cromosoma equilibrador

Los cromosomas balanceadores (o simplemente balanceadores ) son un tipo de cromosoma modificado genéticamente que se utiliza en biología de laboratorio para el mantenimiento de mutaciones letales recesivas (o estériles) en organismos vivos sin la interferencia de la selección natural . Dado que estas mutaciones solo son viables en heterocigotos , no pueden mantenerse de forma estable a través de generaciones sucesivas y, por lo tanto, conducen continuamente a la producción de organismos de tipo silvestre , lo que puede prevenirse reemplazando el cromosoma homólogo de tipo silvestre con un balanceador. En este sentido, los balanceadores son cruciales para la investigación genética en organismos modelo como Drosophila melanogaster , la mosca de la fruta común, de la cual no se pueden almacenar cepas (por ejemplo, congeladas). También pueden utilizarse en cribados genéticos directos para identificar específicamente mutaciones letales recesivas (o estériles). Por esta razón, los balanceadores también se utilizan en otros organismos modelo, sobre todo en el nematodo Caenorhabditis elegans y el ratón. ^{[ 1 ]}

Los cromosomas equilibradores típicos están diseñados para (1) portar mutaciones letales recesivas, eliminando los homocigotos que no portan la mutación deseada; (2) suprimir la recombinación meiótica con sus homólogos, lo que impide la creación de novo de cromosomas de tipo salvaje; y (3) portar marcadores genéticos dominantes , que pueden ayudar a identificar recombinantes raros y son útiles para fines de cribado.

Los cromosomas balanceadores fueron utilizados por primera vez en la mosca de la fruta por Hermann Muller , quien fue pionero en el uso de la radiación para la mutagénesis de organismos . ^{[ 2 ]}

En el uso moderno de cromosomas equilibradores, las mutaciones aleatorias se inducen primero exponiendo organismos vivos con cromosomas normales a sustancias que causan daño al ADN ; en moscas y nematodos, esto suele ocurrir alimentando a las larvas con metanosulfonato de etilo (EMS). Las larvas con ADN dañado (o los adultos en los que se desarrollan) se analizan para detectar mutaciones. Cuando se observa un fenotipo de interés, la línea que expresa la mutación se cruza con otra línea que contiene cromosomas equilibradores para mantener su linaje. ^{[ 3 ]} En un caso, se utilizaron equilibradores para analizar genéticamente una población de Caenorhabditis elegans . Para entonces, los científicos ya se habían dado cuenta de las ventajas de poder analizar genéticamente poblaciones de organismos para su estudio. Igualmente importante, también se dieron cuenta de que podían limitar el entrecruzamiento en estas poblaciones, así como darles composiciones genéticas muy consistentes. ^{[ 4 ]}

El uso de cromosomas equilibradores se ha convertido en un método bien conocido y ampliamente utilizado para el cribado genético de organismos modelo. Incluso se emplean para investigar el papel del empaquetamiento de la heterocromatina y su efecto en los genes, ^{[ 5 ]} así como en estudios sobre los efectos de los telómeros en el silenciamiento génico . ^{[ 6 ]}

En organismos diploides , las mutaciones sin fenotipos letales recesivos (o estériles) pueden simplemente cruzarse hasta alcanzar la homocigosidad y mantenerse de forma estable e indefinida mediante el cruce de homocigotos. Sin embargo, los homocigotos para mutaciones letales recesivas son, por definición, inviables, ya que la presencia del alelo letal recesivo en ambos cromosomas homólogos provoca la muerte del organismo en una etapa temprana del desarrollo; un organismo homocigoto para una mutación recesiva que causa esterilidad produce esencialmente el mismo resultado (es decir, su material genético no puede transmitirse a la descendencia, incluso si el individuo estéril sobrevive hasta la madurez). Este problema obliga a los genetistas que desean estudiar mutaciones letales/estériles recesivas a mantener la mutación en organismos heterocigotos (en los que un cromosoma que contiene una mutación letal/estéril recesiva se complementa con un homólogo que funciona como el tipo silvestre en el mismo locus, lo que permite al organismo sobrevivir y reproducirse de forma más o menos normal).

