1. Capítulo 21
21
La reproducción sexual:
meiosis, células germinales
y fecundación
El sexo no es imprescindible para la reproducción. Los organismos unicelulares pueden re- En este capítulo
producirse mediante una simple división mitótica y la mayoría de las plantas se propagan
vegetativamente formando agregados pluricelulares que después se separan de la planta ma- LA REPRODUCCIÓN 1269
dre. De manera semejante, en el mundo animal un solo individuo pluricelular de Hydra pue- SEXUAL
de producir descendientes por gemación (Figura 21–1) y las anémonas y los gusanos marinos
se dividen en dos mitades, cada una de las cuales regenera la mitad que falta. Así mismo, exis- MEIOSIS 1272
ten algunas especies de lagartos, constituidas exclusivamente por hembras, que se reprodu-
cen sin apareamiento. Esta reproducción asexual, que es sencilla y directa, da lugar a una CÉLULAS GERMINALES 1282
descendencia que es idéntica en términos genéticos al organismo progenitor. Por el contra- PRIMORDIALES
Y DETERMINACIÓN
rio, la reproducción sexual implica la mezcla de los genomas procedentes de dos individuos
DEL SEXO EN LOS
distintos produciendo descendientes que se diferencian genéticamente entre sí y también MAMÍFEROS
de los padres. Parece que la reproducción sexual presenta grandes ventajas, ya que ha
sido adoptada por la gran mayoría de plantas y animales. Incluso muchos procariotas OOCITOS 1287
y eucariotas que por lo general se reproducen de manera asexual, de vez en cuando adoptan
el intercambio genético, dando lugar así a descendencia con nuevas combinaciones de ge- ESPERMATOZOIDES 1292
nes. En este capítulo se describe la maquinaria celular de la reproducción sexual. Antes de
estudiar con detalle cómo funciona esta maquinaria, consideraremos lo que implica la re- FECUNDACIÓN 1297
producción sexual y las ventajas que aporta.
LA REPRODUCCIÓN SEXUAL
La reproducción sexual tiene lugar en organismos diploides, en los que cada célula contie-
ne dos juegos de cromosomas, heredados, respectivamente, de cada uno de los progenito-
res. Sin embargo, las células especializadas que llevan a cabo la reproducción sexual, son
haploides; cada una de ellas contiene una sola dotación cromosómica. En la etapa final de la
reproducción sexual, se fusionan dos células haploides procedentes de dos individuos dis-
tintos, se mezclan los dos genomas y se restablece el estado diploide. La reproducción sexual
requiere, por lo tanto, un tipo especial de división celular denominado meiosis, mediante
el cual, a partir de células precursoras diploides se producen células germinales haploides, a
diferencia de lo que ocurre en la mitosis normal de las células diploides.
En la reproducción sexual de los organismos pluricelulares, las células haploides pro-
ducidas por meiosis se diferencian en gametos muy especializados: oocito (u óvulo), esper-
matozoide, polen o esporas. En general, las hembras producen oocitos grandes e inmóviles,
mientras que los machos producen espermatozoides pequeños y móviles (Figura 21–2). La
fecundación consiste en la fusión de un espermatozoide y un oocito, ambos haploides, para
formar una célula diploide (un oocito maduro fecundado o zigoto) que contiene una nueva
combinación de cromosomas. A partir del zigoto se forma un nuevo organismo pluricelular,
mediante sucesivas mitosis seguidas por procesos de especialización celular, entre los que se
incluye la producción de los gametos (Figura 21–3A).
0,5 mm
Figura 21–1 Fotografía de una Hydra en
En los eucariotas superiores, la fase haploide es breve la que se están formando dos nuevos
organismos por gemación (flechas).
En la mayor parte de los organismos que se reproducen sexualmente, las células diploides
Los descendientes, genéticamente idénticos
proliferan por divisiones mitóticas, y las células haploides, formadas mediante meiosis, no pro- al individuo progenitor, se separarán de él
liferan. Algunos de los organismos más sencillos, como las levaduras de fisión, son ex- y vivirán de forma independiente. (Cortesía
cepcionales en el sentido que son las células haploides las que proliferan por mitosis y las de Amata Hornbruch.)
1269

2. 1270 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación
Figura 21–2 Electromicrografía de
barrido de un oocito con numerosos
espermatozoides humanos adheridos
a su superficie. El oocito está inmóvil, pero
los espermatozoides presentan una gran
movilidad. Como se describirá más adelante,
a pesar de que se hayan adherido muchos
espermatozoides al oocito, sólo uno lo
fecundará. (Cortesía de D. Phillips/ Biblioteca
de Photo Science.)
células diploides formadas por la fusión de células haploides entran de forma directa en
meiosis dando lugar a nuevas células haploides (Figura 21–3B). En las plantas se da una si-
tuación menos extrema, debido a que se producen divisiones mitóticas tanto en la fase ha-
ploide como en la diploide. Sin embargo en la mayor parte de las plantas primitivas, como
musgos y helechos, la fase haploide es muy breve y sencilla, mientras que la fase diploide
abarca un periodo largo del desarrollo y de la proliferación celular.
En la mayoría de los animales pluricelulares, incluidos los vertebrados, sólo proliferan
las células diploides: los gametos haploides tienen una existencia corta, no se dividen y están
completamente especializados para realizar la fusión sexual. En estos organismos se esta-
(A) organismos diploides (B) organismos haploides
células
células somáticas
de la línea
germinal FUSIÓN
MEIOSIS
Figura 21–3 Células haploides y diploides
en el ciclo vital de algunos eucariotas
espermatozoide sencillos y eucariotas complejos.
oocito haploide haploide zigoto diploide (A) Las células haploides se representan en
rojo y las diploides en azul. Normalmente, las
MEIOSIS células de la mayoría de animales y plantas
FECUNDACIÓN
proliferan durante la fase diploide, formando
un organismo pluricelular; sólo los gametos
células haploides (oocitos y espermatozoides en los animales)
zigoto diploide son haploides, los cuales se fusionan en la
fecundación dando lugar a un zigoto
diploide, a partir del cual se desarrolla un
MITOSIS MITOSIS
nuevo individuo. Los gametos se forman en
las gónadas a partir de las células diploides
de la línea germinal (gris); todas las demás
células son células somáticas. (B) En cambio,
organismos haploides
en algunos organismos eucariotas sencillos,
como las levaduras de fisión y el alga verde
organismo diploide Chlamydomonas, son las células haploides
las que proliferan, de forma que la única
MUCHOS ORGANISMOS ALGUNOS ORGANISMOS célula diploide es el zigoto que subsiste
EUCARIOTAS SUPERIORES EUCARIOTAS INFERIORES transitoriamente después de la fecundación.

