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Librogen – Ernesto G. Pirillo 2 LIBROGEN Introducción a la genética Ernesto G. Pirillo Pirillo, Ernesto Gustavo Librogen. - 1a ed. - Ciudad Autonoma de Buenos Aires : el autor, 2011. 212 p. ; 21x15 cm. ISBN 978-987-33-1097-3 1. Genetica. I. Título CDD 575 Fecha de catalogación: 06/09/2011 Librogen – Ernesto G. Pirillo 3 INDICE INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 6 1. CICLO CELULAR ............................................................................................ 8 2. DIVISIONES CELULARES ............................................................................ 10 La mitosis ......................................................................................................... 10 La meiosis ........................................................................................................ 12 3. CICLOS DE VIDA ........................................................................................... 16 Gametogénesis en las plantas ....................................................................... 16 Gametogénesis animal ................................................................................... 17 Gametogenesis en organismos haploides .................................................... 18 4. MENDEL Y SUS DESCUBRIMIENTOS ....................................................... 19 Primera ley de Mendel .................................................................................... 19 Segunda Ley de Mendel ................................................................................. 21 5. OTRAS RELACIONES ALELICAS............................................................... 24 Dominancia incompleta. .................................................................................. 24 Codominancia. ................................................................................................. 24 Cruzamiento retrógrado o retrocruza. ........................................................... 25 Cruza de prueba. ............................................................................................. 25 Alelos múltiples. ............................................................................................... 26 Alelos letales. ................................................................................................... 27 Expresividad y penetrancia. ............................................................................ 28 Árbol genealógico - pedigrí ............................................................................. 28 6. GENES LIGADOS ........................................................................................... 30 Ligamiento ........................................................................................................ 30 Mapa genético .................................................................................................. 33 7. SEXO Y HERENCIA ....................................................................................... 34 Genes ligados al cromosoma X ..................................................................... 34 Genes holándricos ........................................................................................... 36 Genes parcialmente ligados al sexo .............................................................. 37 Genes limitados a un sexo ............................................................................. 37 Mecanismo Z - W de determinación sexual .................................................. 37 Determinación sexual en mamíferos ............................................................. 38 8. INTERACCIÓN GENÉTICA.......................................................................... 41 Interacción ........................................................................................................ 41 Epistasis ........................................................................................................... 42 Pleiotropismo ................................................................................................... 43 9. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL MATERIAL HEREDITARIO .............. 44 Ácidos nucleicos .............................................................................................. 44 Replicación del ADN........................................................................................ 47 Transcripción .................................................................................................... 47 Traducción ........................................................................................................ 49 Splicing alternativo........................................................................................... 52 Epigenética ....................................................................................................... 52 10. MUTACIONES ................................................................................................ 54 Mutaciones genómicas ................................................................................... 54 Mutaciones cromosómicas ............................................................................. 58 Mutaciones génicas ......................................................................................... 61 11. GENÉTICA CUANTITATIVA ....................................................................... 63 Librogen – Ernesto G. Pirillo 4 12. ANÁLISIS DE LOS CARACTERES MÉTRICOS ........................................ 67 Descomposición de la varianza ...................................................................... 67 Coeficiente de determinación genética ......................................................... 68 Descomposición de la varianza genética ...................................................... 68 Heredabilidad en sentido estricto ................................................................... 69 13. MEJORAMIENTO TRADICIONAL ............................................................. 72 Introducción ...................................................................................................... 72 Variedad ........................................................................................................... 72 Métodos de mejoramiento en especies con autofecundación .................... 73 Métodos de mejoramiento en especies de fecundación cruzada ............... 74 Métodos de mejoramiento en especies de propagación asexual ............... 75 Métodos de mejoramiento en especies animales ........................................ 75 14. SELECCIÓN .................................................................................................... 78 Respuesta a la selección ................................................................................ 78 Metodos de selección ...................................................................................... 78 15. ENDOGAMIA Y HETEROSIS ....................................................................... 81 Sistemas de reproducción .............................................................................. 81 Endogamia y depresión por consanguinidad ................................................ 82 Coeficiente de endogamia .............................................................................. 82 Vigor híbrido o heterosis ................................................................................. 84 16. GENÉTICA DE POBLACIONES ................................................................... 86 Introducción ...................................................................................................... 86 Equilibrio de Hardy - Weinberg ...................................................................... 86 Factores de alteración .....................................................................................89 17. HERENCIA CITOPLÁMICA ......................................................................... 90 Efecto materno ................................................................................................. 90 Mitocondrias ..................................................................................................... 91 Cloroplastos ..................................................................................................... 91 Plásmidos ......................................................................................................... 91 18. PROBABILIDAD ............................................................................................. 93 Cálculo de probabilidad ................................................................................... 93 Método del Chi - cuadrado ............................................................................. 95 19. HUELLAS ........................................................................................................ 98 Huellas genéticas ............................................................................................ 98 Reacción en cadena de las polimerasas ( pcr ) ........................................... 98 20. TERAPIA GÉNICA ....................................................................................... 100 Terapia génica ............................................................................................... 100 Genes suicidas .............................................................................................. 101 21. GENOMA HUMANO .................................................................................... 102 Proyecto genoma humano ............................................................................ 