Teoría cromosómica de Sutton e Boveri

A teoría cromosómica de Sutton e Boveri, tamén chamada teoría cromosómica da herdanza ou teoría de Sutton e Boveri, é unha teoría xenética fundamental unificadora que identifica os cromosomas como os portadores do material xenético e conteñen os xenes. A teoría explica correctamente o mecanismo que subxace nas leis de Mendel ao identificar os cromosomas, que están presentes en todas as células en división e pasan dunha xeración á seguinte, como os portadores dos factores ou partículas (hoxe denominados alelos) necesarios para que funcionen as leis mendelianas. A teoría indica tamén que os cromosomas son estruturas lineares nas que os xenes están localizados en sitios específicos chamados loci.
Esta teoría presentada por Walter Sutton e Theodor Boveri en 1902-1903 foi controvertida ata 1915, cando os traballos de Thomas Hunt Morgan en Drosophila conseguiron que fora universalmente aceptada. Historia
A teoría cromosómica da herdanza publicouna nuns artigos Walter Sutton en 1902 e 1903, e tamén de forma independente Theodor Boveri aproximadamente no mesmo período. Boveri estaba estudando o ourizo de mar, no cal observou que todos os cromosomas tiñan que estar presentes para un correcto desenvolvemento embrionario. Os traballos de Sutton co saltón mostraron que os cromosomas aparecían en pares coincidentes (hoxe diriamos homólogos) de cromosomas maternos e paternos que se separan durante a meiose e "poden constituír a base física da lei mendeliana da herdanza".
Estes traballos pioneiros levaron a E. B. Wilson no seu texto clásico The cell in Development and Heredity (A célula no desenvolvemento e herdanza) a denominar a teoría cromosómica da herdanza "Teoría de Sutton e Boveri". Wilson coñecía a ambos os científicos, xa que Sutton cando era novo foi estudante seu e Boveri, un científico importante, era o seu amigo (de feito, Wilson dedicou o libro mencionado a Boveri). Aínda que é hoxe o nome da teoría é a miúdo invertido como teoría "de Boveri e Sutton", algúns opinan que Boveri en realidade non artellou a teoría ata 1904. En The chromosomes in Heredity (Os cromosomas na herdanza) de Walter S. Sutton establécense estes principios:
1. O grupo cromosómico das células xerminais presinápticas está formado por dúas series de cromosomas equivalentes, e que existe unha forte base para concluír que un destes é paterno e o outro materno.
2. O proceso de sinapse (pseudo-redución) consiste na unión por pares dos membros homólogos (é dicir, aqueles que se corresponden en tamaño) das dúas series.
3. A primeira mitose de maduración ou postsináptica é ecuacional e, por tanto, ten como resultado que non hai diferenciación cromosómica.
4. A segunda división postsináptica é unha división redutiva, que ten como resultado a separación dos cromosomas que se conxugaran na sinapse, e a súa relegación a diferentes células xerminais.
5. Os cromosomas manteñen unha individualidade morfolóxica durante as diversas divisións celulares.
A proposta de que os cromosomas portaban os factores da herdanza mendeliana foi inicialmente controvertida, pero en 1913 gañou apoios cando Eleanor Carothers documentou probas definitivas da segregación independente dos cromosomas nunha especie de saltón. Porén, o debate continuou ata que en 1915 Thomas Hunt Morgan, traballando sobre a herdanza e o ligamento xenético na mosca Drosophila melanogaster proporcionou probas incontrovertibles desta teoría. A teoría unificada afirmaba que os patróns hereditarios poden ser explicados de forma xeral asumindo que os xenes están localizados en sitios específicos dos cromosomas. Os traballos de Boveri
Malia que en tempos de Theodor Boveri se aceptaba que unha célula procede da división binaria dunha célula nai, non estaba claro como a cromatina do núcleo (que August Weismann denominaba o “plasma xerminal”) se transmitía ás células fillas de maneira que ambas sexan idénticas á célula orixinal, despois de sufrir a “metamorfose nuclear” observada por Walther Flemming, na cal a masa nuclear se transforma en febras definidas (os cromosomas) que se moven polo interior da célula, e como logo volve ao seu estado orixinal. A pesar de que se supoñía que ditas febras transportaban o material hereditario, o mecanismo permanecía descoñecido, ata que Boveri demostrou que os cromosomas son orgánulos permanentes que se condensan durante a mitose e permanecen difusos durante a interfase.
