Capítulo 15: Las bases cromosómicas de la herencia PDF

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Escuela de Ciencias, Tecnología y Ambiente Capítulo 15: Las bases cromosómicas de la herencia Referencia de texto e imágenes: Campbell Reece, J, Urry, L., Cain, M., Wasserman, S., Minorsky, P. and Jackson, R. (2011). Biology (9th ed.). Pearson/Benjamin Cummings. BIOL 203 -Biología General I Prof. C. Batista, MS  Los "factores hereditarios" de Mendel eran genes, aunque esto no se sabía en ese momento. Hoy podemos demostrar que los genes se encuentran en los cromosomas. La ubicación de un gen en particular se puede ver etiquetando cromosomas Puntos amarillos marcan las ubicaciones de un gen específico, marcado con un tinte amarillo fluorescente, en aislados con un tinte un par de cromosomas homólogos. Los cromosomas se han fluorescente que resalta el gen. duplicado, por lo que cada cromosoma tiene dos cromátidas hermanas, cada una con una copia del gen. Esto proporciona una demostración visual de que los genes, los "factores" de Mendel, son segmentos de ADN ubicados a lo largo de los cromosomas. Herencia mendeliana tiene su base física en el comportamiento de los cromosomas La mitosis y la meiosis fueron descritas por primera vez a finales del siglo XIX. La teoría cromosómica de la herencia establece que: los genes mendelianos tienen loci específicos (posiciones) en los cromosomas; los cromosomas sufren segregación y distribución independiente; el comportamiento de los cromosomas durante la meiosis explicaba las leyes de segregación y distribución independiente de Mendel.  Fig. 15-2 semillas Generación P amarillas-lisas Semillas verdes-rugosas ( yyrr) Comenzando con dos plantas de guisantes de (YYRR) Y y reproducción verdadera, seguiremos dos r genes a través de las generaciones F1 y F2. Los dos genes especifican el color de la semilla Y R R  y r (alelo Y para amarillo y alelo y para verde) y la forma de la semilla (alelo R para redondo y Meiosis alelo r para arrugado). Estos dos genes se encuentran en diferentes pares de Fertilización cromosomas. (Los guisantes tienen siete pares R Y y r de cromosomas, pero solo Gametes Aquí se ilustran dos pares). Todas las plantas de F1 producen semillas amarillas y redondas (YyRr) Generación F1 R R y y r r Y Y Los dos alelos para cada LEY DE LA SEGREGACIÓN Meiosis INDEPENDIENTE Los alelos de los gen se separan durante la genes en cromosomas no r r formación de gametos. R R homólogos se segregan de manera Metafase I independiente durante la Y y Y y formación de gametos Los alelos R y r se segregan 1 1 Los alelos de cada gen se segregan en la anafase I, dando lugar a en la anafase I, dando lugar a dos R r r R cuatro tipos de células hijas, dependiendo de la disposición de los tipos de células hijas para Anafase I cromosomas en la metafase I. Compare la disposición de los alelos R y este gen. Y y Y y r en relación con los alelos Y y y en la anafase I. R r Metafase II r R Cada gameto tiene un cromosoma largo con el 2 2 Cada gameto tiene un cromosoma largo y alelo R o r. Y y Y y otro corto en una de las cuatro combinaciones de alelos. Y y Y Y y Y y y Gametos R R r r r r R R 1/ 1/ yr 1/ 1/ yR 4 YR 4 4 Yr 4 Generación F2 Una fertilización cruzada F1 x F1 La fertilización recombina los alelos R y r al azar. 3 3 La fertilización da como resultado la proporción fenotípica de 9:3:3:1 en la generación F2. 9 :3 :3 :1 Evidencia Experimental de Morgan: Los experimentos con moscas fruteras (Drosophila melanogaster) proporcionaron evidencia convincente de que los cromosomas son la ubicación de los factores hereditarios de Mendel. Características que hacen que sea un organismo conveniente para estudios genéticos: Se reproducen a una tasa alta (con rapidez, genera descendencia en un corto período de tiempo). Se puede criar una generación cada dos semanas. Solo tienen cuatro pares de cromosomas.  Morgan observó fenotipos de tipo salvaje, o normales, que eran comunes en las poblaciones de moscas (ej. ojos rojos). Los rasgos alternativos al tipo salvaje se llaman fenotipos mutantes (ej. ojos blancos).  