Modulo Genetica

MODULO DE GENÉTICA

ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE

JANET CAMACHO GARZON BIÓLOGA MsC

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA .UNAD II semestre 2007

GENETICA UNIDAD DIDÁCTICA 1 ESTRUCTURA, FUNCIÓN Y VARIACIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO

CAPITULO 1 GENETICA Y SER VIVO Introducción La genética por tratarse de una disciplina de la biología en donde se estudia la composición y transmisión del material genético de los seres vivos es esencial para cualquier estudio de la vida animal o vegetal, la genética ha dilucidado varias interrogantes a traves del tiempo, como el explicarse del porque individuos de las misma familia se parecen entre si, por qué el parecido de un integrante de una familia es mas cercano un familiar suyo que al integrante de otra familia. La genética se ha desarrollado desde el siglo XX como una parte imprescindible en el fortalecimiento de otras disciplinas del saber, está implicita en el desarrollo de nuestras vidas, es muy útil en el la medicina, en el campo social y tecnológico; Por otra parte, ha sido utilizada para indagar sobre enfermedades que causan deterioro en diferentes especies, ha sido la base para dilucidar parentescos entre individuos de diferentes poblaciones e inclusive dentro de ellas mismas; también es utilizada para transformar las caracterísiticas de razas animales y variedades de plantas con el proposito de mejorar la calidad de los productos y subproductos agricolas y/o agrarios. En los últimos años, se han desarrollado prácticas avnzadas en donde se ha logrado avances significativos en la manipulación genética permitiendo superar enfermedades importantisimas como la hemofilia en humanos, pero que pueden ser superpuestas en la solución de otras enfermedades animales. Objetivo específico Reconocer la importancia que tiene la genética en el desarrollo de la vida del hombre en cuanto al uso de las diferentes tecnologia en la busqueda de mayores beneficios.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

2

Conclusión: La genética es una disciplina de la biología en donde se estudia la composición y transmisión del material genético de los seres vivos, lo que ha permitido el avance de muchos estudios con el fin de mejorar las condiciones de vidas. ____________________________________________________________________________________

Que es la Genética La genética es una disciplina científica, rama de la biología, que se encarga de estudiar la herencia y variación de las características o rasgos propios de una especie animal o vegetal, dichas características pueden ser morfológicas, citológicas y/o funcionales y son transmitidas de los padres a su descendencia. Además la genética también estudia la ocurrencia de nuevas características en los seres vivos, su distribución y evolución. Por que estudiar Genética Los avances en las diferentes técnicas para mejorar numerosos aspectos de vida del hombre, están íntimamente ligados al desarrollo de la genética, principalmente en lo que se refiere al mejoramiento de animales y vegetales para aumentar su producción; en los avances para adquirir beneficios para la salud principalmente en los humanos, el diagnostico temprano de enfermedades y otras nuevas técnicas derivadas para la investigación en varios campos de acción. En las últimas décadas se han registrado avances que repercuten en la ampliación de las fronteras para el bienestar de la humanidad. En zootecnia la genética tiene además el propósito de investiga los procedimientos y técnicas adecuadas para el mejoramiento, adaptación y selección de las especies animales domésticas para obtener una mayor cantidad de razas, lo que incide en obtener un mayor rendimiento de productos y subproductos con mejores condiciones económicas. Historia de la genética (modificado de http://bioinformatica.uab.es/genetica/curso/Historia.html) La genética es la ciencia del siglo XX, se inicia con el redescubrimiento de las leyes de Mendel en 1900 y no fue hasta 1906 que el británico William Bateson acuñó el término y escribió el primer libro de texto. Durante el periodo 1850-1900 la biología emerge de los últimos vestigios medievales y aristotélicos y surge una visión unificada cuyo paradigma no es esencialmente distinto del nuestro. La teoría celular se había establecido ya en los

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

3

años 30, pero en 1858 el fisiólogo alemán R. Virchow introduce una generalización adicional, el principio de la continuidad de la vida por división celular, que sintetiza en su célebre frase omnis cellula e cellula. Se establece entonces la célula como la unidad de reproducción. El reconocimiento de la célula como unidad reproductora condujo al abandono de la generación espontánea y del preformacionismo. Un animal o una planta se originan de una simple célula mediante un proceso epigenético, a través de sucesivos estados de diferenciación de un huevo indiferenciado. La célula contiene las potencialidades de generar un organismo. Esta generalización llevó casi compulsivamente a la búsqueda de la base material de la herencia. El naturalista británico Charles Darwin introduce en su libro de 1859 El origen de las especies la segunda gran unificación del siglo XIX: la teoría de la evolución biológica. Según ésta, las formas orgánicas ahora existentes proceden de otras distintas que existieron en el pasado, mediante un proceso de descendencia con modificación. Tres años antes del tratado de Darwin sobre la herencia, en 1865, el monje austríaco Gregor Mendel publicó el trabajo Experimentos de hibridación en plantas en el Boletín de la Sociedad de Ciencias Naturales de Brno (Moravia, actualmente en la República Checa). En el se resumían experimentos que había llevado a cabo durante 8 años en el guisante Pisum sativum. En ese momento el trabajo de Mendel fue inapreciado, y debió de esperar 35 años para que sus leyes fueran redescubiertas y tenidas en cuenta. En 1871 Fiedrich Miescher aisló nucleína de núcleos de células de pus humanos, hoy sabemos que esta nucleoproteína forma la cromatina. En 1886 el citólogo americano E. B. Wilson sugiere una relación entre la cromatina y el material genético. 3.1 La Genética clásica La entrada en el siglo XX produce una explosión de nuevos descubrimientos, en la primera década se produce la síntesis de los trabajos genéticos (de hibridación experimental) y citológicos. Esta síntesis simboliza la mayoría de edad de la Genética, iniciándose como ciencia propia e independiente. En 1902, Boveri y Sutton se percatan, de forma independiente, de la existencia de un estrecho paralelismo entre los principios mendelianos recién descubiertos y la conducta de los cromosomas en la meiosis. En 1905 Bateson acuñó (en 1901 había introducido los términos alelomorfo, homocigoto y heterocigoto) el término genética para designar "la ciencia dedicada al estudio de los fenómenos de la herencia y de la variación". En 1909 el danés Wilhelm Johannsen introduce el término gen como "una palabrita... útil como expresión para los factores unitarios... que se ha Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

4

demostrado que están en los gametos por los investigadores modernos del mendelismo". Durante la segunda década de este siglo Thomas Hunt Morgan y su grupo de la Universidad de Columbia inician el estudio de la genética de la mosca del vinagre Drosophila melanogaster. En 1910 descubren la herencia ligada al X y la base cromosómica del ligamiento. En 1913 A. H. Sturtevant construye el primer mapa genético y en 1916 Calvin Bridges demuestra definitivamente la teoría cromosómica de la herencia mediante la no disyunción del cromosoma X. En 1927 H. J. Muller publica su trabajo en el que cuantifica mediante una técnica de análisis genético (la técnica ClB) el efecto inductor de los rayos X de letales ligados al sexo en Drosophila. En 1931 Harriet Creighton y Barbara McClintock en el maíz y Gunter Stern en Drosophila demuestran que la recombinación genética está correlacionada con el intercambio de marcadores citológicos. Todos estos descubrimientos condujeron a la fundación conceptual de la Genética clásica. Los factores hereditarios o genes eran la unidad básica de la herencia, entendida tanto funcional como estructuralmente (la unidad de estructura se definía operacionalmente por recombinación y por mutación). Los genes, a su vez, se encuentran lineal y ordenadamente dispuestos en los cromosomas como perlas en un collar. A partir de los 1940 se aplican las técnicas moleculares sistemáticamente y con extraordinario éxito en Genética. El acceso al nivel molecular ha empezado: la estructura y función de los genes es el próximo frente del avance genético. 1941: George Beadle y E. L. Tatum introducen la revolución de Neurospora estableciendo el concepto de un gen-una enzima: los genes son elementos portadores de información que codifican enzimas. 1944: Oswald Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty demuestran que el "principio transformador" es el ADN. 1953: Este año representa un momento culminante. James Watson y Francis Crick interpretan los datos de difracción de rayos X de Maurice Wilkins junto con datos de composición de bases de Erwin Chargaff concluyendo que la estructura del ADN es una doble hélice, formada por dos cadenas orientadas en direcciones opuestas (antiparalelas). 1958: Matthew Meselson y Franklin Stahl demostraron que el ADN se replicaba semiconservativamente. El problema de como la secuencia del RNA se traduce en secuencia proteica se empieza a resolver. Un triplete de bases codifica un aminoácido. Rápidamente se establece el flujo de la información genética (el dogma). Ese mismo año Arthur Kornberg aísla la polimerasa del ADN y un año después Severo Ochoa aísla la RNA polimerasa, con la que inicia la elucidación del código. 1961: Sidney Brenner, François Jacob y Meselson descubrieron el RNA mensajero. Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

5

1966: Marshall Nirenberg y Har Gobind Khorana terminan de desvelar el código genético. Simultáneamente a estos descubrimientos, Seymour Benzer publica en 1955 su primer trabajo sobre la estructura fina del locus rII en el fago T4. En 1961 Jacob y Jacques Monod proponen el modelo del operón como mecanismo de regulación de la expresión génica en procariotas. Charles Yanofsky y su equipo demuestran la colinearidad entre genes y sus productos proteicos en 1964. En 1966 R. Lewontin, J. L. Hubby y H. Harris aplican la técnica de la electroforesis en gel de proteínas al estudio de la variación alozímica de las poblaciones naturales, obteniéndose las primeras estimas de la variación genética de un sinnúmero de especies. La teoría neutralista de la variación molecular introducida por el japonés M. Kimura en 1968 suministra la primera explicación satisfactoria al exceso de variación hallada. Los 70 presencian el advenimiento de las técnicas de manipulación del ADN. En 1970 se aíslan las primeras endonucleasas de restricción y H. Temin y D. Baltimore descubren la transcriptasa inversa. En 1972 se construye en el laboratorio de Paul Berg el primer ADN recombinante in vitro. El año 1977 fue pródigo: se publican las técnicas de secuenciación del ADN de Walter Gilbert y de Frederick Sanger; Sanger y sus colegas publican, a su vez, la secuencia completa de 5387 nucleótidos del fago f X171; varios autores descubren que los genes eucariotas se encuentran interrumpidos (intrones). Los primeros ratones y moscas transgénicos se consiguen en 1981-82. Thomas Cech y Sidney Altman, en 1983, descubren la autocatálisis del RNA. Este mismo año M. Kreitman publica el primer estudio de variación intraespecífica en secuencias de ADN del locus Adh de Drosophila melanogaster y S. RNAold y R. Lande introducen el análisis correlacional a los estudios de selección fenotípica en la naturaleza. En 1986 Kary Mullis presentó la técnica de la reacción en cadena de la polimerasa. En 1990 Lap-Chee Tsui, Michael Collins y John Riordan encontraron el gen cuyas mutaciones alélicas son las responsables principales de la fibrosis quística. Ese mismo año Watson y muchos otros lanzan el proyecto del genoma humano para cartografiar completamente el genoma humano y, finalmente, determinar su secuencia de bases. No es hasta 1995 que se secuencia el primer genoma completo de un organismo, el de Mycoplasma genitalium. En 1996 se obtiene en el laboratorio de I. Wilmut el primer mamífero clónico (la oveja Dolly) obtenido a partir de células mamarias diferenciadas. El 26 de Junio del año 2000, el presidente de los EEUU, Bill Clinton, el 1er ministro británico, Tony Blair, el presidente de Celera Genomics, Craig Venter y el director del proyecto del genoma humano, Francis Collins, anuncian la complementación de la secuencia del genoma humano. Con ello se inaugura una nueva era, que Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

6

dada la coincidencia con el nuevo siglo, bien podríamos definir con el lema, el siglo XXI, el siglo del la Genética. 3.2 Biotecnología En los últimos años del siglo XX se ha conceptualizado el termino de Biotecnológia, ésta es una actividad que el hombre a desarrollado desde los principios de la historia de la humanidad, en actividades tales como la preparación del pan y de bebidas alcohólicas o el mejoramiento de cultivos y de animales domésticos. Procesos como la producción de cerveza, vino, queso y yogurt implican el uso de bacterias o levaduras con el fin de convertir un producto natural como la leche, en un producto de fermentación más apetecible como el yogurt. En términos generales la biotecnología, se ha popularizado debido a que se relaciona con el trabajo destinado a la modificación genética de organismos vivos tanto animales como vegetales, se puede definir como el uso de organismos vivos o de compuestos obtenidos de organismos vivos para obtener productos de valor para el hombre La biotecnología moderna está compuesta por una variedad de técnicas derivadas de la investigación en biología celular y molecular, la alternativa que da la ingeniería genética no solo transciende la posibilidad de romper las barreras entre especies, sino que además da la posibilidad de adquirir beneficios en cuanto a la obtención de nuevos productos que superan los ya existentes, se presentan resistencias al medio ambiente o a enfermedades, mayor producción de un producto para una especie o raza en particular, beneficios de en cuanto a la apertura de nuevos mercados para productos elaborados. 3.3

Clasificación

y

técnicas

usadas

en

biotecnología

(tomado

de

http://www.portaley.com/biotecnologia/bio1.shtml)

La biotecnología, y en particular la llamada "nueva biotecnología", se ha convertido en las últimas décadas en el centro de investigación científica puntera. La mayor parte de los presupuestos gubernamentales dedicados a Investigación y Desarrollo está, hoy en día, dedicada a éste ámbito tecnocientífico. La biotecnología puede ser clasificada en cinco amplias áreas. · Biotecnología en Salud Humana.( Donde se incluye la B. Alimentaria) . Biotecnología Animal · Biotecnología Industrial. Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

7

· Biotecnología Vegetal. · Biotecnología Ambiental. Las técnicas biotecnológicas utilizadas en los diferentes campos de aplicación de la biotecnología se pueden agrupar en dos grandes grupos: Cultivo de tejidos: Trabaja a un nivel superior a la célula e incluye células, tejidos y órganos que se desarrollan en condiciones controladas. Tecnología del ADN: Involucra la manipulación de genes a nivel del ADN, aislamiento de genes, su recombinación y expresión en nuevas formas, etc. La ingeniería genética puede ser una herramienta muy poderosa para crear alteRNAtivas amistosas ambientales en productos y procesos que actualmente contaminan el ambiente o acaban con los recursos no renovables. Factores políticos, económicos y sociales determinarán que posibilidades científicas se harán realidad. 3.3.1 Biotecnología Animal La biotecnología animal ha experimentado un gran desarrollo en las últimas décadas. Las aplicaciones iniciales se dirigieron principalmente a sistemas diagnósticos, nuevas vacunas y drogas, fertilización de embriones in vitro, uso de hormonas de crecimiento, etc. Los animales transgénicos como el "ratón oncogénico" han sido muy útiles en trabajos de laboratorio para estudios de enfermedades humanas. Existen tres áreas diferentes en las cuales la biotecnología puede influir sobre la producción animal: - El uso de tecnologías reproductivas - Nuevas vacunas y - Nuevas bacterias y cultivos celulares que producen hormonas. En animales tenemos ejemplos de modelos desarrollados para evaluar enfermedades genéticas humanas, el uso de animales para la producción de drogas y como fuente donante de células y órganos, por ejemplo el uso de animales para la producción de proteínas sanguíneas humanas o anticuerpos. Para las enfermedades animales, la biotecnología provee de numerosas oportunidades para combatirlas, y están siendo desarrolladas vacunas contra muchas enfermedades bovinas y porcinas, que en los últimos tiempos han hecho mella en estos animales. La biotecnología animal afecta la eficiencia de los programas de mejoramiento, estudios evolutivos, por otra parte se ocupa de la genética de la fisiología de la reproducción de los animales, la reproducción, la sanidad y la nutrición. Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

8

3.3.2 Biotecnología Vegetal Según Lindsey y Jones (1989) los avances en el conocimiento de la célula y de la biología molecular vegetal han proporcionado la base de una nueva generación de técnicas que constituyen la Biotecnología de vegetal. Este amplio término incluye los conceptos y metodologías de cultivo de tejidos vegetales y de su manipulación genética, en especial su aplicación a los problemas agrícolas. Las técnicas de cultivo de tejidos y de la manipulación genética no reemplazarán a las técnicas convencionales de selección, pero pueden considerarse valiosas herramientas para investigar la estructura y la función de los genes vegetales y el desarrollo del organismo y también para proporcionar material modificado genéticamente que pueda integrarse en un programa de selección establecido. La selección de plantas agrícolas mejoradas ha permanecido relativamente constante, seleccionándose las plantas agrícolas por su facilidad de cultivo, mayor rendimiento, calidad apropiada y resistencia a plagas, enfermedades y estrés ambiental. No obstante, la selección vegetal se basa en un mejor conocimiento de la base genética de los caracteres agronómicos y, en particular, en la aplicación de los principios genéticos clásicos de Mendel. Sin embargo, el éxito en el logro de los objetivos de la selección depende también del conocimiento de la fisiología, bioquímica y patología vegetal. La selección vegetal en su nivel más elemental, la selección vegetal en su nivel más elemental implica la hibridación deliberada de dos genotípos vegetales parentales, seleccionados por unos caracteres específicos, seguida de la selección de nuevos genotípos recombinantes, combinando los caracteres específicos de interés. MATERIAL GENÉTICO

Estructura química del Material Genético 1.1 Acido Desoxiribo Nucleico (ADN) El ADN constituye el material genético, contiene la información para la síntesis de proteínas especificas que permiten la vida; el ADN es una molécula polimérica formada por repeticiones de azúcar desoxirribosa (fig. 1a) , fosfato (fig.1b) y una base nitrogenada que puede ser purina (Adenina, Guanina) o pirimidina (Citosina, Timina, Uracilo) (fig 1c), la unión de estos tres compuestos es conocida como nucleótido (fig 2); El ADN esta compuesto por dos cadenas (hebras) de

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

9

nucleotidos, la doble cadena tiene orientación opuesta es decir antiparalela. Las uniones entre el azúcar y el fosfato se denominan enlaces fosfodiester, las base nitrogenada se unen al carbono 1’ de cada azúcar desoxirribosa del esqueleto azúcar-fosfato. Los dos filamentos de la hélice del ADN, son complementarias debido a su afinidad química de manera que frente a un nucleótido de adenina se encuentra siempre uno de timina, frente a uno de citosina otro de guanina, que establecen entre ellos dos y tres puentes de hidrógeno respectivamente (fig. 3)

a

c

b

d

Figura 1. Estructura química de: a) pentosas b)ácido fosforico c) bases púricas d) bases pirimidínicas. (tomado de http://www.ucn.es/info/genetica/grupod/Estruadn/estruadn.html#composicion)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

10

Figura 2. Estructura química de un nucleótido (tomado de http://www.ucn.es/info/genetica/grupod/Estruadn/estruadn.html#composicion)

Figura 3. Organización complementaria de las hebras del ADN adenina-timina doble enlace y guanina-citosina triple enlace

1.2 Acido Ribo Nucleico RNA (modificado de Griffiths, et http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001832/lecciones/traduccion.html. http://www.ehu.es/biomoleculas/AN/an3.htm#r)

al.

2000.

En cuanto al RNA, este se encuentra principalmente fuera del núcleo celular aunque su síntesis tiene lugar a partir del ADN.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

11

El RNA constituido por una sola hebra de nucleótidos; está formado por subunidades ribonucleotídicas unidas por enlaces 5´ - 3´ como los del DNA. Tres de las bases nitrogenadas, adenina, guanina y citosina, son las mismas que en el DNA, sin embargo, en lugar de timina el RNA tiene uracilo el cual se aparea con la adenina. Los cuatro nucleótidos contienen el azúcar de cinco carbonos ribosa, que tiene un grupo hidroxilo en el átomo de carbono 2´. El RNA puede adoptar una gama mucho mayor de estructuras tridimensionales complejas que el DNA de cadena doble. Los RNA pueden agruparse en dos clases principales; algunos actúan de intermediarios en el proceso de descodificación de los genes a cadenas polipeptídicas, en este caso son RNA "informaticos" y la otra clase es donde el propio RNA son los productos finales, denominados como "funcionales". De esta manera existen tres tipos de RNA: El mensajero, el ribosómico y el de transferencia. El RNA mensajero (RNAm) se sintetiza sobre un molde de DNA, en células procariotas el RNAm queda tal cual es sintetizado a partir del ADN; en células eucariotas, el transcrito primario sufre un procesamiento que consiste en la modificación de los extremos 5' y 3', pues además de contiener las señales para la iniciación (codón AUG, que codifica al aminoácido metionina) y terminación de la síntesis (codones UAA, UAG o UGA), presenta en su extremo 5' una estructura compleja llamada "capucha" (cap), y en su extremo 3' una cadena de poliA de longitud variable, estas modificaciones tienen por objeto aumentar la vida media de estas moléculas en el citoplasma. Además elimina fragmentos del transcrito primario (intrones), el resultado final de este procesamiento pre-RNAm es el RNAm. El peso molecular del RNAm es alto y la secuencia de nucleotidos codificada la cadena polipeptídica mediante el proceso conocido como traducción. En este contexto, se utiliza el termino traducción para entender que la célula dispone de un mecanismo para traducir el lenguaje del RNA al lenguaje de los polipéptidos. Las proteinas se componen de una o más cadenas polipeptídicas. Los RNA funcionales desempeñan muchas funciones diversas. Es de aclarar que este tipo de RNA ejecutan directamente sus funciones nunca se traducen a proteínas, su tamaño es relativamente pequeño. Dentro de este grupo estan los RNA de transferencia (RNAt) y los RNA ribosómicos (RNAr). Los RNAt son moléculas de RNA que funcionana como transportadores que llevan los aminoácidos activados para la síntesis de Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

12

proteínas. Los RNA tienen alrededor de 80 nucleótidos con pesos moleculares de cerca de 25000 daltons. Todos muestran una estructura secundaria muy característica llamada estructura de hoja de trébol. Todos los RNAt tienen pG en el extremo 5' y pCpCpA en el extremo 3,'. El extremo 3' se conoce como brazo del aminoácido o también brazo aceptante. El correspondiente brazo del anticodón, contiene la tripleta anticodón la cual reconoce el codón en el RNAm y se relaciona con éste por medio de formación de puentes de Hidrógeno siguiendo las reglas de complementariedad de las bases. Los aminoácidos son unidos a sus RNA específicos por medio de aminoaciloRNAt-sintetasas específicas. Los aminoácidos entran a la síntesis de proteínas por medio de la reacción de las enzimas aminoacilo-RNAt-sintetasas; enzimas que suministran la interfase para la conexión entre los aminoácidos y los ácidos nucleicos. El RNAr es componente de los ribosomas, estos son estructuras subcelulares complejas sobre los cuales ocurre la traducción de los RNAm. Los ribosomas se han llamado organelos celulares, partículas microsómicas, ribonucleoproteínas o simplemente el aparato para sintetizar proteínas. El ribosoma constituye un ensamblaje macromolecular con una estructura definida y, junto con algunos factores adicionales, tiene las actividades enzimáticas necesarias para catalizar los diferentes pasos de la síntesis de las proteínas. Los ribosomas está constituidos por varios tipos de RNAr y alrededor de 100 proteínas diferentes. El ribosoma es una pequeña fábrica migratoria que viaja a lo largo del RNAm; los aminoacilo-tRNA entran y salen de la partícula a tasas muy altas depositando aminoácidos; los factores de elongación se asocian y disocian del ribosoma en forma ciclica. Existen otras dos clases de RNA funcionales implicados en procesamiento de la información que son específicos de eucariotas. Los RNA nucleolares pequeños (RNAsn), está presente en el núcleo, y es de pequeño tamaño. Está implicado en el procesamiento de los pre-RNAm a RNAm. En este proceso, el RNAsn se asocia a proteínas formando las ribonucleoproteínas pequeñas nucleares que se encargan de eliminar los intrones (aquellos fragmentos del transcrito primario de RNA que no aparecen en el molde de RNAm). Cuando las las ribonucleoproteínas pequeñas nucleares se unen al precursor del RNAm para eliminar los intrones se forma un complejo RNA-proteína de gran tamaño, visible al microscopio electrónico, y que recibe el nombre de espliciosoma (spliceosome).

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

13

Los RNA citoplasmáticos pequeños (RNAsc) estan involucrados en el transporte de proteínas dentro de las células eucarióticas. En concreto se encargan de asegurar que polipéptidos destinados, por ejemplo, a ser secretados se inserten en el comportamiento celular adecuado (el reticulo endoplásmatico rugoso) Así empieza el prodeso de secreción proteica. El RNA heterogeneo nuclear (RNAhn) es un RNA de alto peso molecular, también conocido como transcrito primario del RNA, ya que es el RNA recién sintetizado por la RNA polimerasa en el proceso de transcripción. En células procariotas, el transcrito primario actúa directamente como molde para la síntesis de proteínas. En el núcleo de las células eucariotas actúa como precursor de los demás tipos de RNA que se encuentran en el citoplasma. La fragmentación del RNAhn para formar otros tipos de RNA constituye la maduración o procesamiento del RNA. 2. Organización del ADN La estructura del ADN es en realidad mucho más larga que la del cromosoma, pero se halla muy condensada. Ahora se sabe que este empaquetamiento se basa en diminutas partículas llamadas nucleosomas, sólo visibles con el microscopio electrónico más potente. El ADN está enrollado secuencialmente alrededor de cada nucleosoma formando una estructura en forma de rosario. Entonces la estructura se repliega aún más, de manera que las cuentas se asocian en espirales regulares. Por esta razón, el ADN tiene una configuración en espiral enrollada, parecida al filamento de una bombilla.Tras los descubrimientos de Watson y Crick, quedó el interrogante de saber cómo el ADN dirigía la formación de proteínas, los compuestos principales de todos los procesos vitales. Las proteínas no son sólo los componentes principales de la mayoría de las estructuras celulares, sino que también controlan casi todas las reacciones químicas que se producen en la materia viva. La capacidad de una proteína para formar parte de una estructura, o para ser una enzima que influye sobre la frecuencia de una reacción química particular, depende de su estructura molecular. Esta estructura depende a su vez de su composición. Cada proteína está formada por uno o más componentes denominados polipéptidos, y cada polipéptido está constituido por una cadena de subunidades llamadas aminoácidos. En los polipéptidos hay veinte tipos distintos de aminoácidos. Al final, el número, tipo y orden de los aminoácidos en una cadena determina la estructura y función de la proteína de la que forma parte. En células eucariotas la doble helice del ADN esta dentro del núcleo y dependiendo del estado de actividad celular se encuentra relajado o altamente compactado; son varios los grados de organización o empaquetamiento del ADN. La cinta del ADN no se encuentra aislada, sino por el contrario esta mezclado con otros elementos los cuales conforman la cromatina. 2.1 Nucleosoma es el primer grado de compactación del ADN, es una estructura de más o menos 10 nm de diámetro que se asemeja a un collar de perlas; el ADN

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

14

esta enrollado dos veces alrededor de un complejo (octamero) de proteínas especiales llamadas histonas H2A, H2B, H3 y H4 y cada uno de los nucleosomas se unen entre si por otra proteína especial conocida como H1 (fig. 4) 2.2 Selenoide es el segundo grado de compactación del ADN, es una estructura de más o menos 30 nm de diámetro, el selonoide es el enrrollamiento de los nucleosomas su forma se asemeja a un espagueti y se mantienen gracias a la proteína histonica H1. 2.3 Asas es el tercer grado de compactación se conoce también como cromatina extendida, es una estructura de 300 nm y corresponde al enrrollamiento de los selonoides.

Figura 4. Modelo de un nucleosoma, muestra al ADN enrollado alrededor del octamero de histonas. Tomado de htpp://www.unorte.edu.uy/agro/ACIDOSNUCLEICOS.doc

2.4 Roceta es el cuarto grado de compactación y corresponde a 6 Asas 2.5 Cromatina condensada corresponde al superenrollamiento de 30 rocetas, es una estructura de 700nm. Y como último se encuentra el mayor grado de compactación del ADN el cromosoma metafasico con sus dos cromatides que corresponde a una estructura de 1400 nm. (fig.11)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

15

Figura 5. Modelo de los grados de compactación del ADN tomado de htpp://www.unorte.edu.uy/agro/ACIDOSNUCLEICOS.doc

3. Síntesis de transcritos funcionales (tomado de http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/9232/) Después de que la ciencia de la genética se estableciera y de que se clarificaran los patrones de la herencia a través de los genes, las preguntas más importantes permanecieron sin respuesta durante más de cincuenta años: ¿cómo se copian los cromosomas y sus genes de una célula a otra, y cómo determinan éstos la estructura y conducta de los seres vivos? A principios de la década de 1940, dos genetistas estadounidenses, George Wells Beadle y Edward Lawrie Tatum, proporcionaron las primeras pistas importantes. Trabajaron con el hongo Neurospora y Penicillium, y descubrieron que los genes dirigen la formación de enzimas a través de las unidades que los constituyen. Cada unidad (un polipéptido) está producida por un gen específico. Este trabajo orientó los estudios hacia la naturaleza química de los genes y ayudó a establecer el campo de la genética molecular.Desde hace tiempo se sabe que los cromosomas están compuestos casi en su totalidad por dos tipos de sustancias químicas, proteínas y ácidos nucleicos. Debido en parte a la estrecha relación establecida entre los genes y las enzimas, que son proteínas, al principio estas últimas parecían la sustancia fundamental que determinaba la herencia. Sin embargo, en 1944, el bacteriólogo canadiense Oswald Theodore Avery demostró que el ácido desoxirribonucleico (ADN) era el que desempeñaba esta función. Extrajo el ADN de una cepa de bacterias y lo introdujo en otra cepa. La segunda no sólo adquirió las características de la primera sino que también las transmitió a generaciones posteriores. Por aquel entonces, se sabía que el ADN estaba formado por unas sustancias denominadas nucleótidos. Cada nucleótido estaba compuesto a su vez por un grupo fosfato, un azúcar conocido como desoxirribosa, y una de las cuatro bases que contienen nitrógeno. Las cuatro bases nitrogenadas son adenina (A),

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

16

timina (T), guanina (G) y citosina (C).En 1953, el genetista estadounidense James Dewey Watson y el británico Francis Harry Compton Crick aunaron sus conocimientos químicos y trabajaron juntos en la estructura del ADN. Esta información proporcionó de inmediato los medios necesarios para comprender cómo se copia la información hereditaria. Cada base está unida a una molécula de azúcar y ligada por un enlace de hidrógeno a una base complementaria localizada en la cadena opuesta. La adenina siempre se vincula con la timina, y la guanina con la citosina. Para hacer una copia nueva e idéntica de la molécula de ADN, sólo se necesita que las dos cadenas se extiendan y se separen por sus bases (que están unidas de forma débil); gracias a la presencia en la célula de más nucleótidos, se pueden unir a cada cadena separada bases complementarias nuevas, formando dos dobles hélices. Si la secuencia de bases que existía en una cadena era AGATC, la nueva contendría la secuencia complementaria, o "imagen especular", TCTAG. Ya que la "base" de cada cromosoma es una molécula larga de ADN formada por dos cadenas, la producción de dos dobles hélices idénticas dará lugar a dos cromosomas idénticos. 3.1 Replicación del ADN La vida de los seres vivos es muy variable, por tanto para que esta no se extinga ha de haber un momento en que se reproduzcan, lo cual lleva implícito la formación de copias del ADN del progenitor o progenitores. Se dieron muchas hipótesis sobre como se duplicaba el ADN, entre ellas esta la conservativa en donde se establecía que cada una de las hebras del ADN progenitor se duplica o replica, produciendo dos moléculas de ADN hijas una de las cuáles es la molécula de ADN progenitora intacta y la otra una molécula de ADN cuyas dos hebras son nuevas; la dispersiva, proponía que el ADN iba siendo duplicado por segmentos, encontrándose al final cada una de las hebras con fragmentos cortos de hebra original y hebra recién sintetizada; para la hipótesis semiconservativa (posteriormente demostrada por Meselson Y Stahl en 1957), se propuso que las dos hebras de la molécula de ADN se podrían separar y servir como moldes para la síntesis de nuevas hebras complementarias, cuya secuencia sería dictada por la especificidad en el apareamiento de bases , porque una hebra de ADN progenitor se conserva en cada una de las dos moléculas hijas de ADN (fig 4).

