Articulo de referencia

impronta genómica

La impronta genómica es un fenómeno epigenético que hace que los genes se expresen o no, dependiendo de si se heredan del progenitor femenino o masculino. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ...

La impronta genómica es un fenómeno epigenético que hace que los genes se expresen o no, dependiendo de si se heredan del progenitor femenino o masculino. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Los genes también pueden estar parcialmente improntados. La impronta parcial ocurre cuando los alelos de ambos progenitores se expresan de manera diferente en lugar de la expresión completa y la supresión completa del alelo de uno de los progenitores. [ 6 ] Se han demostrado formas de impronta genómica en hongos, plantas y animales. [ 7 ] [ 8 ] Hasta 2019, se habían reportado 260 genes improntados en ratones y 228 en humanos. [ 9 ]

La impronta genómica es un proceso de herencia independiente de la herencia mendeliana clásica . [ 10 ] Es un proceso epigenético que implica la metilación del ADN y la metilación de las histonas sin alterar la secuencia genética. Estas marcas epigenéticas se establecen ("improntan") en la línea germinal (espermatozoides u óvulos) de los padres y se mantienen a través de las divisiones celulares mitóticas en las células somáticas de un organismo. [ 11 ]

La impronta adecuada de ciertos genes es importante para el desarrollo normal. Las enfermedades humanas que implican impronta genómica incluyen los síndromes de Angelman , Prader-Willi y Beckwith-Wiedemann . [ 12 ] Los defectos de metilación también se han asociado con la infertilidad masculina . [ 3 ]

Descripción general

En los organismos diploides (como los humanos), las células somáticas poseen dos copias del genoma , una heredada del padre y otra de la madre. Por lo tanto, cada gen autosómico está representado por dos copias, o alelos, heredándose una copia de cada progenitor en la fecundación . El alelo expresado depende de su origen parental. Por ejemplo, el gen que codifica el factor de crecimiento similar a la insulina 2 (IGF2/Igf2) solo se expresa a partir del alelo heredado del padre. Aunque la impronta genómica representa una pequeña proporción de los genes de los mamíferos, desempeña un papel importante en la embriogénesis, particularmente en la formación de las estructuras viscerales y el sistema nervioso. [ 13 ]

El término "impronta" se utilizó por primera vez para describir eventos en el insecto Pseudococcus nipae . [ 14 ] En los pseudocóccidos ( cochinillas harinosas ) ( Hemiptera , Coccoidea ) tanto el macho como la hembra se desarrollan a partir de un óvulo fecundado. En las hembras, todos los cromosomas permanecen eucromáticos y funcionales. En los embriones destinados a convertirse en machos, un conjunto haploide de cromosomas se vuelve heterocromatinizado después de la sexta división de segmentación y permanece así en la mayoría de los tejidos; por lo tanto, los machos son funcionalmente haploides. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

Genes improntados en mamíferos

Que la impronta podría ser una característica del desarrollo de los mamíferos se sugirió en experimentos de reproducción en ratones portadores de translocaciones cromosómicas recíprocas . [ 18 ] Los experimentos de trasplante de núcleo en cigotos de ratón a principios de la década de 1980 confirmaron que el desarrollo normal requiere la contribución de los genomas materno y paterno. La gran mayoría de los embriones de ratón derivados de la partenogénesis (llamados partenogenones, con dos genomas maternos o de óvulo) y la androgénesis (llamados androgenones, con dos genomas paternos o de esperma) mueren en la etapa de blastocisto/implantación o antes. En los raros casos en que se desarrollan hasta etapas posteriores a la implantación, los embriones ginogenéticos muestran un mejor desarrollo embrionario en relación con el desarrollo placentario, mientras que para los androgenones, es cierto lo contrario. Sin embargo, para estos últimos, solo se han descrito unos pocos (en un artículo de 1984). [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] Sin embargo, en 2018 la edición del genoma permitió la creación de ratones bipaternos y bimaternos viables [ 22 ] [ 23 ] e incluso (en 2022) partenogénesis, aunque esto aún está lejos de la reimpresión completa. [ 24 ] Finalmente, en marzo de 2023 se crearon embriones bipaternos viables. [ 25 ]

