Determinación genética del sexo Nuestros genes y la definición del sexo biológico.

Transcripción

1 Determinación genética del sexo Nuestros genes y la definición del sexo biológico. Gabriela Bedó Prof. Adj. Sección Genética Facultad de Ciencias Universidad de la República

2 Introducción El patrón que va adquiriendo nuestro organismo, el aspecto morfológico que nos caracteriza, tejidos, órganos, así como su funcionamiento, están en gran medida definidos por la acción de nuestros genes. No podemos ignorar que influye también el ambiente en sus diferentes formas. En el caso del desarrollo y determinación de los órganos existe una influencia del ambiente intrauterino y de variadas señales que no están en la información genética, a las que se denomina en su conjunto factores epigenéticos. Pero en este capítulo nos centraremos esencialmente en mostrar de qué manera algunos de nuestros genes, van colaborando a la formación de un organismo maduro. Nos proponemos hacer una revisión de en qué consiste la determinación del sexo que ocurre durante el desarrollo embrionario humano. Como en todos los procesos de desarrollo que ocurren en los organismos pluricelulares, existe una fase de multiplicación celular las células se reproducen activamente por mitosis que se acompaña de migración celular y principalmente de diferenciación celular. Es decir que las células que se forman se ubican en el destino apropiado y adquieren forma y funciones apropiadas especializándose para formar los órganos. Pero, cuáles son las señales? De qué forma sabe la célula indiferenciada las especializaciones que debe adquirir? Nuestro propósito es mostrar el papel que juegan los genes en este proceso. O mejor dicho, qué papel juega la expresión específica de ciertos genes en cierto momento y en cierto lugar, para definir este proceso. Cuando nos referimos a expresión de un gen, nos referimos a que este gen sea transcripto formando un ARN mensajero y este ARN sea traducido para dar una proteína determinada. La determinación del sexo en mamíferos, y particularmente en el ser humano, depende en gran medida de la determinación del sexo gonadal, que detona la producción de una serie de sustancias hormonales responsables de los caracteres sexuales secundarios, de parte del comportamiento sexual y de la

3 capacidad reproductiva del organismo. Es por esta razón que cuando queremos entender la determinación del sexo en el hombre tenemos que transitar necesariamente por el conocimiento de la formación de los órganos y vías del aparato reproductor. Ella depende de nuestro genes? Intentaremos descifrarlo. En las próximas páginas seguiremos la siguiente secuencia: primeramente nos proponemos revisar a grandes rasgos lo que ocurre durante el desarrollo embrionario: cómo se desarrolla el aparato reproductor y en qué momentos y de qué forma éste se define como masculino y femenino. En segunda instancia revisaremos porqué en humanos hablamos de una determinación cromosómica del sexo. Y los cromosomas no son más que moléculas de ADN algunos de cuyos tramos constituyen los genes. Llegaremos entonces a una tercera parte tratando de mostrar que los cromosomas sexuales (y también otros cromosomas) poseen genes que colaboran a definir el proceso de desarrollo del aparato reproductor. A este nivel haremos un paréntesis para recordar en qué consiste la expresión de los genes y el papel que las proteínas tienen en nuestro aspecto y el funcionamiento de nuestro cuerpo. Y finalmente.. Esperemos que como rompecabezas, uniendo toda esta información podamos vislumbrar el papel de los genes como factor primario en la determinación del sexo. Como en muchos otros casos, y de ello se vale la experimentación científica, las alteraciones en los genes y en los cromosomas tienen consecuencias en la determinación del sexo y han ayudado a entender los procesos. Citaremos algunos ejemplos.

4 Parte I: La diferenciación sexual A través del desarrollo embrionario y después del nacimiento, durante la maduración de los órganos y funciones, el individuo va definiendo lo que, tomando el término del lenguaje genético, podemos llamar su sexo fenotípico. (El fenotipo lo definimos como lo que se muestra, la estructura y función que caracteriza a un ser vivo, su aspecto, su manera de responder a estímulos, la función de sus órganos). Es decir que la diferenciación, en respuesta a distintas señales biológicas, ha llevado al individuo a tener en este caso, unos caracteres sexuales primarios, unas gónadas y genitales externos determinados, unos caracteres secundarios (vello, complexión, desarrollo de mamas, etc.) particulares y un comportamiento sexual y reproductivo propio. En el caso del ser humano, este sexo biológico está interaccionando permanentemente con lo que podríamos denominar sexo psicosocial que abarca todos los factores de crianza, de evolución psicológica, influencias sociales y culturales. Estos dos aspectos, biológico y psicosocial, se modelan mutuamente. Indudablemente el sexo fenotípico biológico es un sustrato físico sobre el que se despliegan todos los otros factores. El diagrama de la figura 1 nos sugiere que en gran medida la determinación del sexo está condicionada por la presencia de uno u otro tipo de gónada (masculina o femenina). Y el tipo de gónada que se ha formado durante el desarrollo embrionario depende de qué genes y en qué dosis se han expresado (sexo génico). A su vez, algunos de los genes determinantes del desarrollo de una u otra gónada se encuentran en los denominados cromosomas sexuales, X e Y. De manera que el embrión que posee una dotación XX formará gónadas y vías genitales femeninas y aquel que posee XY desarrollará un aparato reproductor

5 masculino. Decimos entonces que el ser humano tiene una determinación cromosómica del sexo. El desarrollo de las gónadas durante la vida embrionaria. Reconstruyamos brevemente lo que ocurre durante el desarrollo embrionario humano. Como se observa en la figura 2, la célula huevo formada tras la fecundación comienza a dividirse por el proceso de mitosis transformándose en una masa celular de 2, 4, 8, 16..células, hasta generar una estructura maciza Figura 2 Desarrollo embrionario temprano. a) Formación de la mórula por segmentación, y posteriormente de la blástula. b) Invaginación y aparición de las tres hojas embrionarias. multicelular que por su homología con un fruto se denomina mórula. Recordemos siempre que en cada división celular se forman dos células hijas

