Quimera (xenética)

Para outros usos do termo ver Quimera. En xenética, unha quimera é un individuo dunha especie composto por células xeneticamente distintas, xeralmente orixinado a partir da fusión de dous cigotos (aínda que hai máis posibilidades). O fenómeno que as orixina denomínase quimerismo. As quimeras animais prodúcense ao fusionárense dous ou máis células ovo fertilizadas; o resultado é un organismo con dous conxuntos de proxenitores, o que fai que teñan tecidos que son unha mestura de diferentes herdanzas xenéticas. Isto pode dar lugar por veces a ter á vez órganos xenitais masculinos ou femininos, dous tipos sanguíneos diferentes á vez, ou sutís variacións na forma. Nas quimeras de plantas, os distintos tipos de tecidos poden orixinarse do mesmo cigoto, e a diferenza débese xeralmente a mutacións que ocorreron durante a división celular corrente, polo que é un caso de mosaicismo persistente. Normalmente, o quimerismo non é visible nunha inspección superficial do individuo afectado, pero adoita detectarse cando se están a facer probas de paternidade.
Outro caso que se podería considerar en certo modo similar ao quimerismo é o orixinado por transplante de órganos en animais. Por exemplo, un transplante de medula ósea pode orixinar un cambio no grupo sanguíneo, e as células sanguíneas serán xeneticamente distintas das doutros tecidos. De todos modos, este é un caso de tecidos inseridos artificialmente cando xa o individuo está desenvolvido, polo que non é comparable co verdadeiro quimerismo natural. Animais
Unha quimera animal é un individuo que está composto por dúas ou máis poboacións diferentes de células xeneticamente distintas que se orixinaron a partir de cigotos distintos durante a reprodución sexual. Se as células diferentes se orixinan do mesmo cigoto, o organismo denominaríase mosaico. As quimeras están formadas a partir de polo menos catro células de catro proxenitores (un espermatozoide e un óvulo forman un cigoto, e outro espermatozoide e outro óvulo forman outro cigoto, e despois fusiónanse os dous cigotos ou fusiónanse os embrións nas etapas iniciais). Cada poboacións de células mantén as súas características xenéticas e o organismo resultante está formado por unha mestura de tecidos xenticamente distintos. Hai uns poucos informes de quimerismo en humanos. As quimeras poden a miúdo aparearse, pero a fertilidade e o tipo de descendencia depende de que liña celular deu lugar aos ovarios e testículos; poden orixinarse diversos graos de intersexualidade se un conxunto de células é xeneticamente feminina e outro masculino.
Esta condición na liña hematopoética hérdase, ou adquírese por medio da infusión de células hematopoéticas aloxénicas durante o transplante de órganos. En xemelgos non idénticos, o quimerismo ocorre por medio de anastomoses de vasos sanguíneos.
Quimerismo tetragamético
O quimerismo tetragamético é unha forma de quimerismo conxénito. Esta condición prodúcese pola fertilización de dous ovos distintos por dous espermatozoides, seguida da fusión dos dous cigotos formados ou dos embrións na etapa de blastocisto. Isto dá lugar a que se desenvolva un organismo con liñas de células mesturadas. Dito con outras palabras, estas quimeras pode dicirse que son o resultado da fusión de dous xemelgos, polo que poden ser machos, femias ou hermafroditas.
A medida que se desenvolve o organismo, poden formarse órganos que teñen diferentes conxuntos de cromosomas. Por exemplo, as quimeras poden ter un fígado composto de células cun conxunto de cromosomas e riles con células con outro conxunto de cromosomas. Isto ocorre tamén en humanos, e antes pensábase que era un fenómeno extremadamente raro, aínda que evidencias máis recentes indican que non o é tanto.
Outro exemplo son os monos da familia dos calitrícidos. Recentes investigacións indican que a maioría dos calitrícidos son quimeras, que comparten ADN cos seus xemelgos fraternos. O 95% dos calitrícidos xemelgos fraternos comparten sangue no embrión debido a fusións coriónicas, o que os converte en quimeras hematopoéticas.
A maioría das quimeras humanas non se dan conta que o son en toda a súa vida. As diferenzas en fenotipos son moi sutís (por exemplo, ten un polgar de autoestopista e o outro polgar recto, ollos de diferentes cores, crecemento do pelo diferencial en lados opostos do corpo, pigmentación diferencial, glóbulos vermellos de dous tipos sanguíneos etc. ) ou son completamente indetectables. As quimeras poden tamén presentar, observados con luz ultravioleta, marcas distintivas nas costas que lembran puntas de frecha que apuntan cara a abaixo desde os ombreiros cara ao final das costas; esta é unha expresión de desigualdade na distribución dos pigmentos chamada liñas de Blaschko.