No existen casos naturales de partenogénesis en mamíferos debido a la impronta genética. Sin embargo, en 2004, la manipulación experimental realizada por investigadores japoneses de una impronta de metilación paterna que controla el gen Igf2 dio como resultado el nacimiento de una ratona (llamada Kaguya ) con dos conjuntos de cromosomas maternos, aunque no se trata de una verdadera partenogénesis, ya que se utilizaron células de dos ratonas diferentes. Los investigadores lograron este éxito utilizando un óvulo de un progenitor inmaduro, reduciendo así la impronta materna, y modificándolo para que expresara el gen Igf2, que normalmente solo se expresa mediante la copia paterna del gen.

Los embriones partenogenéticos/ginogenéticos tienen el doble del nivel normal de expresión de genes de origen materno y carecen de expresión de genes de origen paterno, mientras que ocurre lo contrario en los embriones androgenéticos. Actualmente se sabe que existen al menos 80 genes improntados en humanos y ratones, muchos de los cuales participan en el crecimiento y desarrollo embrionario y placentario. [ 11 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] La descendencia híbrida de dos especies puede presentar un crecimiento inusual debido a la combinación novedosa de genes improntados. [ 29 ]

Se han utilizado varios métodos para identificar genes improntados. En cerdos, Bischoff et al. compararon perfiles transcripcionales utilizando microarrays de ADN para analizar genes expresados ​​diferencialmente entre partenotes (2 genomas maternos) y fetos de control (1 genoma materno, 1 paterno). [ 30 ] Un estudio interesante que analizó el transcriptoma de tejidos cerebrales murinos reveló más de 1300 loci de genes improntados (aproximadamente 10 veces más que lo informado previamente) mediante secuenciación de ARN de híbridos F1 resultantes de cruces recíprocos. [ 31 ] Sin embargo, otros han cuestionado este resultado, afirmando que se trata de una sobreestimación de un orden de magnitud debido a un análisis estadístico defectuoso. [ 32 ] [ 33 ]

En el ganado doméstico, se ha demostrado que los polimorfismos de un solo nucleótido en genes improntados que influyen en el crecimiento y desarrollo fetal están asociados con rasgos de producción económicamente importantes en bovinos, ovinos y porcinos. [ 34 ] [ 35 ]

Mapeo genético de genes improntados

Al mismo tiempo que se generaban los embriones ginogenéticos y androgenéticos mencionados anteriormente, también se generaban embriones de ratón que contenían solo pequeñas regiones derivadas de una fuente paterna o materna. [ 36 ] [ 37 ] La generación de una serie de tales disomías uniparentales , que en conjunto abarcan todo el genoma, permitió la creación de un mapa de impronta. [ 38 ] Aquellas regiones que, al ser heredadas de un solo progenitor, dan como resultado un fenotipo discernible contienen genes improntados. Investigaciones posteriores mostraron que dentro de estas regiones a menudo había numerosos genes improntados. [ 39 ] Alrededor del 80% de los genes improntados se encuentran en grupos como estos, llamados dominios improntados, lo que sugiere un nivel de control coordinado. [ 5 ] Más recientemente, los análisis genómicos para identificar genes improntados han utilizado la expresión diferencial de ARNm de fetos de control y fetos partenogenéticos o androgenéticos hibridados con microarrays de perfil de expresión génica , [ 40 ] la expresión génica específica de alelos mediante microarrays de genotipado de SNP , [ 41 ] la secuenciación del transcriptoma, [ 42 ] y pipelines de predicción in silico. [ 43 ]

Mecanismos de impresión

La impronta genética es un proceso dinámico. Debe ser posible borrar y restablecer las improntas a través de cada generación para que los genes que se imprimen en un adulto puedan expresarse en su descendencia. (Por ejemplo, los genes maternos que controlan la producción de insulina se imprimen en un varón, pero se expresan en cualquiera de sus descendientes que hereden estos genes). Por lo tanto, la naturaleza de la impronta debe ser epigenética, en lugar de depender de la secuencia de ADN. En las células germinales , la impronta se borra y luego se restablece según el sexo del individuo; es decir, en el espermatozoide en desarrollo (durante la espermatogénesis ), se establece una impronta paterna, mientras que en los ovocitos en desarrollo ( oogénesis ), se establece una impronta materna. Este proceso de borrado y reprogramación [ 44 ] es necesario para que el estado de impronta de las células germinales sea relevante para el sexo del individuo. Tanto en plantas como en mamíferos, existen dos mecanismos principales que intervienen en el establecimiento de la impronta: la metilación del ADN y las modificaciones de las histonas .