102 Proteoma humano ......................................................................................... 103 22. CLONACIÓN ................................................................................................. 105 23. BIOTECNOLOGÍA ....................................................................................... 109 Introducción .................................................................................................... 109 ADN - recombinante ...................................................................................... 110 Técnicas de clonación de ADN .................................................................... 111 Plásmido Ti para introducir nuevos genes en plantas ............................... 112 Biotecnología genética .................................................................................. 113 24. BIOPROSPECCIÓN ...................................................................................... 118 25. PREGUNTAS Y PROBLEMAS .................................................................... 121 Librogen – Ernesto G. Pirillo 5 26. RESPUESTAS ................................................................................................ 125 27. GLOSARIO GENÉTICO .............................................................................. 128 28. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 136 Librogen – Ernesto G. Pirillo 6 INTRODUCCIÓN Hablar de genética en estos tiempos es estar hablando de la ciencia que más desarrollo ha tenido en los últimos 30 años. Sin duda que los avances observados en esta materia son los más espectaculares en cuanto a la cantidad y calidad de los descubrimientos y especialmente de las aplicaciones. Es así que la genética, o sea aquella parte de la biología que estudia los mecanismos de la transmisión de los caracteres hereditarios, ya sea en cuanto a sus alteraciones, formas y consecuencias, debe ocupar un papel preponderante en los conocimientos de todos aquellos que estén interesados en conocer los fundamentos científicos de la existencia de los seres vivos, como también de su diversidad. La genética se ocupa de los genes en todos sus aspectos, ya sea desde el punto de vista del modo de transmisión de los caracteres de generación en generación, como así también de su estructura y función y el de su comportamiento en las distintas poblaciones. La biología se ha visto unificada desde el momento que se comenzaron a conocer los genes y el modo como actúan. Muchos procesos fisiológicos podemos comprenderlos mejor debido al conocimiento del modo de acción de los genes implicados. Por otro lado, sabemos que no existe ningún organismo viviente que no sea producto de algún proceso natural o del mejoramiento realizado por el hombre. Este mejoramiento el hombre lo puede realizar a partir de la observación minuciosa de los procesos que realiza la naturaleza en sus individuos. A partir de esa observación detallada y poniendo en práctica conocimientos de química, botánica, bioquímica, genética, anatomía, fisiología, estadística, etc. y sofisticadas técnicas de laboratorio, el hombre logra muchas veces realizar en el laboratorio lo que un organismo realiza en la naturaleza. Los conocimientos sobre los fenómenos hereditarios han sido importantes para el hombre desde hace mucho tiempo. La propia civilización fue posible cuando las tribus nómadas aprendieron a domesticar plantas y animales. Mucho antes que la genética existiera como disciplina científica, los hombres se interesaban por la herencia de rasgos deseables e indeseables de la población humana, seleccionaban los granos de mayor rendimiento y vigor y los animales de mejor piel y carne. Existen datos de que los asirios ya realizaban cruzamientos entre plantas y mucho más cerca en el tiempo, las grandes civilizaciones indígenas americanas, realizaban con éxito el mejoramiento de, por ejemplo, el maíz. A comienzos del siglo XX, a partir de las investigaciones que el monje Gregor Mendel propuso a la consideración de la comunidad internacional fue posible comprender las bases genéticas de la selección y de ese modo darle un marco científico a procesos que el hombre ya observaba desde hacía mucho tiempo pero que no se explicaba el por qué de su ocurrencia. Se comenzaron a obtener nuevas variedades de plantas, fundamentalmente mediante la formación de los híbridos y se alteraron los sistemas genéticos animales para aumentar la productividad. Desde aquel momento hasta éstos, nuestros tiempos modernos, han pasado muchas cosas en biología. Con el trascendente hito del descubrimiento de la estructura de la molécula de ADN por Watson y Crick luego se descifró el código genético y, posteriormente, con las enzimas de restricción se desarrolló la técnica del ADN recombinante, o ingeniería genética, que han producido un cambio fundamental en el estudio y en las aplicaciones de la genética y de las biotecnologías. A partir de ese momento la genética molecular, conjuntamente con técnicas apropiadas, comenzaron a intervenir en la mejora genética, ya se en el campo animal como vegetal. Hemos ido más allá de las técnicas convencionales de mejora genética, hasta alcanzar la capacidad de producir modificaciones químicas y moleculares específicas del aparato genético de cualquier ser vivo. Es así que las aplicaciones genéticas tienen mucho que ver con sectores de suma importancia en el desarrollo de un pueblo, como ser la mejora en la producción de granos y forrajes, en la producción de carne y leche, de huevos, hortalizas, flores, etc. Librogen – Ernesto G. Pirillo 7 En el campo de la medicina, con las nuevas técnicas de terapia génica se abre un nuevo campo en el tratamiento, estudio y prevención de determinadas enfermedades. El campo del derecho, también se ha visto beneficiado con las nuevas técnicas de la genética molecular. Muchos juicios sobre violación, paternidad, asesinatos, etc. han sido resueltos rápidamente mediante el análisis de muestras de ADN y la lectura de sus huellas genéticas. La secuenciación de la totalidad del genoma humano, comoasí también la de otras especies permitirá, en el futuro, conocer con exactitud la constitución y ubicación física de cada uno de los cientos de genes distribuidos en los cromosomas, despertando curiosidad en muchas personas y una cierta ansiedad y esperanza de encontrar soluciones a muchas enfermedades, en la mayoría. En los últimos años, la sofisticada tecnología de la genética molecular nos ha suministrado un amplio espectro de técnicas (biotécnicas o bioensayos) debido a lo cual se abre un campo nuevo en la utilización de la biodiversidad. Muchos países ya han celebrado convenios de prospección de su diversidad biológica y otros lo harán en un futuro próximo. Este proceso involucra tanto a las industrias farmacéuticas como a centros de investigación, universidades, políticos, recolectores individuales, comunidades autóctonas, organizaciones no gubernamentales, industrias, etc. por lo que seguramente tendrán un gran impacto tanto a nivel cultural como económico en las comunidades involucradas. Palabras extrañas como ADN recombinante, clones, vegetales o animales transgénicos, genoma humano, terapia génica, código genético y muchas más invaden al público en general diariamente por los medios de comunicación masiva demostrando una vez más que la ciencia de la genética día a día nos presenta algo nuevo. Los avances en genética influenciarán en forma radical nuestra calidad de vida en los próximos años, como así también el modo de organizar la utilización de nuestros recursos naturales y en la de hacer frente a la revolución biotecnológica ya comenzada. El siglo XXI será, indudablemente, el siglo de la biología y en especial de la genética, debido a lo cual es indispensable que esta materia sea incluida en todos los planes de estudio del nivel medio superior de nuestra enseñanza. Se deberán incorporar estos conocimientos, no solo como parte de la instrucción de la persona, sino como una forma de darle instrumentos de formación de pensamiento a fin de que pueda evaluar con un cierto criterio las innovaciones que, en este campo, se vayan incorporando a nuestro quehacer cotidiano. LIBROGEN, con un lenguaje ameno y accesible, espera convertirse en un aporte en ese sentido. Muchas Gracias. Librogen – Ernesto G. Pirillo 8 1. CICLO CELULAR El estudio de la genética lo circunscribiremos en un principio y en la mayor parte del libro, a lo que sucede en el núcleo de la célula y más específicamente en unas estructuras muy particulares, que tienen propiedades de tinción especiales, llamadas cromosomas. Si observamos una célula de un organismo eucariótico, como ser la de un árbol o la de un mamífero, podremos diferenciar a un verdadero núcleo, separado del resto de la célula o citoplasma. En cambio en las células de individuos procariotas, como ser los virus, bacteriófagos y bacterias, no se logra distinguir un verdadero núcleo, ya que no se distingue una verdadera membrana nuclear. En los procariotas podemos identificar al cromosoma encerrado dentro de la pared celular que es muy rígida. Por el contrario, en las células de los eucariotas, ya sea vegetales o animales, podemos identificar diversas estructuras morfológicas, entre las que se diferencia claramente el núcleo, rodeado de su envoltura nuclear y dentro del cual se encuentra la matriz o jugo nuclear, la cromatina y el nucleolo. La envoltura nuclear, formada por dos membranas, posee poros que actuarán como selectores de materiales de ingreso o egreso al núcleo a partir del citoplasma. Durante la división celular la membrana se rompe y los fragmentos pasan a formar parte del retículo endoplasmático. Por otro lado el nucleolo es el órgano que sirve para el armado de los ribosomas que luego intervendrán