TEMA 63: Genética Mendeliana PDF

TEMA 63: LA GENÉTICA MENDELIANA. LA TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA. LAS MUTACIONES. 1.- Introducción. 2.- La genética mendeliana. 2.1.- Leyes de Mendel. 2.2.- Herencia compleja. 3.- Teoría cromosómica de...

TEMA 63: LA GENÉTICA MENDELIANA. LA TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA. LAS MUTACIONES. 1.- Introducción. 2.- La genética mendeliana. 2.1.- Leyes de Mendel. 2.2.- Herencia compleja. 3.- Teoría cromosómica de la herencia. 4.- Mutaciones. Biología y Geología TEMA 63 1.- INTRODUCCIÓN Desde la antigüedad, se había considerado que los descendientes presentaban las características intermedias de sus progenitores, pero no se podía explicar como en ocasiones los descendiente heredaban algún carácter perteneciente a uno solo de los progenitores y por supuesto nadie había construido un modelo que explicase como se heredaban los caracteres de padres a hijos. Mendel (1822-1884) nació en Austria y en 1843 ingresó en la orden de los agustinos. Interesado por descubrir como se transmitían los caracteres entre una generación y otra, inició en 1856, sus experimentos con la planta del guisante en los jardines del convento de Brünn (hoy Brno, república Checa), llegando a realizar miles de cruces a partir de razas puras creadas por el. La aportación de Mendel más obvia es a la genética, ya que pese a no conocer el sustrato de la herencia, los genes, la mitosis, los cromosomas, etc. es capaz de crear un modelo que explica perfectamente muchos de los mecanismos de la herencia (de caracteres cualitativos, codificados por un solo gen bialélico). La revolución en la genética se produjo cuando el concepto de mezcla fue reemplazado por el concepto de factor o unidad de la herencia. La gran contribución de Mendel fue demostrar que las características heredadas son llevadas en unidades discretas que se reparten por separado -se redistribuyen- en cada generación. Estas unidades discretas, que Mendel llamó “elemente”, son los que hoy conocemos como genes. Pero también es importantísima la aportación a la ciencia empírica, ya que recrea los primeros experimentos diseñados previamente, en los que elige la primera especie de laboratorio, aísla razas puras, experimenta con variables controladas sobre diferentes réplicas que conllevará un estudio estadístico de los resultados, obteniendo porcentajes, proporciones que aplica en la teorización de las observaciones para convertirlas en leyes. Oposiciones Secundaria 1 Biología y Geología TEMA 63 Si bien muchas de las características se heredan de acuerdo con las leyes establecidas por Mendel, otras, siguen patrones de herencia más complejos. Ciertas interacciones entre los alelos, interacciones entre los genes, e interacciones con el medio ambiente explican gran parte de estas desviaciones de los principios mendelianos que se reducían, como ya dijimos, al estudio de caracteres cualitativos expresados a partir de un solo gen con dos únicos alelos. Los trabajos de Mendel no fueron valorados en toda su dimensión cuando fueron presentados a la comunidad científica. No fue hasta 1900 que los biólogos aceptaron los hallazgos de Mendel. En un solo año, su trabajo fue redescubierto por tres científicos quienes, en forma independiente, habían hecho experimentos similares. Durante los 35 años en que el trabajo de Mendel permaneció en la oscuridad se había efectuado un considerable progreso en la microscopía y, en consecuencia, en el estudio de la estructura celular y de los cromosomas (se observaron sus movimientos durante la mitosis), del proceso por el cual se forman los gametos y los sucesos de la meiosis fueron rápidamente relacionados con los principios mendelianos de la herencia. Algunos términos usados en genética: Gen: unidad mínima de función genética, que puede heredarse. Formado por un conjunto de nucleótidos de ADN localizados en un cromosoma que almacena información. Mendel los llamó “elemente” o también factores hereditarios. Alelo: cada una de las alternativas que puede tener un gen de un carácter. Existen varias formas alélicas de cada gen (dominante, recesivo, codominante, letal y múltiple) Locus: lugar que ocupa un alelo en el cromosoma, en plural es loci Genotipo: conjunto de genes que contiene un organismo heredado de sus padres, su manifestación externa constituye el fenotipo. Homocigótico: individuo que para un gen dado tiene en cada cromosoma homólogo el mismo alelo (AA ó aa), individuo heterocigótico es que tiene alelos distintos (Aa). Oposiciones Secundaria 2 Biología y Geología TEMA 63 2.