LA GENÉTICA MENDELIANA. LA TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA. MUTACIONES.

INTRODUCCIÓN La genética es la ciencia que estudia la herencia, de los caracteres biológicos. Las numerosas investigaciones a lo largo de los años ha permitido enfocar esta materia objeto de estudio de la genética según dos puntos de vista: desde el nivel de organización molecular hasta el nivel de poblaciones; y se han diferenciado dos grandes vías que intentan explicar todos los fenómenos relacionados con la herencia biológica: la Genética clásica y la Genética molecular.

Este tema tiene como objeto la Genética clásica o formal, que parte de los caracteres observables (fenotipo) y comprueba su trasmisión por herencia a los descendientes y, a partir de aquí deduce el genotipo, es decir el gen o los genes que determinan los caracteres.

1. LA GENÉTICA MENDELIANA

Gregor Mendel realizó sus experimentos entre 1857 y 1866, pero no se les daría importancia hasta 1900 cuando Hugo de Vries, Carl Correns y Erich Tschermak los redescubren.

1.1.LOS EXPERIMENTOS DE MENDEL

Mendel realizó sus experimentos con la planta del guisante, Pisum sativum, a la que eligió por una serie de motivos:

Era más fácil trabajar con plantas que con animales. Tiempo de generación relativamente corto. Producían muchos descendientes. Es una especie autógama (se autopoliniza) Es sencillo realizar cruzamientos entre distintas variedades para obtener híbridos. Presentaban variabilidad genética: variedades que muestran diferencias aparentes,

bien definidas y hereditarias. Eligió 7 “caracteres unitarios” diferentes para seguir su modo de herencia.

Semilla Tallo VainaLisa o rugosa Vainas axiales y flores a lo largo del

tallo o vainas terminales y flores en el extremo del tallo

Llena o constreñida

Cotiledones amarillos o verdes

Plantas altas o enanas Verde o amarilla

Cubierta gris (flor violeta) o blanca(flor blanca)

Aunque el estudio de la herencia de muchas características similares se había intentado previamente por muchos experimentadores, sus observaciones tenían en cuenta toda una serie de diferencias conjuntamente sin individualizar cada una por separado. La originalidad de Mendel fue la de seguir la herencia de cada carácter

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por separado, la de contabilizar la apariencia externa para cada carácter en los individuos de cada generación, y la de analizar los resultados numéricos en forma de proporciones que expresaran las leyes de la herencia subyacente.

Mendel realizaba siempre el mismo esquema de cruzamientos. Cruzaba dos variedades o líneas puras (homocigotos) que diferían en uno o varios caracteres. A estos los llamaba parentales P1 y P2. Obtenía así la primera generación, F1, de individuos híbridos. Seguidamente autofecundaba los individuos de la F1, obteniendo así la segunda generación F2 y por último autofecundaba estos individuos de la F2 y obtenía la tercera generación F3. El cruzamiento inicial lo realizaba en las dos direcciones posibles: utilizando en un caso como donador de polen a P1 y en otro a P2. Realizó también retrocruzamientos, es decir, cruzamientos de los híbridos de F1 con cualquiera de los parentales; si el progenitor utilizado era el recesivo, se habla entonces de cruzamiento prueba. Este cruzamiento permite conocer la constitución genética de los gametos formados por un híbrido, analizando el fenotipo de la descendencia.

Los principales aciertos de Mendel en sus experiencias fueron:

Usar una especie autógama, con lo que se aseguraba de manejar líneas puras constituidas por individuos homocigotos.

Elegir caracteres cualitativos fácilmente distinguibles en sus alternativas, e iniciar los experimentos fijándose en un único carácter.

Emplear la estadística para el análisis de resultados. Llevar a cabo cruzamientos adicionales para comprobar sus hipótesis.

1.2.LEYES DE MENDEL Basándose en los resultados de sus experimentos, Mendel propuso tres leyes.

