Síndrome de Down

Edad materna y anomalías cromosómicas en los ovocitos humanos
Franck Pellestor

Médécine / Sciences, 20(6-7), junio-julio: 691-696, 2004

Antes de leer el resumen de este trabajo:

Consideramos que el tema que aborda este trabajo interesa a mucha gente, a juzgar por las consultas que recibimos en Canal Down21. Sin embargo, su comprensión es dificultosa si no se conocen previamente algunos conceptos biológicos fundamentales, en especial la formación de los gametos (óvulo y espermatozoide) y el reparto de los cromosomas en la meiosis. Una explicación muy elemental aparece en la siguiente página del Portal:  Qué es el síndrome de Down P ero para quienes deseen una explicación y descripción más detalladas de estos procesos, que les permitan comprender mejor el trabajo objeto del resumen y comentario para este mes, hemos elaborado un artículo complementario que ofrecemos a continuación del presente resumen.

RESUMEN

Introducción y objetivos

La edad materna es el único factor etiológico cuyo vínculo con las anomalías cromosómicas de número (es decir, por aumento o disminución del número de cromosomas: aneuploidías) es reconocido hasta ahora de manera inequívoca. Las no-disyunciones cromosómicas que dependen de la edad materna afectan al conjunto de los cromosomas, siendo las más representativas las trisomías de los cromosomas 13, 15, 16, 18 y 21, para las cuales predomina el origen materno del cromosoma supernumerario o extra (93% en la trisomía 18 y trisomía 21; 100% en la trisomía 16). La mayoría de las aneuploidías de origen materno se deben a un error en la fase de separación cromosómica que ocurre en la primera división meiótica o meiosis I. En los estudios moleculares familiares realizados para las diversas trisomías, se ha puesto de relieve la existencia de una disminución o ausencia de recombinaciones durante el período de la meiosis en los cromosomas que son objeto de trisomía, lo que sugiere que el perfil de esas recombinaciones es un factor importante de predisposición para la no-disyunción meiótica. De hecho, en los estudios más recientes se ha comprobado la existencia de una correlación entre la posición de los quiasmas sobre los cromosomas y la aparición de no-disyunción. De tal modo que los intercambios o recombinaciones de material genético en las zonas más próximas al centrómero (durante el período sináptico de las cromátides) confieren a los cromosomas una capacidad de separación meiótica mejor que si los intercambios quiasmáticos se realizan en puntos más distales o alejados del centrómero. En este contexto, el efecto de la edad materna consistiría en una degeneración o degradación de ciertos factores celulares necesarios para la formación y funcionamiento del huso mitótico. La edad materna afectaría a la capacidad del ovocito para formar un huso operativo, y ello repercutiría para favorecer la no-disyunción de los cromosomas homólogos que no poseyeran quiasmas o estos quiasmas estuvieran en posición distal.

Clásicamente se considera que la no-disyunción tiene lugar en la anafase de la meiosis I (anafase I), en donde no se consigue la separación de los cromosomas, o a un fracaso en la separación de las cromátides homólogas en la meiosis II. Pero recientemente se ha comprobado otro mecanismo que hasta ahora había pasado desapercibido en los ovocitos humanos por falta de técnicas suficientemente precisas: se trata de una separación prematura de las cromátides homólogas durante la primera división meiótica. Esta separación origina la presencia de cromátides libres durante la metafase de la meiosis II (figura 1)

Resultados

El presente trabajo describe las alteraciones cromosómicas que se han observado mediante técnicas de análisis muy desarrolladas en ovocitos humanos no fecundados, obtenidos durante las técnicas de fecundación in vitro ofrecidas a mujeres con problemas diversos de esterilidad (esterilidad por problemas de trompas, esterilidad masculina, esterilidad idiopática, inmunológica). Para ello se realizaron 1.397 cariotipos ovocitarios completos, obtenidos de 520 mujeres de edad comprendida entre 19 y 46 años. El tamaño grande de esta muestra ha permitido realizar un estudio detallado y estadísticamente fiable, sobre el modo en que se reparten las diversas anomalías cromosómicas, proporcionando así los datos citogenéticos necesarios para un análisis riguroso del efecto de la edad materna.