- LA GENÉTICA MENDELIANA 2.1.- Leyes de Mendel 1ª ley de Mendel; ley de la uniformidad de los híbridos de la F 1: cuando se cruzan dos variedades de individuos de raza pura (homocigóticos) para un carácter, todos los híbridos de la primera generación son iguales. Méndel utilizó plantas de razas puras y con semillas amarillas (AA) y verdes (aa), al cruzarlas, la F1 era toda amarilla. A partir de este experimento Mendel define: recesivo y dominante, refiriéndose a los alelos, siendo los recesivos los que sólo se expresan si no está presente el dominante, que se expresará en todos los casos. El polen de la planta aporta uno de los alelos y el óvulo el otro, expresándose el dominante. La primera ley de Méndel se cumple en casos de herencia intermedia (dominancia incompleta: el fenotipo del heterocigoto es intermedio al de ambos homocigotos), al cruzar la variedad de flores blancas con la de flores rojas del Dondiego de noche, se obtienen plantas rosas, fenotipo de color intermedio, pero que sigue siendo producto de la herencia discreta (no mezcla) de los dos alelos. 2º ley de Mendel; ley de la separación o disyunción de alelos: los dos factores hereditarios que informan sobre un mismo carácter no se fusionan o mezclan, permanecen indiferenciados durante toda la vida del individuo y se segregan, se separan y se reparten en la formación de los gametos. Méndel cruzó plantas con semillas amarillas, procedentes de la F 1 del cruce anterior (Aa) y obtuvo plantas con semillas verdes y amarillas (3:1). El alelo que determina el color verde vuelve a aparecer en la F 2. Con este experimento, se demuestra que lo que se hereda son unidades discretas que no se mezclan. En todos los casos, cada alelo es aportado por cada uno Oposiciones Secundaria 3 Biología y Geología TEMA 63 de los progenitores, por lo que, aunque un individuo tiene en su genotipo información del padre y de la madre, sólo expresará la del progenitor que haya cedido el alelo dominante, pero él, a su vez, podrá donar a sus descendientes ambas informaciones separadas en gametos distintos. En el caso del Dondiego de noche, si cruzamos plantas de la F 1 vuelven a manifestarse los alelos del color blanco y rojo (ocultos en F 1), y el fenotipo rosa, cumpliéndose así la 2ª ley (2:1:1). En los genes en los que se manifiestan herencia dominante, no hay ninguna diferencia fenotípica aparente entre los individuos heterocigóticos (Aa) y homocigóticos (AA). Para distinguir el genotipo de ambos se realizará un cruzamiento prueba o retrocruzamiento, que consiste en cruzar el fenotipo dominante (A_) con la variedad homocigótica recesiva (aa): - Si el individuo dominante es homocigótico, toda la descendencia será igual fenotípicamente, entre si y con respecto a su progenitor. - Si el individuo dominante es heterocigótico, en la descendencia volverá a aparecer el fenotipo recesivo en proporción del 50 %. 3ª ley de Mendel; ley de la herencia independiente de caracteres: contemplándose dos caracteres distintos, los factores hereditarios no antagónicos mantienen su independencia a través de las generaciones, agrupándose al azar en los descendientes. Méndel cruzó plantas de semilla amarilla lisa con plantas de semilla verde rugosa (homocigóticas ambas para ambos caracteres). Obtuvo una F 1 amarilla y lisa (esperado según la 1ª ley). Las plantas de la F 1 se cruzan entre sí y los alelos de los distintos genes se transmiten Oposiciones Secundaria 4 Biología y Geología TEMA 63 con independencia unos de otros, ya que