I Cruzamientos de un solo carácter: Primera y segunda ley de Mendel. ……….Primera Ley de Mendel o Principio de la Uniformidad

El cruce de dos razas puras da una descendencia híbrida uniforme tanto fenotípica como genotípicamente.

“Las plantas híbridas, Aa, de la F1 obtenidas por el cruzamiento de dos líneas puras que difieren en un sólo carácter, tienen todas la misma apariencia externa (fenotipo), siendo idénticas entre sí y pareciéndose a uno de los parentales. Al carácter que se manifiesta en la F1 se le denomina dominante y al que no lo hace recesivo”.

II Segunda Ley de Mendel o Principio de la Segregación

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Parentales: Amarillo X VerdeAA aa

Gametos: A AF1: Amarillo

Aa

“La autofecundación de las plantas híbridas, Aa, procedentes del cruzamiento entre dos líneas puras que difieren en un carácter, origina una F2 en la que las ¾ partes de plantas presentan el fenotipo dominante y ¼ de las plantas el fenotipo recesivo”. Esto se debe a que, cuando los híbridos de la F1 forman sus gametos, los alelos del mismo locus se segregan, se separan, dando lugar a dos clases de gametos en igual proporción: ½ de gametos con el alelo dominante A y ½ de gametos con el alelo recesivo a.

Aa X AaF1 X F1

Gametos A aA AA Aaa Aa aa

- Herencia intermedia. La herencia de algunos caracteres no presenta la relación de dominancia y ambos alelos se expresan en el híbrido. Por ejemplo en la flor del Dondiego de noche o Miriabilis jalapa la variedad homocigota RR es de color rojo, el homocigoto rr es de color blanco y el híbrido Rr es de color rosa.

Un concepto similar es el de codominancia en el que los dos caracteres son equipotentes como en el caso del sistema de grupos sanguíneo humano en el que el grupo AB presenta antígenos en los glóbulos rojos de ambos grupos y no un tipo de antígeno intermedio como el color de la flor anterior.

III Cruzamientos de dos caracteres: Tercera Ley de Mendel o Principio de la Combinación Independiente

Los miembros de parejas alélicas diferentes se combinan de forma independiente cuando se forman los gametos de un heterocigoto para los caracteres correspondientes.Se conoce también como ley de la independencia de los factores hereditarios, y se puede expresar así: “los factores hereditarios no antagónicos mantienen su independencia a través de las generaciones agrupándose al azar en los descendientes”.

Es decir, los distintos caracteres no antagónicos se heredan independientemente uno de otros, combinándose al azar. Descendencia en la F2: (donde los alelos son: A amarilla, a verde, R lisa y r rugosa)

Tablero de ajedrez genotípico

F2Gametos AR Ar aR ar

AR AARR AARr AaRR AaRrAr AARr AArr AaRr Aarr

aR AaRR AaRr aaRR aaRr

ar AaRr Aarr aaRr aarr

Tablero de ajedrez fenotípico

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Proporción: A-R- : A-rr : aaR- : aarr = 9:3:3:1

Amarilla lisa: amarilla rugosa: verde lisa: verde rugosa

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2. LA TEORÍA CROMOSÓMICA.

Mendel tuvo la suerte o la habilidad de que los siete caracteres considerados en la planta del guisante estuviesen regulados por genes que se encuentran en diferentes cromosomas. De hecho poco después del redescubrimiento de la teoría mendeliana no tardó en surgir discrepancia cuando otros investigadores como Bateson y Punnet obtuvieron resultados en desacuerdo con las proporciones mendelianas al experimentar con dihíbridos respecto a caracteres de la crestas de diferentes razas de gallinas.

Estas aparentes excepciones a la tercera ley que parecían apuntar a que ciertos caracteres no se heredan de forma totalmente independiente, encontraron su explicación en la primera década del siglo XX cuando Thomas H. Morgan elaboró la teoría cromosómica de la herencia. Antes de su exposición indicaremos algunos antecedentes históricos.