La tasa global de anomalías cromosómicas observadas en los ovocitos de esta muestra fue del 22%, netamente superior a lo que se aprecia en los espermatozoides que viene a ser del 8-10%. De todas las anomalías analizadas, El efecto de la edad de la madre sobre la no-disyunción de cromosomas se estudió entre las edades de 19 y 46 años, y como se observa en la figura 2, existe una correlación entre el envejecimiento materno y la presencia de no-disyunciones en los ovocitos.

Pero el estudio aporta otro dato interesante sobre la formación de no-disyunciones meióticas que son origen de las aneuploidías. La mayor parte de las anomalías cromosómicas observadas se debieron a no-disyunciones cromosómicas (con pérdida o ganancia de un cromosoma) y a anomalías de las cromátides directamente ligadas a la separación prematura de las cromátides homólogas. En nuestro estudio, la frecuencia de aneuploidías ligadas a la separación prematura de cromátides fue significativamente mayor que la frecuencia de no-disyunciones cromosómicas (83 casos de cromátides libres contra 49 de no-disyunciones cromosómicas). Ambos tipos de aneuploidía guardan correlación con la edad materna, pero el grado de correlación es superior para el caso de la separación de cromátides. Y al analizar el reparto de este último proceso en función del tipo de trisomía, se aprecia que es más frecuente en las trisomías de cromosomas pequeños: 16, 17, 18, 21 y 22).

Conclusión

Este estudio revela, por consiguiente, que la separación prematura de las cromátides en el curso de la primera división meiótica o meiosis es un proceso esencial en la formación de aneuploidías en relación con la edad materna.

Posibles explicaciones

¿Cuál es, entonces, el mecanismo que subyace en el fenómeno de la separación de las cromátides, y cuál puede ser su relación con el envejecimiento de la madre? Los recientes estudios moleculares ofrecen respuestas compatibles con el momento de la segregación o separación de los cromosomas. Y entre las sustancias (proteínas) implicadas en el control del modo en que se desarrolla la meiosis y los movimientos de los cromosomas a lo largo del huso meiótico, se ha identificado una especie particular de proteínas que se llaman cohesinas. Su función consiste en mantener las cromátides homólogas emparejadas, y de este modo contrarrestar las fuerzas de tracción ejercidas por los microtúbulos que conforman el huso mitótico sobre los cromosomas. Este equilibrio entre las dos fuerzas se rompe en la anafase por causa de la lisis o destrucción de las cohesinas, con lo que se inicia el proceso de segregación de los cromosomas.

La acción de las cohesinas se ejerce en los centrómeros del cromosoma, aunque también en otros sitios a lo largo del cromosoma. La pérdida parcial o la degradación prematura de estas proteínas es responsable de la separación de las hermanas cromátides. Es muy posible que en los mamíferos aparezca un mecanismo de degradación de las cohesinas, capaz de operar en relación con el alargamiento progresivo de la etapa de la profase en la meiosis I, y por tanto en el curso del envejecimiento materno. Ante esta pérdida de cohesión, es posible que buena parte de los apareamientos cromosómicos realizados al comienzo de la meiosis se hagan inestables, y adopten una posición que facilite la separación independiente de las cromátides. A este fenómeno, es posible que se sume la degradación de otras proteínas, también por causa del envejecimiento progresivo, que se encuentran asociadas a la formación del huso. Cabe suponer que esta pérdida progresiva de la cohesión afecta a todos los cromosomas, pero que en los casos de los cromosomas grandes, el mayor número de quiasmas –sitios de anclaje entre cromátides– minimiza esta inestabilidad y limita la implicación de los cromosomas en las no-disyunciones.

