Cromosomas Homólogos: Definición, Historia, Estructura, Funciones, Problemas Relacionados e Investigaciones Relevantes

cual es la función de los cromosomas homologos

Son un conjunto de un cromosoma materno y uno paterno que se emparejan dentro de una célula durante la meiosis.

Los homólogos tienen los mismos genes en los mismos loci donde proporcionan puntos a lo largo de cada cromosoma que permiten que un par de cromosomas se alineen correctamente entre sí antes de separarse durante la meiosis.

Esta es la base de la herencia mendeliana que caracteriza los patrones hereditarios de material genético de un organismo a su célula de desarrollo parental descendiente en el tiempo y el área dados.

Visión de conjunto

Los cromosomas son disposiciones lineales del ácido desoxirribonucleico condensado (ADN) y las proteínas de las histonas, que forman un complejo llamado cromatina.

Los cromosomas homólogos están formados por pares de cromosomas de aproximadamente la misma longitud, posición del centrómero y patrón de tinción, para genes con los mismos loci correspondientes.

Un cromosoma homólogo se hereda de la madre del organismo; el otro es heredado del padre del organismo. Después de que ocurre la mitosis dentro de las células hijas, tienen la cantidad correcta de genes que son una mezcla de los genes de los dos padres.

En organismos diploides (2n), el genoma se compone de un conjunto de cada par de cromosomas homólogos, en comparación con organismos tetraploides que pueden tener dos conjuntos de cada par de cromosomas homólogos.

Los alelos en los cromosomas homólogos pueden ser diferentes, lo que resulta en diferentes fenotipos de los mismos genes.

Esta mezcla de rasgos maternos y paternos se ve reforzada por el cruce durante la meiosis, donde las longitudes de los brazos cromosómicos y el ADN que contienen dentro de un par de cromosomas homólogos se intercambian entre sí.

Historia

A principios del siglo XX, William Bateson y Reginald Punnett estudiaban la herencia genética y notaron que algunas combinaciones de alelos aparecían con más frecuencia que otras. Esa información y datos fueron explorados por Thomas Morgan.

Usando experimentos cruzados de prueba, reveló que, para un padre soltero, los alelos de genes cercanos entre sí a lo largo del cromosoma se mueven juntos. Utilizando esta lógica, concluyó que los dos genes que estaba estudiando se encontraban en cromosomas homólogos.

Más tarde, durante la década de 1930, Harriet Creighton y Barbara McClintock estudiaban la meiosis en las células de maíz y examinaban los loci genéticos en los cromosomas de maíz.

Creighton y McClintock descubrieron que las nuevas combinaciones de alelos presentes en la descendencia y el evento de cruce se relacionaban directamente. Esto demostró la recombinación genética intercromosómica.

Estructura de los cromosomas homólogos

Los cromosomas homólogos son cromosomas que contienen los mismos genes en el mismo orden a lo largo de sus brazos cromosómicos. Hay dos propiedades principales de los cromosomas homólogos: la longitud de los brazos cromosómicos y la ubicación del centrómero

La longitud real del brazo, de acuerdo con las ubicaciones de los genes, es de importancia crítica para una alineación adecuada. La colocación del centrómero puede caracterizarse por cuatro disposiciones principales, que consisten en ser metacéntrico, submetacéntrico, telocéntrico o acrocéntrico.

Ambas propiedades son los factores principales para crear una homología estructural entre los cromosomas. Por lo tanto, cuando existen dos cromosomas de la estructura exacta, pueden emparejarse para formar cromosomas homólogos.

Dado que los cromosomas homólogos no son idénticos y no se originan en el mismo organismo, son diferentes de las cromátidas hermanas.

Las cromátidas hermanas se producen después de que se ha producido la replicación del ADN, y por lo tanto son idénticas, se duplican una al lado de la otra.

En humanos

Los seres humanos tienen un total de 46 cromosomas, pero solo hay 22 pares de cromosomas autosómicos homólogos. El par 23 adicional son los cromosomas sexuales, X e Y.

Si este par está formado por un cromosoma X e Y, entonces el par de cromosomas no es homólogo porque su tamaño y contenido genético difieren enormemente.

Los 22 pares de cromosomas homólogos contienen los mismos genes pero codifican diferentes rasgos en sus formas alélicas, ya que uno fue heredado de la madre y el otro del padre.

Entonces, los humanos tenemos dos conjuntos de cromosomas homólogos en cada célula, lo que significa que los humanos son organismos diploides.

Funciones

Los cromosomas homólogos son importantes en los procesos de meiosis y mitosis. Permiten la recombinación y la segregación aleatoria de material genético de la madre y el padre en nuevas células.

