Diversitat genètica i evolució cariotípica dels mamífers

La diversitat genètica i evolució cariotípica dels mamífers es referix a la varietat d'informació genètica que existix entre espècies i quins canvis han ocorregut en els cromosomes durant l'evolució d'este grup d'animals.

Els alvanços en l'estudi de el ADN i els cromosomes durant la década dels 2000 varen permetre grans progressos en la comparació genètica entre distintes espècies. Encara que la seqüenciació genètica dels mamífers ha alvançat ràpidament, encara supon un repte ordenar i comparar regions completes dels cromosomes entre diferents animals.

La creació de mapes cromosòmics comparatius en animals domèstics i de laboratori ajuda a comprendre millor l'orige de certes malalties i característiques hereditàries. Estos estudis també oferixen noves ferramentes per a analisar cóm han evolucionat els cromosomes de cada espècie (el cariotip) a lo llarc del temps. L'us de tècniques com les sondes de ADN i de la hibridació fluorescent in situ (FISH) permet identificar similituts entre cromosomes de distintes espècies en gran precisió. Gràcies a això, hui es conta en informació cromosòmica de casi tots els grups de mamífers.

S'ha descobert que en molts órdens existixen espècies en taxes d'evolució cromosòmica considerades «normals», i que el número de reorganisació cromosòmiques que han quedat fixades a lo llarc de l'història evolutiva és relativament baix considerant els 180 millons d'anys de radiació evolutiva dels mamífers.

Filogenético dels mamífers

Archiu:An evolutionary tree of mammals.svg

Arbre evolutiu i relacions entre els órdens dels mamífers. La jerarquia filogenético és el consens alcançat despuix de vàries décades d'estudis de genètica molecular i paleontologia, i comparacions morfològiques. Els círculs dobles corresponen als supertaxones; els números indiquen els temps de divergència.

Els mamífers (classe Mammalia) es dividixen en monotrema, marsupials i placentarios. La subclasse dels monotrema és la Prototheria, i està compresa per cinc espècies de mamífers ponedores d'ous: l'ornitorrinco i quatre espècies d'equidnas. Les infraclases Metatheria (marsupials) i Eutheria (placentarios) formen la subclasse Theria.

En els anys 2000, la percepció que es tenia de les relacions entre els mamífers euterios ha experimentat canvis radicals. Gràcies a les tècniques de filogenético molecular, junt en noves troballes fòssilés i interpretacions morfològiques, les més de 4600 espècies existents s'han agrupat en quatre grans clados: Euarchontoglires (que inclou els primats, Dermoptera, Scandentia, Rodentia i Lagomorpha), Laurasiatheria (Cetartiodactyla, Perissodactyla, Carnivora, Chiroptera, Pholidota, i Eulipotyphla), Xenarthra i Afrotheria (que comprén Proboscidea, Sirenia, Hyracoidea, Afrosoricida, Tubulidentata, i Macroscelidea). Este arbre és molt útil en el camp de la citogenética comparativa.

Cariotips: una visió global del genoma

Cada gen es troben el mateix cromosoma en totes les cèlules d'un organisme. El ligamiento genètic ve determinat per l'associació o rodalia física de dos o més loci presents en el mateix cromosoma. Tot el conjunt cromosòmic d'una espècie es coneix com a cariotip.

Una aparent conseqüència llògica de l'evolució a partir d'un antepassat comú és que les espècies més propenques deurien tindre més cromosomes en comú. No obstant, les espècies poden tindre cariotips fenéticamente similars per la conservació genómica, inclús si les espècies no estan estretament emparentades. Per lo tant, la citogenética comparativa determina les relacions filogenético basant-se en la direcció de les diferències cromosòmiques — quines diferències són antigues i quins han evolucionat més recientement («traces derivades»).

Desenroll històric de la citogenética comparativa

La citogenética comparativa dels mamífers és una part indispensable de la filogenómica — terme utilisat per a les reconstrucció evolutives basades en l'anàlisis de senyes genómicos. En els seus començos, la citogenética comparativa es caracterisava per una òptica predominantment descriptiva, pero en l'era genómica ha evolucionat cap a un enfocament més metodològic.