Los cruces entre heterocigotos producen organismos de tipo silvestre, además de heterocigotos y homocigotos no viables. Para mantener una línea puramente heterocigota, es necesario identificar la descendencia de tipo silvestre e impedir su reproducción. Esto puede resultar prohibitivo en términos de recursos, especialmente si el objetivo es el mantenimiento a largo plazo de la mutación recesiva.

Sustituir un cromosoma equilibrador por el homólogo de tipo silvestre del cromosoma portador de la mutación recesiva impide el establecimiento de organismos de tipo silvestre de varias maneras. Primero, un equilibrador porta su propia mutación letal recesiva independiente, lo que hace que el organismo no sea viable si se heredan dos copias del equilibrador (es decir, ninguna copia de la mutación deseada). Sin embargo, la recombinación entre el equilibrador y el homólogo que contiene el alelo mutado también puede dar lugar a la creación de novo de un cromosoma de tipo silvestre. Para suprimir la recombinación, los equilibradores suelen albergar múltiples inversiones cromosómicas anidadas, de modo que la sinapsis entre los cromosomas homólogos se ve interrumpida. ^{[ 7 ]} Si se produce el entrecruzamiento, a menudo es desequilibrado, y cada cromátida resultante carece de algunos genes y porta dos copias de otros. El proceso también puede dar lugar a cromosomas dicéntricos o acéntricos (cromosomas con dos centrómeros o sin centrómero), que son inherentemente inestables y suelen acabar rompiéndose y mutando o perdiéndose durante la mitosis posterior . Es muy probable que todos estos resultados sean letales.

Finalmente, las moscas con cromosomas equilibradores se identifican fácilmente mediante mutaciones en marcadores genéticos. Por ejemplo, alas rizadas o pelo ralo. Estos fenotipos permiten a los investigadores reconocer fácilmente las moscas portadoras del cromosoma equilibrador. ^{[ 8 ]} En el improbable caso de una recombinación viable, el marcador puede perderse, alertando así a los investigadores sobre el evento.

Es importante destacar que la supresión de la recombinación por inversiones anidadas solo ocurre en los intervalos invertidos, mientras que otras regiones (generalmente pericentroméricas y subteloméricas) pueden recombinarse libremente. Del mismo modo, si la mutación deseada se encuentra en el mismo locus que la mutación letal recesiva del equilibrador (es decir, está en fuerte desequilibrio de ligamiento con ella), la recombinación que dé como resultado un cromosoma de tipo silvestre es muy improbable, independientemente de las inversiones que suprimen la recombinación.

Además de mantener una mutación letal recesiva (o estéril) aislada, los cromosomas equilibradores también son útiles en cribados genéticos directos para identificar dichas mutaciones. En estos cribados, se cruzan organismos mutagenizados aleatoriamente que portan un cromosoma equilibrador. La descendencia que porta el cromosoma equilibrador, identificado por el marcador dominante, puede cruzarse con sus hermanos de camada. Cualquier cruce que no produzca animales negativos al marcador probablemente sea el resultado de una mutación letal recesiva en el cromosoma no equilibrador. Por supuesto, solo se puede analizar de esta manera el intervalo genómico cubierto por las inversiones en el cromosoma equilibrador, ya que las mutaciones letales recesivas en otros intervalos y en otros cromosomas se pierden.

Los cromosomas balanceadores se nombran según el cromosoma que estabilizan y el marcador fenotípico o genético que portan. ^{[ 9 ]} La nomenclatura de los cromosomas balanceadores en D. melanogaster se ha estandarizado de la siguiente manera: la primera letra del nombre del cromosoma representa el número del cromosoma que estabiliza. F corresponde al primer cromosoma, S al segundo y T al tercero. El pequeño cuarto cromosoma no experimenta recombinación y, por lo tanto, no requiere balanceo. A esta letra le sigue una M de "multiplicado invertido". La M va seguida de un número para distinguir los balanceadores del mismo cromosoma. Además, el marcador o marcadores genéticos dentro del balanceador se enumeran después del nombre y se separan por una coma. Generalmente, se utilizan mutaciones con rasgos fenotípicos dominantes fácilmente observables que suelen ser letales en homocigosis para asegurar que toda la descendencia sea heterocigota. Por ejemplo, el balanceador TM3, Sb, de uso común , estabiliza el tercer cromosoma y porta un gen mutante Sb ("rastrojo") como marcador dominante. Todas las moscas que contienen el balancer TM3, Sb tendrán pelos cortos o ralos en la parte posterior del abdomen, que se ven fácilmente al observarlos con un microscopio. El número 3 distingue a este balancer de otros balancers del tercer cromosoma, como TM1 y TM2 .