- En 1902, dos investigadores por separado, W: S. Sutton en USA y T. Boveri en Alemania, tras observar el paralelismo entre la herencia de los factores hereditarios y el comportamiento de los cromosomas durante la meiosis y la fecundación, propusieron que los factores hereditarios estaban en los cromosomas. Esta afirmación constituye la base de la teoría cromosómica de la herencia. En poco tiempo algunos experimentos confirmaron la hipótesis.

- En 1909 W. Bateson introdujo el término Genética para designar la ciencia que estudia la herencia de los caracteres biológicos. Así mismo W. Johansen propuso el término gene como sustitutivo del factor hereditario del que hablaba Mendel. De esta forma tenemos que un gen es un factor que determina una característica biológica.

Finalmente T. H. Morgan realizó unos experimentos con la mosca del vinagre o Drosophila melanogaster, que tan sólo tiene cuatro cromosomas y presenta un gran número de mutaciones. En estos estudios descubrió que muchos caracteres de esta mosca se heredaban juntos (color de ojos, color del cuerpo, forma de las quetas, tamaño de las alas, etc.) apareciendo grupos de genes ligados a ciertos cromosomas, en concreto él logró establecer cuatro grupos de ligamientos.

Por otro lado al cruzar machos de ojos blancos y alas vestigiales, ambos genes ligados al cromosoma X según los estudios de Morgan, se obtuvieron cuatro tipos de machos ojos normales y alas normales (31.2%), ojos normales y alas vestigiales (18.9%), ojos blancos y alas normales (18.9%) y ojos blancos y alas vestigiales (31.2%), lo que por un lado no coincidía con las % de Mendel y por otro lado

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tampoco respondía a su hipótesis de que el carácter ojos blancos y alas vestigiales se debiera a genes ligados que siempre se heredaban juntos.

Esto llevó a Morgan a suponer que los genes se disponían linealmente en los cromosomas y éstos se podían entrecruzar e intercambiarse fragmentos.

Estos resultados estaban de acuerdo con las observaciones que diferentes citólogos habían detectado en los cromosomas durante la meiosis, según las cuales en el diploteno de la meiosis las cromátidas homólogas se entrecruzaban. Estas uniones se denominaron quiasmas; a través de ellos tendría lugar el intercambio de fragmentos, responsable de la relativa independencia con la que se pueden heredar los genes localizados en el mismo cromosoma.

La confirmación total de esta teoría vino en 1931 de la mano de C. Stern, M. S. Creighton y B. McClintock, el primero trabajando con la mosca del vinagre y los otros dos con el maíz (Zea Mays). Los experimentos realizados con el maíz consistieron en provocar mediante rayos X unas deformaciones visibles al microscopio en determinados cromosomas, que eran portadores de genes ligados conocidos. Después del cruce se pudo comprobar que, donde había existido entrecruzamiento (ya que las deformaciones se encontraban en lugares distintos), los genes ligados característicos se heredaban por separado.

Esto conformó totalmente la teoría y permitió hacer compatibles las leyes de Mendel (independencia de caracteres antagónicos) con la agrupación de miles de genes ligados en un solo cromosoma.

En definitiva tenemos pues la teoría cromosómica resumida en tres puntos:

1 Los genes están en los cromosomas, 2 en ellos se disponen linealmente, uno tras otro; 3 mediante el entrecruzamiento de cromátidas homólogas se produce la

recombinación de genes.

2.1.Concepto de genes ligados y entrecruzamiento: se dice que dos genes están ligados cuando se encuentran en el mismo cromosoma y durante la formación de los gametos permanecen juntos con la misma combinación en que se encontraban en los progenitores. Así por ejemplo si un progenitor posee un genotipo AB/ab, la información contenida en sus gametos sería AB o ab, debido a que el gen A se encuentra con el gen B, y el gen a con el gen b, por lo que no pueden segregarse independientemente.

Durante la meiosis se produce una replicación de las cromátidas y después entrecruzamiento de las cromátidas no hermanas de manera que se obtiene:

- Cromátidas que no participan en el entrecruzamiento y contienen los genes AB y ab. Estas se llaman de tipo parental o recombinante.