Recientemente, un nuevo estudio [ 45 ] ha sugerido un nuevo mecanismo de impronta heredable en humanos que sería específico del tejido placentario e independiente de la metilación del ADN (el mecanismo principal y clásico de la impronta genómica). Esto se observó en humanos, pero no en ratones, lo que sugiere un desarrollo posterior a la divergencia evolutiva de humanos y ratones, hace aproximadamente 80 millones de años . Entre las explicaciones hipotéticas para este nuevo fenómeno, se han propuesto dos posibles mecanismos: una modificación de histonas que confiere impronta en nuevos loci improntados específicos de la placenta o, alternativamente, el reclutamiento de DNMT a estos loci por un factor de transcripción específico y desconocido que se expresaría durante la diferenciación temprana del trofoblasto.

Regulación

La agrupación de genes improntados en clústeres les permite compartir elementos reguladores comunes, como ARN no codificantes y regiones diferencialmente metiladas (DMR) . Cuando estos elementos reguladores controlan la impronta de uno o más genes, se denominan regiones de control de la impronta (ICR). Se ha demostrado que la expresión de ARN no codificantes , como el ARN antisentido Igf2r ( Air ) en el cromosoma 17 del ratón y KCNQ1OT1 en el cromosoma 11p15.5 humano, es esencial para la impronta de los genes en sus regiones correspondientes. [ 46 ]

Las regiones diferencialmente metiladas son generalmente segmentos de ADN ricos en nucleótidos de citosina y guanina , con los nucleótidos de citosina metilados en una copia pero no en la otra. Contrariamente a lo esperado, la metilación no implica necesariamente silenciamiento; en cambio, el efecto de la metilación depende del estado basal de la región. [ 47 ]

Funciones de los genes improntados

El control de la expresión de genes específicos mediante impronta genómica es exclusivo de los mamíferos terios ( mamíferos placentarios y marsupiales ) y las plantas con flores. Se ha informado de la impronta de cromosomas completos en cochinillas (género: Pseudococcus ) [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] y en un mosquito de los hongos ( Sciara ). [ 48 ] También se ha establecido que la inactivación del cromosoma X ocurre de manera improntada en los tejidos extraembrionarios de ratones y en todos los tejidos de los marsupiales, donde siempre es el cromosoma X paterno el que se silencia. [ 5 ] [ 49 ]

Se ha descubierto que la mayoría de los genes improntados en mamíferos desempeñan funciones en el control del crecimiento y desarrollo embrionario, incluido el desarrollo de la placenta. [ 26 ] [ 50 ] Otros genes improntados participan en el desarrollo posnatal, con funciones que afectan la lactancia y el metabolismo. [ 50 ] [ 51 ]

Hipótesis sobre los orígenes de la impronta

Una hipótesis ampliamente aceptada para la evolución de la impronta genómica es la "hipótesis del conflicto parental". [ 52 ] También conocida como la teoría del parentesco de la impronta genómica, esta hipótesis afirma que la desigualdad entre los genomas parentales debido a la impronta es el resultado de los diferentes intereses de cada progenitor en términos de la aptitud evolutiva de sus genes . [ 53 ] [ 54 ] Los genes del padre que codifican para la impronta obtienen una mayor aptitud a través del éxito de la descendencia, a expensas de la madre . El imperativo evolutivo de la madre a menudo es conservar recursos para su propia supervivencia mientras proporciona suficiente nutrición a las camadas actuales y posteriores. En consecuencia, los genes expresados ​​paternamente tienden a ser promotores del crecimiento, mientras que los genes expresados ​​maternamente tienden a ser limitantes del crecimiento. [ 52 ] En apoyo de esta hipótesis, se ha encontrado impronta genómica en todos los mamíferos placentarios, donde el consumo de recursos de la descendencia posterior a la fertilización a expensas de la madre es alto; Aunque también se ha encontrado en aves ovíparas [ 55 ] [ 56 ] donde hay relativamente poca transferencia de recursos post-fertilización y, por lo tanto, menos conflicto parental. Un pequeño número de genes improntados evolucionan rápidamente bajo selección darwiniana positiva, posiblemente debido a la coevolución antagónica. [ 57 ] La mayoría de los genes improntados muestran altos niveles de conservación de microsintenia y han sufrido muy pocas duplicaciones en los linajes de mamíferos placentarios. [ 57 ]