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

17

Figura 4 Modelos de replicación del ADN (tomado de http://html.rincondelvago.com/duplicacion-de-adn.html)

Meselson Y Stahl demostraron la duplicación semiconservativa gracias a una serie de experimentos llevados a cabo en los cuales el ADN fue marcado con isótopos que alteraron su densidad. Se hizo crecer E. coli en medios de cultivo que contenían el isótopo pesado del nitrógeno (N15) en lugar del isótopo normal, más ligero (N14). Consecuentemente el ADN de estas bacterias contenía N15 y era mas pesadas que las bacterias crecidas en N14. Este ADN pesado se podía separar del ADN que contenía N14 por centrifugación de equilibrio en un gradiente de densidad de CsCl. Esta posibilidad de separar ADN pesado del ADN ligero permitió estudiar la síntesis de ADN. Se transfirieron células de E. coli que habían crecido en el medio con N15 a un medio que contenía N14, y se les permitió replicarse una vez más. Se extrajo su ADN y se analizo por centrifugación en un gradiente de densidad de CsCl. Los resultados de este análisis indicaron que todo el ADN pesado había sido remplazado por ADN de nueva síntesis con una densidad intermedia entre el de las moléculas de ADN pesada N15 y ligera N14. El significado es que durante la replicación de las dos hebras de ADN parental pesado se separan y sirven de moldes para la síntesis de hebras hijas de ADN ligero, produciendo moléculas de doble hebra de densidad intermedia. Este experimento proporcionó evidencia directa de la replicación semiconservativa del ADN, subrayando la importancia del apareamiento complementario de las bases entre las hebras de la doble hélice (Cooper, 2002) La capacidad del ADN para servir de molde para su propia replicación fue establecida más adelante con la demostración de que una enzima purificada de E. coli (la ADN polimerasa) podía catalizar la replicación del ADN in vitro. Con la presencia del ADN como molde, la ADN polimerasa era capaz de dirigir la incorporación de nucleótidos en una molécula del ADN complementaria (fig 5)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

18

3.1.1 Mecanismos de replicación Con la replicación se realiza una transmisión fiel de la información genética de padres a hijos, por lo tanto este proceso es esencial para la vida de todas las células y organismos. Cada vez que una célula se divide, su genoma completo debe duplicarse, necesitándose una compleja maquinaria para copiar las grandes moléculas de ADN. Como se dijo anteriormente el proceso de replicación del ADN es semiconservativo en la que cada hebra parental sirve como molde para la síntesis de una nueva hebra hija complementaria. La enzima principal implicada es la ADN polimerasa, que cataliza la unión de los desoxirribonucleósidos 5'-trifosfatos para formar la cadena de ADN en crecimiento. Sin embargo, la replicación del ADN es mucho más compleja que una reacción enzimática. Están involucradas otras proteínas, y son necesarios mecanismos de lectura para asegurar que la exactitud de la replicación es compatible con la baja frecuencia de errores que se permiten en la reproducción celular. También son necesarias proteínas adicionales y secuencias de ADN para iniciar la replicación y para copiar los extremos de los cromosomas eucariotas (Cooper, 2002) En la figura 5 se observa la replicación del ADN, este es un proceso es lineal, bidireccional y en células eucariotas hay varios orígenes. El avance es más lento que en procariotas ya que hay más proteínas asociadas al ADN que hay que soltar. La replicación del ADN, que ocurre una sola vez en cada generación celular necesita de muchos "ladrillos", enzimas y una gran cantidad de energía en forma de ATP (recuerde que luego de la fase S del ciclo celular , las células pasan a una fase G a fin de, entre otras cosas, recuperar energía para la siguiente fase de la división celular). La replicación del ADN en el ser humano se realiza a una velocidad de 50 nucleótidos por segundo. Los nucleótidos tienen que ser armados y estar disponibles en el núcleo conjuntamente con la energía para unirlos. Una vez que se abre la molécula, se forma una área conocida como "burbuja de replicación" en ella se encuentran las "horquillas de replicación". Por acción de la ADN polimerasa los nuevos nucleótidos entran en la horquilla y se enlazan con el nucleótido correspondiente de la cadena de origen (A con T, C con G). Los procariotas abren una sola burbuja de replicación, mientras que los eucariotas múltiples. El ADN se replica en toda su longitud por confluencia de las "burbujas". Dado que las cadenas del ADN son antiparalelas, y que la replicación procede solo en la dirección 5' a 3' en ambas cadenas, numerosos experimentos han mostrado que, una cadena formará una copia continua, mientras que en la otra se formarán una serie de fragmentos cortos conocidos como fragmentos de Okazaki, Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

19

los cuales serán unidos por ADN ligasa. La cadena que se sintetiza de manera continua se conoce como cadena guía, delantera ó conductora y, la que se sintetiza en fragmentos, cadena atrasada ó tardía, la cual tiene una replicación semidescontinua. Para que la ADN polimerasa trabaje, se necesaria la presencia, en el inicio de cada nuevo fragmento, de pequeñas unidades de RNA conocidas como cebadores, cuando la polimerasa toca el extremo 5' de un cebador, se activan otras enzimas, que remueven los fragmentos de RNA, colocan nucleótidos de ADN en su lugar y una ADN ligasa que los une a la cadena en crecimiento.

Figura 5. Replicación de ADN (Tomado de http://html.rincondelvago.com/duplicacion-de-adn.html)

Las proteínas de enganche descargan la ADN polimerasa en el ADN en la unión entre el cebador y el molde. El anillo formado por las proteínas de enganche mantienen la asociación de la polimerasa con su molde durante la replicación, permitiendo la síntesis ininterrumpida de miles de nucleótidos de ADN.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

20

Otras proteínas desenrollan la hebra molde de ADN y estabiliza regiones de una sola hebra. Las helicasas son enzimas que catalizan el desenrollamiento del ADN parental y lo mantienen de forma lisa. La enzimas implicadas en la replicación del ADN de forma coordinada para sintetizar las hebras conductora y tardía de ADN simultáneamente en la horquilla de replicación. Esta característica esta acompañada por la formación de dimeros de las polimerasas ADN replicativas, cada una de ellas con sus proteínas accesorias adecuadas. (tomado 3.1.2 Replicación semidescontinua (http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/duplicacion%20dna3.html)

de

Para dar respuesta al interrogante, de cómo se replica la cadena tardía del ADN, en 1968, Reiji Okazaki realizó el siguiente experimento: Colocó células de Escherichia coli durante 30 segundos en un medio que contenía [3H] Timina; posteriormente, centrifugó las células en un medio básico y obtuvo fragmentos de ácidos nucleicos de 7 y 11S (Svedvergs, unidades de densidad), lo que significaba que contenían entre 1X103 y 2X103 nucleótidos. Después verifico el efecto del tiempo en la incubación y encontró que el tamaño de los fragmentos era proporcional al tiempo, a estos fragmentos se les denomina fragmentos de Okazaki. Okazaki interpretó la presencia de estos fragmentos en términos de la replicación semidiscontinua, que finalmente se unen por la ADN ligasa. El estudio cuidadoso de los fragmentos de Okazaki, revela que su extremo 5´ consiste de segmentos de ARN que constan de 1 a 60 nucleótidos (lo cual depende de la especie) que son complementarios con la hebra de ADN. En Escherichia coli dos enzimas catalizan este proceso, la ARN polimerasa (es la enzima encargada de la transcripción) y la primasa (monómero de 60 kD) que fabrica los fragmentos de Okazaki. La ARN polimerasa es inhibida por rifampicina (inhibe la síntesis de la hebra líder). In vivo las enzimas son sinergísticas. El proceso de la replicación se puede resumir en los siguientes eventos (con sus respectivas enzimas, que en conjunto, se denominan replicosoma): 1.- ADN girasa 2.- separar el ADN en la horquilla 3.- no permitir la realineación antes de la replicación 4.- cebadores de ARN (ARN polimerasa) 5.- ADN polimerasa 6.- quitar cebadores de ARN 7.- unir covalentemente los fragmentos de Okazaki (ADN ligasa)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

21

Las proteínas Rep, la helicasa y las proteínas de unión a hebra sencilla (SSB) desdoblan al ADN antes de que avance la horquilla, este proceso necesita de la hidrólisis de ATP. El monómero Rep (del gen rep) actúa sobre la hebra líder (3´– 5)´, gasta 2 moléculas de ATP por cada par de base separado. La helicasa, retarda la síntesis de la que crece en dirección 5- – 3´, esta enzima también es un monómero. Las proteínas SSB, no permiten que se unan las hebras ya separadas, son un tetrámero. 3.2 Transcripción del DNA La formación de una cadena de RNA mensajero por una secuencia particular de ADN se denomina transcripción. Antes de que termine la transcripción, el RNAm comienza a desprenderse del ADN. Finalmente un extremo de la molécula nueva de RNAm, que ahora es una cadena larga y delgada, se inserta en una estructura pequeña llamada ribosoma, de un modo parecido a la introducción del hilo en una cuenta. Al tiempo que el ribosoma se desplaza a lo largo del filamento de RNAm, su extremo se puede insertar en un segundo ribosoma, y así sucesivamente. Utilizando un microscopio de alta definición y técnicas especiales de tinción, los científicos pueden tomar fotografías de las moléculas de RNAm con sus unidades de ribosomas asociados. Los ribosomas están formados por una proteína y RNA. El grupo de ribosomas unidos a un RNAm recibe el nombre de polirribosoma o polisoma. Como cada ribosoma pasa a lo largo de toda la molécula de RNAm, "lee" el código, es decir, la secuencia de bases de nucleótidos del RNAm. La lectura, que se denomina traducción, tiene lugar gracias a un tercer tipo de molécula de RNA de transferencia (RNAt), que se origina sobre otro segmento del ADN. Sobre un lado de la molécula de RNAt hay un triplete de nucleótidos y al otro lado una región a la que puede unirse un aminoácido específico (con la ayuda de una enzima específica). El triplete de cada RNAt es complementario de una secuencia determinada de tres nucleótidos —el codón— en la cadena de RNAm. Debido a esta complementariedad, el triplete es capaz de "reconocer" y adherirse al codón. Por ejemplo, la secuencia uracilo-citosina-uracilo (UCU) sobre la cadena de RNAm atrae al triplete adenina-guanina-adenina (AGA) del RNAt. El triplete del RNAt recibe el nombre de anticodón. Como las moléculas de RNAt se desplazan a lo largo de la cadena de RNAm en los ribosomas, cada uno soporta un aminoácido. La secuencia de codones en el RNAm determina, por tanto, el orden en que los aminoácidos son transportados por el RNAt al ribosoma. En asociación con el ribosoma, se establecen enlaces químicos entre los aminoácidos en una cadena formando un polipéptido. La nueva cadena de polipéptidos se desprende del ribosoma y se repliega con una forma característica determinada por la secuencia de aminoácidos. La forma de un polipéptido y sus propiedades eléctricas, que están también determinadas por la secuencia de aminoácidos, dictarán si el polipéptido permanece aislado o se une a otros polipéptidos, así como qué tipo de función química desempeñará después en el organismo. En las bacterias, los virus y las algas verdeazuladas, el cromosoma se encuentra libre en el citoplasma, y el proceso de la traducción puede empezar incluso antes de que Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

22

el proceso de la transcripción (formación de RNAm) haya concluido. Sin embargo, en los organismos más complejos los cromosomas están aislados en el núcleo y los ribosomas sólo se observan en el citoplasma. Por esta razón, la traducción del RNAm en una proteína sólo puede producirse después de que el RNAm se ha desprendido del ADN y se ha desplazado fuera del núcleo. (Tomado de http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/9232/ ) Todos los proceso de la transcripción del ADN están catalizados por diferentes enzimas; en la mayoría de los procariotas, una sola polimerasa de RNA transcribe todos los tipos de RNA. Sin embargo, los eucariotes tienen tres polimerasas diferentes: 1. La polimerasa de RNA I (Pol I) transcribe los genes que determinan el RNAr 2. La polimerasa de RNA II (Pol II) transcribe los genes que determinan proteínas. 3. La polimerasa de RNA III (PolIII) transcribe otros RNA funcionales (por ejemplo, los RNAt) Existen tres fases dentro de la transcripción, en las cuales están involucrados los elementos anteriormente mencionados. 3.2.3 Iniciación Proceso por el cual la información almacenada en el ADN se transfiere al RNA y se hace disponible para la síntesis de proteínas. El primer paso en la transcripción es localizar el inicio del gen, justamente junto al gen hay una secuencia de bases de ADN que es el sitio que reconoce la RNA polimerasa, esta secuencia es conocida como promotora; la polimerasa explora el ADN en busca de ella, donde se une, abre la doble hélice y comienza la síntesis de una molécula del RNA a partir del sitio de inicio de la transcripción. 3.2.2 Elongación El ADN se desenrolla y el RNA polimerasa empieza a viajar a lo largo de las cadenas de ADN catalizando la formación de una cadena continua de RNA a partir de nucleotidos libres, la polimerasa compara ribonucleótidos trifosfatados libres con la siguiente base expuesta del ADN molde y, si detecta complementariedad, añade el ribonucleótido a la cadena. 3.2.3 Terminación Cuando la polimerasa de RNA reconoce secuencias específicas en el ADN que actúan como señales de terminación de la transcripción abandona el ADN, y este vuelve a enrollarse, así la molécula de RNA es liberada.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

23

Aun cuando el proceso de la transcripción esta ya terminado, el producto no es transportado todavía al citosol, este sufre algunas modificaciones, el trascrito primario se conoce como pre-RNAm. Durante la transcripción se añade una caperuza constituida por un residuo 7metilguanosina al extremo 5’ del transcrito, mediante el establecimiento de un enlace trifosfato. A continuación, la enzima que reconoce la secuencia AAUAAA cerca del extremo 3’ corta el RNA 20 bases aguas abajo. En ese momento se produce la adición al extremo 3’ cortado de una cola de 150-200 residuos adenina denominada poli A. Posteriormente, un paso de maduración elimina cualquier intrón del transcrito, convirtiendo el pre-mRNA en RNA maduro (Griffiths et al. 2000). Los intrones son interrupciones de un gen, formadas por secuencias sin codificar a lo largo de una secuencia de nucleótidos que codifican un polipéptido; en particular, puede haber uno o más intrones, en algunos genes pueden encontrarse 50 o más de estas secuencias. Durante la transcripción, los intrones son copiados en el RNA junto con las secuencias codificadas, originando una molécula de RNA extra larga. En el núcleo, las secuencias que corresponden a los intrones son eliminadas del RNA por unas enzimas especiales para formar el RNAm, que se exporta al citoplasma. Las funciones de los intrones (si existen) son desconocidas, aunque se ha sugerido que el procesamiento del RNA mediante la eliminación de las secuencias interrumpidas tal vez esté implicado en la regulación de la cantidad de polipéptidos producidos por los genes. También se han encontrado intrones en genes que codifican RNAs especiales, como los que forman parte de los ribosomas. El descubrimiento de los intrones ha sido posible gracias a nuevos métodos que determinan la secuencia exacta de nucleótidos en las moléculas de ADN y RNA, métodos desarrollados por el biólogo molecular británico Frederick Sanger, quien recibió en 1980 por este trabajo el segundo Premio Nobel de Química ( Tomado de http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/9232/) 3.3 Traducción del RNAm A la transcripción y al procesamiento del RNA les sigue la traducción, es decir, la síntesis de proteínas. Las proteínas son los mediadores activos en la mayoría de los procesos celulares, llevando a cabo las funciones determinadas por la información codificada en el ADN genómico. La síntesis de proteínas es la etapa final de la expresión génica. Sin embargo, la traducción del RNAm es sólo el primer paso en la constitución de una proteína funcional. La cadena polipeptídica se debe plegar en una conformación tridimensional adecuada y, con frecuencia, ésta es procesada antes de dar lugar a la forma activa. El procesamiento, especialmente en eucariotas, está muy relacionado con el transporte de las distintas proteínas a su destino final dentro de la célula.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

24

Las proteínas se sintetizan a partir de un molde de RNA mediante un proceso altamente conservado a largo de la evolución. Todos los RNAm se leen en dirección 5’-3’, y las cadenas polipeptídicas se sintetizan desde el extremo animo terminal al carboxilo terminal. Cada aminoácido viene codificado por tres bases (un codon) en el RNAm, de acuerdo con el carácter casi universal del código genético. El mecanismo fundamental de la síntesis de proteínas es básicamente el mismo en todas las células: la traducción tiene lugar en los ribosomas, siendo los RNA de transferencia los adaptadores entre el molde de RNAm y los aminoácidos incorporados a la proteína. La síntesis de proteínas, por tanto, implica la interacción entre tres tipos de moléculas de RNA (el molde de RNA mensajero, RNA transferencia y RNA ribosomal) además de varias proteínas necesarias para la traducción (Cooper, 2002) (fig 6)

Figura 6. Síntesis de proteínas (http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001832/lecciones/traduccion.html)

Al igual que la transcripción, elongación y terminación.

la traducción se divide en 3 etapas: iniciación,

3.3.1 Iniciación

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

25

La etapa de iniciación es un proceso complejo y requiere de al menos 10 proteínas distintas, cada una de las cuales está formada por múltiples cadenas polipeptídicas, llamadas factores de iniciación. Uno de estos factores se unen a la subunidad ribosómica 40S y otros al RNAt iniciador. El RNA es reconocido y dirigido hacia el ribosoma y cuando es reconocido el codon de inciación la subunidad 60S se une a la subunidad 40S y se inicia la elongación. 3.3.2 Elongación El mecanismo de elongación en células procariotas y ecucariotas es muy similar. Varias proteínas, denominadas factores de elongación,son las que guían la unión y el movimiento de los RNAt y el ribosoma. El ribosoma tiene tres sitios para la unión de RNAt denominados lugar P (peptidil), A (aminoacil) y E (liberación) que colaboran en la lectura del RNAm. La elongación continua hasta cuanto un codon de terminación se coloca en el sito A del ribosoma. La energía que impulsa el proceso proviene de la hidrólisis del GTP. 3.3.3 Terminación Un codon de terminación en el sitio A es reconocido por un factor de liberación en vez de por un RNAt. El resultado es la liberación de la cadena polipeptídica completa, seguido de la disociación del RNAt y RNAm del ribosoma. 3.4 Código Genético Las proteínas de un individuo son específicas, por lo que lógicamente, la información para su síntesis que se encuentra cifrada en el código genético también debe serlo, en consecuencia el código genético es específico. De acuerdo con ello se considera, que el ADN puede mandar sus órdenes utilizando un alfabeto de cuatro letras, representadas por cada una de las cuatro bases púricas y pirimidínicas, es decir, adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). Estas bases nitrogenadas se agrupan de tres en tres formando tripletes, también llamados codógenos, como por ejemplo ATC, AGG, TAA, etc., y cada triplete es una palabra cifrada, o señal para un determinado aminoácido; dos o más tripletes pueden conducir al mismo aminoácido. Con las cuatro bases nitrogenadas (A, T, C, G) se puede construir un número suficiente de tripletes o codógenos para sintetizar los veinte aminoácidos que forman las proteínas. Si la agrupación de estas bases fuera de dos en dos en lugar de tres en tres el total posible de grupos diferentes fuese 4 x 4 = 16, de modo que si existen 20 aminoácidos proteicos distintos faltarían grupos para designarlos. Pero siendo los grupos de tres (tripletes) las probabilidades de combinación permiten un total de 64 tripletes o codógenos (4 x 4 x 4 = 64); así aparecen más tripletes que aminoácidos existentes, pero se ha llegado a demostrar que cada aminoácido puede responder a la señal de más de un triplete, por cuya razón se dice que el código o lenguaje genético está degenerado.Los codógenos o tripletes son universales, es decir, especifican al mismo aminoácido en todos los seres vivos, por ello solamente con Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

26

tripletes sueltos el lenguaje del ADN no podría ser específico. Lo que le da especificidad, es la forma como se suceden los tripletes en el ADN. Metafóricamente el código genético, podría compararse con un código de lenguaje escrito, de manera que las cuatro bases nitrogenadas, para entenderlo, podrían equiparse con letras, los tripletes (agrupación de estas bases en grupos de tres), podrían llamarse palabras de tres letras, y el ordenamiento de tripletes que lleva la información, para el ordenamiento de aminoácidos en la proteína, podría comparase con una frase del lenguaje. Un ejemplo de ordenamiento o sucesión de tripletes sería: ATT _ GGC _ CGA _ AAC _ ACG _ AAA La información del código genético contenida en los tripletes del ADN se transcribe en una información complementaria en los tripletes de RNA-mensajero (RNAm), (llamados codones), y ésta se traduce en el orden de aminoácidos en la proteína. (Tomado de http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/9232/)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

27

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

28

CAPITULO 2 CONCEPTOS BÁSICOS DE CITOGENÉTICA

Introducción Los cromosomas son la maxima condensación del ADN y son visibles unicamente en la metafase, estos son los portadores de la herencia en el momento de la división celular. Cada especies esta caracterizada por un nùmero especifico y forma de los cromosomas, los cuales pueden verse afectados en numero y/o forma en el momento de la división celular por alteraciones numericas o estructurales. La citogenetica es la disciplina que estudia y establece los complementos cromosomicos para cada especie y determina en su momento las causas de las diferencias con respecto al cariotipo normal; en ocasiones la citogenética puede establecer relaciones entre características morfológicas y/o funcionales con cambios cromosómicos. Objetivo específico Relacionar que cada especie animal y/o vegetal tienen un complemento cromosómico único en número y forma y que puede verse alterado por modificaciones estructurales y/o númericas. Conclusión: Las alteraciones cromosómicas permite que en un momento dado definir algún tipo de anomalía en un individuo de una especie en particular, pues no es normal que se presenten diferencias en el complemento cromosómico en cuanto a numero y morfología de los cromosomas. DENTRO DE ESTA CAPITULO DEBEN DESARROLLAR PRACTICA SOBRE DIVISION CELULAR DE MITOSIS. Propósito Conceptualizar sobre ciclo celular __________________________________________________________________

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

29

Ciclo celular El ciclo de una célula es análogo al de un ser vivo, nace, mediante la división de una célula progenitora, crece y se reproduce. El ciclo celular es la secuencia regular de los fenómenos para el crecimiento y la división de las células. Las células pasan por dos periodos o etapas en el curso de la vida; una es la interfase, que es la de no división celular y otra de división, en la cual se producen las células hijas. Estas fases que atraviesa una célula es entre una división y la siguiente. La división celular es un proceso complejo que requiere no solo de la replicación del patrimonio genético de la célula madre y su posterior distribución a las células hijas, sino también la duplicación de todos los componentes intracelulares que serán necesarios para la constitución de una nueva célula. Entonces antes de que la célula se pueda dividir efectivamente, debe sintetizar proteínas, duplicar ADN, duplicar organelos y ensamblar las estructuras necesarias para que se lleve acabo la mitosis y/o meiosis y, estos procesos preparatorios ocurren durante la interfase del ciclo celular. 3.1 Fases del ciclo celular El ciclo celular consta de dos periodos, Interfase y División celular conocido este último como estado M. La interfase consta a su vez de tres fases que son G1, S, G2. El estado G1 quiere decir "GAP 1"(Intervalo 1). La célula duplica su tamaño y aumenta la cantidad de organelos, enzimas y otras moléculas. El estado S representa "Síntesis". El ADN y proteínas asociadas se duplican. Y la Fase G2 representa "GAP 2 (Intervalo 2). Comienza la condensación de los cromosomas y el ensamble de las estructuras especiales requeridas para la división celular y citocinesis. El estado M representa "mitosis", y es cuando ocurre la distribución del material genético (los cromosomas se separan) y citoplasmática (citocinesis). (fig. 9). Las fases de la división celular se explicaran más adelante.

3.2 División celular Para perpetuar la vida se requiere de varios procesos biológicos esenciales, la división celular es uno de ellos, pues es el principal proceso de crecimiento y multiplicación celular, la división esta implícita dentro del ciclo celular. Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

30

Los organismos unicelulares se dividen para reproducirse, y en organismos multicelulares la división celular da lugar a células especializadas (óvulos y espermatozoides) que también son responsables del desarrollo del organismo multicelular. Hay dos tipos de división celular y pueden agruparse en: división asexual “mitosis” y división sexual “meiosis”. La citocinesis que es común para los dos tipos de división celular.

Figura 9. Fases del ciclo celular (tomado de http:// efn.uncor.edu/dep/biologia/introbiol/ciclo.htm)

3.2.1 Mitosis En esta división celular no esta implicada la unión sexual de diferentes individuos, en ella se produce dos células hijas diploides idénticas a partir de una célula progenitora: La mitosis consta de 4 fases. (fig. 10) Profase: La membrana nuclear comienza a romperse, y el nucleoplasma y el citoplasma se hacen uno solo. La cromatina en el núcleo comienza a condensarse

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

31

y se evidencia como finos hilos de algodón. El núcleolo (estructura esférica intranuclear que contiene componentes ribosómicos) desaparece en esta fase. Los centriolos comienzan a moverse a polos opuestos de la célula y sus fibras se extienden desde los centrómeros. Algunas fibras cruzan la célula para formar el huso mitótico. Metafase: En esta fase se hace visible el huso acromatico, las fibras de éste alinean los cromosomas a lo largo en el medio del área del núcleo celular. Esta organización ayuda a asegurar que en la próxima fase, cuando los cromosomas se separan, cada nuevo núcleo recibirá una copia de cada cromosoma. Anafase: Esta etapa comienza cuando los pares de cromatidas hermanas se separan moviéndose cada uno de los miembros de un par hacia uno de los polos. Las cromatides forman una serie de estructuras en forma de V. El movimiento es el resultado de una combinación de: el movimiento del cinetocoro a lo largo de los microtubulos del huso y la interacción física de los microtubulos polares. Telofase: Las cromatides llegan a los polos opuestos de la célula, y nuevas membranas se forman alrededor de los núcleos hijos. Los cromosomas se desenrollan y reaparecen los nucleolos. Las fibras del huso se dispersan, y la citocinesis o la partición de la célula puede comenzar también durante esta etapa. Citocinesis: La citocinesis, es la división del citoplasma, habitualmente, pero no siempre, acompaña a la mitosis. El proceso visible de citocinesis comienza generalmente durante la telofase de la mitosis y usualmente divide a la célula en dos partes casi iguales. En las células animales la citocinesis resulta de las constricciones de la membrana celular entre dos núcleos. En las células vegetales el citoplasma se divide por la confluencia de vesículas para formar la placa celular, dentro de la cual se forma posteriormente pared celular. En ambos casos, el resultado es la producción de dos células nuevas, separadas. Como resultado de la mitosis, cada una ha recibido una copia exacta del material genético de la célula materna y, después de la citocinesis, Aproximadamente la mitad del citoplasma y de los orgánulos. 3.2.2 Meiosis En la mayoría de los organismos complejos, como los animales y las plantas superiores, cuando ciertas células se dividen el resultado no es un par de nuevas células somáticas con la dotación cromosómica completa (diploide o 2n), sino que originan células con la mitad del número cromosómico (haploides n) y su producción esta íntimamente ligada con el proceso de división sexual. Estas células reproductivas son los gametos, y la división que los origina es la meiosis. La célula en donde arranca la división celular sexual se conoce como meiocito, este sufre dos divisiones nucleares dando lugar a 4 células hijas haploides óvulo o espermatozoide. Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

32

La meiosis esta dividida en meiosis I y meiosis II cada una de ellas se divide en profase, metafase, anafase y telofase.

Figura 10. Diagrama, mostrando los cambios ocurridos en el núcleo de las células durante el proceso de mitosis. I Interfase, II Profase temprana. III Profase IV Metafase. V Anafase. VI Telofase. VII y VIII Citocinesis. (Tomado de http://en.wikipedia.org/wiki/Mitosis)

Meiosis I ProfaseI: Los cromosomas se hacen visibles en esta etapa, se aparean cromosomas homólogos y se lleva a cabo el complejo sinaptonémico, el número de pares de cromosomas homólogos en el núcleo es igual al número n. Además en un estado avanzado de la profase, el emparejamiento entre los homólogos se

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

33

hace menos compacto y se observan estructuras en forma de cruz, denominadas quiasmas, estas son manifestaciones visibles de los entrecruzamientos entre las cromatides. Metase I: La membrana nuclear y los nucleolos desaparecen durante esta fase, y cada uno de los homólogos ocupa un lugar en la placa ecuatorial y los centromeros no hermanos se unen a las fibras del huso de polos opuestos. Anafase I: Los cromosomas se mueven direccionalmente hacia los polos Los pares de cromátidas hermanas se mueven hacia los polos. Telofoase I: En muchos organismos no se vuelve a formar la membrana nuclear, y las células pasan directamente a la meiosis II. En otros organismos los cromosomas se alargan y se hacen difusos, y vuelve a formarse la membrana nuclear. En todo caso, nunca hay síntesis de ADN en este momento. Profase II: Se caracteriza por la presencia del número haploide de pares de cromátidas hermanas, en estado condensado. Metafase II: Los pares de cromatidas hermanas se disponen en la placa ecuatorial. Anafase II: Los céntromeros se separan y las cromatidas hermanas son arrastradas hacia los polos por las fibras del huso. Telofase II: Se forman los núcleos alrededor de los cromosomas situados en los polos, el producto de la meiosis son e células haploides. Citocinesis: ocurre de igual manera que en la mitosis.

Interfase

Profase I

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

Metafase I

34

Anafase I

Metafase II

Telofase I

Anafase II

Profase II

Telofase II

Figura 11. Diagrama, mostrando los cambios ocurridos en el núcleo de las células durante el proceso de mitosis.

ESTRUCTURA Y TIPOS DE CROMOSOMAS Se denomina cromosoma a cada uno de los corpúsculos, generalmente en forma de filamentos, que existen en el núcleo de las células y controlan el desarrollo genético de los seres vivos. Los cromosomas eucarióticos son filamentos de cromatina que aparecen contraídos durante la metafase de la mitosis y la meiosis; sin embargo, cuando la célula está en reposo, aparecen contenidos en un núcleo y no se pueden distinguir mediante tinciones con determinados colorantes, debido a Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

35

un proceso de hidratación e imbibición que sufren, de manera que se muestran poco condensados. Nombre que recibe una diminuta estructura filiforme formada por ácidos nucleicos y proteínas presente en todas las células vegetales y animales. El cromosoma contiene el ácido nucleico, ADN, que se divide en pequeñas unidades llamadas genes. Éstos determinan las características hereditarias de la célula u organismo. Las células de los individuos de una especie determinada suelen tener un número fijo de cromosomas, que en las plantas y animales superiores se presentan por pares. En la mayoría de los organismos, las células reproductoras tienen por lo general sólo la mitad de los cromosomas presentes en las corporales o somáticas. Durante la fecundación, el espermatozoide y el óvulo se unen y reconstruyen en el nuevo organismo la disposición por pares de los cromosomas; la mitad de estos cromosomas procede de un parental, y la otra mitad del otro. El cromosoma es cada uno de los pequeños cuerpos en forma de bastoncillo en que se divide la cromatina del núcleo celular en la mitosis, los cuales contienen el código genético de la herencia. Los cromosomas están presentes en todas las células de un organismo (excepto en algunos tipos muy particulares, de vida corta, como los glóbulos rojos, que carecen de núcleo). De ordinario miden entre 5 y 15 micrómetros. Por otra parte, los cromosomas están constituidos por cadenas lineales de ácido desoxirribonucleico (ADN) y por proteínas, denominadas histonas, las proteínas histónicas son conocidas como H1, H2A, H2B, H3 y H4, que empaquetan el ADN en unidades de repetición denominadas nucleosomas. Las cadenas de ADN están estructuradas en unidades llamadas genes, sintetizadores de proteínas específicas, cada uno de los cuales posee por término medio del orden de 1.000 a 2.000 pares de nucleótidos. Las técnicas de estudio de los cromosomas han permitido obtener con gran precisión y detectar alteraciones genéticas responsables de síndromes cromosómicos que se traducen en malformaciones. El número de cromosomas es distinto para cada especie, aunque es constante para todas las células de la misma (ley de la constancia numérica de los cromosomas), excepto para las células reproductoras, que tienen una constitución cromosómica mitad (haploide) con respecto a las células somáticas (diploide). Durante la fecundación, el espermatozoide y el óvulo se unen y reconstruyen en el nuevo organismo la disposición por pares de los cromosomas; la mitad de estos cromosomas procede de un parental, y la otra mitad del otro. En la especie humana este número es de 46, de los cuales 44

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

36

son autosómicos y 2 sexuales (un par XY en el caso del hombre y un par XX en la mujer).

Existen dos clases de cromatina, la heterocromatina que tiene la propiedad de mantenerse condensada durante todo el ciclo celular y la eucromatina que es funcionalmente activa y corresponde a porciones menos condensadas, la cantidad y localización de la cromatina es particular para cada especie (Cortes, 1984). Desde el punto de vista funcional, la heterocromatina, esta altamente contraída y posee secuencias repetidas, contiene la mayoría de los genes que sufren mutación detectable; la presencia de secuencias repetitivas no quiere decir que la estructura sea inerte. Pues es el material que se encuentra junto a los centrómeros, telómeros y en muchos organismos corresponde a una parte o a la totalidad de los cromosomas sexuales X y Y. Por su parte la eucromatina es la que es genéticamente activa, en ella se encuentra los genes estables; es menos contraída que la heterocromatina, y durante el ciclo celular en interfase, generalmente se encuentra difusa y es difícil de observar. Las técnicas de estudio de los cromosomas, llamado Citogenética ha permitido obtener con gran precisión la estructura de los cromosomas y con esto detectar alteraciones genéticas responsables de síndromes cromosómicos que se traducen en malformaciones genéticas funcionales y/o estructurales

Características de los cromosomas En resumen, el cromosoma cumple con las siguientes características: - Es la agrupación de las unidades de la herencia - Los genes siempre están en unidades, nunca aislados - Es una estructura funcional, que conserva su individualidad - Presentan segregación, no aleatoria - Su difusión es una forma económica del uso de la información - Están presentes en todos los organismos eucariotas

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

37

En todo cromosoma es posible distinguir dos mitades longitudinales o cromátidas que se dividen durante la división celular, las principal parte distinguible de un cromosoma es el centrómero o constricción primaria, a la que se fijan las fibras del huso acromático en la mitosis y la meiosis; Existen también los brazos cromosómicos, brazos largos (q) y cortos (p) que son cada una de las partes de mayor o menor longitud en un mismo cromosoma al dividirlo horizontalmente sobre el centrómero y dependiendo de la posición del centrómero estos brazos son iguales, aproximadamente iguales o muy desiguales en longitud, lo que determina tipos morfológicos de cromosomas, conocidos respectivamente como metacéntricos, submetacéntricos y telocéntricos (acrocéntricos), de gran importancia para la caracterización del cariotipo. En la fotografía puede observarse las estructuras antes mencionadas. El tema de cariotipos será visto más adelante.

Fotografía Metafase de crocodilus intermedius (Cortesía de Janet Camacho Garzón)

Subestructura de los cromosomas

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

38

El cromosoma esta organizado en subestructuras a saber: •

Cromómero: expresión constante del sistema de enrolado del ADN, los cromómeros aumentan progresivamente de tamaño y disminuye en número hasta que se convierte en las espiras claramente visibles del final de la profase.

•

Centrómero: se conoce como constricción primaria del cromosoma, éste ese caracteriza por la presencia de secuencia repetitivas de ADN; el centrómeros divide el cromosoma en brazos cortos (p) y brazos largos (q), además de participar junto con el kinetocoro en la migración de los cromosomas en la división celular.