A frecuencia con que aparecen estas condicións non indica a verdadeira prevalencia do quimerismo. A maioría das quimeras compostas de células masculinas e femininas probablemente non presentarán unha condición de intersexualidade, como se podería esperar se as dúas poboacións de células se mesturasen en todo o corpo. A miúdo, a maioría ou todas as células dunha determinada liña celular son todas do mesmo tipo, é dicir, o sangue pode estar composto fundamentalmente por unha liña celular, e os órganos internos por outra liña distinta. Os xenitais producen as hormonas responsables doutras características sexuais. Se os órganos sexuais son homoxéneos, o individuo non se espera que mostre trazos de intersexualidade.
A existencia de quimerismo é un problema para as probas de ADN, un feito que ten implicacións na investigación criminal e de paternidade/filiación. Houbo casos en que se negou a mulleres ser as nais biolóxicas dos seus fillos porque as probas de ADN así o indicaban, pero probas posteriores indicaron que esas nais eran quimeras e mostras de ADN de certas partes do seu corpo si coincidían co ADN dos seus fillos.
O estado tetragamético ten importantes implicacións para transplantes de órganos e de células nai. As quimeras teñen tipicamente tolerancia inmunolóxica a ambas as liñas celulares que as forman.
Microquimerismo
O microquimerismo é a presenza dun pequeno número de células que son xeneticamente distintas das restantes do individuo. A maioría das persoas nacen cunhas poucas células que son xeneticamente iguais ás das súas nais (e, por tanto, distintas das propias) e a proporción destas células diminúe nos individuos sans a medida que crecen. As persoas que reteñen grandes cantidades de células xeneticamente idénticas ás das súas nais presentan maiores taxas dalgunhas enfermidades autoinmunes, presumiblemente porque o sistema inmunitario é responsable de destruír esas células e un defecto inmunitario común impídelles facelo e tamén causa os problemas autoinmunes.
As mulleres a miúdo teñen tamén unhas poucas células xeneticamente idénticas ás dos seus fillos, e algunhas persoas teñen algunhas células idénticas ás dos seus irmáns (esas células pasan a eles porque a súa nai as retén desde o seu anterior embarazo e pásallas ao fillo seguinte).
Quimerismo parasito no peixe sapo
O quimerismo dáse de forma natural nos Ceratiidae (peixes sapo de augas profundas) e é unha parte natural e esencial do seu ciclo de vida. Cando nace un macho empeza a buscar unha femia utilizando o seu olfacto. O macho, que mide menos de 3 cm e é moito máis pequeno que a femia, morde a pel dela e libera un encima que dixire a pel da súa boca e do corpo dela, fusionándose ambos os dous polos vasos sanguíneos. Pode dicirse que os dous peixes sapo se fusionan nun só organismo hermafrodita. Unha vez fusionados coa femia, os machos chegan á madurez sexual, desenvolven grandes testículos a medida que o resto dos seus órganos se atrofian. Este proceso permite unha constante subministración de esperma cando a femia produza ovos, polo que este pez fusionado quimérico pode producir unha gran cantidade de descendencia.
Quimerismo de liña xerminal
O quimerismo de liña xerminal ocorre cando as células xerminais (como espermatozoides e óvulos) dun organismo non son xeneticamente idénticas ás súas outras células. Descubriuse recentemente que os monos calitrícidos poden levar células reprodutoras dos seus irmáns xemelgos (fraternais), debido á fusión placentaria que se produce durante o seu desenvolvemento uterino. (os calitrícidos case sempre teñen xemelgos fraternos).
Casos en humanos
O sprinter holandés Foekje Dillema foi expulsado do equipo nacional en 1950 despois de negarse a pasar unha proba obrigatoria de sexo; posteriormente descubriuse que tiña un cromosoma Y nas súas células, e a análise indicou que probablemente era unha femia 46, XX/46, XY.
En 1953 informouse dunha quimera humana no British Medical Journal. Unha muller tiña dous tipos sanguíneos. Aparentemente isto debíase a que tiña no seu corpo células procedentes do seu irmán. Máis recentemente, un estudo atopou que que ese tipo de quimerismo de células sanguíneas non é raro.
