TEMA11 GENETICA MENDELIANA

Tema 11 Genética Mendeliana 1

1) GENÉTICA: HERENCIA DE LOS CARACTERES

Todos los organismos poseen características comunes a sus progenitores. Esto supone que todos los seres vivos poseen una información capaz de transmitir a su descendencia. La Genética es la ciencia que tiene como objetivo el estudio de la transmisión de los caracteres hereditarios de unas generaciones a otras. Estos caracteres están en los genes, situados en los cromosomas.

En la historia de la Genética se pueden distinguir las siguientes etapas:

1) Primer periodo : Corresponde a los años que siguen al redescubrimiento de las leyes de Mendel, en 1900.

2) Segundo periodo : Se inicia con la Teoría Cromosómica de la Herencia, propuesta por Sutton y Boveri en 1902 y confirmada por Morgan en 1910.

3) Tercer periodo : Comienza en 1953 con el descubrimiento, por parte de Watson y Crick, de la estructura y propiedades del ADN. Aquí se descubre la naturaleza química de los genes y nace una nueva ciencia, la Genética Molecular, que estudia aspectos como la estructura molecular de los ácidos nucleicos, la duplicación del ADN, el código genético o la síntesis de proteínas.

4) Cuarto periodo : Se desarrolla entre 1975 y 1985, con la aparición de la tecnología del ADN recombinante, que da lugar a la Ingeniería Genética; desembocando en la secuenciación del genoma humano en 2003.

2) TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA

Morgan estableció la Teoría Cromosómica de la Herencia, según la cual los cromosomas conservan la información genética y la transmiten de generación en generación mediante la mitosis y la meiosis; siendo esto así porque los genes, o unidades que determinan los caracteres, están alineados en ellos. Esta teoría se basa en los siguientes postulados:

Los genes se sitúan en los cromosomas, dispuestos linealmente unos a continuación de otros.

Cada carácter está regulado por dos genes que ocupan la misma posición en los cromosomas homólogos.

Los genes se recombinan mediante el sobrecruzamiento de cromátidas homólogas en la meiosis.

Los genes de un mismo cromosoma tienden a heredarse juntos, y con mayor probabilidad cuanto más próximos estén.

3) CONCEPTOS BÁSICOS DE GENÉTICA

Gen: Conjunto de secuencias de ADN, estructurales (intrones y exones) y reguladoras, necesarias para codificar un producto génico, sea éste un ARN maduro de cualquier tipo o una proteína funcional. Para la Genética, los genes son las unidades estructurales y funcionales de la herencia transmitidas de padres a hijos a través de los gametos, por lo que regulan los caracteres heredables (color, metabolismo, etc.). Los genes se conocieron en un principio como factores hereditarios.

Genoma: Conjunto de todos los genes que posee un individuo.

Alelo (o alelomorfo): Un gen (A) puede modificarse mediante mutaciones, apareciendo entonces dos o más formas alternativas de dicho gen (A1, A2, ..., An), denominadas alelos o alelomorfos. De este modo, para el gen que regula el color de los ojos existen los alelos negro, azul, verde y marrón. El alelo más frecuente se denomina alelo normal o salvaje, mientras que los otros, más escasos, se conocen como alelos mutados.

Carácter génico o heredable: Un carácter génico o heredable es toda característica de un individuo resultante de la expresión de sus genes. Los caracteres pueden ser cualitativos, si presentan alternativas claras y fáciles de observar (color de los ojos, color del pelo, etc.) y están regulados por un único gen con varias formas alélicas, o cuantitativos, si tienen diferentes gradaciones entre dos valores extremos (estatura, color de la piel, etc.) y están regulados por varios genes y a veces también por el ambiente.

Genotipo: Conjunto de genes que posee un organismo heredado de sus progenitores. En los organismos diploides, la mitad de sus genes proceden del padre y la otra mitad de la madre.