•

Kinetocoro:se puede definir como el lugar físico de unión de los cromosomas (centrómero) a las proteínas de los microtubulos del huso mitótico, el kinetocoro orienta correctamente a los cromosomas en el ecuador durante la división celular.

•

Región Oranizadora Nucleolar (NOR’s): los NOR usualmente están relacionados con las constricciones secundarias de cromosomas específicos, corresponden a los sitios en donde se encuentran el complejo de genes para sintetizar RNA-ribosomal. Además están asociados con la heterocromatina constitutiva o DNA satélite.

•

Telomero: Son secuencias repetitivas que delinean el final del cromosoma, y son los responsables de mantener la integridad de los mismos.

•

Cromátides: corresponden a cada una de los partes separadas longitudinalmente (excepto en el centrómero) en un cromosoma duplicado.

•

Brazos cromosómicos: los brazos largos (q) y cortos (p) son cada una de las partes de mayor o menor longitud en un mismo cromosoma al dividirlo horizontalmente sobre el centrómero

Tipos de cromosomas Algunos tipos particulares de cromosomas son los siguientes: Cromosoma en anillo. Delección de la porción final de un cromosoma y reunión de las dos porciones distales nuevas, que forman un anillo. Cromosoma gigante. Cromosoma atípicamente grande formado por la no-disyunción de las cromátidas en sucesivas mitosis. Son típicos de las glándulas salivales de los dípteros y tienen especial valor para la confección de mapas cromosómicos. Cromosoma sexual o heterocromosoma. Cromosoma, de tipo X o Y, determinante del sexo. Cromosoma bacteriano. ADN de doble filamento de la célula procariota que forma una gran molécula única y circular (de algunos millones de pares de bases). No tiene histonas y, por tanto, tampoco la estructura tridimensional típica de los cromosomas eucariotas. Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

39

CARIOTIPOS Y ALTERACIONES CROMOSÓMICAS Cariotipo El complemento cromosómico normal haploide o diploide con respecto a la talla, forma y número, característico de un individuo, especie, género u otro grupo, constituyen el cariotipo; en la mayoría de organismos todas las células que los forman tienen el mismo cariotipo. Este manifiesta un número cromosómico constante conocido como número modal, además del número fundamental que se refiere al número total de brazos cromosómicos dentro del complemento (camacho, 1999) como se muestra en la siguiente fotografía.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

40

Cuando el cariotipo es presentado gráficamente, con los cromosomas ordenados por talla, numerados, con el brazo corto hacia arriba y los centrómeros alineados en cada una de las categorías según relación de brazos e índices centroméricos, se denomina idiograma.

Recordemos que un cariotipo es la organización particular tanto en morfología como tamaño del complemento cromosómico de una especie; una alteración cromosómica es la que mofica el nmero total o la estructura de un cariotipo normal. Una alteración cromosómica puede clasificarse en dos grandes grupos: numéricas que están representadas fundamentalmente por aneuploidias, y estructurales que son translocaciones, inversiones, deleciones y duplicaciones.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

41

Numéricas: aumento o disminución en número de cromososmas individuales, así puede haber nulosomias 2n-2, monosomia: 2n-1 trisomia 2n+1 tetrasomia 2n+2, etc. Las aleraciones numericas tienen como particularidad de presentar en animales anomalias fisicas y/o mentales e inlcusive la mortalidad, pero en plantas se conocen beneficios en cuanto a la resistencia a enfermedades. Estructurales: modificación de la estructura y cantidad de material genético, las traslocaciones e inversiones son modificaciones sin perdida de material. Traslocación: intercambio de material genético entre un cromosoma y otro. Las translocaciones estan relacionadas generalmente con malformaciones congenitas, que en el caso de los animales reducen los rendimientos en las diferentes areas de producción (leche y derivados, carne reproducción); un ejemplo de esto es la translocación Robersoniana 1/29 en bovinos que afecta la fertilidad. Inversión: ruptura y reorganización de un segmento genético dentro del mismo cromosoma. Deleción: cromosoma que a sufrido la perdida de un segmento cromosómico Duplicación: Aumento de una porción del material genético.

Alteraciones cromosómicas Para entender que es una alteración cromosómica debemos entender primero que es un cariotipo, este es la organización particular tanto en morfología como tamaño del complemento cromosómico de una especie; el cariotipo normal se pude ver modificado por las alteraciones cromosómicas. Una alteración cromosómica puede clasificarse en dos grandes grupos: numéricas y estructurales. Las primeras están representadas fundamentalmente por aneuploidias, y las segundas principalmente por translocaciones, inversiones, deleciones y duplicaciones. Numéricas: aumento o disminución en número de cromososmas individuales, así puede haber nulosomias 2n-2, monosomia: 2n-1 trisomia 2n+1 tetrasomia 2n+2, etc. Estructurales: modificación de la estructura y cantidad de material genético, las traslocaciones e inversiones son modificaciones sin perdida de material. -

Traslocación: intercambio de material genético entre un cromosoma y otro. Inversión: ruptura y reorganización de un segmento genético dentro del mismo cromosoma.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

42

-

Deleción: cromosoma que a sufrido la perdida de un segmento cromosómico Duplicaición: Aumento de una porción del material genético.

Bandas cromosómicas Para establecer con certeza la morfologia y número de los cromosomas en los estudios citogenéticos se utilizan técnicas de coloración como Giemsa. Pero para diferenciar cariológicamente especies que se parecen en su morfología o para establecer diferencias inter e intra poblacionales es necesario recurrir a otras técnicas que permitan un mejor análisis de los componentes cromosómicos. El bandeo cromosómico es la técnica que no sólo ayuda a entender mejor la estructura de los cromosomas sino que además permite hacer una correlación más precisa entre pares de cromosomas homologos. Las bandas cromosomicas son tratamientos químicos y producen diferentes tipos de bandas al afectar diferencialmente tanto las proteínas nucleares como la cromatina , se define como banda al cambio cualitativo y/o cuantitativo que se produce en la cromatina realzándose una característica propia de ésta. Las bandas más comunes son las estructurales C, G, Q y la banda funcional NOR. Tanto la banda C como la banda G presentan patrones de bandas oscuras y claras a lo largo del cromosoma; la banda C por lo general esta relacionada con regiones heterocromáticas que contienen DNA altamente repetitivo (no codificante), localizado principalmente en centrómeros y/o telómeros, esta banda representa la pérdida de DNA, preferencialmente de eucromatina. La variabilidad en la banda C se establece como indicador genético en los cromosomas y puede ser utilizada en la identificación de diferentes poblaciones o grupo de peces (Hartley y Horne, 1984) La banda G realza una estructura ya propia de los cromosomas, los cromómeros, que corresponden a heterocromatina intercalar posiblemente no codificante (Comings, 1978), los mecanismos de la banda C y G parecen estar muy relacionados, ambos producen un estado de relajación en las regiones eucromáticas (Jack et al, 1985) La banda Q colorea casi siempre regiones que son banda C positivas debido a que la quinacrina (fluorocromo) se une a regiones de DNA ricas en secuencias AT, aunque la intensidad de la banda puede variar dependiendo de la heterogeneidad de la heterocromatina (Rocchi, 1982). La coloración con plata de las Regiones Organizadoras Nucleolares (NOR) es uno de los métodos empleados para localizar el complejo de los genes 18S y 28S del Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

43

RNA-ribosomal (Mayr, 1985; Ráb, 1987; Oberdorff et al, 1990; Powers y Gold, 1992), ésta coloración está asociada exclusivamente con los NOR transcripcionalmente activos, es decir, la actividad del NOR se considera como una precondición para la coloración (Haaf, 1984), pues solo son visibles en una metafase los NOR que estuvieron activos en la interfase inmediatamente anterior. Los NOR usualmente están relacionados con las constricciones secundarias de cromosomas específicos (Oberdoff et al, 1990) y/o asociados con la heterocromatina constitutiva o DNA satélite (Sánchez et al., 1990; Delgado et al., 1994)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

44

CAPITULO 3 VARIACION GENETICA Introducción La variación genética se refiere a la variación en el material genético en una población o una especie. Una de las consecuencias más importantes de la tansmisión independiente es la producción por un individuo de gametos genéticamente diferentes. Debido a que los dos miembros de cualquier pareja de cromosomas homólogos raramente son idénticos genéticamente, si es que lo son alguna vez, se produce variación genética. Debido a que la transmisión independiente da lugar a todas las combinaciones cromosómicas posibles, se produce una gran diversidad genética (Klug y Cummings, 2001). Enlace de interés http://www.minag.gob.pe/rrnn/rrnn_g_var.shtml Por su parte, la variabilidad genética nueva puede generarse desde el cambio en un solo gen por procesos de mutuaciones puntuales o involucrar varios genes. También la variación puede presentarse por cambios estructurales o numéricos del complemento cromosómico. La variación genética esta relacionada con los procesos de evolución y deriva genética. Objetivo específico Relacionar que en los sistemas de producción se pierde la variedad genética. Lo que busca el aprovechamiento de un sistema es homogenizar las características genéticas de los individuos, es decir producción de homocigotos.

Conclusión: La variación genética es la responsable de que exista una especie perdure en el tiempo dado que al haber diferencia y recombinación de sus genes es difícil que se algún factor externo las afecte por igual; por otra parte en las producciones animales lo que se pretende es homogenizar el material genético de los individuos es decir que la variabilidad genética se pierde y se obtengan individuos homocigotos, con propósitos comerciales.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

45

______________________________________________________ 1. Teoría de la Evolución El concepto de evolución fue propuesto desde antes de Darwin, la mayoría de biólogos estaban de acuerdo conque las nuevas especies aparecían de otras más antiguas. Charles Darwin nació en Sherewsbury, Inglaterra, en 1809. Era hijo y nieto de médicos. Su abuelo, Erasmus Darwin fue un célebre médico y poeta del siglo XVIII, precursor de sus teorías y al que no llegó a conocer. Darwin resumió la teoría de la evolución mediante tres principios: • • •

Principio de la Variación: Entre individuos de una población hay variación en cuanto a morfología y comportamiento. Principio de herencia: Los descendientes se parecen a sus progenitores más de lo que se parecen a otros individuos no emparentados. Principio de selección: En un ambiente concreto, algunas formas tienen más éxito que otros en cuanto a su supervivencia y reproducción. Los individuos de una generación son cualitativamente distintos entre sí. La evolución de una especie en su conjunto se produce por las diferentes tasas de supervivencia y reproducción de los distintos tipos de individuos. Estas variantes no están relacionadas con el medio ambiente pero sí dependen de él.

Factores como las modificaciones del medio y los cambios en la alimentación pueden provocar, en los individuos de una especie, variaciones que pueden dar lugar a modificaciones en la morfología o incluso en sus elementos reproductores. Darwin distinguió las variaciones definidas, idénticas siempre que aparecen, de las no definidas, que pueden presentar características muy diferentes al aparecer en diferentes individuos. El proceso selectivo puede provocar un cambio en la composición de una población pero solo si hay variantes entre los que hay que seleccionar. Si todas son idénticas no puede haber reproducción diferencial. Si los animales grandes tienen mayor cantidad de descendientes que los animales pequeños, pero estos descendientes no son mayor que la media de los animales pequeños, no habrá un cambio en la composición de la población de una generación a otras. El seguimiento de las especies exige el desarrollo de los mecanismos genéticos de aislamiento, que crean entre ellos barreras fisiológicas; precisamente el surgimiento de estos mecanismos de aislamiento pone limite a que una raza dada que se separo se cruce con poblaciones de especies iniciales. Son varias las fuentes de la Variación Genética a saber: Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

46

•

Mutación: Es la fuente primaria de cambio genético; nuevos alelos aparecen continuamente en todos los organismos, algunos de forma espontánea, otros como resultado de la exposición a agentes mutagénicos ambientales; la tasa de cambio por mutación es muy lenta, la tasa de mutación se define como la probabilidad de que la copia de un alelo fuera completamente homocigoto A y que la mutación hacia a ocurra en una tasa de 1/100.000. En este caso la frecuencia del alelo a sería de 1X1/100.000 =0.00001 y la frecuencia del alelo A seria 0.99999. Tras otra generación de mutaciones la frecuencia de a seria 099999X1/100.000 = 0.00009 de modo que la nueva frecuencia sería de 0.000019 mientras el alelo original habría disminuido a 0.999981. La variación de A a a es muy lenta porque cada vez hay menos alelos originarios para mutar.

•

Recombinación: Puede ser un proceso mucho más rápido; es el proceso mediante el que los alelos de distintos genes se asocian en nuevas combinaciones. En los eucariotas , la mayor parte de la recombinación se produce en al meioisis. La recombinación meiotica es un proceso en el que barajan los genes que forman pares alélicos heterocigóticos y se reparten, en distintas combinaciones, a los productos de la meiosis (óvulos y espermatozoides de plantas y animales).

•

Migración: Cualquier forma de introducir genes desde una población a otra. La mezcla de poblaciones resultantes tendrá una frecuencia alélida intermedia entre el valor original y la frecuencia del donante.

2. Observación de la Variación Genética La genética de poblaciones se ocupa de la variación genotípica, pero por definición solo podemos observar la fenotípica. La relación entre fenotipo y genotipo varia de carácter a carácter. En un extremo, el fenotipo puede se la secuencia conocida de un fragmento de ADN (Genoma) en este caso no hay diferencias y se dice que se observa directamente el genotipo; en el otro extremo esta la mayoría de las características de interés para los mejoradores de plantas y animales y para la mayoría de los evolucionistas, como variaciones en el rendimiento, tasa de crecimiento, forma del cuerpo, tasa metabólica y conducta. Estos caracteres tienen una relación muy compleja con el genotipo y no siempre es posible emitir afirmaciones muy precisas sobre la variación genotípica que subyace a las caracteres cuantitativos.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

47

Es por eso que la mayoría de estudios experimentales de genética de poblaciones se ha centrado en caracteres con relaciones sencillas entre fenotipo - genotipo parecidas a los de Mendel (Cálculo de frecuencias alélicas) Los cálculos realizados en genética de poblaciones nos puede dar la medida de variación que es la magnitud de la heterocigosidad de un locus que se refiere al total de individuos heterocigotos para ese locus. Variación dentro de una población y entre poblaciones Los ejemplos estudiados muestran que hay diferencias genéticas entre individuos de una población y que las frecuencias alélicas difieren entre poblaciones distintas. Por ejemplo en humanos algunas frecuencias génicas como los que tienen que ver con el color de la piel y con la forma del cabello son obviamente diferentes entre poblaciones y entre grupos geográficos, aquí se habla de frecuencias alelicas. Variación cuantitativa Tomado de Legates & Warwick (1992) NATURALEZA DE LA VARIACIÓN

Variación continua y discontinua Por lo general, los rasgos se agrupan en dos: los que muestran diferencias, cualitativas y los que presentan diferencias cuantitativas; en los primeros, las variaciones están en clases bien definidas debido a que el control de dichos rasgos lo ejercen uno o pocos pares de genes, cuya expresión final no se ve muy afectada por factores ambientales externos. Un ejemplo de este tipo de carácter es el ganado con o sin cuernos; en todos los casos el animal exhibe de manera clara una de estas dos características: Por otro lado, los rasgos cuantitativos tienen toda una gama de graduaciones, de la más pequeña a la más grande, como la producción de leche, la esquila de lana y la tasa de aumento de peso en lotes de engorda. Los dos tipos de variación que se relacionan con ambas clases de caracteres se describen como discontinua y continua. Los caracteres cualitativos sugieren variación discontinua (en clases bien definidas); los cuantitativos, variación continua (muchas graduaciones pequeñas que se intergradúan entre ellas de manera casi imperceptible). Mendel estudió, en chícharos, un rasgo cuantitativo (altura contra enanismo) que se comportaba como cualitativo; es decir, los chícharos eran altos o enanos. Con frecuencia, los estudiantes y criadores de ganado se frustran por su aparente incapacidad para encontrar evidencias claras de los principios conocidos simples de la herencia en animales de granja. La principal razón para que la herencia en el ganado no se resuelva de un modo simple es que la mayor parte de los caracteres

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

48

de los animales superiores, que se consideran importantes en la economía, son muy complejos; algunos de estos se determinan por la acción de uno o dos pares de genes, y muy pocos son inmunes a las influencias ambientales. Cabe esperar en la mayoría de los rasgos, por la gran cantidad de genes relacionados y su expresión sujeta a factores ambientales, que se observan series graduales, en lugar de clases discretas o bien definidas. Se desconoce el número de genes que están presentes en el complejo hereditario en animales de granja, pero de manera conservadora podría estar comprendido dentro de los miles. En cualquier especie, un gran número de genes está en forma homocigótica y por ello no contribuyen a la variación que se observa en dicha especie. La mayor parte de los rasgos cuantitativos, como tamaño, tasa de crecimiento, producción de leche y huevo, y fertilidad dependen de la interacción de gran número de factores hereditarios e influencias ambientales para expresarse. No se sabe cuántos genes influyen en el tamaño corporal; pero sí que todo organismo se origina a partir de un cigoto unicelular, el cual, con base en su herencia y a condición de que el ambiente sea adecuado, continua a dividiéndose hasta alcanzar cierta talla. Glándulas como la hipófisis, tiroides, timo y quizá también adrenales y gónadas influyen en la tasa de crecimiento y tamaño a la madurez mediante su secreción individual e interacciones complejas entre ellas. ¿Cuántos genes individuales e interacciones génicas toman parte en este complicado proceso? Aún en organismos simples, como la mosca de la fruta, se sabe que 30 genes, distribuidos en los cuatro pares de cromosomas, tienen influencia sobre el color de los ojos. Además del tamaño hay otros factores que tienen una parte importante en el desempeño total del animal; entre los que se incluyen la eficiencia en la digestión, absorción y eliminación; tasa de flujo sanguíneo o metabolismo basal en general; número y actividad funcional de las células secretorias de la ubre; disposición del animal; niveles adecuados de alimentación, presencia o ausencia de buenas prácticas de manejo y que esté libre de enfermedades diversas. Es suficiente lo dicho para indicar que el funcionamiento fisiológico general de cualquier animal es muy complejo y es probable que comprenda la acción e interacción de cientos o miles de pares de genes (loci

PROBABILIDAD Definición La probabilidad es la posibilidad de que algo pase. Las probabilidades se expresan como fracciones o como decimales que están entre uno y cero. Tener una probabilidad de cero significa que algo nuca va a suceder; una probabilidad de uno indica que algo va a suceder siempre. Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

49

Un experimento aleatorio se caracteriza porque repetido muchas veces y en idénticas condiciones el cociente entre el número de veces que aparece un resultado (suceso) y el número total de veces que se realiza el experimento tiende a un número fijo. Esta propiedad es conocida como ley de los grandes números, establecida por Jakob Bernouilli. Tiene el inconveniente de variar la sucesión de las frecuencias relativas de unas series de realizaciones a otras, si bien el valor al que se aproximan a medida que el número de realizaciones aumentan se mantiene estable. Reglas de probabilidad. La mayoría de los administradores que utilizan la probabilidad se preocupan por dos condiciones: • El caso en que un evento u otro se presente. • La situación en que dos o más eventos se presenten al mismo tiempo. La probabilidad de un evento A se expresa como: p(A) La frecuencia relativa del suceso A es : P(A) =

Número de veces que aparece A Número de veces que se realiza el experimento

Veamos el siguiente ejemplo, En una baraja de 40 cartas, cual es la probabilidad de que salga una carta de “As” o una carta de “Oros” ?

P (As) =

P (Oros) = cartas totales

Número de ases

4

Número de cartas totales

40

Número de Oros 40

10

= 0.1

= 0.25

Número

de

Regla de la adición para eventos mutuamente excluyentes. A menudo, estamos interesados en la probabilidad de que una cosa u otra suceda. Si estos dos eventos son mutuamente excluyentes, podemos expresar esta

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

50

probabilidad haciendo uso de la regla de adición para eventos mutuamente excluyentes: P (A o B) = P (A) + P (B) Existe un caso especial, para cualquier evento A, tenemos que éste sucede o no sucede. De modo que los eventos A y no A son mutuamente excluyentes y exhaustivos: P(A) + P(no A) = 1 P(A) = 1 - P(no A) Regla de adición para eventos que no son mutuamente excluyentes. Si dos eventos no son mutuamente excluyentes, es posible que ambos se presenten al mismo tiempo. En tales casos, debemos modificar la regla de la adición para evitar el conteo doble: P(A o B) = P(A) + P(B) - P(AB) Probabilidad bajo independencia estadística. 5.1 El conocimiento de que ha ocurrido el suceso A modifica, en algunas ocasiones, la probabilidad del suceso B, pero en otras no. Los sucesos en los que, conociendo que uno ha ocurrido, no se modifica la probabilidad del otro, decimos que son independientes y, si se modifica, decimos que son dependientes entre sí. Existen tres tipos de probabilidades que se presentan: • Marginal. • Conjunta. • Condicional. 5.2 Probabilidades marginales bajo independencia estadística. Una probabilidad marginal o incondicional es la probabilidad simple de presentación de un evento. 5.3 Probabilidades conjuntas bajo condiciones de independencia estadística. La probabilidad de dos o más eventos independientes que se presentan juntos o en sucesión es el producto de sus probabilidades marginales: P (AB) = P(A) X P(B) Un árbol de probabilidad muestra los resultados posibles y su respectiva probabilidad.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

51

5.4 En el cálculo de las probabilidades de algunos sucesos, el valor de dicha probabilidad está en función del conocimiento de determinadas informaciones relativas a estos sucesos. Por ejemplo, si disponemos de una urna que contiene cuatro bolas numeradas del 1 al 4, extraemos una bola y seguidamente la volvemos a introducir para realizar una segunda extracción, la probabilidad de extraer, por ejemplo, la bola número 3 en la segunda extracción es la misma que en la primera. Si realizamos el mismo proceso sin reemplazar la bola extraída la probabilidad de extraer, por ejemplo, la bola número 3 en la segunda extracción dependerá de la bola extraída en primer lugar. Simbólicamente, la probabilidad condicional se escribe: P(B/A) Y se lee "la probabilidad de que se presente el evento B, dado que el evento A se ha presentado". La probabilidad condicional es la probabilidad de que un segundo evento (B) se presente, si un primer evento (A) ya ha sucedido. Para eventos estadísticamente independientes, la probabilidad condicional de que suceda el evento B dado que el evento A se ha presentado, es simplemente la probabilidad del evento B: P(B/A) = P(B) Las probabilidades marginales bajo dependencia estadística se calculan mediante la suma de las probabilidades de todos los eventos conjuntos en los que se presenta el evento sencillo. Comprobación de las proporciones genéticas 6.1 Teoría de muestreo Si se lanza una moneda, es de esperarse que en la mitad de las veces caiga cara y en la otra mitad cruz. Esta probabilidad hipotética se basa en un número infinito de lanzamientos de monedas donde los efectos de desviaciones al azar de 0.5 a favor ya sea de cara o cruz se cancelan una a la otra. Sin embargo, todos los experimentos reales involucran números finitos de observaciones y, por lo tanto, Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

52

pueden anticiparse algunas desviaciones de los números esperados (error de muestreo). Se supondrá que no hay diferencias entre los resultados observados en un experimento de lanzamiento de monedas y los resultados esperados que no pueden ser explicados sólo por el azar (hipótesis nula). ¿ Qué tan grande es la desviación de la proporción esperada 50-50 antes de que la hipótesis nula sea rechazada?

Convencionalmente, la hipótesis nula en la mayoría de los experimentos biológicos se rechaza cuando la desviación es tan grande que puede ser explicada por el azar en menos del 5% de las veces. Se dice que dichos resultados son significativos. Cuando la hipótesis nula se rechaza al nivel del 5%, se tiene una oportunidad en 20 de desechar una hipótesis, pero marca limites para nuestra incertidumbre. Si se desea estar más seguros de que el rechazo de la hipótesis es justificado se puede usar el nivel del 1%, llamado con frecuencia altamente significativo, en cuyo caso el experimentador tiene sólo una oportunidad en un cien de rechazar una hipótesis válida.

6.2 Tamaño de la muestra. Si el experimento de lanzamiento de monedas se basa en números pequeños, se puede anticipar que desviaciones relativamente grandes de los valores esperados ocurrirán con mucha frecuencia sólo por azar. Sin embargo, conforme se incrementa el tamaño de la muestra, las desviaciones se hacen proporcionalmente menores, de tal forma que en una muestra de tamaño infinito las desviaciones aleatorias más y menos se cancelan completamente entre sí para producir una proporción 50-50.

6.3 Grados de liberta Supóngase que una moneda se lanza 100 veces. Se puede asignar arbitrariamente cualquier número de caras desde 0 hasta 100 para que aparezcan en este experimento hipotético. Sin embargo, una vez que el número de caras se ha establecido, el resto serán cruces y la suma debe ser 100. En otras palabras, se tiene n – 1 grados de libertad en la asignación de números al azar n clases en un experimento. Por ejemplo, en un experimento que incluye tres fenotípos (n=3), se pueden llenar dos de las clases al azar, pero el número de la tercera clase debe constituir el resto del número total de individuos observados. Por lo tanto, se tiene 3-1 = 2 grados de libertad.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

53

Una proporción dihíbrida 9:3:3:1 tiene cuatro fenotípos (n=4). Hay 4 - 1 =3 grados de libertad. El número de grados de libertad en este tipo de problemas es el número de variables (n) bajo consideración menos uno. Para la mayoría de los problemas genéticos, los grados de libertad serán uno menos que el número de clases fenotípicas. Obviamente, conforme se involucran más variables en un experimento, mayor será la desviación total debida al azar.

6.4 Prueba de chi-cuadrado La prueba X² es una medida de la compatibilidad entre una frecuencia observada (ƒo) de un determinado evento o una de sus característica y la frecuencia teórica esperada (ƒe), con base en una distribución supuesta. Cada X² depende del tamaño de la muestra (n); para muestras pequeñas ( o pocos grado de libertad, g.1.) esta distribución esta fuertemente sesgada en dirección positiva. En Tanto que la muestra se incrementa en tamaño, X² tiende a aproximarse a la distribución normal. Todos los valores de X² son positivos y varían de cero (0) a infinito. La media aritmética X de una distribución teórica de X² es igual al valor n de la muestra en estudio (http://www.pucpr.edu/facultad/atorres/)

Para evaluar una hipótesis genética, se necesita una prueba que pueda convertir las desviaciones de los valores esperados en la probabilidad de que esas desigualdades ocurran al azar. Además, esta prueba debe tomar en consideración el tamaño de la muestra y el número de variables (grados de libertad). La prueba de chi-cuadrado (pronunciada ji; simboliza X2) incluye todos esos factores. n X2=

∑

(oi - ei)2 = (o1 - e1)2

+

(o2 - e2)2

+ ….. + (on - en)2

i=1

ei

e1

e2

en

n donde

∑

significa sumar el término que sigue cuando las clases i se i = 1

incrementa de 1 a n, o representa el número de observaciones dentro de una clase, e representa el número esperado en la clase de acuerdo con la hipótesis Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

54

bajo prueba y n es el número de clases. El valor de chi-cuadrado puede convertirse entonces en la probabilidad de que las desviaciones se deban al azar. En la siguiente tabla se observa la distribución de chi-cuadrado para varios grados de libertad.

Probabilidad Grados de libertad

0.95

0.90

0.80

0.70

0.50

0.30

0.20

0.10

0.05

0.01

0.001

1

0.004

0.02

0.06

0.15

0.46

1.07

1.64

2.71

3.84

6.64

10.83

2

0.10

0.21

0.45

0.71

1.39

2.41

3.22

4.60

5.99

9.21

13.82

3

0.35

0.58

1.01

1.42

2.37

3.66

4.64

6.25

7.82

11.34

16.27

4

0.71

1.06

1.65

2.20

3.36

4.88

5.99

7.78

9.49

13.28

18.47

5

1.14

1.61

2.34

3.00

4.35

6.06

7.29

9.24

11.07

15.09

20.52

6

1.63

2.20 3.07

3.83

5.35

7.23

8.56

10.64

12.59

16.81

22.46

7

2.17

2.83 3.82

4.67

6.35

8.38

9.80

12.02

14.07

18.48

24.32

8

2.73

3.49 4.59

5.53

7.34

9.52

11.03

13.36 15.51

20.09

26.12

9

3.32

4.17 5.38

6.39

8.34 10.66

12.24 14.68

16.92

21.67

27.88

10

3.94

4.86

7.27

9.34

13.44

18.31 23.21

29.59

6.18

11.78

15.99

No significativo

significativo

Un método alternativo para calcular la chi-cuadrado en problemas que incluyen sólo dos fenotípos dará el mismo resultado que el método convencional y con frecuencia hace más fácil los cálculos. X2 = (A – RB)2 R(a + b)

Donde a y b son los números en las dos clases fenotípicas y r es la proporción esperada de a a b.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

55

UNIDAD DIDÁCTICA 2 CAPITULO 4 HERENCIA MENDELIANA Introducción Las tres leyes descubiertas por Mendel se enuncian como sigue: La primera, cuando se cruzan dos variedades puras de una misma especie, los descendientes son todos iguales y pueden parecerse a uno u otro progenitor o a ninguno de ellos. La segunda afirma que, al cruzar entre sí los híbridos de la segunda generación, los descendientes se dividen en cuatro partes, de las cuales una se parece a su abuela, otra a su abuelo y las dos restantes a sus progenitores. Por último, la tercera ley concluye que, en el caso de que las dos variedades de partida difieran entre sí en dos o más caracteres, cada uno de ellos se transmite de acuerdo con la primera ley con independencia de los demás Para entender y conceptualizar las leyes de Mendel es de suma importancia entender ciertos términos genéticos, tales como: Individuos heterocigotos, que son aquellos individuos que tienen alelos diferentes en ambos cromosomas. Individuos homocigotos, son aquellos que tienen los mismos alelos en ambos cromosomas. Alelo recesivo: es aquel que se expresa únicamente en condicion homocigota Alelo dominante: es aquel que expresa una caracteristica aun cuando se encuentra en condición heterocigota. Existen diferentes mecanismos de herencia que son autosómica y ligada al sexo, esta depende en cual de los cromosomas se ubica el gen. En este capìtulo se hablara sobre las caracterìsticas autosómicas, y se explicaran las proporciones obtenidas en cada uno de los cruces monohìbrido y dihìbrido. Objetivo especifico Conceptualizar y diferenciar entre , alelos, locus, genes.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

56

Relacionar las condiciones de recesividad, dominancia, homocigosidad y heterocigosidad con las características fenotípicas específicas de un individuo

Conclusión: La definición de las tres Leyes de Mendel es lo que permite entender la segregación de gametos y la distribución independiente de cada uno de ellos, y establecer las proporciones en los diferentes cruces dihìbridos o trihìbiridos DENTRO DE ESTE CAPITULO DEBERAN DESARROLLAR LA PRÀCTICA CORRESPONDIENTE A LA PERCEPCIÓN DE LA FENILTIOCARBAMIDA Propósito: conceptualizar acerca de dominancia y recesividad ______________________________________________________ 1. Bibliografía de Johann Gregor Mendel Nació en 1822 en Heizendorf, hoy Hyncice, actual República Checa y murió en 1884 Brünn, hoy Brno, id. Biólogo austriaco. Su padre era veterano de las guerras napoleónicas y su madre, la hija de un jardinero. Tras una infancia marcada por la pobreza y las penalidades, en 1843 Johann Gregor Mendel ingresó en el monasterio agustino de Königskloster, cercano a Brünn, donde tomó el nombre de Gregor y fue ordenado sacerdote en 1847. Residió en la abadía de Santo Tomás (Brünn) y, para poder seguir la carrera docente, fue enviado a Viena, donde se doctoró en matemáticas y ciencias (1851). En 1854 Mendel se convirtió en profesor suplente de la Real Escuela de Brünn, y en 1868 fue nombrado abad del monasterio, a raíz de lo cual abandonó de forma definitiva la investigación científica y se dedicó en exclusiva a las tareas propias de su función. El núcleo de sus trabajos, que comenzó en el año 1856 a partir de experimentos de cruzamientos con guisantes efectuados en el jardín del monasterio le permitió descubrir las tres leyes de la herencia o leyes de Mendel, gracias a las cuales es posible describir los mecanismos de la herencia y que fueron explicadas con posterioridad por el padre de la genética experimental modeRNA, el biólogo estadounidense Thomas Hunt Morgan (1866-1945). En el siglo XVIII se había desarrollado ya una serie de importantes estudios acerca de hibridación vegetal, entre los que destacaron los llevados a cabo por Kölreuter, W. Herbert, C. C. Sprengel y A. Knight, y ya en el siglo XIX, los de Gärtner y Sageret (1825). La culminación de todos estos trabajos corrió a cargo,

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

57

por un lado, de Ch. Naudin (1815-1899) y, por el otro, de Gregor Mendel, quien llegó más lejos que Naudin. 2. Experimentos de Mendel Para realizar sus trabajos, Mendel no eligió especies, sino razas autofecundas bien establecidas de la especie Pisum sativum. La escogencia del material experimental no fue un accidente, sino el resultado de pensar larga y cuidadosamente. En primer lugar, la polinización podría ser controlada con facilidad en dicha planta. Normalmente el guisante se autofecunda y, en consecuencia, el uso de una de las principales técnicas de Mendel, la “autofecundadación”, no presentaba ninguna dificultad. Cuando se requería la fecundación cruzada entre dos plantas del guisante, Medel sólo tenía que sacar los estambres de una planta (órganos productores del polen) y transferirlos a otra planta de la que se hubiesen eliminado previamente los estambres. En segundo lugar, era fácil cultivar las plantas del guisante y el periodo comprendido entre una generación y o la siguiente sólo abarcaba una estación de cultivo. En tercer lugar, los guisantes presentaban características hereditarias bien definidas que habían sido recolectadas por los cultivadores en forma de variedades individuales. Mendel escogió siete “caracteres unitarios “ distintos para seguir su herencia en sus experimentos, caracteres que iban desde el tamaño del tallo hasta la forma de la semilla. Cada carácter utilizado presentaba dos aspectos alternativos o “características”, semillas lisas o rugosas, con cotiledón amarillo o verde, cubierta gris (flores violetas) o cubierta blanca (flores blancas), vaina entera o con constricciones, de color verde o amarilla, tallo con vainas y flores axiales a lo largo del tallo o con vainas y flores terminales en el extremo del tallo, y tallo de alto o corto. La primera fase del experimento consistió en la obtención, mediante cultivos convencionales previos, de líneas puras constantes y en recoger de manera metódica parte de las semillas producidas por cada planta. A continuación cruzó estas estirpes, dos a dos, mediante la técnica de polinización artificial. De este modo era posible combinar, de dos en dos, variedades distintas que presentan diferencias muy precisas entre sí. Aunque ya con anterioridad algunos experimentadores y cultivadores de plantas y animales habían remarcado la herencia de muchas de tales diferencias, sus observaciones habían reunido a cada una de ellas por separado. La singularidad de Mendel residió en que siguió el rastro de cada carácter por separado, en que contó los distintos aspectos de cada carácter para todos los individuos de cada generación y en que analizo sus resultados numéricos en forma de proporciones que expresaban las leyes de la herencia.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

58

El análisis de los resultados obtenidos permitió a Mendel concluir que mediante el cruzamiento de razas que difieren al menos en dos caracteres, pueden crearse nuevas razas estables (combinaciones nuevas homocigóticas). Pese a que remitió sus trabajos con guisantes a la máxima autoridad de su época en temas de biología, W. von Nägeli, sus investigaciones no obtuvieron el reconocimiento hasta el redescubrimiento de las leyes de la herencia por parte de H. de Vries, C. E. Correns y E. Tschernack von Seysenegg, quienes, con más de treinta años de retraso, y después de haber revisado la mayor parte de la literatura existente sobre el particular, atribuyeron a Johan G. Mendel la prioridad del descubrimiento.