en la síntesis proteica. En lo que respecta a la cromatina podemos decir que está formada por moléculas de ADN asociadas a proteínas y organizada en filamentos llamados cromosomas. En los cromosomas de los organismos eucarióticos se pueden encontrar, además del ADN o ácido desoxiribonucleico, asociado a proteínas básicas (histonas) presentes en los cromosomas procariotas, algunas proteínas ácidas e iones calcio y magnesio y moléculas de ARN mensajero. A este complejo lo denominamos cromatina, la eucromatina y la heterocromatina, de acuerdo a la capacidad que tienen de teñirse con determinados colorantes. Desde un punto de vista genético en las porciones de eucromatina, o cromatina verdadera, se encontrarán la mayor parte de los genes activos o funcionales de un individuo. Por el otro lado, la heterocromatina, que se tiñe más fuertemente, la podemos dividir en dos clases: constitutiva y facultativa. La heterocromatina constitutiva se encuentra principalmente en las zonas cercanas al centrómero del cromosoma. En cambio, la heterocromatina facultativa está representada, por ejemplo, en mamíferos, por la condensación de uno de los cromosomas X de la hembra, seguido por la inactivación de los genes que en él se encuentran, formando lo que se denomina Cuerpo de Barr. El número de cromosomas es característico de cada especie y en cada célula somática (o del cuerpo) podemos encontrar un número diploide (2n) de cromosomas. Los gametos o células sexuales de un individuo, poseen un número haploide (n) de cromosomas. Así un espermatozoide o un óvulo humanos tendrán 23 cromosomas cada uno. La unión de ambos dará como resultado una célula con 46 cromosomas que es el número diploide de la especie humana. Cada cromosoma de origen paterno tendrá su homólogo de origen materno. De estos 46 cromosomas podemos distinguir un par de cromosomas denominados sexuales, el cromosoma X y el cromosoma Y, que poseen una homología parcial, como ya veremos más adelante. Los otros 44 cromosomas se denominan autosomas. Podemos ahora hablar del cariotipo como la dotación completa de los cromosomas de ese individuo o especie. En cambio el término genoma o genomio se utilizará cuando queramos referirnos al patrimonio hereditario o material genético completo de un individuo. Cada cromosoma posee un centrómero, ubicado en algún lugar a lo largo del filamento, que lo divide en dos y le confiere un nombre particular. Así un cromosoma en donde el centrómero está ubicado aproximadamente en la mitad se llamará metacéntrico. Si en cambio está ubicado cerca de un extremo será telocéntrico. Las formas de los cromosomas, así como el número, es característico de cada especie. Librogen – Ernesto G. Pirillo 9 A lo largo de los cromosomas y durante el estadío de la profase de las divisiones celulares, se distinguen unas pequeñas estructuras, que semejan a cuentas de un collar. Son los gránulos de ADN llamados cromómeros. Además del núcleo, dentro de la célula, podemos diferenciar el citoplasma, donde se encuentran las mitocondrias, el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi y los ribosomas. CICLO CELULAR Antes de analizar cómo se divide una célula deberemos interpretar cómo transcurre su vida. Tradicionalmente se ha dividido el ciclo de vida de una célula en dos etapas principales: interfase y división celular. En los primeros tiempos se pensaba que en el período de interfase, que se intercala a los períodos en que las células están en división, no ocurría nada y las células se encontraban en reposo. Nada más alejado de la verdad como veremos a continuación. El período de la interfase podemos sub-dividirlo en 3 etapas: Comenzamos por el llamado período G1 (de gap 1, en inglés). En él la célula realiza una intensa actividad metabólica. Principalmente, en lo que respecta a la formación de los distintos tipos de ARN, (ácido ribonucleico) indispensables para la síntesis de las proteínas. Muchas células que han perdido la capacidad de dividirse permanecen en este período el resto de sus días, como por ejemplo las células nerviosas, glóbulos blancos, células vegetales colenquimáticas y parenquimáticas, etc. Aquellas células que continúan con su división pasan a lasiguiente etapa o período S (de síntesis). Como su nombre lo indica, en este período se produce la síntesis del material hereditario, o duplicación del ADN. NOTA: Este proceso es indispensable para poder afrontar las divisiones celulares. Es obvio que si la célula se va a dividir, primero deberá duplicar su material para poder mantener su patrimonio a través de sus ciclos. De otro modo, inmediatamente iría a la destrucción. Lo veremos con más detalle al tratar los procesos de división celular. Una vez duplicado su material la célula desemboca en el período G2 (de gap2) en donde se prepara para la división. Librogen – Ernesto G. Pirillo 10 2. DIVISIONES CELULARES En los Eucariotas, u organismos superiores, han sido identificados dos tipos de tejidos: los tejidos somáticos que constituyen la estructura completa del organismo (el soma) y los tejidos germinales que están involucrados en la reproducción sexual. Estos dos tipos de tejidos son distinguibles por medio de distintos mecanismos de multiplicación de sus células: la mitosis para los tejidos somáticos y la meiosis para los tejidos germinales. La mitosis La mayor parte de los tejidos que forman el cuerpo de un individuo se forman a partir de una célula original mediante el proceso de mitosis. Si una célula se divide por mitosis se obtendrán como productos al final de la división, dos células hijas idénticas. Como podemos deducir, si a partir de una célula obtenemos dos con el mismo material hereditario, citoplasma, organelos, etc., es obvio que la célula original deba duplicar su material hereditario antes de entrar en división. Esta duplicación o síntesis de ADN la célula la realiza en la interfase que antecede a la mitosis y más específicamente en el período S, si bien algunas células continúan con la síntesis aún entrada la profase. En esta fase (profase) los cromosomas se encuentran ya duplicados y comienzan a acortarse. Están formados por dos cromátidas unidas por medio del centrómero, las cromátidas hermanas. Si consideramos que partimos de una célula de un organismo diploide, la célula tendrá una cantidad 2n como nivel de ploidía, o sea 2 juegos cromosómicos básicos, un juego cromosómico de origen paterno y el otro de origen materno. Si en la interfase se duplicó el material hereditario, es lícito señalar que al inicio de la profase la célula tendrá un nivel de ploidía igual a 4n. Librogen – Ernesto G. Pirillo 11 Los cromosomas continúan acortándose y desaparece la membrana nuclear conjuntamente con el nucleolo, distribuyéndose todo el contenido del núcleo en el jugo celular. En la prometafase los cromosomas migran hacia el ecuador de la célula, ubicándose en la placa ecuatorial durante la metafase. Aparecen los husos acromáticos, que unen los dos polos y a los cuales se adhieren los cromosomas a través del centrómero. Los cromosomas a este punto se encuentran condensados y acortados al máximo. Con la migración de los cromosomas hacia los polos, debido al acortamiento de las fibras de los husos acromáticos, comienza la anafase. Una vez que los cromosomas alcanzan los polos, comienzan su descondensación, se reconstituyen las membranas nucleares y reaparecen los nucleolos, llegamos a la telofase. La completa división ocurre con la formación de una separación entre las dos células hijas que divide al citoplasma. Como consecuencia de la mitosis cada par de cromátidas hermanas se separó y a cada célula hija fue una de ellas. De este modo se restablece el número 2n de ploidía pues cada cromátida representa ahora a un cromosoma. Se han producido dos células hijas con idéntico material hereditario que la célula madre manteniendo de este modo una estructura hereditaria constante en todas las células que derivan de la primera célula o cigoto. Librogen – Ernesto G. Pirillo 12 En general todas las células son capaces de dividirse por mitosis, si bien hay algunos tipos que lo hacen más frecuentemente, como ser las de la epidermis y las células embrionarias. Por el contrario las células nerviosas o neuronas y las células vegetales adultas, al especializarse en alguna función particular, pierden capacidad de división. También la mitosis es el mecanismo básico de todas las formas de reproducción asexual. La meiosis Anteriormente habíamos comentado que los tejidos germinales, involucrados con la reproducción sexual se distinguían de los otros tejidos por que en ellos ocurría un tipo de división de sus células diferente a la mitosis, la meiosis. Como consecuencia de esta división celular se obtienen células hijas con la mitad del número cromosómico de la célula madre. Antes de entrar en la verdadera división celular, el material cromosómico se duplica en el período interfásico llamado S como hemos visto anteriormente en las etapas del ciclo celular. Por lo tanto, las células 2n cuando comienzan la meiosis tendrán un complemento cromosómico igual a 4n. Luego de sufrir dos divisiones consecutivas se obtendrán 4 células haploides (n). Librogen – Ernesto G. Pirillo 13 Para entender mejor lo antedicho analizaremos la meiosis paso a paso de un modo similar a lo que sucede en la realidad. La meiosis podemos estudiarla como dos divisiones celulares consecutivas, una primera en donde los cromosomas homólogos (cromosomas de origen materno y paterno) que se habían apareado se separan y una segunda en donde se separan las cromátidas hermanas. La primera división de la meiosis comienza con la Profase I, subdividida como sigue: Leptonema: los cromosomas homólogos se encuentran ya duplicados en sus dos cromátidas hermanas, unidas