Se dice que una línea es "doblemente equilibrada" si es heterocigota para dos cromosomas equilibradores diferentes (por ejemplo, TM6, Tb/TM3, Ser ) en un cromosoma y un mutante homocigoto letal, heterocigoto visible en el otro cromosoma de tipo silvestre (por ejemplo, D/TM3, Ser ). La mayoría de los cromosomas equilibradores también portan un alelo recesivo, como la mutación "ébano", que solo se manifiesta en estas líneas con dos cromosomas equilibradores. Dichas líneas se utilizan a menudo para proporcionar fuentes de rasgos fácilmente rastreables al cruzar dos líneas diferentes, de modo que se pueda seleccionar la descendencia correcta de cada cruce. Las líneas doblemente equilibradas en los cromosomas segundo y tercero de Drosophila están ampliamente disponibles en los bancos de cepas de moscas.

Los cromosomas balanceadores proporcionan a los genetistas un método fiable para examinar genéticamente organismos en busca de una mutación específica y mantenerla de forma consistente en generaciones posteriores. En el artículo "The Autosomal Flp-Dfs Technique for Generating Germline Mosaics in Drosophila melanogaster" se explora una nueva técnica que utiliza cromosomas balanceadores , la cual demostró por primera vez la posibilidad de examinar una mutación recesiva que solo muestra un fenotipo en estado homocigoto. Con los métodos antiguos de cromosomas balanceadores, el cribado genético solo permitía la selección de mutaciones dominantes heterocigotas. Este experimento utiliza el cribado clonal para detectar individuos homocigotos y mantenerlos en una línea constante. ^{[ 12 ]} Lo lograron utilizando el gen de la recombinasa FLP , aislado de la levadura, que causa grandes inversiones cromosómicas . Mediante ensayo y error, descubrieron que los cromosomas podían recombinarse de manera que cada uno tuviera la mutación recesiva, mientras que la otra mitad contenía la mitad de un cromosoma balanceador con un marcador físico y una mutación recesiva letal. El otro homólogo no contenía el alelo recesivo letal en las líneas que sobrevivieron. La figura uno del artículo ilustra el cribado. Esta nueva técnica permitió el cribado de alelos recesivos en el 95 % del genoma de Drosophila . También mejoró notablemente el rendimiento en mutaciones de la línea germinal. ^{[ 12 ]}

Otro artículo publicado que empleó el uso de cromosomas balanceadores es "Inhibición de la interferencia de ARN y modulación de la expresión de elementos transponibles por muerte celular en Drosophila" . Este artículo demuestra el poder de los cromosomas balanceadores y lo que se puede lograr con líneas genéticamente estables. Se estableció una línea que exhibía bajos niveles de muerte celular y se denominó EGFPir hs-hid. Al analizar los niveles de ARN de interferencia (ARNi ), los autores encontraron resultados interesantes en las células que experimentaban bajos niveles de muerte celular y en las células circundantes del tejido. Descubrieron que estas células desactivaban su mecanismo de ARNi al mantener el ARN en un estado de doble cadena; es decir, si el ARN permanece en un estado de doble cadena, el mecanismo de ARNi de silenciamiento génico queda efectivamente desactivado.

Los autores especularon que esta respuesta era una tendencia evolutiva hacia una respuesta inmune redundante contra los virus de ARN. Si una célula ya está experimentando muerte celular para intentar detener la propagación de un virus, entonces la respuesta inmune de ARN de interferencia (ARNi) ha sido ineficaz. Esto provoca otra respuesta inmune que intenta detener el virus, la cual se une al ARN de doble cadena y lo mantiene en esa forma para que no pueda transcribirse en proteínas virales. Se desconoce el mecanismo preciso por el cual se mantiene el ARN de doble cadena. ^{[ 13 ]}