6 cada una con su núcleo y llevando siempre cada una toda la información genética característica de ese individuo. Rápidamente, algunas células comienzan a migrar, a moverse hasta formar una estructura hueca: la blástula. Posteriormente, otros movimientos, entre ellos la invaginación, hacen que comience a definirse un embrión temprano con tres capas: una interna o endodermo, una externa o ectodermo y un mesodermo en el medio. Cada una de ellas dará posteriormente algunos de los órganos que comienzan a formarse. De hecho, una parte del mesodermo dará lugar al aparato excretor y a gran parte del aparato reproductor. Veamos cómo ocurre. En cierto momento, parte del mesodermo, el mesodermo intermedio, que aparece segmentado, reúne sus unidades para formar un tubo longitudinal o conducto mesonéfrico. Como podemos observar en la figura 3, a partir de esta Figura 3 Desarrollo de la gónada bipotencial A) Desarrollo temprano (embrión de 4 semanas) del conducto mesonéfrico a partir del mesodermo intermedio, donde se diferenciará la cresta urogenital. B) Esquema de vista lateral y de corte transversal para observar la cresta genital. Se indica con un círculo la región ampliada en C). C) Esquema de lo que va ocurriendo entre la semana 5 y 6, en que las células primordiales migran, se forman los cordones sexuales primitivos, y los ductos de Wolff y de Muller. A y C, Modificado de Gilbert, 2006; B, de NOVA Online Life s Greatest Miracle. recubierta estructura, de epitelio, en el embrión de 4 semanas, desarrolla se la cresta urogenital que es el primer esbozo de lo que será el aparato genital. Dos semanas más tarde, en un embrión de 6 semanas, identifican se en esas crestas lo que denominamos

7 cordones sexuales. Y estos cordones están recibiendo nuevas células que migran hasta alli: las células primordiales. Son células germinales primitivas que más adelante darán lugar a óvulos y espermatozoides. Provienen del saco embrionario (es decir de estructuras extraembrionarias) y se incorporan a los cordones sexuales primarios. El embrión tiene 6 semanas. Las crestas genitales ya se formaron, y en ellas los cordones sexuales primarios conteniendo células que serán los futuros gametos. Destaquemos que esto ha ocurrido a través de dos procesos fundamentales: multiplicación celular y migración celular. Pero simultáneamente otro proceso está ocurriendo en todos los tejidos y órganos incipientes: la diferenciación celular. Las células se forman y van adquiriendo diferente aspecto y función. Uno de los temas más misteriosos y más estudiados de la biología es la comprensión de cómo ocurre este proceso. Adelantémonos un poquito en nuestro análisis: numerosas sustancias (muchas de ellas proteínas) presentes en una región y ausentes en otras, o en forma de gradiente, estarán funcionando como señales. Volveremos sobre esto más adelante. Por el momento este embrión de 6 semanas ya tiene un esbozo de gónada, pero ésta es bipotencial. Aun no ha habido diferenciación sexual. De todos modos, esta gónada ya comienza a desplegar células de distinto tipo, y como vimos de distinto origen, que cumplirán distintas funciones. Esencialmente, unas de ellas serán las precursoras de los futuros gametos o células reproductoras. Y las otras, darán lugar a un conjunto de células nutricias y a aquellas capaces de formar hormonas, que a partir de su aparición irán definiendo la diferenciación futura de las vías genitales y de los genitales externos, además de ser determinantes posteriormente en la vida sexual y reproductiva del individuo. La diferenciación sexual de las gónadas Hacia la octava semana de vida embrionaria las gónadas comienzan a diferenciarse y evolucionar de forma diferente según vayan a ser femeninas o masculinas.

8 En el embrión que será de sexo masculino En individuos que serán varones, los cordones sexuales continúan formándose y dan lugar a los cordones testiculares (figura 4). En ellos las células germinativas van siendo rodeadas por células de Sertoli. En las siguientes semanas estas estructuras siguen evolucionando para formar los tubos seminíferos y la red testicular. También se diferencian en el insterticio, las células de Leydig. El conducto mesonéfrico que se había formado en los inicios de este proceso, y formó el conducto de Wolff, da lugar ahora al epidídimo y conducto deferente. Otro conducto se ha ido formando durante este proceso: el de Muller. En el desarrollo masculino este último desaparece, siendo una señal clara de formación de un aparato masculino. De esta forma, entre las semanas 8 y 16 la gónada masculina, el testículo, así como las vías van constituyéndose. El destino de los gametos es definido por las células que las rodean, independientemente del sexo cromosómico. Las células germinativas Figura 4 Diferenciación de la gónada masculina. A) Semana 8: se forman los cordones testiculares y la red testicular. B) Semana 16: los cordones testiculares se conectan al ducto de Wolff (futuro deferente). Modificado de Gilbert, rodeadas de células de Sertoli se transforman en espermatogonias precursoras de los espermatozoides. Simultáneamente, a partir de la semana 9 se definen características de los genitales, generados a partir de derivados de la cloaca: los bordes del surco uretral se fusionar formando la uretra, se forma también el escroto y el pene se agranda y se elonga.

9 En el embrión que será de sexo femenino En este caso, alrededor de la octava semana de vida, los cordones sexuales internos degeneran y se forman cordones corticales en la superficie de la gónada. Las células germinales entran dentro de estos cordones sexuales, si bien no madurarán completamente ni se liberarán hasta la pubertad. Del epitelio se forman las células de la granulosa y del mesénquima, las células tecales. Figura 5 Diferenciación de la gónada femenina. A) Semana 8: Degeneran los cordones internos y se forman cordones corticales. B) Semana 20: Se han formado los folículos ováricos. El ducto de Muller se desarrolla. Modificado de Gilbert, Entre las semanas 11 y 12, las ovogonias se diferencian en ovocitos primarios y se rodean de células granulosas, para formar así los folículos primordiales que se observan en el ovario aproximadamente durante la semana 14 y adquieren un máximo grado de desarrollo entre las semanas 20 y 25, constituyendo la estructura definitiva de los ovarios (figura 5). Como vemos, su desarrollo es más tardío que el testicular. Simultáneamente, se desarrollarán las vías genitales: el conducto de Muller, lejos de degenerar como ocurría en el embrión masculino, dará lugar al útero y oviducto, al cérvix y la porción superior de la vagina. Una decisión temprana y un proceso más largo Hemos visto entonces que señales tempranas de diferenciación colaboraron a la formación de la gónada en una región definida, la cresta genital. Allí, en torno de la semana 4 se formó una gónada bipotencial a la que arriban células