por su centrómero, si bien los cromosomas se observan como filamentos simples, muy finos y largos ya que la espiralización está ausente o es mínima al inicio de esta fase. Cigonema: cada cromosoma busca su homólogo para aparearse punto por punto. A diferencia de lo que ocurre en la mitosis, los cromosomas de cada par, uno de origen paterno y el otro de origen materno, realizan en este momento lo que se denomina sinapsis. Mientras dura la sinapsis, se forma lo que se Librogen – Ernesto G. Pirillo 14 denomina complejo sinaptinémico que es el responsable de mantener unidos longitudinalmente, punto por punto, a los cromosomas homólogos. Paquinema: los pares de cromosomas se manifiestan como una unidad de apareamiento completo. Cada unidad la llamamos bivalente pues está formado por la unión de los dos cromosomas homólogos. Como cada cromosoma ya se encuentra duplicado en dos cromátidas hermanas se forma para cada par la asociación de 4 cromátidas hermanas, entonces también se puede denominar tétrada a cada bivalente. Debido a este acercamiento entre los cromosomas homólogos es muy posible que las cromátidas se puedan romper y volver a unir con la otra del cromosoma homólogo. Este proceso se denomina croosing-over o entrecruzamiento. Diplonema: el intercambio de material genético a nivel de las tétradas se hace visible en este estadío mediante la aparición de figuras con formas de "X" llamadas quiasmas, involucrando dos de las cromátidas, una por cada cromosoma homólogo del par. Los quiasmas se han encontrado en casi todos los organismos superiores, si bien faltan en los machos de muchos dípteros como, por ejemplo, en el macho de Drosophila melanogaster. Diacinesis: los cromosomas se observan más cortos y espesos debido a la espiralización. Se vuelven más intensamente colorables y debido a la repulsión que ocurre entre los cromosomas homólogos los quiasmas parecería que se corrieran hacia los extremos de los cromosomas, fenómeno que se denomina terminalización de los quiasmas. A este punto termina la profase I. Metafase I: los bivalentes se van a ubicar al azar en la zona ecuatorial de la célula. La membrana nuclear y los nucleolos desaparecen y cada bivalente se une a través de sus centrómeros a las fibras del huso acromático en un estadio anterior denominadoprometafase. Anafase I: a diferencia de lo que ocurre en mitosis, en esta fase se separan los centrómeros homólogos llevando cada uno las dos cromátidas hermanas hacia los polos, unidas por su centrómero original. Recordemos que en la mitosis no hay apareamiento de cromosomas homólogos. Telofase I: se reorganizan los cromosomas y el citoplasma. Se forman dos nuevas células y dos nuevos núcleos. NOTA: en este punto se reestablece el nivel 2n de ploidía de la célula interfásica pues al comienzo de la profase I y debido a la duplicación de las cromátidas, la célula se considera 4n, como ya hemos visto. Al fin de la telofase I, cuando se produce la separación de los centrómeros homólogos y se forman dos células, se reestablece el nivel original 2n en cada célula. A partir de este momento, cada una de esas células entra en la segunda división de la meiosis. Luego de una interfase de diversa duración en los distintos organismos llamada intercinesis, donde no hay duplicación de ADN, comienza la segunda división de la meiosis, que es muy similar a una división mitótica, ya que separa cromátidas hermanas. Profase II: los cromosomas de cada una de las células hijas están formados por dos cromátidas hermanas unidas por un solo centrómero. Metafase II: todos los cromosomas migran al plano ecuatorial de la célula. Anafase II: los centrómeros se dividen y las cromátidas simples se dirigen hacia los extremos de la célula debido al acortamiento de las fibras de los husos acromáticos. Telofase II: se reorganizan las nuevas células, se vuelven a formar las membranas nucleares, reaparecen los nucleolos y las células se organizan en entidades separadas. Como producto de la meiosis a partir de una célula 2n se formaron 4 células hijas, los productos meióticos, que son haploides (n). Librogen – Ernesto G. Pirillo 15 Esta reducción en el número cromosómico, junto con la fecundación, asegura el mantenimiento del patrimonio hereditario con las variaciones genéticas a través de las generaciones. ¿Cuáles son las diferencias sustanciales entre la meiosis y la mitosis? 1. La meiosis requiere el apareamiento de los cromosomas homólogos. 2. Se producen los entrecruzamientos que se manifiestan citológicamente a través de los quiasmas y genéticamente a través de las formas recombinantes. 3. Por medio de la mitosis a partir de una célula 2n se originan dos nuevas células 2n, en cambio por la meiosis a partir de una célula diploide ( 2n ) se originan 4 células haploide ( n ) que formarán luego de un proceso de maduración los gametos. 4. La meiosis ocurre solamente en células especializadas de la línea germinal de un individuo a diferencia de la mitosis que ocurre en la mayor parte de las células somáticas. ¿Qué mecanismos hacen a la diferencia entre los productos meióticos? Las células obtenidas por medio de meiosis son diferentes a la célula madre, como ya vimos, por la cantidad del material pero, además, son diferentes en cuanto a la calidad de la información que llevan debido fundamentalmente a dos procesos: a) el entrecruzamiento, que ocurre en la profase I, y b) la distribución al azar de los cromosomas en la placa metafásica. Evidentemente el entrecruzamiento entre cromátidas homólogas permite reunir información genética de origen materno con aquella de origen paterno en un mismo cromosoma. Por otro lado, y debido a que no hay una ubicación preferencial de los cromosomas en la placa metafásica, es muy poco probable que todos los cromosomas de origen paterno migren a un polo y los de origen materno hacia el otro. De este modo las combinaciones posibles, solamente teniendo en cuenta esta fuente de variación, dependerán del número cromosómico de la especie. Por ej. en el hombre se obtendrán 223 posibles distintas distribuciones de los cromosomas al momento de formar los gametos. Si a esta cantidad le sumamos las posibles variaciones debidas a los entrecruzamientos, lograremos tener una idea de los diferentes tipos de gametos que puede producir un mismo individuo. Lo mismo ocurre en los demás seres vivos y es la base más importante de la gran biodiversidad que encontramos en la naturaleza. Librogen – Ernesto G. Pirillo 16 3. CICLOS DE VIDA Vamos a dividir los ciclos de vida en dos, los de las plantas y los de los animales. Tendremos en cuenta solamente a las plantas superiores que producen flores, llamadas angiospermas y a los animales superiores del orden de los mamíferos, entre los cuales incluimos al hombre. Estos ciclos biológicos variarán en distinta proporción cuando se trata de plantas o animales inferiores, como ser los musgos, protozoarios, algas y hongos. Gametogénesis en las plantas En las plantas, los productos que intervienen en la fecundación son las esporas. Debemos distinguir entre la gametogénesis que ocurre en la parte masculina de la flor, llamada microesporogénesis, que dará como resultado esporas reproductivas llamadas granos de polen, de la megagametogénesis, proceso de gametogénesis en la parte femenina de la flor u ovario, que dará como resultado el megagametofito o saco embrionario maduro. Ambos procesos, tanto el que se realiza en la parte masculina de la flor como aquel que se realiza en la parte femenina, provienen de la realización de divisiones celulares en células de tejidos diferenciados. A partir de la meiosis y con posteriores mitosis u otros procesos se obtendrán los productos finales que luego intervendrán directamente en la fecundación y por lo tanto en la formación de un nuevo individuo. A) microesporogénesis En la parte masculina de la flor de una planta, supongamos en la panoja de una planta de maíz, a partir de una célula madre de las micrósporas, (microesporocito) y luego de una meiosis se obtienen 4 micrósporas, que debido a que son producto de una meiosis serán haploides. Estas micrósporas sufren dos mitosis sucesivas. En la primera, el núcleo que es haploide, forma dos nuevos núcleos, denominados núcleo generativo y núcleo del tubo o tubular. En una posterior mitosis, el núcleo generativo se divide dando dos núcleos llamados ahora núcleos espermáticos. Como producto de la microesporogénesis se obtuvieron esporas masculinas a partir de las cuales derivan los gametofitos masculinos llamados granos de polen, que en su interior llevan citoplasma y 3 núcleos haploides. B) megaesporogénesis En la parte femenina de la flor, en nuestro caso donde se forma la espiga, ocurre algo similar a lo anteriormente visto para la parte masculina, pero con algunas variaciones. A partir de las células madres de las megásporas en el tejido germinal femenino se forman, luego de una división meiótica, cuatro células haploides (megásporas). De éstas una sola sobrevive y se transforma, luego de tres divisiones mitóticas, en ocho núcleos haploides dentro de una célula que ahora se denomina saco embrionario u óvulo. Estos ocho núcleos se ubican en distintas posiciones dentro del saco embrionario de acuerdo a la función que les corresponderá posteriormente. Así un núcleo, denominado núcleo del huevo u oósfera se ubica junto con otros dos, las sinérgidas, en el extremo cercano al micrópilo por donde penetrará, al momento de la fecundación, el tubo polínico. Librogen – Ernesto G. Pirillo 17 Otros tres núcleos se ubican al extremo opuesto y forman las antípodas. Los restantes dos núcleos haploides se fusionan para dar origen a un núcleo diploide o núcleo de fusión, al centro del óvulo o saco embrionario. C) fecundación Al momento de la