3. Leyes de Mendel Las tres leyes descubiertas por Mendel se enuncian como sigue: según la primera, cuando se cruzan dos variedades puras de una misma especie, los descendientes son todos iguales y pueden parecerse a uno u otro progenitor o a ninguno de ellos; la segunda afirma que, al cruzar entre sí los híbridos de la segunda generación, los descendientes se dividen en cuatro partes, de las cuales una se parece a su abuela, otra a su abuelo y las dos restantes a sus progenitores; por último, la tercera ley concluye que, en el caso de que las dos variedades de partida difieran entre sí en dos o más caracteres, cada uno de ellos se transmite de acuerdo con la primera ley con independencia de los demás 3.1 Ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación Cuando se cruzan dos variedades de individuos de razas puras ambos homocigotos para un determinado carácter, todos lo híbridos de la primera generación son iguales fenotípicamente Mendel encontró que al cruzar una variedad de semillas lisas con otra de semillas rugosas todas las semillas eran lisas. De forma similar, al cruzar una planta de semillas verdes con una planta se semillas amarillas, todas las semillas producidas eran de un solo tipo, amarilla. Los descendientes híbridos de la primera generación se parecen en exclusividad a uno de los padres y nunca al otro. Para facilitar la notación, el cruzamiento inicial entre dos variedades se llama generación pateRNA, o P1, y su descendencia, ya fuese para la forma de semillas o para plantas, se llama primera generación filial, o F1. Las generaciones sucesivas a partir de este cruzamiento se denominan F2, y así sucesivamente.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

59

Tras este experimento llegó a la conclusión de que existían pequeñas unidades hereditarias, genes (factores), las cuales estaban formadas por alelos. Vio que podía haber dos tipos distintos de alelos, dominantes y recesivos. En el caso de las semillas de los guisantes, el color amarillo dominaba sobre el verde por lo tanto el amarillo era el alelo dominante y el verde el alelo recesivo. La simbología que empleó para designar estos factores fue muy sencilla: a los alelos dominantes les asignó una letra mayúscula, Amarillo, A, mientras que a los alelos recesivos, les dio la correspondiente minúscula, Verde a. 3.2 Ley de la Segregación El primer propósito de Mendel fue averiguar qué características hereditarias se trasmiten al híbrido que resulta de cruzar dos variedades o razas puras que difieren en un único carácter, o lo que es lo mismo el resultado de un cruzamiento monohíbrido (fig 12). En primer lugar, Mendel llevó a cabo una fecundación artificial, es decir, realizó una fecundación cruzada en la que obligó al polen de las plantas que representaban un determinado carácter a fecundar a los óvulos de las plantas

Plantas de raza pura. Plantas con tallo largo y con Tallo corto

Alelos para cada una de las plantas de raza pura son plantas homocigoticas

Se realiza el cruce entre las dos variedades de plantas, planta de tallo largo (TT) X plantas de tallo corto (tt) y obtenemos la primera generación filial (F1), todas las plantas se parecen fenotípicamente a uno de sus progenitores, pero su dotación alélica es heterocigota (Tt).

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

60

Primera generación filial, todas las plantas son fenotípicamente iguales.

F1 X F1

Alelos para cada una de las plantas heterocigotas

Segunda generación filial

Figura 12. Segregación del carácter que determina lo largo del tallo (Modificado de http://cipres.cec.uchile.cl/~crmanriq/fotosleyuno.htm)

Mendel tomó dos plantas de la primera generación y las cruzó entre sí, obteniendo una segunda generación con las siguientes características que tenían carácter opuesto. Por ejemplo, el polen de las plantas de flores violeta fecundaría a los óvulos de flores blancas o a la inversa. Cuando analizó las flores resultantes de estos cruzamientos vio que eran de color violeta. El carácter de color blanco parecía haber desaparecido o simplemente estar oculto en esta primera generación híbrida. Por los resultados obtenidos en la F1 y en la F2, el factor que determina uno de los aspectos debería estar escondido, pero no destruido. Este fenómeno, por el cual que un aspecto se manifiesta y el otro no, estando presentes ambos factores, se llama dominancia. En los cruzamientos de Mendel el factor para tallo largo se considera dominante respecto al factor para tallo corto que se considera recesivo.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

61

Mendel se dio cuenta de que estos resultados podían explicarse si suponía que los rasgos hereditarios estaban gobernados por dos factores. El razonó que cada célula reproductora o gameto tenía que tener un solo factor (alelo), de modo que cada nueva planta volvía a poseer dos factores, uno que recibió de la célula sexual masculina, el polen, y otro de la célula sexual femenina; Este concepto constituye la primera ley de Mendel, Ley de la SEGREGACION: cada progenitor, sólo hereda una forma alélica del gen (dominante o recesivo) y ésta es transmitida a los descendientes en los gametos (fig. 13). Los individuos de la primera generación filial o F1, reciben dos factores diferentes V y v; en este caso se dice que estos individuos son híbridos o heterocigóticos para ese carácter, Vv, a diferencia de los progenitores que son de raza pura u homocigóticos, VV ó v v (fig 13) Cada factor se separa o segrega en gametos y cada uno de ellos será portador únicamente de el alelo “S” o del alelo “s”. La proporciones obtenidas para la generación filial 2 del cruce monohíbrido es de 3:1, 3 individuos con la característica fenotipicamente dominante, de los cuales 1 es homocigoto y 2 heterocigotos, y un individuo con característica fenotípica recesiva. Además Mendel observó que para los siete caracteres los resultados parecían ajustarse al siguiente modelo: 1. Para cualquier carácter la F1 derivada del cruzamiento entre dos variedades distintas presentaba exclusivamente uno de los aspectos del mismo y nunca del otro. 2. No importaba cuál de las dos variedades proporcionare el polen ovocélulas; se realizaron “cruzamientos recíprocos” en los cuales se

Semilla con cubierta gris Flor color violeta

gametos

Semilla con cubierta blanca Flor color blanca

X

VV

(V)

cuál las

vv

gametos (v)

Primera generación filial

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

62

Vv Autofecundación V

v X Vv

Polen V

v

V

VV Violeta

Vv Violeta

v

Vv Vileta

vv Blanca

ovocelulas

Total: 3 violetas (1 homocigoto 3 heterocigotos) 1 Blanco

Figura 13. Segregación del carácter color de semilla, cruce monohíbrido

utilizaban machos y hembras procedentes de las dos variedades (p.e., macho A X hembra B) y siempre se obtenían los mismos resultados. 3. El aspecto que había desaparecido o se hallaba “escondido” en la F1 reaparecía en la F2, pero sólo con una frecuencia de un cuarto de número local. A partir de estos resultados quedo claro que las plantas híbridas, con características dominantes, producían de los dos tipos de plantas, plantas con genotipo dominante y plantas con genotipo recesivo; por citar un ejemplo plantas híbridas para la textura de la semilla producen tanto semillas lisas como semillas rugosas, por lo tanto esta planta debe de tener los dos alelos (factores) S y s. Para que este argumento sea consistente, tanto los plantas puras para semillas lisas y rugosas deben también de presentar dos factores SS y ss respectivamente. 3.3 Ley de la transmisión independiente Como se comento anteriormente el estudio que Mendel realizó de las diferencias genéticas en los cruzamientos monohibridos condujo, a predecir la separación de los dos alelos distintos de un par de genes entre sí; sin embargo, él no detuvo sus experimentos y continuo considerando el producto de los individuos que diferían en dos pares de genes o cruzamientos dihibridos. Uno de los experimentos que llevó a cabo Mendel con dicho propósito fue el apareamiento de una planta de semillas amarillas y lisas con otra planta de semillas verdes y rugosas. Como cabía esperar por la dominancia, las semillas de dichos cruzamiento resultaron amarillas y lisas. Sin embargo, al cultivar las plantas de F1 y autofecundarlas, dieron lugar a semillas en la F2 de diferentes tipos: amarillas y lisas, verdes y lisas, amarillas y rugosas y verdes y rugosas, y en

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

63

términos de proporciones dichos números se aproximaban a las proporciones 9:3:3:1 respectivamente. Una forma sencilla de descifrar dichas proporciones consiste en separar los resultados y analizarlos individualmente con relación a cada uno de los dos pares de genes, de la manera siguiente: de un total de 566 semillas de la F2 se obtuvieron 315 amarillas lisas, 108 verdes y lisas, 101 amarillas y rugosas y 32 verdes y rugosas. P 1: F 1: F 2:

liso X rugosa liso 423 lisas : 133 rugosas O aproximadamente ¾ lisas: ¼ rugosas

amarillo X verde amarillo 416 amarillas : 140 verdes O aproximadamente ¾ amarillas: ¼ verdes

Así, pues, las proporciones de la F2 se ajustan bastante bien a las proporciones esperadas en los cruzamientos implicando un solo par de genes, habiendo dominancia. Al combinar esos dos conjuntos de resultados en un solo cruzamiento dihíbrido, encontramos que cada par de genes actúa independientemente del otro. Esto significa que la probabilidad de que una planta sea lisa o rugosa no interfiere, o es independiente de, con la probabilidad de que sea verde o amarilla. Matemáticamente esta relación se expresa multiplicando la probabilidad de que una planta presente cierta característica, por ejemplo lisa, por la probabilidad de que presente otra característica distinta, amarilla por ejemplo. Así, si una semilla tiene una probabilidad ¾ de ser lisa y de una probabilidad de ¾ de ser amarilla, la probabilidad de que sea al mismo tiempo lisa y amarilla será ¾ X ¾ = 9/16. Así pues, podemos obtener la proporción por cada combinación fenotípica simplemente multiplicando las probabilidades de los fenotipos individuales: ¾ liso X ¾ amarillo = 9/16 liso y amarillo ¾ liso X ¼ verde = 3/16 liso y verde ¼ rugoso X ¾ amarillo = 3/16 rugoso y amarillo ¼ rugoso X ¼ verde = 1/16 rugoso y verde __________________________ 16/16, y una proporción 9:3:3:1

La proporción 9:3:3:1 se refiere únicamente a los fenotipos producidos en el cruzamiento dihíbrido. Pero los genotipos son otros.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

64

Si se designa por “S” el factor o gen que determina la forma lisa de la semilla, y por “s” la forma rugosa, por “Y” el color amarillo de la semilla, y por “y” el color verde, se puede representar las dos cepas paternas originales del cruzamiento de Mendel SSYY X ssyy. Los gametos formados por cada una de dichas cepas paternas tendrían la fórmula SY o sy, que se combinarían para dar una F1 de genotipo SsYy. Obviamente la relación de dominancia existente entreS y s no se afectada por la existencia entre Y e y, o viceversa, ya que todos los individuos de la F1 presentan semillas lisas y amarillas. Esta claro que según el principio de la segregación, la mitad de los gametos presentarán S y la otra mitad s. De forma similar para el para Yy, la mitad de los gametos presentará Y y la otra mitad y. Habrá, pues, la misma proporción de gametos SY que Sy y también la misma proporción de gametos sY que sy. En otras palabras, los cuatro tipos de gametos producidos por la F1 serán SY, sY, Sy y sy en proporción 1:1:1:1 ó ¼: ¼ : ¼ : ¼. Esto es tanto para el polen como para las ovocélulas de la F1, la probabilidad de que cada uno de los cuatro tipos de granos de polen se combine con uno cualquiera de los cuatro tipos de ovocélulas será ¼ X ¼ = 1/16 (fig.14), como se observa en la figura nueve de las combinaciones darán lugar a un fenotipo liso y amarillo, tres serán lisas y verdes, tres serán rugosas y amarillas y una será rugosa y verde.

Semilla lisa y amarilla

Semilla verde y rugosa

SSYY

ss y y

P1: X

gametos

gametos

SY

sy

F1:

Semilla lisa y amarilla SsYy

autofecundación

polen SY

F2:

SY

Sy

sY

SSYY Lisa y amarilla

SSYy Lisa y amarilla

SSYy Lisa y amarilla

SSyy Lisa y verde

ill

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

sy

SsYY Lisa y amarilla

SsYy Lisa y amarilla

SsYy Lisa y amarilla

Ssyy Lisa y verde

65

Ovocélulas Sy sY

sy

SsYY Lisa y amarilla

SsYy Lisa y amarilla

SsYY Rugosa y amarilla

SsYy Rugosa y amarilla

SsYy Lisa y amarilla

Ssyy Lisa y verde

SsYy Rugosa y amarilla

Ssyy Rugosa y verde

Figura 14. Explicación de los resultados de Mendel sobre la segregación y la transmisión independiente de color y de forma de la semilla

Como ejemplo esta el cruce dihìbrido entre cobayos con las características de color y largo del pelaje; se designa por “B” el factor o gen que determina color negro, y por “b” color café, por “S” el pelo corto, y por “s” el pelo largo, se puede representar las dos cepas paternas originales del cruzamiento BBSS X bbss. Los gametos formados por cada una de dichas cepas paternas tendrían la fórmula BS o bs, que se combinarían para dar una F1 de genotipo BbSs. En este caso tampoco se ve afectada la relación de dominancia existente entre B y b por la existencia entre S y s, o viceversa, ya que todos los individuos de la F1 presentan color de pelo negro y corto (fig.15).

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

66

Figura 15. Segregación y la transmisión independiente de color y largo del pelo en cobayos Tomado de http://webdriver.puc.cl/bio100/portada?MIval=4.1.2.2

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

67

Cruzamiento Trihibrido En los experimentos Mendel, encontró que la excelente correspondencia entre los resultados de los cruzamientos de dihibridismo y los esperados según la transmisión independiente también era cierta para los cruzamientos de trihibridismo o transmisión de tres diferencia génicas. En el experimento de trihibridismo que llevó a cabo, utilizo los tres pares de caracteres siguientes (el primer factor mencionada el dominante) 1. 2. 3.

Forma de la semilla lisa y rugosa (S y s) Color de la semilla amarillas y verde (Y e y) Flores de color violeta y blancas (V y v)

Cruzó plantas amarillas, lisas y violetas (SSYYVV) con plantas rugosas, verdes y blancas (ssyyvv) y obtuvo una F1 con el fenotipo del progenitor dominante (SsYyVv). Se autofecundó la F1 y dio lugar, en la F2, a plantas que presentaban 8 fenotipos y 27 genotipos presumidos en la siguiente proporción: 27 lisas amarillas y violetas (8 genotipos) 9 lisas, amarillas y blancas (4 genotipos) 9 Lisas, verdes y violetas (4 genotipos) 9 rugosas, amarillas y violetas (4 genotipos) 3 Lisas, verdes y blancas (2 genotipos) 3 rugosas, amarillas y blancas (2 genotipos) 3 rugosas, verdes y violetas (2 genotipos) 1 rugosa, verde y blanca (1 genotipo) Tanto las proporciones genotípicas como las fenotípicas de la F2 pueden derivarse considerando que los híbridos de la F1 formas 8 tipos distintos de gametos: SYV, SYv, SyV, Syv, sYV, sYv, syV y syv . Como en el cruzamiento de dihibridismo, cualquiera de estos gametos tiene la misma probabilidad de combinarse con cualquier otro gameto, dando lugar por tanto a las 8 X 8=64 combinaciones esperadas. A causa de la dominancia, sólo se forman 8 fenotipos distintos, ya que algunos efectos fenotípicos son producidos por más de un genotipo; por ejemplo, liso amarillo y violeta puede ser genotipicamente producido de 8 formas distintas. Por lo tanto el número de fenotipos distintos es siempre menor que el número de genotipos.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

68

Formación de la F1 y gametos en un cruce Trihibrido (Tomado de http://ejb.ucv.cl/gmunoz/genweb/genetica/Asparchivos/capt7_a_dfig.htm#fig5)

El año 1900 marcaba también un periodo en el cual ya se habían puesto de manifiesto la naturaleza particulada de los cromosomas individuales y su duplicación y separación durante la meiosis. La correspondencia entre los cromosomas y los factores mendelianos era sorprendente: los cromosomas se presentaban en parejas de origen materno y paterno; los factores mendelianos se presentaban en parejas de origen materno y paterno. Los cromosomas de cada pareja se separaban durante la meiosis, yendo cada uno de ellos a un gameto; lo mismo hacían los factores mendelianos. La disposición en huso de los dos cromosomas de una pareja es independiente de la disposición de las otras parejas de cromosomas y un gameto pude presentar una mezcla cualquier de los cromosomas maternos y paternos; esta misma relación es también cierta par los factores mendelianos que se transmiten independientemente uno de otros. La fecundación restablece el número diploide de cromosomas; las plantas fecundadas muestran un “carácter doble” para cada par de factores mendelianos. Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

69

En 1903 Sutton y Boveri apuntaron simultáneamente la relación entre los cromosomas y los factores mendelianos. En una década numerosos experimentos proporcionaron pruebas críticas de que dicha relación era cierta.

4. Cruzamientos

4.1 De prueba Un cruzamiento es un apareamiento controlado entre dos organismos concretos. El propósito de realizar cruzamientos es obtener descendencia de un genotipo concreto o, al revés, utilizar las proporciones de los diferentes fenotípos de la descendencia para deducir los genotípos de los parentales. Al realizar genes individuales, puede realizarse un cruzamiento de prueba para deducir si un individuo de fenotipo dominante es homocigoto (A/A) o heterocigoto (A/a). El individuo que presenta el fenotipo dominante A/- (es decir, A/A o A/a) se cruza con un homocigoto recesivo a/a (denominado individuo de prueba) en este contexto. Si se observa una proporción 1:1 de fenotipos dominantes y recesivos en la descendencia, podemos inferir que el cruzamiento debe haber sido del tipo A/a X a/a y que la estirpe en estudio era heterocigótica. Si toda la descendencia presenta fenotipo dominante, entonces la estirpe era A/A y el cruzamiento de prueba A/A X a/a, resultando toda la descendida de genotipo A/a (Fig 16).

a

b

Figura 16. Cruzamiento de Prueba. a. 50% amarillo y 50% verde en la descendencia cuando el Individuo problema es heterocigoto. b. Toda la

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

70

descendencia amarilla cuando el individuo problema es homocigoto

Veamos un ejemplo nuevamente con el pelaje de los cabayos. La diferencia entre el pelaje marrón y el negro depende del par de alelos, B (negros) y b ( marrón, de los cuales B es dominante. Se hace un cruzamiento de prueba entre un macho negro de antepasados desconocidos y una hembra marrón. Se obtuvieron ocho crías, de las cuales tres fueron negros y cinco marrones. Este resultado indica que el macho debía ser heterocigoto B/b, puesto que las crías marrones deben haber recibido un alelo b tanto del padre como de la madre. El cruzamiento, por tanto, fue B/b X b/b. Por supuesto, la ley de Mendel de la segregación igualitaria hace esperar números iguales de descendiente marrones y negros (4:4) pero una desviación por azar como la 3:5 observada no es rara enana muestra de tamaño pequeño. Los animales y plantas que se usan para el análisis genético se mantienen a menudo como líneas puras. Se trata de poblaciones de individuos que cuando se cruzan entre sí, o se autofecundan, siempre producen el mismo fenotipo para un determinado carácter. Este tipo de líneas deben ser homocigotos. Los genotipos A/A y a/a constituyen líneas puras, pero A/a no. 4.2 Retrocruza Si la progenie F1 es apareada con alguno de sus progenitores (o con individuos con un genotipo idéntico a aque de sus progenitores), la cruza se denomina retrocruza. Algunas veces se utiliza el término “retrocruza como sinónimo de “cruza de prueba” en la literatura genética, pero en este modulo no se realizara así. Como ejemplo tenemos: un cobayo hembra de color negro y homocigota, es apareada con un macho blanco. Un hijo F1 es retrocruzado con su madre. El diagrama de la retrocruza se elabora de la siguiente manera. P:

BB Hembra negra

F1:

Bb

Retrocruza F1:

Progenie de la Retrocruza:

bb Macho blanco

y Bb Machos y hembras negras

Bb Hijo negro ½ BB ½ Bb

X

X

BB madre negra

Toda la descendencia negra

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

71

1. Penetrancia y expresividad.

Las diferencias en las condiciones ambientales o en los antecedentes genéticos puede determinar que individuos que son genéticamente idénticos en un locus particular, exhiban diferentes fenotipos. En relación con un gen la penetrancia puede definirse como el porcentaje de individuos de un determinado genotipo que manifiestan un fenotipo esperado y característico (enfermedad). Ejemplo: En algunas familias, la presencia de dedos extras en las manos y/o pies(polidactilia), se considera que está determinada por un gene dominante(P). La condición normal con cinco dígitos en cada extremidad es producida por el genotipo recesivo (pp). Algunos individuos del genotipo Pp no son polidactilicos, por lo que el gene tienen una penetrancia menor del 100%. Una caracteristica, aunque penetrante, puede ser completamente variable en su expresión. El grado de efecto producido por un genotipo penetrante se llama expresividad. Ejemplo: La condición de polidactilia puede ser penetrante en la mano izquierda (seis dedos) y no en la derecha (cinco dedos), o puede ser penetrante en los pies pero no en las manos. Un gen letal recesivo que carece por completo de penetrancia y expresividad, matará menos del 100% de los homocigotos antes de la madurez sexual. El término semiletal o subvital se emplea para designar tales genes. Los efectos que tienen varios tipos de letales sobre la reproducción de la siguiente generación forman un espectro amplio que va de la letalidad completa a la esterilidad en genotipos completamente viables.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

72

CAPITULO 5 RELACIONES DE DOMINANCIA EN ALELOS DEL MISMO LOCUS Y EN ALELOS DE LOCIS DIFERENTES

Introducción La interacción génica se puede definir como la influencia mutua entre alelos del mismo locus o alelos de diferentes loci. En algunas ocasiones, el carácter que estamos analizando puede estar controlado por un solo locus. Los siete caracteres analizados por Mendel en sus cruzamientos se comportaban como controlados, cada uno de ellos, por un sólo locus. Las interacciones entre alelos el mismo locus son la Dominancia (segregación 3:1 en la F2), la Herencia Intermedia (segregación 1:2:1 en la F2), el Carácter Nuevo (segregación 1:2:1 en la F2) y la Codominancia (segregación 1:2:1 en la F2). Los dos alelos de cada uno de los siete loci que controlan siete caracteres analizados por Mendel muestran entre si relaciones de Dominancia (A>a). ( http://www.unavarra.es/genmic/genetica%20y%20mejora/epistasia/tipos_epistasia. htm) Objetivo Especìfico Diferenciar otros tipos de herencias y entender su mecanismos de acción junto con la modificación de las proporciones mendelianas Conclusión: Es importante establecer que hay modificaciones en las proporciones Mendelianas dependiendo del tipo de herencia presentada en los individuos, es de importancia tener claro que en ocasiones hay características determinadas por un mismo locus, pero en el caso de otras característica son regidas por varios locus y/o genes EN ESTE CAPITULO DEBEN DE DESARROLLAR CORRESPONDIENTE A CIANOGENESIS EN TREBOLES.

LA

PRACTICA

Proposito: conceptuales sobre interaccion genicas ___________________________________________________________

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

73

RELACIONES DE DOMINANCIA

1. Alelos del mismo locus La contribución básica de Mendel fue su descubrimiento de la naturaleza unitaria de la herencia que consiste en factores particulados, o genes, cuya presencia puede trazarse de una a otra generación sin cambiar ni diluirse. La forma particular en que Mendel demostró la presencia de los genes, por medio de los principios de segregación y distribución, ha sido demostrada independientemente y numerosas veces para muchos organismos distintos. Como regla general se encuentra, según se espera, la proporción mendeliana de 3:1 en la F2 de cruzamientos de monohibridismo y de 9:3:3:1 en los de dihibridismo. Estas proporciones particulares proceden como hemos visto de la segregación de dos alelos distintos para cada uno de los pares de genes, uno dominante y el otro recesivo. Sin embargo, además de esta proporciones, otros experimentos han puesto de manifiesto la aparición de fenotípos en proporciones nuevas que no pueden explicarse basándose en la dominancia sencilla o en la presencia de sólo dos tipos de alelos, Tales excepciones no disminuyen el valor de los principios de Mendel sino que únicamente los extienden y los desarrollan.

.1 Dominancia parcial o incompleta La dominancia incompleta es una condición en la cual ningún alelo es dominante sobre el otro, los heterocigotos Aa resultan, por sus caracteres, intermedios entre AA y aa. Por ejemplo, cuando una planta “Dondiego de noche” de pétalos rojos se cruza con una línea pura de pétalos blancos, toda la F1 tienen pétalos rosas (fig 14). Si se producen una F2 por cruzamiento de plantas de la F1, el resultado es: ¼ de la plantas de pétalos rojos ½ de las plantas de pétalos rosas ¼ de las plantas de pétalos blancos De la proporción 1:2:1 de la F2 se deduce un patrón de herencia basado en dos alelos de un solo gen. Sin embargo, los heterocitos (de la F1 y la mitad de la F2) presentan fenotipo intermedio, lo cual sugiere un tipo incompleto de dominancia, lo cual sugiere un tipo incompleto de dominancia. Inventando símbolos alélicos, podemos designar los genotipos de las plantas de este experimento como c+/c+ (rojo), c/c (blanco), c+/c (rosa). La dominancia incompleta describe la situación Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

74

general en la cual el fenotipo de un heterocigoto resulta ser intermedio entre los de los homocigotos en alguna escala de medida cuantitativa.

Figura 17. Dominancia incompleta en la planta Dondiego de la noche (Tomado de http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo%20complejo%202.htm)

Al realizar genes individuales, puede realizarse un cruzamiento de prueba para deducir si un individuo de fenotipo dominante es homocigoto (A/A) o heterocigoto (A/a). El individuo que presenta el fenotipo dominante A/- (es decir, A/A o A/a) se cruza con un homocigoto recesivo a/a (denominado individuo de prueba) en este contexto. .2

Sobredominancia o heterosis (vigor híbrido)

La heterosis es cuando los heterocigotos Aa, superan por sus cualidades a ambos homocigotos AA y aa; en otras palabras, el fenotipo de un heterocigoto medido cuantitativamente no siempre es igual o intermedio al de los homocigotos. En ocasiones, el heterocigoto puede exceder la medida fenotípica de ambos progenitores homocigotos. La heterosis es la aplicación más útil y extensiva de la genética modeRNA en los procesos de cruzamientos para intensificar las cualidades existentes en la razas puras, la heterosis es una ventaja de los animales cruzados sobre los animales de raza pura.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

75

En la mayoría de los casos el término superdominancia o heterosis ha sido utilizado para características relacionadas con la “eficacia biológica”, tales como tamaño, la productividad y la viabilidad. Cruzamiento entre individuos homocigotos relativamente pobres para dichas características de la eficacia biológica han dado lugar, en muchos casos, a descendientes que parecían ser superdominantes respecto a ambos progenitores. Generalmente el nivel de respuesta de la heterosis es mayor para los caracteres de baja heredabilidad y que a su vez posen mayor valor económico. Dádiva de la naturaleza tal es la superioridad del Girolando, que además de haber conjugado la rusticidad del Gir y la producción el Holandés agrego característica deseables de ambas razas en un único tipo de animal, fenopiticamente soberano, con cualidades imprescindibles para la producción lechera económica en los trópicos. La experiencia alcanzada en cruzamientos con ganado Cebú ha sido magnífica no-solo por el vigor híbrido, sino por ser la Ayrshire más resistente que otras razas lecheras. Transmite estas características al F1 con mejores resultados en la producción de leche y mejor adaptabilidad al trópico. Su producción en F1 es de 12 litros, en pastoreo, con ternero. El cruce con Holstein es muy interesante, pues el ejemplar media sangre adquiere cualidades del Ayrshire (Rusticidad, longevidad, calidad de la ubre y la leche, el tamaño permanece mediano, con lo cual se logra mayor eficiencia en relación con la conversión alimenticia. La producción aumenta de 6% a 14% con respecto a sus progenitores.

Alelos múltiples Las diferencias en los alelos surgen mediante las mutaciones. Si un alelo inicial normal, A, se transforma por mutación en el alelo recesivo a, tiene lugar una mutación directa. En el caso en que el alelo mutante a se transforma en el inicial A, nos encontramos ante el fenómeno de reversión. Sin embargo, la investigación de la genética de los alelos, ha demostrado, que los procesos de las mutaciones de éstos de ningún modo se limitan a las transformaciones mutuas del gene A en a. (A a, a A) Quedó establecido que as mutaciones del gen A, lo mismo que las del gene a, pueden producir una serie de estados diferentes en estos genes. Gracias a estas mutaciones se origina el fenómeno del alelismos múltiple. Surge lo que se denomina una serie de alelos compuestos por A, A1,A2, A3, A4, ……An La diversidad de los estados resistentes de un mismo gen, que ocupan un Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

76

determinado locus en el cromosoma y, representados tanto en forma de un alelo normal, como en la de una mutación ha recibido el nombre de alelos múltiples.

Este fenómeno es uno de los más importantes en el proceso de la variabilidad hereditaria de los organismos demostrando que cada gene puede cambiar diversamente, influyendo de distintas maneras sobre el desarrollo de los caracteres.

Un importantísimo rasgo de la genética en las series alelomórficas es que los organismos diploides pueden llevar solamente dos alelos, por eso solo analizando todo un grupo de individuos en los cuales se hallan distribuidos los diferentes miembros de la serie alelomórfica, puede formarse una idea acerca de todos estos cambios múltiples de un gene dado. La serie de alelos en un grado altísimo aumenta la variabilidad combinatoria de los organismos. En el espectro de la variabilidad de los organismos se incorporan todas las variaciones condicionadas por la combinación de los genes de las series de los alelos. Un ejemplo de alelos múltiples en Drosophila, se presenta en uno de los genes que afectan el color de los ojos. Para dicho gen, uno de los primeros cambios hereditarios registrados consistía en un alelo mutado recesivo, white, asociado a la ausencia total de color en los ojos en la masca normal de ojos r de color rojo. Desde entonces se han encontrado muchos alelos de white que tienen une efecto cuantitativo intermedio entre white y el tipo salvaje rojo. Técnicas refinadas para la extracción y medida de pigmentos oculares han proporcionado valores a los distintos genotípos. Entre dichos alelos y sus combinaciones, existen dos grupos de efecto fenotípico: los que aparecen como anormales, con una cantidad de pigmento que varía desde 0.0044 hasta 0,1636 y ojos de tipo salvaje con una cantidad de pigmento que va desde 0.6854 hacia arriba. Los datos no son completos para todas las combinaciones posibles, pero ponen de manifiesto de forma cuantitativa que los pigmentos de los heterocigotos )por ejemplo Ww / Wcol y Wa3 / W+c) se hallan entre los valores de los homocigotos respectivos.

Símbolo

Manifestación fenotípica (color de ojos)

W

Rojo (salvaje)

w

Blanco

wi

Marfil

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

77

wp

Perla

wt

Débilmente teñido

w by

Amarillo oscuro

w

h

Miel

w

a

Melocotón

w

ch

Cereza

we

Eosina

w bl

Sangre

w co

Coral

Otro ejemplo menos conocido es el de una serie alélica que afecta al color de la capa en lagomorfos: color > chinchilla > himalaya > albino (los signos > indican el sentido de la dominancia entre alelos). El alelo color más frecuente en la naturaleza se llama agutí y proporciona al conejo su aspecto característico en tonos gris pardo. Chinchilla es un alelo que produce un pelaje variegado en gris y blanco. El alelo himalaya produce un efecto que depende de la temperatura; en las partes más frías del cuerpo del animal (la nariz, la cola, las orejas y las patas) el color del pelo es negro, mientras que en las zonas más calientes se muestra el color base del animal (dependiente de otros genes de coloración). El alelo albino, en homocigosis produce ausencia de pigmentación (es el típico conejo blanco con ojos rojos) (Figs 18 y 19)

Aguti

Chinchilla

Himalaya

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

Albino

78

Figura 18. Patrones de coloración en conejos (Tomado de http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo%20complejo%202.htm)

No obstante, existen multitud de variantes de coloración que se deben a otras series alélicas para pigmentación

Figura 19 Patrones de coloración en conejos (Tomado de http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo%20complejo%202.htm)

Lo curioso de la serie color, chinchilla, himalaya, albino es que himalaya no es una variante exclusiva de los conejos sino que aparece en otras especies, en concreto en los gatos domésticos dando lugar al tipo "siamés" del que existen múltiples variantes dependiendo del color d e fondo (fig 20)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

79

Figura 20. Coloración en gatos himalaya (Tomado de http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo%20complejo%202.htm)

En las plantas también se han encontrado sistemas alélicos, especialmente para los genes de autoesterilidad que evitan la fecundación entre individuos que se hallen íntimamente emparentados entre sí.