en la F 2 aparecen guisantes amarillos y rugosos y otros verdes y lisos. Los resultados de este experimento, en el que el porcentaje de los diferentes gametos que se cruzan es idéntico y en el que la descendencia se ajusta a una frecuencia fenotípica de 9:3:3:1, refuerzan el concepto de que los genes son independientes entre sí, pero estos resultados solo se cumplen en el caso de caracteres regulados por genes que están en distintos cromosomas. Esta ley no se cumplirá si los genes se encuentran en un mismo cromosoma, es el caso de los genes ligados, que se verán en el apartado de la teoría cromosómica de la herencia. Este supuesto para Mendel era inconcebible, ya que como hemos dicho, no conocía la organización del material genético. Ejemplos de herencia mendeliana Caracteres normales en el Caracteres patológicos en el Caracteres en animales hombre hombre domésticos Compor- Dominantes Recesivos Dominantes Recesivos Especie Caracteres tamiento Negro Ojos no Ojos sesgados Polidactilia Dedos normales vaca Color pelo domina sesgados rojo Blanco Pestañas largas Pestañas cortas Miopía Visión normal oveja Color lana domina a negro Negro Cabello rizado Cabello lacio Audición normal Sordomudez conejo Color pelo domina a leonado 2.2.- Herencia compleja de genes independientes Anomalías de los resultados esperados según las leyes de Mendel. a) Codominancia: el heterocigoto muestra por igual Co Gr mbi up el efecto fenotípico de los alelos. Un ejemplo es el nac o ion san es grupo sanguíneo MN, determinado por los alelos alél guí ne ica LMLN. o s LM M LM LN N Oposiciones Secundaria LN 5 LM M LN N Biología y Geología TEMA 63 b) Alelos múltiples (herencia polialélica): Hay caracteres que están determinados por más de un par de alelos. Son los alelos Co Gr mbi up múltiples y surgen por mutaciones en un mismo naci o one sa locus. Un ejemplo es el grupo sanguíneo ABO que s ng en humanos lo determinan los alelos I A, IB e i. aléli uín cas eo Relación de dominancia IA=IB>i IAIA e A c) Genes letales: en homocigosis provocan la muerte IAi IBIB e B del individuo, alteran las IBi IAIB AB proporciones mendelianas ii 0 (en vez de 1:2:1, es 1:2). Algunos producen un fenotipo distinguible en heterocigosis, ej: el alelo AY produce pelaje amarillo pero es letal en homocigosis. Pueden afectar a los individuos desde etapa embrionaria hasta adulto. La letalidad puede ser absoluta o depender del ambiente: letales condicionales. La aparición de letales dominantes se hace muy extraño, y si se da, en pocas generaciones se pierde, ya que todos los homocigotos dominantes y heterocigotos mueren, por lo que ese alelo no se transmite de generación en generación. d) Pleiotropía: Efecto de un solo gen en más de una característica fenotípica. Las múltiples expresiones fenotípicas de un gen se conocen como efectos pleiotrópicos. Ej. El alelo AY que produce pelaje amarillo y letalidad. Ej: anemia falciforme en humanos (efecto primario: hemoglobina anormal; efectos subsidiarios: forma en hoz de eritrocitos, tendencia a aglutinarse y a producir problemas relacionados con daños en cerebro, pero también con la anemia). e) Interacciones entre genes: colaboración de varios genes en la aparición de un carácter fenotípico por colaboración o por modificación mutua. Oposiciones Secundaria 6 Biología y Geología TEMA 63  Interaciones epistáticas: un alelo de un gen (gen epistático) enmascara la expresión fenotípica de los alelos de otro gen (gen hipostático) y expresa su propio fenotipo. - Epistasis recesiva: un alelo recesivo en homocigosis es epistático sobre los alelos de otro locus. El color azul se debe a que los genes w+ y m+ están activos, al no expresarse el m + la ruta se detiene dando color rosa y, si no se expresa el primero, independientemente del segundo, no se produce color. Las proporciones quedan en 9:3:4. - Epistasis dominante: la presencia de un alelo dominante de un locus enmascara los efectos de los alelos en otro locus, independientemente de los alelos presentes en el otro locus (dominante o recesivo). La