LA FORMACIÓN DE LOS GAMETOS –ÓVULO U OVOCITO Y ESPERMATOZOIDE–,  EL PROCESO DE LA MEIOSIS Y LA FORMACIÓN DE TRISOMÍAS POR NO-DISYUNCIÓN

Mitosis y meiosis

El proceso de la fecundación humana se debe a la fertilización del óvulo femenino por parte del espermatozoide masculino. De ahí nace la primera célula del nuevo ser, llamada zigoto. El zigoto dará origen a todas las células del organismo por divisiones sucesivas. El zigoto recoge la herencia contenida por el óvulo y el espermatozoide en el ADN de sus cromosomas, y la transmite a lo largo de sus incontables divisiones. La herencia del ADN del organismo humano está contenida en los 46 cromosomas que se encuentran en el núcleo de cada una de las células. Para ello, los 46 cromosomas del zigoto –23 del padre y 23 de la madre– se han de dividir también en cada división celular de modo que cada célula del organismo tenga en principio igual participación de la herencia materna y paterna. Esta división de cada cromosoma en otros dos idénticos se realiza por el proceso que se llama mitosis.

Pero, a diferencia de las demás células del organismo, los óvulos u ovocitos y los espermatozoides contienen 23 cromosomas en lugar de 46, con el fin de que, en el proceso de fertilización para formar el zigoto, la suma de ellos alcance los 46. Eso significa que en el proceso de formación del óvulo y del espermatozoide a partir de las células progenitoras primarias, tiene que haber una forma de división celular en la que 23 cromosomas vayan a una de las dos células hijas y los otros 23 a la otra. Este proceso de reducción de los cromosomas a la mitad se llama meiosis.

Tanto la mitosis como la meiosis presentan aspectos comunes y otros claramente diferenciados. Para entenderlos mejor, describimos primero el fenómeno de la mitosis, muchísimo más frecuente y extendido como se puede comprender, ya que es así como se forman todas las células de nuestro organismo y como estas células se reproducen a lo largo de toda la vida. Y a continuación expondremos el fenómeno de la meiosis, que origina la peculiaridad cromosómica de los gametos. Ella nos permitirá comprender por qué se forman las trisomías, como es la trisomía 21 propia del síndrome de Down.

El proceso de la mitosis

La mitosis es el mecanismo por el que el material genético de una célula se divide en partes iguales durante el período de división celular. De esta manera, cada célula posee 2 copias de cada cromosoma, uno heredado del padre y otro de la madre. Por eso decimos que la célula somática es diploide, es decir, tiene 2n cromosomas, siendo n el número de tipos de cromosomas. En la especie humana, 2n = 46 ya que contiene 23 tipos (n) de cromosomas (numerados del 1 al 22, más el tipo gonadal X o Y). La mitosis asegura que cuando una célula somática se divide en dos células hijas, cada célula sigue siendo 2n, o sea, sigue teniendo los 46 cromosomas propios de la especie humana.

Para ello, los cromosomas han de pasar por una serie de fases que constituyen la mitosis (figura 3).

En primer lugar tiene que existir un período de síntesis o de replicación o de duplicación del material genético de ADN (fase S de la mitosis), que no se aprecia al microscopio pero que es de extraordinaria importancia porque es el único modo de duplicar el nuevo material genético, idéntico al ya existente, para repartirlo entre las células hijas. Posteriormente aparecen las fases llamadas profase y metafase: los cromosomas se hacen visibles al microscopio en el núcleo de las células como unidades independientes en forma de finos hilos duplicados. Realmente, cada cromosoma aparece como dos filamentos idénticos que se llaman cromátides, las cuales se mantienen unidas por una región estrechada que se llama centrómero. Cada cromátide contiene ya una de las dos nuevas hijas de ADN que se formaron inicialmente durante la fase S. Esto quiere decir que cuando la célula entra en mitosis, pasa de ser una célula con 2n unidades de ADN cromosómico a ser otra con 4n unidades, porque no tiene 2 sino 4 copias de cada ADN cromosómico.