3. LA REPRODUCCIÓN SEXUAL 1271
blece una clara distinción entre las células de la línea germinal (o células germinales) que
incluyen los gametos y sus células precursoras específicas diploides y las células somáticas,
que forman el resto del organismo y que mueren sin dejar descendencia. (Figura 21–3A) En
cierto sentido, las células somáticas solamente existen para ayudar a las células de la línea
germinal a sobrevivir, desarrollarse y transmitir su DNA a la generación siguiente.
La meiosis genera diversidad genética
Los organismos que se reproducen sexualmente heredan dos juegos de cromosomas, uno
de cada progenitor. Cada juego contiene los autosomas, que son comunes para todos los
miembros de la especie, y los cromosomas sexuales, que se encuentran distribuidos de forma
distinta según el sexo del individuo. Por consiguiente, cada núcleo diploide contiene dos ver-
siones muy similares de cada autosoma, más un juego de cromosomas sexuales propios del
sexo del individuo. Las dos copias de cada autosoma, una procedente de la madre la otra del
padre, se denominan cromosomas homólogos, o simplemente homólogos, y en la mayoría
de células se mantienen de forma separada como cromosomas independientes. Sin embargo,
durante la meiosis cada cromosoma puede comunicarse con su par homólogo mediante
apareamiento físico y experimentar la recombinación genética. Esta comunicación es esen-
cial para que los homólogos se segreguen correctamente a cada una de las dos células hijas,
durante la meiosis.
La principal característica de la meiosis es que a partir de dos células haploides forma-
das en el organismo, se generan células haploides genéticamente diferentes unas de otras.
Las diferencias genéticas se producen por dos mecanismos. En primer lugar, cada uno de
los gametos contiene la versión materna o paterna de cada cromosoma; debido a que la
elección materna o paterna tiene lugar de forma independiente y al azar para cada par de
homólogos, los cromosomas originales maternos y paternos se reorganizan formando nue-
vas combinaciones en las células haploides. En segundo lugar, aunque las versiones mater-
na y paterna de cada cromosoma tienen secuencias de DNA similares, pero no idénticas, y
han experimentado recombinación genética durante la meiosis –proceso denominado en-
trecruzamiento (descrito en el Capítulo 5)–, se producen versiones nuevas híbridas de cada
cromosoma; de modo que cada cromosoma de un gameto contiene una única mezcla de
información genética procedente de ambos progenitores. Estos dos mecanismos serán es-
tudiados en profundidad más adelante (Figura 21–13).
La reproducción sexual proporciona a los organismos
una ventaja competitiva
La maquinaria de la reproducción sexual es complicada y los recursos que se le dedican son
importantes (Figura 21–4) ¿Por qué se desarrolló y qué beneficios aporta? Los individuos
que se reproducen sexualmente presentan una descendencia variada, cuyos genotipos tienen
tantas probabilidades de representar un cambio para mejorar como para empeorar. Por
lo tanto, ¿por qué estos individuos deben tener una ventaja competitiva frente a los que
normalmente se reproducen por un proceso asexual? Este problema continúa dejando per-
plejos a los biólogos evolucionistas.
Una ventaja de la reproducción sexual parece ser la reorganización de los genes, que
ayuda a las especies a sobrevivir en un medio ambiente que cambia de modo imprevisible.
Si unos progenitores producen muchos descendientes con una amplia variedad de combi-
naciones genéticas, aumenta la probabilidad de que como mínimo uno de sus descendien-
tes tenga la combinación de caracteres necesarios para sobrevivir a los cambios del medio.
En efecto, una población de levaduras de gemación manipuladas genéticamente de mane-
ra que no se produzcan recombinaciones durante la meiosis y, por lo tanto, no se pueden re-
producir sexualmente, se adapta mucho menos en un mismo periodo de tiempo a las
condiciones adversas del medio que una población salvaje que se reproduce sexualmente.
Otra ventaja de la reproducción sexual parece ser que permite eliminar genes perjudi-
ciales de una población: por lo general las hembras se aparean con el macho más adecuado,
Figura 21–4 Un pavo real desplegando
de modo que el macho menos conveniente no engendra descendencia y sólo es una especie de su vistosa cola. El exagerado plumaje
contenedor de basura genética. Esta rigurosa selección de los machos significa que los genes tiene la finalidad de atraer a las hembras para
“buenos” se transmiten mientras que los genes “malos” se pierden. El resultado es que los in- la reproducción sexual. Este plumaje se
dividuos de la población que se reproducen de forma sexual presentan, por término medio, ha desarrollado para que sólo los machos
mejores competencias que los individuos de una población equivalente que se reproducen más adecuados y más atractivos dejen
de forma asexual. descendencia. (Cortesía de Cyril Laubscher.)

4. 1272 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación
Cualquiera que sean las ventajas de la reproducción sexual, sorprende que casi todos
los organismos complejos actuales han evolucionado tras generaciones de reproducción se-
xual y no de reproducción asexual. Los organismos asexuados, aunque muy abundantes,
han permanecido comparativamente sencillos y primitivos.
Vamos a examinar ahora con detalle los mecanismos de la reproducción sexual, co-
menzando con los procesos de la meiosis. Centraremos nuestro estudio en los mamíferos.
De qué forma las células diploides de la línea germinal dan lugar a los gametos y cómo se
determina el sexo en un mamífero. Más adelante se considerarán los gametos en sí mismos.
Por último describiremos cómo es el proceso de la fecundación, en el que los dos gametos se
fusionan formando un nuevo organismo diploide.
Resumen
El ciclo de la reproducción sexual comprende una alternancia de estados haploide y diploide: las
células diploides se dividen por meiosis formando células haploides, y las células haploides proce-
dentes de dos individuos distintos, se fusionan de dos en dos formando un zigoto diploide. En este
proceso, los genomas se mezclan y se recombinan dando lugar a individuos con nuevas combina-
ciones genéticas. En la mayoría de los eucariotas superiores, las células diploides proliferan median-
te mitosis y sólo una pequeña proporción de ellas (las células de la línea germinal) experimentan
meiosis produciendo células haploides; las células haploides se transforman en gametos –células es-
pecializadas para la reproducción sexual– de corta existencia y que no se dividen. La reproducción
sexual es ventajosa porque además de producir individuos con combinaciones genéticas nuevas,
algunas de las cuales podrán sobrevivir y procrear en condiciones ambientales imprevisibles, pro-
porciona una vía eficaz para eliminar mutaciones perjudiciales para la población.
MEIOSIS
La constatación de que los gametos son células haploides se obtuvo a partir de una obser-
vación que también fue la primera en sugerir que los cromosomas son los portadores de la
información genética. En 1883, se descubrió, estudiando gusanos, que tanto el núcleo de un
oocito no fecundado como el de un espermatozoide tienen dos cromosomas, mientras que
el huevo fecundado (zigoto) tiene cuatro. Esto llevó a la teoría cromosómica de la herencia la
cual permite explicar la antigua paradoja de que las contribuciones materna y paterna a la
naturaleza de la progenie son aparentemente iguales, a pesar de la enorme diferencia de ta-
maño entre el oocito y el espermatozoide (véase Figura 21–2).
Este descubrimiento implica también que las células germinales se forman según un tipo
especial de división nuclear en la cual los cromosomas se dividen exactamente por la mitad.
En los animales, este tipo de división llamada meiosis –palabra de origen griego que signifi-
ca disminución o reducción– se inicia en las células diploides de la línea germinal dentro de
los ovarios o de los testículos. Podría parecer como si la meiosis se tratase de una simple mo-
dificación de la mitosis en la que se omitiese la síntesis de DNA (fase S), de forma que una
sola división celular produjera dos células haploides. La meiosis es mucho más compleja
que esto e implica dos divisiones celulares, pero sólo una ronda de síntesis de DNA. No fue
hasta el inicio de la década de 1930 que, gracias a minuciosos trabajos citológicos y genéti-
cos, se pudieron establecer las características básicas de la meiosis. Estudios más recientes
en el campo de la biología molecular y de la genética, han permitido identificar varias pro-
teínas específicas de la meiosis, responsables del distinto comportamiento de los cromoso-
mas en comparación con los cromosomas mitóticos y de la recombinación genética, dos de
los procesos que tienen lugar durante la meiosis. Veremos que los pasos de la recombinación
son importantes, no sólo por la mezcla genética sino también para la correcta segregación
cromosómica durante la meiosis.
Los gametos son el resultado de dos divisiones meióticas
Los mecanismos moleculares y los sistemas de control de la meiosis son, en su mayor parte, los
mismos que actúan en la mitosis normal. No obstante, este capítulo se centrará en las ca-
racterísticas especiales de la meiosis que la distinguen de la mitosis. Al iniciarse la meiosis, lo
mismo que en la mitosis, los cromosomas han replicado su DNA (en la fase S de la meiosis)
y las dos copias están estrechamente unidas entre ellas por los complejos de cohesinas a lo