10 germinales. Genes de los que hablaremos más adelante comienzan a expresarse y generan señales diferentes para que esa gónada se transforme en masculina o femenina. A partir de la semana 6 entonces, los procesos y transformaciones que siguen en cada caso son diferentes. En las semanas siguientes algunas de las células que se formaron en la gónada comenzaron una nueva función: la producción de hormonas. Y estas hormonas colaborarán a que vayan formándose las vías y los genitales externos en cada caso. De este modo, las células de los ovarios comienzan la secreción de estrógenos que determinan la maduración del conducto de Muller que originará como vimos útero, oviducto, etc. En cambio, en el testículo, las células de Sertoli producen la hormona antimulleriana que provocará la degeneración del ducto de Muller, mientras que las células de Leydig formarán la testosterona que colabora con la maduración, a partir del ducto de Wolff, de las vías masculinas. Por supuesto que estas hormonas influyen también en la maduración de los gametos, en el desarrollo de genitales externos, y más adelante, en la vida post-natal, en la maduración de los caracteres sexuales secundarios y mucho más.

11 Parte II: La determinación cromosómica del sexo Llegamos ahora a la siguiente pregunta: qué señales inducen durante el desarrollo embrionario la decisión para la formación de un aparato reproductor femenino o masculino, y sobre todo de una gónada femenina o masculina? Ya vimos que la gónada que se forme será responsable en gran medida del sexo biológico del individuo. Esta pregunta atravesó las diversas etapas de la historia de la humanidad. Recordemos solamente en cuántas sociedades era preferible el nacimiento de un hijo varón, y por lo tanto cuánto ansiarían científicos y no científicos encontrar la clave para definir el sexo del futuro niño. Sin ser necesariamente el primero, ya Aristóteles habló de la influencia del calor del esperma en la determinación del sexo. Y a través de los siglos, científicos reconocidos como Galeno (190 DC) o Vesalius (1543) propusieron hipótesis similares o explicaciones tales como que los genitales femeninos son una forma incompleta o inacabada de la formación de los genitales masculinos. No había una explicación científica consistente y los prejuicios culturales tenían mucho peso. Los cromosomas A comienzos del siglo XX, con el desarrollo del microscopio y el conocimiento de la estructura celular, comenzó el estudio de unos cuerpos coloreados presentes en la célula en división: los cromosomas. La sustancia fácilmente coloreable que los compone, la cromatina, es el componente principal del núcleo de la célula, y en el momento de la división celular se condensa y toma la forma con la que conocemos a los cromosomas. Ya en 1905 se observó en un grupo de insectos, la presencia entre los cromosomas, de dos de ellos (XX) en las hembras, en tanto los machos tenían uno solo. A partir de entonces se ha estudiado que en un gran número de vegetales y de animales tanto invertebrados como vertebrados, existen diferencias en los cromosomas (frecuentemente en un par cromosómico) entre los machos y las

12 hembras, lo que parece sugerir que la presencia o ausencia de algún cromosoma va a determinar de alguna forma el sexo del individuo. El cariotipo humano Como sabemos, todo organismo pluricelular está compuesto por células, miles y millones, según la especie. Cada una de estas células tiene un núcleo que contiene la Figura 6 La Cromatina A) Niveles de organización: el ADN se organiza con proteínas para formar una estructura en cuentas de collar que a su vez se enrolla para formar un solenoide más condensado. En el momento de la división celular, éste se compacta aun más para dar los cromosomas. B) Microfotografía electrónica en que se ve coloreada la cromatina. Señalada con E la eucromatina menos condensada, con H la heterocromatina más condensada. Tomado de internet: A) recursos.cnice.mec.es; B) La célula de Julio Pérez Márquez, www2.uah.es/biologia_celular/lacelula información genética. Una secuencia maravillosa de investigaciones a lo largo del siglo XX demostró que esta información genética está contenida en las moléculas de ADN. El núcleo celular contiene entonces mayoritariamente ADN y proteínas, constituyendo la cromatina (figura 6). La información genética es perfectamente conservada a lo largo de las divisiones celulares y esto es gracias a una meticulosa replicación del ADN y a un reparto equitativo del material en las células hijas. Como parte de este proceso de división (llamado mitosis), la cromatina se condensa y forma los cromosomas ( cuerpos coloreados ). El número y forma de los cromosomas son propios de cada especie y en su conjunto lo conocemos como cariotipo. En la figura 7 observamos una representación ordenada del cariotipo humano. Para realizarla debemos obtener células que se están dividiendo,

13 Figura 7 Cariotipo humano presentando ordenadamente los 22 pares de autosomas y los cromosomas sexuales (señalados con una flecha roja). La técnica de bandeo G facilita la identificación de los pares. a) cariotipo femenino. b) cariotipo masculino. Tomado de Klug&col., preferentemente en la fase en que los cromosomas están más condensados y separados (metafase), fotografiarlas y tras el análisis, ordenar los cromosomas. En muchos casos, como el de la figura se utilizan técnicas de coloración que agregan detalles (en este caso bandas claras y oscuras) que facilitan la identificación de cada cromosoma. Si nos detenemos en esta figura podemos observar que los cromosomas se disponen en pares. Efectivamente, el ser humano es un organismo diploide como la gran mayoría de los animales. Los cromosomas presentes en cada célula consisten de dos juegos, cada cromosoma tiene su homólogo constituyéndose pares. En cada par de cromosomas, uno proviene de un padre y el homólogo proviene del otro parental. Cuando durante la fecundación cada gameto (proveniente de la madre y del padre) se unen, cada uno aporta un juego de cromosomas. En el caso del ser humano cada gameto aporta 23 cromosomas diferentes. La célula huevo, y a partir de ella cada una de nuestras células tiene 46 cromosomas. Decimos que el cariotipo humando es 2n = 46. Pero, si seguimos observando la figura 7 vemos que los cromosomas son homólogos de a dos con una excepción: en el cariotipo de varón hay un par constituido por un cromosoma grande y otro pequeño: los cromosomas sexuales.