Sin embargo, nuestra comprensión de los mecanismos moleculares que subyacen a la impronta genómica muestra que es el genoma materno el que controla gran parte de la impronta tanto de sus propios genes como de los genes de origen paterno en el cigoto, lo que dificulta explicar por qué los genes maternos cederían voluntariamente su dominio al de los genes de origen paterno a la luz de la hipótesis del conflicto. [ 58 ]

Another hypothesis proposed is that some imprinted genes act coadaptively to improve both fetal development and maternal provisioning for nutrition and care.[59][58][60] In it, a subset of paternally expressed genes are co-expressed in both the placenta and the mother's hypothalamus. This would come about through selective pressure from parent-infant coadaptation to improve infant survival. Paternally expressed 3 (PEG3) is a gene for which this hypothesis may apply.[59]

Others have approached their study of the origins of genomic imprinting from a different side, arguing that natural selection is operating on the role of epigenetic marks as machinery for homologous chromosome recognition during meiosis, rather than on their role in differential expression.[61] This argument centers on the existence of epigenetic effects on chromosomes that do not directly affect gene expression, but do depend on which parent the chromosome originated from.[62] This group of epigenetic changes that depend on the chromosome's parent of origin (including both those that affect gene expression and those that do not) are called parental origin effects, and include phenomena such as paternal X inactivation in the marsupials, nonrandom parental chromatid distribution in the ferns, and even mating type switching in yeast.[62] This diversity in organisms that show parental origin effects has prompted theorists to place the evolutionary origin of genomic imprinting before the last common ancestor of plants and animals, over a billion years ago.[61]

Natural selection for genomic imprinting requires genetic variation in a population. A hypothesis for the origin of this genetic variation states that the host-defense system responsible for silencing foreign DNA elements, such as genes of viral origin, mistakenly silenced genes whose silencing turned out to be beneficial for the organism.[63] There appears to be an over-representation of retrotransposed genes, that is to say genes that are inserted into the genome by viruses, among imprinted genes. It has also been postulated that if the retrotransposed gene is inserted close to another imprinted gene, it may just acquire this imprint.[64]

Imprinted loci phenotypic signatures

Desafortunadamente, la relación entre el fenotipo y el genotipo de los genes improntados es puramente conceptual. La idea se basa en dos alelos en un único locus y alberga tres clases posibles de genotipos. [ 65 ] La clase de genotipo de heterocigotos recíprocos contribuye a comprender cómo la impronta afectará la relación genotipo-fenotipo. Los heterocigotos recíprocos tienen un equivalente genético, pero no son fenotípicamente equivalentes. [ 66 ] Su fenotipo puede no depender de la equivalencia del genotipo. Esto puede aumentar la diversidad en las clases genéticas, ampliando la flexibilidad de los genes improntados. [ 67 ] Este aumento también exigirá un mayor grado de capacidad de análisis y variedad de pruebas para determinar la presencia de impronta.

Cuando se identifica un locus como improntado, dos clases diferentes expresan alelos diferentes. [ 65 ] Se cree que los genes improntados heredados de la descendencia son expresiones monoalélicas. Un solo locus producirá completamente el fenotipo de una persona aunque se hereden dos alelos. Esta clase de genotipo se llama impronta parental, así como impronta dominante. [ 68 ] Los patrones fenotípicos son variantes de las posibles expresiones de los genotipos paternos y maternos. Diferentes alelos heredados de diferentes padres albergarán diferentes cualidades fenotípicas. Un alelo tendrá un valor fenotípico mayor y el otro alelo estará silenciado. [ 65 ] La subdominancia del locus es otra posibilidad de expresión fenotípica. Tanto el fenotipo materno como el paterno tendrán un valor pequeño en lugar de que uno albergue un valor grande y silencie al otro.

