parentales, de un extremo a otro, para facilitar los intercambios genéticos exitosos. La falta de regulación de este intercambio es una de las principales causas de infertilidad humana relacionada con la edad y puede comprometer la fertilidad en todo el árbol de la vida. Los humanos, los hongos, las plantas, los gusanos y cualquier cosa que se reproduzca sexualmente utilizan el SC para producir células reproductivas, conocidas como gametos. A pesar de su importancia, no entendemos cómo las proteínas dentro del SC regulan las interacciones cromosómicas porque este proceso de varios pasos tiene lugar en los órganos internos y ha sido imposible de recrear en el laboratorio.
en un nuevo para estudiarBiólogos de la Universidad de Utah han desarrollado un método para iluminar las intrincadas interacciones SC en el nematodo C. elegans. Los autores identificaron un trío de segmentos de proteínas que guían las interacciones cromosómicas e identificaron el lugar donde interactúan entre sí. Su nuevo método utiliza una técnica conocida como detección de supresores de genes, que podría servir como modelo para la investigación de grandes conjuntos celulares que resisten el análisis estructural tradicional.
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«Esta es una manera de bloquear sistemas en células que son demasiado 'flexibles' para usar métodos que dependen de la cristalización», dijo. Oferta Rog, profesor asociado de biología en la U y autor principal del estudio. “Muchas de las interacciones en las células están vagamente relacionadas entre sí. El problema es que no se puede observar con un microscopio electrónico porque nada es lo suficientemente estable: todo está en constante movimiento. Nuestro enfoque nos permite estudiar incluso interacciones que son relativamente débiles o transitorias».
oh para estudiar publicado el 6 de diciembre de 2023 en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Los pájaros y las abejas… y los nematodos
Profundicemos más en la meiosis. Los cromosomas son estructuras en forma de hilos hechas de ADN que transportan información genética cuando las células se dividen y de generación en generación. Las células regulares tienen una cierta cantidad de cromosomas; los humanos tenemos 46 y C. elegans tenemos 12. Los cromosomas vienen en pares llamados cromosomas homólogos que llevan los genes que heredamos de cada uno de nuestros padres: uno de nuestra madre y otro de nuestro padre. Cuando comienza la meiosis, los cromosomas homólogos se organizan en estructuras alargadas dispuestas a lo largo de una columna vertebral llamada eje. Los ejes de los pares homólogos están alineados longitudinalmente entre sí mientras que, al mismo tiempo, se forma el complejo sinaptonémico (SC) entre los ejes paralelos. Los pares homólogos tienen genes correspondientes dispuestos en el mismo orden, con pequeñas variaciones dentro de los genes; estas son las variaciones que hacen que cada individuo sea único.
«Puedes pensar en ello como una cremallera», explicó Rog. “Los ejes de los cromosomas son como los dos lados de tu camisa. El complejo sinaptonémico es como los dientes de una cremallera que se unen y pueden tirar y alinear ambos lados de la camisa correctamente”.
El científico ya sabía que el SC de C. elegans formado entre homólogos, pero los biólogos de la U son los primeros en identificar la posición exacta donde el SC interactúa consigo mismo para facilitar los intercambios genéticos.
«Cuando intercambias información entre cromosomas, quieres asegurarte de que al final todavía tengas dos cromosomas completos», dijo Rog. “La forma en que la célula hace esto es que los dos cromosomas están perfectamente alineados. Así, al intercambiar segmentos entre ellos, no se pierde ninguna información en el proceso.
Cómo analizar estructuras sueltas
Los investigadores crearon 50.000 nematodos que tenían defectos sensibles a la temperatura en el SC. A altas temperaturas, los gusanos no pudieron formar la cremallera de proteína SC necesaria para unir los cromosomas. Sin la cremallera, los intercambios genéticos durante la meiosis no se produjeron o no se produjeron en la cantidad adecuada. Lisa Kursel, investigadora postdoctoral y autora principal del estudio, dirigió los experimentos.
«Cultivamos los gusanos a una temperatura más baja y más permisiva, luego los expusimos a una sustancia química que causó millones de mutaciones a lo largo de sus cromosomas y observamos si alguno de los gusanos mutantes podía reproducirse a una temperatura más cálida», dijo Kursel. Las mutaciones inducidas químicamente que corrigen la infertilidad del nematodo se conocen como mutaciones supresoras. «Entonces sabríamos si las mutaciones supresoras restauraron su fertilidad».
Para identificar animales con mutaciones que los hicieran nuevamente fértiles, los investigadores colocaron los nematodos en placas de agar llenas de sabrosas bacterias. Las placas de agar que contenían nematodos fértiles pronto quedaron vacías cuando sus crías comieron el alimento. Las placas de agar con gusanos estériles murieron antes de que pudieran limpiar la placa, lo que permitió que las bacterias prosperaran.
Una vez que tuvieron nematodos fértiles, pudieron probar si la mutación “arregló” la cremallera de la proteína. Luego examinaron cada par de bases del ADN (100 millones de pares de bases) e identificaron qué mutaciones restablecían la capacidad de reproducción de los gusanos. Descubrieron que todas las mutaciones útiles se producían en segmentos cortos de tres proteínas: SYP-1, SYP-3 y SYP-4. Además, las mutaciones llevaban firmas de interacción distintas. Por ejemplo, mientras que las mutaciones originales cambiaron la carga eléctrica de positiva a negativa, las mutaciones útiles invirtieron la carga.
«Esto fue una fuerte indicación de que SYP-1, SYP-3 y SYP-4 interactúan entre sí como imanes, con regiones positivas y negativas atraídas entre sí», dijo Rog. Estas interacciones «pegajosas» también podrían ayudar a unir los cromosomas.
Jesús Aguayo Martínez, estudiante de biología y coautor del estudio, analizó el comportamiento de la mutación supresora en nematodos sin la mutación original que altera la SC.
“Razonamos que, dado que la mutación original por sí sola producía un defecto de fertilidad, los nematodos con la mutación supresora por sí sola también tendrían un defecto de fertilidad. Ese no fue el caso”, dijo Aguayo Martínez. «Sorprendentemente, los gusanos normales y los gusanos con sólo mutaciones supresoras produjeron un número similar de descendientes».
Próximos pasos
Descubrir el papel de las SC en la meiosis podría ayudar a comprender mejor la fertilidad en humanos. El SC tiene un papel similar en todos los eucariotas, desde nematodos hasta hongos, desde plantas hasta humanos. Anterior buscar realizado por el Rog Lab de la U mostró que la estructura en sí tiene el mismo aspecto y actúa de manera similar para unir los cromosomas parentales para facilitar los intercambios. Sin embargo, las secuencias reales de los componentes proteicos son diferentes entre organismos. Este patrón es inusual: la mayoría de las estructuras celulares que realizan funciones básicas y esenciales, como la división celular, la duplicación del genoma o el metabolismo, están altamente conservadas y, de hecho, pueden intercambiarse entre diferentes organismos.
“Una pregunta en la que pensamos mucho es ¿qué tiene de especial SC? ¿Por qué puede hacer lo mismo y verse igual pero constar de diferentes componentes?” —Preguntó Rog.
Referencia: Kursel LE, Martinez JEA, Rog O. Una pantalla supresora en C. elegans identifica una interacción multiproteica que estabiliza el complejo sinaptonémico. PNAS. 2023;120(50):e2314335120. hacer: 10.1073/pnas.2314335120
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