Fenotipo: Manifestación externa del genotipo, es decir, la suma de los caracteres expresados en un individuo. De este modo, para el color de los ojos, el genotipo de un individuo puede tener los alelos negro y azul (cada uno procedente de uno de sus progenitores); sin embargo, sólo se habrá expresado uno de ellos, que constituye su fenotipo para ese carácter. El fenotipo viene a ser el


resultado de la interacción entre el genotipo y el ambiente. La distinción entre genotipo y fenotipo refleja una división de las funciones del ADN (genotipo) y las proteínas (fenotipo).

Locus: Lugar que ocupa cada gen a lo largo de un cromosoma (el plural es loci).

Homocigótico o raza pura: Individuo que, para un determinado carácter, posee el mismo alelo en ambos cromosomas homólogos.

Heterocigótico o híbrido: Individuo que posee dos alelos distintos para un determinado carácter.

Hemicigótico: Individuo diploide en el que determinados genes se hallan presentes en una sola dosis (como ocurre con algunos genes del cromosoma X en los machos heterogaméticos -XY-)

Herencia dominante: Se dice que un carácter manifiesta herencia dominante cuando en el híbrido sólo se expresa uno de sus alelos (dominante), mientras que el otro alelo (recesivo) debe estar en homocigosis para poder expresarse. El alelo dominante se suele representar con mayúscula (A), y el recesivo con minúscula (a) (en este caso, la herencia dominante se expresaría como A>a).

Herencia intermedia y codominante: Se produce cuando en el híbrido (Aa) los dos alelos tienen la misma “fuerza” para expresarse, diciéndose entonces que ambos son equipotentes, y aunque se usen letras mayúsculas y minúsculas, éstas no indican dominancia. Esto puede originar herencia intermedia, con un fenotipo intermedio al de los individuos homocigóticos (por ejemplo, flores rosas a partir de flores rojas y blancas); o bien herencia codominante, con ambos fenotipos originales al mismo tiempo (por ejemplo, flores con manchas blancas y manchas rojas a partir de flores rojas y blancas uniformes).

4) MENDEL Y LAS LEYES DE LA HERENCIA

En 1866, el monje agustino Gregor Mendel publicó sus resultados y conclusiones sobre sus experimentos llevados a cabo con plantas de guisante. Aunque su trabajo pasó desapercibido en su momento, Mendel había conseguido determinar los mecanismos de la transmisión de los caracteres hereditarios antes de conocerse la existencia de los genes y los cromosomas. El éxito de Mendel se debe a dos factores principales:

1) Eligió para su estudio caracteres cualitativos observables a simple vista, como forma y color de las semillas, color y posición de las flores, forma y color de los frutos, o altura del tallo.

2) Aplicó a su estudio un método científico riguroso, siendo el primer investigador que sometió los resultados obtenidos a un análisis matemático de tipo estadístico.

Con el tiempo, el trabajo de Mendel fue redescubierto, sirviendo de base para la elaboración de tres leyes básicas de la herencia (hay que tener en cuenta que en estas leyes aparecen hoy ciertos términos, como el de gen, que no eran conocidos cuando Mendel llevó a cabo sus estudios).

4.1) Herencia de un carácter: Monohíbridos:

Herencia dominante: Para deducir las leyes que rigen la herencia de un carácter dominante se realizan cruzamientos entre dos variedades de genotipo conocido, se observan los tipos de gametos formados tras la meiosis y su probabilidad de aparición; por último, se tienen en cuenta todas las posibilidades de fecundación que pueden darse entre los distintos óvulos y espermatozoides de ambos progenitores (hay que tener en cuenta que las probabilidades de fecundación no son reales en ningún caso, sino estadísticas).