¿Cómo se evita la autofecundación?...... (tomado de http://www.unavarra.es/genmic/genetica%20y%20mejora/incompatibilidad/ALELO S%20MULTIPLES.htm) las plantas presentan flores heteromórficas. Se trata de flores perfectas pero que presentan al menos dos tipos morfológicos diferentes. Así una de ella presenta flores con estambres largos y pistilos cortos, y la otra presenta estambres cortos y pistilos largos. Cada planta tiene un tipo floral o el otro. La polinización sólo es efectiva entre plantas que presentan flores distintas. Pero la autofecundación se evita no sólo por estructuras florales distintas sino también por mecanismos genéticos y bioquímicos (mecanismos de incompatibilidad

El locus (en algunos casos existen hasta tres loci) de incompatibilidad (locus S, o self-incompatibility locus) es multialélico (S1, S2, S3, S4, Sn), es decir sus miembros constituyen una serie alélica y, por tanto se comportan como tales. Es decir, que entre los miembros de la serie existe dominancia total o completa (jerarquía de dominancia) aunque en algunos casos puede existir dominancia intermedia o incompleta o incluso aparecer genotipos nuevos resultantes de interacción entre los dos alelos del locus. Ejemplo: S1 > S2 > S3 > S4 >S5 >Sn. Reglas que rigen la incompatibilidad esporofítica:

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

80

1.- El polen no germina sobre el estigma (diploide) de una flor que contiene cualquiera de los dos alelos presente en el esporofito (planta adulta) que produjo el polen (Fig 21)

2.- La premisa anterior se cumple aún cuando cada grano de polen ( haploide) contiene uno de los dos alelos presente en el esporofito ( o planta adulta).

Figura 21. Incompatibilidad Esporofita, unicamente hay fecundación Cuando el polen S1S2 cae en una planta S3S4.

Descendencia que se produce en cada uno de los tres cruzamientos anteriores.

Genotipo Parental femenino

•

Genotipo de los óvulos

Genotipo Genotipo Fenotipo Descendencia Parental de los de los Masculino granos de granos polen de polen Incompatible

Cruzamiento

S1 S2

S1 y S2

S1 S 2

S 1y S 2

S1

Nº 1

S1 S3

S1 y S3

S1 S 2

S 1y S 2

S1

Incompatible

Nº 2 a

S1 S3

S1 y S3

S1 S 2

S 1 y S2

S2

S1S1, S1S3, S1S2, S2S3

Nº 2 b*

S3 S4

S3 y S4

S1 S 2

S 1 y S2

S1

S1S3, S1S4, S2S3, S2S4

Nº 3

Si se cambia el orden de dominancia entre los alelos (S2 > S1) se obtiene descendencia y un genotipo de los 4 posibles es homocigoto.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

81

•

Incompatibilidad Gametofítica: esta forma de incompatibilidad es más común que la anterior y está presente en casi la mitad de las familias de las Angiospermas (Solanáceas ¾

patatas, tomates, tabaco¾ , frutales, Gramíneas, etc). Reglas que rigen la incompatibilidad gametofítica: 1.- El locus S es extremadamente polimórfico, razón por la cual es común encontrarse con numerosos alelos (alelos múltiples) en la población. 2.- La incompatibilidad está controlada por el genotipo del alelo del locus S de incompatibilidad del grano de polen. En otras palabras, el comportamiento del mismo depende de su genotipo (fig 22)

Figura 22. Incompatibilidad gametofita , hay fecundación cuando el polen el alelo S1 ó S2 cae en una planta S3S4.

Descendencia que se produce en cada uno de los tres cruzamientos anteriores. Genotipo Parental femenino

Genotipo de los óvulos

Genotipo Parental Masculino

Genotipo de los granos de polen

Descendencia

Cruzamiento

S1 S2

S1 y S2

S1 S 2

S 1y S 2

Incompatible

Nº 1

S1 S3

S1 y S3

S1 S 2

S 1y S 2

Nº 2

S3 S4

S3 y S4

S1 S 2

S 1 y S2

S1S2 y S1S3 Semicompatible S1S3, S1S4, S2S3, S2S4

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

Nº 3

82

Alelos letales y semiletales Alelos letales Los ratones normales silvestres presentan un color de pelaje uniforme y más bien oscuro. Unos mutantes llamados yellow (fenotipo “amarillo” presentan un color de pelaje más claro) ilustran otra interacción alélica interesante. Al cruzar un ratón “amarillo” con uno normal de raza para, siempre e observa en la descendencia una proporción 1:1 de ratones amarillos y normales. Esta observación sugiere: (1) que un único gen con dos alelos determina estas alteRNAtivas fenotípicas. (2) que el ratón “amarillo” es heterocigoto para estos alelos y (3) que el alelo “amarillo” es dominante sobre el alelo que determina color normal. Sin embargo, si se cruzan dos ratones amarillos, el resultado es el siguiente: “amarillo” X “amarillo”

2/3 “amarillo”, 1/3 silvestre

Dos aspectos destacan en este resultado. En primer lugar la proporción fenotípica de 2:1 es una desviación de las proporciones de un autocruzamiento monohíbrido. Segundo, puesto que ningún cruzamiento entre ratones “amarillos” genera descendencia que sea toda “amarilla” como ocurriría si cualquiera de los padres fuera homocigoto, parece imposible obtener homocigotos “amarillos”

Estos resultados se explican si todos los ratones “amarillos” son heterocigotos. Un cruzamiento entre dos heterocigotos debería dar lugar a la típica proporción genotípica monohíbrida 1:2:1. Sin embargo, si todos los ratones de una de las clases murieran antes de nacer, los nacidos vivos mostrarían una proporción 2:1 de heterocigotos y homocigotos supervivientes. El alelo Ay para el color amarillo es dominante sobre el alelo silvestre A con respecto al color, pero Ay actúa como un alelo recesivo Letal con respecto a un carácter que podríamos llamar viabilidad. Así, un ratón de genotipo homocigótico Ay/Ay moriría antes de nacer y no se encontraría entre los descendientes. Todos los ratones viables “amarillos” Ay/A deben ser heterocigotos, de modo que un cruzamiento entre ratones “amarillos” siempre dará lugar a los siguientes resultados:

Ay/A

X

Ay/A

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

83

Descendencia

¼ Ay/Ay

Letal

½ Ay/A

Amarillo

¼ A/A

Silvestre

La proporción monohíbrida esperada 1:2:1 aparecería entre los cigotos, pero variaría a 2:1 entre la descendencia viable, porque los cigotos de genotipo letal Ay/Ay no sobreviven. Esta hipótesis se confirma mediante observación de úteros de hembras preñadas de cruzamientos “amarillo” X “amarillo”; la cuarta parte de los embriones están muertos.

El alelo Ay afecta dos caracteres; el color del pelaje y la viabilidad del embrión:. Es perfectamente posible, sin embargo, que ambos efectos del alelo pleiotrópico Ay tengan la misma causa, que da lugar al fenotipo “amarillo” del pelaje en una dosis única y causa la muerte en dosis doble.

El fenotipo “falta de cola” de los gatos Manx también se debe a un alelo letal en homocigosis. Una dosis única del alelo Manx ML interfiere de forma grave con el desarrollo de la espina dorsal, provocando la ausencia de cola en el heterocigoto ML/M. Pero los homocigotos ML/ML la dosis doble del provoca tal deformidad que el embrión no sobrevive. De hecho, existen muchos tipos diferentes de alelos letales. Algunos de ellos provocan los ratones “amarillos” y los ratones Manx. Algunos alelos letales son completamente dominantes y son letales en una sola dosis en los heterocigotos. Otros (los más comunes) no confieren ningún fenotipo detectable en el heterocigoto y la letalidad es completamente recesiva. Además, los alelos letales se diferencian en la etapa de desarrollo en la que ejercen su efecto.

En Caballos son varios los ejemplos en cuanto a genes letales, entre ellos tenemos: Gen albino: En realidad el albino no es un color como tal, sino la ausencia de pigmento que le da el color completamente blanco al pelo y la tonalidad rosa a la piel. Para algunos genetistas, los caballos verdaderamente albinos son los que tienen los ojos rosados; otros, aceptan como tales también a los caballos totalmente blancos con la piel sin pigmento, pero con ojos color obscuro, amarillo o azul, porque de Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

84

acuerdo a su opinión, no existen los albinos verdaderos, entendiendo como tales, a los caballos homocigotos para el alelo (W), así que el color de los ojos es el resultado de la despigmentación incompleta. Seria tema de interesante estudio, determinar mediante el análisis de la ascendencia y descendencia de un supuesto albino. El gene albino se representa con la letra (W) y es dominante sobre cualquier color aun con un solo alelo (W). Significa que el caballo pudo haber tenido cualquier color, tonalidad o mezcla de colores y fue eliminado por el albinismo. Resulta imposible a simple vista saber cual es el color que está cubriendo.

• Gen letal (WW) Toda vez que la característica del albinismo es dominante, siempre que nazca un potrillo albino, tendremos al menos un progenitor albino. Tanto la cría como el progenitor o progenitores serán heterocigotes (Ww), en virtud de que la condición homocigótica (WW) no existe pues es letal. Se le conoce técnicamente como Síndrome del Blanco Letal. Esto significa que la descendencia que hereda los dos alelos para el albinismo generalmente no llega a nacer o mueren durante las primeras horas de vida. La muerte puede ocurrir en estadios tempranos de la preñez, por lo que en muchas ocasiones el criador no llega a saber que la yegua estaba cargada. Si cruzamos un animal albino con otro que no lo sea, la cría no estará expuesta a la letalidad, pero si cruzamos dos caballos albinos, el riesgo será del 50 % pues esa es la probabilidad de que se reúnan en la cría los dos alelos albinos (W), presentes en el genotipo de los dos progenitores. En España se les conoce como albinos, así como en la equitación clásica.

• Gen Overo: En caballos pintos es importante el patrón de acuerdo a la forma de las manchas, es el overo. La genética de esta característica no se ha definido plenamente. Algunos investigadores creen que pueden intervenir varios genes en su definición. Las manchas que produce este gene, tienen una disposición horizontal característica. No cruzan la línea dorsal del animal y generalmente se sitúan en los flancos y en el vientre del caballo. Con frecuencia las manchas también aparecen en la cara con una extensión importante. La cola casi siempre es de un solo color. De la misma forma que en el caso de los caballos albinos (W,W) que ya vimos en la sección correspondiente, el gene Overo produce lo que se llama "Síndrome del

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

85

Blanco Overo Letal", que ocasiona la muerte de recién nacidos. Son blancos o casi totalmente blancos (algunos muestran un poco de pigmento en algunas áreas alrededor de las orejas). El síndrome lo determina la condición homocigótica del gene Overo y es responsable de la ausencia de nervios encargados de los movimientos peristálticos en algunas partes del intestino. También se sabe que un porcentaje considerable de potrillos no completan su desarrollo embrionario siendo abortados. • Gen Tramado: El pelaje tramado es aquel que muestra una mezcla pelo blanco con el pelo de cualquier otro color. Aunque produce pelo de color blanco, es diferente a todos los demás genes que también causan ese efecto, pues tiene las siguientes particularidades: a) Los pelos blancos crecen sobre piel con o sin pigmento. Claro está que cuando se presenta sobre piel despigmentada, crece entre pelos también blancos haciendo imperceptible su existencia. Su presencia solo se hace evidente cuando encontramos pelos blancos mezclados con los de cualquier otro color. b) Los potrillos nacen con este efecto y aunque varía ligeramente de acuerdo con la estación del año, se conserva inalterable hasta la muerte del animal. c) El pelo blanco se presenta en todo el cuerpo con excepción de la cabeza, crin, cola y los cabos (o mostrando un mínimo efecto). Esta es la principal diferencia notoria que permite distinguir el efecto tordillo del efecto que produce caballos tramados, pues en los tordillos, la cara y los cabos son los lugares donde primero se nota el encanecimiento. Otra diferencia es que el efecto tordillo es progresivo llevando al caballo a toRNArse totalmente blanco. Como gene dominante, todo caballo tramado debe mostrar esta característica en su apariencia exteRNA (fenotipo) y debe tener por lo menos un padre tramado. Se han identificado plenamente algunos garañones homocigotos para este gene, se considera que los individuos homocigóticos mueren antes de nacer o a las poco horas de hacerlo, en un efecto similar al Síndrome del Blanco Overo y al del albino. En inglés los caballos tramados se denominan "roan", y habitualmente se comete el error de traducir esta palabra como "ruano". Este caso es similar al que ya tratamos con anterioridad acerca del colorado, cuyo nombre en inglés es "bay" y generalmente se traduce erróneamente al español como "bayo".

Alelos semiletales

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

86

En muchos casos la letalidad de un gen no se manifiesta al 100% y su efecto consiste en reducir la probabilidad de supervivencia lo cual lleva consigo distorsiones de la segregación más o menos obvias. En estos casos, dependiendo de la magnitud del efecto se les llama genes detrimentales, subletales o subvitales; cuando un gen provoca la muerte del 50% de los individuos homocigotos se le suele llamar semiletal. Los portadores de estos tipos de genes sobreviven durante cierto tiempo, sin embargo, los defectos hereditarios no tardan en manifestarse y éstos mueren en edad prematura. 2. Alelos de loci diferentes 2.1 Interacción génica Si bien un gen fabrica una sola proteína, por lo general esa proteína interactúa con otras, en realidad la mayoría de las características del fenotipo son el resultado de la interacción de muchos genes distintos de un organismo. Puede ocurrir que cuando una característica es afectada por dos o más genes diferentes, aparezca un fenotipo completamente distinto. La forma de la cresta en aves de corral, es un ejemplo de genes complementarios sin epistasis.

En la gallinas dos pares de alelos determinan la forma de la cresta: R, r y P, p. La combinación RR o Rr produce una cresta en roseta, PP o Pp cresta en guisante, mientras rr ó pp origina una cresta simple. Pero cuando P y R aparecen juntos en el mismo individuo el resultado es una cresta en nuez (fenotipo nuevo) (fig 23)

Figura 23. Tipos de crestas presentes en aves de corral (imagenes/tp6genetica/cresta.gif imagenes/tp6genetica/cresta.gif)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

87

Sin embargo la relación entre genes que afectan al mismo carácter es bastante compleja, y se puede presentar epistasis, que es la interacción entre genes, de tal modo que un alelo determina la expresión fenotípica de otro alelo de distinto gen. Al alelo influyente se le llama epistático y al alelo influido hipóstatico. •

Epistasis dominante

Si el alelo A es dominante sobre a, y B es dominante sobre b, y además el alelo A suprime el efecto de B y de b, entonces se dice que A es epistático dominante, un ejemplo es el color del fruto de la calabaza Cucurbita pepo. A es un inhibidor dominante del color porque bloquea la síntesis del pigmento mientras que a permite que se forme color. B produce frutos amarillos y b verdes. Así en la F2 , los 9/16 del genotipo A_ B_ serán blancos, los 3/16 A_bb también serán blancos, los 3/16 aaB_ serán amarillos y los 1/16 aabb verdes. En conjunto, se observarán 12/16 de fenotipo blanco, 3/16 de fenotipo amarillo y 1/16 verdes; la segregación 9:3:3:1 se modifica en 12:3:1. AB

Ab

aB

AABb

AaBB

AaBb

AAbb AaBb

Aabb

Proporción

AB

AaBB AaBb aaBB

aaBb

Ab

AaBb Aabb

AB Ab

AABB AABb

aaBb

ab

12: 3: 1 aabb

La Capsella bursapastoris o bolsa de pastor proporciona un buen ejemplo de epistasia doble dominante, que ocurre cuando la acción complementaria es recesiva, es decir, cuando ambos alelos dominantes son epistáticos. En Capsella, A determina la bolsa triangular, dominante sobre a, ovoide. Exactamente el mismo efecto tiene la pareja B,b; B triangular y b ovodidea. En este caso, sólo los individuos de genotipo aabb tienen la bosa ovoidea, así que la segregación es de

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

88

15/16 (9/16 A_B_ + 3/16 A_bb + 3/16 aab_) triangulares, frente a 1/16 aabb ovoidea, o sea, 15:1. Los genes que producen epistasis doble dominante se piensa que han aparecido por duplicación, puesto que ambos realizan la misma función(fig. 24) Figura 24. Epistacia doble dominante en Capsella bursapastoris (tomado de http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo%20complejo%202.htm)

Una extraña variante de la modificación de la segregación 9:3:3:1 por genes duplicados es cuando, además del efecto producido por la duplicación de los genes epistáticos, se produce una interacción entre ellos que produce un fenotipo diferente. Por un lado, el alelo A determina la forma esférica del fruto, mientras que a determina la forma alargada; por otro lado, los alelos B y b tienen el mismo efecto( B esférico, b alargado) pero, además, A y B interactúan de modo que producen un fruto discoidal. Entonces se produce una segregación de 9:6:1, o sea, 9/16 A_B_ discoidales, 6/16 esféricos (3/16 A_bb + 3/16 aaB_) y 1/16 aabb alargado. •

Epistasis recesiva

Si el alelo A es dominante sobre a, y B sobre b, y además el alelo a suprime el efecto de B y de b, entonces se dice que a es epistático recesivo. Un ejemplo es el color de la aleurona del maíz, la coloración de la aleurona requiere la presencia de cuatro genes dominantes diferentes, A, C, R y Pr. Solo se hablara de R y Pr que son los que tienen la interacción epistática recesiva, siendo el alelo recesivo r el inhibidor de color. Los individuos de genotipo R_Pr_ tienen grano púrpura, los R_prpr rojo, los rrPr_ blanco y los rrprpr también blanco, por lo que la segregación fenotípica se observará como 9/16 R Pr púrpuras, 3/16 R pr rojos y 4/16 (3/16rPr + 1/16 r pr) blancos; la segregación queda como 9:3:4.

AB

Ab

aB

AABb

AaBB

AaBb

AAbb AaBb

Aabb

Proporción

AB

AaBB AaBb aaBB

aaBb

9: 3: 4

Ab

AaBb Aabb

AB Ab

AABB AABb

aaBb

ab

aabb

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

89

Otras veces se han observado interacciones de dos alelos sobre otros dos. La interacción puede ser complementaria cuando se necesita dos alelos dominantes A y B para que se manifieste el carácter o, dicho de otra manera, se produce una epistasia doble recesiva porque los dos alelos recesivos a y b suprimen el fenotipo de los dominantes. Esta interacción se ha encontrado para el color de la flor de guisante dulce, donde A produce flores púrpura y a produce flores blancas. El alelo B permite la formación del pigmento, mientras que el recesivo b inhibe el pigmento. En este ejemplo, se puede dar el fenómeno de que, al cruzar líneas puras de flores blancas (Aabb X aaBB), aparezca una F1 de flores púrpuras AaBb. En la f2 sólo los 9/16 de genotipo A_B_ serán de color púrpura, mientras que los 7/16 restantes (3/16 A_bb + 3/16 aaB_ + 1/16 aabb) serán de color blanco. Así, la segregación queda modificada a 9:7 (fig 25)

También puede haber una interacción tal que sea epistático el alelo dominante de una pareja alélica y el recesivo de otra pareja. Este caso, llamado epistasis doble dominante y recesiva, se puede estudiar con el ejemplo del plumaje de las gallinas, donde el alelo C es necesario para que se produzca el color, mientras que el recesivo c produce albinismo. En la otra pareja alélica, el alelo dominante I es inhibidor de la pigmentación, mientras que el recesivo i permite la pigmentación. Por tanto, sólo las gallinas de genotipo C_ii son pigmentadas. Así que la segregación queda: 13/16 blancas (9/16 C_I_ + 3/16 ccI_ + 1/16 C_ii) pigmentadas, o sea, 13:3.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

90

Figura 25. Epistacia doble recesiva en guisante dulce (tomado de http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo%20complejo%202.htm)

CAPITULO 6. HERENCIA DE LOS CARACTERES RELACIONADOS AL SEXO

Introducción En uno de sus primeros experimentos, Morgan cruzó un macho de moscas de ojos rojos (normales) con una hembra que habia encontrado casualmente y que tenia los ojos blancos. Las moscas que obtuvo en esta primera generacion o F1 tenian todas los ojos rojos, tal y como se describe en la primera ley de Mendel. Pero cuando cruzó entre si estas moscas para obtener la segunda generación filial o F2, descubrió que los ojos blancos solo aparecian en las moscas macho y ademas como un caracter recesivo. Por alguna razón, la caracteristica «ojos blancos» no era transmitida a las moscas hembras, incumpliendo, al menos parcialmente, la segunda ley de Mendel. Al mismo tiempo, en sus observaciones al microscopio, Morgan habia advertido con extrañeza que entre los cuatro pares de cromosomas de los machos, habia una pareja en la que los cromosomas homólogos no tenian

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

91

exactamente la misma forma. Era como si a uno de ellos le faltase un trozo, por lo que a partir de ese momento a esta pareja se la denomin6 cromosomas XY. Sin embargo en la hembra, la misma pareja de cromosomas homólogos no presentaba ninguna diferencia entre ellos, por lo que se la denominó cromosomas XX. Morgan pensó que los resultados anómalos del cruzamiento anterior se debian a que el gen que determinaba el color de los ojos se encontraba en la porción que faltaba en el cromosoma Y del macho. Por tanto, en el caso de las hembras (xx) al existir dos alelos, aunque uno de ellos fuese el recesivo (ojos blancos), el carácter manifestado era el normal (ojos rojos). En los machos, sin embargo, al disponer Únicamente de un alelo (el de su único cromosoma X), el carácter recesivo si que podia ser observado. De esta manera quedaba tambien establecido que el sexo se heredaba como un carácter más del organismo (http://www.monografias.com/trabajos/genetica/genetica.shtml) Objetivo especifico El estudiante relacionara que algunos caracteres fenotipos se heredan dependiendo el sexo del individuo y que las proporciones no corresponden a las mendelianas. Conclusiones: Principalmente en producción animal es de importancia tener claro que algunas características son heredadas de madres a hijos, es decir que están ligadas al sexo y que para fines comerciales se hace de gran uso este tipo de herencia. ___________________________________________________________

1.Herencia ligada al sexo Los organismos superiores tienen su dotación genética en los cromosomas, estos se encuentran dentro del núcleo de todas las células. Dentro del total de cromosomas están los implicados en la determinación del sexo, por lo tanto se denominan cromosomas sexuales.

En todos los mamíferos la hembra es homogamética y sus cromosomas sexuales (XX) son idénticos y se comportan como homólogos. En cambio, el macho es heterogamético y sus cromosomas sexuales (XY) son diferentes en tamaño, morfología y contenido génetico, este sistema es conocido “sistema XY”. Otros organismos (pájaros, mariposas) tienen machos homogaméticos (ZZ) y hembras heterogaméticas (ZW), sistema conocido como “sistema ZW”. En los saltamontes, el cromosoma Y no existe, los machos solo tienen el X y la notación es X0.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

92

Los machos (si son heterogaméticos) contribuyen con el X o el Y a su descendencia, mientras que las hembras proveen uno de sus X. Por lo tanto en estos casos el macho determina el sexo de la descendencia. Recuerde que en la meiosis cada cromosoma se duplica y solo una copia de cada uno de ellos es portada por el gameto.

La herencia ligada al sexo esta caracterizada por la diferencia entre proporciones de machos y hembras de la descendencia que presencia o no la característica ligada, dependiendo además si los organismos involucrados tienen determinación sexual XY o ZW. La herencia ligada al sexo no es más que la expresión de los genes en aquellas regiones del cromosoma X que no tienen su correspondencia en el cromosoma Y.

Dos ejemplos bien conocidos es el color de ojos en la mosca de vinagre Drosophila la cual tiene un sistema de determinación sexual XY y el color de plumaje en aves de corral las cuales tienen un sistema de determinación sexual ZW .

Los ojos de Drosophila son rojos pero Morgan descubrió una mutante con un color de ojos diferente (blancos) y trató de duplicar con ella los experimentos de Mendel. La mayor parte de las mutaciones son generalmente recesivas, por lo tanto la aparición de una mutante de ojos blancos le dió a Morgan una chance de estudiar, en animales, los fenómenos que observó Mendel. Pero, en vez de conseguir un resultado tipo 3:1 en F2 (segundo entrecruzamiento) la relación fue cercana 4:1 (ojos rojos a ojos blancos) y, por otra parte todos los individuos de la generación F2 de ojos blancos eran machos.

La cruza de un macho homocigoto para el color blanco con una hembra homocigota para el rojo da una descendencia que en su totalidad tienen ojos rojos. El rojo es dominante sobre el blanco (Fig 26a) Sin embargo, la cruza de una hembra homocigota para ojos blancos con machos de ojos color rojo, da un resultado inesperado: todos los machos tienen ojos blancos y todas las hembras ojos rojos(Fig 26b) Esto puede ser explicado si el gen para el color rojo esta en el cromosoma X.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

93

Si el gen para color rojo solo esta en el cromosoma X, el macho de ojos rojos en un segundo cruce pasará sus ojos rojos solo a sus hijas, que por otra parte recibirán un X portador del color blanco recesivo. Por lo tanto las hembras tendrán ojos rojos igual que su padre. Dado que la mosca de la fruta pasa solo un Y a sus hijos, el color de los ojos está enteramente determinado por el cromosoma X que recibe de su madre (en este caso blanco). Esta es la razón por la cual todos los machos de la segunda cruza tienen ojos de color blanco

X

X+X+

Xw Y

Hembra ojos rojos

X+Xw

F1

X

XwXw

macho ojos blancos

X+Y

hembra ojos blancos

X+Y

F1

Machos y hembras ojos rojos

XwX+

XwY

hembras ojos rojos

F1 X F1 X+

Xw

X+

X+X+

X+Xw

Y

X+Y

F1 Xw Xw

XwXw

XwX+

Y

XwY

XwY

2/4 hembras ojos rojos 1/4 machos ojos rojos 1/4 machos ojos blancos

a

machos ojos rojos

machos ojos blancos

X

F1

X+

X+Y

1/4 hembras ojos rojos 1/4 hembras ojos blancos 1/4 machos ojos rojos 1/4 machos ojos blancos

b

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

94

Figura 26a y b Resultados que se obtienen en cruzamientos recíprocos entre ejemplares de Drosophila de ojos rojos y de ojos blancos (tomado de http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo%20complejo%202.htm)

Caracteres codificados en genes recesivos que se encuentran en los cromosomas sexuales (como el color blanco de los ojos de la mosca de la fruta o la hemofilia, distrofia muscular, y el daltonismo o ceguera a los colores en humanos) ocurren más a menudo en los machos, dado que no tienen chance de ser heterocigotas para ese carácter. A esta condición se la denomina hemicigota. • Característica de los caracteres ligados al X La expresión genotípica es más común en machos Los hijos no pueden heredar de sus padres pero si las hijas. Los hijos heredan el cromosoma Y de su padre Solo unos pocos genes se identificaron en el cromosoma Y, entre ellos el factor determinante del testículo (de sus siglas en inglés TDF) que promueve el desarrollo del fenotipo masculino. Un tipo especial de herencia ligada al sexo El mismo cuadro de herencia ligada al sexo se detecta en las especies en que las hembras pertenecen al sexo heterocigótico. En estas también se han detectado una relación directa entre el proceso hereditario y la homogamia y heterogamia, con la particularidad de que la distribución de los caracteres, según si está ligado al sexo masculino o femenino, presenta un cuadro inverso.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

95

Así, el segundo ejemplo es un caso clásico en las gallinas listadas de Bateson. William Bateson realizó cruzamientos entre dos estirpes de gallina con un plumaje claramente diferenciado: la raza Langshan Black, de plumaje negro liso y la raza Plymouth Rock barrada con un plumaje a rayas muyy característico (fig 27)

a

b

d c

d

Figura 27 a) Adultos raza Langshan Black b) Pollito de raza Langshan Black c) Adultos raza Plymouth Rock barrada d) Pollito Plymouth Rock barrado.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

96

Modificado de http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo%20complejo%202.htm)

El cruce entre un gallo de plumaje listado (L) y una gallina de plumaje liso (l) produce hijos de plumaje listado, lo cual indica que L es dominante sobre l (L > l) (fig 28a). Sin embargo, el cruce reciproco, gallo l y gallina L produce una F1 compuesta de gallos L y gallinas l (fig. 28b) Por si esto fuera poco, Bateson observó que en la F2 del primer cruce, gallo de plumaje listado (L) y gallina de plumaje liso (l), la segregación, aunque aparentemente mendeliana, 3 individuos de fenotipo dominante (L) por cada individuo de fenotipo recesivo (l), todos los individuos de fenotipo recesivo resultaron ser hembras, es decir, que si se consideraba cada sexo por separado la segregación dejaba de ser 3:1 para convertirse en 1:1 en las gallinas y 1:0 en los gallos. El segundo cruce, gallo de plumaje liso (l) y gallina de plumaje listado (L), que ya mostró una segregación atípica en la F1 produjo una F2 con una segregación 1:1 que, en este caso, era igual en machos y hembras. Cuando un gen está situado sobre el segmento diferencial del cromosoma X los cruces recíprocos entre líneas puras no son iguales en cuanto a su descendencia. Uno de los cruces produce una F1 uniforme y el otro produce hijos machos (m) del mismo fenotipo que su madre e hijos hembras (f) del mismo fenotipo que su padre. Este fenómeno se denomina herencia cruzada. X

Z LZ L

Zl W

Macho plumaje listado

F1

Z LZ l

Hembra plumaje liso

Z LW

Machos y hembras plumaje listado

X

Z lZ l

Macho plumaje liso

ZLZl

F1

W

ZL

Z LZ L

Z LW

Zl

ZLZl

ZlW

2/4 machos plumaje listado 1/4 hembras plumaje listado 1/4 hembras plumaje liso

Hembra plumaje listado

ZlW

machos plumaje listado

F1 X F1 ZL

Z LW

F1 Zl ZL

ZLZl

Zl

X

hembras plumaje liso

F1

W

Z LW

Z lZ l

Z lW

1/4 hembras plumaje listado 1/4 hembras plumaje liso 1/4 machos plumaje listado 1/4 machos plumaje liso

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

97

1. Herencia influenciada por el sexo La herencia influenciada por el sexo ocurre en aquellos genes, generalmente autosómicos, en los que la relación de dominancia entre sus alelos depende del sexo, es decir, el alelo se comporta como dominante o como recesivo según el sexo. La condiciones influenciadas por el sexo son muy raras, en humanos esta la calvicie, manchas de pelo blanco en el cabello, y la ausencia de dos incisivos superiores. El más representativo es el gen B para la calvicie; en homocigosis BB produce calvicie tanto en mujeres como en hombres, en heterocigosis Bb produce calvicie en hombres pero no en mujeres y en estado recesivo bb no produce calvicie ni en hombres ni en mujeres. a

b

Figura 28 a y b Resultados que se obtienen en cruzamientos recíprocos entre ejemplares de aves de corral con plumaje negro liso y plumaje a rayas (tomado de http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo%20complejo%202.htm)

Aunque tanto mujeres como hombres tienen el mismo estado heterocigoto Bb, solo se expresa la calvicie en hombres, es decir, en hombres el gen solo necesita Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

98

estar presente en una dosis para afectar al portador de la característica, y en mujeres se hace necesario que se presente en forma homocigota dominante.

Generalmente, la calvicie en hombres empieza a manifestarse completamente alrededor de los 20-30 años de edad, esto sucede cuando hay un alto grado de expresividad. La presencia de hormonas endocrinas (andrógenos, hormonas sexuales masculinas), especialmente la dihidrotestosterona, la cual es convertida de la testosterona regulan los diferentes grados de expresividad del gen de la calvicie.

Genotipo

Hombre

Mujer

BB

Calvo

Calva

Bb

Calvo

No calva

bb

No calvo

No calva

Como ejemplos en animales de granja esta el color de pelaje en el ganado lechero de la raza Ayrshire y el carácter cuernos en los ovinos.