proporción clásica pasa a 12:3:1 - Epistasis doble recesiva o acción génica complementaria: el alelo recesivo de cualquiera de los dos loci en homocigosis suprime el efecto fenotípico de los alelos dominantes. Los genotipos ccP_, C_pp y ccpp producen el mismo fenotipo (blanco), no producen antociania porque los genes C y/o P non son funcionales. Ambos alelos dominantes cuando están presentes juntos se complementan, se produce antocianina (color) - Genes duplicados con efecto acumulativo: la condición dominante (homocigótica y heterocigótica en cualquier locus, pero no en ambos) produce el mismo fenotipo, la proporción F2 se convierte en 9:6:1. - Epistasis doble dominante o acción génica duplicada: el alelo dominante de cualquiera de los dos loci produce el mismo fenotipo sin efecto acumulativo. La proporción 9:3:3:1 se convierte en 15:1. Oposiciones Secundaria 7 Biología y Geología TEMA 63 - Epistasis doble dominante y recesiva o supresión dominante: Ciertos genes poseen la habilidad de suprimir la expresión de un gen en un segundo locus. El alelo dominante de un gen y el recesivo de otro gen son epistáticos, el producto del gen B suprime el efecto del gen A. Solo resultan dos fenotipos en la F2. A_B_, aaB_ y aa/bb generan un fenotipo y A_bb produce otro en una proporción 13:3. g1+  e1 Sust A pig. B pig. MATE Sust C pig. D e2 Oposiciones Secundaria 8  g2+ Biología y Geología TEMA 63  Interaciones no epistáticas: cuando los productos finales de diferentes caminos metabólicos contribuyen cada uno de ellos para producir el mismo rasgo, o los genes de la F2 interactúan a través de rutas diferentes produciendo cuatro fenotipos diferentes sin alterar las proporciones mendelianas. Un ejemplo es el color rojo mate de los ojos de las moscas, que se Genotipos Productos finales Fenotipos produce por la acción 1 + g _, g _ 2 + pig. B y pig. D Pigmentación MATE g1+_ , g2g2 pig. B y sust. C Pigmentación B conjunta de dos + g1g1 , g _ 2 sust. A y pig. D Pigmentación D pigmentos diferentes g1g1 , g2g2 sust. A y sust. C SIN pigmentación que a su vez se sintetizan gracias a la acción de dos genes, por lo que se obtienen tres posibles colores (cada uno de los dos pigmentos solos, o la mezcla). También es posible la interacción entre tres o más genes. Se puede decir que todo el fenotipo está sujeto a interacciones entre los genes y con el medio ambiente. f) Herencia polímera (poligénica): a diferencia de la herencia mendeliana, que es cualitativa (presencia/ausencia del carácter), aquí los rasgos ofrecen una variación continua (naturaleza cuantitativa), como es el caso del peso o talla. Estos caracteres vienen regidos por múltiples pares de genes, cada uno de los cuales, tiene una acción acumulativa sobre el carácter, lo que lo convierte en cuantitativo. Están influenciados por el medio ambiente e interacciones con otros genes, existe un límite de adición de estos factores, por debajo del cual el rasgo no se expresa (valor umbral). g) Herencia ligada al sexo: La diferenciación sexual es la expresión fenotípica de un conjunto de factores genéticos que determinan que el individuo sea capaz de Oposiciones Secundaria 9 Biología y Geología TEMA 63 producir un tipo u otro de células sexuales. En la especie humana los cromosomas X e Y muestran alguna región homóloga (región apareante o pseudoautosómica) que regulan los mismos caracteres y una región diferencial donde se encuentran los genes exclusivos del X (caracteres ginándricos) y los del Y (caracteres holándricos). Los caracteres cuyos genes se localizan en el segmento diferencial del cromosoma X, están ligados al sexo, cabe citar el daltonismo, hemofilia, ictiosis. Daltonismo Hemofilia Mujer Hombre Mujer Hombre D D D H H H X X : visión normal X Y: visión normal X X : normal X Y: normal D d d H h h X X : visión normal/portadora X Y: daltónico X X : normal/portadora X Y: hemofílico d d h h X X : daltónica ----- X X : hemofílica (no nace) ----- Estas enfermedades se expresan cuando son recesivas y afectan mayormente a hombres h) Herencia influenciada por el sexo: Se da en genes autosómicos cuyos alelos invierten su relación de dominancia/recesividad según el sexo (generalmente debido a la acción de las hormonas fenotipo Genotipo hombres mujeres sexuales). Ejemplos en humanos son la AA calvicie calvicie Aa calvicie normal calvicie, mechón de pelo blanco, longitud del aa normal normal A= calvicie a= normal “A” domina en hombres y “a” domina en mujeres dedo índice, en ovejas la formación de cuernos. 