Cromosomas Humanos Artificiales: ¿realidad o ficción?

Dr. Óscar Molina Campoy

Seguro que has oído hablar de los cromosomas, pero ¿sabes qué son? La mayor parte del tiempo, el ADN (el manual de instrucciones de un individuo) de la célula está formando una maraña desordenada, como un ovillo de lana o un plato de espaguetis, en el núcleo de la célula (Figura 1, Profase). Pero durante el proceso de división celular se forman los cromosomas tal y como los imaginamos, con forma de X (Figura 1, Profase). ¿Y porque tienen que formarse estas estructuras tan compactas? Pues porque es la manera que tiene el ADN de agruparse y protegerse para que nada se pierda por el camino en un momento importantísimo en que una célula tiene que dividirse en dos células hijas completamente idénticas tal y como vemos en la Figura 1.

Figura 1. Esquema de las diferentes fases de la división celular (izquierda) y micrografías de cada fase de la división celular capturadas mediante microscopía de alta resolución a tiempo real (derecha, por M. Alba Abad). En azul se ve el ADN y en verde se ve la red de microtúbulos, la maquinaria que ayuda a los cromosomas a dividirse de manera idéntica en las dos células hijas.

Los eventuales errores en la distribución del ADN entre las dos células hijas, fenómeno conocido como aneuploidía, generan alteraciones del número de cromosomas, que son la causa de muchos tipos de cáncer y de diversas enfermedades congénitas, como por ejemplo el síndrome de Down (el cual se produce por un error en la distribución del cromosoma 21 durante una división celular). Por eso es muy importante entender los procesos necesarios para que haya una correcta división del material genético o ADN.

Para asegurar un reparto equitativo y que cada brazo de todos los cromosomas vaya a una célula hija, la región del centrómero juega un papel fundamental (Figura 2). El centrómero actúa de bisagra uniendo los dos brazos, de los cromosomas como las dos partes de unas tijeras o de unos alicates, y es la parte por la que se separan. Las características del centrómero a nivel molecular y celular son muy complejas, tanto por su estructura como por los mecanismos que controlan su función, dependientes de muchos otros factores celulares.

Figura 2. Micrografía de cromosomas humanos condensados (izquierda), y diagrama de un cromosoma (derecha). podemos distinguir el ADN (azul) y el centromero (rojo y verde) de cada célula.

 

Mi interés durante los últimos cuatro años ha estado centrado en el estudio del centrómero mediante el uso de cromosomas artificiales humanos (en inglés, Human Artificial Cromosomes, HAC) (Figura 3). Los HACs son pequeños cromosomas sintéticos, producidos en el laboratorio, que tienen la capacidad de replicarse de forma autónoma en la célula igual que los cromosomas naturales y que presentan una estabilidad similar a éstos durante la división celular. Desde que se describió la formación del primer HAC en 1997, diversos laboratorios de todo el mundo, incluyendo el nuestro, han generado un gran número de ellos mediante diferentes tecnologías de ingeniería genética. Los HACs se han usado en investigación básica, generalmente para estudiar la estructura y la función de los cromosomas, puesto que estos cromosomas, al ser artificiales no son imprescindibles para la viabilidad celular. También se han usado para realizar estudios de regulación genética, porque en los HACs se pueden insertar grandes fragmentos de ADN que contengan genes enteros con sus secuencias reguladoras. Por esta última característica, los HACs podrían ser una herramienta muy útil en terapia génica, como portadores de genes sanos a las células de pacientes con anomalías genéticas, reemplazando el uso de virus que se usan actualmente en este tipo de terapia, evitando así las reacciones inmunitarias en los pacientes en respuesta a los virus.

Figura 3. Micrografía de diferentes cromosomas de una célula que contiene un HAC (magnificado a la derecha). En rojo se marcan los centrómeros de los cromosomas (en gris).

Gracias al uso de los HACs, los científicos han podido estudiar los componentes necesarios que las células necesitan para ensamblar y mantener en el tiempo una maquinaria tan compleja como los centrómeros cromosómicos, necesarios, como ya hemos señalado, para asegurar la distribución correcta del material genético durante el proceso de división celular. Recientemente, en nuestro grupo hemos descubierto que los centrómeros no son regiones de ADN “silenciado” o inerte, como se pensaba, sino que presentan secuencias y características propias de genes activos. Además, la eliminación de estas modificaciones, alteran la estructura y la función del centrómero haciendo que deje de funcionar correctamente.

Aunque queda mucho por investigar sobre la función y el mantenimiento de los centrómeros, los HACs han demostrado ser una herramienta imprescindible en el estudio de estas regiones cromosómicas y el mecanismo de segregación cromosómica durante la división celular. A parte de su uso en investigación básica, es muy probable que en un futuro oigamos hablar de los HACs como herramientas útiles para otras aplicaciones. El tiempo dirá.

 

Por Dr. Óscar Molina Campoy, Investigador postdoctoral, Wellcome Trust Centre for Cell Biology, Universidad de Edimburgo. SRUK Delegación de Escocia.

Más información:

Oscar Molina, Giulia Vargiu, Maria Alba Abad, Alisa Zhiteneva, A. Arockia Jeyaprakash, Hiroshi Masumoto, Natalay Kouprina, Vladimir Larionov and William C Earnshaw. “Epigenetic engineering reveals a balance between histone modifications and transcription in kinetochore maintenance”. Nature communications. DOI: 101038/ncomms13334

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