Pelaje en la raza Ayrshire En esta raza de ganado lechero un animal blanco puede presentar áreas (manchas) de coloración caoba o roja. Los siguientes alelos determinan la herencia de este carácter: M1 = Caoba en blanco M2= Rojo en blanco Siendo M1 dominante sobre M2 en machos, pero no en hembras. Los siguientes fenotípos son asociados con los diferentes genotipos para el gen M1/M2. Genotipo

Macho

Hembra

M1M1

Caoba

Caoba

M1M2

Caoba

Roja

M2M2

Roja

Roja

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

99

Progenitores Caoba en blanco

X

M1M1

Progenitores rojo en blanco

M1M1

M2M2

X

M2M2

M1M1

M2M2

Descendencia

Descendencia

X M1M2 (Macho caoba en blanco y hembras rojo en blanco)

F1 X F1 M1 M1

M1M1

M2

Descendencia F2

M1M2

Machos o hembra

M1M1

Color caoba en blanco

M2

M1M2

M2M2 Macho caoba en blanco Hembra rojo en blanco Macho o hembra

M1M2

M2M2

Rojo en blanco

Presencia de cuernos en carneros En ovejas la raza ovina Dorset ambos sexos tiene cuernos, mientras que la raza Suffolk ambos sexos carecen de cuernos, Los siguientes fenotípos son asociados con los diferentes genotipos para el gen H1/H2 H1= Raza con cuernos H2 = Raza sin cuernos Siendo H1 dominante sobre H2 en cRNAeros machos pero no en hembras. Los siguientes fenotípos con los diferentes genoptipos para el gen H1H2: Genotipo

Macho

Hembra

H1H1

Con cuernos

Con cuernos

H1H2

Con cuernos

Sin cuernos

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

100

H2H2

Sin cuernos

Sin cuernos

Cuando se cruzan un ejemplar de la Raza Dorset y uno de la Raza Suffolk se observa lo siguiente: Macho Dorset

Hembra Suffolk

(Con cuernos)

H1H1

(Sin cuernos)

X

H2H2

Descendencia

H1H2 (Macho con cuernos y hembras sin cuernos)

F1 X F1

H1

H1

H2

H1H1

H1H2

Descendencia F2 Machos o hembra

H1H1

Con cuernos

H2

H1H2

H2H2 Macho con cuernos Hembra sin cuernos Macho o hembra

H1H2 H2H2

Sin cuernos

2. Herencia limitada al sexo La herencia limitada al sexo, es típica de genes, ya sean autosómicos o ligados al sexo, en los que su expresión depende del sexo. Está por ejemplo la producción de leche en hembras para los mamíferos, presencia de barba en los hombres postura de huevos en las aves hembras.

En términos generales, se puede decir que las características limitadas al sexo están reguladas por las hormonas: Testosterona en machos y Progesterona y estrógenos en hembras. En la mayor parte de aves de corral el macho es más vistoso, gallo-gallina; pato-pata; gansos-gansas; pavos-pavas.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

101

En especies de importancia zootecnica, bajo esta denominación se agrupa un conjunto de caracteres de gran importancia económica, dado que regularmente están implicados en la producción o generación de los productos como ejemplos típicos cabe mencionar: la producción láctea en bovinos; la producción de huevo en las gallinas; y la producción de destetos en diferentes especies empleadas en la producción de cRNAe.

Un ejemplo particular es el que se presenta en una raza de aves de corral en donde hay gallos que exhiben plumaje tanto de gallina como de gallo. La segregación fenotípica ocurre en ambos sexos, el fenotipo es el mismo independiente del genotipo del ave.

El alelo P produce plumaje de gallina cuando esta en gallinas o gallos y el alelo p exhibe plumaje de gallo solo en machos. Genotipo

Macho

Hembra

PP

Plumaje gallina

Plumaje gallina

Pp

Plumaje gallina

Plumaje gallina

pp

Plumaje gallo

Plumaje gallina

El alelo P inhibe la presencia de plumaje masculino cuando esta en presencia de las hormonas sexuales masculinas. Si un gallo Pp fuera castrado, el nivel de hormonas masculinas decrece y el efecto inhibitorio del alelo P desaparece, permitiendo que se manifieste el alelo p y el gallo pasa a tener plumas de gallo

Otro ejemplo es el que se presenta en Asas de borboletas (genero Colias). La segregación fenotípica ocurre en el sexo femenino, el alelo W determina el color blanco de las asas y el alelo recesivo w determina el color amarillo. En machos solo se presentan las asas amarillas. Genotipo

Macho

Hembra

WW

Amarilla

Blanca

Ww

Amarilla

Blanca

Ww

Amarilla

Amarilla

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

102

4. Herencia de Dos Características Ligadas a los Autosomas Ligamiento y recombinación Aquellos genes que ocupan el mismo locus de cromosomas homólogos se segregan durante la meiosis, y como resultado cada alelo va ha hacer parte de un gameto diferente, esto es lo que ocurre en cruces mendelianos monohibridos; y aquellos genes localizados en cromosomas no homólogos se segregan completamente al azar, es lo que ocurre en cruces mendelianos dihibridos.

Basándose en la teoría de que los genes se encuentran en orden lineal a lo largo del cromosoma, podemos pensar que los genes que están en el mismo cromosoma tengan la tendencia a permanecer unidos durante la meiosis. Si es así, estos genes pesarán “unidos” de padres a hijos a través de los gametos, y se les denomina “genes ligados”. Por lo tanto el ligamiento de genes es una excepción a la ley de la segregación independiente y las proporciones que se producen cuando esto ocurre se desvían significativamente de aquellas que son típicas de F2 y retrocruce de prueba.

Es natural esperar que ocurra ligamiento de genes ya que un cromosoma tiene varios genes. Por ejemplo, la mosca del vinagre Drosophila melanogaster tiene 4 pares de cromosomas homólogos y tiene 500 genes, es casi inconcebible esperar que todos se segreguen independientemente.

Hay dos tipos de dihibridos de genes ligados, la diferencia radica en que si los alelos recesivos de los genes, están en el mismo cromosoma homologo se llaman dihibrido “CIS” o en acoplamiento y si están en diferente cromosoma se llaman dihibridos “TRANS” o en repulsión.

g

o

O

g

G

O

o

G

Posición CIS

Posición TRANS

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

103

Etapa de acoplamiento

Etapa de Repulsión

Los genes ligados se escriben colocando los alelos de un homologo a la izquierda de una barra inclinada y los del otro homologo a la derecha, también se acostumbra escribirlos como números fraccionarios. Ej:

AB/ab o AB

Ab/aB

Ab

o

Ab aB

A

B

A

b

a

b

a

B

Como se comento en capítulos anteriores la variación genética esta íntimamente relacionada con las mutaciones ya que es la fuente primaria de cambio genético pues aparecen nuevos alelos, algunos de forma espontánea otros por exposición a agentes mutagénicos ambientales. Los nuevos alelos se convierten en la materia prima del segundo nivel de variación genética, la recombinación. Hay dihibridos en el caso de genes que están ligados, que podría generar recombinantes; la recombinación es el entrecruzamiento de segmentos de ADN entre cromosomas homólogos, modificándose la distribución de los genes respecto a los de la célula progenitora. Es decir, los cromosomas intercambien su material genético, entre cromátides hermanas aumentando así la diversidad genética La recombinación se produce durante la meiosis, su expresión citológica es el sobrecruzamiento que se produce en el paquiteno. La mayor parte de la recombinación se produce en la meiosis. La recombinación meiótica es un proceso en el que se barajan los genes que forman pares alélicos heterocigóticos y se reparten en diferentes combinaciones a los productos de la meiosis (óvulos y espermatozoides de plantas y animales). Por ejemplo si un organismo es diploide heterocigoto para 10 genes, el número total de genotípos posibles de los gametos sería 210 =1024 . Los procesos celulares responsables de la recombinación también ocurren cuando los alelos están en homocigosis, pero en este caso no es posible detectar el hecho de recombinación a nivel genético.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

104

El cruzamiento entre genes ligados permite establecer una “frecuencia de recombinación”. La frecuencia es distinta cuando se trata de cruzamientos que implican distintos genes, pero hay valores característicos reproducibles experimentalmente para cada caso en particular. La frecuencia de recombinación es proporcional a la distancia física entre ellos en el cromosoma. Esto tiene sentido porque si dos locis están muy alejados en el mismo cromosomas, la proporción de meiocitos en los que se produzca un entrecruzamiento entre ellos es mayor que en el caso de que los dos locis estuvieran uno muy cerca del otro. Así la frecuencia de recombianción (Fr) nos permite obtener una medida de la distancia de los genes en el mapa. La distancia se da en unidades de mapa m.u. La frecuencia de recombinación del 1% se define como 1 m.u es decir que de 100 meiocitos 1 puede ser recombinante y la frecuencia del 6% se define como 6 m.u es decir que de 100 meiocitos 6 han recombinado. Cuando son más de 2 genes se puede decir que si A y B están a 5 m.u y A y C a 3 m.u (línea negra), entonces se puede decir que B y C están a 8 m.u o que C y B están a 2 m.u (líneas rojas), esto lo podría decir un nuevo retrocruce.

A

B

C

A

5 m.u

A

C 3 m.u

B 8 m.u

A

C 3 m.u

B 2 m.u

Un mapa simple como el ejemplo no ubica la posición del loci, el mapa es una elaboración abstracta, la agrupación de tres genes podrían estar en cualquier parte del cromosoma.

Sin embargo la localización de genes se van realizando y se va completando los genes a lo largo del cromosoma, y solo cuando se han colocado los genes cercanos en cada extremo se podrá decir con certeza la posición de los demás. Las frecuencias de las distintas clases genotípicas de descendientes son diferentes si los genes ligados están en etapa de acoplamiento o de repulsión.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

105

Ejemplo: Genes ligados en etapa de acoplamiento:

A

B

A

B

a

b

a

b

Parentales

F1

A

B

a

b

b

B

X

a

a a

A

B

a

A

X

a

b

a

b

b

A

b

B b

a

b

a

b

a

b 40%

10%

10%

40%

Ejemplo: Genes ligados en etapa de repulsión:

A

b

a

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

B

106

Parentales a

B

F1

A

A

A

b

a

B

b

a

A a

X

B

b

X

a

b

a

b

a

b

B

A

B

b

a

b

a

b

a

b

a

b 40%

40%

10%

10%

Para calcular el porcentaje de intercambio de genes se suman las porciones fenotipicas donde hay recombinación de características y por ende, de genes, se divide por el total de individuos observados en el retrocruce y se multiplica por 100. Ejemplo: En tomates las plantas son altas (T_ ) o enanos (tt) los tomates tienen la piel lisa (L _ ) o aterciopelados (ll) los genes T y L están ligados. F1 :

(T L t l) T

L

t

l

t X

t

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

l l

107

Resultado: Plantas altas, piel lisa Plantas altas, piel aterciopelada Plantas enanas, piel lisa Plantas enanas, piel aterciopelado

(TL) (t l) 194 (T l) (t l) 9 (t L) (t l) 7 (t l) (t l) 190 400

% intercambio = 9

+ 7 400

X

100

4%

% ligamiento = 100 - 4 = 96% Los genes están a una distancia de 4 m.u Interferencia y coincidencia La aparición de individuos recombinantes dobles demuestran que ocurren entrecruzamientos dobles. Sabiendo esto, viene a la mente, si los entrecruzamientos en sitios cercanos ocurren de forma independiente o, por el contrario, hay algún tipo de influencia entre ellos. De hecho el número de entrecruzamientos dobles que se presentan son menores a los esperados, esto demuestra que la realización de intercambio en un segmento dado, de alguna forma influye en los entrecruzamientos en el segmento vecino. Este fenómeno se conoce como Interferencia. A medida que disminuye las dos distancias que separan a tres genes, la interferencia aumenta y al incrementar estas distancias, ésta disminuye. La magnitud de la interferencia se mide con ayuda del coeficiente de coincidencia. El concepto de coincidencia es inverso al de la interferencia, que define el grado de coincidencia del número de entrecruzamientos observado con respecto a los esperados. El coeficiente de coincidencia se determina como el cociente de la división de la magnitud de los entrecruzamientos dobles obtenidos empíricamente por el número esperado. En Drosophyla, en porciones cortas de cromosomas iguales o menores a 10 unidades de entrecruzamiento, no tienen lugar los entrecruzamientos dobles. En porciones distantes a más de 40 unidades de entrecruzamiento, los entrecruzamientos dobles se producen según las normas de las combinaciones libres. Aquí la coincidencia es igual a 1, ya que hay una total coincidencia del número real de entrecruzamientos dobles y la cifra esperada.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

108

UNIDAD DIDACTICA 3 GENETICA DE POBLACIONES CAPITULO 7 FRECUENCIAS GENICAS Y EQUILIBRIO En genética de poblaciones se parte del supuesto de que los cambios evolutivos a pequeña escala, los que se dan en el seno de las poblaciones de las especies, contienen todos los elementos necesarios para explicar toda la evolución, pues la macroevolución, o evolución a gran escala, no sería más que la extrapolación en el espacio y en el tiempo de los procesos básicos de las poblaciones. Casi todas las especies están formadas por una o más poblaciones de individuos que se cruzan entre sí, formando una comunidad de intercambio genético denominada población mendeliana. Esta población es el sustrato básico donde se forja la evolución. En el seno de la población se da el hecho inevitable de que algunos individuos dejan más descendientes que otros. Como que el único componente que se transmite de generación en generación es el material genético (los genes), el que un individuo deje más descendientes implica que sus genes estarán más representados en la siguiente generación. De este modo, las frecuencias de los distintos genes cambiarán de una generación a otra, y este cambio será irreversible cuando se considera el conjunto de los genes de la población, pues es muy improbable que se vuelva a una configuración previa en todos los genes. Por tanto, desde el punto de vista de la población, la evolución es en último término un cambio acumulativo e irreversible de las proporciones de las diferentes variantes de los genes, o alelos, en las poblaciones. ¿Qué procesos hacen que unos alelos cambien en frecuencia de generación en generación? Los agentes que cambian las frecuencias génicas de las poblaciones, o sea los factores de evolución, son la mutación, la deriva genética, la migración y la selección natural. (tomado de http://bioinformatica.uab.es/divulgacio/genpob.html) Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

109

______________________________________________________

FRECUENCIAS GÉNICAS Las poblaciones ya sean diploides o haploides, tienen dos atributos importantes: Las frecuencias génicas y el conjunto común de genes ("gene pool") Una población, en el sentido genético, no es sólo un grupo de individuos, sino un grupo reproductivo; y la genética de una población está interesada no sólo en la constitución genética de los individuos, sino que también en la transmisión de los genes de una generación a la siguiente. Durante dicha transmisión los genotípos de los padres se disocian y un nuevo grupo de genotípos se constituye en la progenie, con los genes transmitidos por los gametos. Los genes llevados por la población en esta forma tienen continuidad de generación a generación, pero los genotípos en los cuales ellos aparecen, no. La constitución genética de una población, refiriéndose a los genes que ella lleva, se describen por medio del arreglo de las frecuencias génicas. (Falconer, 1971) Las frecuencias génicas son, simplemente, las proporciones de los distintos alelos de un gen en la población. Para obtener dichas proporciones contamos el número total de organismos de los diversos genotípos en la población y estimamos la frecuencia relativa de los alelos implicados, por ejemplo asumamos una población X con 100 individuos cuyos genotípos están establecidos en la siguiente tabla, las frecuencias serán establecidas de la siguiente forma: Genotípos

No. de individuos

A 1A 1 A 1A 2 A 2A 2 Total

30 60 10 100

No. de alelos A1 A2 60 0 60 60 0 20 120 80

Entonces: Frecuencia del alelo A1 = 120/200 = 0,6 Frecuencia del alelo A2 = 80/200 = 0,4 En donde, 120 y 80 corresponden al número de alelos para cada uno de los genotípos presentes, dividido sobre el total de alelos de la población. Por tratarse de individuos diploides se debe tener en cuenta que vienen de la unión de dos gametos. Así para formar el individuo con el genotipo A1A1 se debió de unir 2 gametos portadores de A1; para formar el individuo A1A2 se unieron dos gametos , uno A1 y el otro A2 y para el individuo A2A2 se unieron dos gametos A2.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

110

La segregación mendeliana se puede representar matemáticamente mediante la expresión binomial de (a+b) en donde a es la probabilidad de que ocurra un evento y b de que no ocurra. Para expresar esta relación en términos más generales se aplica a cualquier gen los símbolos p y q así: p como la frecuencia del alelo A1 q como la frecuencia del alelo A2 Siendo las frecuencias alélicas iguales para ambos sexos: hombres (p,q) mujeres (p,q) En un cruce monohibrido la proporción será: A1(p) A2(q) (A + a)2 = A2 + 2Aa + a2 (p+q)2 p2 + 2pq + q2 P2 = frecuencia del genotipo A1A1 < HOMOCIGOTO 2pq= frecuencia del genotipo A1A2 < HETEROCIGOTO q2 = frecuencia del genotipo A2A2 < HOMOCIGOTO Cuando no interviene más de dos alelos p+q =1 Estas frecuencias se mantienen constantes de generación en generación. De forma más general, se puede establecer una relación entre frecuencias génicas y genotípicas: Para un locus con 2 alelos A1 y A2 sería : Genes A1 p

A2 q

A 1A 1 D

Genotipos A 1A 2 H

A 2A 2 R

En otras palabras D = p2; H = 2pq y R = q2 Así: Genotipos A1A1 A1A2 A2A2 Total

No. de individuos n1 n2 n3 N

Frecuencias genotipica n1/N= D n2/N= H n3/N= R 1 100%

D+H+R = 1 La relación entre la frecuencia génica y la genotípica es por tanto: p = D + 1/H y q = R + 1/2H

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

111

Alelos A1 A2

Frecuencias 2n1+ n2 = 2D +H = D + 1/2H = p 2N 2D+2H+2R 2n3+ n4= 2R +H = R + 1/2H = q 2N 2D+2H+2R

Dos poblaciones pueden tener las mismas frecuencias génicas "p" y "q", pero distintas frecuencias genotípicas. Población 1 p = 0,48 + (1/2) 0,20 = 0,58 (frecuencia génica) q = 0,32 + (1/2) 0,20 = 0,42 (frecuencia génica) Población 2 p = 0,24 + (1/2) 0,68 = 0,58 (frecuencia génica) q = 0,08 + (1/2) 0,68 = 0,42 (frecuencia génica) Conclusión: Las frecuencias génicas o alélicas pueden calcularse a partir de las frecuencias genotípicas, pero no se pueden calcular las frecuencias genotípicas a partir de las frecuencias génicas o alélicas. : D = 0,24 H = 0,68 R = 0,08 No. individuos A 1A 2 A 2A 2 Total A 1A 1 Población 1 48 20 32 100 Población 2 24 68 8 100 : D = 0,48 H = 0,20 R = 0,32

Ejemplos: 1. La capacidad de percibir el sabor de la feniltiocarbamida (FTC) es una condición dominante, no percibir es recesivo. En una encuesta entre 228 estudiantes de una Universidad se encontró lo siguiente: - 160 de ellos fueron sensibles (Dominantes) • 68 de ellos no fueron sensibles (Recesivos) Cuales son las frecuencias génicas y genotipicas? Solución: Alelo T: Dominante Alelo t: recesivo Como T domina sobre t, los 160 estudiantes incluyen los genotipos TT y Tt y los no sensibles serán tt. tt = q2 228 ------ 100 68 ------ X X= 29.8 más ó menos 0.30 q2 = 0.30 q =

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

112

p + q = 1 p= 1 - q p = 1 - 0.55 = 0.45 Frecuencias genotipicas P2 TT = 0.45 X 0.45 = 0.20 pq Tt = 0.45 X 0.55 = 0.25 qp tT = 0.55 X 0.45 = 0.25 q2 tt = 0.55 X 0.55 = 0.30 p2 = 0.20 V0.30 = 0.55+ 2pq = 0.50 + q2 = 0.30 = 1 2. Cual es la frecuencia de los heterocigotos Aa en una población con apareamiento aleatorio, si la frecuencia del fenotipo recesivo aa es 0.09? aa = 0.09 (p + q)2 p2 + 2pq + q2 q2 = 0.09 q= p + q = 1 p = 1 - 0.3 = 0.7 Frecuencias alélicas p = 0.7 , q = 0.3 Aa = 0.7 X 0.3 = (0.21) 2 = 0.42 3. Cual es la frecuencia de los heterocigotos Aa en una población con apareamiento aleatorio en la que la frecuencia del fenotípo dominante es 0.19? (p + q)2 = p2 + 2pq + q2 p2 = 0.19 p= p + q = 1 q = 1 - 0.43 = 0.56 p2 + 2pq + q2 (0.43)2 + 2 (0.43 X 0.56) + (0.56)2 0.18 + 0.48 + 0.31 Frecuencia de heterocigotos: 0.48

V0.09 q = 0.3V0.19 = 0.43 4. Al probar los tipos sanguíneos de 2047 cabezas de ganado Gueinsey, Stormont se encontró las siguientes frecuencias para los genotípos de los alelos codominantes Z y z; 542 ZZ, 1043 Zz, 462 zz. Cuales son las frecuencias fenotípicas, genotípicas y génicas? ZZ 542 542 / 2047 = 0.26 Zz 1043 1043 / 2047 = 0.51 Zz 462 462 / 2047 = 0.23 2047 Frecuencias génicas: Z 0.26 + 1/2 (0.51) = 0.51 (p) z 0.23 + 1/2 (0.51) = 0.49 (q)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

113

Frecuencias genotípicas 0.51 X 0.51 = 0.26 ZZ 0.51 X 0.49 = 0.50 Zz 0.49 X 0.49 = 0.24 zz 5. Dos poblaciones se inician con las siguientes frecuencias de genotípos? AA Aa aa Población 1 0.24 0.32 0.44 Población 2 0.33 0.14 0.53 Si existen apareamientos aleatorios cuales serán las frecuencias genotípicas en la generación siguiente? Frecuencias génicas población 1: 0.24 + 1 (0.32) = 0.4 0.44 + 1 ( 0.32) = 0.6 Frecuencias génicas población 2: 0.33 + 1 (0.14) = 0.4 0.53 + 1 ( 0.14) = 0.6

AA

Aa

aa

0.24

0.32

0.44

(Población. 1) AA

0.08

0.10

0.145

0.33

Aa

0.034

0.045

0.06

0.14

aa

0.13

0.17

0.23

0.53

(Pobl. 2) Frecuencias genotipicas en la nueva generación. AA AA X AA

0.08

AA X Aa

0.067

AA X aa

Aa

aa

0.067

(sumatoria 0.034+0.10/2)

0.275

(sumatoria 0.145+0.13)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

114

Aa X Aa

0.01

0.02

0.01

0.11

0.11

______ 0.472

0.23 _____ 0.35

Aa X aa aa X aa ______ 0.157

0.979 =

(sumatoria 0.06+.0.17/2)

1

EQUILIBRIO DE HARDY WEINBERG (tomado de Griffiths et al. 1999) El equilibrio de Hardy-Weinberg , significa que la reproducción sexual no provoca una reducción constante de la variación genética en cada generación; por el contrario, la cantidad de variación permanece constante generación tras generación, en ausencia de otras fuerzas distorsionadoras. El equilibrio es la consecuencia directa de la segregación de los alelos en meiosis en los heterocigotos. Numéricamente, el equilibrio implica que, independientemente de qué genotípos se mezclen en la generación parental, la distribución genotípica tras una ronda de cruzamientos está completamente especificada por la frecuencia alélica p. Por ejemplo, considere tres poblaciones hipotéticas:

I II III

f (A/A)

f (A/a)

f (a/a)

0.3 0.2 0.1

0.0 0.2 0.4

0.7 0.6 0.5

La frecuencia alélica p de A en las poblaciones es I II III

p = f (A/A) + 1/2 f (A/a) = 0.3 + 1/2 (0) = 0.3 p= " = 0.2 + 1/2 (0.2) = 0.3 p= " = 0.1 + 1/2 (0.4) = 0.3

Así, independientemente de las diferentes composiciones genotípicas, las tres poblaciones presentan la misma frecuencia alélica. Tras una generación de

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

115

cruzamientos al azar, sin embargo, cada una de las tres poblaciones tendrá las mismas frecuencias genotípicas. A/A _______________ (0.3)2 = 0.09

A/a _____________________ 2(0.3) (0.7) = 0.42

a/a ______________ (0.7)2 = 0.49

y permanecerán así indefinidamente. Una consecuencia de las proporciones de Hardy-Weinberg es que los alelos raros no están prácticamente nunca en homocigosis. Un alelo con una frecuencia de 0.001 aparece en homocigosis con una frecuencia de tan sólo uno por millón; la mayor parte de esos alelos raros se encuentran en heterocigosis. En general, puesto que hay dos copias de un alelo en los homocigotos y sólo una en los heterocigotos, la frecuencia relativa del alelo en los heterocigotos ( entraste con los homocigotos) es, según las frecuencias del equilibrio de Hardy-Weinberg, 2pq 2q2

=

p q

que para q = 0.001 es una proporción de 999:1.

Suponiendo que la frecuencia alélica p es la misma en los espermatozoides que en los óvulos, el teorema del equilibrio de Hardy-Weinberg no es aplicable a los genes ligados al sexo si las hembras y los machos comienzan con distintas frecuencias génicas. El equilibrio Hardy-Weinberg se basa en la suposición de que los cruzamientos ocurren al azar, pero ha de distinguirse dos posibles significados de ese proceso. En primer lugar, se puede pensar que los individuos no eligen a sus parejas dependiendo de algún carácter heredable. En este sentido, los seres humanos se cruzan al azar respecto a los grupos sanguíneos, porque generalmente no conocen el grupo sanguíneo de sus posibles parejas, pero incluso si lo supieran, no es probable que éste fuera un criterio importante en la elección de la pareja. En este primer sentido, los cruzamientos al azar ocurren con respecto a genes que no afectan a la apariencia externa, la conducta, el olor u otras característica que influyen en la elección de la pareja. Hay un segundo sentido del cruzamiento al azar que es importante cuando hay una subdivisión de una especie en subgrupos. Si existe una diferenciación genética entre subgrupos, de modo que las frecuencias alélicas difieren de grupo a grupo, y si los individuos tienden a emparejarse con miembros de su propio Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

116

subgrupo (endogamia), entonces, con respecto a la especie en su conjunto, los cruzamientos no son al azar, y las diferencias de los genotípos se alejarán en mayor o menor grado de las frecuencias de Hardy-Weinberg. En este sentido, los seres humanos no se cruzan al azar, porque los grupos étnicos y raciales se diferencian unos de otros en las frecuencia génicas, y las personas muestran mucha endogamia, no sólo entre las razas principales, sino en el seno de grupos étnicos locales. Los españoles y los rusos difieren en sus frecuencias de los grupos sanguíneos ABO. Los españoles se casan con españoles, y los rusos se casan con rusos, por lo que hay cruzamientos no aleatorios inintencionados con respecto a los grupos sanguíneos ABO. En conclusión: • La ley de Hardy-Weinberg afirma el equilibrio de la población genética cuando se cumplen las condiciones de panmixia, tamaño de la población y ausencia de migración, mutación y selección. • En las condiciones anteriores, las frecuencias genotípicas de la descendencia dependen sólo de las frecuencias génicas de la generación parental. Si por cualquier causa se alterara el equilibrio en una población, pero volviera a restablecerse las condiciones de Hardy-Weinberg, el equilibrio se alcanzaría en la siguiente generación, aunque con nuevas frecuencias génicas y genotípicas. Ejemplo conservación de frecuencias (tomado de Strickberger, 1964) El principio descubierto por Hardy y Weinberg puede ilustrarse de forma sencilla. Para lo que pretendemos en este momento podemos suponer que en el hombre la diferencia entre los individuos capaces de gustar el compuesto químico feniltiocarbamida (PTC) y los incapaces de hacerlo reside en una sola diferencia génica con dos alelos, T y t. El alelo para gustadores, T, es dominante sobre t, de modo que los heterocigotos Tt son gustadores y los únicos no gustadores son los tt. Si tuviésemos que elegir una población inicial formada por un número arbitrario de individuos de cada genotipo, podríamos preguntarnos cuál sería la frecuencia de dichos genes después de muchas generaciones. Situemos en una isla, por ejemplo, a un grupo de niños con una proporción de 0,40 TT: 0,40 Tt: o,20 tt. Las frecuencias génicas de dicha población recién formadas son, por lo tanto 0,40 + 0,20 = 0,60 T y 0,20 +0,20 = 0,40 t. Supongamos también que el número de individuos de la población es grande y que la capacidad o la incapacidad gustatoría no tiene ningún efecto en la supervivencia (viabilidad), ni en la fertilidad ni en la atracción entre sexos. Cuando estos niños maduren, elegirán su pareja al azar de entre los individuos del sexo opuesto independiente de su capacidad gustatoria. Por lo tanto, el apareamiento entre dos genotípos cualquiera sólo puede predecirse basándose en las frecuencias de dichos genotípos en la población. Como se indica en la tabla 1, Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

117

pueden producirse nueve tipos de apareamiento, de los que tres son recíprocos de otros, por ejemplo, (TT x tt = tt x TT). En total hay, por lo tanto, seis combinaciones distintas de apareamiento entre dichos genotípos, lo que dará lugar a una descendencia en las proporciones que se indican en la tabla 2.

Tabla No. 2 Frecuencias relativas de los distintos tipos de descendeicia producida en los apareamientos indicados en la tabla 1

Progenitores Tipos de apareamiento

TT TT TT Tt Tt tt

X X X X X X

TT Tt tt Tt tt tt

Frecuencia

0.16 0.32 0.16 0.16 0.16 0.04

Proporción de la descendencia TT Tt tt 0.16 0.16 0.04

0.36

0.16 0.16 0.08 0.08 0.48

0.04 0.08 0.40 0.16

Nótese que aunque las frecuencias de los genotípos se han visto alteradas por el apareamiento aleatorio; las frecuencias génicas no han cambiado. Para T, la frecuencia génica es igual a 0.36 + 1/2 (0.48) = 0.60 y la frecuencia de t es igual a 0.16 + 1/2 (0.48) = 0.40, exactamente igual que antes. Bajo estas condiciones y sea cual fuere la frecuencia inicial de los tres genotipos, las frecuencias génicas de la siguiente generación serán las mismas que en lageneración paterna. Por ejemplo, si la población fundadora de dicha isla tuviese 0.25 TT, 0,70 Tt y 0.05 tt, la frecuencia génica de T sería 0.25 + 1/2 (0.70) = 0.60 y la de t,0.05 + 1/2 (0.70) =0.40 ( las mismas que antes). Sin embargo, a pesaar dde las nuevas frecuencias genotípicas, la descendencia se formará nuevamente en una proporción de 0.36 TT: 0.48 Tt: 0..16 tt ( tabla 3) o con frecuencias génicas de 0,60 T: 0,40 t. Pueden sacarse, por lo tanto, dos importantes conclusiones: En condiciones de apareamiento al azar (panmixia) en una población de gran tamaño en la cual todos los genotípos son igualmente viables, las frecuencias

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

118

génicas de una generación particular dependen de las frecuencias génicas de la generación anterior y no de las frecuencias genotípicas. Tabla 1. Tipos de combinaciones de apareamiento aleatorio y sus frecuencias relativas en una población con 0.40 TT, 0,40 Tt y 0.20 tt.

Machos TT 0.40 TT 0.40 Hembras

Tt 0.40 Tt 0.20

Tt 0.40

tt 0.20

0.16

0.08

1

2

3

0.16

0.16

0.08

4

5

6

0.08

0.08

0.04

7

8

9

0.16

TT X TT (1) = 0.16 TT X Tt (2 + 4) = 0.32 TT X tt (3 + 7) = 0.16 = 0.16 Tt X Tt (5) Tt X tt (6 + 8) = 0.16 tt X tt (9) = 0.04 1.00 2. La frecuencia de los distintos genotípos que se forman con apareamiento aleatorio dependen únicamente de las frecuencias génicas. Estos dos puntos quieren decir que si centramos nuestra atención en los genes más que en los genotípos, podemos predecir las frecuencias tanto génicas como genotípicas de las generaciones futuras (siempre y cuando no actúen fuerzas externas que cambien dichas frecuencias y que exista apareamiento aleatorio entre todos los genotípos).