EXPERIMENT P  Generation F1 All offspring Morgan cruzó moscas puras - macho con ojos Generation had red eyes blancos (mutantes) con moscas hembra con RESULTS ojos rojos (tipo salvaje). F2 Generation La generación F1 tuvo todos ojos rojos. CONCLUSION La generación F2 mostró una proporción w+ w de 3:1 de ojos rojos a ojos blancos, pero P X X Generation X  Y w+ solo los machos tenían ojos blancos. Morgan determinó que el alelo mutante w Sperm de ojos blancos debía estar localizado en F1 Eggs w+ w+ w+ el cromosoma X. Generation w El hallazgo de Morgan apoyó la teoría w+ cromosómica de la herencia. Eggs Sperm w+ w+ F2 w+ Generation w+ w w w w+  Morgan demostró que había caracteres que se heredaban de manera específica de hembras a machos. Estos caracteres estaban determinados por genes que residían en el cromosoma X. Para cualquier gen del cromosoma X las hembras pueden ser homocigotas o heterocigotas. Pero los machos son hemicigóticos para todos los genes en este mismo cromosoma. todos los genes dominantes o recesivos del cromosoma X en un macho están en una sola copia. Todos se expresan porque no hay un par homólogo con el que establecer relaciones alélicas de dominancia/recesividad. Genes ligados al sexo exhiben patrones únicos de herencia En los humanos y otros mamíferos, hay dos variedades de cromosomas X sexuales: un cromosoma X más grande y un cromosoma Y más pequeño. Y Solo los extremos del cromosoma Y tienen regiones que son homólogas con el cromosoma X. El gen SRY (sex-determining region Cromosomas sexuales humanos (duplicados). Y) en el cromosoma Y codifica para el desarrollo de los testículos.  44 + 44 + Parents XY XX 22 + 22 + 22 + X or Y + X Sperm Egg Las hembras son XX y los machos son XY. 44 + XX or 44 + XY Zygotes (offspring) a) The (a) El sistema X-Y. En los mamíferos, el sexo de un hijo depende de si el espermatozoide X-Y system contiene un cromosoma X o un cromosoma Y. Cada óvulo contiene un cromosoma X, mientras que un esperma puede 22 + XX 22 + X contener un cromosoma X o un cromosoma Y. b) El sistema X-0. En los saltamontes, y otros insectos, solo hay un tipo de cromosoma sexual, el X. Las (b) The X-0 hembras sonsystem XX; los machos tienen un solo cromosoma sexual (X0). El sexo de la descendencia está determinado por si el espermatozoide contiene un cromosoma X o ningún cromosoma sexual. 76 + 76 + Otros animales tienen diferentes ZW ZZ métodos de determinación del sexo. c) (c)ElThe sistema Z-W. En las aves, algunos peces y algunos insectos, los cromosomas sexuales presentes Z-W system en el óvulo (no el espermatozoide) difieren y, por lo tanto, determinan el sexo de la descendencia. Los cromosomas sexuales se designan Z y W. Las mujeres son ZW y los hombres son ZZ. 32 16 (Diploid) (Haploid) d) El sistema haplo-diploide. No hay cromosomas sexuales en la mayoría de las especies de abejas (d) The haplo-diploid y hormigas. system Las hembras se desarrollan a partir de huevos fertilizados y, por lo tanto, son diploides. Los machos se desarrollan a partir de huevos no fertilizados y son haploides; No tienen padres. Herencia de genes ligados al sexo Los cromosomas sexuales tienen genes para muchos caracteres no relacionados con el sexo. Un gen localizado en cualquiera de los cromosomas sexuales se llama gen ligado al sexo. En los humanos, ligado al sexo generalmente se refiere a un gen en el cromosoma X más grande  Los genes ligados al sexo siguen patrones específicos de herencia. Para que un rasgo recesivo ligado al sexo se exprese: Una hembra necesita dos copias del alelo (XX). Un macho necesita solo una copia del alelo (XY). Los trastornos recesivos ligados al sexo son mucho más comunes en los machos que en las hembras. Ej. daltonismo (incapacidad de distinguir los colores ej. rojo del verde) (a) Un padre con daltonismo (b) Si una portadora se aparea con (c) Si una portadora se aparea con un hombre transmitirá el alelo mutante a un hombre que tiene una visión daltónico, hay un 50% de probabilidades de todas las hijas, pero a ningún hijo. normal del color, hay un 50% de que cada niño que nazca tenga el trastorno, Cuando la madre es homocigota probabilidades de que cada hija sea independientemente del sexo. Las hijas que dominante, las hijas tendrán el portadora como su madre y un tienen una visión normal del color serán fenotipo normal, pero serán 50% de probabilidades de que cada portadoras, mientras que los hombres que portadoras de la mutación. hijo tenga el trastorno. tienen una visión normal del color estarán libres del alelo recesivo.  