5. MEIOSIS 1273
(A) MEIOSIS (B) MITOSIS
Figura 21–5 Comparación
entre la mitosis y la meiosis
homólogos celular. Para una mejor
FASE MEIÓTICA S
paternos comprensión, solamente
homólogos se representa un par de
maternos cromosomas homólogos
(u homólogos). (A) Durante
REPLICACIÓN DEL DNA REPLICACIÓN la meiosis, después de la
DEL DNA replicación del DNA, son
necesarias dos divisiones
nucleares (y celulares)
para producir gametos
haploides. En la meiosis I,
APAREAMIENTO los homólogos duplicados,
DE LOS HOMÓLOGOS
DUPLICADOS constituidos por las
cromátidas hermanas
estrechamente unidas,
se aparean y se segregan
a distintas células hijas;
solamente en la meiosis II
ALINEACIÓN DE LOS PARES se separan las cromátidas
DE HOMÓLOGOS EN EL HUSO
hermanas. Tal como indica
la representación de los
MEIOSIS I
cromosomas, que son
parcialmente rojos y
parcialmente grises, el
CROMOSOMAS
SEPARACIÓN DE DUPLICADOS apareamiento de los
LOS HOMÓLOGOS ALINEADOS homólogos da lugar a la
EN LA ANAFASE I INDIVIDUALMENTE recombinación genética
EN EL HUSO (entrecruzamiento) durante
la meiosis I, como se explica
más adelante. Cada célula
diploide que entra en
meiosis produce cuatro
células haploides
genéticamente distintas.
<AGTG> (B) En la mitosis en
cambio, los homólogos no
se aparean y las cromátidas
SEPARACIÓN DE hermanas se separan durante
SEPARACIÓN DE LAS LAS CROMÁTIDAS
CROMÁTIDAS HERMANAS una sola división. De esta
HERMANAS EN
EN LA ANAFASE I LA ANAFASE manera, cada célula diploide
que se divide por mitosis
da lugar a dos células hijas
diploides idénticas en
términos genéticos.
MEIOSIS II
células hijas haploides células hijas diploides
largo de toda su longitud (véase Figura 17–24) constituyendo las llamadas cromátidas her-
manas. Sin embargo, a diferencia de la mitosis, la meiosis da lugar a gametos con
la mitad de cromosomas que sus células precursoras diploides. Este hecho se consigue me-
diante la modificación del programa mitótico, ya que a una única ronda de replicación de
DNA le siguen dos rondas sucesivas de segregación cromosómica (Figura 21–5A). Cabe re-
cordar que en la mitosis (tratada en el Capítulo 17), los cromosomas duplicados se alinean al
azar en el ecuador del huso mitótico y que las cromátidas hermanas son arrastradas y segre-
gadas a las dos células hijas, de manera que cada célula hija hereda un juego diploide com-
pleto de cromosomas y es genéticamente idéntica a la célula madre (Figura 21–5B). Por el
contrario, en la primera división de la meiosis (meiosis I), los homólogos duplicados pater-

6. 1274 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación
no y materno (incluidos los dos cromosomas sexuales replicados) se sitúan uno al lado del cromosoma cromosoma
paterno 1 materno 1
otro en toda su longitud e intercambian información genética mediante la recombinación ge- replicado replicado
nética. Entonces se alinean en el ecuador del huso meiótico, después de lo cual los homó-
logos duplicados son arrastrados y segregados a las dos células hijas, en lugar de las cromá-
tidas hermanas. Sólo en la segunda división de la meiosis (meiosis II), que tiene lugar sin re-
plicación de DNA, las cromátidas hermanas son arrastradas y segregadas produciendo
células hijas haploides. De esta manera, cada célula diploide que entra en meiosis produce
cuatro células haploides, cada una de las cuales hereda una copia materna o una copia pa-
terna de cada cromosoma, pero no las dos (véase Figura 21– 5 A). centrómero
Los cromosomas homólogos duplicados (y los cromátidas
hermanas
cromosomas sexuales) se aparean durante
la profase I temprana
En la mitosis de la mayoría de organismos, los cromosomas homólogos se comportan de (A) (B)
bivalente quiasma
forma independiente unos de otros. Sin embargo, durante la meiosis I, es fundamental que los
homólogos se reconozcan uno a otro y se asocien físicamente para que los homólogos pa-
terno y materno experimenten la recombinación genética y se segreguen a las distintas cé- Figura 21–6 Alineación de los homólogos
lulas hijas en la anafase I. Mecanismos especiales intervienen en estas íntimas interacciones y entrecruzamiento. (A) La estructura
formada por dos cromosomas homólogos
entre los cromosomas homólogos.
estrechamente alineados se denomina
La progresiva yuxtaposición de los homólogos tiene lugar durante una profase meiótica un bivalente. Igual que en la mitosis, las
muy larga (profase I), que puede durar horas en las levaduras, días en los ratones y semanas cromátidas hermanas de cada homólogo
en las plantas superiores. Como en la mitosis, los cromosomas duplicados de la profase están estrechamente conectadas en toda
meiótica aparecen al inicio como estructuras filamentosas, en las que las cromátidas her- su longitud, así como en los centrómeros.
manas están tan estrechamente unidas entre sí que parecen una sola. Es durante la profase En este estadio, por lo general los homólogos
I temprana que los homólogos empiezan a asociarse longitudinalmente en un proceso que están unidos entre sí por un complejo
se denomina apareamiento, en algunos organismos se produce, en principio, mediante inte- proteico denominado complejo sinaptinémico
racciones entre secuencias de DNA complementario (llamadas zonas de apareamiento) de (no representado; véase Figura 21–9).
(B) Bivalente en un estadio más avanzado en
los homólogos; en la mayoría de organismos, el apareamiento estable requiere la recom-
el que se ha producido un entrecruzamiento
binación genética entre los dos homólogos. Durante la progresión de la profase I, la yuxta-
entre dos cromátidas no hermanas. Sólo
posición de los homólogos se vuelve más estrecha y forma una estructura de cuatro cuando el complejo sinaptinémico se
cromátidas o bivalente (Figura 21–6A). Como se verá más adelante, la recombinación ge- desorganiza y los pares de homólogos se
nética empieza durante el apareamiento en la profase I temprana, con la rotura programada separan un poco, al final de la profase I,
de la doble hebra del DNA de las cromátidas; algunos de estos procesos de recombinación el entrecruzamiento se ve como una fina
se resolverán más tarde en entrecruzamientos, en los que un fragmento de una cromátida conexión entre los homólogos llamada
materna se intercambia con un fragmento correspondiente de la cromátida paterna homó- quiasma, como aparece en la imagen.
loga (Figura 21–6B; véase también la Figura 5–64).
El apareamiento de los homólogos requiere movimientos de los cromosomas, pero se
desconoce qué es lo que guía estos movimientos. Durante la profase I, los cromosomas du-
plicados experimentan una importante redistribución dentro del núcleo. Sus extremos (los
telómeros) están estrechamente unidos a la superficie interna de la envoltura nuclear.
Inicialmente los cromosomas se encuentran repartidos de forma difusa por el núcleo, pero
luego se unen de forma transitoria a una región de la envoltura nuclear, para más adelante
dispersarse otra vez (Figura 21–7). El mecanismo y la función de estas redistribuciones se
desconocen, aunque se cree que hacen que la profase I sea más rápida y eficiente. Una posi-
Figura 21–7 Reordenación de los telómeros
durante la profase en oocitos bovinos.
El núcleo está teñido en azul y los telómeros
en rojo. Durante la profase I, los telómeros
se adhieren a la superficie interna de la
envoltura nuclear. Al principio, están
dispersos por toda la envoltura nuclear
(no se observa). Después, se unen
estrechamente a una región de la
envoltura (A); al llegar al final de
la profase I, se dispersan de nuevo (B).
(De C. Pfeifer et al., Dev. Biol. 255: 206-215,
(A) (B)
5 μm 2003. Con la autorización de Elsevier.)