14 En definitiva, en el cariotipo humano hay 44 cromosomas que son en realidad 22 pares, que denominamos autosomas. El último para está formado por los cromosomas sexuales, que son iguales en la mujer, XX, y diferentes en el hombre, XY. Figura 8 Esquema representando la formación de gametos. La mujer forma gametos que llevan en todos los casos 22 autosomas y un cromosoma X. El varón forma espermatozoides que llevan 22 autosomas. Pero respecto a los cromosomas sexuales llevan o X o Y, determinando el sexo del futuro bebé. De este modo, la determinación cromosómica del sexo es en el hombre, como en todos los mamíferos placentarios, mediante un sistema XX en la hembra y XY en el macho. Como se muestra en el esquema de la figura 8, los gametos femeninos llevan 22 autosomas y un cromosoma X (es decir la dotación que denominamos haploide de n = 23 cromosomas), mientras que los gametos masculinos, los espermatozoides, llevan 22 autosomas y un cromosoma sexual que puede ser X o Y. Como vemos, en el momento de la fecundación el espermatozoide, portador de un gameto con X o con Y, define el sexo del futuro niño. Dónde reside la clave de esta determinación cromosómica del sexo? La primera interrogante es: este tipo de determinación del sexo es imperativa? Pues no. Hay muchos organismos, sin ir más lejos la gran mayoría de los peces, que no tienen cromosomas sexuales. Veremos más adelante, que el cromosoma no es más que una secuencia de genes, algunos de los cuales colaborarán a señalizar el desarrollo sexual. La evolución promovió en muchos casos que

15 varios de esos genes, o los más determinantes, se ubicaran en este par de cromosomas sexuales. Sin embargo estos genes pueden estar dispersos en los cromosomas, y pueden ser además menos determinantes, si tenemos en cuenta, por ejemplo que en algunos organismos otros factores son importantes a la hora de la definición del sexo tales como temperatura, sustancias difusibles, etc. Sin embargo, volviendo al ser humano, en este caso efectivamente, la determinación del sexo depende en gran medida de la presencia de uno u otro tipo de cromosomas sexuales. La importancia del cromosoma Y La segunda interrogante es: qué es lo importante, el número de cromosomas X o la presencia de un cromosoma Y? Nuevamente a lo largo de la escala existen variados ejemplos y en algunos de ellos (como es el caso de la mosca de la fruta) la dosis de cromosomas X presente es fundamental para la elección del sexo. En el caso del ser humano las evidencias indican que la presencia del cromosoma Y es determinante para que el desarrollo embrionario tome el rumbo de la masculinidad. Síndromes con proporciones alteradas en los cromosomas sexuales. Fue solo hace pocos años que se logró la identificación de algunos genes en el cromosoma Y permitiendo comprender cabalmente el hecho de que éste cromosoma, más que la presencia de una o dos copias del cromosoma X sea el que orienta el desarrollo de una u otra gónada. Pero existe otro tipo de observaciones que contribuyen a confirmarlo. Algunas de ellas se relacionan con el aspecto fenotípico, tipo de gónada y de genitales externos de los individuos que presentan alteraciones en las proporciones sexuales. Debido a alteraciones durante el proceso de formación de los gametos, ocasionalmente algún gameto puede ver modificado su conjunto de cromosomas llevando alguno de más o de menos y alterando entonces el cariotipo de la célula huevo y posteriormente de todas las células del organismo.

16 Los individuos con síndrome de Klinefelter presentan 22 pares de autosomas, pero sus cromosomas sexuales son XXY. Estos individuos tienen diversas alteraciones físicas y funcionales, pero presentan genitales masculinos. Mientras que los individuos con síndrome de Turner tienen también la dotación normal de 22 pares de autosomas, pero presentan un solo cromosoma X como cromosoma sexual. Se dice que son X0, y fenotípicamente son mujeres. Tienen genitales poco desarrollados y son estériles, pero sus genitales son femeninos. Esto sugiere que la presencia del Y es responsible, en un momento del desarrollo, de promover la formación de gónadas y genitales masculinos.

17 Parte III Qué tiene cada uno de estos cromosomas sexuales para contribuir al desarrollo diferencial de la gónada bipotencial? En los últimos 30 años, el explosivo desarrollo de la biología molecular y de las técnicas denominadas de ADN recombinante, permitieron avanzar en el discernimiento de ese misterio por el cual se afirma que nuestra información genética es responsable en gran medida de las estructuras y funciones que nos caracterizan. La información genética no es más que el ADN en el cual podemos identificar genes. Uno de los objetivos de la biología de fines del siglo XX fue identificar, secuenciar y mapear estos genes en los cromosomas. Actualmente, se puede entonces intentar responder a la pregunta planteada ahondando en cuáles son los genes presentes en el cromosoma Y y en el X, responsables, al menos en parte del destino de la gónada en formación. Algunos conceptos previos Desde la década de 1950 en que se describe a partir de pruebas experimentales el modelo de la doble hélice de ADN, se avanza hacia lo que se denominó el dogma central que relaciona la molécula de ADN con la producción de proteínas en la célula. Varios investigadores trabajando en modelos tan alejados como hongos y humanos, definieron la relación signada como un gen-una cadena polipeptídica. En la década del 70 los científicos ya manejan con certeza algunas ideas que de forma esquemática se puntean en el cuadro A y en la figura 9. (Una descripción más detallada de estos procesos escapa al objetivo de este capítulo, y puede hallarse en textos de Biología General y de Genética como los citados en la bibliografía)