En la meiosis

La meiosis es una ronda de dos divisiones celulares que da como resultado cuatro células hijas haploides que contienen la mitad del número de cromosomas que la célula parental.

Reduce a la mitad el número de cromosomas en una célula germinal separando primero los cromosomas homólogos en la meiosis I y luego las cromátidas hermanas en la meiosis II.

El proceso de la meiosis I generalmente es más largo que la meiosis II porque lleva más tiempo para que la cromatina se replique y para que los cromosomas homólogos se orienten adecuadamente y segreguen por los procesos de sincronización y sinapsis en la meiosis I.

Durante la meiosis, la recombinación genética (por segregación aleatoria) y el cruce produce células hijas que contienen diferentes combinaciones de genes codificados por la madre y el padre.

Esta recombinación de genes permite la introducción de nuevos pares de alelos y la variación genética. La variación genética entre organismos ayuda a que la población sea más estable al proporcionar una gama más amplia de rasgos genéticos para que actúe la selección natural.

Profase I

En la profase I de la meiosis I, cada cromosoma se alinea con su pareja homóloga y se empareja por completo. En la profase I, el ADN ya ha sido replicado, por lo que cada cromosoma consiste en dos cromátidas idénticas conectadas por un centrómero común.

Durante la etapa de zigoteno de la profase I, los cromosomas homólogos se emparejan entre sí. Este emparejamiento ocurre por un proceso de sinapsis donde se ensambla el complejo sinaptonémico – un andamio de proteína – y se une a los cromosomas homólogos a lo largo de su longitud.

La reticulación por cohesina ocurre entre los cromosomas homólogos y los ayuda a resistir la separación hasta anafase. El cruzamiento genético, un tipo de recombinación, se produce durante la etapa de paquiteno de la profase I.

Además, se produce con frecuencia otro tipo de recombinación, denominado recocido de cadena dependiente de la síntesis (SDSA, por sus siglas en inglés).

La recombinación de apareamiento de cadena dependiente de síntesis implica el intercambio de información entre cromátidas homólogas emparejadas, pero no el intercambio físico. La recombinación de apareamiento de cadena dependiente de síntesis no causa cruzamiento.

En el proceso de cruce, los genes se intercambian mediante la ruptura y la unión de partes homólogas de las longitudes de los cromosomas. Las estructuras llamadas quiasmata son el sitio del intercambio.

La quiasmata conecta físicamente los cromosomas homólogos una vez que se produce el cruce y durante todo el proceso de segregación cromosómica durante la meiosis.

Tanto los tipos de recombinación no cruzados como cruzados funcionan como procesos para reparar el daño del ADN, particularmente las roturas de doble cadena.

En la etapa diplotene de la profase I el complejo sinaptonémico se desarma antes de que los cromosomas homólogos puedan separarse, mientras que las cromátidas hermanas permanecen asociadas por sus centrómeros.

Metafase I

En la metafase I de la meiosis I, los pares de cromosomas homólogos, también conocidos como bivalentes o tétradas, se alinean en un orden aleatorio a lo largo de la placa de la metafase. La orientación aleatoria es otra forma para que las células introduzcan la variación genética.

Los husos meióticos que emanan de polos opuestos del huso se unen a cada uno de los homólogos (cada par de cromátidas hermanas) en el cinetocoro.

Anafase I

En la anafase I de la meiosis, los cromosomas homólogos se separan unos de otros. Los homólogos se escinden mediante la enzima separasa para liberar la cohesina que mantiene unidos los brazos cromosómicos homólogos.

Esto permite que la quiasmata se libere y los homólogos se muevan a los polos opuestos de la célula. Los cromosomas homólogos ahora se segregan al azar en dos células hijas que se someterán a la meiosis II para producir cuatro células germinales hijas haploides.

Meiosis II

Después de que las tétradas de los cromosomas homólogos se separan en la meiosis I, las cromátidas hermanas de cada par se separan. Los dos haploides (porque el n.° cromosómico se ha reducido a la mitad).

Anteriormente, había dos conjuntos de cromosomas, pero ahora cada conjunto existe en dos células hijas diferentes que han surgido de la célula parental diploide única por meiosis I) células hijas resultantes de la meiosis sufren otra división celular en meiosis II pero sin otra ronda de replicación cromosómica.

Las cromátidas hermanas en las dos células hijas se separan durante la anafase II mediante fibras fusiformes nucleares, dando como resultado cuatro células hijas haploides.

En mitosis

Los cromosomas homólogos no funcionan igual en la mitosis que en la meiosis. Antes de cada división mitótica que sufre una célula, los cromosomas de la célula original se replican.