- Cromátidas donde sí se produce entrecruzamiento o de tipo recombinante.

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En un individuo diheterocigoto puede haber dos posiciones citogenéticas: que los dos alelos dominantes estén sobre el mismo cromosoma y los alelos recesivos en el cromosoma homólogo, se dice que los genes están ligados en fase de acoplamiento; o bien, que en un mismo cromosoma estén el alelo dominante de uno de los genes y el recesivo del otro, por lo que en el cromosoma homólogo estarán el alelo recesivo del primero y el dominante del segundo, en este caso se dice que los genes están ligados en fase de repulsión.

3. MENDELISMO COMPLEJO (o Alteraciones de las frecuencias esperadas según Mendel)

Estudia los sistemas genéticos que o no cumplen o enmascaran los conceptos de la genética mendeliana.

1. Interacciones Génicas

Se produce cuando varios genes afectan a un mismo carácter. Cuando se produce esta interacción puede haber modificaciones en la segregación fenotípica de la F2 9:3:3:1.

Un caso de interacción es la epistasia, que puede ser de varios tipos:

- Epistasia simple dominante: el alelo dominante de una de las parejas alélicas inhibe la acción de cualquiera de los alelos de la otra pareja.

- Epistasia simple recesiva: el alelo recesivo de una de las parejas inhibe la acción de cualquiera de los alelos de la otra pareja.

- Epistasia doble dominante (genes duplicados): los alelos dominantes de cada pareja son suficientes por sí mismos en la expresión de un carácter.

- Epistasia doble recesiva (acción génica complementaria): son necesarios los dos alelos dominantes de cada pareja para que se manifieste un carácter.

- Epistasia doble dominante-recesiva: el alelo dominante de una pareja y el recesivo de la otra impiden la expresión de los otros alelos.

EPISTASIAESD A-B- : A-bb aaB- aabb

12 3 1ESR A-B- A-bb aaB- : aabb

9 3 4EDD A-B- : A-bb : aaB- aabb

15 1EDR A-B- A-bb : aaB- : aabb

9 7EDDR A-B- : A-bb : aabb aaB-

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13 32. Series alélicas o Alelismo múltiple

Consiste en que para un determinado locus existen más de dos formas alélicas alternativas. Los alelos múltiples siguen las mismas reglas de transmisión establecidas por Mendel, ya que la serie alélica tiene un comportamiento de pareja alélica.

Para calcular el número de genotipos posibles que se pueden fomar en una serie alélica, se tendrá en cuenta la siguiente fórmula:

genotipos posibles=n (n+2)/2

Un ejemplo es el sistema sanguíneo ABO. La serie alélica está formada por tres alelos IA, IB, i. Los alelos IA e IB son codominantes entre sí, y ambos dominan sobre i.

Genotipo Fenotipo (grupo sanguíneo)IAIA, IAi AIBIB, IBi B

IAIB ABii O

- Pseudoalelismo

Se produce cuando dos genes que determinan la expresión de un carácter, tienen los loci muy próximos en el mismo cromosoma (AB/ab), de manera que pueden aparentar como si se tratara de un único locus. Al estar tan estrechamente ligados es muy poco probable que se produzca la recombinación, pero aunque con baja frecuencia, pueden aparecer nuevas combinaciones génicas. A estos genes, que afectando al mismo carácter de forma similar tienen sus loci muy próximos, pero que pueden ser separados por recombinación, se les llama pseudoalelos.

3. Letalidad

Un gen se denomina letal cuando su presencia en el genotipo bloquea o dificulta el desarrollo normal del individuo que lo posee, produciéndole la muerte antes de alcanzar la madurez sexual. Se pueden clasificar según distintos factores:

Grado de penetración:o Letales: si producen la muerte a todos los individuos que llevan el geno Semiletales: producen la muerte en mas del 50%o Subvitales: menos del 50%o Cuasinormales: < 10%

Fase de actividad:o Gaméticos: si producen la muerte o no funcionalidad de los gametos que los

portano Cigóticos: cuando la muerte ocurre después de la formación del cigoto, a lo

largo del desarrollo embrionario.