Algunos trastornos causados por alelos recesivos en el cromosoma X en humanos: Daltonismo Distrofia muscular de Duchenne Hemofilia Inactivación de cromosoma X en mamíferos hembra En las hembras de mamíferos, uno de los dos cromosomas X en cada célula se inactiva de manera aleatoria durante el desarrollo embrionario. El X inactivo se condensa en un cuerpo de Barr. La mayoría de los genes del cromosoma X que forma el cuerpo de Barr no se expresan. Sin embargo, en los ovarios, los cromosomas del cuerpo de Barr se reactivan en las células que dan lugar a los óvulos, lo que hace que cada gameto femenino (óvulo) tenga un cromosoma X activo después de la meiosis.  Después de que un cromosoma X se inactiva en una célula en particular, todos los descendientes mitóticos de esa célula tienen el mismo cromosoma X inactivo. Si una hembra es heterocigota para un gen particular localizado en el cromosoma X (rasgo ligado al sexo), será un mosaico de dos tipos de células: aproximadamente la mitad de sus células expresarán un alelo, mientras que las otras expresarán el alelo alternativo. aquellas con la X activa derivada del padre y aquellas con la X activa derivada de la madre.  Cromosomas X Alelo para pelaje naranja La inactivación del cromosoma X y el Embrión temprano: gato “calico”. Alelo para el pelaje negro El gen para los colores “calico” se encuentra en el cromosoma X. División celular e El fenotipo requiere la presencia de dos alelos diferentes, uno para el pelaje anaranjado y inactivación de otro para el pelaje negro. Cromosoma X Dos poblaciones celulares Normalmente, solo las hembras pueden tener Activo X en gato adulto: ambos alelos porque solo ellas tienen dos Inactivo X cromosomas X. Activo X Si una gata es heterocigota para el gen del Pelaje negro Pelaje naranja calico, será calico. Las manchas anaranjadas están formadas por poblaciones de células en las que está activo el cromosoma X con el alelo naranja; las manchas negras tienen células en las que está activo el cromosoma X con el alelo negro. Los gatos "Calico" también tienen áreas blancas, que están determinadas por otro gen. Genes ligados Cada cromosoma tiene cientos o miles de genes. Son aquellos que se encuentran muy cerca unos de otros en un mismo cromosoma y, por lo tanto, es probable que se hereden juntos. Se refiere a aquellos genes que están localizados en un mismo cromosoma. Los genes no ligados son aquellos localizados en diferentes cromosomas y segregan independientemente. Cómo afecta la ligación entre dos genes a la herencia de caracteres Morgan realizó otros experimentos con moscas de la fruta para ver cómo los genes ligados afecta la herencia de dos caracteres. Morgan cruzó moscas que diferían en los rasgos de color del cuerpo y tamaño de las alas."  Fig. 15-9-4 EXPERIMENT P Generation (homozygous) Wild type Double mutant (gray body, (black body, Morgan quería saber si los normal wings)  vestigial wings) genes para el color del cuerpo y b+ b+ vg+ vg+ b b vg vg el tamaño de las alas están F1 dihybrid genéticamente relacionados y, (wild type) Double mutant TESTCROSS de ser así, cómo afecta esto a su  herencia. Los alelos para el color b+ b vg+ vg b b vg vg del cuerpo son b+ (gris) y b (negro), y los del tamaño de las Testcross offspring alas son vg+ (normal) y vg Eggs b+ vg+ b vg b+ vg b vg+ (vestigial). Wild type Black- Gray- Black- (gray-normal) vestigial vestigial normal b vg Sperm b+ b vg+ vg b b vg vg b+ b vg vg b b vg+ vg PREDICTED RATIOS If genes are located on different chromosomes: 1 : 1 : 1 : 1 If genes are located on the same chromosome and parental alleles are always inherited together: 1 : 1 : 0 : 0 965 : 944 : 206 : 185 RESULTS  Morgan encontró que el color del cuerpo y el tamaño de las alas generalmente se heredan juntos en combinaciones específicas (fenotipos parentales). Observó que estos genes no se distribuyen independientemente y razonó que estaban en el mismo cromosoma. Sin embargo, también se produjeron fenotipos no parentales. Entender este resultado implica explorar la