Fase clàssica de la citogenética

Archiu:Examples of mammalian chromosomes.jpeg

a. Extensió metafásica de Muntiacus muntjak vaginals, 2n = 6, 7, l'espècie en el menor número de cromosomes. b. Extensió metafásica de Tympanoctomys barrerae (2n = 102), l'espècie en el major número de cromosomes. c. Extensió metafásica de Capreolus pygargus, en 2n = 70 i 1-14 cromosomes B adicionals. d. Extensió metafásica de Ellobius lutescens, 2n = 17, X0 en abdós sexes.

Els inicis de la citogenética es remonten a la segona mitat sel sigle XX. En 1956, Tjio i Levan varen descobrir que el número diploide de cromosomes en el ser humà és 2n = 46.

D'esta etapa daten les descripcions del cariotip de centenars d'espècies de mamífers, en informació sobre els números diploides, llongitut relativa i morfologia dels cromosomes, i presència dels cromosomes B.

Bandeo cromosòmic

La segona fase històrica va estar marcada per l'invenció del bandeo cromosòmic, una tècnica que permet visualisar traces particulars dels cromosomes per mig d'una tinción selectiva. La Conferència de París, en 1971 va marcar una fita en el desenroll d'una nomenclatura estàndar per a reconéixer i classificar cada u dels cromosomes humans. El bandeo és important en el camp de la citogenética comparativa perque les species estretament relacionades tendixen a exhibir patrons de bandeo molt paregut, a pesar de notables excepcions.

El bandeo de cromosomes és generalment un bon indicador de homologia en els cromosomes: els cromosomes en les mateixes bandes porten els mateixos gens. Esta relació pot fallar, no obstant, per a espècies filogenéticament molt distants o que han experimentat una evolució cromosòmica extremadament ràpida. Sent un método de comparació morfològic, el bandeo no és sempre és un indicador fidel del contingut de ADN.

Bandeo G i R

Els métodos de bandeo més utilisats són el bandeo G o bandeo de Giemsa i el bandeo R o bandeo invers. Estes dos tècniques produïxen bandes travesseres obscures i clares en un alt grau de costraste, que ajuden a identificar cromosomes homòlecs, la disposició dels seus segments i construir nomenclatures cromosòmiques per a distintes espècies. L'obra Atles of Mammalian Chromosomes, compila fotografies detallades dels cariotips bandeados de centenars d'espècies de mamífers.

Bandeo C i heterocromatina

La cantitat i l'ubicació de la heterocromatina és un factor determinant en la varietat cariotípica dels mamífers: si la heterocromatina no es tinguera en conte, la llongitut del genoma seria similar en tots els mamífers.

Archiu:Examples of distribution of C-heterochromatin in mammalian chromosomes.jpeg

Bandeo C de cromosomes mostrant eixemples de la distribució de heterochromatina en diferents espècies de mamífers. a) Sorex araneus (2n = 21), en la menor cantitat de bandes de heterocromatina de tots els mamífers. b) Spermophilus erythrogenys (2n = 36), en cromosomes caracterisats per grans bandes centroméricas. c) Vormela peregusna ( 2n = 38), en braços heterocromáticos molt llarcs en alguns autosoma. d) Erinaceus amurensis (2n = 48) en bandes teloméricas molt llargues en els autosoma. i) Allocricetulus eversmanni (2n = 26) els cromosomes de la qual X i I presenten bandes pericentroméricas. f) Microtus rossiaemeridionalis (2n = 54) en bandes prominents en els cromosomes X i Y.

El bandeo C s'utilisa per a detectar la heterocromatina. Esta tècnica ha permés demostrar que les diferències en el número de braços dels cromosomes poden deure's simplement a l'existència de braços de heterocromatina. La heterocromatina consistix en diferents tipos de ADN repetit, no sempre detectats pel bandeo C, que poden variar considerablement inclús entre espècies molt relacionades. Les diferències de la cantitat de heterocromatina entre les espècies de rosegadors, pot aplegar a alcançar entre el 33 % i 60 % de el ADN nuclear depenent del gènero.

L'espècie Tympanoctomys barrerae té la major cantitat de ADN de tots els mamífers, en un valor C de 9.2 pg, degut principalment a la gran cantitat de heterocromatina.