18 1- Un gen puede definirse operacionalmente como un tramo de secuencia de ADN (en un cromosoma) que tiene toda la información necesaria para la formación de una cadena polipeptídica determinada. 2- La forma que en que esto ocurre implica un proceso de transcripción en el que, mediante una maquinaria en la que participan numerosas proteínas, muchas de ellas con función enzimática, el ADN da lugar a un ARN. 3- Existen varios tipos de ARNs de los cuales los que participan más claramente en este proceso son: el ARN ribosomal, que será constituyente de los ribosomas, el ARN de transferencia que colaborará con el proceso de traducción y el ARN mensajero (ARNm) que es justamente la copia de la información contenida en en el ADN. 4- El ARN mensajero madura y sale del núcleo. En el citoplasma, una compleja maquinaria participa en la traducción. Esta consiste en la formación de una cadena polipeptídica con una secuencia específica de aminoácidos, que se construye leyendo el mensaje del ARNm. 5- La secuencia de nucleótidos del ADN y el ARNm se correlaciona con la de la cadena polipeptídica. El código que relaciona ambas moléculas tan diferentes fue descifrado y se denomina código genético. Es un código de tripletes pues la secuencia lineal de tres nucleótidos (un codón) se corresponde con un aminoácido en la futura proteína. Otro concepto importante que debemos tener en mente en este capítulo es que las características que adopta una célula (y por lo tanto los tejidos,

19 órganos y el organismo todo) depende en último término de las proteínas que posee. Las proteínas, constituídas por cadenas polipeptídicas, cada una de ellas caracterizada por una única y propia combinación secuencial de aminoácidos, son las moléculas que adquieren las más variadas estructuras (hélices, bolsillos, plegamientos) y cumplen funciones claves (la hemoglobina en los glóbulos rojos, la miosina en los músculos, los neurofilamentos en las neuronas, etc.) Y tienen además una función aun más crucial si se quiere: todas las reacciones en que se sintetiza, se modifica, se degrada un componente en la célula, sean proteínas, glúcidos, lípidos, pigmentos. requieren de una acción enzimática. Y las enzimas son proteínas. La expresión génica De dónde han surgido las proteínas que posee cada célula? Cuando las condiciones están dadas (por ejemplo, el cromosoma está descondensado, la molécula de ADN está suficientemente expuesta) algunos de los genes presentes a todo lo largo del cromosoma y en todos los cromosomas de esa célula, podrán expresarse. Esto es: su secuencia de nucleótidos se transcribe y da lugar a un ARNm. Como vimos, este ARNm sale del núcleo y es captado por la maquinaria de traducción dando lugar a una cadena polipeptídica. Esta cadena se puede plegar, modificar, e incluso unirse con otras para formar una proteína madura. Así por ejemplo, cuando decimos que en una célula precursora de glóbulo rojo se expresa el gen de globina, significa que ese tramo de ADN da lugar al ARN mensajero de globina, y éste con ayuda de los ribosomas, es leído triplete tras triplete generando una cadena de 147 aminoácidos: la cadena polipeptídica de globina, la cual, uniéndose a otros componentes, constituirá la hemoglobina. Pero. esto sucede en todas las células? No. La célula muscular no precisa globina, la neurona tampoco. En estos tipos celulares el gen de globina está presente pero no se expresa. No se transcribe ni se traduce. Está apagado.

20 La regulación de la expresión génica En este momento llegamos al concepto de que, si bien todas las células poseen la misma información genética, no todos los genes se expresan al mismo tiempo y en la misma célula. Hay una regulación de la expresión génica. Existe distinto tipo de señales que colaboran a que un gen sea molde para el proceso de transcripción. En la figura 10 se muestra que la estructura del gen (que hemos definido como la secuencia de ADN necesaria para la producción de una proteína) incluye varias regiones que no van a ser transcriptas. Su función es justamente colaborar a regular la expresión del gen, son secuencias reguladoras. Entre ellas son fundamentales aquellas ubicadas río arriba del sitio de inicio de la denominadas región promotora o Esencialmente, la regulación a nivel del promotor ocurre de la siguiente forma (fig.10): algunos tramos pequeños de esta secuencia (de alrededor de Figura 10 Secuencias implicadas en la regulación de un gen eucariota. A) Adicionalmente a la secuencia que dará lugar al ARN mensajero (secuencia codificante) existen secuencias relacionadas con la regulación de la expresión de ese gen. Algunas distantes de la secuencia codificante se conocen como potenciadores. La secuencia contigua en 5 al inicio de la transcripción se denomina promotor y abarca aproximadamente 200 pares de bases. Se señala en la figura que pueden identificarse tramos cortos de de secuencias. Estos son reconocidos por proteínas denominados factores de transcripción que son los que colaboran a que un gen se transcriba o no. B) Se equematiza el mecanismo en cascada frecuente durante los procesos de desarrollo. Un gen se expresa: da lugar a un ARNm (en rojo) y éste a una proteína (violeta). Esta proteína tiene por función ser factor de transcripción u otra proteína reguladora, que se dirije al promotor de otro gen para colaborar con la señalización para que éste último se exprese. Modificado de: Lewin,2003 y Griffith&col., 2002.