Ademais de establecer a individualidade e a permanencia dos cromosomas, Boveri deu unha descrición moderna do aparato mitótico, xa que foi o primeiro en identificar os centrosomas e definir o papel do fuso mitótico na distribución dos cromosomas nos polos opostos da célula nai, que darán lugar ás células fillas. Os traballos de Boveri en Ascaris e en embrións de ourizos de mar permitíronlle observar divisións celulares defectuosas, como mitoses multipolares, mitoses monopolares ou medios fusos, que despois conseguiu inducir experimentalmente. Isto permitiulle definir tres regras (1888, 1904): Os cromosomas durante a mitose son dobres (presentan dúas cromátides), e cada parte presenta un lateral que se enfronta cara a un polo do fuso; esta regra implica a idea de que un cromosoma só pode dividirse repartíndose entre as dúas células fillas, e tamén a presenza dos cinetocoros, aínda non descubertos, enfrontados nas dúas cromátides para a ancoraxe dos microtúbulos. Boveri distinguiu mesmo dous tipos de cromosomas, os que teñen un centrómero localizado (no ourizo de mar) e os que o teñen difuso (Ascaris).
Os cromosomas están conectados a ambos os polos do fuso a través de microtúbulos.
Cada cromátide está unida a un dos dous polos e só a un.
Por outro lado, Boveri tamén identificou que as cromátides se duplican durante a interfase (1904), e deduciu unha correlación moi precisa entre o número cromosómico (a cantidade de cromatina) e o tamaño do núcleo (1905). Desta forma, para o ciclo cromosómico, Boveri estableceu tres sucesos clave: duplicación da cromatina durante o período de repouso (interfase), a individualización das cromátides durante a condensación cromosómica e a distribución das cromátides en anafase, unha descrición que encaixa perfectamente coa visión actual dos eventos cromosómicos durante o ciclo celular.
Boveri tamén describiu o centrosoma por vez primeira en Ascaris en 1887, definíndoo como un "orgánulo especializado na división celular". Boveri identificou claramente o centrosoma como un par de centríolos rodeados por un material especial, que podía ensamblar unha "esfera de arquiplasma" que contén todos eses elementos, que á súa vez xeran de forma transitoria unha "astrosfera". En 1900, Boveri estableceu que os centrosomas son orgánulos celulares dunha única copia. Por medio da súa observación da dinámica dos cromosomas, chegou á conclusión de que un fuso mitótico bipolar típico consiste en realidade en dous medios fusos, cada un xerado por un centrosoma, que se manteñen unidos polo conxunto dos cromosomas dobres unidos no extremo de cada áster, de tal maneira que cada cromosoma está unido a ambos os polos, e só a un por cromátide. Por tanto, deduciu que durante a formación da placa metafásica, existen forzas cromosómicas que parecen contrarrestar a repulsión existente entre os ásteres.
Porén, dado que os cromosomas da liña xerminal de Ascaris e outros vermes son estruturalmene moi polimórficos, Boveri non puido distinguir a presenza de cromosomas homólogos no verme Parascaris equorum, nin en mitoses nin no estado de sinapse meiótica. Foi Walter Sutton quen recoñeceu a presenza de cromosomas individuais, identificables polo seu tamaño, en espermatocitos de saltóns, e demostrou que dous cromosomas similares sempre se aparean durante a meiose. Porén, o feito de que existan cromosomas morfoloxicamente distintos non exclúe que conteñan información xenética similar. En 1902, Boveri excluíu esta posibilidade mediante unha enxeñosa análise de dispermia (fertilización por máis dun espermatozoide) en ourizos de mar, demostrando que os cromosomas non son equivalentes no desenvolvemento embrionario. Mediante unha análise cuantitativa publicada en 1907, Boveri estimou o número de "xenóforos" que son esenciais para controlar a ontoxenia, que corresponde ao número haploide de cromosomas.
A partir dos datos de todos os seus estudos citoxenéticos, Boveri chegou á conclusión de que o aparato meiótico non distingue os cromosomas homólogos en función da súa orixe paterna ou materna. Por tanto, esta división pode xerar combinacións múltiples de cromosomas (2") para crear novos xogos haploides nos gametos. Ademais da existencia de recombinación intercromosómica, Boveri propuxo tamén a recombinación intracromosómica durante a fase de sinapse na meiose.
