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Evolución de los cromosomas sexuales

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Pablo M

on 24 March 2015

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Transcript of Evolución de los cromosomas sexuales

TAMAÑO EFECTIVO DE LA POBLACIÓN (Ne): Indica cuántos individuos contribuyen realmente con alelos a la siguiente generación, en contraposición al número real de individuos en la población.
Evolución de los cromosomas sexuales
Los cromosomas sexuales han evolucionado independientemente numerosas veces en diferentes linajes, aún así muestran características comunes, representando un fascinante ejemplo de CONVERGENCIA EVOLUTIVA
ALEMANIA, 1891
EL biólogo HERMANN HENKING tiene el primer indicio de que los cromosomas sexuales son diferentes que los demás cromosomas
Trabajando en la formación de espermatozoides en avispas, notó que algunos contenían 12 cromosomas y otros 11
El misteriosos duodécimo cromosoma se comportaba diferente que los otros 11.
Henking hipotetizó que este cromosoma extra, el elemento X, debería tener algún rol en la determinación del sexo en insectos
Sistemas de cromosomas sexuales
Sistema XX-XY
Hembras: un cromosoma X de cada progenitor
Machos: cromosoma X de la madre, Cromosoma Y del padre
Mamíferos placentarios
Sistema XX-X0
Este sistema es uno más dentro de una variedad de sistemas
Los espermatozoides que les falta un X determinan el sexo masculino
Sistema ZZ-ZW
No siempre el sexo masculino es el que posee los cromosomas desiguales
Las hembras portan los cromosomas desiguales (ZW), mientras que los machos portan un par idéntico (ZZ)
Los cromosomas sexuales son lábiles
Los cromosomas sexuales constituyen un sistema genético caracterizado por una inusual dinámica evolutiva.
El ornitorrinco posee 10 cromosomas sexuales (El macho es XXXXX/YYYYY)
El ejemplo mas extremo de inestabilidad evolutiva lo vemos en la rana "Rana rugosa"
ZW
XY
Los sistemas ZW y XY coexisten
en la misma especie, en regiones geográficas
separadas
Determinación del sexo
Sin embargo, a pesar de las profundas diferencias en los mecanismos primarios de la determinación sexual, algunos genes "downstream" son funcionalmente similares
Un ejemplo es el gen humano
DMRT1 (Double-sex mab-3 related transcription factor 1)
Contiene un sitio de unión a ADN altamente conservado, que también está presente en los genes:
doublesex, de Drosophila
mab-3, de C. elegans
Está localizado en el cromosoma 9.
La expresión monoalélica de DMRT1 se asocia con sex reversal
La doble dosis del gen es necesaria para el normal desarrrollo de los varones
Una situación similar ocurre en las aves:
Dos mecanismos había sido propuestos:
El cromosoma W (femenino) porta un determinante ovárico dominante?
La dosis de un gen ligado al Z media la determinación sexual, siendo requeridas dos dosis para el desarrollo masculino (ZZ)?
DMRT1 está ligado al cr. Z en todas las aves
Utilizando ARN de interferencia para reducir la expresión de DMRT1 en embriones de pollo genéticamente masculinos (ZZ) se logró la feminización de las gónadas en desarrollo y sex reversal parcial.
Al igual que en los mamíferos, una doble dosis de DMRT1 parece ser necesaria para un normal desarrollo masculino
Similitud en los caminos de determinación de sexo de los dos linajes de vertebrados, aún cuando uno posee heterogamia masculina y el otro femenina
Evolución de los cromosomas sexuales
El modelo consenso supone que los cromosomas sexuales se originaron de un par de autosomas ordinarios que albergaban un locus determinante del sexo, los cuales dejaron de recombinarse
Por qué dejaron de recombinarse?
Inversiones u otros rearreglos cromosómicos obstaculizaron el crossing over durante la meiosis
La selección natural favoreció la cesación de la recombinación entre los proto-cromosomas sexuales
Ejemplo:
Consideremos un locus determinante sexual en un autosoma donde un alelo dispara el desarrollo de, por ej., el fenotipo masculino