En los guisantes, el color amarillo de la semilla domina sobre el verde. Si la generación parental (P) la componen dos variedades homocigotas o razas puras, una amarilla (AA) y otra verde (aa), la amarilla sólo producirá gametos A (100%; probabilidad=1) y la verde sólo gametos a (100%; probabilidad=1). Por ello, la primera generación filial (F1) estará formada sólo por individuos heterocigóticos Aa (100%, probabilidad=1). En este caso, el 100% de los individuos tendrá genotipo Aa y fenotipo amarillo. (Il. 1)

Ilustración 1


Esto sería la Primera Ley de Mendel o de la Uniformidad de la Primera Generación Filial , según la cual todos los descendientes del cruce entre dos razas puras (u homocigotas) son híbridos que presentan uniformidad tanto desde el punto de vista del genotipo como del fenotipo.

Al cruzar los individuos de la F1 entre sí, todos producirán gametos A y a (50% en cada caso; probabilidad de aparición=1/2). Al unirse estos gametos para dar lugar a la segunda generación filial (F2), aparecerán individuos con los siguientes genotipos: AA, Aa, Aa y aa, todos con una probabilidad de aparición de 1/4 (25%). En cuanto al fenotipo, AA y Aa serán amarillos, con una probabilidad de 3/4 (75%), mientras que aa será verde, con una probabilidad de 1/4 (25%). (Il. 2)

Genotipo Probabilidad Fenotipo Probabilidad

Esto coincide con la Segunda Ley de Mendel o de la Segregación de los Caracteres, que establece que los genes alelos que determinan un carácter se separan durante la formación de los gametos y se pueden volver a unir al originarse el cigoto.

***Cruzamiento de prueba y retrocruzamiento: El cruzamiento de prueba consiste en cruzar un individuo homocigoto recesivo (aa) con el fenotipo dominante para determinar si este fenotipo corresponde al genotipo homocigoto dominante (AA) o al genotipo heterocigoto (Aa). En el ejemplo del color de los guisantes, si tras el cruzamiento amarillo/verde toda la descendencia estuviese formada por guisantes amarillos, significaría que la variedad parental de guisantes amarillos es AA; pero si tras este cruzamiento, la mitad de la descendencia fuesen amarillos y la otra mitad verdes,

Ilustración 2


significaría que el parental amarillo es Aa. Si el homocigoto recesivo (aa) usado para el cruzamiento de prueba es un progenitor (parental), esta prueba se denomina retrocruzamiento.

Herencia intermedia y codominante: La herencia de algunos caracteres no presenta relación de dominancia debido a que los dos alelos son equipotentes y se expresan por igual en el híbrido. Por ello, el fenotipo del heterocigoto es una mezcla de los fenotipos parentales homocigóticos.

Como ejemplo, en la flor Dondiego de noche (Mirabilis jalapa) la variedad homocigota RR es de color rojo, ya que el alelo R codifica para la síntesis de un pigmento rojo, mientras que la variedad homocigota rr es de color blanco, ya que el alelo r codifica para la síntesis de un pigmento blanco. La F1 originada por estos parentales sería Rr, de color rosa, pues se sintetizan ambos pigmentos y al mezclarse dan este color.

Las probabilidades genotípicas y fenotípicas de la F2 resultante del cruzamiento de la anterior F1

serían las recogidas en la siguiente tabla:


4.2) Herencia de dos caracteres simultáneamente: Dihíbridos: En este caso, se estudiará la herencia de dos caracteres al mismo tiempo, cada uno de ellos regulado por un gen con dos alelos entre los que existe una relación de dominancia.

Genes situados en cromosomas homólogos distintos (genes independientes): Se tomarán dos caracteres del guisante como ejemplo: el color de la semilla, con el fenotipo amarillo (AA o Aa) dominante sobre el fenotipo verde (aa); y el tipo de piel, con el fenotipo liso (LL o Ll) dominante sobre el fenotipo rugoso (ll). (Il. 3; En la ilustración, los alelos L y l se denotan como B y b)Ilustración 3


Si en la generación parental (P) se cruzan dos variedades homocigotas, una de color amarillo y piel lisa (AALL) con otra de color verde y piel rugosa (aall), tras la meiosis los parentales AALL producirán gametos AL (100% o probabilidad 1), mientras que los parentales aall producirán gametos al (100% o probabilidad 1). Por ello, todos los individuos de la primera generación filial (F1) serán AaLl (100% o probabilidad 1); es decir, todos serán dihíbridos (doblemente heterocigotos) y manifestarán un fenotipo amarillo y liso, pues ambos alelos son dominantes.