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Influencias ambientales externas e internas:o No condicionales: cuando su penetración y expresividad no pueden ser

influidos.o Condicionales: Cuando su acción puede ser modificada por las condiciones

ambientales o por el propio desarrollo. Localización: Según que tenga sus loci en los autosomas o en los cromosomas

sexuales. Dominancia y recesividad: Pueden ser letales dominantes o letales recesivos.

4. Pleiotropía

Se produce cuando un gen tiene efectos múltiples a nivel fenotípico aparentemente no relacionados entre sí. En el caso del hombre encontramos un ejemplo en la enfermedad fenilcetonuria, en la que la enzima que regula el paso de fenilalanina a tirosina no funciona. Se da un efecto pleiotrópico ya que estos individuos presentan el coeficiente intelectual más bajo, y la piel y los ojos más claros.

5. Herencia ligada al sexo

Es aquella en la que los genes se encuentran en alguno de los cromosomas sexuales. Ejemplo en humanos pueden ser:

Asociados al cromosoma X: Hemofilia y Daltonismo Asociados al cromosoma Y: Hipertricosis Auricular

Hemofilia: es una deficiencia en el sistema de coagulación de la sangre causada por un gen recesivo ligado al cromosoma X. Una mujer padecerá la enfermedad siempre que sea homocigótica recesiva (XhXh), mientras que un hombre será hemofílico si su cromosoma X porta el alelo recesivo (XhY). Una mujer heterocigótica (XHXh) será portadora, es decir, no sufre la enfermedad pero puede transmitirla a sus descendientes.

Daltonismo: es una alteración que consiste en la incapacidad para distinguir los colores rojo y verde, y sigue el mismo patrón hereditario que la hemofilia.

Hipertricosis: consiste en la presencia de pelos en las orejas. Este carácter, al igual que todos los asociados al cromosoma Y, solo aparece en los hombres y se transmite a todos los descendientes varones.

4. MUTACIONES

Son alteraciones que se producen al azar en el material hereditario. El término lo introdujo Hugo de Vries (1901) indicando la aparición súbita de una nueva alternativa para un gen.

Las mutaciones pueden afectar a células somáticas o germinales. Si afectan a las somáticas, las células hijas pueden aparecer normales o con el fenotipo de la mutación, formando mosaicos. Al morir el individuo desaparece la mutación y no se transmite a otras generaciones. Si afecta a células germinales, la mutación se transmite a las generaciones sucesivas. Estas son las que facilitan la evolución.

Las mutaciones se clasifican en:

Mutaciones génicas: si afectan a un gen.

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Mutaciones cromosómicas: si afectan a cromosomas.

3.1. MUTACIONES GÉNICAS

Son los cambios en el gen que se producen por cambios en la secuencia del ADN. Los alelos presentes en un individuo mutan con independencia el uno del otro.

Pueden ser de varios tipos:

Puntuales: afectan a un solo nucleótido.

Sustituciones de bases. Se producen cuando se cambia una base nucleotídica por otra. Pueden ser transiciones si se intercambian purinas entre sí o pirimidinas entre sí; o transversiones si se cambia una purina por una pirimidina.

Inserciones o deleciones. La adición o pérdida respectivamente de uno o más nucleótidos. Como consecuencia se producen cambios en el marco de lectura si el número de nucleótidos ganados o perdidos no es múltiplo de tres.

No puntuales: Afecta a varios nucleótidos.

Duplicaciones: consiste en la repetición de un fragmento de ADN en el gen. Inversiones: cuando se invierte en el gen un fragmento de ADN. Transposiciones: un segmento de un gen cambia de posición para estar en

otro punto del gen o del genoma.