Si hay otro locus en el mismo cromosoma que contiene un alelo que confiere ventaja selectiva a los machos, pero es neutral o desventajoso para las hembras, la selección favorece la supresión de la recombinación cuando están en el mismo cromosoma
Como consecuencia, el cr. no recombinante será masculino-específico y habrá heterogamia masculina
Con el tiempo y en ausencia de recombinación, los dos cromosomas independientemente acumularán mutaciones, y se irán diferenciando uno de otro
La cuantificación de las diferencias ayudan a seguirle la pista a la evolución de los cromosomas
Mediante este enfoque, en el cromosoma X humano se encontraron clusters discretos con respecto al grado de divergencia llamados "estratos evolucionarios"
El cese de la recombinación entre los cromosomas X e Y parece haberse iniciado antes de la diversificación de los mamíferos, con el último evento (estrato 4) ocurrido en el linaje de los primates (hace 50 millones de años)
Organización cromosómica
The sex-limited chromosome
Sex chromosomes found in both sexes
La ausencia de recombinación lo hace vulnerable a mutaciones deletéreas, llevando a la pseudogenización y pérdida génica.
Son usualmente ricos en heterocromatina y repeticiones tipo ADN satélite y contienen un limitado número de genes.
Contiene amplicones y estructuras palindrómicas
MSY: Male-specific region on Y
Conversión génica
Humanos y chimpancés difieren ampliamente en estructura y contenido génico, indicando una rápida evolución en los últimos 6 millones de años
Transferencia unidireccional de material genético desde una secuencia "donante" hacia un "aceptor" altamente homólogo.
La conversión génica entre los brazos de las secuencias palindrómicas es una forma de contrarrestar la degeneración del no-recombinante cromosoma Y
Y (W)
X (Z)
La mayoría de los genes del cromosoma Y son testículo-específicos. Estos genes (con excepción del SRY) están localizados dentro de los palindromos
Examinando genes
retrotranspuestos
se observó que, durante
la evolución, el Cr. X los ha generado y reclutado en un número desproporcionado, mientras que los autosomas han experimentado un menor movimiento
También puede estar relacionado al escape de MSCI
MSCI (Meiotic sex chromosome inactivation)
Silenciamiento transcripcional de los Cr. X e Y
Espermatogénesis
Ocurre en la línea germinal de casi todos los organismos con cromosomes sexuales diferenciados.
Es una forma especial de un mecanismo más general llamado "meiotic silencing of unsynapsed chromatin" -MSUC-)
MSUC silencia los cromosomas que fallan en aparearse con su homólogo
MSCI está emergiendo como un factor etiológico importante de la esterilidad
Un alelo beneficioso para el sexo masculino que confiere una desventaja para el sexo femenino se esparce más fácilmente en la población si es autosómico que si está ligado al cr. X
Qué presión selectiva pudo haber ocasionado este movimiento de retrogenes funcionales?
Un gen ligado al X pasa 2/3 del tiempo en hembras
Un gen autosómico pasa 1/2 del tiempo en hembras y 1/2 del tiempo en machos
Genes autosómicos podrían llevar a cabo funciones masculinas más efectivamente que si fueran ligados al X
X
Y
X
Los cromosomas X y Z albergan amplicones similares a los de los cr. Y y W
La historia evolutiva de éstas estructuras parece seguir un camino común:
Adquisición
Evolución hacia función masc.-específica
Amplificación
6 copias de ADCY10
+100 copias de C2Orf3, MRPL19 y RICS
Genes testículo-específicos

"La mayoría de los cambios ocurren en los cromosomas que se encuentran en un solo sexo (Y o W)"
"Los cromosomas que se encuentran en ambos sexos (X o Z) cambiaron poco respecto de sus progenitores autosómicos"
Modelo standard:
Tasa de mutación
En gral. se asume que muchas de las mutaciones de la línea germinal resultan de errores de la replicación durante la mitosis
Correlación entre el número de divisiones de las células germinales y el número de mutaciones que se acumulan en las gametas
Mientras que la ovogénesis es arrestada en etapas embrionarias con un número limitado de divisiones mitóticas, las cél. germinales de la espermatogénesis continúan dividiéndose a una alta tasa para asegurar la producción de espermatozoides
El cr. Y se transmite de padres a hijos, por lo tanto está afectado sólo por la tasa de mutación en el hombre.
El cr. X se transmite por la línea germinal masculina 1/3 de las veces y a través de la línea germinal femenina 2/3 de las veces
El cromosoma Y tiene una tasa mayor de mutación que el cromosoma X.
En los sistemas con heterogamia femenina se observa que el cr. Z (transmitido por la línea masculina 2/3 de las veces), tiene una tasa de mutación más alta que el cr. W
Degeneración y diversidad del cromosoma Y
El Tamaño Efectivo de Población del cromosoma Y es 1/3 del cromosoma X y 1/4 de los autosomas
Modelos de reducción del Ne:
Los diferentes modelos dejan huellas características en los patrones de variabilidad del ADN
La degeneración del Cr.Y es consecuencia de modelo "Selective sweep"
Una mutación beneficiosa lleva a la fijación a un alelo deletéreo
asociado con ella.