7. MEIOSIS 1275
bilidad es evitar que durante la profase I los cromosomas se enreden entre sí. En las
levaduras de fisión es necesario que los telómeros estén estrechamente adheridos para que
los homólogos se apareen y se entrecrucen. En otros organismos este hecho ocurre después
de que se haya producido el apareamiento.
Hemos descrito el apareamiento de los autosomas homólogos durante la profase I, pero
¿qué sucede con los cromosomas sexuales? El hecho es que este proceso varía según los or-
ganismos. Las hembras de los mamíferos tienen dos cromosomas X, los cuales se aparean y
segregan igual que los demás homólogos. Pero los machos tienen un cromosoma X y un cro-
mosoma Y. Aunque estos cromosomas no son homólogos, también tienen que aparearse y
experimentar entrecruzamiento durante la profase para segregarse con normalidad en la
anafase I. Apareamiento, entrecruzamiento y segregación son posibles porque existe una pe-
queña región de homología entre uno o ambos extremos de los cromosomas X e Y. Los dos
cromosomas se aparean y se entrecruzan en esta región durante la profase I, asegurando
que cada espermatozoide recibe un cromosoma Y o un cromosoma X y no los dos o ningu-
no de los dos. De este modo, normalmente se producen dos tipos de espermatozoides: los
que contienen un cromosoma Y, los cuales originarán embriones macho, y los que contie-
nen un cromosoma X, que originarán embriones hembra.
El apareamiento de los cromosomas homólogos culmina
con la formación del complejo sinaptinémico
El apareamiento de los homólogos se produce en una estrecha yuxtaposición de sus ejes
estructurales (ejes internos) separados unos 400 nm, mediante un mecanismo que en la ma-
yoría de especies depende de la rotura programada de la doble hebra del DNA de las cro-
mátidas hermanas. ¿Qué es lo que atrae a los dos ejes? Una posibilidad es que la gran
maquinaria proteica, llamada complejo de la recombinación, se ensamble sobre una rotura
de la doble hebra de una cromátida, se una a la secuencia de DNA similar del homólogo más
próximo y facilite su enrollamiento con él. Es el llamado alineamiento presináptico de los
homólogos, seguido por la sinapsis, en la cual el eje interno de un homólogo se une íntima-
mente al eje interno de su pareja mediante un conjunto comprimido y ordenado de filamen-
tos transversos formando un complejo sinaptinémico: se trata de puentes que determinan
ahora una distancia de sólo 100 nm entre los homólogos (Figura 21–8). Aunque el entrecru-
zamiento empieza antes de que se organice el complejo sinaptinémico, el último paso se
produce mientras el DNA permanece unido al complejo (véase Capítulo 5).
Los cambios morfológicos que ocurren durante el apareamiento de los cromosomas
meióticos permiten dividir la profase I en cinco estadios consecutivos: leptoteno, zigoteno,
paquiteno, diploteno y diacinesis. Como se muestra en la Figura 21–9, la profase I empieza
con el leptoteno, cuando los homólogos se condensan y se aparean y comienza la recombi-
nación genética. En el zigoteno, el complejo sinaptinémico empieza a ensamblarse en regio-
nes localizadas a lo largo de los homólogos; se inicia en los lugares donde los homólogos
están estrechamente asociados y se han producido procesos de recombinación. En el pa-
quiteno, se completa el ensamblaje y los homólogos se encuentran en sinapsis en toda su
filamentos
transversos
Figura 21–8 Esquema simplificado
100 nm
eje interno
de un complejo sinaptinémico. Antes de
de los que se forme el complejo sinaptinémico,
homólogos los complejos de recombinación se unen en
los puntos de rotura de la doble hebra del
complejo DNA de las cromátidas hermanas y catalizan
de las cohesinas
los entrecruzamientos entre los bucles de
las cromátidas no hermanas desde los lados
opuestos del complejo (no mostrado en el
dibujo). (Modificación a partir de K. Nasmyth,
bucle de cromatina de las cromátidas Annu. Rev. Genet. 35:673-745, 2001. Con
hermanas de un homólogo la autorización de Annual Reviews.)

8. 1276 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación
LEPTOTENO PAQUITENO
cromátida 1
cromátidas
hermanas ensamblaje desensamblaje
paternas del complejo del complejo
cromátida 2 sinaptinémico sinaptinémico
cromátida 3
cromátidas
hermanas
maternas
cromátida 4
INTERFASE ZIGOTENO DIPLOTENO SEGUIDO
(A) POR LA DIACINESIS (B)
0,1 μm
Figura 21–9 Sinapsis y desinapsis de los
cromosomas homólogos durante los
diferentes estadios de la profase meiótica I.
(A) Esquema de un sólo bivalente. En el
leptoteno, las dos cromátidas hermanas están
condensadas y los bucles de cromatina de
ambas se extienden a partir de un eje interno
común. El complejo sinaptinémico empieza
a ensamblarse en el zigoteno temprano.
El ensamblaje continúa durante todo el
zigoteno y se completa en el paquiteno.
(C) (D) El complejo se desorganiza en el diploteno.
5 μm (B) Electromicrografía de un complejo
sinaptinémico de una célula meiótica de una
flor de lirio, en paquiteno. (C y D) Micrografía
de inmunofluorescencia de células del hongo
Sordaria, en profase I. En C, se ve la sinapsis
longitud, El estadio de paquiteno puede durar varios días o más, hasta que la desinapsis em- parcial de los bivalentes en zigoteno y en D, la
pieza en el diploteno con el desensamblaje del complejo sinaptinémico y la consiguiente sinapsis completa. Las puntas de flecha rojas
condensación y acortamiento de los cromosomas. Únicamente en este estadio, después de en (C) indican los puntos donde la sinapsis es
que los complejos se hayan desorganizado, se pueden ver cada uno de los entrecruzamien- incompleta. (B, cortesía de Brian Wells; C y D
tos entre cromátidas no hermanas como conexiones interhomólogas que se denominan de A. Storlazzi et al. Genes Dev.17: 2675-2687,
quiasmas, los cuales desempeñan un papel fundamental manteniendo unidos los 2003. Con la autorización de Cold Spring
homólogos compactados (Figura 21–10). En este momento, los homólogos están a punto Harbor Laboratory Press.)
para iniciar la segregación. La profase I acaba con la diacinesis, el estado de transición hacia
la metafase I.
En algunas especies de levaduras, gusanos, moscas y mamíferos se han identificado las
proteínas que forman los puentes de filamentos transversos entre los ejes internos de los ho-
mólogos. Se trata de homodímeros que interactúan entre sí a través de la hendidura de 100 nm
que separa los homólogos, como se muestra en la Figura 21–11. En la mayoría de eucariotas,
estas proteínas son muy importantes para que se produzcan los entrecruzamientos, de ma-
nera que no se producen entrecruzamientos en mutantes que no las tienen. Los principales
componentes del eje interno de cada homólogo son los complejos de cohesinas que en-
samblan el DNA durante la fase S y unen las cromátidas hermanas entre sí durante la meio-
sis (Figura 21–8). Algunas subunidades de las cohesinas que actúan en la meiosis son las
mismas que actúan en la mitosis, mientras que otras son específicas de la meiosis. Ambos
complejos, los entrecruzadores y las cohesinas, tienen un papel crucial en la segregación
de los homólogos durante la primera división meiótica (meiosis I), como se explicará a con-
tinuación.
Figura 21–10 Bivalente con tres quiasmas resultado de tres entrecruzamientos.
(A) Microfotografía de un bivalente de saltamontes. (B) Dibujo que muestra la
disposición de los entrecruzamientos en (A). La cromátida 1 ha experimentado un
intercambio con la cromátida 3, y la cromátida 2 con las cromátidas 3 y 4. Se observa
cómo la combinación de los quiasmas y de las uniones estrechas de los brazos de
las cromátidas hermanas de cada uno (mediadas por los complejos de cohesinas)
mantienen los dos homólogos juntos después del desensamblaje de los complejos
sinaptinémicos; si fallan los quiasmas o la adhesión de las cromátidas hermanas, los
4
homólogos se separaran en este estadio y no se segregarán correctamente cuando 3
2
la célula se divida al final de la meiosis I. (A, cortesía de Bernard John.) (A) (B) 1