Boveri resumiu os seus estudos nos seus "Results on the constitution of the chromatic substance in the cell nucleus" (Resultados sobre a constitución da substancia cromática do núcleo celular), nos que combinaba os feitos observados sobre os cromosomas coas leis mendelianas da herdanza. Como el mesmo expresou: "Vemos que dúas áreas de estudo que se desenvolveron de maneira independente produciron resultados que son tan harmoniosos como se un se tivera derivado teoricamente do outro". Hoxe podemos apreciar o progreso conceptual realizado por Boveri, pero no seu tempo, as ideas de Boveri (o que hoxe coñecemos en conxunto como a teoría cromosómica de Sutton e Boveri) foron recibidas con forte escepticismo. A principal razón era que en principio non parecía haber evidencias definitivas que conectasen un carácter hereditario calquera cun cromosoma concreto. Para Boveri, era a determinación sexual a que proporcionaba dita evidencia. Os traballos de Sutton
Walter Sutton estudou bioloxía na Universidade de Kansas, onde como tese do seu mestrado, en 1901, realizada no laboratorio do Dr. C. E. McClung, estudou a espermatoxénese do saltón Brachystola magna. Despois trasladouse á Universidade de Columbia, onde continuou os seus estudos de zooloxía no laboratorio do Dr. Edmund B. Wilson. Alí escribiu os seus dous traballos significativos en xenética: On the morphology of the chromosome group in Brachystola magna (Sobre a morfoloxía do grupo cromosómico de Brachystola magna) e The chromosomes in heredity (Os cromosomas na herdanza). Posteriormente, abandonou a bioloxía e dedicouse á medicina.
Durante a súa etapa no laboratorio de McClung, Sutton comezou a estudar as espermatogonias do saltón Brachystola magna. A súa primeira publicación foi a súa tese, na que Sutton estableceu que durante a maduración das espermatogonias, os cromosomas manteñen a súa individualidade, en contra da idea predominante na época, que supoñía que todos os cromosomas eran equivalentes. Sutton observou que un cromosoma (identificado inicialmente como o nucléolo pero denominado logo o "cromosoma accesorio" por McClung) comportábase de xeito diferente ao resto dos cromosomas. Ao ano seguinte (1901), McClung identificou dito cromosoma como o determinante do sexo, demostrando que un fenotipo (a determinación sexual) está asociado cun cromosoma concreto.
Posteriormente, Sutton trasladouse á Universidade de Columbia, en Nova York, ao laboratorio de Edmund B. Wilson, para realizar unha tese de doutoramento en zooloxía. De acordo cun escrito de Wilson: "O seu traballo no meu laboratorio estivo fundamentalmente dedicado a ampliar as súas observacións previas. Estes estudos dirixírono, paso a paso, a un descubrimento de primeira liña, é dicir, á identificación do mecanismo citolóxico das leis de Mendel da herdanza". (Wilson, memorial da familia). Estes estudos publicáronse en dous artigos no Biological Bulletin. O primeiro está dedicado a demostrar que os cromosomas manteñen a súa individualidade ao longo da vida do organismo, seguindo as relacións de tamaño entre os once cromosomas a través de diferentes xeracións celulares. O "cromosoma accesorio" podía identificarse na metade dos espermatozoides, proporcionando probas adicionais á tese da individualidade dos cromosomas. Como posteriormente McClung identificou o "cromosoma accesorio" como o que lle dá a identidade sexual á descendencia (ver determinación do sexo X0), Sutton ampliou a súa tese inicial, suxerindo que os cromosomas non son diferentes unicamente en tamaño, senón tamén nas súas características fisiolóxicas. Ao final desta publicación, Sutton presentaba a súa hipótese: "Finalmente chamo a atención sobre a probabilidade de que a asociación de cromosomas paternos e maternos en parellas e a súa separación subseguinte durante a división reducional como se indica anteriormente, pode constituír a base física da lei mendeliana da herdanza" (Sutton, 1902). Esta publicación escribiuse na época na que un eminente investigador en temas de herdanza, William Bateson, visitaba Nova York. Bateson publicara ese ano (1902) unha tradución dos Principios da herdanza de Mendel, e Sutton puido observar que estes principios se relacionaban co seu traballo. Baseándose nunha carta de Sutton, McClung indica que ". .. o xerme da idea estaba xa na súa mente un ano antes de que fora impulsada polo recital sobre os resultados de Mendel. " (McClung, publicación da familia). A orixinalidade das ideas de Sutton resulta máis impresionante cando o propio Wilson recoñeceu que inicialmente non percibiu todas as implicacións da concepción de Sutton. (Wilson, memorial da familia). A verificación de Morgan
Os traballos de Thomas Hunt Morgan confirmaron definitivamente a teoría cromosómica da herdanza, que non fora aceptada por todos inicialmente, e serviron para darlle a súa forma definitiva. En 1904 Morgan ocupaba un posto de nova creación de zooloxía experimental na Universidade de Columbia, onde era director do departamento de zooloxía o seu amigo E. B. Wilson. Wilson convenceu a Morgan de que a clave para entender o desenvolvemento (é dicir, como unha célula ovo, xera un individuo completo) era entender a herdanza, xa que este é o medio a través do cal o óvulo e o espermatozoide transmiten as características dos individuos de xeración en xeración.