3.- TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA Oposiciones Secundaria 10 Biología y Geología TEMA 63 En 1902, Sutton en Estados Unidos y Boveri en Alemania, al observar el paralelismo que había entre la herencia de los factores hereditarios mendelianos y el comportamiento de los cromosomas durante la meiosis y la fecundación, propusieron que dichos factores hereditarios (genes) se debían encontrar en los cromosomas. Esto es lo que se conoce como teoría cromosómica de la herencia. En 1909 Janssens observó que durante el diploteno en la meiosis había ciertos puntos de unión entre las cromatidas de cromosomas homólogos, a los que denominó quiasmas. En 1910 Morgan, trabajando con Drosophila melanogaster, encotró que había cuatro grupos de caracteres (color de ojos, color de cuerpo, forma de las quetas, tamaño de las alas) que se heredaban juntos. Por ello supuso que los genes estaban en cromosomas y que los genes que están en el mismo cromosoma tienden a heredarse juntos, proponiendo para ello el término de genes ligados. Morgan interpretó los quiasmas como la evidencia del entrecruzamiento. Así, en los gametos no habría uno de los cromosomas homólogos, sino un cromosoma nuevo, constituido por fragmentos al azar de uno y de otro. Según Morgan, los genes están en los cromosomas, su disposición es lineal, y mediante el entrecruzamiento de las cromátidas homólogas se produce la recombinación genética. El lugar que ocupa un gen en un cromosoma se denomina locus (en plural loci). El proceso de recombinación cromosómica implica la obtención de un nuevo genotipo a través del intercambio de material genético entre secuencias homólogas del ADN de dos orígenes diferentes. El punto donde los cromosomas se cruzan son los quiasmas (en la fase de paquiteno) donde se produce un intercambio de material genético entre cromátidas homólogas no hermanas mediante la rotura de la doble hélice del ADN. Los quiasmas son complejos multienzimáticos encargados de reunir las Oposiciones Secundaria 11 Biología y Geología TEMA 63 cromátidas paternas y maternas y producir en ellas los cortes y empalmes necesarios. La recombinación genética aumenta la diversidad genética. Hay más genes que cromosomas, cada cromosoma porta más de un gen formando los grupos de ligamiento que se trasmiten juntos durante la formación de gametos (no cumplen la tercera ley de Mendel). En la mayoría de especies de reprodución sexual, el ligamiento no es completo: los genes tienen la posibilidad de separarse a través del entrecruzamiento. Esto explica la separación de genes dominantes que se encuentran en acoplamiento y la aparición de formas recombinantes. Si los genes se encuentran muy juntos dentro del mismo cromosoma, se trasmitirán juntos; por el contrario, si están muy separados, lo harán independientemente. Se puede saber el lugar exacto que ocupan los genes dentro de los cromosomas mediante la elaboración de los mapas génicos. Un valor del 1% de recombinación significa que los genes están separados 1 centimorgan o 1 unidad de mapa del mismo cromosoma. Se pueden elaborar mapas genéticos calculando la frecuencia de recombinación entre dos genes: Nº de tipos recombinantes 13 + 19 Fr = en el ejemplo: Fr = = 0,14 ; 0,14 x 100 = 14 U.M. Total 226 U.M.