9. MEIOSIS 1277
proteína de los filamentos Figura 21–11 Modelo molecular
transversales bucles de cromatina de que representa cómo los filamentos
una cromátida hermana región sobreenrollada transversales pueden estar formados
del homodímero por un solo tipo de proteína. (A) Dibujo
(A) de una cadena de polipéptidos donde se
muestran los dominios terminales globulares
N y C, conectados por una región enrollada.
(B) En este caso se propone que la proteína
forma homodímeros que interactúan en
una hendidura de 100 nm que separa los
ejes internos de los dos homólogos.
(Adaptado de S.L. Page y R.S. Hawley,
Science 301: 785-789, 2003. Con la
autorización de AAAS.)
filamentos transversales
100 nm
(B) eje interno
La segregación de los cromosomas homólogos en la meiosis
depende de proteínas asociadas al cinetocoro
Una de las diferencias fundamentales entre la meiosis I y la mitosis (y la meiosis II) es que en
la meiosis I los homólogos se separan antes de que se produzca la segregación de las cromá-
tidas hermanas en las dos células hijas (Figura 21–5). Esta diferencia depende de tres carac-
terísticas de la meiosis I que la distinguen de la mitosis (Figura 21–12). En primer lugar, los
cinetocoros (complejos proteicos asociados a los centrómeros; tratado en los Capítulos 4 y 17),
de las dos cromátidas hermanas de un homólogo se unen a los microtúbulos que emergen del
mismo polo del huso meiótico I y, en consecuencia, se segregan juntos a cada célula hija
durante la anafase I; por el contrario, en la mitosis (y meiosis II), los cinetocoros de las dos
cromátidas hermanas de un cromosoma se unen a los polos opuestos del huso y se segregan
en dos células hijas distintas durante la anafase. En segundo lugar, se mantiene una unión
física muy estrecha entre los homólogos que resiste las fuerzas de arrastre del huso meió-
tico I mientras que los bivalentes se alinean en el ecuador del huso y los homólogos se sepa-
ran en la anafase I. Los quiasmas formados entre las cromátidas no hermanas y la cohesión
entre los brazos de las cromátidas hermanas ayudan a mantener los homólogos unidos
(Figura 21–10). En tercer lugar, los brazos de las cromátidas hermanas se separan en la ana-
fase I, finalizando los quiasmas y permitiendo la separación de los homólogos en toda su
longitud, pero las cromátidas hermanas se mantienen unidas en la región de los centróme-
ros hasta la anafase II y, por consiguiente, no se separan en la anafase I.
Los cromosomas de la meiosis I, transferidos a un huso meiótico II mediante experi-
mentos de micromanipulación, funcionan como si estuvieran en meiosis I, lo cual indica
que el comportamiento especial de los cromosomas de la meiosis I viene determinado por
ellos mismos y no por el huso u otros factores citoplasmáticos. Varias proteínas meióticas
específicas asociadas a los cromosomas de la meiosis I explican este comportamiento espe-
cial, aunque funcionan juntamente con proteínas no específicas de la meiosis que intervienen
tanto en la mitosis como en la meiosis. Los complejos proteicos específicos de la meiosis se
unen a los dos cinetocoros de cada homólogo replicado y aseguran que las dos cromátidas
hermanas capturen los microtúbulos que emergen de un sólo polo del huso. Otras proteínas
(denominadas shugoshinas) asociadas a los cinetocoros determinan que los cinetocoros
hermanos no se separen en la anafase I, cuando la enzima proteolítica separasa (véase Ca-
pítulo 17) rompe los complejos de cohesinas que mantienen unidos los brazos de las cromá-
tidas hermanas. Las shugoshinas protegen los complejos de cohesinas en los centrómeros
mediante el reclutamiento de una proteína fosfatasa específica de éstos; la fosfatasa evita la
fosforilación de los complejos de cohesinas lo cual es indispensable para que la separasa
actúe fragmentándolos. De esta manera, en la anafase I los brazos de las cromátidas se
separan pero los centrómeros no. Las cromátidas hermanas sólo se separan cuando la se-

10. 1278 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación
(A) MEIOSIS
microtúbulos
cinetocóricos
+
complejo
de cohesinas cinetocoro
complejos células hijas haploides
centrómero
de cohesinas
cinetocoro
cromátida
+
METAFASE I ANAFASE I METAFASE II ANAFASE II TELOFASE II
(B) MITOSIS complejo de cohesinas
cromátida células hijas diploides
centrómero
+
microtúbulos
cinetocóricos
cinetocoro
METAFASE ANAFASE TELOFASE
Figura 21–12 Comparación del comportamiento de los cromosomas en la meiosis I, la meiosis II y la mitosis. Los cromosomas se comportan
de manera similar en la mitosis y en la meiosis II, pero de forma muy diferente en la meiosis I. (A) En la meiosis I, los dos cinetocoros hermanos se localizan
uno al lado del otro en los centrómeros hermanos de cada homólogo y sujetan los microtúbulos que emergen del mismo polo del huso. La proteolisis de
los complejos de cohesinas a lo largo de los brazos de las cromátidas hermanas despega los brazos y determina los entrecruzamientos, permitiendo
que los homólogos duplicados se separen en la anafase I, mientras que los complejos residuales de cohesinas mantienen los centrómeros hermanos unidos.
La destrucción proteolítica de los complejos residuales de cohesinas de los centrómeros permite la separación de las cromátidas hermanas en la anafase II.
(B) Por el contrario, en la mitosis, los dos cinetocoros hermanos sujetan los microtúbulos que emergen de distintos polos del huso; las cromátidas hermanas
se separan al comenzar la anafase y se segregan hacia las dos células hijas (tratado en el Capítulo 17).
parasa rompe los complejos de cohesinas remanentes en los centrómeros en la anafase II
(Figura 21–12 A), y las shugoshinas han desaparecido.
A diferencia de la meiosis I, la meiosis II dura poco tiempo y se parece mucho a una
división mitótica, aunque tiene lugar sin la replicación del DNA. La profase II es corta: se de-
sorganiza la envoltura nuclear y se forma un huso nuevo, después de lo cual se suceden
rápidamente, la metafase II, la anafase II y la telofase II. Una vez se ha formado la envoltura
nuclear alrededor de los cuatro núcleos diploides producidos en la telofase II, tiene lugar la
citocinesis y concluye la meiosis.
A menudo la meiosis no funciona correctamente
La clasificación de los cromosomas que tiene lugar durante la meiosis significa un gran es-
fuerzo de contabilidad intracelular. En cada meiosis humana se requiere que la célula con-
trole 92 cromátidas (46 cromosomas duplicados), distribuyendo un juego completo de cada
tipo de cromosomas a cada una de las cuatro células hijas resultantes. No sorprende que du-
rante un proceso tan complejo puedan ocurrir errores en la distribución de los cromosomas.
Los errores son frecuentes, en general, en la meiosis de los oocitos humanos que se detienen
después del diploteno y permanecen así durante años; la meiosis I acaba con la ovulación y la
meiosis II sólo se completa si el oocito es fecundado. En efecto los errores en la segregación de
los cromosomas durante el desarrollo de los oocitos son las causas más comunes en huma-
nos tanto de abortos espontáneos como problemas de discapacidades mentales.