3.2. MUTACIONES CROMOSÓMICAS

La estructura y número de cromosomas se mantiene constante en una especie, por lo que las variaciones que se producen tanto en una como en otro, constituyen las mutaciones cromosómicas.

3.2.1. Mutaciones Cromosómicas Estructurales (M. Cromosómicas)

Las variaciones estructurales pueden afectar a uno o más cromosomas y se definen como alteraciones en el orden lineal de los genes en los cromosomas.

Si afectan a un solo cromosoma pueden producirse deleciones, duplicaciones o inversiones, y si afectan a dos o más, se producen translocaciones.

Mutación Tipos Consiste en ObservacionesDeleciones Pérdidas de algún

segmento cromosómicoEn gametos pueden ser inviables si la

pérdida es de vital importanciaDuplicaciones Repeticiones de un

segmento dentro del mismo cromosoma

En la mayoría de los casos son viables, y además han sido utilizadas

por la evolución.En tándem Se presenta

inmediatamente detrás y en el mismo orden

En tándem inversa

Detrás y con el orden de los genes invertido

Desplazada directa

Desplazado del original pero con el mismo orden

Desplazada inversa

Se desplaza y con los genes en orden inverso

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Inversiones Segmento cromosómico que se rompe y

posteriormente se vuelve a unir al cromosoma pero

en posición invertida

Tienden a reducir el número de sobrecruzamientos. Si se da este en el segmento invertido, las cromátidas

resultantes presentan una, deficiencia, y la otra, duplicación, y no

logran funcionarPericéntrica Afecta al centrómeroParacéntrica No afecta al centrómero

Translocaciones Un fragmento de un cromosoma pasa a unirse

a otro cromosoma

3.2.2. Mutaciones Cromosómicas Numéricas (M. Genómicas)

Las variaciones numéricas pueden afectar a los cromosomas en su conjunto, euploidía, o a cromosomas individuales, aneuploidía; y se definen como alteraciones en el número de genes.

Euploidía

Si aumenta el número de juegos cromosómicos se habla de poliploidía y si disminuye de haploidía.

Poliploidía: a los individuos que la sufren se les llama poliploides, y su dotación cromosómica está formada por más de dos juegos cromosómicos. Estos pueden ser iguales, autoploides, o diferentes, aloploides, consecuencia de un cruzamiento entre dos especies diferentes, formándose un híbrido interespecífico.

Haploidía: cuando la constitución cromosómica es la misma que la de los gametos de la especie. Cuando proceden de una especie diploide, se llaman monoploides y si proceden de una especie poliploide, se les denomina polihaploides.

Estos dos tipos de mutaciones son más comunes en plantas que en animales, debido a que en los animales la determinación del sexo requiere un delicado equilibrio entre el número de cromosomas sexuales y de autosomas.

Aneuploidía

Causa un mayor desequilibrio génico que las anteriores. Se puede producir por exceso o por defecto.

Por defecto: Por exceso:

- Nulisómicos (2n ─ 2): falta una pareja - Trisómicos (2n + 1): tienen un cromosoma más. Ej. Trisomía del par 21: Síndrome de Down.

- Monosómicos (2n ─ 1): falta un cromosoma

- Tetrasómicos (2n + 2): dos cromosomas en exceso

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3.3. AGENTES MUTAGÉNICOS

Las mutaciones pueden ser espontáneas o inducidas.

Espontáneas: Los factores que influyen en las espontáneas son genéticos y ambientales. Los factores genéticos son genes mutadores, genes que estimulan a otro gen para que mute. Los ambientales son principalmente la edad y la temperatura.

Inducidas: Las inducidas se producen a causa de radiaciones o compuestos químicos. Las radiaciones de acción mutagénica son las ondas electromagnéticas de longitud corta del tipo de la luz ultravioleta y rayos X, y las partículas subatómicas (radiación α, β y γ). Entre los mutágenos químicos encontramos distintos compuestos como el ácido nitroso, alcaloides, agentes alquilantes, etc.

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