Esta F1 producirá gametos AL, Al, aL y al, con una probabilidad de 1/4 (25%) en cada caso. Al unirse estos gametos para formar la segunda generación filial (F2) se obtienen dieciséis combinaciones genotípicas (todas con una probabilidad de 1/16). Los distintos genotipos y fenotipos que se obtienen se muestran en el siguiente esquema de doble entrada, denominado cuadro de Punnett:

AL Al aL al

AL

Al

aL

al



Esto coincide con la Tercera Ley de Mendel o de la Independencia de los Caracteres, según la cual los genes que determinan caracteres distintos se transmiten independientemente (siempre y cuando estén en cromosomas homólogos distintos).

Genes situados en el mismo par de cromosomas homólogos (genes ligados): Según sea la distancia entre los loci de ambos genes, hay dos posibilidades:

-Ligamiento absoluto: Si la distancia entre ambos loci es tan pequeña que no es posible el sobrecruzamiento entre ellos durante la meiosis, ambos caracteres se heredan juntos y, en caso de presentar dominancia, las proporciones fenotípicas de la F2 son 3:1, como si se tratase de un único carácter o monohíbrido.

Como ejemplo, en el maíz existen dos variedades que se distinguen por el color y la forma del grano: el fenotipo rojo (RR o Rr) domina sobre el incoloro (rr), y el fenotipo redondo (CC o Cc) sobre el achatado (cc). (Il. 4 A)

Si la generación parental es RRCC y rrcc, los individuos RRCC producirán gametos RC y los rrcc gametos rc. En la F1 todos los individuos serán RrCc, pero teniendo en cuenta que R y C están juntos en un mismo cromosoma y que r y c están juntos en el otro cromosoma homólogo, por lo que los gametos producidos serán RC y rc. Al unirse estos gametos se producirá la siguiente F2:

Ilustración 4


RC rc

RC

rc

Fenotipo rojo y redondo: RRCC (1/4) y RrCc (2/4), lo que da en total una proporción de 3/4.

Fenotipo incoloro y achatado: rrcc, dando una proporción de 1/4.

-Ligamiento relativo: Si la distancia entre ambos loci permite el sobrecruzamiento entre ellos durante la meiosis, ambos genes pueden intercambiarse y, en caso de presentar dominancia, las proporciones fenotípicas de la F2 son 9:3:3:1, como si fuesen genes situados en cromosomas homólogos distintos.

Como ejemplo, en la avena hay dos variedades que se distinguen por el color de sus glumas y el color de sus semillas: el fenotipo glumas rojas (RR o Rr) domina sobre glumas negras (rr), y el fenotipo semilla parda (PP o Pp) sobre semilla blanca (pp). (Il. 4 B; Los alelos P y p se denotan como C y c)

Si la generación parental es RRPP y rrpp, los individuos RRPP producirán gametos RP y los rrpp gametos rp. En la F1 todos los individuos serán RrPp, pero teniendo en cuenta que:

Si no ha habido recombinación en la meiosis, R y P están juntos en un mismo cromosoma, y r y p están en el otro cromosoma homólogo, por lo que los gametos producidos serán RP y rp,

Si ha habido recombinación en la meiosis, además de los gametos anteriores, también se habrán producido Rp y rP. Si la recombinación se produjese en todas las células, las cuatro combinaciones anteriores aparecerían en una proporción de 1/4 (25%), por lo que al unirse producirían en la siguiente F2 unas proporciones fenotípicas 9:3:3:1. Sin embargo, esto no suele ocurrir, y además, la frecuencia de la recombinación depende en gran medida de la distancia a la que se encuentren ambos loci (a mayor distancia mayor frecuencia).