11. MEIOSIS 1279
Cuando los homólogos no se separan correctamente –un fenómeno denominado no
disyunción–, el resultado es que alguno de los gametos haploides producido pierde un de-
terminado cromosoma, mientras que otro tiene más de una copia de éste. (Las células con
un número anormal de cromosomas se llaman aneuploides, mientras que las que tienen un
número correcto son euploides.) Después de la fecundación, los gametos aneuploides forman
embriones anormales, la mayoría de los cuales mueren. Sin embargo, algunos sobreviven:
por ejemplo, el síndrome de Down humano, que es la primera causa de discapacidad mental,
se debe a la presencia de una copia extra del cromosoma 21, consecuencia de la no disyun-
ción durante la meiosis I en el ovario. Los errores en la segregación durante la meiosis I au-
mentan con la edad de la madre.
A pesar de los fallos, la mayoría de los eucariotas utiliza la meiosis, al menos de forma
intermitente, para mezclar su información genética antes de transmitirla a la generación
siguiente. Los entrecruzamientos contribuyen en gran manera a este proceso de mezcla ge-
nética, como vamos a ver a continuación.
Los entrecruzamientos aumentan la redistribución genética
A menos que se trate de mellizos idénticos, que se han desarrollado a partir de un único zi-
goto, los descendientes de unos mismos padres nunca son genéticamente iguales. Como
hemos indicado, este fenómeno se debe a que mucho antes de la fusión de los dos gametos
se han producido dos tipos de redistribuciones genéticas en la meiosis I, durante el proceso
de la formación de los gametos: la distribución aleatoria de los homólogos maternos y pa-
ternos y los entrecruzamientos. La distribución al azar de los homólogos maternos y paternos
(Figura 21–13A) podría, en principio, producir 2n gametos genéticamente distintos, siendo n
el número haploide de cromosomas. Por ejemplo, en la especie humana cada individuo
puede producir por lo menos 223 = 8,4 × 106 gametos genéticamente diferentes. Sin em-
bargo el número real de variantes es mucho más elevado debido al entrecruzamiento cro-
mosómico (o simplemente entrecruzamiento), que es el resultado de la recombinación
(tratado en el Capítulo 5), durante la cual se producen intercambios de segmentos de DNA
entre los homólogos. En la meiosis, cuando el intercambio ocurre entre cromátidas no her-
manas, se mezclan componentes genéticos de cada uno de los cromosomas (Figura 21–13B).
tres pares de cromosomas un par de cromosomas
homólogos homólogos
materno
materno
paterno paterno
ENTRECRUZAMIENTO
DURANTE
DISTRIBUCIÓN INDEPENDIENTE
LA PROFASE I
DE LOS HOMÓLOGOS
MATERNO Y PATERNO
DURANTE LA MEIOSIS I Figura 21–13 Los dos mecanismos
principales de redistribución del material
genético que intervienen en la producción
MEIOSIS II de los gametos durante la meiosis.
(A) La distribución independiente de los
homólogos materno y paterno durante
la meiosis produce 2n gametos haploides
DIVISIONES
MEIÓTICAS I Y II
diferentes para un organismo con n
cromosomas. En este caso n = 3, por lo que
existen 8 posibles gametos diferentes.
(B) El entrecruzamiento durante la profase I
permite el intercambio de segmentos de DNA
entre cromosomas homólogos y de ese modo
la redistribución de los genes en cada uno de
ellos. Debido a la gran cantidad de pequeñas
diferencias que presentan las secuencias de
DNA de cualquier par de homólogos, ambos
mecanismos aumentan la variabilidad
genética de los organismos que se
(A) gametos posibles (B) gametos posibles reproducen sexualmente.

12. 1280 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación
Figura 21–14 Entrecruzamientos entre
homólogos en el testículo humano. En estas
micrografías de inmunofluorescencia, se han
utilizado anticuerpos para teñir los complejos
sinaptinémicos (rojo), los centrómeros (azul)
y los puntos de entrecruzamiento (verde).
Obsérvese que todos los bivalentes tienen
por lo menos un entrecruzamiento y ninguno
de ellos tiene más de tres. (Modificado
a partir de A. Lynn et al., Science 296:
2222-2225. Con la autorización de AAAS.)
10 μm
En cada par de homólogos humanos se producen por término medio dos o tres entrecruza-
mientos (Figura 21–14).
Los detalles moleculares de los entrecruzamientos se estudian en el Capítulo 5 (véase
Figura 5–64). Brevemente, el entrecruzamiento lo empieza una proteína muy conservada es-
pecífica de la meiosis llamada Spo11, provocando una rotura de la doble hebra de DNA en la
cromátida materna o en la paterna. Un gran complejo multienzimático, el complejo recom-
binante, que contiene enzimas reparadoras de la doble hebra de DNA, se ensambla sobre la
rotura y cataliza la recombinación de los homólogos. En la mayoría de casos, el resultado de
este proceso no es un entrecruzamiento. Sin embargo, en algunas ocasiones la recombi-
nación conduce a un entrecruzamiento en el que los segmentos de DNA se intercambian
recíprocamente entre dos cromátidas no hermanas. Como se ha descrito, después de la
desinapsis se puede observar al microscopio cada entrecruzamiento como un quiasma
(Figura 21–10A). La Figura 21–10B muestra cómo cada una de las dos cromátidas hermanas de
un homólogo puede formar uno o más entrecruzamientos con una de las dos cromátidas
de su homólogo correspondiente.
El entrecruzamiento está muy regulado
El entrecruzamiento tiene dos funciones distintas en la meiosis: ayuda a mantener los ho-
mólogos unidos, para que se segreguen correctamente en las dos células hijas resultantes de
la meiosis I, y contribuye a la diversificación genética de los gametos que se producen. Como
era de esperar, el entrecruzamiento está muy regulado: el número y localización de las rotu-
ras de las dobles hebras a lo largo de cada cromosoma están controlados. Las roturas de la
doble hebra que tienen lugar en la meiosis I pueden localizarse en cualquier parte a lo largo del
cromosoma (Figura 21–14), pero no presentan una distribución regular: están estrechamen-
te unidas a los “puntos calientes” donde la cromatina es accesible y en pocas ocasiones se
unen a los “puntos fríos”, como las regiones de heterocromatina situadas alrededor de los
centrómeros y de los telómeros.
Por lo menos dos tipos de regulación influyen en la localización y en el número de en-
trecruzamientos que se forman, aunque todavía no se comprende por completo ninguno
de los dos. Ambos actúan antes de que se ensamble el complejo sinaptinémico. Uno de ellos
asegura que como mínimo se forme un entrecruzamiento entre los dos miembros de cada
par de homólogos, necesario para que se produzca la segregación correcta de los homólogos
en la meiosis I. En el otro, llamado interferencia del entrecruzamiento, la presencia de un pro-
ceso de entrecruzamiento inhibe la formación de otro, quizás mediante la inhibición local
de las proteínas necesarias para convertir una rotura de la doble hebra de DNA en un entre-
cruzamiento estable.
La regulación de la meiosis es distinta en los machos
y en las hembras de los mamíferos
Los mecanismos básicos de la meiosis se han conservado a lo largo de la evolución en todos los
eucariotas que se reproducen sexualmente. Por ejemplo, en todos ellos la mayor parte de la
meiosis la ocupa la profase I, aunque los detalles de la duración de los diferentes estadios