La degeneración del Cr. Y es consecuencia de mejoramientos
en unos pocos loci a expensas de la mayoría de los demás genes del cromosoma

En humanos, la diversidad de nucleótidos en el cr. Y ha sido estimada en una diferencia de nucleótidos cada 10 kb
Esto es una diversidad 10 veces menor que la vista en los autosomas
Sucede los mismo en el cr. W de los sistemas con heterogamia femenina

Las fuerzas evolutivas que reducen la diversidad del cromosoma presente en un único sexo son independientes del tipo de heterogamia
Conclusiones
Entidades lábiles que cambian rápidamente durante la evolución
Organización y contenido difiere de los autosomas
Por qué algunos organismos evolucionan hacia la heterogamia masculina y otros a la femenina?
Secuenciación de un cr. W en un sistema de heterogamia femenina
Habrá secuencias palindrómicas similares a las del cr. Y pero con genes ovario-específicos?
Labilidad de los cromosomas sexuales
Determinación sexual
Evolución
Organización
Degeneración del cromosoma Y
La organización "simple" de machos XY y hembras XX, visto en esencialmente todos los mamíferos placentarios y que puede a veces ser tomado como el standard del diseño de cromosomas sexuales, claramente no refleja la variedad de sistemas existentes
Analizaron 19 genes presentes en el X y en el Y
El ordenamiento en el X no se corresponde con el ordenamiento en el Y (xcepto por los clusters a, b y c)
Midieron las mutaciones silenciosas
Ks, parámetro estadístico que estima el n° de sustituciones sinónimas
Obtuvieron 4 grupos de Ks
En el cr.X, los cuatro grupos están dispuestos en una secuencia ordenada
Estrato 1: mayor diferencia con el homólogo en el Y
Estrato 4: menor diferencia con el homólogo en el Y
La recombinación entre el X y el Y fue suprimida en estratos
Inversiones cromosómicas mecanismo más probable
Tienen que haber ocurrido en el Y, donde los estratos están mezclados, y no en el X, donde el orden está preservado
Otras razones por las cuales el modelos de cese de recombinación sería correcto...
"Alta concentración de genes en estratos 3 y 4 con homólogo en el Y"
Explicación: Como son estratos jóvenes, el homólogo en el Y
todavía se puede detectar. En los estratos antiguos, los genes
homólogos se erosionaron lo suficiente como para no detectarlos
"Los genes que escapan a la inactivación del X están principalmente en el brazo corto" (estratos 2,3 y 4)
Una vez que cesa la recomb. en un estrato, los genes en el Y empiezan a decaer y eventualmente son anulados
Respuesta adaptativa: los homólogos en el X son sobre-expresados
Explicación: Al ser estratos jóvenes, los homólogos en el Y todavía siguen funcionando. Por esta razón, en el X no fueron sobre-expresados, y entonces se van a necesitar dos copias activas del gen.
Mecanismo propuesto por los autores: cuatro eventos de inversión
El cese de la recombinación entre los cromosomas X e Y parece haberse iniciado antes de la diversificación de los mamíferos, con el último evento (estrato 4) ocurrido en el linaje de los primates (hace 50 millones de años)
GENES QUE ESCAPAN A LA
INACTIVACIÓN DEL X
DMRT1
Bibliografía:
Sex-chromosome evolution: recent progress and the influence of male and female heterogamety. Hans Ellegren
Extensive gene traffic on the mammalian X chromosome. Emerson, Kaessmann, Betrán, Long.
Abundant gene conversion between arms of palindromes in human and ape Y chromosomes. Rozen et al.
Expression of genes from the human active and inactive X chromosomes. Brown, Carrel, Willard
Four evolutionary strata on the human X chromosome. Lahn, Page.
Meiotic sex chromosome inactivation. Turner.
The genetics of sex chromosomes: evolution and implications for hybrid incompatibility. Johnson, Lachance.
A dynamic view of sex chromosome evolution. Bachtrog
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
Full transcript