Se utilizan marcos estadísticos y modelos de mapeo para identificar efectos de impronta en genes y rasgos complejos. El origen parental alélico influye en la variación del fenotipo que se deriva de la impronta de las clases de genotipo. [ 65 ] Estos modelos de mapeo e identificación de efectos de impronta incluyen el uso de genotipos no ordenados para construir modelos de mapeo. [ 67 ] Estos modelos mostrarán la genética cuantitativa clásica y los efectos de dominancia de los genes improntados.

Trastornos humanos asociados con la impronta

La impronta genética puede causar problemas en la clonación , ya que los clones pueden tener ADN con metilación incorrecta. Es posible que esto se deba a la falta de tiempo para que la reprogramación se complete. Cuando se añade un núcleo a un óvulo durante la transferencia nuclear de células somáticas , el óvulo comienza a dividirse en minutos, en comparación con los días o meses que tarda la reprogramación durante el desarrollo embrionario . Si el tiempo es el factor determinante, podría ser posible retrasar la división celular en los clones, dando tiempo para que se produzca una reprogramación adecuada.

La fertilización in vitro , incluida la ICSI , se asocia con un mayor riesgo de trastornos de impronta, con una razón de probabilidades de 3,7 ( intervalo de confianza del 95 %: 1,4 a 9,7). [ 69 ]

infertilidad masculina

Se han observado desregulaciones epigenéticas en el gen improntado H19 en los espermatozoides asociadas con la infertilidad masculina . [ 70 ] De hecho, se ha observado pérdida de metilación en el gen improntado H19 asociada con hipermetilación del promotor del gen MTHFR en muestras de semen de varones infértiles . [ 70 ]

Prader-Willi/Angelman

Los primeros trastornos genéticos con impronta descritos en humanos fueron el síndrome de Prader-Willi y el síndrome de Angelman , ambos de herencia recíproca . Ambos síndromes se asocian con la pérdida de la región cromosómica 15q11-13 (banda 11 del brazo largo del cromosoma 15). Esta región contiene los genes SNRPN y NDN, de expresión paterna , y el gen UBE3A, de expresión materna .

Posible implicación en el autismo y la esquizofrenia

Bernard Crespi, el principal creador de la hipótesis, en 2016

La hipótesis del cerebro improntado es una hipótesis de la psicología evolutiva sobre las causas de los trastornos del espectro autista y de la esquizofrenia , presentada por primera vez por Bernard Crespi y Christopher Badcock en 2008. Esta hipótesis plantea que los efectos de la impronta genómica contribuyen, en cierta medida, a la naturaleza diametral (opuesta) del autismo y la psicosis (la hipótesis de los trastornos diametrales, que es mucho más general que la idea del cerebro improntado).

La hipótesis del cerebro improntado se basa en la impronta genómica, un proceso epigenético mediante el cual los genes se expresan de manera diferente según el progenitor del que se heredan. Específicamente, esta hipótesis propone que los trastornos del espectro autista se deben, en cierta medida, a sesgos hacia la expresión génica paterna, mientras que los trastornos del espectro psicótico se deben, en algunos casos, a sesgos hacia la expresión génica materna.

La hipótesis del cerebro improntado está respaldada por las altas tasas de autismo en el síndrome de Angelman (que se debe a sesgos genéticos improntados paternos) y las altas tasas de psicosis en el síndrome de Prader-Willi (que se debe a sesgos genéticos improntados maternos).

La hipótesis de los trastornos diametrales y la hipótesis del cerebro improntado han sido objeto de considerable investigación y pruebas, con un apoyo considerable y algunas evidencias que no las respaldan, por ejemplo, [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] .

DIRAS3 (NOEY2 o ARH1)

DIRAS3 es un gen de expresión paterna e impronta materna ubicado en el cromosoma 1 en humanos. La expresión reducida de DIRAS3 está relacionada con un mayor riesgo de cáncer de ovario y de mama; en el 41% de los cánceres de mama y ovario, la proteína codificada por DIRAS3 no se expresa, lo que sugiere que funciona como un gen supresor de tumores . [ 74 ] Por lo tanto, si ocurre disomía uniparental y una persona hereda ambos cromosomas de la madre, el gen no se expresará y el individuo tendrá un mayor riesgo de cáncer de mama y de ovario.

