Cómo las células sexuales obtienen la combinación genética correcta: un enfoque interdisciplinario resuelve un rompecabezas centenario

En la imagen: Imagen de una célula meiótica de Arabidopsis obtenida mediante microscopía de superresolución que muestra el ADN en azul y las proteínas HEI10 en rojo, ZYP1 en verde y ASY1 en amarillo. Crédito: Centro John Innes 

 

Un nuevo descubrimiento explica qué determina el número y la posición de los intercambios genéticos que ocurren en las células sexuales, como el polen y los huevos en las plantas, o los espermatozoides y los óvulos en los humanos.

 

Cuando las células sexuales son producidas por una división celular especial llamada meiosis, los cromosomas intercambian grandes segmentos de ADN. Esto asegura que cada nueva célula tenga una composición genética única y explica por qué, con la excepción de los gemelos idénticos, no hay dos hermanos que sean completamente iguales genéticamente. Estos intercambios de ADN, o cruces, son esenciales para generar diversidad genética , la fuerza impulsora de la evolución, y su frecuencia y posición a lo largo de los cromosomas están estrictamente controladas.

 

El co-primer autor del estudio, el Dr. Chris Morgan, explica la importancia de este fenómeno: "El posicionamiento cruzado tiene implicaciones importantes para la evolución, la fertilidad y la reproducción selectiva. Al comprender los mecanismos que impulsan el posicionamiento cruzado, es más probable que podamos descubrir métodos modificar el posicionamiento cruzado para mejorar las tecnologías actuales de reproducción de plantas y animales ".

 

A pesar de más de un siglo de investigación, el mecanismo celular que determina dónde y cuántos cruces se forman ha permanecido en su mayor parte misterioso, un rompecabezas que ha fascinado y frustrado a muchos científicos eminentes. La frase "interferencia cruzada" se acuñó en 1915 y describe la observación de que cuando ocurre un cruce en un lugar de un cromosoma, inhibe la formación de cruces cercanos.

 

Utilizando una combinación de vanguardia de modelado matemático y microscopía de superresolución '3D-SIM', un equipo de investigadores del Centro John Innes ha resuelto este misterio centenario identificando un mecanismo que garantiza que los números y las posiciones cruzadas sean 'correctos': no demasiados, no muy pocos y no muy juntos.

 

El equipo estudió el comportamiento de una proteína llamada HEI10 que juega un papel integral en la formación de cruces en la meiosis. La microscopía de súper resolución reveló que las proteínas HEI10 se agrupan a lo largo de los cromosomas, formando inicialmente muchos grupos pequeños. Sin embargo, a medida que pasa el tiempo, las proteínas HEI10 se concentran en solo una pequeña cantidad de grupos mucho más grandes que, una vez que alcanzan una masa crítica, pueden desencadenar la formación de cruces.

 

Estas medidas se compararon luego con un modelo matemático que simula este agrupamiento, basado en la difusión de las moléculas HEI10 y reglas simples para su agrupamiento. El modelo matemático fue capaz de explicar y predecir muchas observaciones experimentales, incluida que la frecuencia de cruce podría modificarse de manera confiable simplemente alterando la cantidad HEI10.

 

El coautor principal, el Dr. John Fozard, explica: "Nuestro estudio muestra que los datos de imágenes de superresolución de células reproductoras de Arabidopsis son consistentes con un modelo matemático de 'engrosamiento mediado por difusión' para patrones cruzados en Arabidopsis. El modelo nos ayuda a comprender el patrón de cruces a lo largo de cromosomas meióticos ".

 

El trabajo se basa en el legado del Centro John Innes de utilizar plantas como organismos modelo para estudiar aspectos conservados y fundamentales de la genética. Este mismo proceso también fue estudiado por los alumnos de JIC JBS Haldane y Cyril Darlington en la década de 1930. El modelo también es compatible con las predicciones que hizo otro famoso alumno de JIC, Robin Holliday, en la década de 1970.

 

El autor correspondiente, el profesor Martin Howard, añade: "Este trabajo es un gran ejemplo de investigación interdisciplinaria, donde se necesitaban tanto experimentos de vanguardia como modelos matemáticos para desbloquear el corazón del mecanismo. Una vía futura emocionante será evaluar si nuestro modelo puede explicar con éxito los patrones cruzados en otros organismos diversos ".

 

Esta investigación será particularmente valiosa para cultivos de cereales, como el trigo, en los que los cruces se restringen principalmente a regiones específicas de los cromosomas, lo que evita que el potencial genético completo de estas plantas esté disponible para los fitomejoradores.

 

Publicación: 04/Agosto/2021

Fuente:
Phys.Org

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