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| Una célula meiótica de Arabidopsis fotografiada mediante microscopía de superresolución que muestra el ADN en azul y las proteínas HEI10 en rojo, ZYP1 en verde y ASY1 en amarillo. Crédito: John Innes Centre |
Un nuevo descubrimiento explica qué determina el número y la posición de los intercambios genéticos que se producen en las células sexuales, como el polen y los óvulos en las plantas, o el esperma y los óvulos en los seres humanos.
Cuando las células sexuales se producen mediante una división celular especial llamada meiosis, los cromosomas intercambian grandes segmentos de ADN. Esto garantiza que cada nueva célula tenga una composición genética única y explica por qué, a excepción de los gemelos idénticos, nunca hay dos hermanos completamente iguales genéticamente. Estos intercambios de ADN, o cruces, son esenciales para generar diversidad genética, el motor de la evolución, y su frecuencia y posición a lo largo de los cromosomas están estrechamente controladas.
El Dr. Chris Morgan, coprimer autor del estudio, explica la importancia de este fenómeno: "El posicionamiento de los cruces tiene importantes implicaciones para la evolución, la fertilidad y la cría selectiva. Si comprendemos los mecanismos que impulsan el posicionamiento de los cruces, es más probable que podamos descubrir métodos para modificar el posicionamiento de los cruces con el fin de mejorar las tecnologías actuales de cría de plantas y animales."
A pesar de más de un siglo de investigación, el mecanismo celular que determina dónde y cuántos cruces se forman ha permanecido en su mayor parte misterioso, un rompecabezas que ha fascinado y frustrado a muchos científicos eminentes. La expresión "interferencia de cruces" se acuñó en 1915 y describe la observación de que, cuando se produce un cruce en un lugar de un cromosoma, se inhibe la formación de cruces cercanos.
Un equipo de investigadores del Centro John Innes ha resuelto este misterio centenario mediante una combinación de vanguardia de modelización matemática y microscopía de superresolución "3D-SIM", identificando un mecanismo que garantiza que el número y la posición de los cruces sean "los adecuados": ni demasiados, ni demasiado pocos, ni demasiado cercanos.
El equipo estudió el comportamiento de una proteína llamada HEI10 que desempeña un papel integral en la formación de cruces en la meiosis. La microscopía de superresolución reveló que las proteínas HEI10 se agrupan a lo largo de los cromosomas, formando inicialmente muchos grupos pequeños. Sin embargo, a medida que pasa el tiempo, las proteínas HEI10 se concentran en un pequeño número de grupos mucho más grandes que, una vez que alcanzan una masa crítica, pueden desencadenar la formación de cruces.
A continuación se compararon estas mediciones con un modelo matemático que simula esta agrupación, basado en la difusión de las moléculas HEI10 y en reglas sencillas para su agrupación. El modelo matemático fue capaz de explicar y predecir muchas observaciones experimentales, entre ellas que la frecuencia de cruce podía modificarse de forma fiable simplemente alterando la cantidad de HEI10.
El Dr. John Fozard, coprimer autor, explica: "Nuestro estudio muestra que los datos de las imágenes de súper-resolución de las células reproductoras de Arabidopsis son consistentes con un modelo matemático de 'engrosamiento mediado por difusión' para el patrón de cruce en Arabidopsis. El modelo nos ayuda a entender el patrón de los cruces a lo largo de los cromosomas meióticos".
El trabajo se basa en el legado del Centro John Innes de utilizar plantas como organismos modelo para estudiar aspectos conservados y fundamentales de la genética. Este mismo proceso también fue estudiado por los ex alumnos del JIC J.B.S Haldane y Cyril Darlington en la década de 1930. El modelo también respalda las predicciones realizadas por otro famoso ex alumno del JIC, Robin Holliday, en la década de 1970.
El autor correspondiente, el profesor Martin Howard, añade: "Este trabajo es un gran ejemplo de investigación interdisciplinar, en el que se han necesitado tanto experimentos de vanguardia como modelos matemáticos para desentrañar el corazón del mecanismo. Una interesante vía futura será evaluar si nuestro modelo puede explicar con éxito el patrón de cruce en otros organismos diversos".
Esta investigación será especialmente valiosa para los cultivos de cereales, como el trigo, en los que los cruces se limitan sobre todo a regiones específicas de los cromosomas, lo que impide que el potencial genético de estas plantas esté a disposición de los fitomejoradores.
"El engrosamiento de HEI10 mediado por difusión puede explicar el posicionamiento de los cruces meióticos en Arabidopsis" aparece en Nature Communications.
Fuentes, créditos y referencias:
Diffusion-mediated HEI10 coarsening can explain meiotic crossover positioning in Arabidopsis, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24827-w