21 15 nucleótidos cada uno) son reconocidos por proteínas se denominadas genéricamente factores de transcripción, que se unen a ellos. La presencia de estos factores de transcripción sobre el promotor producen cambios tales que promueven el inicio de la transcripción, o aumentan su tasa si ésta era baja. Llegamos entonces a un concepto importante: los genes pueden expresarse o no. Para señalar la expresión de un gen deben estar presentes determinadas proteínas que actúan sobre las secuencias reguladoras del mismo. Los genes que se expresan en una célula dada aseguran un repertorio de proteínas que es propio de esa célula. Como ya hemos dicho, muchas de estas proteínas son enzimas que habilitan determinadas reacciones químicas y definen el destino de esta célula y sus vecinas. Una enzima puede, por ejemplo, ser responsable de la producción de una hormona. Hemos revisado algunos conceptos y ahora podemos regresar a la pregunta que nos ocupa: qué tiene cada uno de los cromosomas sexuales para contribuir al desarrollo diferencial de la gónada que hasta cierto momento es bipotencial? El cromosoma Y y la región determinante del sexo Como hemos visto que en el ser humano el cromosoma Y es el que determina que el desarrollo de la gónada embrionaria se encamine hacia una gónada masculina, veamos qué genes contiene este cromosoma, implicados en este proceso. El cromosoma Y humano es un cromosoma muy pequeño. Una vez que el informe del Proyecto Genoma Humano describió y mapeó gran parte de los genes, pudo confirmarse que este cromosoma tiene muy pocos genes y tiene grandes regiones desprovistas de genes (tipos de secuencias de ADN que constituyen lo que denominamos heterocromatina). Como vemos en la figura 11, posee en ambos extremos regiones con homología con el cromosoma X, denominadas pseudoautosómicas. Éstas serán responsables de que los cromosomas X e Y se apareen en la meiosis, como lo hacen todos los otros pares de cromosomas (los autosomas), para asegurar un

22 correcto reparto durante la formación de los gametos. Pero contiene además Figura 11 Esquema representando las regiones del cromosoma Y humano. Modificado de Klug&col., una región específica del macho (MSY) de unas 55 Mega bases. Ella a su vez, está constituida por regiones muy pobres en genes (heterocromatina), regiones con genes derivados de otros genes del cromosoma X, y finalmente una región determinante del sexo o SRY (Sex-determining Region Y-chromosome) que ha demostrado ser la responsable de las señales de masculinización. Como vemos en la figura, esta región se encuentra en el brazo corto del cromosoma Y, muy cerca de su extremo, y muy cercano a la región pseudoautosómica. La presencia de SRY Recientemente se ha determinado cuál es el gen clave en esta región, el cual a menudo es denominado como SRY, o como el gen que codifica el factor determinante testicular (TDF, abreviatura en inglés). Y, porqué este gen es tan importante?, qué es lo que hace? Como todo gen, para hacer algo tiene que expresarse. Este gen se expresa y como consecuencia se produce la proteína, que es el factor determinante testicular. Y cuál es la función de esta proteína? Pues es una de estas proteínas que funciona como factor de transcripción. Es decir que es capaz de reconocer y unirse a los promotores de otros genes para promover su expresión. Como vemos, esto funciona a modo de cascada. Durante el desarrollo embrionario

23 temprano este proceso es muy común: se produce una proteína que específicamente activa algunos genes, que a su vez producen otras proteínas, de modo que va determinándose el repertorio de proteínas de esas células, diferente de las de otras (figura 10 B). En nuestro caso el factor TDF es un detonador. En el embrión masculino, comienza a aparecer esta proteína y ella provoca la expresión de otros genes. Esto no ocurre en el embrión femenino. El producto del gen SRY induciría la proliferación del epitelio celómico de las crestas gonadales en los fetos de sexo masculino y la migración de células mesonéfricas hacia la cresta gonadal, entre ellas, las células de Leydig. Comienzan a formarse estructuras cordonales. La diferenciación de las células de Sertoli hace que a su vez comiencen a producir otras proteínas específicas que colaboran con la diferenciación masculina. Algunos datos que confirman la importancia de SRY Una de las evidencias experimentales de la importancia de SRY proviene de los casos descritos de translocación de este fragmento del cromosoma Y. Una translocación consiste en que un tramo de un cromosoma se corte y se integre en otro cromosoma. Una de las situaciones en que esto puede ocurrir es en el momento en que los cromosomas se aparean durante la meiosis. En el caso de los cromosomas sexuales X e Y, hemos dicho que ellos se unen por dos regiones pseudoautosómicas (PAR, sigla en inglés) en los extremos cromosómicos. Ya que la región SRY está a tan solo 5 kilobases de una de las PARs, ocurre con cierta frecuencia que esta región se transloque al cromosoma X (figura 12a). Una vez que los cromosomas se separan, se formarán gametos masculinos que llevan o un cromosoma X o un Y. En este caso particular, los gametos llevarán un cromosoma X con la región del gen SRY, y otros llevarán cromosoma Y carente de esta región. Después de la fecundación en que participa este gameto, el resultado es en el primer caso, un individuo con XX pero que es varón y presenta genitales masculinos (síndrome de Chapelle). En el segundo caso nacerá una mujer con cromosomas XY: dado que el cromosoma Y carece de la región SRY no hay

24 Figura 12a Translocación cromosómica de un fragmento del cromosoma Y al X durante el apareamiento de ambos cromosomas en la meiosis. Dará lugar a gametos masculinos que llevan un cromosoma Y carente de la región SRY y otros que llevan un cromosoma X con SRY. La figura muestra que una vez que se forma un cigoto portador de un cromosoma X de la madre, se formará un futuro embrión que posee en todas sus células una dotación XX pero lleva SRY, desarrollándose como un varón. Modificado de Wilhelm&col Figura 12b Fotografía de un ratón macho junto con un ratón XX transgénico al que se insertó el gen SRY. La expresión de este gen determina la formación de genitales masculinos indistinguibles de las de un ratón macho. Tomado de Koopman y col desarrollo de gónada masculina, ni formación de hormonas masculinas en esa etapa, por lo que las vías genitales que maduran son las femeninas. (Síndrome de Sawyer). Ambos son estériles y aparecen en las poblaciones en una frecuencia aproximada de 1 cada nacimientos para cada caso. Otra prueba experimental proviene del trabajo con animales transgénicos. Como resultado de una manipulación genética en células que son introducidas en el embrión temprano, un ratón puede tener un gen que no poseía o que se presenta modificado. Este gen puede expresarse dando lugar a una proteína, de forma que el investigador puede observar y seguir las consecuencias que esto tiene sobre el fenotipo de este organismo que denominamos transgénico. En 1991, se demostró que un embrión de ratón que es XX, pero transgénico habiendo integrado la secuencia de ADN del gen SRY, se desarrolla como un macho, presentando genitales externos idénticos a los de un ratón que es XY (figura 12b).