Outro informe de quimera humana publicouse en 1998 sobre un home (macho) que desenvolvera parcialmente órganos femininos debido a quimerismo. Fora concibido por fecundación in vitro.
En 2002, nos Estados Unidos a Lydia Fairchild se lle negou asistencia pública porque as probas de ADN indicaban que non era a nai dos seus fillos, aínda que probas posteriores indicaron que era unha quimera con dous conxuntos de ADN (mostras do outro conxunto de ADN coincidían coas dos seus fillos).
En 2002 o New England Journal of Medicine publicaba o caso de Karen Keagan, que se descubriu que era unha quimera ao faceren probas de histocompatibilidade para un transplante.
Investigación
Na investigación biolóxica as quimeras son producidas artificialmente por transplante selectivo de células embrionais dun organismo ao embrión doutro, e permitindo que o blastocisto resultante se desenvolva. As quimeras non son híbridos, os cales se forman pola fusión de gametos de dúas especies que forman un só cigoto cunha constitución xenética combinada, nin son hidridomas, os cales, igual que os híbridos, orixínanse pola fusión de células de dúas especies nunha soa célula que se propaga artificialmente en laboratorio. Esencialmente, nunha quimera unha célula determinada calquera deriva dunha das especies parentais (e outras células do seu corpo da outra especie), mentres que nun hibridoma e un híbrido, cada célula deriva de ambas as especies parentais. "Quimera" é un termo amplo e a miúdo aplícase ao resultado de moitos mecanismos diferentes de mesturar células de diferentes especies.
Igual que na clonación, o proceso de crear e implantar unha quimera é impreciso, e espontaneamente a maioría dos embrións non se desenvolven. Porén os éxitos levaron a grandes avances no campo da embrioloxía, xa que a creación de quimeras con diferentes trazos físicos, como a cor, permitiu aos investigadores rastrexar a diferenciación de células embrionais por medio da formación de sistemas orgánicos no individuo adulto.
As primeiras quimeras coñecidas de primate foron uns xemelgos de macaco Rhesus aos que se lles chamou Roku e Hex; que tiñan cada un seis xenomas. Foron creados mesturando células totipotentes de blastocistos de 4 células; as células nunca se fusionaron senón que funcionaron xuntas para formar órganos. Descubriuse que un destes primates, Roku, era unha quimera sexual; xa que o 4% das células sanguíneas de Roku contiña dous cromosomas X.
Un grande avance na experimentación con quimeras ocorreu en 1984, cando se produciu un individuo quimérico ao combinar embrións de cabra e ovella, que sobreviviu á idade adulta, ao que se pode denominar "cabrella" (cabra + ovella; ou, en inglés "geep" goat + sheep). A creación desta "cabrella" serviu para descubrir diversas complexidades no desenvolvemento das quimeras. Ao implantar un embrión de cabra para que se produza a súa xestación nunha ovella, o sistema inmunitario da ovella rexeita o embrión de cabra en desenvolvemento, pero o embrión de "cabrella", que comparte marcadores de inmunidade tanto coa ovella coma coa cabra, pode sobrevivir á implantación en calquera das súas dúas especies parentais.
En 2003, os investigadores da Universidade Médica Segunda de Shangai na China informaron que conseguiran fusionar exitosamente células de pel humanas e células ovo mortas de coello para crear os primeiros embrións quiméricos humanos. Permitiuse que os embrións se desenvolvesen durante varios días no laboratorio, despois destruíronos para recoller as células nai resultantes. En 2007, científicos da Escola de Medicina da Universidade de Nevada, Reno crearon unha ovella cuxo sangue contiña un 15% de células humanas e un 85% de células de ovella. As implicacións deste tipo de proxectos científicos cada vez máis facilmente realizables que usan híbridos humano-animal para a produción biofarmacéutica, e que servirían potencialmente para a produción de células e órganos, orixinan un conxunto de preocupacións éticas e de seguridade.
Ratos quiméricos
Os ratos quiméricos son importantes ferramentas en investigación biolóxica, xa que permiten experimentar sobre diversas cuestións biolóxicas nun animal que ten dúas dotacións xenéticas distintas. Entre elas están as investigacións sobre problemas de requirimentos dun xene específico dun tecido, liñaxes celulares, e potencial celular.