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

119

Tabla No. 3 Frecuencia de la descendencia producida por una población como 0.25 TT, 0.70 Tt y 0.05 tt

Progenitores Apareamiento Frecuencia 0.25 X 0.25

TT X TT

= 0.0625

0.0625 0.1750

TT X Tt

*

0.25 X 0.70 X 2 = 0.3500

TT X tt

*

0.25 X 0.05 X 2 = 0.0250 0.70 X 0.70

Tt X Tt Tt X tt Tt X

tt

*

Descendencia TT Tt

0.1750 0.0250

= 0.4900

0.70 X 0.05 X 2 = 0.0700 0.05 X 0.05

tt

= 0.0025

0.0350

0.0350 0.0025

3. La Dinámica Genética de las Poblaciones en Evolución. (Tomado de: http://evolutionibus.eresmas.net/poblaciones.html) Mientras la investigación en citogenética y mutaciones tenía a los individuos como objeto de estudio, las poblaciones ocupaban un lugar central en los estudios dirigidos a explicar, partiendo de las leyes de Mendel, el cambio evolutivo de las comunidades de apareamiento. En el año 1908 se formuló un descubrimiento importante, por partida doble e independientemente: el matemático Hardy en Gran Bretaña y el antropólogo Weinberg en Alemania demostraron que la composición genética de una población permanece en equilibrio mientras no actúen ni la selección ni ningún otro factor y no se produzca mutación alguna.A pesar de la mezcla de genes que supone la reproducción sexual, la persistente reorganización de estos en este tipo de reproducción no cambia la frecuencia de estos en las sucesivas generaciones. Es decir, la herencia mendeliana, por sí misma, no engendra cambio evolutivo, no es un mecanismo de alteración de las frecuencias de los genes en las poblaciones. Tomado de: http://evolutionibus.eresmas.net/poblaciones.html) La alteración genética de una población sólo puede darse por factores como mutaciones, selección, influencias casuales, convergencias o divergencias individuales. El cambio genético que surja significa la perturbación del equilibrio. Con estos concepto quedaron instalados los cimientos de la genética de poblaciones, que no sería desarrollada hasta Chetverikov (1926) y Fisher, Seawall Wright y Haldane en los años 1930 - 32. Desde este momento, influiría también en la teoría de la evolución.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

120

La demostración de este equilibrio es sencilla, como se muestra a continuación, e implica que las frecuencias génicas (la frecuencia de cada gen o alelo) permanecen constantes de generación en generación, siempre que la población cumpla las siguientes condiciones ideales: • Ser lo suficientemente amplia como para que todos los cambios que se produzcan en ella sigan las leyes de la estadística. Tampoco debe existir inmigración ni emigración. • Los organismos componentes de esa población han de ser diploides y de reproducción al azar (panmixia). Para una explicación más práctica, vamos a tomar un ejemplo real, el de la enfermedad metabólica hereditaria denominada fenilcetonuria. (Los conocimientos previos para entender esto se reducen a dominar las leyes de Mendel y algo de aritmética y probabilidad). Los niños con fenilcetonuria no pueden procesar un aminoácido de las proteínas llamada la fenilalanina. Como resultado, la fenilalanina se acumula en el torrente sanguíneo y causa daño cerebral y retraso mental. Los individuos con fenilcetonuria deben permanecer con una dieta restringida a través de la niñez y la adolescencia, y quizás también a través de toda su vida. En Europa, uno de cada 10.000 nacidos la padecen: su incidencia es del 0'0001 (o del 0'01%). La enfermedad la provoca un gen recesivo cuando se da una situación de homocigosis aa. Vamos a expresar la frecuencia del gen sano como p y la del gen "defectuso" como q, y calcularemos la incidencia de los portadores de la combinación aa. (Obviamente, p + q = 1). Si realizamos un cruzamiento de dos portadores Aa, en donde permanece oculto el gen recesivo, los genotipos obtenidos en la siguiente generación serán los siguientes (p y q reciben el nombre de frecuencias génicas, mientras que las frecuencias de los genotipos AA, Aa y aa se llaman frecuencias genotípicas):

A (p) a (q)

A (p) AA (p2) Aa (pq)

a (q) Aa (pq) aa (q2)

Los tres genotipos AA : Aa : aa aparecen en una relación p2 : 2pq : q2. Si las sumamos, nos daría de nuevo la unidad: p2 + 2pq + q2 = (p + q) 2 = 1. La frecuencia de los genotipos enfermos de fenilcetonuria era 0'0001. Este valor corresponde a q2. La frecuencia q del gen a será la raíz cuadrada de 0'0001, es decir, 0'01. La enfermedad tiene una incidencia de 1 cada 10.000 individuos, pero la frecuencia del gen es 100 veces mayor, 1 cada 100. ¿Dónde, entonces, se ocultan los genes a? Se encuentran en el par Aa con una frecuencia 2pq = 2q(1 - q) = 2· 0'01·(1 - 0'01) = 0'02.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

121

Esto quiere decir que un 2% de todos los individuos de la población europea portan este peligroso gen: ¡uno de cada cincuenta!. Este ejemplo nos da una idea de lo persistente que puede llegar a ser un gen recesivo manteniéndose "clandestino" en heterocigosidad. Mediante cálculos similares, igualmente sencillos, se puede demostrar que en una población de este tipo, en sucesivos cruzamientos las frecuencias génicas siguen manteniéndose constantes. Es lo que arriba se mencionaba como equilibrio Hardy-Weimberg. Se puede demostrar igualmente que resulta muy difícil reducir la frecuencia de estos genes recesivos en valores significativos. El apareamiento aleatorio es un supuesto razonable, pero en la realidad este no existe en la mayoría de los casos, ya que siempre hay algún tipo de selección de pareja. Está claro que una población de este tipo no existe en la naturaleza, pero sirve de punto de partida para el estudio de otras leyes: los organismos están sujetos a mutación, selección o otros procesos que cambian las frecuencias génicas, pero lo efectos de estos procesos pueden ser medidos a partir de sus desviaciones de la ley de equilibrio. Ejercicios 1. Tomado de http://www.ucm.es/info/genetica/AVG/problemas/sol_pob_20_1.htm

La fenilcetonuria (PKU) tiene herencia autosómica recesiva. En una población humana se ha encontrado una persona con PKU (homocigótica recesiva) por cada 10.000 individuos analizados. Suponiendo que esta población está en equilibrio para este locus: Averigüe la frecuencia de los individuos que padecen PKU (homocigóticos aa) Si la enfermedad se debe al efecto del alelo recesivo de un gen autosómico todos los individuos que padecen PKU deben ser homocigotos recesivos (aa) Por tanto, si en esta población se encuentra 1 individuo afectado por cada 10.000 individuos, la frecuencia de homocigotos aa es una diezmilésima.

Indique la frecuencia del alelo a (q) que produce dicha enfermedad recesiva.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

122

Calcule la frecuencia de los individuos sanos, pero portadores de dicho gen. En una población en la que se encuentra segregado un locus autosómico con dos alelos, uno de ellos dominante y el otro recesivo, los individuos de fenotipo dominante (los sanos, en este caso) se dividen en dos subgrupos: los homocigotos para el alelo dominante AA y los heterocigotos Aa que son los portadores del alelo recesivo, causante de la enfermedad. En una población en equilibrio, la frecuencia de heterocigotos es 2pq y. En el caso de que uno de los dos alelos tenga una frecuencia muy baja, la frecuencia del otro

alelo será próxima a uno y, como consecuencia, la frecuencia de heterocigotos es aproximadamente igual al doble de la frecuencia del alelo raro. Tomado de: http://www.ucm.es/info/genetica/AVG/problemas/sol_pob_20_1.htm En una granja de conejos se han encontrado 112 conejos AA, 338 Aa y 250 aa. Calcule la frecuencia de los individuos sanos, pero portadores de dicho gen. Una población mendeliana en la que se encuentra segregando un locus con dos alelos puede describirse, en términos genéticos, Mediante la estructura de sus acervos genéticos. El enunciado del problema nos proporciona la descripción del acervo (genotípico) cigótico en frecuencias absolutas, por tanto, para completar la descripción, sólo nos queda averiguar el tamaño de la muestra (N), sumando las frecuencias genotípicas observadas, y calcular las frecuencias relativas: N = 112 + 338 + 250 = 700

Genotipo Frecuencia absoluta Frecuencia relativa

AA D = 112 P

11= 0.16

Aa H = 338 P 12=0.48

aa R = 250 P

22

= 0.36

Total 700 1

Enlace de interes

Ejemplo 2. Averigüe las frecuencias alélicas p (para el alelo A) y q (para el alelo a) Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

123

Conocida la descripción del acervo cigótico podemos obtener la descripción del acervo alélico. Los alelos que encontramos en los genotipos son A y a

por tanto: Alelo Frecuencia absoluta Frecuencia relativa

A N1 = 562

a N2 = 838

p= 0.4

q=0.6

Total 1400 1

Enlace de interes

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

124

Capitulo 8. ESTIMACION DE FRECUENCIAS FENOTIPICAS Introducción La transmisión de los genes se lleva a cabo de generación en generación , es por esto que en genética de poblaciones se habla de frecuencias génicas y no de frecuencias genotípicas y/o fenotípicas pues estas desaparecen cuando el individuo muere. Como se había mencionado anteriormente, las frecuencias genotípicas y génicas corresponden a la proporción o porcentaje de individuos que pertenecen a cada uno de los diferentes genotipos. Sin embargo, dependiendo del carácter y tipo de herencia, la estimación de estas frecuencias es diferente; según Klug y Cummings, 2001 en loci autosómicos la frecuencia es la misma en espermatozoides y en óvulos pero no ocurre lo mismo con los genes ligados al sexo, pues en especies en las que las hembras son XX y los machos XY, los genes están en distribución desigual, debido a que las hembras tienen dos copias de cada uno de ellos y el macho solamente una copia. A continuación se estudiara la estimación de las frecuencias fenotípicas, genotípicas y génicas para cada uno de las diferentes alternativas de tipo de herencia _______________________________________________________________ ESTIMACIÓN FRECUENCIAS DE UN CARÁCTER AUTOSÓMICO Para estimar las frecuencias alélicas en caracteres con dominancia, no se puede establecer cuantos individuos de la población son homocigotos dominantes y Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

125

cuántos heterocigotos, en los que el alelo recesivo esta enmascarado, es por esto que se dificulta un poco el manejo de las frecuencias de los dos alelos. Como ya se había desarrollado en el item 1 del capitulo 1 la estimación de las frecuencias fenotípicas genotípicas y únicamente se resumirán dos puntos aclaratorios al respecto. Para la estimación de dichas frecuencias se debe dar cumplimiento a las dos siguientes condiciones: • •

Las frecuencias de los genotípos llamada D, H y R con 0 = < D,H,R = < 1 y D + H + R = 1. Las frecuencias de los alelos F(A) llamadas p,y q con 0 = < p,q = < 1 y p+q= 1.

Genotipos Frecuencias Frecuencias alélicas

A1A1 D A1 D + H/2 = p A2 R + H/2 = q

A1A2 H

A1A2 R

Con p+q =1

La estimación de las frecuencias genotípicas y génicas es más fácil en este tipo de herencia, dado que los individuos homocigotos y heterocigotos muestran diferencias fenotípicas. Según Gardner et al. 2000, la codominancia del locus del grupo sanguíneo MN es uno de los ejemplos. Cada uno de los fenotípos se identifica probando la sangre con sueros inmunológicos. Un suero detecta una propiedad de las células sanguíneas denominada el antígeno M y el otro detecta una propiedad relacionada que se denomina el antígeno N. La células que reaccionan con ambos sueros poseen los dos antígenos. Las bases genéticas de esas características antigénicas están bien establecidas. Los antígenos M y N están codificados por alelos de un gen en el cromosoma 4. Con dos alelos, hay tres genotípos posibles, LMLM, LNLN, LMLN que corresponden a los fenotípos M, N y MN. Esta relación sin ambigüedad entre genotípos y fenotípos permite que las frecuencias de los dos alelos se estimen directamente a partir de los datos. El procedimiento consiste en contar loa alelos de cada tipo y después dividir los totales entre el número de alelos de la muestra completa. Por ejemplo para un total 6129 individuos , 1787 individuos son LM , es decir, hay 2574 alelos LM (1787 x 2) en los individuos con tipo sanguíneo M y 3039 alelos LM en los individuos que tienen un tipo sanguíneo MN, dando un total de 6613 alelos LM en la muestra completa de 12258 alelos (2X 6129). Esto da una frecuencia de 6613/12258 = 0.5395 .Para LN , hay 2 X 1303 = 2606 alelos LN en los individuos con tipo de

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

126

sangre N y 3039 alelos LN en aquellos con tipo de sangre MN, dando un total de 5645/12259 = 0.4605. Sea p la frecuencia de LM y q la frecuencia de LN , se tiene que p= 05395 y q = 0.4605; nótese también que p + q = 1.0000. Ejemplo de Codominancia Veamos otro ejemplo: Una proteína sérica humana denominada haptoglobina tiene dos variantes electroforéticas principales producidas por un par de alelos codominantes Hp1 y Hp2. Una muestra de 100 individuos tiene 10 Hp1/Hp1, 35 Hp1/Hp2 y 55 Hp2/Hp2. ¿Se ajustan los genotípos de esta muestra dentro de límites estadísticamente aceptables con las frecuencias esperadas para una población de HardyWeinberg? Solución: Primero debemos calcular las frecuencias alélicas. 2(10) + 35 55 Designemos "p" = frecuencia del alelo Hp1 = ------------- = ----- = 0.275 2(100) 200 "q" = frecuencia del alelo Hp2 = 1-0.275 = 0.725 A partir de estas frecuencias de genes (alélicas o génicas) podemos determinar las frecuencias genotípicas esperadas de acuerdo con la ecuación de HardyWeinberg. Hp1/Hp1 = p2 = (0.275)2 = 0.075625 Hp1/Hp2 = 2pq = 2 (0.275) ( 0.725) = 0.39875 Hp2/Hp2 = q2 = (0.725)2 = 0.525625 Al convertir estas frecuencias genotípicas a números basados en un tamaño de muestra total de 100, podemos realizar una prueba de chi-cuadrado. gl= fenotipos- alelos = 3 – 2 = 1; P(probabilidad) = 0.2 – 0.3 (Tabla chi-cuadrado) Existe una probabilidad de entre un 20 y un 30% de que las diferencias entre observado y esperado se deban al azar, por lo que se acepta que esta población está en equilibrio Hardy-Weinberg También se puede plantear el caso de que se desee comprobar si el apareamiento se produce al azar.(X2 de contingencia, está en el temario de prácticas). Genotípos Hp1/Hp1 Hp1/Hp2 Hp2/Hp2 Totales

Observados 10 35 55 100

Esperados 7.56 39.88 52.56 100

Desviación (o – e)2 (o – e) 2.44 5.95 -4.88 23.81 2.44 5.95 0

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

(o – e)2 / e 0.79 0.60 0.11 X2 = 1.50 127

gl= fenotipos- alelos = 3 – 2 = 1; P(probabilidad) = 0.2 – 0.3 (Tabla chi-cuadrado) Existe una probabilidad de entre un 20 y un 30% de que las diferencias entre observado y esperado se deban al azar, por lo que se acepta que esta población está en equilibrio Hardy-Weinberg

Estimación frecuencias a alelos múltiples y a varios loci

Frecuencias en Grupos Sanguíneos (tomado de falconer, 1971 y Klug y Cummings, 2001) En las poblaciones es corriente encontrar varios alelos en un locus. Los grupos sanguíneos ABO en el hombre están determinados por una serie de genes alélicos. Para propósitos de ilustración se reconocerán tres alelos, IA, IB, y IO. Y se mostrara como las frecuencias génicas pueden estimarse de las frecuencias de los grupos sanguíneos. En este caso A y B son alelos codominantes entre sí y dominantes sobre O. La consecuencia es que los individuos homocigotos IAIA y los heterocigotos IAIO son idénticos fenotipicamente, como lo son los individuos BB y BO, por lo cual únicamente se pueden distinguir cuatro combinaiciones fenotípicas. Sean las frecuencias de los genes IA, IB y IO, p, q y r , respectivamente , de tal manera que p + q + r = 1. En la siguiente tabla los se observa los genotipos, los diferentes tipos de sangre (fenotípos), las frecuencias esperadas en el equilibrio de Hardy-Weinberg y las observadas en una muestra de 190.177 aviadores del Reino Unidos citada por Race y Sanger (1954) (Tabla 4)

Tabla No.4 Frecuencias esperadas y observadas para grupo sanguíneo en una población de aviadores del Reino Unido

Genotipo

IAIAI0I0

IBIBI BIO

IO IO

IAIB

Fenotipo Frecuencia esperado del tipo de grupo Frecuencia observada del tipo de grupo

A

B

O

AB

p2 + 2pr

q2 + 2qr

r2

2pq

41716

8560

46684

3040

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

128

El cálculo de las frecuencia génicas es mucho más simple: la frecuencia del gen O es la raíz cuadrada de la frecuencia del grupo O. Después puede verse que la suma de las frecuencias de los grupos B y O es q2 + 2qr + r2 = ( q + r)2. De tal manera que p= 1- V ( B + O), donde B y O son las frecuencias de los grupos IB y IO. En la misma forma q = 1 - V (A + O), y hemos visto que r =

V O.

Este método da las siguientes frecuencias génicas en la muestra: Gen IA: p = 0.2567 Gen IB: q = 0.0598 Gen IO: r = 0.6833 Total

0.9998

Como resultado de los errores de muestreo estas frecuencias no suman exactamente la unidad, pero la discrepancia es pequeña. Se puede calcular la frecuencia esperada del grupo AB, la cual no ha sido usada para llegar a estas frecuencias génicas , y ver si la frecuencia observada concuerda satisfactoriamente. La frecuencia esperada de AB de las estimaciones de p y q es 3.070%, la cual concuerda bastante bien con la frecuencia observada de 3.040% . Ilustremos con otro ejemplo numérico: En una población muestreada de 173 estudiantes se encontró: 78 estudiantes tipo sanguíneo: O 71 estudiantes tipo sanguíneo A 17 estudiantes tipo sanguíneo B 7 estudiantes tipo sanguíneo AB Estimación de frecuencias genotipicas: Estimación de frecuencias genotipicas: Tipo sanguíneo O A

Frecuencias genotípicas 0.458 0.4104

B

0.098

AB

0.0405

Genotipo Ii IAIA; IAi; iIA IBIB ; IBi; iIB IAIB; IBi,

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

Simbolo r2 P2 2pr q2 2qr 2pq

129

r2 = 0.4508

r=

V

0.4508

O + A = r2 + 2pr + p2

r = 0.67 (r+p)2

O + A = (r + p)2

VO

+ A = r + p

V 0.4508

V 78/173

+ 0.4104 = r + p

V

+ 71/173

= r + p

0.86 = 0.93

r + p = 0.93 y el valor de r = 0.67 entonces: 0.93 - 0.67 = 0.26 p + q +r = 1 q = 1 - (0.67 + 0.26) q = 1 - 0.93 q = 0.07 Aplicación al caso de varios loci Según Puertas, 1999, en el principio de Hardy-Weinberg, cuando se considera cada locus por separado, se cumple: 1) que la probabilidad de los cigotos es el producto de la probabilidad de los gametos; y 2= que el equilibrio se alcanza en una sola generación de apareamiento al azar, puesto que cualquiera que sea el valor de las frecuencias gamética p y q, las frecuencias genotípicas serán p2, 2pq y q2 en el momento que haya apareamiento al azar . Cuando se considera dos o más loci simultáneamente, ocurre que la primera de estas dos reglas se cumple, pero no la segunda. Así, si se considera los loci A,a con frecuencias gaméticas p y q; y B,b con frecuencias r y s, en el equilibrio la frecuencias del gameto AB será el producto pr de las frecuencias de los alelos A y B. Las frecuencias del gameto Ab será el producto ps de las frecuencias de los alelos A y b; de igual modo, la del gameto aB será qr y la del gameto ab será qs. Cuando esta relación se cumple, se dice que la población esta en equilibrio gamético.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

130

Si las frecuencias gaméticas son éstas y los apareamientos son al azar, las frecuencias genotípicas serán: AABB = p2 r2, AABb =p2 2rs; AAbb = p2 s2,….. aabb q2 s2,y la población estará en equilibrio de Hardy - weinberg respecto del conjunto de los dos loci. Es frecuente que dos loci estén en equilibrio, considerados de uno en uno, pero que no lo estén cuando se consideran juntos, porque las frecuencias de los gametos AB, Ab, aB y ab no sean pr, ps, qr y qs, respectivamente. Si la población no está en equilibrio gamético, puede tardar, muchas generaciones en alcanzarlo por dos razones: si los loci están ligados, la recombinación entre ellos, que aproximara a las frecuencias gaméticas de equilibrio, puede ser infrecuente. Si son independientes sólo en los heterocigotos, se puede producir segregaciones que acerquen a las frecuencias de equilibrio, porque los homocigotos producen sólo un único tipo de gametos. La falta de equilibrio gamético cuando los loci se consideran de dos en dos se llama desequilibrio gamético, y se puede estimar como la diferencia entre la frecuencia observada de la combinación de genes de que se trate y la esperada de acuerdo a su correspondientes frecuencias alélicas: dg =f(AiBi) - piri

Estimación Frecuencias de un carácter ligado al sexo En machos es fácil determinar la frecuencia de los genes ligados al X pues poseen una sola copia de genes, el fenotipo revela tanto los alelos dominantes como los recesivos, por consiguiente, en los machos, la frecuencia de un alelo ligado al X es la misma que la frecuencia fenotípica. Consideremos un locus A1A2, con frecuencia alélicas p de A1 y q de A2. Las hembras transmiten en sus gametos el alelo A1 con frecuencia p y el alelo A2 con frecuencia q ; como los machos reciben sólo un cromosoma X de sus madres, sólo hay dos tipos de machos: los que tengan A1 con frecuencia p y los que tengan A2 con frecuencia q . Por tanto, las frecuencias de los genotípos de los machos corresponden a las frecuencias alélicas de las hembras de la generación anterior. En las hembras hay dos alelos por individuo, por lo que si el locus está en equilibrio se encontrarán p2 hembras A1A1, 2pq hembras A1A2 y q2 hembras A2A2 (Puertas, 1999) De aquí se deduce que las mutaciones recesivas para caracteres ligados al sexo se expresan mucho más frecuentes en los machos que en las hembras. Suponiendo un carácter en equilibrio, la relación entre machos y hembras es q/q2 Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

131

= 1/q. Por ejemplo, en los seres humanos la frecuencia del gen de la ceguera para los colores estimada en una población de Noruega es q = 0.08; 1/0.08 = 12,5; esto quiere decir que la ceguera para los colores es doce veces más frecuente en varones que en mujeres, además la frecuencia esperada en las mujeres, en el equilibrio, será q2, es decir 0.0064. Esto significa que en una muestra de 10.000 varones se esperaría que 800 fueran daltónicos, pero de 10.000 mujeres sólo 64 presentarán este carácter. Cuando menor es el valor de q, mayor es la desproporción. Por ejemplo se encuentra un hombre hemofílico entre cada 10.000 varones; por tanto, q = 0.0001= 10.000; dicho de otra manera, si hay un hombre hemofílico por cada 10.000 varones, sólo se encontraría una mujer hemofílica por cada 100 millones de mujeres. (Puertas, 1999, Klug y Cummings 2001). (tomado de falconer 1971): Searle (1949) da las frecuencias de varios genes en una muestra de gatos en Londres. Los animales examinados fueron enviados a clínicas para ser sacrificados; por lo tanto, no fueron necesariamente una muestra al azar. Entre los genes estudiados estaba el "amarillo" (" y ") el cual está ligado al sexo y para el cual los tres genotípos en las hembras se pueden reconocer, el heterocigoto siendo el fenotipo mariposa. Los datos fueron usados para probar si la muestra se encontraba en equilibrio Hardy - Weinberg. Las cifras observadas en cada clase fenotípica se muestra en la tabla 5. Tabla 5. Cifras esperadas para los tres diferentes genotípos de pelaje en gatos

Hembras Números observados Números esperados

Machos

++

+y

yy

+

y

277 269.6

54 64.5

7 3.9

311 315.2

42 37.8

Se puede ver primero si la frecuencia génica es igual en los dos sexos. Los números de genes contados, y la frecuencia (q) del gen " y ", en cada sexo se muestran en la tabla 6. Tabla 6. Frecuencias génicas para el carácter color de pelaje en ambos sexos

en hembras en machos total

+

y

qy

608 311 919

68 42 110

0.101 0.119 0.107

Un ejemplo más (Klug y cummings, 2001)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

132

Se comparan los valores esperados de las frecuencias para caracteres ligados al X en varones y en mujeres tabla 7.

Tabla 7. Frecuencia relativa esperada enmachos y en hembras para caracteres ligados al cromosoma X

Frecuencia de machos con el carácter 90/100 50/100 10/100 1/100 1/1000 1/10000

Frecuencia esperada en las hembras 81/100 25/100 1/100 1/10000 1/1000000 1/100000000

Si la frecuencia de un alelo ligado al X difiere entre varones y mujeres, entonces la población no está en equilibrio. En contraste con los alelos de los loci autosómicos, el equilibrio no se alcanzará en una sola generación, sino que se irá aproximando a lo largo de generaciones sucesivas. Debido a que los varones heredan el cromosoma X de su madre, las frecuencias alélicas en las mujeres determinan las frecuencias en los varones de la generación siguiente. Las hijas heredarán un cromosoma X materno y el otro paterno, y su frecuencia alélica será la frecuencia alélicas del conjunto de la población permanezcan constantes, hay una oscilación en las frecuencias para los dos sexos en cada generación, siendo las diferencias la mitad de la generación anterior, hasta que alcanza el equilibrio. Este concepto se ilustra en la figura 1 para el caso simple en donde un alelo se ha iniciado en las mujeres con una frecuencia igual a 1 y en los varones igual a 0.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

133

CAPITULO 9. FACTORES DE CAMBIO DE LAS FRECUENCIAS GENICAS Y GENOTIPICAS

En una población natural las frecuencias génicas y genotípicas permanecen constantes de generación en generación (Ley de equilibrio de Hardy - Weinberg), siempre y cuando permanezca el hecho de que los apareamientos sean aleatorios y que no hayan factores que modifique su carga genética. Sin embargo una población vista ecológicamente es dinámica, y por lo tanto presenta variaciones dentro de ella en cuanto a tamaño y estructura como parte de su ciclo biológico; así las frecuencias génicas pueden alcanzar otros valores debido a diferentes procesos. Hay tres clases de procesos que rompen el equilibrio genético: los procesos sistemáticos los cuales tienden a cambiar la frecuencia génica en una forma predecible tanto en cantidad como en dirección o sentido; el proceso dispersivo, el cual resulta en las poblaciones pequeñas o finitas, debido a los efectos del muestreo, y es predecible en cantidad únicamente pero no en dirección (Falconer, 1971) y los procesos no recurrentes, en estos no esta determinado ni el tamaño ni la dirección del cambio. Dentro de los procesos sistemáticos están la migración, la mutación, la selección; y dentro de los dispersivos esta la deriva genética y la consaguinidad o endogamia.

_________________________________________________________________________________

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

134

PROCESOS SISTEMÁTICOS: MIGRACIÓN

Frecuentemente, las especies vegetales o animales quedan divididas en subpoblaciones que en cierto grado están separadas geográficamente, la migración se da cuando los individuos se desplazan entre estas poblaciones. La migración hacia una población desde otras poblaciones con frecuencias génicas diferentes pueden establecer frecuencias alélicas intermedias en algún punto entre su valor original y la frecuencia de la población donante. Consideremos un par de alelos, A (p) y a(q). El cambio en al frecuencia de A en una generación se puede expresar como, ∆p = m (pm - p) en donde p = frecuencia de A en la población nativa pm = frecuencia de A en los inmigrantes ∆p = cambio en una generación m = coeficiente de migración (proporción de genes migrantes que entran en la población por generación) Por ejemplo, supongamos que p = 0,4 y pm = 0,6 y que el 10 por ciento de los padres que dan lugar a la siguiente generación son inmigrantes ( m =0,1). Entonces el cambio en la frecuencia de A en una generación es, ∆p = m (pm - p) = 0,1 (0,6-0,49 = 0,1 (0,2) = 0,02 En la siguiente generación la frecuencia de A (p1) se incrementará en: P1 = p + ∆p = 0,40 + 0,02 = 0,42 Si m es grande o si p es muy diferente de pm. Entonces en una sola generación se producirá un cambio bastante grande de la frecuencia de A. Siendo los otros factores iguales (incluida la migración), se alcanzará un equilibrio cuando p = pm. Estos cálculos revelan que el cambio en frecuencia alélica atribuible a la migración es proporcional a las diferencias en frecuencias alélicas entre las poblaciones donante y receptora y a la tasa de migración. Como el coeficiente de migración puede tener un rango de valores muy amplio, el efecto de la migración puede alterar sustancialmente las frecuencias alélicas en las poblaciones. Aunque la migración puede ser algo difícil de cuantificar, a menudo se puede estimar (Klug y Cummings, 2001). De qué depende el cambio del q (∆p), bajo migración? (tomado de Guzman, 1996)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

135

• •

De la tasa de migración (m). Mientras mayor sea el número de individuos en la población migratoria, mayor será el vigor de cambio de q (∆p). El segundo efecto se debe a la diferencia de frecuencias génicas entre el grupo migratorio y el grupo nativo (qm - qo )

Resumiendo: ∆q = m (qm - qo ) q1 = q0 + m ( qm - q0) valor de q en población nueva Ejemplo: Una variedad de maíz sembrado en una localidad posee 16% de plantas con el carácter braquítico, que es recesivo respecto al carácter alto. Otra variedad sembrada adyacente presentaba 49% de plantas enanas, es decir, con el carácter braquitico; cuando se cosecho, por error se mezclaron plantas de las dos variedades y se encontró en la población nueva que la frecuencia del gen braquoitico era de 0.52; tomando en cuenta que la población nueva está compuesta por 12.000 plantas: a. Cuál fue el valor de ∆q (cambio de q)? b. Que proporción de plantas en la población nueva representa a la primera población o nativa? c. Cuántas plantas eran probablemente portadoras del gen braquitico en la segunda variedad que se considera como la población migratoria?

Población nativa Nn q2o = 0.16 qo = 0.4 po = 0.6

Población migratoria Nm q2m = 0.49 qm = 0.7 pm = 0.3

Población nueva N = 12000 q1 = 0.52 a) ∆q = q1 - qo = m (qm - qo) ∆q = 0.52 - 0.45 = 0.12 b) ∆q = m (qm - qo ) m =

∆q qm - qo

12 (0.7 - 0.4)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

136

= 40% migratorios Nativos = 1 - m = 1 - 0.40 = 60 % de individuos nativos. Si la población nueva tiene 12000 individuos, la proporción del 60 % de nativos corresponde a: 0.6 X 12000 = 7200 y a la proporción de 40% de inmigración corresponde: 0.4 X 12000 = 4800 Otra forma para calcular los inmigrandes es: Nm = m X Nv = 0.40 X 12000 = 4800 b) Número de plantas portadoras del gen braquíto en la 2a. migratoria Nm.

población o

Estas deben ser plantas heterocigóticas: P2m + 2pmqm + q2m 2pmqm = 2(0.3) (0.7) = 0.42 Proporción de plantas portadoras del gen braquítico 0.42 X 4800 = 2016

Plantas que serán portadoras del gen braquítico en la población migratoria o inmigrante.

Cálculo del número de generaciones de migración para obtener un valor en el cambio que qo a qt: log

qt - qm qo - qm

t=

log (1 - m ) Cuantas generaciones de migración se requiere para cambiar la frecuencia génica inicial qo = 0.3 a qt = 0.8, tomando m = 0.2 y qm = 0.6? 0.8 - 0.6 Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

137

log 0.3 - 0.6 t=

- 1.1709 =

log

(1 - 0.2 )

= 1.817 = 2 generaciones - 0.09691

La migración también se puede considerar como un flujo de genes entre dos poblaciones que estuvieron, pero que ya no están, geográficamente aisladas. Por ejemplo, la mayoría de los negros de los Estados Unidos descienden de antecesores de África occidental. En África, la frecuencia del alelo Fy0 del grupo sanguíneo Duffy es casi del 100 por ciento. En Europa, el origen de la mayoría de los blancos de los E.E.UU., la frecuencia es cercana al 0 por ciento, y casi todos los individuos son Fy0 o Fyb. Midiendo la frecuencia de Fya o Fyb entre los negros de los EE.UU. podemos estimar la cantidad de flujo génico en la población negra. Utilizando la frecuencia promedio y suponiendo una tasa de flujo génico igual en cada generación, podemos estimar la migración del alelo Fya alrededor del 5 por ciento por generación (Klug y Cummings, 2001) El efecto de la migración es hacer poblaciones genéticamente similares. Casos más complicados surgen cuando la migración se realiza en las dos direcciones, o cuando hay varias poblaciones capaces de intercambiar genes. El que una población mantenga o no su propia identidad genética depende de cuántos migrantes recibe. Los estudios teóricos han indicado que aun unos cuantos migrantes por generación son suficientes para eliminar las diferencias entre poblaciones separadas geográficamente. De esto modo, la migración puede ser una fuerza homogenizadora poderosa en la genética de poblaciones.

Procesos Sistemáticos: Mutación Se entiende por mutación la modificación espontánea o inducida y heredable de la estructura química de un gen o en la estructura o número de cromosomas completos (nanouk, en http://www.psicopedagogia.com/definicion/mutacion). Desde el punto de vista de la genética de poblaciones, las mutaciones se clasifican en benéficas, dañinas o neutras, dependiendo de si incrementa, disminuyen o no cambian la viabilidad o la fertilidad de los portadores. La viabilidad y la fertilidad son características asociadas con la adecuación, un término que se usa para describir la capacidad total de un organismo de sobrevivir y reproducirse. Es evidente que el efecto de una mutación en la adecuación afectará la probabilidad de ésta de persistir en una población. Muchas mutaciones se pierden porque reducen la adecuación de sus portadores. Otras se toleran porque sólo tienen efectos insignificantes y otras se dispersan en la población porque mejoran la adecuación (Gardner 2000).

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

138

En una población, el conjunto de los genes se mezcla en cada generación para dar lugar a nuevas combinaciones genotípicas en los descendientes. Debido a que el número de combinaciones genotípicas posibles es tan enorme, los miembros de una población sólo presentan, en un momento dado, una fracción de todos los genotipos posibles. Aunque en el conjunto de los genes hay una enorme reserva genética, se producen nuevas combinaciones genotípicas mediante la transmisión y recombinación mendeliana, pero estos procesos no dan lugar a nuevos alelos. Únicamente la mutación da lugar a nuevos alelos, pero en ausencia de las otras fuerzas, la mutación tiene un efecto despreciable sobre las frecuencias alelicas. Sólo se necesita considerar que la mutación es un fenómeno que ocurre al azar, es decir, sin tener en cuenta ningún posible beneficio o desventaja para el organismo. Aquí discutiremos sólo la producción de alelos mutantes y en una sección posterior consideraremos la expansión y distribución de los nuevos alelos en la población. Para saber si la mutación es una fuerza significativa para cambiar las frecuencias alélicas, tenemos que medir la tasa a la que se producen las mutaciones. Como la mayoría de las mutaciones son recesivas, en organismos diploides es difícil observar las tasas de mutación directamente. Se deben emplear métodos indirectos utilizando la probabilidad y la estadística o programas de análisis a gran escala. Sin embargo, para ciertas mutaciones dominantes se puede utilizar un método directo de medida. Para asegurar su exactitud, se deben cumplir ciertas condiciones. • • •

El carácter debe producir un fenotipo diferente que se pueda distinguir de otros caracteres similares producidos por alelos recesivos.. El carácter debe expresarse totalmente o tener penetración completa para que puedan identificarse los individuos mutantes. Ningún agente no genético, como medicamentos o sustancias químicas, debe producir nunca un fenotipo idéntico.