13. MEIOSIS 1281
varían entre las diferentes especies (Figura 21–15). Sin embargo, existen algunas dife- (A)
RATÓN
rencias destacables en la regulación de la meiosis tanto de especies distintas como de sexos
0
diferentes en una misma especie. La diferencia entre los dos sexos es muy notable en los LEPTOTENO
mamíferos.
En las hembras de los mamíferos, los oocitos empiezan la meiosis en el ovario fetal pero
se paran después del diploteno, cuando se ha desensamblado el complejo sinaptinémico en ZIGOTENO
la meiosis I. La meiosis I sólo se completa cuando la hembra alcanza la madurez sexual y el 3
oocito sale del ovario durante la ovulación; sin embargo, el oocito liberado completa la meio-
sis II sólo en el caso de que sea fecundado. En las hembras de los mamíferos existen meca-
nismos especiales de parada y reactivación durante la meiosis. En las mujeres, algunos
tiempo (días)
profase I
oocitos permanecen parados en meiosis I durante 40 años o más lo cual podría ser, en parte,
una de las causas por la que aumentan significativamente las no disyunciones en las mujeres 6 PAQUITENO
de más edad. Por el contrario, en los mamíferos macho la meiosis comienza en las células
precursoras de los espermatozoides (espermatocitos) dentro de los testículos, al iniciarse la
pubertad y se mantiene de forma continua, sin mecanismos de parada y reactivación como
en la meiosis femenina. Son necesarios alrededor de 24 días para que un espermatocito hu-
mano complete la meiosis. 9
También existe una gran diferencia en la proporción de errores en la meiosis entre las
hembras y los machos de los mamíferos; este hecho es especialmente notable en la especie DIPLOTENO
humana. Alrededor del 20% de los oocitos humanos son aneuploides, comparados con el 3- +
4 % de los espermatozoides, y el resultado es que más de un 25% de todos los fetos humanos DIACINESIS finalización
de la meiosis I
son aneuploides y la mayoría de ellos son el resultado de la no disyunción en los oocitos du- 12 y toda la
rante la meiosis I. La fecundación en los mamíferos comprende la ovulación de un número meiosis II
reducido de oocitos en un extremo del tracto reproductivo de la hembra y la entrada de mi-
llones de espermatozoides por el otro extremo. Dada la escasa cantidad de oocitos cabría (B)
LIRIO
esperar que su desarrollo estuviese sometido a un control de calidad más estricto que en el
0
caso de los espermatozoides, pero ocurre justo lo contrario. Si la meiosis no se desarrolla co-
rrectamente en las células masculinas, se activa un mecanismo de control del ciclo celular
(tratado en el Capítulo 17) que para el proceso y conduce a la muerte celular por apoptosis. LEPTOTENO
1
Aparentemente, este mecanismo de control no actúa en la meiosis de las células femeninas:
si no se produce la segregación de un homólogo, hecho que se da con frecuencia, las células
2
continúan la meiosis y producen oocitos aneuploides. Por otro lado, parece que la línea ger-
minal masculina puede ocasionar otro tipo de errores genéticos. Debido a que se producen ZIGOTENO
tiempo (días)
muchas más mitosis en el proceso de la producción de un espermatozoide y a que en cada 3
ronda de replicación del DNA hay posibilidades de error, los padres contribuyen en mayor profase I
proporción a la aparición de mutaciones nuevas que las madres. 4
La producción de los gametos no sólo comprende la meiosis y en otros procesos PAQUITENO
también existen diferencias entre oocitos y espermatozoides. Al final de la meiosis un oo-
cito de mamífero es completamente maduro, mientras que un espermatozoide está ini- 5
DIPLOTENO
ciando su diferenciación. Antes de estudiar los gametos, vamos a considerar cómo +
algunas células del embrión de los mamíferos se diferencian inicialmente de manera es- 6 DIACINESIS finalización
pecífica desarrollándose como células germinales y cómo estas células quedan compro- de la meiosis I
y toda la
metidas, para transformarse en un espermatozoide o en un oocito, dependiendo del sexo meiosis II
7
del individuo.
Figura 21–15 Comparación entre los
tiempos necesarios para cada una
Resumen de las etapas de la meiosis. (A) Tiempos
aproximados para un mamífero macho
Los gametos haploides (oocitos, espermatozoides, polen y esporas) se forman mediante la meiosis, (ratón). (B) Tiempos aproximados para el
proceso en el que dos divisiones celulares sucesivas después de una sola replicación del DNA dan lugar tejido masculino de una planta (lirio).
a cuatro células haploides a partir de una célula diploide. La meiosis está dominada por una pro- Los tiempos difieren para los gametos
longada profase I, que ocupa el 90% o más del periodo meiótico total. En cuanto empieza la profase I masculino y femenino (espermatozoide
los cromosomas se han replicado y están constituidos por dos cromátidas hermanas estrechamente y oocito, respectivamente) de una misma
especie, así como para los mismos gametos
unidas entre sí. Los cromosomas homólogos se aparean uno al lado del otro y van estrechando pro-
de especies diferentes. Por ejemplo, en
gresivamente su yuxtaposición a medida que progresa la profase I. Los cromosomas homólogos la especie humana la meiosis masculina
estrechamente alineados (bivalentes) experimentan la recombinación genética y forman entrecru- dura 24 días en comparación con los 12 días
zamientos que más adelante pueden verse como quiasmas, que mantienen cada par de homólogos de la del ratón. En las mujeres, pueden pasar
unidos durante la metafase I. El entrecruzamiento y la segregación independiente de las copias ma- más de 40 años, ya que la meiosis I se para
terna y paterna de cada cromosoma durante la meiosis I desempeñan un papel muy importante en después del diploteno. Sin embargo, en
la producción de gametos distintos uno de otro desde un punto de vista genético y distintos también todas las especies la profase meiótica I
es mucho más larga que el resto de las
de sus progenitores. Unas proteínas específicas de la meiosis y proteínas asociadas a los cinetocoros
etapas meióticas juntas.
aseguran que ambas cromátidas hermanas estén unidas al mismo polo del huso; otras proteínas
asociadas a los cinetocoros determinan que los homólogos permanezcan conectados a sus centró-

14. 1282 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación
meros durante la anafase I, para que sean segregados en lugar de las cromátidas hermanas al aca-
bar la meiosis I. Después de esta larga meiosis I, rápidamente sigue la meiosis II, sin que se produz-
ca replicación de DNA, en un proceso parecido a la mitosis, en el que las cromátidas hermanas se
separan en la anafase.
CÉLULAS GERMINALES PRIMORDIALES
Y DETERMINACIÓN DEL SEXO EN LOS MAMÍFEROS
Las estrategias de la reproducción sexual pueden variar muchísimo de unas especies a otras.
Este apartado se centrará principalmente en las estrategias utilizadas por los mamíferos.
En todos los embriones de los vertebrados, durante el desarrollo tiene lugar una selec-
ción temprana de determinadas células como progenitoras de los gametos. Estas células
germinales primordiales diploides (PGC: primordial germ cells) migran a las gónadas en
desarrollo, que se convertirán en los ovarios en las hembras y los testículos en los machos.
Después de un periodo de proliferación mitótica en las gónadas diferenciadas, las PGC ex-
perimentan la meiosis y se diferencian en gametos maduros haploides: oocitos o esperma-
tozoides. Más adelante, la fusión del oocito y del espermatozoide tras el apareamiento
conduce al inicio de la embriogénesis. Con la posterior producción de nuevas PGC en el em-
brión comienza otra vez el ciclo (Figura 21–3A).
En este apartado se analizará cómo aparecen las PGC en los mamíferos, cómo se de-
termina el sexo en ellos y de qué manera la determinación sexual establece que las
PGC se diferencien en espermatozoides o en oocitos.
Figura 21–16 Determinantes de la
segregación de las células germinales
Señales específicas de las células vecinas a las PGC en el nematodo C. elegans. Las micrografías
en los embriones de los mamíferos de la fila superior muestran el patrón de
división de las células, en las que el núcleo
En la mayoría de animales, incluidos muchos vertebrados, el oocito no fecundado contiene está teñido de color azul; abajo las mismas
moléculas específicas localizadas en una región concreta del citoplasma que determinan células teñidas con un anticuerpo que marca
qué células se convertirán en las células germinales. Cuando el oocito es fecundado y se di- (en verde) pequeños gránulos (llamados
gránulos P) que actúan como determinantes
vide de forma repetida produciendo las células del embrión temprano, las que finalmente
de células germinales. Los gránulos P están
heredan estos determinantes de células germinales se transforman en PGC (Figura 21–16).
constituidos por moléculas de RNA y
Aunque la naturaleza molecular y la función de los determinantes son desconocidas, unas moléculas de proteínas, y están distribuidos
proteínas de la familia Vasa son un componente presente en todos estos animales. Las pro- al azar, por todo el citoplasma del oocito no
teínas Vasa tienen una estructura similar a la de las RNA helicasas dependientes de ATP pero
, fecundado (no se muestra). Como se observa
su función en la determinación de las células germinales constituye todavía un misterio por en las imágenes de la izquierda, después de
dilucidar. la fecundación, los gránulos se acumulan
en un polo del zigoto. En cada división, los
Por el contrario, en otros animales y entre ellos los mamíferos, el citoplasma del oocito
gránulos se segregan a una de las dos
no contiene determinantes de células germinales localizados. En lugar de ello, unas señales
células hijas. La única célula del embrión
procedentes de células vecinas determinan qué células se convertirán en PGC. En los ma- que contiene los gránulos P, visible en las
míferos, todas las células resultantes de las primeras divisiones del oocito fecundado son imágenes de la derecha, es la precursora de
pluripotentes, es decir, son capaces de producir cualquier tipo de células del organismo, in- la línea germinal. (Cortesía de Susan Strome.)