Métodos moleculars

Archiu:Comparative chromosome map of birds and mammals inferred human homologies on chromosome idiograms.jpeg

Mapa comparatiu d'aus i mamífers en cromosomes homòlecs humans. a. Reconstrucció dels cromosomes ancentrales dels mamífers, representats en un color específic. Els colors marquen ragiones homòlogues en els cromosomes d'atres espècies (5b–5i) b. Idiograma de Gallus gallus domesticus (2n = 78). Reconstrucció basada en el alineamiento en el genoma de H. sapiens. c. Idiograma de Monodelphis domestica (2n = 18). Reconstrucció basada en el alineamiento en el genoma de H. sapiens. d. Idiograma de Orycteropus afer (2n = 20). Reconstrucció per hibridació fluorescent in situ. i. Idiograma de Mustela vison (2n = 30). Reconstrucció per hibridació fluorescent in situ. f. Idiograma de Vulpes vulpes (2n = 34 + 0-8 B's). Reconstrucció per hibridació fluorescent in situ i mapage cromosòmic. g. Cariotip reconstruït del genoma ancestral dels rosegadors, basat en l'hibridació fluorescent in situ (Li et al., 2004). h. Idiograma de Mus musculus (2n = 40). Reconstrucció basada en l'alliniació de seqüències en gens humans. i. Idiograma de Homo sapiens (2n = 46).

La tercera fase de l'història de la citogenética s'inicia en l'incorporació de les tècniques moleculars. Estes tècniques utilisen sondes de ADN — fragments de ADN marcat química o radioactivamente — per a detectar sequencias complementàries en els cromosomes. Este método servix per a comparacions inclús entre espècies filogenéticamente distants o espècies en les que l'estructura del genoma haja experimentat grans canvis o reordenamientos. El camp denominat «cromosòmica comparativa» comprén l'estudi de la citogenética per mig de tècniques moleculars, encara que inicialment es referia a l'investigació dels processos dinàmics en la cromatina i els canvis morfològics de l'estructura cromosòmica durant la interfase del cicle celular.

La hibridació fluorescent in situ (FISH, o pintat de cromosomes), consistent en l'identificació de regions homòlogues de ADB per mig de sondes marcades en un compost fluorescent en l'espectre visible, va ser la primera d'estes tècnica en tindre un alt impacte. Este método permet una diferenciació ràpida de qualsevol tipo d'espècies i l'identificació de les regions homòlogues que han experimentat translocación durant l'evolució cromosòmica. Quan es comparen moltes espècies pertanyents a diferents órdens de mamífers, este anàlisis pot proporcionar informació sobre les tendències i les taxes d'evolució cromosòmica.

No obstant, es tracta d'un método qualitatiu i la resolució està llimitada pel tamany de les sondes utilisades, per la qual cosa esta tècnica no és capaç de detectar totes les minúscules regions homòlogues despuix de múltiples reordenamientos. El método tampoc conseguix detectar totes les inversions internes en segments de major llongitut. La resolució aumenta si s'utilisen sondes provinents de diferents espècies per a comparacions entre elles.

La microdisección de cromosomes i regions cromosòmiques és una manera útil d'obtindre sondes per al pintat de cromosomes. Estes sondes poden marcar-se en diferents molècules fluorescents; esta tècnica es denomina bandeo multicolor (MCB) i resulta molt efectiva per a comparar el genoma d'espècies propenques, per eixemple, el genoma humà i els de primats antropoides. El Cariotip Espectral (SKY) i la MFISH –consistent en l'etiquetage i l'hibridació simultànea d'un conjunt complet de cromosomes— són atres tècniques en similars ventages i inconvenients, i poca aplicació fòra dels estudis clínics.

La citogenética molecular ha confirmat una conservació substancial dels cromosomes de mamífers. Cromosomes humans sancers o els seus braços es corresponen en regions cromosòmiques en molts placentarios, Afrotheria i Xenarthra inclusivament. Les senyes de localisació de gens en els cromosomes humans es poden extrapolar a les regions dels cromosomes homòlecs d'atres espècies. L'orde, la posició i l'orientació dels grups de gens en els humans és similar a la dels mamífers placentarios ancestrals.