fecundación, el núcleo del tubo del grano de polen (espora masculina) emite el tubo polínico, cuya función es la de llegar hasta el micrópilo del óvulo (espora femenina) para llevar los dos núcleos espermáticos. Uno de estos núcleos se une con el núcleo de fusión dando origen a un núcleo triploide que, posteriormente, dará origen a los tejidos aleurónicosy endospérmicos de la nueva semilla. Por el otro lado, el otro núcleo espermático se une con la oósfera para dar origen al embrión de la semilla. Las sinérgidas y las antípodas estarían involucradas en los primeros estadíos de crecimiento del embrión y de la semilla. La semilla ya está formada y luego de la germinación dará origen a una nueva planta que cerrará el ciclo de alternancia de generaciones, una esporofítica diploide, representada por la planta que produce esporas y una gametofítica en donde las esporas se transforman en gametofitos, que generan gametos cuya unión reestablece la forma esporofítica y así sucesivamente. Gametogénesis animal Así como acabamos de ver la gametogénesis en las plantas, en los mamíferos sucede algo similar. Por un lado debemos considerar la gametogénesis en el sexo masculino que producirá los espermatogonios y por el otro la formación del óvulo a través del proceso de gametogénesis en el sexo femenino. a) macho En el interior de los testículos se encuentra una capa de células diploides llamadas espermatogonios. Por mitosis estas células producen los espermatocitos primarios también diploides, los que luego de sufrir la primera división meiótica darán origen a los espermatocitos secundarios y posteriormente a las espermátides como producto de la segunda división meiótica y por lo tanto haploides. Por un proceso de maduración las espermátides formarán cuatro espermatozoides también haploides. b) hembra En las gónadas femeninas sucede algo similar para llegar a la formación del gameto u óvulo. Las células primordiales son los oogonios, que darán origen, por mitosis, a los oocitos primarios siempre diploides. Estos oocitos sufren una división meiótica. Como producto de la primera división se forma un oocito secundario y un corpúsculo polar. El oocito secundario, prosiguiendo con la meiosis, dará lugar, a una oótide y un segundo corpúsculo polar y el corpúsculo polar anterior dará origen a otros dos corpúsculos polares secundarios. La oótide madurará en el óvulo haploide y los corpúsculos polares degenerarán. Al momento de la fecundación los espermatozoides acarreados por el esperma llegan hasta el óvulo, lo penetran y los núcleos haploides femenino y masculino se unen para dar origen al cigoto diploide que por posteriores divisiones mitóticas formará un nuevo individuo. Al momento de la fecundación del óvulo con el espermatozoide se forma el cigoto o célula huevo que seguirá su camino hasta la formación de un individuo adulto. Puede ocurrir que las primeras dos células, Librogen – Ernesto G. Pirillo 18 productos de la primer mitosis, sigan desarrollándose como individuos separados. Se formarán, por lo tanto, dos individuos iguales, siempre del mismo sexo, grupo sanguíneo, etc. y de características genéticas idénticas, llamados gemelos, gemelos monocigóticos o gemelos univitelinos. Los gemelos nacen genéticamente idénticos y luego las causas externas podrán influir de una manera diferente sobre cada uno de ellos. Con respecto a los mellizos, gemelos dicigóticos, gemelos bivitelinos o gemelos no idénticos, éstos son producto de la fecundación de dos o más óvulos por distintos espermatozoides, pueden ser de distinto sexo, grupo sanguíneo, color de pelo, etc. como cualquier hermano, sólo que han compartido el mismo momento de gestación y nacimiento. Gametogenesis en organismos haploides En muchos organismos haploides, como son muchas algas verdes y rojas y muchos hongos, la fecundación origina un cigoto diploide en el cual ocurre una meiosis formadora de esporas, en las que se ha restablecido el número haploide de cromosomas característico de la especie. A partir de estas esporas se forman los nuevos individuos adultos que producirán esporas haploides que intervendrán en la fecundación reiniciando el ciclo, como se puede ver en el siguiente esquema. ADULTO (n) ADULTO (n) células n células n cigoto diploide (2n) esporas (n) Librogen – Ernesto G. Pirillo 19 4. MENDEL Y SUS DESCUBRIMIENTOS En esta unidad vamos a tratar de interpretar los trabajos del investigador Gregor Mendel, que han servido de base para el estudio posterior de los mecanismos hereditarios. Aprovecharemos para dar ciertas definiciones que nos serán de utilidad a medida que avancemos en el libro y que forman parte del vocabulario genético, sin las cuales nos sería imposible entendernos. Comencemos por tratar de repetir las investigaciones del monje Gregor Mendel, aunque más no sea, en forma resumida y sin tener que realizar todo el minucioso trabajo que él realizó a lo largo de varios años. En primer lugar analicemos la especie con la cual Mendel realizó sus investigaciones: el guisante (Pisum sativum), o arveja. Esta especie era relativamente fácil de obtener en el mercado y, como todas las pertenecientes a la familia de las leguminosas (poroto, habas, alfalfa, etc.) tienen la particularidad de ser autógamas y por lo tanto si no se interviene en la polinización, se autofecundarán. Tiene tiempos de generación relativamente cortos y se obtienen muchos descendientes por generación por lo que Mendel pudo elegir líneas de distintos colores, formas, tamaños, etc. para sus experimentos. Además de elegir una especie que se adaptó muy bien a sus investigaciones, Mendel tuvo la particularidad de anotar todo lo que observaba, llevaba un pormenorizado control y recolección de datos, que les sirvieron posteriormente para extraer sus conclusiones con respecto a la transmisión de los caracteres. Es en esto que adquieren relevancia sus investigaciones, ya que hasta ese momento no existía suficiente cantidad de datos para realizar un análisis estadístico como para darle fortaleza a sus conclusiones. Si bien sus comunicaciones a la Sociedad Científica de Brno, en 1865, no fueron muy tenidas en cuenta en ese momento, retomaron importancia posteriormente, en el 1900, cuando sus postulados y sus conclusiones fueron corroborados por gran cantidad de científicos de fama en ese entonces. Primera ley de Mendel Los dos miembros de una pareja génica se distribuyen en cada uno de los gametos, o sea, segregan, de forma tal de que cada gameto llevará a un miembro, y sólo uno, de cada pareja génica. Cruzando dos líneas de arvejas, una con frutos lisos y otra con frutos rugosos, todos los individuos de la primera generación, o F1, son idénticos entre sí y presentan el carácter de uno de los padres, (esto también se conoce como ley de la uniformidad de la F1.) Este carácter que se manifiesta en la F1 se llama dominante, mientras que aquel que no se manifiesta se llama recesivo. Las dos líneas que se eligen para la cruza difieren en características visibles, como ser la textura del tegumento de los granos de arveja. O sea, tienen dos fenotipos distintos, que van asociados a factores que se heredan y pasan a la próxima generación. Estas dos líneas elegidas por Mendel eran homogéneas para el carácter elegido, en este caso la textura del tegumento, siendo, por lo tanto, una línea con tegumento liso y la otra con tegumento rugoso. O mejor expresado ahora, diríamos una línea con fenotipo liso y otra con fenotipo rugoso. Mendel deduce que los distintos caracteres eran debido a la presencia de factores (que luego se llamaron genes) y que para cada carácter hay dos de estos factores. Además estudió paralelamente otras características, como ser el color de los cotiledones y de las vainas, la altura de las plantas, etc. como podemos observar en los cuadros siguientes. Librogen – Ernesto G. Pirillo 20 caracter fenotipos semilla lisa o rugosa color cotiledones amarillo o verde color de la flor rojo o blanco forma de la vaina hinchada o hendida vaina verde o amarilla altura de la planta largo o enano floración axial o terminal Frecuencias observadas por Mendel en las cruzas realizadas considerandoalgunos caracteres mencionados. parentales F1 proporción de individuos frecuencia F2 dom / rec dom / rec semilla lisa x rugosa liso 5.47 : 1.85 2.95:1 cotiledones amarillos x verde amarillos 6.00 : 2.00 3.00:1 vaina verde x amarilla verde 428 : 152 2.82:1 planta alta x enana alta 787 : 277 2.84:1 Ahora podemos escribir la mencionada cruza considerando a cada uno de los caracteres con una letra: p.ej. "L" para liso que domina sobre "l" que representa al carácter rugoso, del siguiente modo: Generación parental Fenotipo frutos lisos X frutos rugosos Genotipo L L l l Gametos 100% L 100% l Generación F1 Fenotipo frutos lisos Genotipo L l Gametos 50% L 50% l La diferencia entre las dos proporciones es solamente aparente, la relación de segregación es 1:2:1 también en el caso de dominancia completa, sólo que la primer clase fenotípica y la segunda son iguales y entonces la segregación se vuelve 3:1. P lisos X rugosos F1 todos lisos F2 lisos rugosos ¾ ¼ Fenotipos 3:1 3 lisos : 1 rugosos 2 clases Librogen – Ernesto G. Pirillo 21 En caso de ausencia de dominancia completa, si cruzamos entre sí individuos de la F1, en la F2 aparecen 3 tipos de individuos: un tipo igual a un progenitor de la generación parental, otro igual al otro progenitor y el tercer tipo igual a los individuos de la F1. Proporción fenotípica 1:2:1, o sea, a 3 clases de genotipos corresponden 3 clases fenotípicas. Se pueden observan los resultados para el caso de dominancia completa, como en los porotos de Mendel, en la cruza entre lisos y rugosos. P lisos X rugosos LL ll F1 todos lisos gametos Ll ½ L; ½ l F2 lisos lisos rugosos LL Ll