Os métodos xenéticos para crear ratos quiméricos pode resumirse que son a inxección ou agregación de células embrionais de diferentres orixes. O primeiro rato quimérico obtívoo Beatrice Mintz na década de 1960 por agregación de embrións no estado de oito células. O método de inxección foi iniciado por Richard Gardner e Ralph Brinster, que inxectaron células en blastocistos para crear ratos quiméricos con liñas xerminais totalmente derivadas de células nai embrionais inxectadas.
As quimeras poden obterse de embrións de ratos que non foron aínda implantados no útero e tamén de embrións implantados. As células nai embrionais da masa interna dun blastocisto implantado poden contribuír a formar todas as liñaxes dun rato incluíndo a liña xerminal. As células nai embrionais son tamén unha útil ferramenta nas quimeras porque os xenes poden ser mutados nelas usando a recombinación homóloga, o que permite o gene targeting. Desde o seu descubrimento en 1999, estas células convertéronse nunha ferramenta básica para a xeración de quimeras específicas en ratos.
Procesos biolóxicos subxacentes
A capacidade de producir quimeras de ratos débese ao coñecemento que se ten do desenvolvemento temperán do rato. Entre os estadios de fecundación do ovo e a implantación dun blastocisto no útero, hai diferentes partes do embrión do rato que manteñen a capacidade de dar lugar a unha variedade de liñaxes celulares. Unha vez que o embrión chegou ao estadio de blastocisto, está composto de varias partes, principalmente o trofoectoderma, a masa de células internas, e o endoderma primitivo. Cada unha destas partes do blastocisto dá lugar a diferentes partes do embrión; a masa de células internas dá lugar ao propio embrión, mentres que o trofoectoderma e o endoderma primitivo dá lugar a estruturas embrionarias extra que sosteñen o crecemento do embrión.
Os embrións no estadio de dúas a oito células son competentes para facer quimeras, xa que neses estadios de desenvolvemento, as células nos embrións non están aínda destinadas a dar lugar unha determinada liña celular en particular, e poderían dar lugar á masa de células internas ou ao trofoectoderma. No caso no que se utilizan dous embrións diploides no estadio de oito células para formar unha quimera, o quimerismo pode atoparse despois no epiblasto, no endoderma primitivo e no trofoectoderma do blastocisto do rato. É posible proceder á disección dun embrión noutros estadios para que dea lugar a unha liñaxe de células dun embrión selectivamente e non a outras. Por exemplo, poden utilizarse subconxuntos de blastómeros para dar lugar a quimeras con liñaxes celulares específicos a partir dun embrión. A masa de células interna dun blastocisto diploide por exemplo pode utilizarse para facer unha quimera con outro blastocisto de embrión no estadio de oito células; as células tomadas da masa celular interna darán lugar ao endoderma primitivo e ao epiblasto no rato quimera.
Grazas a estes coñecementos, desenvolvéronse as contribucións de células nai embrionais á produción de quimeras. As células nai embrionais poden utilizarse en combinación con embrións no estadio de oito e dúas células para facer quimeras e dar lugar exclusivamente ao embrión propiamente dito. Os embrións que se van usar para producir quimeras poden ademais alterarse xeneticamente para que contribúan especificamente a formar só unha parte da quimera. Un exemplo é a construción de quimeras a partir de células nai embrionais e embrións tetraploides, estes últimos orixinados artificialmente por electrofusión de dous embrións diploides no estadio de dúas células. O embrión tetraploide dará lugar exclusivamente ao trofoectoderma e ao endoderma primitivo na quimera.