Posteriormente, a partir de unos elementos nucleares llamados centriolos que son pequeños centros de tracción y de unos microtúbulos que configuran al mismo tiempo las cuerdas de tracción y los raíles por los que habrán de ser conducidas las cromátides, se forma el huso mitótico. A partir del centriolo los microtúbulos se irradian en todas las direcciones de la célula en división. Algunos de ellos forman una red que mantiene unidos a los centriolos, a pesar de que éstos se van separando más y más hacia los polos opuestos de la célula. Otros microtúbulos se enganchan a una región presente en el centrómero que se llama quinetocoro, el cual dirige el movimiento de las cromátides hacia su respectivo centriolo. Para ello, primero se colocan las 46 parejas de cromátides en el plano ecuatorial de la célula, y después las cromátides se separan una de otra en sus puntos de unión, los centrómeros, de modo que cada miembro de la pareja, elegido de forma aleatoria, emigra a lo largo de los microtúbulos hacia los polos opuestos de la célula. Simultáneamente se va dividiendo todo el resto de la célula para originar dos células, cada una de las cuales acoge a las 46 cromátides convertidas de nuevo en cromosomas: de las 4n unidades cromosómicas de ADN volvemos a tener 2n unidades.

El proceso de la meiosis

En la producción de las células reproductoras o gametos, el proceso de división celular que va a dar origen al óvulo femenino (ovogénesis) y al espermatozoide masculino (espermatogénesis) es distinto del modo habitual de división celular que acabamos de describir; se llama meiosis. En la meiosis las células originarias primarias siguen siendo diploides, es decir, contienen 2 copias de cada tipo cromosómico, uno de origen paterno y otro materno; son cromosomas homólogos.

En la meiosis, inicialmente en la fase de duplicación de ADN la célula se hace 4n o tetraploide (al igual que en el caso de la mitosis); pero después aparecen dos divisiones meióticas distintas y sucesivas llamadas meiosis I y meiosis II (figura 4),

 

sin que entre ambas exista ningún nuevo proceso de síntesis de ADN, de modo que primero se forman dos células hijas 2n (diploides); y en la segunda división, como no hay nueva síntesis de ADN, cada célula diploide origina los gametos definitivos –óvulo o espermatozoide– que contiene un único cromosoma de cada tipo (célula 1n o haploide).

LA FORMACIÓN DE LOS GAMETOS –ÓVULO U OVOCITO Y ESPERMATOZOIDE–,
EL PROCESO DE LA MEIOSIS Y LA FORMACIÓN DE TRISOMÍAS POR NO-DISYUNCIÓN

En la primera división meiótica (meiosis I) cada cromosoma, que en realidad está formado por las 2 cromátides hermanas, se alinea en el ecuador de la célula y se empareja con su pareja cromosómica homóloga (23 parejas); pero no hay división del centrómero por lo que cada pareja de cromátide permanece unida. Uno de los cromosomas homólogos (una pareja de cromátides) es seleccionado al azar para desplazarse hacia una de las células hijas, mientras el homólogo de ese cromosoma va hacia la otra célula. Puesto que uno de estos cromosomas homólogos es de origen materno y el otro del paterno, las características de los padres se van a repartir al azar en cada nueva célula germinal.

En la segunda división meiótica (meiosis II) los centrómeros que unen a las cromátides ya se dividen, como en la mitosis, y una de las cromátides hermanas (que ya se comporta como cromosoma independiente) de cada tipo morfológico queda adscrito a cada una de las células hijas: ahora cada célula hija contiene un solo cromosoma de cada tipo (1n).

En la meiosis I ocurre, además,otro fenómeno importante. Cuando los cromosomas homólogos paterno y materno se emparejan en el plano ecuatorial no permanecen estables el uno junto al otro sino que se juntan formando el llamado complejo sinaptolémico o sinapsis y empiezan a intercambiar segmentos de ADN cromosómico entre sí (figura 5). Este proceso se llama recombinación por entrecruzamiento. Eso significa que material genético que aportaba el cromosoma materno pasa a formar parte del paterno y viceversa. Para ello tiene que haber procesos de ruptura del ADN y procesos de empalme posterior, en sitios concretos que se llaman quiasmas. Existen alrededor de 50 quiasmas por cromosoma. Los quiasmas son importantes para mantener juntos a los miembros de cada pareja cromosómica dentro del huso; es decir, tienen un papel parecido al de los centrómeros en la mitosis.