25 El cromosoma Y contiene otros genes vinculados con el sexo, en particular con la fertilidad, sobre los que no entraremos en detalles. De todas formas hemos querido mostrar que SRY es clave en el desarrollo de un sexo masculino. Qué ocurre con el cromosoma X? El cromosoma X es un cromosoma de gran tamaño y contiene un gran número de genes como se muestra en la figura 13 tomada del informe del Proyecto Figura 13 Esquema del cromosoma X tal como se presenta en el informe del Proyecto Genoma Humano. El cromosoma se esquematiza con las bandas descritas en base a la tinción con bandeo, cada una de las cuales se identifica con un número. Cada uno de los punto en el esquema de la derecha representa un gen. posee una sola copia. Uno de los genes que ha sido caracterizado muy recientemente con una contribución importante a la determinación del sexo es Figura 14 La expresión de DAX1 Técnica de hibridación in situ sobre embriones de ratón de diferente edad (días de vida a la derecha de cada foto). Utilizando una marca o sonda que detecta la formación de ARN mensajero por transcripción del gen DAX 1 y lo refleja con formación de una coloración azul, puede observase que este gen de expresión temprana, se trancribe en una fase en ambos sexos, pero solo persiste en los individuos XX. Tomado de Gilbert, Genoma Humano. Posee 1336 genes en 155 megabases. Solo algunos de ellos están vinculados con la determinación del sexo, conteniendo además muchos genes responsables de otras funciones del organismo, para los cuales evidentemente el indviduo de sexo masculino DAX1. Se expresa inicialmente en ambos sexos, persistiendo más tarde solo en el ovario. Está justamente vinculado con el desarrollo del ovario. En la figura 14,

26 que muestra el resultado de una técnica por la cual un gen que se expresa genera un pigmento de color azul, podemos ver cómo con el paso de los días el producto del gen DAX1 se observa solo en las hembras. Qué ocurre cuando se expresa el gen DAX1?. Se produce la proteína DAX 1. Nuevamente esta proteína es de aquellas que, a nivel de los promotores de otros genes, participan para regular su expresión. Es así que una vez que se produzca, dependiendo de en qué cantidad se encuentre en la célula, contribuirá a expresar otros genes específicos y formar nuevas proteínas. Como podemos prever, el embrión masculino, XY también tiene en su cromosoma X el gen DAX1. Y por otra parte, el embrión femenino tiene en cada célula un cromosoma X inactivo, por lo que expresa una sola de sus copias de DAX 1. Dónde está la diferencia? Se ha mostrado, como vemos en la figura 15a, que la presencia del producto de DAX1 junto con SRY promueve la formación de testículo, mientras Figura 15 Acción de DAX1 15a Esquema que refleja la importancia del balance de SRY y DAX1 que depende no solo de la presencia del gen y de su número de copias, sino de su expresión. La presencia de SRY, aun en presencia de DAX1 en el cromosoma X, determina el desarrollo de un macho. La presencia de DAX1 solo encamina a la formación de ovario. Mientras que una doble dosis de DAX1 logra contrarrestar los efectos de SRY y alterar el desarrollo gonadal. Modificado de Gilbert, b Se esquematiza de qué forma las proteínas SRY o DAX 1 en la dosis en que se encuentren regulan la expresión de otros factores, tales como SF1. La flecha indica estimulación de la expresión, mientras que el símbolo l-- indica inihibición. Como vemos, SRY y DAX 1 son solo el inicio de una cascada que implica diferentes proteínas en el desarrollo de cada sexo.

27 que DAX 1 sin SRY promueve formación de ovario. Observamos también que la expresión de dos copias de DAX 1 junto con SRY no permite desarrollo de la gónada, encontrándose ausente la producción de testosterona y otras hormonas. La interacción de los productos de estos genes de expresión temprana es mucho más compleja, y los genes involucrados son numerosos y definen una red intrincada. La regulación como vemos es muy fina, no es un todo o nada. Depende de la cantidad de un determinado factor y depende, además, de qué otros factores están presentes simultáneamente, o depende en otros casos de que otro factor esté completamente ausente. Un complejo conjunto de numerosas proteínas, formadas en el momento justo y en la célula indicada aseguran que se vayan formando otras nuevas y así se determine el destino de las células. Sería sumamente tedioso nombrar y describir otros genes que participan en este proceso. Solo a modo de ejemplo observemos el esquema de la figura 15b. Aquí vemos cómo las proteínas SRY y DAX 1 compiten por la regulación de otro factor (SF1), que a su vez regula a otro (Sox 9). Éste último contribuirá a la formación del testículo. Sox 9 promoverá por ejemplo la producción de una hormona: la hormona antimulleriana. Como recordarán, durante el desarrollo de las vías genitales masculinas existe una señal determinante que es la destrucción del ducto de Muller, al tiempo que a partir del ducto de Wolff se desarrollan las vías masculinas. SF1 colabora a su vez con la formación de testosterona en las células de Leydig. De manera que podemos comenzar a visualizar que en presencia de proteína SRY estimulando y si no hay suficente DAX 1 para reprimir, la cascada se inclina hacia la formación de Sox 9, SF1 y muchos más, de los que éstos son tan solo ejemplos. Este proceso complejo está parcialmente esquematizado en la figura 16. El ejemplo particular de la determinación génica del sexo nos da una idea de la manera en que ciertos genes pueden ir definiendo un fenotipo determinado. Podemos adelantar del mismo modo que alteraciones en esos genes (las mutaciones) pueden verse reflejadas en cambios en el fenotipo.