ll ¼ ½ ¼ Fenotipos 3 lisos : 1 rugosos 2 clases 3:1 L - : l l Si unimos ahora los conceptos vistos en la meiosis y consideramos que cada individuo es diploide y tiene un par de cromosomas homólogos, podemos representar a cada uno de ellos por dos letras o símbolos que identifican los factores. Cada individuo recibe un factor de cada uno de los padres para así formar su genotipo o constitución genética. A cada una de las copias de factores, tanto al de origen paterno como al de origen materno, responsables de la manifestación de un carácter, las definimos como alelos, o sea son las formas alternativas en que puede manifestarse un gen. Por lo tanto, la unión de gametos que poseen alelos idénticos produce un genotipo homocigótico. Puede tener los dos alelos dominantes o los dos alelos recesivos. Por el contrario, dos alelos diversos (uno dominante y el otro recesivo) producirán un genotipo heterocigótico. El vocablo híbrido se utilizará como sinónimo de heterocigótico y llamaremos monohíbrido aquel genotipo que posee heterocigosidad en un solo gen. A este punto podemos también ampliar el concepto de fenotipo a toda característica o rasgo distintivo de un organismo. Nos referimos a todas las características morfológicas, funcionales o de comportamiento que constituyen en su conjunto a un individuo. El rasgo puede ser visible a simple vista (Ej.: forma de las semillas, el color de una flor) u observarse a partir de determinadas pruebas bioquímicas (Ej.: prueba serológica para determinación de los grupos sanguíneos). Segunda Ley de Mendel Dos caracteres, debidos a genes diferentes, segregan independientemente en la F2. Los miembros de diferentes copias de alelos se distribuyen independientemente unos de otros cuando se forman los gametos del dihíbrido. Librogen – Ernesto G. Pirillo 22 Mientras que en los monohíbridos se observa que los dos tipos parentales vuelven en la F2, en el caso de un dihíbrido se observan los dos tipos parentales, en nuestro caso los amarillo-lisos y los verde- rugoso, y aparecen dos nuevos tipos, el amarillo-rugoso y el verde- liso. Para poder llegar a las conclusiones a que llegó Mendel deberemos realizar una cruza teniendo en cuenta dos caracteres contemporáneamente, o sea, considerando el anterior carácter liso- rugoso (L y l) y ahora también el carácter del color de la semilla, amarillo o verde (amarillo,"A", domina sobre verde,"a"). P amarillo–liso X verde–rugoso AALL aall Gametos AL al F1 Amarillo - liso AaLl Gametos ¼ AL ¼ Al ¼ aL ¼ al F2 amarillo-liso amarillo-rugoso verde-liso verde-rugoso 9/16 A-L- 3/16 A-ll 3/16 aaL- 1/16 aall Trataremos de explicar las proporciones obtenidas en el cuadro anterior. Los gametos obtenidos desde cada parental serán como indicado 50% "AL" y 50% "al". De la cruza entre los gametos provenientes de cada uno de los parentales se obtiene la F1 con genotipo AaLl y con fenotipo amarillo-liso, o sea se obtienen individuos heterocigóticos todos iguales entre sí. Estos heterocigotos podrán dar 4 tipos de gametos: AL, Al, aL y al. Cada uno de ellos tendrá una probabilidad de 1/4. Por lo tanto, si cruzamos entre sí los heterocigotos de la F1, para obtener la F2, podríamos tener las 16 combinaciones indicadas en la siguiente cuadrícula genotípica, o cuadro de Punnet, cada una con probabilidad igual a 1/16 (1/4 por 1/4). Cuadrícula genotípica o cuadro de Punnet. gametos A L A l a L a l A L AALL AALl AaLL AaLl A l AALl AAll AaLl Aall a L AaLL AaLl aaLL aaLl a l AaLl Aall aaLl aall Un sistema gráfico de más inmediata comprensión para explicar la distribución obtenida podría ser considerar las tres clases dadas de la segregación del gen "A" y sobre cada una de esas acoplar las posibles clases de la segregación del gen "L". Este es el sistema ramificado de mucha mayor practicidad. Librogen – Ernesto G. Pirillo 23 LL 1/4 AALL 1/16 AA 1/4 Ll 2/4 AALl 2/16 ll 1/4 AAll 1/16 LL 1/4 AaLL 2/16 Aa 1/2 Ll 2/4 AaLl 4/16 ll 1/4 Aall 2/16 LL 1/4 aaLL 1/16 aa 1/4 Ll 2/4 aaLl 2/16 ll 1/4 aall 1/16 Nueve de las combinaciones genotípicas que se obtuvieron corresponden al fenotipo amarillo-liso (A-L-) y como cada combinación tiene 1/16 de probabilidad, el fenotipo AL aparecerá con una probabilidad igual a 9/16. El fenotipo amarillo-rugoso (A-ll) 3/16, el fenotipo verde-liso (aaL-) 3/16 y el fenotipo doble recesivo verde- rugoso (aall), sólo aparecerá 1/16 veces. Este tipo de segregación, que podemos observarla en cuadro del sistema ramificado siguiente presupone que los dos caracteres segreguen independientemente. ¾ L- 9/16 A-L- amarillo-liso ¾ A - ¼ ll 3/16 A-ll amarillo-rugoso ¾ L- 3/16 aaL- verde-liso ¼ aa ¼ ll 1/16 aall verde-rugoso Se pueden calcular para cualquier número de genes, los diferentes tipos de gametos, las clases fenotípicas y las distintas clases genotípicas en F2, de un modo rápido mediante la aplicación de las siguientes fórmulas generales nº de genes tipos de gametos en F1 clases fenotípicas en F2 clases genotípicas heterocigóticas en F2 1 2 2 3 2 4 4 9 n 2n 2n 3n Librogen – Ernesto G. Pirillo 24 5. OTRAS RELACIONES ALELICAS Dominancia incompleta. En algunas plantas, como la bella de noche (Mirabilis jalapa) y la boca de león (Anthirrinum majus) en las cruzas entre una planta con flores rojas y una planta con flores blancas, la progenie F1, heterocigótica, presenta flores de color rosa, intermedia entre los dos parentales. En la F2 tendremos, como ya visto, 3 clases fenotípicas, dos iguales a cada parental y la otra, en una proporción de 1/2 igual a la F1. Algo similar ocurre en el trigo, en las cruzas entre plantas con cariopses rojas y plantas con cariopses blancas si bien con algunas modificaciones que analizaremos en otro capítulo. Un caso que podría incluirse en esta sección es el de la coloración de la piel. A partir de los estudios del grupo de Keith Cheng (2005) de la Pennsylvania State University, trabajando sobre el pez cebra, encontraron un gen que gobernaría la producciónde melanina. Hasta hace un tiempo se consideraba que la producción de melanina, relacionada directamente con el color de la piel, estaba relacionada con más de 100 genes diferentes. (ver genética cuantitativa). La mutación del gen en cuestión, produce una proteína más corta que alteraría la producción de melanina y por lo tanto la piel sería más clara al poseer menor cantidad de melanosomas. Aquellos individuos con la otra variante producen la otra variante proteica y el color de la piel es oscuro. El gen humano equivalente al gen encontrado en el pez cebra sería el SLC24A5, el cual añadido a embriones de dicho pez haría que este retorne a su coloración oscura de la piel. Cheng, trabajando conjuntamente con el antropólogo Mark Shriver, han encontrado que la proteína SLC24A5 tiene dos variantes: una con el aminoácido treonina y la otra con el aminoácido alanina en su reemplazo. En un estudio llevado a cabo por estos investigadores, sobre 308 individuos se observó que la variante con treonina es la que produce la piel más clara mientras que la de alanina produce la piel más oscura. Los individuos con ambas versiones de la proteína presentan coloraciones de distinta graduación entre los extremos. Parecería que este gen estaría también involucrado en el color del cabello y de los ojos y se especula con que produzca mucha información para encontrar tratamientos contra el cáncer de piel u otras enfermedades relacionadas con la piel. Codominancia. En el caso de la codominancia ambos alelos de un par se manifiestan. O sea cada uno mantiene su identidad y logra manifestarse. A veces el genotipo heterocigótico es intermedio a los parentales, pero muchas otras veces forma un fenotipo que no podemos clasificarlo como intermedio. Por ejemplo, el caso del grupo sanguíneo MN en el hombre. En este caso son posibles 3 grupos distintos: el M, el N y el MN. Cada uno representado como sigue: grupo sanguineo (fenotipo) genotipo grupo M M M grupo N N N grupo M-N M N Otro caso es el del Sistema de Grupos Sanguíneo ABO en el humano. Lo analizaremos cuando trataremos el tema de alelos múltiples. También existe codominancia en la herencia de la anemia falciforme humana. En este caso los heterocigotos no presentan anemia y los glóbulos rojos se deforman pero no llegan a tener la forma Librogen – Ernesto G. Pirillo 25 extrema de hoz que impediría la captación del oxígeno de la sangre, como ocurre con los homocigóticos para el alelo Hbs. genotipo fenotipo Hba Hba sano, sin anemia Hba Hbs portador, pero sin anemia Hbs Hbs anémico grave Cruzamiento retrógrado o retrocruza. El cruzamiento de un individuo de la F1 con uno de los progenitores (cualquiera de ellos y con cualquier constitución genética) se denomina retrocruza. Un individuo cualquiera de la F1, por lo tanto, podrá ser retrocruzado de dos modos distintos, con un progenitor y con el otro. No es de mucha utilidad para averiguar la constitución genética de la F1 pero sí tiene mucha importancia en planes de mejoramiento, como veremos más adelante. Cruza de prueba. Cuando el cruzamiento retrógrado o retrocruza se realiza con el progenitor de genotipo recesivo para los genes en consideración, se denomina cruza de prueba o test-cross y el objetivo es poner en evidencia la constitución genética de dicho individuo. Recordemos la cruza para un solo gen y supongamos que tenemos un conjunto de individuos lisos de la F2. Al tomar un individuo no podemos saber si es heterocigota u homocigota. Sabremos que en ese conjunto de individuos lisos habrá el doble de individuos heterocigóticos, pero no podemos saber cual es cual a simple vista. Deberemos proceder a cruzar estos individuos con un individuo que sabemos es homocigótico recesivo para el gen (o genes) en estudio. Como podemos observar, en la cruza de prueba, se pone en evidencia