= unidades de mapa Con tres pares de genes que intervengan en un solo cruzamiento también se puede calcular, teniendo en cuenta que la frecuencia de dobles entrecruzamientos es muy baja, ya que resulta mucho menos probable que se den dos entrecruzamientos Oposiciones Secundaria 12 Biología y Geología TEMA 63 simultáneos entre los dos espacios que separan los tres genes, además de que la formación de un entrecruzamiento, dificulta o impide la aparición de otro cercano. Muller designa el coeficiente de coincidencia (C) como: C= El coeficiente de coincidencia mide si los entrecruzamientos son independientes entre sí. Si esto es así, C será próximo a 1, pero de lo contrario, hablamos de interferencia (I), que es cuando un entrecruzamiento reduce la probabilidad de que haya otro adyacente (aparecerán menos de los esperados). Esta interacción se calcula con la siguiente fórmula: C+I=1 I=1–C Generalmente, oscila entre 0 y 1, aunque a veces puede ser negativo porque el número de recombinantes dobles excede de lo esperado. 4.-MUTACIONES Cambio heredable en el material genético de una célula producido por azar o por un mutágeno (sust. químicas, radiaciones ambientales). Una mutación en una célula somática puede alterar al organismo que la presente pero desaparece con la muerte del individuo oriqinario. Sin embargo una mutación en una célula sexual puede transmitirse a los descendientes. Existen tres tipos de mutaciones: - Mutaciones cariotípicas: afectan a la dotación cromosómica. El cambio en el material genético se restringe a que los individuos tienen diferente número de cromosomas que los propios de su especie. Se producen por una separación anormal de los cromosomas Oposiciones Secundaria 13 Biología y Geología TEMA 63 durante la meiosis, así tenemos individuos triploides (3n), tetraploides (4n), etc., muy típicos en plantas de cultivo de las que se obtienen variedades gigantes (fresas, tomates, gramíneas, etc.) En el hombre no se puede hablar de juegos completos repetidos pero si de trisomías, producidas por la no separación de una pareja de cromosomas homólogos durante la meiosis, lo que da lugar a un individuo con un cromosoma triplicado. Anomalía cariotípica Síndrome Síntomas Produce retraso mental, ojos oblicuos, piel rugosa, Trisomía par 21 Síndrome de Down crecimiento retardado. Produce anomalías en forma de la cabeza, boca Trisomía par 18 Síndrome de Edwars pequeña, mentón hundido, lesiones cardíacas. Trisomía par 13 ó 15 Síndrome de Patau Produce labio leporino, lesiones cardíacas, polidactilia. Produce escaso desarrollo de gónadas, aspecto 44 autosomas+ XXY Síndrme de Klinefelter eunocoide. Elevada estatura, personalidad infantil, bajo coeficiente 44 autosomas+XYY Síndrome del duplo Y intelectual, tendencia a la agresividad y conducta antisocial. 44 autosomas+X Síndrome de Turner Aspecto hombruno, atrofia de ovarios, enanismo. Infantilismo, escaso desarrollo mamas y genitales 44 autosomas+XXX Síndrome Triple X externos. - Mutaciones cromosómicas: provocan cambios en la estructura de los cromosomas. Hay varios tipos: Deleción: pérdida de un trozo de cromosoma. Duplicación: trozo de cromosoma repetido. Inversión: cambio en el sentido de un segmento cromosómico dentro del cromosoma. Translocación: cambio de situación de un segmento cromosómico (intracromosómica e intercromosómica) Oposiciones Secundaria 14 Biología y Geología TEMA 63 - Mutaciones Génicas: verdaderas mutaciones porque se produce un cambio en la estructura del ADN. Se produce un cambio de un nucleótido por otro lo que supondrá la alteración en la secuencia de un gen, cuya traducción dará lugar a una proteína distinta. Este cambio la mayoría de las veces es perjudicial, son las mutaciones deletéreas, pero hay casos raros en los que produce una mejora del gen, lo cual favorece la evolución de las especies (los individuos poseen ventajas adaptativas, por lo que con el tiempo este gen acabará fijándose y sustituyendo al original). En la mayoría de los casos, los diferentes mecanismos de corrección en la duplicación de ADN, o la propia degeneración del código genético, hace que muchas de las mutaciones en el material genético no llegue a producir un error en la síntesis proteicas e incluso en ese caso, en muchas ocasiones la mutación será neutra, por no afectar a la eficacia biológica del ser vivo. Oposiciones Secundaria 15