15. CÉLULAS GERMINALES PRIMORDIALES Y DETERMINACIÓN DEL SEXO EN LOS MAMÍFEROS 1283
Figura 21–17 Migración de las PGC en los
mamíferos. (A) Micrografía de fluorescencia
notocorda
tubo en la que se observan las PGC que migran
neural células en una sección transversal de un embrión
germinales temprano de ratón. Las PGC están teñidas
primordiales
con un anticuerpo monoclonal (en verde)
somita que las marca específicamente en este
estado de la embriogénesis. Las otras células
del embrión están teñidas con una lectina
(en rojo) que se une al ácido siálico, localizado
en la superficie de todas las células. (B)
futura Esquema correspondiente a la micrografía
intestino
posterior
gónada que se muestra en (A). (A, cortesía de Robert
(A) (B) Anderson y Chris Wylie.)
100 μm
cluidas las germinales y células de los tejidos extraembrionarios así como las de la placenta.
Únicamente más adelante, un pequeño grupo de células es inducido a convertirse en PGC
a consecuencia de las señales que reciben de sus células vecinas. En el ratón, por ejemplo,
6 días después de la fecundación, determinadas señales (incluida la proteína morfogénica
ósea 4; BMP4: bone morphogenic protein) secretadas por las células del tejido extraembrio-
nario situado junto al embrión, inducen a unas 10 células embrionarias adyacentes a trans-
formarse en precursoras de las PGC. Estas células se dividen y maduran transformándose
en PGC, inhibiendo la expresión de genes somáticos y activando la expresión de genes im-
plicados en mantener las características especiales de las células germinales.
Aunque los diferentes mecanismos de las PGC son específicos de los distintos grupos de
animales, algunos de los mecanismos que controlan la proliferación y el desarrollo se han
conservado a lo largo de la evolución, desde los gusanos hasta el hombre. Por ejemplo, el
desarrollo de PGC en todos los animales estudiados depende tanto de la supresión del des-
tino de las células somáticas por represión génica, como de la inhibición de la traducción
de determinados mRNA por proteínas de unión a Nano RNA.
Las PGC migran a las gónadas en desarrollo
En los mamíferos, después de su desarrollo, las PGC proliferan y migran hacia su destino final
que son las gónadas en desarrollo (Figura 21–17). Mientras las células germinales primor-
diales migran a través del embrión, varias proteínas extracelulares producidas por las célu-
las somáticas adyacentes las señalan para sobrevivir, proliferar y migrar. Entre las proteínas
señal secretadas que colaboran atrayendo a las PGC hacia las gónadas en desarrollo están las
quimioquinas, que se unen a receptores acoplados a proteínas G (GPCR: G-protein coupled
receptors) y conducen la migración de varios tipos celulares, como las PGC y los glóbulos
blancos sanguíneos (tratado en el Capítulo 23).
Después de que las PGC hayan entrado en la gónada en desarrollo, que en este estadio
se denomina cresta genital, experimentan unas cuantas mitosis más en el curso de las cuales se
especializan para seguir una vía de desarrollo que les llevará a diferenciarse en oocitos o en
espermatozoides.
Sin embargo, cuando las PGC inician la migración hacia las gónadas embrionarias, no
están comprometidas de manera irreversible a transformase en gametos. Extraídas del em-
brión y cultivadas en presencia de proteínas señal extracelulares adecuadas, se transfor-
man en células que se pueden mantener en cultivo indefinidamente como una línea celular
capaz de producir cualquier tipo celular del organismo, excepto las células extraembriona-
rias que formarán estructuras como la placenta; por esta razón, a estas células se les deno-
mina pluripotentes, y no totipotentes. A este respecto, estas células llamadas células
germinales embrionarias (EG: embryonic germ cells) se parecen a las células madre embrio-
narias (ES: embryonic stem cells) (tratado en el Capítulo 23). Tanto las células EG como las
células ES son fuentes prometedoras de varios tipos celulares humanos –tanto para probar
fármacos como para el tratamiento de enfermedades como ataques cardíacos, apoplejías
y varias enfermedades neurodegenerativas en las se produce la muerte de determinadas
células.
¿Qué determina que las PGC que migran a las gónadas en desarrollo se diferencien en
oocitos o en espermatozoides? Sorprendentemente no es su propia constitución cromo-
sómica sexual sino que depende de si la cresta genital se ha empezado a desarrollar en un
ovario o en un testículo, respectivamente. Los cromosomas sexuales de las células somáticas

16. 1284 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación
Figura 21–18 Cromosomas de un hombre
normal. Los cromosomas se han teñido
con la técnica de Giemsa. Véanse también
las Figuras 4–10 y 4–11. Obsérvese la
diferencia en el tamaño de los dos
cromosomas sexuales. El cromosoma X
contiene más de 1000 genes, mientras
que el cromosoma Y sólo unos 80.
1 2 3 4 5 (Cortesía de Julie Robertson del
Wisconsin State Laboratory of Hygiene.)
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de la cresta genital determinan el tipo de gónada que se va a formar a partir de ella. Aunque
hay muchos genes que influyen en el resultado del proceso, un solo gen del cromosoma Y
desempeña un papel especialmente importante en esta decisión.
En los mamíferos, el gen Sry conduce el desarrollo de la gónada
hacia la formación de un testículo
Aristóteles creía que la temperatura del macho durante el contacto sexual determinaba el
sexo de la descendencia: a temperatura más alta, mayor era la probabilidad de producir ma-
chos. Si en lugar de referirse a humanos se hubiese referido a los lagartos y a los caimanes,
casi hubiese acertado ya que en muchos reptiles la temperatura de incubación de los huevos
determina el sexo de la descendencia; en lagartos y caimanes los machos se desarrollan a
altas temperaturas y las hembras a bajas temperaturas. En la actualidad sabemos que el se-
xo de un mamífero lo determinan sus cromosomas sexuales más que la temperatura de los
progenitores o del embrión.
Las hembras de los mamíferos tienen dos cromosomas X en todas sus células somá-
ticas, mientras que los machos tienen un cromosoma X y un cromosoma Y. La presencia
o ausencia del cromosoma Y, que es el más pequeño de todos los cromosomas humanos
(Figura 21–18) determina el sexo del individuo. Los individuos que tienen un cromosoma Y
se desarrollan como machos siendo indiferente el número de cromosomas X que presenten,
mientras que los individuos que no tienen ningún cromosoma Y se desarrollan como hem-
bras, incluso aunque sólo tengan un cromosoma X. El espermatozoide que fecunda el ooci-
to determina el sexo del zigoto resultante: el oocito maduro tiene un solo cromosoma X
mientras que el espermatozoide puede tener un cromosoma X o un cromosoma Y.
El cromosoma Y determina el sexo del individuo induciendo a las células somáticas de
la cresta genital a desarrollar un testículo en lugar de un ovario. Los embriones de los mamí-
feros están programados para desarrollarse como hembras a menos que lo impida la pre-
sencia de los testículos, que dirigen al embrión a que se desarrolle como macho. Si se extrae
la cresta genital antes de que se haya empezado a desarrollarse como testículo o como ovario,
un mamífero se desarrolla como una hembra independientemente de los cromosomas
sexuales que tenga. Este hecho no significa que en los mamíferos no sean necesarias señales
para el desarrollo de los órganos específicos de las hembras: por ejemplo, para el desarrollo
normal del ovario se requiere la secreción de la proteína señal Wnt4.
El gen crucial del cromosoma Y que dirige la cresta genital a que se diferencie en tes-
tículo en lugar de en ovario se llama Sry (sex-determining region of Y). Cuando este gen se in-
troduce en el genoma de un zigoto XX de ratón, el embrión transgénico resultante se