Los cromosomas homólogos dentro de la célula ordinariamente no se emparejarán y se someterán a recombinación genética entre sí.

En cambio, los replicantes, o cromátidas hermanas, se alinearán a lo largo de la placa de la metafase y luego se separarán de la misma manera que la meiosis II, al separarse en sus centrómeros mediante husos mitóticos nucleares.

Si se produce un cruce entre las cromátidas hermanas durante la mitosis, no produce ningún genotipo recombinante nuevo.

En células somáticas

El emparejamiento homólogo en la mayoría de los contextos se referirá a las células de la línea germinal, sin embargo, también tiene lugar en las células somáticas.

Por ejemplo, en humanos, las células somáticas tienen pares homólogos muy estrechamente regulados (separados en territorios cromosómicos, y apareamiento en loci específicos bajo control de la señalización del desarrollo).

Sin embargo, otras especies (especialmente Drosophila) exhiben emparejamiento homólogo mucho más frecuentemente. Varias funciones del emparejamiento homólogo en células somáticas se han elucidado a través de pantallas de alto rendimiento a principios del siglo XXI.

Problemas con los cromosomas homólogos

Existen severas repercusiones cuando los cromosomas no se segregan adecuadamente. La segregación defectuosa puede conducir a problemas de fertilidad, muerte embrionaria, defectos de nacimiento y cáncer.

Aunque los mecanismos para emparejar y adherir cromosomas homólogos varían entre los organismos, el correcto funcionamiento de esos mecanismos es imprescindible para que el material genético final se clasifique correctamente.

Sin disyunción

La adecuada separación homóloga de cromosomas en la meiosis I es crucial para la separación de cromátidas hermanas en la meiosis II. Una falla al separarse apropiadamente se conoce como no disyunción.

Hay dos tipos principales de no disyunción que ocurren: trisomía y monosomía. La trisomía es causada por la presencia de un cromosoma adicional en el cigoto en comparación con el número normal, y la monosomía se caracteriza por la presencia de un cromosoma menos en el zigoto en comparación con el número normal.

Si esta división desigual ocurre en la meiosis I, entonces ninguna de las células hijas tendrá una distribución cromosómica adecuada y pueden producirse efectos graves, incluido el síndrome de Down.

La división desigual también puede ocurrir durante la segunda división meiótica. La no disyunción que ocurre en esta etapa puede dar como resultado células hijas normales y células deformadas.

Otros usos

Si bien la función principal de los cromosomas homólogos es su uso en la división nuclear, también se utilizan en la reparación de roturas de ADN de doble cadena.

Estas roturas bicatenarias pueden ocurrir en la replicación del ADN y, con mayor frecuencia, son el resultado de la interacción del ADN con moléculas dañinas de origen natural, como las especies reactivas de oxígeno.

Los cromosomas homólogos pueden reparar este daño al alinearse con cromosomas de la misma secuencia genética.

Una vez que los pares de bases se han emparejado y orientado correctamente entre las dos cadenas, los cromosomas homólogos realizan un proceso que es muy similar a la recombinación, o se cruzan como se ve en la meiosis.

Parte de la secuencia de ADN intacta se superpone con la de la secuencia del cromosoma dañado. Las proteínas de replicación y los complejos se reclutan en el sitio del daño, lo que permite la reparación y la replicación adecuada.

Mediante este funcionamiento, las roturas de doble cadena se pueden reparar y el ADN puede funcionar normalmente.

Investigación relevante

La investigación actual y futura sobre el tema de los cromosomas homólogos está muy centrada en los papeles de diversas proteínas durante la recombinación o durante la reparación del ADN.

En un artículo publicado recientemente por Pezza et al. la proteína conocida como HOP2 es responsable tanto de la sinapsis cromosómica homóloga como de la reparación de rotura de doble cadena mediante recombinación homóloga.

La eliminación de HOP2 en ratones tiene grandes repercusiones en la meiosis. Otros estudios actuales se centran también en proteínas específicas implicadas en la recombinación homóloga.

Existe una investigación en curso sobre la capacidad de los cromosomas homólogos para reparar roturas de ADN de doble cadena. Los investigadores están investigando la posibilidad de explotar esta capacidad para la medicina regenerativa.

Este medicamento podría ser muy frecuente en relación con el cáncer, ya que se cree que el daño al ADN contribuye a la carcinogénesis.

La manipulación de la función de reparación de los cromosomas homólogos podría permitir mejorar el sistema de respuesta de daños de una célula. Si bien la investigación aún no ha confirmado la efectividad de dicho tratamiento, puede convertirse en una terapia útil para el cáncer.