la constitución genotípica del individuo y por lo tanto la clase de gametos que produce. Si el individuo bajo examen es liso y homocigótico LL producirá sólo gametos "L" que combinados con los "l" producidos por el otro progenitor dará, en la descendencia, 100% de individuos Ll (lisos). Por el contrario, si el individuo liso tomado fuera heterocigótico producirá dos tipos de gametos, "L" y "l" y por lo tanto una descendencia 1/2 lisa y 1/2 rugosa. De este modo, la cruza de prueba sirve para demostrar el genotipo de los individuos bajo examen. En el primer caso el individuo liso era homocigótico y en el segundo heterocigótico. La cruza de prueba, obviamente, se puede realizar también teniendo en cuenta dos genes de segregación independiente, simultáneamente. Consideremos la cruza de prueba de los individuos F1 para el caso de dos genes, o sea: amarillo liso (AaLl) por amarillo rugoso (aall). gametos de c/progenitor a l 1/4 AL 1/4 AaLl amarillo-liso 1/4 Al 1/4 Aall amarillo-liso 1/4 aL 1/4 aaLl verde-liso 1/4 al 1/4 aall verde-rugoso Librogen – Ernesto G. Pirillo 26 La descendencia de ese cruzamiento estará en la proporción 1:1:1:1, que se corresponde con las distintas clases de gametos producidos por ese individuo ya que los gametos producidos por el progenitor recesivo no inciden en el fenotipo de la descendencia. Otro ejemplo gametos a l 1/2 AL 1/2 AaLl amarillo-liso 1/2 Al 1/2 Aall amarillo-rugoso La conclusión entonces es que los fenotipos de los descendientes de una cruza de prueba son la imagen exacta de los gametos producidos por el individuo en examen. Alelos múltiples. Debido a que, hasta el momento, solamente nos hemos referido a aquellos genes que había utilizado Mendel en sus experimentos, podríamos pensar que cada gen tiene la posibilidad de estar presente en sólo dos formas alternativas u alelos. Sin embargo, existe la posibilidad de que en un determinado locus génico, o lugar del cromosoma donde se ubica un determinado gen, existan más de dos alelos. Este es el caso de los alelos múltiples. Si bien en un organismo diploide sólo pueden existir dos alelos, uno en cada cromosoma homólogo, bien podrían existir otras formas alélicas. Como ejemplo podríamos citar el caso del sistema ABO de los grupos sanguíneos en el hombre. Como todos sabemos, según este sistema, existen 4 grupos posibles, a saber: grupo A grupo B grupo AB grupo 0 Por otro lado, también sabemos que la serie alélica para este sistema está formada por los siguientes 3 alelos con las siguientes relaciones de dominancia entre ellos: ( Ia = Ib ) > i En donde Ia = Ib significa que existe una relación de codominancia entre ellos, pero que cualquiera de ambos domina sobre "i" que es el alelo recesivo de la serie. Como cada individuo puede tener dos y sólo dos de estos alelos, las combinaciones posibles con sus correspondientes fenotipos son las siguientes: Ia Ia grupo sanguíneo A Ia i grupo sanguíneo A Ib Ib grupo sanguíneo B Ib i grupo sanguíneo B Ia Ib grupo sanguíneo AB i i grupo sanguíneo 0 Otro caso típico de serie de alelos múltiples es el color del pelo en los conejos. Para este gen, llamado C, tenemos 4 alelos ( C , cch, ch, c ) en orden de dominancia entre ellos. La combinación de dos de ellos en un individuo diploide nos dará los fenotipos que detallamos a continuación: Librogen – Ernesto G. Pirillo 27 fenotipo genotipo oscuro uniforme CC, Ccch, Cch, Cc chinchilla cchcch, cchch, cchc himalaya chch , chc albino cc En el caso de serie de alelos múltiples como hemos visto la simbología cambia un poco con respecto a los casos simples. Por convención se suele utilizar una letra que caracteriza al gen en cuestión, p.ej.: C de color, y luego letras en superíndices que indicarán de cuál alelo se trata. Como en este caso el color más común, o silvestre, es el "C", se lo escribirá con mayúscula y la forma alternativa, "c", con minúsculas. Conviene a este punto realizar algunas consideraciones con respecto a la simbología de los varios alelos enel caso de la Drosophila melanogaster. Los genetistas han convenido en nombrar al gen bajo estudio con una letra inicial minúscula y distinguir si es dominante o recesivo con el superíndice " + ". Así algunos de los alelos de la serie "white" para el color del ojo serían los siguientes: white (blanco) w ivory (marfil) wi pearl (perla) wp honey (miel) wh apricot (damasco) wa cherry (rojo cereza) wch blood (rojo sangre) wbl red (rojo normal, tipo salvaje o wild type) w+ En este caso, "white" (ojo blanco) es recesivo con respecto a todos los otros alelos. En el otro extremo de la lista se encuentra el alelo para el color de ojo común, red (rojo normal), que es dominante sobre todos los otros alelos. En el caso mencionado la mutación o mutaciones son recesivas con respecto al gen tipo salvaje pero también existe la posibilidad que el alelo mutado sea dominante con respecto al salvaje. Este es el caso del alelo para ojo Bar, también en Drosophila. Por lo tanto, al ser una mutación dominante, se escribe con la letra de la mutación (B de Bar ) y en mayúscula, o sea, " B " y entonces B+ corresponderá al tipo salvaje o normal. Alelos letales. El primer caso de un gen letal fue descrito por Cuenot en 1905 cuando trabajaba con una línea de ratones que el denominó amarillos pues eran más claros con respecto a los normales, que son de color gris amarronado. El problema se le presentó cuando, a partir de una cruza entre ratones amarillos obtuvo una proporción de 2 : 1 amarillo : normal. Además en cruzas de ratones amarillos con ratones grises les daba una proporción de 1 amarillo : 1 gris . El hecho de esta observación y debido a que esperaba una proporción de 1 : 2 : 1 en la cruza entre amarillos Cuenot postuló la teoría que uno de los genotipos homocigóticos era letal antes de su nacimiento. Librogen – Ernesto G. Pirillo 28 Por lo tanto, si consideramos a los ratones amarillos como heterocigotos, Aa, la cruza entre dos de ellos nos daría: 1/4 AA 1/2 Aa 1/4 aa gris amarillo letal Al desaparecer antes del nacimiento los individuos "aa" la proporción que observaba Cuenot era 2 amarillos : 1 gris. No siempre los genes considerados letales lo son a un estado tan drástico como el gen antes mencionado. Se estaría en presencia de características de subletalidad, como ser disminución de la sobrevivencia de los individuos homocigóticos para un determinado gen, manifestación a una determinada edad de los efectos del gen, etc. En el hombre existen varios genes letales y subletales. Por ejemplo, un caso muy conocido es el de la Talasemia o anemia del mediterráneo. El gen para la Talasemia es el " Th ", gen letal dominante. Los posibles genotipos serán: Th Th anemia grave, mueren por modificaciones graves de los glóbulos rojos. (talasemia mayor) Th th casi normal, sobreviven. (talasemia menor) th th normales A diferencia de los casos vistos hasta el momento, podríamos agregar que los casos de letalidad o subletalidad, no solamente se manifiestan cuando el individuo ya nació o alcanzó el estado adulto, sino que también existen casos de letalidad al estado pregamético (incapacidad para la maduración de los gametos) y gamético. Expresividad y penetrancia. Se entiende como expresividad de un determinado gen a la intensidad con la cual se manifiesta dicho gen. La expresividad puede verse muchas veces modificada por causas externas al individuo ( medio ambiente) o internas (interacciones génicas). Es así que un grupo de individuos genéticamente idénticos pueden manifestarse fenotípicamente (expresarse) en distintos grados. Por otro lado se entiende como penetrancia a la capacidad que tiene un determinado individuo de mostrar su genotipo a través de su fenotipo. Es así que podemos distinguir una penetrancia completa, en donde los fenotipos se corresponden exactamente a las clases genotípicas, y penetrancia incompleta, en donde algunos individuos, si bien son portadores del gen, este no puede ser identificado mediante la observación del fenotipo. Ejemplo de penetrancia incompleta en el hombre: la calvicie. La polidactilia (más de cinco dedos en las extremidades) en el hombre está determinada por un gen dominante "P". Podemos encontrar, por lo tanto, individuos PP, Pp y pp. Ocurre que algunos de los individuos heterocigóticos no manifiestan la enfermedad. Se dice entonces que el gen tiene una penetración menor de cien por cien pues no todos los individuos con genotipo P - presentan la enfermedad, o bien la expresión de la enfermedad se manifiesta en los dedos de las manos y no en los de los pies. Árbol genealógico - pedigrí Las relaciones de parentesco en una familia cuando se analiza un carácter determinado, se pueden hacer más sencillas, desde el punto de vista práctico, si las ponemos en un esquema. Librogen – Ernesto G. Pirillo 29 Para armar un árbol genealógico se deben respetar ciertos signos para que de ese modo cualquiera que lo lea, y conozca esos signos, pueda interpretarlo rápidamente. Podemos distinguir dos familias: 1) La familia de la izquierda en donde, a partir de una cruza (matrimonio entre humanos), nacen 5 hijos, el primero un macho, los segundos son gemelos monocigótiocs machos, el tercer hijo es una hembra y el cuarto un macho. 2) Por el otro lado, la otra familia está compuesta por una hembra, un macho y otra hembra. 