4.3) Alelismo múltiple: La heterocigosis se produce cuando un gen primitivo o gen silvestre, al que se denominará en este caso como “A”, sufre una mutación y se convierte en su alelo “a”. Cuando un gen silvestre, o bien los genes originados por mutación a partir de él, sufren nuevas mutaciones, dan lugar a lo que se conoce como una serie alélica (a1, a2, a3, …, an); hablándose entonces de alelismo múltiple. Un ejemplo es el sistema sanguíneo AB0 en la especie humana, regulado por tres alelos: A (IA), B (IB) y 0 (i); en donde A y B son codominantes entre sí y dominantes sobre 0. Esto da lugar a los siguientes genotipos y fenotipos:

Genotipos Fenotipo

4.4) Herencia del sexo en la especie humana: En la especie humana el sexo depende de dos cromosomas, el X y el Y. Las mujeres son XX y los hombres XY. Las mujeres sólo producen óvulos con el cromosoma X, mientras que los hombres producen espermatozoides con el cromosoma X o con el cromosoma Y. A la hora de estudiar la probabilidad del sexo, se tiene: 50% niño y 50% niña.


4.5) Poligenia: Se habla de poligenia en el caso de aquellos caracteres que están determinados por la acción combinada de más de un gen al mismo tiempo, como el color de la piel en el hombre.

4.6) Genes letales: Son aquéllos que provocan la muerte del individuo al expresarse, pudiendo ser dominantes o recesivos. Cuando son dominantes proceden de la mutación de otro alelo y se manifiestan en homocigosis o heterocigosis, provocando la muerte del individuo portador, por lo que el gen desaparece con este individuo. Cuando son recesivos, sólo provocan la muerte del portador en homocigosis recesiva, de modo que el desarrollo de los homocigotos dominantes y de los heterocigotos es normal, por lo que pueden ser transmitidos a otras generaciones.

4.7) Herencia ligada al sexo: En los cromosomas sexuales están los genes que determinan el sexo y los implicados en otros caracteres, los cuales determinan lo que se conoce como herencia ligada al sexo. En estos cromosomas se distinguen dos segmentos: (Il. 5)

Segmento homólogo : Posee los mismos genes en ambos cromosomas (para los mismos caracteres), siendo éste el segmento que permite el apareamiento de estos cromosomas en meiosis.

Segmento diferencial : No existe su correspondiente segmento en el otro cromosoma, por lo que sus genes son exclusivos. Los genes del segmento diferencial del cromosoma X se llaman ginándricos, y holándricos los del segmento diferencial del cromosoma Y.

En el hombre, con un cromosoma X y otro Y, los genes del segmento diferencial de cada cromosoma están influidos sólo por un alelo y se expresan siempre, ya sea el alelo dominante o recesivo. En la mujer, al tener dos cromosomas X, los alelos recesivos del segmento diferencial sólo se manifiestan si están en ambos cromosomas (en homocigosis); mientras que las mujeres heterocigotas se denominan portadoras, ya que poseen un alelo recesivo, aunque no lo manifiestan en el fenotipo.

Como ejemplo de esta herencia en la especie humana se estudiará el daltonismo y la hemofilia.