recombinación genética, la producción de descendencia con combinaciones de rasgos diferentes de cualquiera de los padres. Recombinación y ligamiento genético Los hallazgos genéticos de Mendel y Morgan se relacionan con la base cromosómica de la recombinación. Recombinación de genes no ligados: sorteo independiente de cromosomas Mendel observó que las combinaciones de rasgos en algunos descendientes difieren de cualquiera de los padres. Los descendientes con un fenotipo que coincide con uno de los fenotipos parentales se llaman tipos parentales. Los descendientes con fenotipos no parentales (nuevas combinaciones de rasgos) se llaman tipos recombinantes, o recombinantes. Se observa una frecuencia de recombinación del 50% para cualquier par de genes en cromosomas diferentes. Fig. 15-UN2 Gametos de un padre heterocigoto Amarillo-redondo (YyRr) YR yr Yr yR Gametos de un padre homocigoto verde- yr arrugado YyRr yyrr Yyrr yyRr ( yyrr) Descendencia Descendencia de tipo parental recombinante Recombinación de genes ligados: cruzamiento Morgan descubrió que los genes pueden estar ligados, pero la ligadura era incompleta, como lo evidencian los fenotipos recombinantes. Morgan propuso que algún proceso debe romper a veces la conexión física entre los genes en el mismo cromosoma. Ese mecanismo era el entrecruzamiento de cromosomas homólogos. Fig. 15-10 Cruce de prueba padres Cuerpo gris, alas normales Cuerpo negro, alas vestigiales (F1 dihíbrido) (doble mutante) b+ vg+ b vg b vg b vg Replication Replicación of chromo- de los somes cromosomas b+ vg+ b vg b+ vg+ b vg b vg b vg b vg b vg Meiosis I b+ vg+ Meiosis I y II b+ vg b vg+ b vg Meiosis II Cromosomas recombinantes b+ vg+ b vg b+ vg b vg+ Óvulos Cruce de pruebas 965 944 206 185 Wild type Black- Gray- Black- de los hijjos (gray-normal) vestigial vestigial normal b vg b+ vg+ b vg b+ vg b vg+ b vg b vg b vg b vg Espermatozoide Descendencia de tipo parental Descendencia recombinante Frecuencia de recombinación = 391 recombinantes  100 = 17% 2,300 rescendencia total Mapeo de la distancia entre genes utilizando datos de recombinación: investigación científica Alfred Sturtevant, uno de los estudiantes de Morgan, construyó un mapa genético, una lista ordenada de los loci genéticos a lo largo de un cromosoma particular. Sturtevant predijo que cuanto más alejados estén dos genes, mayor será la probabilidad de que ocurra un entrecruzamiento entre ellos y, por lo tanto, mayor será la frecuencia de recombinación Alteraciones del número o la estructura de los cromosomas Las alteraciones cromosómicas a gran escala a menudo conducen a abortos espontáneos o causan una variedad de trastornos del desarrollo. Número anormal de cromosomas En la no disyunción, los pares de cromosomas homólogos no se separan normalmente durante la meiosis. Como resultado, un gameto recibe dos del mismo tipo de cromosoma, y otro gameto no recibe ninguna copia. Fig. 15-13-3 Meiosis I No disyunción Meiosis II No disyunción Gametes n+1 n+1 n–1 n–1 n+1 n–1 n n Número de cromosomas (a) No disyunción de cromosomas (b) No disyunción de cromátidas homólogos en la meiosis I hermanas en la meiosis II Aneuploidía Alteración en el número de cromosomas de una célula (a cualquier número de cromosomas que no sea 46) Resulta de la fertilización de gametos en los cuales ocurrió la no disyunción. La descendencia con esta condición tiene un número anormal de un cromosoma particular. Ej. un cigoto monosómico tiene solo una copia de un cromosoma particular. Un cigoto trisómico tiene tres copias de un cromosoma particular. Poliploidía condición en la que un organismo tiene más de dos conjuntos completos de cromosomas. Ej. Triploidia (3n) tiene tres conjuntos de cromosomas. Tetraploidia (4n) tiene cuatro conjuntos de cromosomas. Es común en plantas, pero no en animales. Especies poliploides: guineos son triploides (3n), trigo es hexaploide (6n), y fresas son octoploides (8n).  Los poliploides son más normales en apariencia que los aneuploides. Un cromosoma extra (o faltante) aparentemente altera el equilibrio genético más que un conjunto completo de cromosomas extra. Alteraciones de la estructura cromosómica La ruptura de un cromosoma puede llevar a cuatro tipos de cambios en la estructura cromosómica: 1. Deleción - elimina un segmento cromosómico. 