3) El individuo bajo estudio es una hembra fruto de la cruza entre el primer hijo de la familia 1 y la primogénita de la familia 2. Librogen – Ernesto G. Pirillo 30 6. GENES LIGADOS Ligamiento Cuando Mendel realizó sus trabajos con la arveja, todavía no se relacionaba a los genes con los cromosomas. Recordemos que para ese entonces a los entes encargados de transmitir los caracteres les llamaban factores y que, afortunadamente para Mendel y para los posteriores estudios de genética, los caracteres que estudió se encontraban situados en cromosomas diferentes. Pero también sabemos que en biología, a partir de la observación de casos que no concuerdan con lo ya conocido, se sigue estudiando hasta poder dar una explicación acertada y por lo tanto adelantar en el conocimiento y describir otro fenómeno. Es así que Bateson y Punnet, en 1905, trabajando con un tipo de arveja diversa a aquella de Mendel, Lathyrus odoratus, encontraron algunas diferencias entre las proporciones observadas y aquellas esperadas con respecto a la segregación independiente en la F2 de acuerdo a la segunda Ley de Mendel, que hacía poco tiempo había sido redescubierta. Estos investigadores por ese tiempo estaban estudiando la herencia de otros caracteres de esa planta, uno con respecto a la forma del polen y el otro sobre el color de las flores: polen alargado flores rojas polen redondo flores púrpura En la F2 las proporciones eran bastante diferentes a la esperada 9:3:3:1 y por lo tanto, unido a que por esos tiempos ya Sutton (1903) estaba relacionando a los factores hereditarios con los cromosomas, se comenzó a hablar del fenómeno del ligamiento. Igualmente hubo que esperar a los trabajos de Thomas Morgan con Drosophila para poder llegar a alguna conclusión importante con respecto al ligamiento de los genes. En este caso los genes a analizar eran los siguientes: ojo púrpura (pr) alas vestigiales (vg) ojo rojo (pr+) alas normales (vg+) Siendo dominantes ojo rojo y alas normales sobre ojo púrpura y alas vestigiales, respectivamente. Si se considera la cruza entre dos individuos, uno doble homocigoto recesivo y el otro doble homocigoto dominante, la F1 será un doble heterocigota: pr+ pr vg+ vg (fenotipo normal). Morgan entonces realizó la cruza de prueba de estos individuos (a diferencia de estudiar la F2, como habían hecho Batteson y Punnet) y observó lo siguiente: (recuérdese que una cruza de prueba pone de manifiesto las clases de gametos que produce un individuo). fenotipos de la cruza de prueba genotipos nº de individuos ojos rojos- alas normales pr+ vg+ 1339 ojos púrpuras - alas vestigiales pr vg 1195 ojos rojos - alas vestigiales pr+ vg 151 ojos púrpuras - alas normales pr vg+ 154 Librogen – Ernesto G. Pirillo 31 total 2839 Se esperaría una proporción 1:1:1:1 de las cuatro clases fenotípicas posibles, muy diferentes a las observadas. Morgan al utilizar la cruza de prueba para sus estudios tenía la posibilidad de analizar lo que ocurría en un parental (pues el otro sabía que aportaba gametos todos recesivos) y entonces pudo extraer conclusiones que no hubiera podido hacer si trabajaba con la F2, como lo hacían los otros investigadores. Cuando analizabamos, la segunda Ley de Mendel, decíamos que para que se cumplan los postulados de esa segunda ley los genes (por ese tiempo llamados factores) debían segregar independientemente uno de otro en el momento de formar los gametos. Con los conocimientos actuales podemos interpretar esto fácilmente, ya que sabemos que los genes están ubicados en los cromosomas y que si los caracteres que estamos considerando están ubicados en cromosomas diferentes, al realizar meiosis y separarse los cromosomas homólogos en anafase, segregarán en forma independiente uno de otro. ¿Qué sucedería si los genes que estamos estudiando estuviesen ubicados sobre un mismo cromosoma y en posiciones bastante cercanas uno de otro ? Trataremos de dar una explicación lo más simple posible a continuación. Actualmente, no nos es muy difícil interpretar que al estar juntos sobre un mismo cromosoma los genes tendrán algún tipo de "interferencia" en el momento de la segregación cuando los pares de cromosomas homólogos se separan, pero pensemos en los estudios de los investigadores de principio de siglo pasado, cuando todavía no se tenían los conocimientos actuales. Analicemos un cruzamiento determinado, en Drosophila, considerando dos genes que se encuentran ubicados muy cerca uno de otro sobre el par de cromosomas número 2. Los genes a considerar son el gen "n" que confiere color negro al cuerpo y el gen "vg" que hace desarrollar alas vestigiales en las moscas. Ambos recesivos con respecto a los normales, cuerpo marrón y alas normales. A hembras dihíbridas se les hace la cruza de prueba y se obtienen: nº de individuos fenotipos genotipos 1260 tipo común + + 1230 cuerpo negro, alas vestigiales n vg 270 negras n + 240 vestigiales + vg 3000 Si estuvieran involucrados dos genes con segregación independiente se tendrían que haber obtenido igual proporción de cada clase, o sea una proporción 1:1:1:1. Lo que ha sucedido es que en las clases fenotípicas que encontramos en mayor proporción, comunes y cuerpo negro y alas vestigiales, (+ +) y (n vg), los alelos para esos caracteres se heredaron juntos en un mismo cromosoma. Librogen – Ernesto G. Pirillo 32 | Los gametos + + y n vg son los que encontraremos en mayor proporción y que corresponderán a los mismos fenotipos pues como sabemos en una cruza de prueba el otro progenitor aporta sólo alelos recesivos. Las llamaremos combinaciones de tipo parental. ¿Y las otras dos clases fenotípicas, de dónde provienen? Si recordamos la profase meiótica, cuando se realizaba el apareamiento entre cromosomas homólogos existía la posibilidad de que ocurriera entrecruzamiento entre ellos. Si consideramos la posibilidad que ocurra un entrecruzamiento entre las posiciones de los dos genes que estamos considerando, obtendremos las otras dos clases genotípicas, producto del intercambio de trozos de los cromosomas homólogos . De este modo se obtienen las dos clases que restaban y que, debido a que son producto del entrecruzamiento, estarán en menor proporción. Estas dos nuevas combinaciones las llamamos tipo recombinante. + + n vg + + n vg x progenitores + + n vg cruza de prueba n vg n vg x + + n vg + vg n + Librogen – Ernesto G. Pirillo 33 Mapa genético Debido a los avances actuales en genética molecular y en la secuenciación del material hereditario (ver Genoma Humano) la construcción de un mapa genético ha variado mucho y mucho más avanzará con el tiempo. De cualquier manera se presenta a continuación el sistema con el cual se comenzó la construcción de un mapa de ligamiento a partir de la frecuencia de recombinación. Si pensamos en el espacio físico que tiene un cromosoma y en la ubicación física de cada gen en su locus génico, podemos hacernos la idea que va a haber mayor o menor probabilidad de que exista un entrecruzamiento tanto sea mayor o menor el espacio o la distancia física que haya entre ambos genes. En nuestro ejemplo, y partiendo de la cantidad de recombinantes podemos estimar la distancia entre ellos. 510 / 3000 x 100 = 17 unidades de mapa Para utilizar una unidad de medida que sirviera para realizar los mapas genéticos se creo la unidad de mapa o centimorgan que corresponde a 1 por 100 de individuos recombinantes entre dos genes ligados. De acuerdo a nuestros resultados los genes "n" y "vg" se encontrarían separados a aproximadamente 17 unidades de mapa o centimorgan. Para la construcción de mapas genéticos más detallados se deberán tener en cuenta más de dos genes a la vez, lo que permitirá ir ubicando a cada gen en una posición relativa en cada cromosoma, dependiendo esta posición de la frecuencia de recombinación. De este modo se puede deducir la sequencia de los genes a lo largo de un cromosoma pero no la distancia física. O sea, se puede medir una distancia por la probabilidad que ocurra croosing-over en ella, pero como no se sabe si el croosing-over ocurre con la misma probabilidad en todas las zonas del cromosoma no se puede extrapolar esta distancia a una distancia física, por ejemplo medida en Armtrong. De este modo si tenemos que entre, por ejemplo, dos genes A y B, hay una distancia de 10 cmorgan no quiere decir que la distancia física será el doble de otros, por ejemplo C y D que se encuentren a 5 centimorgan. En base a esto se puede construir lo que se llama un mapa genético que no es otra cosa que una representación de un cromosoma con la posición relativa de sus genes, en términos de frecuencia de recombinación. ¿Qué sucedería si la frecuencia de recombinantes es 50%? Las clases estarían en una proporción 1:1:1:1 y por lo tanto se consideran que están segregando independientemente. Por lo tanto, están en grupos de ligamiento distintos o bien están sobre un mismo cromosoma pero separados a más de 50 centimorgan o unidades de mapa. Todas las frecuencias de recombinación entre dos genes tendrán valores entre 0 y 50 %. Debemos distinguir a este punto, entre genes ligados y aquellos genes que se encuentran en un mismo cromosoma. Dos genes separados por una distancia genética mayor a 50 cmorgan no se consideran ligados a pesar de encontrarse ubicados en un mismo cromosoma. Librogen – Ernesto G. Pirillo 34 7. SEXO Y HERENCIA Genes ligados al cromosoma X Corría el año 1910, cuando en el laboratorio del Dr. Morgan, que por ese entonces estaban estudiando intensivamente la mosca del vinagre o Drosophila melanogaster, dentro de todos los individuos bajo estudio encuentran un macho con los ojos blancos. Recordemos a este punto que la Drosophila posee mayoritariamente ojos color rojo. Obviamente, que este descubrimiento causó admiración en el grupo de investigadores y muy especialmente al citado Morgan. Es entonces que decide comenzar a realizar cruzas con dicho animal para poder saber un poco más de la herencia de este rasgo. En primer lugar, cruzó a ese macho con ojos blancos con una hembra proveniente de una línea pura que sabía era homocigótica para el color de ojos (rojos, por supuesto) y los resultados de la misma fueron los que se ven en el siguiente cuadro.
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