Morgan iniciou os seus estudos en ratas e ratos, pero despois, procurando un organismo máis axeitado para estudos xenéticos, decidiuse por Drosophila melanogaster, a mosca do vinagre, debido á súa rápida reprodución e facilidade de criar e de estudar as súas mutacións e porque ten só 4 pares de cromosomas. Os estudos de Morgan con Drosophila comezaron en 1907 e en 1910, nunha das botellas onde criaba as moscas apareceu un macho de ollos brancos, en lugar da cor normal (vermella). Fixo cruzamentos que lle permitiron estudar este carácter, que estaba ligado ao sexo. Posteriormente aparecieron outras dúas mutacións espontáneas (ás rudimentarias e corpo amarelo), que tamén estaban ligadas ao sexo. Todo isto suxería que estes tres xenes poderían estar no mesmo cromosoma, o cromosoma sexual.
Estudando os cromosomas de Drosophila ao microscopio, Morgan observou que os 4 pares non eran idénticos, e que as femias tiñan dous cromosomas X idénticos, mentres que nos machos o X estaba apareado cun cromosoma Y, cun aspecto diferente e que nunca aparece nas femias. Un macho debe recibir o seu cromosoma X da súa nai e o Y do seu pai, o cal explicaba a segregación observada na cor dos ollos: se a nai é homocigota (ten os dous alelos para ese xene iguais) cos ollos vermellos, os seus fillos machos só poden ter os ollos vermellos, aínda que o seu pai tiuviera os ollos brancos. Para que aparezan machos cos ollos brancos, a nai ten que levar polo menos unha copia do xene de ollos brancos nun dos seus cromosomas X, e só terán os ollos brancos os fillos que reciban o X co xene mutado. Pola súa parte, para que aparezan femias con ollos brancos, ambos os proxenitores teñen que achegar un cromosoma X co xene dos ollos brancos, o que é, por tanto, un suceso menos frecuente. É dicir, a partir destas observacións, Morgan deduciu que o xene que codifica a cor dos ollos debe residir no cromosoma X, o que proporcionaba a primeira correlación entre un carácer específico e un cromosoma concreto.
Estes estudos publicáronse en Science en 1910, co título "Sex Limited Inheritance in Drosophila" (A herdanza limitada ao sexo en Drosophila) e en 1911, co título "Mutations in eye color in Drosophila and their modes of inheritance" (Mutacións na cor de ollos en Drosophila e os seus modos de herdanza). , nos que resumía as súas tres conclusións fundamentais: que os xenes deben residir nos cromosomas
que cada xene debe residir nun cromosoma concreto
e que o carácter "cor dos ollos" debe residir no cromosoma X e estar ausente no cromosoma Y, sendo o vermello a cor dominante.
Posteriormente, Morgan razoou que os cromosomas son ensamblaxes de xenes, xa que caracteres que se encontran nun cromosoma determinado tenden a segregar xuntos. Porén, Morgan observou que eses caracteres "ligados" en ocasións se separan. A partir de aquí, Morgan deduciu o concepto de recombinación de cromosomas: postulou que dous cromosomas apareados poden intercambiar información, e mesmo propuxo que a frecuencia de recombinación depende da distancia entre ambos. Canto máis próximos estean dous xenes nun cromosoma, maior será a probabilidade de que se herden xuntos, e canto maior sexa a distancia entre eles, maior será a probabilidade de que se separen debido ao proceso de entrecruzamento (crossing-over). En resumo, Morgan suxeriu que a intensidade do ligamento entre dous xenes depende da distancia entre eles nun cromosoma. Baseándose nesas observacións, un estudante do grupo de Morgan, Alfred Henry Sturtevant estableceu o mapa xenético para os xenes ligados ao sexo.
Estes traballos de Morgan que demostraban a relación entre os xenes e os cromosomas acabaron de convencer á comunidade científica da corrección da teoría cromosómica da herdanza. Morgan foi galardoado co Premio Nobel de Fisioloxía ou Medicina en 1933 pola demostración de que os cromosomas son os portadores dos xenes.