Organización y comportamiento de los cromosomas sexuales durante la meiosis en mamíferos monotremas y marsupiales.

Resumen

La meiosis es un tipo de división celular específica de la línea germinal de los organismos eucariotas que da lugar a la formación de gametos haploides y es esencial para la reproducción sexual. Consta de dos divisiones consecutivas sin duplicación de DNA entre ambas. En la primera división meiótica tienen lugar los fenómenos exclusivos de apareamiento, sinapsis, recombinación y segregación de los cromosomas homólogos. Los cromosomas sexuales presentan variaciones en alguno de estos procesos. En la mayoría de los mamíferos, los cromosomas X e Y sinapsan y recombinan durante la meiosis masculina en una pequeña región de homología denominada región pseudoautosómica (PAR). La presencia de un quiasma en esta región PAR asegura que los cromosomas puedan segregar de manera correcta. Sin embargo, existen especies en las que los cromosomas sexuales han alcanzado distintos estadios de diferenciación y algunas presentan cromosomas X e Y completamente diferenciados. En otros casos, se han producido translocaciones de los cromosomas sexuales con autosomas, originando sistemas complejos de cromosomas sexuales. A fin de comprender estos casos de evolución de cromosomas sexuales y su impacto en el comportamiento meiótico, en esta Tesis Doctoral se presenta un estudio del comportamiento y organización de los cromosomas sexuales durante la meiosis masculina en dos grupos de mamíferos:  Monotremas, que presentan un sistema de cromosomas sexuales extraordinariamente complejo: X1-5 Y1-5, en el caso del ornitorrinco (Ornithorhynchus anatinus) y X1-5 Y1-4 en el equidna de hocico corto (Tachyglossus aculeatus). En ambas especies los cromosomas sexuales forman una cadena cromosómica alterna entre sus cromosomas X e Y, debido a la existencia de translocaciones recíprocas.  Marsupiales, específicamente el grupo de los ualabíes, que presentan reordenamientos cromosómicos Robertsonianos. Es el caso del ualabí de pantano (Wallabia bicolor), que presenta una fusión de un autosoma con el cromosoma X, formando un sistema cromosómico XY1Y2. Hemos analizado el comportamiento de los cromosomas sexuales durante la meiosis mediante técnica inmunocitológicas, moleculares y de microscopía de fluorescencia y confocal de alta resolución. Por medio de estas metodologías se ha analizado la expresión, distribución y dinámica de diferentes proteínas involucradas en la regulación de la estructura y comportamiento de los cromosomas durante la meiosis: cohesinas meióticas (SMC3, SMC1α, SMC1β, STAG3, REC8), componentes del complejo sinaptonémico (SYCP3 y SYCP1), procesos de recombinación (RPA, RAD51, DMC1 y MLH1) y procesos de actividad transcripcional y modificaciones epigenéticas (RNA polimerasa-II, γH2AX, H3K9ac, H3K9me3, H3K9me2).Nuestros resultados muestran que en ornitorrinco se produce una acumulación intensa de cohesinas en los cromosomas sexuales a partir de la etapa de paquitene. Sin embargo, esta acumulación no es un fenómeno exclusivo de los cromosomas sexuales, sino que afecta también a las regiones autosómicas que no han completado la sinapsis, indicando que este fenómeno parece ser una respuesta a la presencia de regiones asinápticas en general. La acumulación de cohesinas sobre los cromosomas sexuales y los autosomas desapareados se observa para todas las cohesinas estudiadas (SMC3, SMC1α, SMC1β, STAG3) excepto REC8, lo que sugiere que esta proteína tiene una distribución diferencial respecto al resto de proteínas del complejo de cohesina. Además, observamos que STAG3 se acumula transitoriamente en la región centromérica de los bivalentes autosómicos, donde además se interrumpe la asociación de la proteína SYCP1 del complejo sinaptonémico. Esto indica una organización especial de los centrómeros durante la meiosis de ornitorrinco. En cuanto a la dinámica del complejo sinaptonémico, hemos llevado a cabo la inmunolocalización de las tres isoformas de la proteína SCYP3 presentes en ornitorrinco mediante la generación de anticuerpos específicos. Se ha encontrado que el ensamblaje de los elementos laterales está retrasado con respecto a otros mamíferos. Además, la localización de la SYCP3-Y (cuyo gen está localizado en el cromosoma Y3) es claramente diferente al patrón de las otras dos isoformas, acumulándose específicamente sobre las regiones asinápticas de los cromosomas sexuales y los autosomas. El estudio de la dinámica de las proteínas RPA y RAD51, revela que los fenómenos tempranos de recombinación se resuelven en la etapa de paquitene temprano, antes de las modificaciones morfológicas en sus cromosomas sexuales. Por otro lado, DMC1 y MLH1 mostraron un patrón inesperado, con solo unos pocos focos grandes, muy próximos a la señal centromérica. Finalmente, observamos que los cromosomas sexuales de ornitorrinco no están sujetos al proceso de canónico de inactivación meiótica (MSCI) y no incorporan γH2AX. Sin embargo, en lo relacionado con modificaciones epigenéticas, muestran algunas características distintivas, posiblemente relacionadas con la presencia de regiones asinápticas. El estudio de la localización y dinámica de estas mismas proteínas en el equidna revela semejanzas, pero también diferencias importantes con el ornitorrinco. Hemos encontrado que en esta especie no hay cambios morfológicos en sus ejes cromosómicos, ni acumulaciones de cohesinas en las regiones asinápticas de la cadena de cromosomas sexuales. En segundo lugar, hemos detectado igualmente un retraso en el ensamblaje de los elementos laterales del complejo sinaptonémico y que la proteína SYCP3-Y se localiza fundamentalmente sobre las regiones asinápticas de los cromosomas sexuales. Por otro lado, la dinámica de las proteínas relacionadas con los eventos tempranos de recombinación es ligeramente diferente entre las dos especies de monotremas. Por último, tampoco hemos encontrado incorporación de γH2AX en el equidna, pero sí varias modificaciones epigenéticas que pueden acumularse en los cromosomas sexuales, aunque no parecen estar relacionadas con la actividad transcripcional, sino con la presencia de regiones asinápticas. Respecto al estudio del ualabí de pantano, hemos observado la coexistencia en los cromosomas sexuales de dos mecanismos de asociación. Por un lado, el cromosoma X y el Y2 muestran un fenómeno convencional de sinapsis en las regiones que comparten homología (PAR), aunque esta sinapsis está retrasada en relación al resto de cromosomas. Por otro lado, el cromosoma X y el cromosoma Y1 se asocian mediante una estructura denominada placa densa, en la que participa la proteína SYCP3. La morfología de esta estructura es enormemente variada, indicando una diversidad de formas en las que se puede iniciar la interacción entre ambos cromosomas. Con respecto al fenómeno de MSCI, en esta especie si hay una incorporación de γH2AX sobre los cromosomas sexuales, que se correlaciona con la formación de un cuerpo sexual y la presencia de un proceso de inactivación transcripcional de estos cromosomas. Finalmente, hemos podido detectar que los cromosomas sexuales llevan a cabo una segregación temprana, en la que el cromosoma X y el Y1 siempre migran hacia polos opuestos. En conjunto, los resultados muestran la aparición de modificaciones en el comportamiento convencional de cromosomas sexuales en las especies estudiadas. Este estudio supone un avance significativo en el conocimiento de la meiosis de dos grupos de mamíferos poco estudiados y proporciona una información importante para entender la dinámica evolutiva de los cromosomas sexuales en mamíferos y sus procesos meióticos asociados.