Otro

Otras afecciones que implican impronta incluyen el síndrome de Beckwith-Wiedemann , el síndrome de Silver-Russell y el pseudohipoparatiroidismo . [ 75 ]

La diabetes mellitus neonatal transitoria también puede implicar impronta genética. [ 76 ]

Genes improntados en otros animales

En los insectos, la impronta afecta a cromosomas completos. En algunos insectos, el genoma paterno completo se silencia en la descendencia masculina, y por lo tanto participa en la determinación del sexo. La impronta produce efectos similares a los mecanismos en otros insectos que eliminan los cromosomas heredados del padre en la descendencia masculina, incluida la arrenotoquia . [ 77 ]

En las abejas melíferas sociales, se han estudiado los genes de origen parental y los genes específicos de alelos a partir de cruces recíprocos para explorar los mecanismos epigenéticos que subyacen al comportamiento agresivo. [ 78 ]

En las especies placentarias, el conflicto entre padres e hijos puede dar lugar a la evolución de estrategias, como la impronta genómica, para que los embriones subviertan el suministro materno de nutrientes. A pesar de varios intentos por encontrarla, no se ha detectado impronta genómica en el ornitorrinco, los reptiles, las aves ni los peces. La ausencia de impronta genómica en un reptil placentario, el Pseudemoia entrecasteauxii , resulta interesante, ya que se creía que la impronta genómica estaba asociada a la evolución de la viviparidad y el transporte placentario de nutrientes. [ 79 ]

Estudios en ganado doméstico, como vacas lecheras y de carne, han implicado genes improntados (por ejemplo, IGF2) en una variedad de rasgos económicos, [ 80 ] [ 81 ] [ 34 ] incluyendo el rendimiento lechero en ganado Holstein-Friesian. [ 82 ]

En las ovejas, el gen CLPG ("callipyge" del griego , que significa "nalgas hermosas") produce unas nalgas grandes compuestas de músculo con muy poca grasa. El fenotipo de nalgas grandes solo se presenta cuando el alelo está presente en la copia del cromosoma 18 heredada del padre de la oveja y no en la copia del cromosoma 18 heredada de la madre. [ 83 ] El locus CLPG está incluido en Dlk1 -Gtl2, una región improntada del genoma de los mamíferos, y la presentación atípica de este gen es resultado de esta impronta. [ 84 ]

comportamiento de búsqueda de alimento del ratón

El comportamiento de búsqueda de alimento en los ratones estudiados está influenciado por una expresión alélica sexualmente dimórfica que implica una influencia de impronta de género cruzado que varía en todo el cuerpo y puede dominar la expresión y moldear un comportamiento. [ 85 ] [ 86 ]

Genes improntados en las plantas

Un fenómeno de impronta similar también se ha descrito en plantas con flores (angiospermas). [ 87 ] Durante la fecundación del óvulo, un segundo evento de fecundación separado da lugar al endospermo , una estructura extraembrionaria que nutre al embrión de manera análoga a la placenta de los mamíferos . A diferencia del embrión, el endospermo a menudo se forma a partir de la fusión de dos células maternas con un gameto masculino . Esto da como resultado un genoma triploide . La proporción 2:1 de genomas maternos a paternos parece ser crítica para el desarrollo de la semilla. Se ha descubierto que algunos genes se expresan a partir de ambos genomas maternos, mientras que otros se expresan exclusivamente a partir de la única copia paterna. [ 88 ] Se ha sugerido que estos genes improntados son responsables del efecto de bloqueo triploide en las plantas con flores que impide la hibridación entre diploides y autotetraploides. [ 89 ] Se han propuesto varios métodos computacionales para detectar genes improntados en plantas de cruces recíprocos. [ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]

Véase también

Referencias

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  • geneimprint.com
  • Base de datos de genes improntados y efectos del origen parental
  • Sitio web de J. Kimball sobre genes improntados
  • Genómica e impronta genómica en los Encabezamientos de Materias Médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
  • Mapa de impronta del ratón Harwell
  • Base de datos de improntas del Laboratorio Gehring (MIT)
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