Métodos de produción
Hai diversas combinacións que poden dar lugar a unha quimera en ratos e, segundo o obxectivo do experimento, pode escollerse unha célula apropiada e unha combinación de embrións; estas combinacións xeralmente son (pero non están limitadas) as seguintes: embrión diploide + células nai embrionais, ou embrión diploide + embrión diploide, ou células nai embrionais + embrión tetraploide, ou células nai embrionais + células nai embrionais. A combinación de células nai embrionais e embrións diploides é unha técnica común usada para obter ratos quiméricos, xa que se pode aplicar a gene targeting na célula nai embrionaria. Esta clase de quimeras pode facerse por agregación de células nai e embrións diploides ou a inxección de células nai en embrións diploides. Se se van usar células naiembrionais para o gene targeting para facer quimeras, o seguinte procedemento é o habitual: introdúcese un construto para a recombinación homóloga para o xene obxectivo en células nai embrionais de rato cultivadas procedentes dun rato doante, por medio de electroporación; as células positivas para o evento de recombinación terán resistencia a antibióticos, que lles foi proporcionada pola inserción casete usada no gene targeting; polo que poden ser positivamente seleccionadas. As células nai embrionais co xene obxectivo correcto son despois inxectadas nun blastocisto de rato hóspede diploide. Estes blastocistos inxectados son despois implantados nunha femia de rato pseudoembarazada surrogada que levará o embarazo dos embrión a termo e dará a luz un rato cuxa liña xerminal deriva de células nai embrionais do rato doante. Este mesmo procedemento pode facerse por agregación de células nai embrionais e embrións diploides; os embrións diploides son cultivados en placas de agregación en pozos onde cabe un só embrión, e a estes pozos engádense as células nai; o agregado é cultivado ata que se forma un só embrión e progresa ao estadio de blastocisto, e este pode despois ser transferido a un rato femia surrogado. Plantas
O termo “quimera” aplícase a plantas que xeneticamente son mosaicos cando o mosaicismo é persistente e coexisten células con dous ou máis xenotipos distintos nun meristema. Porén, cando se describen mosaicos nos cales as células de distintos xenotipos están distribuídos por toda a planta, tamén se pode usar o termo quimera. As quimeras forman un amplo e heteroxéneo grupo de plantas, que son clasificadas en tres formas. Unha distinción moi utilizada é a que diferencia as quimeras sectoriais, mericlinais e periclinais.
Quimeras de enxerto
Prodúcense polo enxerto de plantas parentais xenticamente diferentes, distintos cultivares ou diferentes especies mesmo de distintos xéneros. Os tecidos poden fusionarse parcialmente despois de realizar o enxerto para formar un só organismo en crecemento que mantén ambos os tipos de tecidos nun só gromo. Como as especies constituíntes probablemente difiren en moitas características, o comportamento das súas quimeras periclinais é problemente moi variable.
A primeira quimera coñecida foi probablemente a Bizzaria, que é unha fusión da Citrus medica e a laranxa amarga. O exemplo mellor coñecido de quimera de enxerto é quizais Laburnocytisus 'Adamii', orixinado por unha fusión de Laburnum e Cytisus.
Quimeras cromosómicas
Son quimeras nas cales as capas celulares difiren na súa constitución cromosómica. Ocasionalmente as quimeras orixínanse pola perda ou ganancia de cromosomas individuais ou fragmentos de cromosomas debido a fallos na división celular. O máis común é que as citoquimeras teñan múltiplos simples do complemento normal de cromosomas na capa cambiada. Prodúcense varios efectos no tamaño da célula e características de crecemento.
Quimeras diferenciais de xenes nucleares
Estas quimeras orixínanse por mutación espontánea ou inducida dun xene nuclear a un alelo dominante ou recesivo. Como norma un carácter é afectado á vez nas follas, flores, froito, ou outras partes.
Quimeras diferenciais de xenes de plastidios
Estas quimeras orixínanse por mutacións espontáneas ou inducidas dun xene de plastidio, seguidos da elección de dous tipos de plastidios durante o crecementio vexetativo. Os plastidios poden elixirse a partir dun ovo mixto ou cigoto mixto. Este tipo de quimera recoñécese no momento de orixinarse polo patrón de pigmentación nas follas. Despois de que a selección é completa, as quimeras periclinais distínguense de quimeras diferenciais nucleares de aspecto similar pola súa herdanza non mendeliana. A maioría de quimeras de follas variegadas son deste tipo.
Todas as quimeras diferenciais de xenes de plastidios e algunhas de xenes nucleares afectan á cor dos plastidios nas follas, e estas denomínanse quimeras da clorofila, ou preferiblemente quimeras de follas variegadas. Para a maioría dos casos de variegación, a mutación implicada é a perda dos cloroplastos no tecido mutado, de modo que parte dos tecidos da planta non teñen pigmento verde e carecen de capacidade fotosintética. Este tecido mutado é incapaz de sobrevivir por si só e mantense vivo pola súa asociación co tecido fotosintético normal. Ás veces as quimeras se encontran tamén con capas que difiren con respecto aos seus xenes nucleares e plastidiais. Lexislación
Nos países da Unión Europea e Estados Unidos hai códigos éticos estritos e regulacións que prohiben expresamente certo tipo de experimentos que usan células humanas, aínda que hai grandes diferenzas na regulación. Por exemplo, en Reino Unido en 2008 decidiuse permitir crear quimeras nos laboratorios con células nai humanas, pero deben ser destruídas antes dos primeiros 14 días.