Errores de copia de cromosomas identificados en embriones en desarrollo

Durante la embriogénesis, el óvulo inicialmente fertilizado se divide, al igual que cada nuevo conjunto de células hijas. Al tercer día después de la fertilización, el embrión ha pasado por tres divisiones y contiene 16 células. Cada división celular va acompañada de la replicación del ADN, lo que garantiza que cada célula hija contenga una copia del genoma completo. En su nuevo estudio, el equipo de investigadores de RIKEN BDR se propuso caracterizar la naturaleza del proceso de replicación del ADN en embriones en etapa temprana. Utilizaron su técnica casera de genómica unicelular llamada scRepli-seq y la aplicaron al desarrollo de embriones de ratón. Con esta tecnología, el equipo pudo tomar instantáneas del ADN de una única célula embrionaria en diferentes momentos durante los períodos de replicación del ADN. Lo que encontraron contradecía lo que los científicos asumían sobre la replicación del ADN en embriones.

Embriogénesis temprana desde un óvulo fertilizado (una célula) hasta un embrión de 16 células. El ADN se replica durante cada división celular de modo que cada célula hija tenga una copia completa del genoma. El nuevo estudio encontró que la forma en que esto sucede cambia según la etapa y que se producen errores de copia debido a la transición.

«Encontramos varios tipos especializados de replicación del ADN durante la embriogénesis temprana del ratón, que nadie había visto antes», dice Hiratani. «Además, también descubrimos que en ciertos puntos el ADN genómico es temporalmente inestable y las aberraciones cromosómicas aumentan».

Los libros de texto nos dicen que el ADN no se replica todo a la vez. En cambio, diferentes regiones de un cromosoma se duplican en una secuencia específica. El primer descubrimiento del equipo fue que los dominios de sincronización de replicación observados en células maduras no existen hasta que un embrión tiene 4 células. Esto significa que, a diferencia de cualquier otra célula de un eventual cuerpo, el ADN se replica de manera uniforme, no secuencial, en embriones de 1 y 2 células.

Cada vez que una parte de un cromosoma se desenrolla para su replicación, regiones del ADN se abren y forman una estructura que parece una bifurcación en el camino. Para que continúe la replicación, la bifurcación debe moverse hacia abajo en la cadena de ADN, volviendo a comprimir las regiones copiadas y eliminando la siguiente sección. El segundo descubrimiento del equipo fue que la velocidad de la bifurcación es mucho más lenta en las etapas de 1, 2 y 4 células que después de la etapa de embriogénesis de 8 células. El embrión de 4 células ahora puede considerarse una etapa de transición durante la cual la replicación uniforme del ADN se vuelve secuencial, sin dejar de mostrar el movimiento lento de la horquilla, característico de los embriones de 1 y 2 células. Por el contrario, los embriones de 8 células son mucho más similares a las células maduras y muestran una replicación secuencial y un rápido movimiento de horquilla.

Los errores en la replicación del ADN en los primeros días después de la fertilización a menudo resultan en irregularidades cromosómicas, como copias adicionales, copias faltantes, copias rotas o copias incompletas. Algunos de estos errores de copia provocan abortos espontáneos, mientras que otros conducen a trastornos del desarrollo como el síndrome de Down, también conocido como trisomía 21. El tercer descubrimiento del equipo fue que la frecuencia de errores de copia de cromosomas se elevaba temporalmente en embriones en etapa temprana, más comunes durante la etapa de 4 celdas.

Los errores de copia de cromosomas, especialmente las roturas, aumentaron en los embriones de 4 células a medida que copiaban el ADN antes de dividirse y convertirse en embriones de 8 células.

Los investigadores utilizaron scRepli-seq nuevamente, esta vez para detectar anomalías en el número de copias de los cromosomas. Descubrieron que se producían muy pocos errores durante la transición entre las etapas de 1 y 2 celdas o entre las etapas de 8 y 16 celdas. Por otro lado, el 13% de las células mostraron anomalías cromosómicas durante la transición entre las etapas de 4 y 8 células, probablemente debido a errores de copia durante la etapa de 4 células. Pruebas adicionales sugirieron que los errores de copia en esta etapa estaban relacionados con las bifurcaciones de movimiento lento.

«Nuestros hallazgos plantean muchas preguntas nuevas», afirma Hiratani. “Por ejemplo, ¿esta serie de fenómenos se conservan evolutivamente en otras especies, incluidos los embriones humanos? ¿Y cuál es el destino posterior de las células con aberraciones cromosómicas?» Además de guiar la investigación básica en el futuro, este descubrimiento puede ayudar a las clínicas de fertilización a diseñar mejores estrategias para minimizar las anomalías cromosómicas que son comunes en los primeros días después de la fertilización.