Daltonismo: Incapacidad para distinguir algunos colores, sobre todo el rojo y el verde, siendo un carácter recesivo (X=normal, Xd=daltonismo; X>Xd). Esto origina los siguientes genotipos y fenotipos:

Genotipo Fenotipo

Hemofilia: Consiste en la incapacidad de coagular la sangre, tratándose de un carácter recesivo (X=normal, Xh=hemofilia; X>Xh). Esto da lugar a los siguientes genotipos y fenotipos:

Genotipo Fenotipo

Ilustración 5Cromosomas sexuales-Herencia ligada al sexo


4.8) Herencia dependiente o influida por el sexo: Es aquella que se comporta de distinto modo según el sexo. Por ejemplo, la calvicie es dominante en el hombre y recesiva en la mujer; en este caso, si C1=no calvicie y C2=calvicie, se tienen los siguientes genotipos y fenotipos:

Genotipo Fenotipo

5) DETERMINACIÓN DEL SEXO

La mayoría de los organismos tienen dos sexos, que pueden estar en el mismo individuo (animales hermafroditas y plantas monoicas) o en individuos separados (macho y hembra). En este último caso, cada individuo sexualmente diferente manifiesta externamente un conjunto de caracteres sexuales primarios (tipos de gónadas y órganos copuladores, etc.) y secundarios (vellosidad, tamaño, coloración, etc.), constituyendo estos últimos todos aquellos aspectos morfológicos que diferencian a los machos de las hembras y que no son necesarios para la reproducción.

En la determinación del sexo pueden intervenir factores génicos y ambientales. Los factores génicos son los genes responsables de la diferenciación sexual, los cuales poseen la información necesaria para que se desarrollen las gónadas, los conductos sexuales y las hormonas sexuales responsables de la aparición de los caracteres sexuales secundarios. Los factores ambientales (determinación ambiental) sólo pueden determinar el sexo cuando los genes masculinizantes y feminizantes se equilibran, e incluyen el resto de los genes, el ambiente citoplasmático y el medio externo en que se desarrolla el organismo (Ejemplo: temperatura de incubación de huevos de reptiles).

En la mayoría de los casos los genes masculinos y femeninos no se equilibran, por lo que el sexo queda determinado génicamente desde los primeros momentos de la existencia del nuevo individuo. Aunque hay organismos cuyas características sexuales están controladas por un único par de genes (determinación génica), en casi todas las especies animales y vegetales el sexo se determina por unos cromosomas especiales (determinación cromosómica), los heterocromosomas o cromosomas sexuales. Se denominan heterocromosomas porque son distintos en cuanto a morfología y contenido génico. Estos cromosomas se denominan X e Y, siendo el Y más pequeño que el X debido a la ausencia de un fragmento, por lo que contiene menos información. El sexo homogamético es el que contiene el par de cromosomas XX, y el heterogamético el que presenta el par XY.

En los mamíferos, los equinodermos, los moluscos y un gran número de artrópodos, el sexo heterogamético (XY) corresponde al macho y el homogamético (XX) a la hembra. En todos estos casos, tras la meiosis, los óvulos portan un cromosoma X y los espermatozoides un cromosoma X en el 50% de los casos y un cromosoma Y en el otro 50% de los casos. Así, al formarse los cigotos tras la fecundación, el 50% serán hembras y el 50% machos (una vez más, hay que tener en cuenta que estos datos no son reales sino estadísticos). En otros animales, como aves, anfibios, reptiles, peces y mariposas, el sexo homogamético (XX) corresponde al macho y el heterogamético (XY) a la hembra (en este caso suele emplearse la notación ZZ y ZW para diferenciarla del primer caso). Por último, algunas especies diploides sólo poseen un heterocromosoma, existiendo también dos posibilidades: machos X (o Z) y hembras XX (o ZZ), o bien machos XX (o ZZ) y hembras X (o Z).

Finalmente, el sexo puede definirse por el cariotipo (determinación cariotípica o por haplodiploidía), como ocurre en ciertos insectos sociales, como las abejas. La abeja reina pone dos tipos de huevos, unos proceden de óvulos fecundados y otros de óvulos sin fecundar (partenogénesis). Los óvulos fecundados (diploides) originan hembras, que según el tipo de alimentación que reciban en la fase larvaria darán lugar a hembras estériles (obreras) o a reinas, mientras que los óvulos sin fecundar (haploides) se desarrollan por partenogénesis y dan lugar a machos (zánganos).

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