28 Figura 16 Diagrama del desarrollo alternativo de la gónada bipotencial. Su formación a partir de la cresta genital implica la expresión de numerosos genes entre los cuales SF1, Lim1. Tras la formación de la gónada, algunas de sus células comienzan la producción de hormonas - testosterona, dihidrotestosterona (DHT) y homona antimulleriana (AMH) en el varón; estrógenos en la niña - que señalizan la maduración de los órganos sexuales. Determinación sexual secundaria El esquema que acabamos de analizar muestra que, una vez formado un tipo de gónada (sexo gonadal), distintos tipos de células en cada una de las gónadas producen hormonas que definen la formación y maduración del conjunto del aparato reproductor. Bajo estimulación de estrógenos el ducto de Muller se diferencia en oviductos, útero, cervix y porción superior de la vagina. Mientras que, en el hombre, el ducto de Muller es destruído por la hormona antimulleriana producida por las células de Sertoli. La testosterona producida por las células de Leydig promueve la diferenciación del ducto de Wolff en deferente y vesícula seminal. Poco a poco, y en gran medida bajo regulación hormonal, van

29 tranformándose los genitales externos y, en distintas fases de la vida, los caracteres sexuales secundarios.

30 Parte IV La determinación del sexo es un proceso complejo y delicado. En el correr de estas páginas hemos visto que el proceso de determinación del sexo biológico (que aun se volverá más complejo tras el nacimiento, con la interacción con el medio), es el resultado de numerosos eventos que se encadenan, reacciones químicas, proteínas sintetizadas en un momento específico, hormonas secretadas en determinado lugar y sensadas por un receptor, etc. Es sumamente complejo, y para nuestra sorpresa, generalmente funciona bien! A distintos niveles, de forma progresiva va delineándose un patrón, con numerosas variantes, pero en cierta forma irreversible. En cada uno de los niveles, una falla puede afectar el fenotipo del individuo, sea en lo morfológico o en lo funcional. En el cuadro esquematizamos estos distintos niveles A nivel génico A nivel cromosómico A nivel gonadal Por un medio hormonal exógeno (ej. hormonas de la madre endógeno receptores hormonales Como ya vimos, alteraciones que ocurren naturalmente y las consecuencias que ellas tienen sobre la estructura o la función, contribuyen a dar cuenta de la importancia del factor que se vio alterado. Del punto de vista experimental la biología, y en particular la genética ha recurrido a esto provocando alteraciones y observando las consecuencias biológicas. Dado que a partir de las facilidades de secuenciación y clonación de genes, muchos han sido identificados sin tener una función asignada, la genética reversa utiliza a menudo la estrategia de anularlos para aproximarse a su función. Someramente repasemos algunos ejemplos que muestran la importancia de cada uno de estos niveles.

31 El nivel génico. Hemos visto ya la importancia determinante que tiene la presencia de genes tales como SRY o DAX 1. Recordemos que un individuo XX con proteína SRY se desarrolla como macho. Un individuo XY con una duplicación de DAX1 no logra generar gónada masculina. Sin llegar a la duplicación génica o a la ausencia de un gen, mutaciones en uno o más nucléotidos en la secuencia de ADN de un gen, pueden eventualmente producir, cuando se expresen, una proteína alterada (un triplete diferente será leído durante la traducción, y puede corresponder a un aminoácido diferente). Así, son numerosos los ejemplos de alteraciones del desarrollo sexual debido a mutaciones en algunos de los genes implicados. Mutaciones en Sox 9 generan un individuo que es XY pero con desarrollo femenino (displasia campomélica), mientras que una duplicación de Sox 9 en un individuo XX produce una reversión sexual y desarrollo masculino. Otras alteraciones pueden ocurrir por ejemplo en genes vinculados con la síntesis de hormonas como ejemplificaremos un poco más adelante. A nivel cromosómico Las alteraciones en los cromosomas ocurren mayoritariamente durante la formación de los gametos. Muchas de ellas consisten en pérdida (deleción) o adición de un fragmento de cromosoma, o translocación de un tramo de un cromosoma a otro. También ocurren cambios en el momento de la separación de los cromosomas de un mismo par, pudiendo dar lugar a gametos que llevaron los dos cromosomas de ese par o ninguno. Cuando este gameto alterado participa en la fecundación, se formará una célula huevo que recibe el complemento de los 23 cromosomas del otro gameto. De todos modos, tendrá un cromosoma del par alterado, o tendrá tres (trisomía) o un (monosomía) cromosomas de un par. Hemos visto, como ejemplos los síndromes de Klinefleter y Turner. El primer caso son hombres con 2n = 47 (44 autosomas más XXY) con una incidencia aproximada en la población de 1 en 500. Entre los 12 a 14 años

32 tienen niveles bajos de hormona testosterona, y como consecuencia presentan testículos poco desarrollados, azoospermia (ausencia de espermatozoides), pene pequeño, y tejido mamario agrandado (ginecomastia). También presentan proporciones corporales anormales y generalmente estatura alta. Las mujeres con síndrome de Turner, tiene un cariotipo de 2n = 45 (44 autosomas más un solo X) ocurriendo en 1 de cada 2500 niñas. Poseen un aspecto infantil, baja estatura con anomalías de ojos y huesos, escaso desarrollo de caracteres sexuales secundarios, y ausencia de menstruación. No está aun totalmente clarificada la base a nivel génico de esta alteración. Hemos comentado también previamente, que la presencia de un cromosoma X que debido a una translocación tienen ahora el gen SRY da lugar a un individuo con desarrollo masculino. Este ejemplo nos sirve para volver a recordar que los cromosomas no son más que el soporte de los genes, por lo que las consecuencias de las alteraciones cromosómicas son debidas en gran medida a la ganancia o pérdida de genes que conllevan. A nivel hormonal Una vez que el aparato reproductor, especialmente la gónada, se ha formado, las características sexuales físicas, funcionales y comportamentales dependen en gran medida de las hormonas, y principalmente aquellas que son formadas en las propias gónadas. Pero a su vez, como se ejemplifica en la figura 17, podemos visualizar la formación de una hormona, como el resultado de una secuencia de Figura 17 Diagrama de la síntesis interrelacionada de algunas hormonas. Cada flecha representa una reacción química y es catalizada por una enzima (dada su complejidad, se han omitido los nombres de las enzimas, dejando como ejemplo solo el de aquella que transforma testosterona en dihidrotestosterona. Las flechas punteadas indican que entre ambas moléculas existen moléculas intermedias y reacciones enzimáticas que darían mayor complejidad.