Cuando no existen estos procesos de intercambio y entrecruzamiento en los quiasmas, aparecen después problemas en la separación de cada cromosoma, lo que origina que el desplazamiento posterior de los cromosomas sea anómalo con distribución irregular y un número incorrecto de cromosomas en cada célula hija (por exceso o por defecto). Por ejemplo, puede aparecer una no-disyunción de una pareja de cromosomas.

En la meiosis II las cosas ocurren ya como en la mitosis, como ya se ha explicado. La diferencia estriba en que ya no hay 46 cromosomas sino 23, cada uno formado por su pareja de cromátides unidas por el centrómero. Recuérdese que una cromátide es una unidad de ADN cromosómico completo. Al dividirse la célula, las cromátides de cada pareja se separan siguiendo el huso mitótico, dando origen al óvulo o al espermatozoide definitivos. Hay otra diferencia entre la mitosis y la meiosis II. Las cromátides hermanas de un cromosoma mitótico son idénticas porque la una es copia de la otra; pero las dos cromátides de un cromosoma en meiosis II pueden ser genéticamente diferentes como resultado de la recombinaciones realizadas durante la meiosis I.

La meiosis se desarrolla tanto en la ovogénesis como en la espermatogénesis, pero ambas presentan importantes diferencias de proceso y cronología que pueden tener consecuencias sobre la descendencia. La meiosis femenina se inicia en un momento determinado durante la vida fetal incipiente, en un número limitado de células. Pero posteriormente se van completando en el ovario fetal, en el ovocito cuando se acerca la ovulación, e incluso después de la fecundación. Por eso las modificaciones hormonales, ambientales o propias de la edad de la mujer pueden influir a lo largo de la ovogénesis antes de que se formen definitivamente los ovocitos. Por el contrario, la meiosis masculina se va iniciando de manera continuada en muchas células de una población celular durante la vida del adulto.

En el síndrome de Down existe una aneuploidía

Euploidía significa que las células poseen juegos completos de cromosomas; lo normal en la especie humana es que haya 2 juegos completos (2 x 23 = 46), pero a veces hay 3 e incluso 4 juegos (triploidía, tetraploidía) incompatibles con la vida.

Aneuploidía es lo opuesto: en el juego de cromosomas aparece uno o más cromosomas concretos como copias extra, o bien falta alguna copia. La trisomía significa que hay 3 copias de un cromosoma concreto en las células que, por lo que se refiere a los demás cromosomas, es diploide.

En el caso del síndrome de Down hay una trisomía circunscrita al cromosoma 21: 47 cromosomas. Y se especifica de la siguiente manera; para el varón: 47, XY +21 (o sea, 47 cromosomas en total, los sexuales son XY, el cromosoma extra corresponde al 21); y para la mujer: 47, XX, +21.

La no-disyunción

Es el fenómeno por el cual no se separa alguna de las parejas de cromosomas que vemos en la anafase de la meiosis I para ir cada componente de la pareja a la célula hija correspondiente (figura 6).

Otras veces se debe al fracaso de separación de las parejas de cromátides en la meiosis II para originar los gametos (óvulos y espermatozoides). Recientemente se ha propuesto un nuevo mecanismo de no-disyunción. Consiste en la separación prematura de las cromátides análogas en el curso de la primera división meiótica. Esta separación origina la presencia de cromátides libres en las metafases de la segunda división meiótica.

La no-disyunción relativa a un cromosoma en la meiosis origina un reparto anómalo de cromosomas: de los 46 originales, 24 irán a un gameto y 22 a otro (en lugar de 23 a cada uno). Tras la fertilización por un gameto normal, se formará un zigoto trisómico o monosómico.

Puesto que la no-disyunción del cromosoma 21 puede aparecer en cualquiera de los gametos, el origen del síndrome de Down puede ser tanto paterno como materno. Pero se ha comprobado que el origen de la trisomía 21 se debe mayoritariamente a que la no-disyunción tiene lugar en el óvulo (93 % de los casos).