Las tasas de mutación se pueden expresar por el número de nuevos alelos mutantes por número de gametos dado. Suponga que un gen dado sufre mutación a un alelo dominante, presentando el fenotipo mutante 2 de cada 100.000 nacidos. En estos dos casos, los padres son fenotípicamente normales. Debido a que los zigotos, que dan lugar a estos nacimientos, llevan cada uno dos copias del gen, realmente hemos analizado 200.000 copias del gen ( o 200.000 gametos). Si asumimos que los afectados son heterocigotos, hemos descubierto 2 alelos mutantes de 200.000. Por ello, la tasa de mutación es 2/200.000 ó 1/100.000, que en notación científica se escribiría 1 x 10-5. En un ejemplo general, supongamos que la tasa de mutación para genes humanos es 1 x 10-5. Con una tasa de mutación tan baja, los cambios en frecuencia alélica conseguidos sólo por mutación son muy pequeños. Si una

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

139

población comienza con un solo alelo (A) en un locus (p = 1) y una tasa de mutación de 1 x 10-5 de A a a, se necesitarían unas 70.000 generaciones para reducir la frecuencia de A a la mitad. Aun cuando la tasa de mutación aumentase por exposición a altos niveles de radioactividad o de mutágenos químicos, el impacto de la mutación sobre la frecuencia alélica sería extremadamente débil. Este ejemplo subraya una vez más que la mutación es la fuerza principal para generar variabilidad genética, pero en sí misma juega un papel relativamente insignificante en cambiar las frecuencias alélicas. VARIACIÓN PROVENIENTE DE LA MUTACIÓN Las mutaciones son la fuente de la variación, pero el proceso de la mutación no conduce por sí mismo a la evolución. La tasa de cambio de la frecuencia génica por mutación es muy lenta, porque las tasas de mutación espontánea son muy bajas. La tasa de la mutación se define como la probabilidad de que una copia de un alelo cambie a otra forma alélica en una generación. Suponga que una población fuera completamente homocigoto para A y que las mutaciones hacia a ocurrieran con una tasa de 1/100.000. En este caso, la frecuencia del alelo a en la siguiente generación sería sólo de 1.0 x 1/100.000 = 0.00001 y la frecuencia del alelo A sería 0.00000. Tras otra generación de mutación, la frecuencia de a aumentaría en 0.99999 x 1/100.000 = 0.000019, de modo que la nueva frecuencia sería 0.000019, mientas que el alelo original habría reducido su nuevo alelo es extremadamente lenta y que se hace más lenta en cada generación, porque hay menos copias del alelo "antiguo" para mutar. En la "Genética en acción" se explica una fórmula general para el cambio de las frecuencias alélicas por mutación (Klug y Cummings, 2001) (tomado de Griffiths et al. 2000) Mutación no recurrente Consideremos primero un evento mutacional que da lugar a sólo un representante del gen mutado o del cromosoma en la población total. Esta clase de mutación es de poca importancia como para causar un cambio de la frecuencia génica, porque el producto de la mutación única tiene una oportunidad infinitamente pequeña de sobrevivir en una población grande, al menos que tenga una ventaja selectiva. Esto puede verse en la siguiente consideración. Como resultado de una mutación simple habrá un individuo A1A2 en una población y todo el resto de la cual será A1A1. La frecuencia del gen mutado, A2, es por lo tanto extremadamente baja. Ahora, de acuerdo con el equilibrio Ardí-Weinberg la frecuencia génica no debe cambiar en las generaciones subsiguientes. Pero bajo esta situación no podemos ignorar la variación de la frecuencia génica debida al muestreo. Con un gen con una frecuencia muy baja la variación del muestreo, aun siendo muy pequeña, puede llevarla a ser igual a cero, y el gen se perderá en la población. Aunque en cada generación un simple gen tiene una oportunidad igual de sobrevivir o de perderse, la pérdida es permanente y la probabilidad del gen de estar aún presente disminuye con el transcurso de las generaciones. La conclusión, por lo

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

140

tanto, es que una mutación única sin ventaja selectiva no puede producir un cambio permanente en la población.

(Tomado de Griffiths et al. 2000) Mutación recurrente Es el segundo tipo de mutación, es el que tiene interes como un agente determinante en cambios de la frecuencia génica. Cada evento mutacional recurre regularmente con una frecuencia característica, y en una población grande la frecuencia del gen mutante nunca es tan baja que su pérdida completa pueda ocurrir debido al muestreo. Tenemos, entonces, que encontrar cuál es el efecto de esta "presión" de mutación sobre la frecuencia génica en la población. Supongamos que el gen A1 muta hacia el gen A2 con una frecuencia m por por generación. (m es la proporción de todos los genes A1 que mutan hacia A2 entre una generación y la siguiente). Si la frecuencia de A1 en una generación es p0 la frecuencia de los genes A2 recientemente mutados en la siguiente generación es mp0. Así pues, la nueva frecuencia génica de A1 es p0 – mp0, y el cambio de la frecuencia génica es – mp0. Consideremos ahora qué pasa cuando los genes mutan en ambas direcciones. Supongamos para simplicidad que hay sólo dos alelos, A1 y A2, con frecuencias iniciales o0 y qo. A1 muta hacia A2 con una tasa m por generación y A2 muta hacia A1 con una tasa v. Entonces, después de una generación, hay una ganancia de genes A2 igual a mp0 debida a la mutación en una dirección, y una pérdida igual a vq0 debida a la mutación en dirección contraria

Procesos Sistemáticos: Selección Se entiende por selección el conjunto de mecanismos responsables de la modificación del éxito reproductivo de un genotipo. Hasta aquí se ha supuesto que todos los individuos en la población contribuyente igualmente a la siguiente generación. Pero se debe considerar el hecho de que los individuos difieren en viabilidad y en fertilidad, y que por tanto, contribuyen con números diferentes de descendientes a la siguiente generación. La contribución proporcional de descendientes en la siguiente generación es llamada la aptitud del individuo, o algunas veces valor adaptativo o valor selectivo. Si las diferencias de aptitud están en alguna forma asociadas con la presencia o ausencia de un gen en particular en el genotipo del individuo, entonces la selección opera sobre ese gen. Cuando un gen está sujeto a la selección, su frecuencia en la descendencia no es la misma que en los progenitores, puesto que los progenitores de diferentes genotípos pasan sus genes en una forma desigual a la siguiente generación. De esta forma, la selección causa un cambio de la frecuencia genotípica. El cambio de la frecuencia génica que resulta de la selección es más complicado para ser descrito que aquel que resulta de la mutación , porque las diferencias de aptitud a

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

141

que da lugar la selección son un aspecto del fenotipo. Por lo tanto, tenemos que considerar el grado de dominancia mostrado por los genes en cuestión. La dominancia, en esta conexión, significa dominancia con respecto a la aptitud, y no es necesariamente la misma que la dominancia con respecto a los efectos visibles principales del gen. La mayor parte de los genes mutantes, por ejemplo, son completamente recesivos al tipo silvestre en sus efectos visibles, pero esto no significa necesariamente que el heterocigoto tenga una aptitud igual a la del homocigoto silvestre. Es mucho más conveniente pensar en la selección actuando contra el gen en cuestión, en la forma de una eliminación selectiva de uno u otro de los genotípos que lo contienen. Esto puede operar ya sea a través de una reducida viabilidad o a través de una fertilidad que también haya sido reducida en el sentido más amplio, incluyendo la habilidad en el apareamiento. En cualquier caso el resultado es el mismo: el genotipo contra el cual se selecciona contribuye con un menor número de gametos para formar cigotes en la siguiente generación. Podemos por lo tanto tratar el cambio de la frecuencia génica como si tuviera lugar entre el número de genotipos en los cigotes de la generación parental y la formación de los cigotes en la generación final. La intensidad de la selección se expresa como el coeficiente de selección, s, el cual es la reducción proporcional de la contribución genética de un genotipo particular comparado con un genotipo estándar, usualmente el más favorecido. Selección natural (tomado de klug y cummings, 2001) La principal contribución de Darwin al estudio de la evolución es reconocer que la selección natural y el lanzamiento reproductivo son mecanismos que conducen a divergencia y finalmente a la separación de poblaciones en especies diferentes. En cualquier población en un momento dado hay individuos con genotípos diferentes. Debido a que estas diferencias genéticas se heredan algunos de los individuos de estas poblaciones estarán mejor adaptados al ambiente que otros, dando lugar a una supervivencia y reproducción diferencial de algunos genotípos sobre otros. Por ello, la selección natural es la consecuencia de la reproducción diferencial de los genotípos. Por consiguiente, las frecuencias alélicas cambiarán con el tiempo. Entonces, la selección natural es una fuerza importante en el cambio de las frecuencias alélicas y por consiguiente representa una desviación de las suposiciones de Hardy - Weinberg de que todos los genotipos tienen igual viabilidad y fecundidad. Debido a que la selección es una consecuencia de las combinaciones genotipofenotipo del organismo, los caracteres poligénicos o cuantitativos (aquellos controlados por cierto número de genes y que pueden ser susceptibles de influencias ambientales) también responden a la selección. Tales caracteres cuantitativos, como la altura y el peso en la especie humana, presentan a menudo una distribución que varía de manera continua, parecida a una curva en campana.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

142

La selección para estos caracteres pueden ser (1) direccional, (2) estabilizadora o (3) disruptiva. Selección direccional, Es importante para mejoradores de vegetales y animales, se seleccionan los caracteres deseables, que están representados a menudo por fenotipos extremos. De hecho, si el carácter es poligénico, los fenotipos más extremos que puede expresar el genotipo aparecerán en la población sólo después de selección prolongada. Un ejemplo de selección direccional es el largo experimento, en el State Agricultural Laboratory de Illinois, de selección por alto y bajo contenido en aceite de los granos de maíz. Comenzando en 1896, se fundó una población con 164 mazorcas, y las 24 mazorcas con mayor contenido en aceite se utilizaron como padres de la siguiente generación. En cada una de las generaciones siguientes, se utilizaron como padres las mazorcas con mayor contenido en aceite. En este ejemplo de selección por aumento, el contenido en aceite se elevó, después de 50 generaciones, desde alrededor de un 4 por ciento hasta justo por encima del 16 por ciento, sin apreciarse signos de que se hubiera alcanzado una meseta. En este experimento también se seleccionaron 12 mazorcas con el menor contenido de aceite y la selección por disminución de este grupo parental ha disminuido el contenido en aceite desde el 4 por ciento a menos d el 1 por ciento en un período de 50 generaciones. En este caso, las líneas por aumento y por disminución han divergido hasta el punto de que la distribución del contenido en aceite de cada una no solapa con la de la otra. En la selección por aumento, los alelos para alto contenido en aceite aumentan en frecuencia y sustituyen a los alelos para bajo contenido en aceite. En algún momento, todos los individuos de la población tendrán el genotipo para el máximo contenido en aceite y todos expresarán el fenotipo más extremo para alto contenido de aceite. En la selección por disminución se dará la situación opuesta, obteniéndose finalmente una población con un genotipo y fenotipo para el menor contenido en aceite. Cuando las líneas dejen de responder a la selección, no quedará varianza genética disponible para el contenido en aceite, la heredabilidad será cero y cada línea tendrá un genotipo homocigótico para el contenido de aceite. En la naturaleza, se puede producir selección direccional cuando uno de los fenotipos extremos es seleccionado a favor o en contra, normalmente como consecuencia de cambios en el ambiente. Por otro lado, la selección estabilizadora tiende a favorecer a los tipos intermedios, siendo seleccionados en contra de los dos fenotipos extremos. Una de las demostraciones más claras de selección estabilizadora es el dato de Mary Karn y de Sheldon Penrose sobre el peso y la supervivencia del recién nacido en

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

143

la especie humana. Un ejemplo es el peso de 13.750 recién nacidos, durante un período de 11 años y el porcentaje de mortalidad a las cuatro semanas de nacer. La mortalidad infantil aumenta a ambos lados del peso óptimo al nacimiento, que es de unos 3,5 kilos. En el ámbito genético, la selección estabilizadora actúa manteniendo a la población bien adaptada a su ambiente. En esta situación, los individuos más próximos a la media de un carácter dado, tendrán una mayor eficacia biológica La selección disruptiva actúa contra los intermedios y a favor de los dos fenotipos extremos. Puede considerarse como opuesta a la selección estabilizadora debido a que actúa contra los tipos intermedios. En una serie de experimentos, John Thoday aplicó selección disruptiva a la descendencia de cepas de Drosophila con alto y bajo número de quetas. Los cruces se llevaron a cabo utilizando hembras de una cepa y machos de otra. La descendencia se seleccionó por alto y bajo número de quetas y los cruces se llevaron a cabo durante un cierto número de generaciones, y las dos líneas divergieron rápidamente. Tal situación podría existir en poblaciones naturales dentro de un ambiente heterogéneo.

Procesos Dispersivos Según Falconer, 1971 los procesos dispersivos se presentan en poblaciones pequeñas y las frecuencias génicas están sujetas a fluctuaciones al azar provenientes del muestreo de los gametos. Los gametos que tramiten los genes a la siguiente generación llevan una muestra de los genes presentes en la generación paternal, y si la muestra no es grande, las frecuencias génicas son susceptibles de cambio entre una generación y la siguiente. El proceso dispersivo tiene, tres consecuencias importantes. La primera es la diferenciación entre subpoblaciones. Los habitantes de un área grande raramente constituyen en la naturaleza una población grande única, porque el apareamiento tiene lugar más frecuentemente entre habitantes de una misma región. Las poblaciones naturales están, por lo tanto, más o menos subdivididas en grupos locales o subpoblaciones, y el proceso de muestreo tiende a causar diferencias genéticas entre éstas, si el número de individuos en los grupos es pequeño. Las poblaciones domesticadas o de laboratorio, en la misma forma están subdivididas, por ejemplo en rebaños o en estirpes y en ellas la subdivisión y su diferenciación resultante son frecuentemente más marcadas. La segunda consecuencia es la reducción de la variación genética dentro de una población pequeña. Los individuos dentro de ella son cada vez más y más semejantes en genotipo y esta uniformidad genética es la razón del extenso uso de las estirpes endogámicas de animales de laboratorio en la investigación fisiológica y en campos similares. (Una estirpe endogámica, vale la pena notarlo, es una población pequeña.) La tercera consecuencia del proceso dispersivo es un aumento en la frecuencia de Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

144

homocigotos a expensas de los heterocigoticos. Esto aunado a la tendencia general de que los alelos deletéreos son recesivos, es la base genética de la pérdida de fertilidad y viabilidad que casi siempre resulta de la endogamia. Existen dos formas diferentes de estudiar el proceso dispersivo y de deducir sus consecuencias. Uno es considerarlo como un proceso de muestreo y describirlo en términos de varianza del muestreo. La otra es considerarlo como un proceso endogámico y describirlo en términos de cambios genotípicos que resultan del apareamiento entre individuos emparentados. LA POBLACIÓN IDEAL DE WRIGHT (tomado de http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Genetica%20evolutiva/Deriva/Endogamia. htm ) Consideremos una población infinita, panmíctica, que llamaremos población base, que se subdivide en infinitas líneas de tamaño N; la subdivisión será por cualquier tipo de razón: geográfica, ecológica, etológica, etc. Supongamos que: •

No hay migración entre líneas.

•

No hay selección, en ningún momento.

•

La incidencia de la mutación es despreciable.

•

Dentro de cada línea hay panmixia, incluida autofecundación.

•

No hay solapamiento de generaciones.

•

El número de reproductores por línea y generación es constante.

•

El número de hijos por familia o individuo es Poisson.

Figura 1. Representación diagramática de la subdivisión de una población grande - La población base - en varias subpoblaciones o líneas

Población Base (N = ∞)

Generación 0 Gametos

2N

2N

2N

2N

2N

1 Individuos Reproductivos

N

N

N

N

N

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

145

Gametos

2N

2N

2N

2N

2N

2 Individuos Reproductivos

N

N

N

N

N

El análisis de las transformaciones que sufre la población subdividida se puede hacer en términos de muchas líneas y un locus o de una sola línea y muchos loci independientes de las mismas características. En una población infinita las frecuencias génicas son constantes y el efecto del muestreo al azar de gametos es despreciable. En poblaciones finitas, el muestreo al azar de gametos es importante y las frecuencias génicas y genotípicas cambian en magnitud mensurable, aunque con dirección impredecible. El primer modelo matemático para analizar esta situación fue el propuesto por Wright en 1931. Efectos del muestreo: 1. Diferenciación entre subpoblaciones. Si el área que ocupa una población es amplio se formarán grupos locales con migración escasa o nula y estos tenderán a diferenciarse. La magnitud de este fenómeno dependerá, en gran medida de la capacidad de dispersión de los individuos. 2. Reducción de la variación genética. La diferenciación entre subpoblaciones provoca una disminución de la variabilidad genética presente en cada subpoblación que, en el límite, conducirá a la fijación de todos los genes. Los individuos de una subpoblación se hacen más y más parecidos entre sí. 3. Aumento de la homocigosis. A medida que se va completando el proceso de fijación. Los procesos anteriores se pueden considerar de 2 maneras: •

Como un muestreo repetido de gametos, uno por generación. Þ La descripción se realiza en términos de la varianza debida al muestreo.

•

En términos de la consanguinidad que se produce Þ Descripción según los cambios genotípicos en la

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

146

descendencia de individuos emparentados, en relación a una población panmíctica de gran tamaño. La primera forma describe más sencillamente el funcionamiento del proceso y, la segunda, sus consecuencias.

Deriva Genética

Según klug y Cummings 2001, en poblaciones endógamas, en cada generación, se produce un muestreo de gametos que provoca un proceso llamado deriva genética que consiste en la fluctuación errática de las frecuencias génicas y la diferenciación entre líneas. La dirección del cambio en las frecuencias génicas es impredecible pero su magnitud depende de la varianza del cambio. En cruces de laboratorio, una condición esencial para comprobar proporciones genéticas teóricas (por ejemplo, 3:1, 1:2:1, 9:3:3:1) es contar una muestra de tamaño bastante grande. Este tamaño de muestra es también importante para el estudio de la genética de poblaciones cuando se examina o se predicen las frecuencias alélicas o genotípicas. Por ejemplo, si una población consta de 1.000 heterocigotos (Aa) que se aparean al azar, la siguiente generación constará aproximadamente del 25 por ciento de genotípos AA, 50 por ciento de Aa y 25 por ciento de aa. En el caso de que las poblaciones iniciales y siguientes sean grandes, sólo habrá, como mucho, pequeñas desviaciones respecto de dicha proporción matemática, y la frecuencia de A y a permanecerá aproximadamente igual (0,50). Sin embargo, si se forma una población a partir de un solo par de padres heterocigotos que tienen sólo dos descedientes, las frecuencias alélicas pueden variar drásticamente. En este caso, se pueden predecir las frecuencias alélicas y genotípicas en los descendientes. En 10 de los 16 cruces, las nuevas frecuencias alélicas quedarán alteradas. En 2 de las 16 veces el alelo A o el a será eliminado en una sola generación. Utilizar sólo un grupo de padres heterocigotos que tengan dos descendientes es un ejemplo extremo, pero se ha elegido para ilustrar el hecho de que son esenciales grandes poblaciones para que se mantengas el equilibrio de HardyWeinberg. En poblaciones pequeñas, son posibles fluctuaciones aleatorias significativas de las frecuencias alélicas por desviaciones al azar. El grado de la fluctuación aumentará con la disminución del tamaño poblacional. Tales cambios ilustran el concepto de la deriva genética. En casos extremos, la deriva genética puede dar lugar a la fijación por azar de un alelo y a la eliminación del otro.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

147

¿Cómo se originan poblaciones pequeñas en la naturaleza? En un caso, un grupo grande de organismos pueden dividirse por algún fenómeno natural, dando lugar a pequeñas subpoblaciones aisladas. También podría ocurrir un desastre natural, como una epidemia, dejado a un pequeño número de supervivientes para constituir la población. Tercero, a partir de una población grande podría emigrar, como fundadores, un pequeño grupo a un nuevo ambiente, como una nueva isla volcánica. Las frecuencias alélicas en ciertos ailados humanos justifican mejor el papel de la deriva como una fuerza evolutiva en poblaciones naturales. El atolón de Pingelap, en el Océano Pacífico occidental (6º lat. N, 160º long. E), fue devastado en el pasado por tifones y hambruna, y hacia 1780 quedaron sólo 9 varones supervivientes. Hoy hay poco menos de 2.000 habitantes, y sus linajes se pueden seguir hasta los supervivientes del tifón. Del 4 al 10 por ciento de la población es ciega desde la infancia. Estas personas están afectadas por una anomalía autonómica recesiva, la acromatopsia, que da lugar a defectos oculares, una forma de daltonismo y formación de cataratas. Esta enfermedad es extremadamente rara en las poblaciones humanas. Sin embargo, el alelo mutante se encuentra en una frecuencia relativamente alta en la población de Pingelap. Mediante una reconstrucción genealógica se encontró que uno de los supervivientes (unos 30 individuos) era un jefe que era heterocigótico para la enfermedad. Si asumimos que fue el único portador en la población fundadora, la frecuencia inicial del gen fue de 1/60, o 0,016. Como promedio, cerca del 7 por ciento de la población actual está afectada (como genotípos homocigotos recesivos), por lo que la frecuencia del alelo en la población actual es de 0,26. Otro ejemplo de deriva genética es el de los Dunkers, una pequeña comunidad religiosa, aislada, que emigró desde las tierras alemanas del Rin hasta Pensilvania en los EE.UU. Debido a que sus creencias religiosas no les permite el casamiento con extraños, la población ha crecido sólo mediante matrimonios dentro del grupo. Cuando se comparan las frecuencias de los alelos de los grupos sanguíneos ABO y MN, se encuentran diferencias significativas entre los Dunkers, la población alemana y de los EE.UU. El alelo IB está prácticamente ausente entre los Dunkers. El grupo sanguíneo M se encuentra casi en el 45 por ciento entre los Dunkers, comparado con cerca del 30 por ciento en las poblaciones de los EE.UU. y alemana. Como no hay pruebas de la ventaja selectiva de estos alelos, es evidente que las frecuencias observadas son el resultado de sucesos al azar en una población aislada y relativamente pequeña.

Procesos Dispersivos: Consanguinidad o Endogamia (tomado de Klug y Cummings, 2001)

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

148

Apareamiento no aleatorio En muchas especies hay apareamiento no aleatorio, incluida la especie humana. Un tipo de apareamiento no aleatorio es el llamado selectivo. En la especie humana las parejas se pueden formar por motivos religiosos, características físicas, intereses profesionales y así sucesivamente de una manera no aleatoria. En la naturaleza, el parecido fenotípico puede jugar el mismo papel. Otra forma de apareamiento no aleatorio es la consanguinidad, en donde el apareamiento se da entre parientes. Una de las consecuencias de la consanguinidad es un aumento de la probabilidad de que un individuo se convierta en homocigotos en la población. Con el tiempo, con consanguinidad completa, en la población sólo quedarán homocigotos. Para ilustrar este concepto, consideremos la forma más extrema de consanguinidad, la autofecundación. Los resultados de cuatro generaciones de autofecundación, comenzando a partir de un solo individuo heterocigótico para un par de alelos es que sólo el 6 por ciento de los individuos es todavía heterocigoto y el 94 por ciento restante es homocigoto. Sin embargo, advierta que las frecuencias de A y a permanecen todavía al 50 por ciento. Por ejemplo, cualquier desviación del apareamiento aleatorio conduce naturalmente a complicaciones en las relaciones entre frecuencias de alelos y frecuencias de genotipos. Por ejemplo, considérese el caso de la autofertilización repetida. Esto ocurre en algunas especies animales, como gusanos y caracoles, pero es mucho más común entre las plantas. Si un heterocigoto, Aa, se autofertiliza, produce tres tipos de descendientes, AA, Aa y aa, en la proporción 1:2:1. En esta etapa, la frecuencia de los heterocigotos es de 0.5. Si continúa la autofertilización por otra generación, los homocigotos se reproducirán en línea pura, pero los heterocigotos otra vez segregarán, reduciendo su frecuencia a 0.25. Con cada generación sucesiva de autofertilización, la frecuencia de heterocigotos disminuye en 50%, alcanzando 0.008 en la generación 7 y 0.001 en la generación diez. En esta etapa, la población es 99.9% homocigótica . El proceso de autofertilización repetida ilustra los efectos generales de una forma de apareamiento no al azar denominado endogamia o cruzamiento consanguíneo. Las frecuencias alélicas permanecen iguales, pero las frecuencias genotípicas cambian. La endogamia ocurre cada vez que los compañeros de apareamiento están genéticamente relacionados. La autofertilización es el ejemplo más extremo, pero otros ejemplos como el apareamiento entre hermanos de madre y padre, primos primeros, progenitores y descendientes y medios hermanos tienen el mismo efecto, es decir, incrementan la frecuencia de homocigotos y disminuyen la frecuencia de heterocigotos. Como resultado, el método de Hardy – Weinberg no es válido en este caso. Efectos genéticos de la consanguinidad

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

149

Después de un punto de vista evolutivo, si una población se escinde en dos subpoblaciones más pequeñas, el efecto de la consanguinidad será evidente. La consanguinidad da lugar a la producción de individuos homocigotos para alelos recesivos que anteriormente estaban ocultos en heterocigosis. Debido a que muchos alelos recesivos son deletéreos en homocigosis, las poblaciones con consanguinidad tendrán normalmente una eficacia biológica disminuida. La depresión consanguínea es una medida de la pérdida de eficacia biológica ocasionada por consanguinidad. En animales y vegetales domesticados, la consanguinidad y la selección se han utilizado durante miles de años y estos organismos ya han alcanzado un alto grado de homocigosidad en muchos loci. Una mayor consanguinidad producirá normalmente sólo una pequeña pérdida de eficacia biológica. Sin embargo, la consanguinidad entre individuos de poblaciones grandes, con apareamiento al azar, puede dar lugar a altos niveles de depresión consanguínea. Este efecto se puede ver examinando las tasas de mortalidad en los descendientes de animales consanguíneos en parques zoológicos. Para contrarrestar este efecto de la consanguinidad, muchos zoológicos están utilizando la huella molecular del DNA para estimar el parentesco de los animales utilizados en programas de cruce y elegir como padres los animales menos emparentados. Como las poblaciones naturales de especies en peligro de extinción se hacen más pequeñas, la preocupación por su consanguinidad es un factor en el diseño de programas para recuperar estas especies. Por ejemplo, las poblaciones africanas de rinoceronte negro disminuyeron de 65.000 en 1970 hasta menos de 4.500 en 1986. Los rinocerontes que quedan están distribuidos en poblaciones pequeñas y aisladas, sujetas a la depresión por consanguinidad. A principios de este siglo los taxónomos utilizaban pequeñas diferencias morfológicas para dividir a los rinocerontes negros en varias subespecies. Se utilizó el análisis del DNA del genoma mitocondrial para determinar si las subespecies se debían considerar separadamente para mantener la diversidad genética, o si se deberían considerar a todos los rinocerontes negros que quedan como una sola población a efectos de los cruces. Los resultados indicaron que hay poca divergencia entre los genomas mitocondriales de estas subespecies y que los rinocerontes se pueden agrupar.

Frecuencias Genotipicas en la Endogamia Sin embargo, la consanguinidad no es siempre perjudicial, y se ha utilizado en programas de mejora en animales y vegetales domesticados. Cuando se inicia un programa de mejora, aumenta la homocigosidad, y en algunos grupos quedan fijados alelos favorables y en otros alelos desfavorables. Seleccionando los vegetales y animales más viables y vigorosos, se puede incrementar la proporción de individuos que llevan caracteres deseables.

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

150

Si se cruzan los miembros de dos líneas consanguíneas favorables, los hijos híbridos son a menudo más vigorosos en los caracteres deseables que cualquiera de las líneas paternas. Este fenómeno se denomina vigor híbrido. Tal método se utilizó en los programas de mejora establecidos para el maíz y la producción se incrementó espectacularmente. Desgraciadamente, el vigor híbrido abarca sólo a la primera generación. Muchas líneas híbridas son estériles, y aquellas que son fértiles presentan una disminución posterior en producción. Por ello, los híbridos deben producirse cada vez mediante el cruce de las líneas paternas consanguíneas. El vigor híbrido se ha explicado de dos maneas. La primera hipótesis, la hipótesis de la dominancia, se basa en lo inverso de lo que ocurre en la depresión consanguínea, que inevitablemente debe ocurrir en cruces no consanguíneos. Consideremos un cruce entre dos variedades de maíz con los siguientes genotípos: Variedad A Variedad B AaBBCCddee X AAbbccDDEE AaBbCcDdEe

Los híbridos F1 son heterocigotos para todos los loci que se muestran. Los alelos recesivos deletéreos, presentes en homocigosis en los padres, quedarán enmascarados en los híbridos por los alelos dominantes más favorables. Se piensa que tal enmascaramiento es la causa del vigor híbrido. La segunda teoría, de la superdominancia, mantiene que en muchos casos el heterocigoto es superior a ambos homocigotos. Esto puede estar relacionado con el hecho de que en el heterocigoto, pueden estar presentes dos formas de un producto génico, proporcionando una forma de diversidad bioquímica. Así, el efecto acumulativo de la heterocigocidad de muchos loci explicaría el vigor híbrido. Muy probablemente, tal vigor es el resultado de la combinación de los fenómenos explicados por las dos hipótesis. La consanguinidad procede del apareamiento y reproducción de individuos emparentados. El grado esperado de parentesco entre los individuos de la población depende del tamaño de ésta, debido a que, cuanto menor sea este tamaño, menor será el máximo número posible de antepasados independientes. En organismos con sexos separados un individuo tiene 2 padres, 4 abuelos, 8 bisabuelos, en general, 2t antepasados hace t generaciones. Es decir, todos estamos emparentados en mayor o menor grado dependiendo del tamaño de nuestra población. Dos individuos emparentados pueden llevar copias exactas de uno de los genes de un antepasado común y, si aparean, pueden pasar ambos genes a alguno de sus hijos que sería homocigoto para genes idénticos por descendencia. Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

151

Los genes idénticos (indistinguibles) se pueden clasificar como: Idénticos en función (estado), es decir, genes de secuencia diferente que producen el mismo fenotipo. Idénticos por descendencia, es decir, copias idénticas de un mismo gen ancestral. La identidad por descendencia es la base de la medida del proceso dispersivo a través del parentesco entre los individuos que aparean. La consanguinidad acumulada en una población se mide a través de un parámetro, el Coeficiente de consanguinidad (F) que es la probabilidad de que 2 genes, en un locus de un individuo de la población, sean idénticos por descendencia. Este coeficiente se puede utilizar como una medida del parentesco de los padres. Si los padres aparean al azar (panmixia), el coeficiente de consanguinidad es la probabilidad de que dos gametos de la generación parental lleven genes idénticos por descendencia.

Bibliografia Libros Cooper, G.M. 2002. La célula. Marban Libros, S.L. Madrid España.

Dalton. D. C. 1980. Introducción a la Genética Animal Práctica. Editorial Acribia. España Dubinin. N.P. 1984. Genética General. 2ª. Edición Editorial Mir Moscú. Impreso en la URSS. Falconer., D.S., 1971. Introducción a la Genética Cuantitativa. Compañía Editorial Continental, S.A. México 22 D.F. Griffiths., A.J.F. J. H. Miller, D. T. Suzuki, R. C. Lewontin y W. M. Gelbart. 1999. Genética Moderna. McGraw-Hill – Interamericana de España, S.A.U. Madrid. Guzmán, M. E. E., 1996. Genética Agropecuaria.Editorial Trillas. Mexico D.F. Klug, W. S. y Cummings M. R. 1999. Conceptos de genética. 5ª Edición. Prentice –Hall. Madrid. España

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

152

Legates & Warwick. 1992. Cría y Mejora del Ganado. Octava edición. Interamericana McGrawHill Mexico. Nicholas, F. W. 1987. Genética Veterinaria. Editorial Acribia. Zaragoza España. Puertas., M.J. 1999. Genética, Fundamentos y Perspectivas 2ª. Edición. McGraw- Hill Interamericana de España, S.A.U Ramirez, L & Egaña, Beatriz., 2003. Guía de Conceptos de Genética Cuantitativa. Departamento de Producción Agraria, Universidad Pública de Navarra. España

Stansfield, W. D. 1992. Genética Tercera edición. McGraw-Hill. Mexico Strickberger. M.W. 1968. Genética. 2ª eduición. Ediciones Omega S.A. Barcelona Tamarin, R. H.& Principios de Genética. Editorial Reverté, S.A. 1997

Direcciones de internet http://www.ucn.es/info/genetica/grupod/Estruadn/estruadn.html#composicion htpp://www.unorte.edu.uy/agro/ACIDOSNUCLEICOS.doc http:// efn.uncor.edu/dep/biologia/introbiol/ciclo.htm) http://www.geocites.com/trogers56/ http://www.memo.com.co/fenonino/aprenda/biologia/biolog3html Http://www.biografiasyvidas.com/biografia/m/mendel.htm htpp://webdriver.puc.cl/bio100/portada?MIval=4.1.2.2 http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Matematicas/28/matematicas-28.html http://server2.southlink.com.ar/vap/PROBABILIDAD.htm http://www.chicoramirez.com/color.html http://fai.unne.edu.ar/biologia/genetica/genet2.htm http://www.unavarra.es/genmic/genetica%20y%20mejora/incompatibilidad/ALELOS%20MULTIPLE S.htm imagenes/tp6genetica/cresta.gif imagenes/tp6genetica/cresta.gif http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo%20complejo%202.htm http://www.ufv.br/dbg/labgen/hersux.html http://taggart.glg.msu.edu/bs110/meiosis.htm

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

153

http://en.wikipedia.org/wiki/Mitosis http://www.portaley.com/biotecnologia/bio1.shtml http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001832/lecciones/traduccion.html http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/9232/ http://html.rincondelvago.com/duplicacion-de-adn.html http://bioinformatica.uab.es/divulgacio/genpob.html http://evolutionibus.eresmas.net/poblaciones.html http://www.unavarra.es/genmic/genetica%20y%20mejora/genetica_poblaciones/genetica_poblacio nes.htm http://www.pucpr.edu/facultad/atorres/ http://www.psicopedagogia.com/definicion/mutacion http://www.fao.org/ http://www.monografias.com/trabajos5/expesis/expesis.shtml http://tarwi.lamolina.edu.pe/~acg/index.htm

Editado por Janet Camacho Garzon. Bióloga MsC. [email protected]

154