2. Duplicación - repite un segmento. 3. Inversión - revierte un segmento dentro de un cromosoma. 4. Translocación - mueve un segmento de un cromosoma a otro Trastornos humanos debidos a alteraciones cromosómicas Las alteraciones en el número y la estructura de los cromosomas están asociadas con algunos trastornos graves. Algunos tipos de aneuploidía parecen alterar el equilibrio genético menos que otros, lo que resulta en individuos que sobreviven hasta el nacimiento y más allá. Estos individuos sobrevivientes presentan un conjunto de síntomas, o síndrome, característico del tipo de aneuploidía. Ej. Síndrome down (trisomía 21) Aneuploidía de los cromosomas sexuales La no disyunción de los cromosomas sexuales produce una variedad de condiciones aneuploides. Ejemplos Síndrome de Klinefelter - es el resultado de un cromosoma extra en un hombre, produciendo individuos XXY. Síndrome de Turner - monosomía X, produce hembras X0, que son estériles; es la única monosomía viable conocida en humanos. Trastornos causados por cromosomas estructuralmente alterados El síndrome cri du chat (“llanto del gato”) resulta de una eliminación específica en el cromosoma 5. Un niño nacido con este síndrome es mentalmente discapacitado y tiene un llanto similar al de un gato; los individuos generalmente mueren en la infancia o en la niñez temprana. Ciertos cánceres, incluida la leucemia mieloide crónica (LMC), son causados por translocaciones de cromosomas  Translocación Cromosoma 9 normal recíproca Cromosoma 9 translocado Cromosoma 22 normal Cromosoma 22 translocado (Cromosoma Filadelfia) Translocación asociada con leucemia mielógena crónica (LMC). Las células cancerosas en casi todos los pacientes con LMC contienen un cromosoma 22 anormalmente corto, el llamado cromosoma Filadelfia, y un cromosoma 9 anormalmente largo. Estos cromosomas alterados son el resultado de la translocación recíproca que se muestra aquí, que presumiblemente ocurrió en un solo precursor de glóbulos blancos que sufrió mitosis y luego se transmitió a todas las células descendientes. Algunos patrones de herencia son excepciones a la teoría cromosómica estándar Hay dos excepciones normales a la genética mendeliana. 1. La que involucra genes localizados en el núcleo 2. La que involucra genes localizados fuera del núcleo. En ambos casos, el sexo del progenitor que aporta un alelo es un factor en el patrón de herencia. Impronta genómica Para algunos rasgos de mamíferos, el fenotipo depende de qué padre transmitió los alelos para esos rasgos. Expresión de un solo alelo de un gen, ya sea el de la madre o el del padre, mientras que el otro se suprime Implica el silenciamiento de ciertos genes durante la producción de gametos. Se cree que la impronta genética afecta solo a una pequeña fracción de los genes de mamíferos. La mayoría de los genes improntados son críticos para el desarrollo embrionario.  Fig. 15-18 Se expresa el alelo Igf2 normal cromosoma Paterno cromosoma materno El alelo Igf2 normal Ratón de tipo salvaje no se expresa (tamaño normal) (a) Homocigoto: el homocigoto de ratón para el alelo Igf2 de tipo salvaje es de tamaño normal. Solo se expresa el alelo paterno de este gen. Los heterocigotos tienen diferentes Alelo Igf2 mutante Alelo Igf2 mutante heredado de la madre heredado del padre fenotipos dependiendo de qué alelo aporte cada progenitor. Los apareamientos entre ratones de Ratón de tamaño normal Ratón enano tipo salvaje y los homocigotos para (tipo salvaje) (mutante) el alelo Igf2 mutante recesivo producen descendencia Alelo Igf2 normal Alelo Igf2 mutante heterocigótica. se expresa se expresa Dado que el alelo materno Igf2 no se expresa, el fenotipo enano (mutante) se observa solo cuando el Alelo Igf2 mutante Alelo Igf2 normal padre contribuye con el alelo no se expresa no se expresa principal. (b) Heterozygotes Herencia de genes de organelos Los genes extranucleares (o genes citoplasmáticos) son genes que se encuentran en organelos en el citoplasma. Las mitocondrias, cloroplastos y otros plastidios de las plantas contienen pequeñas moléculas de ADN circular. Los genes extranucleares se heredan de forma materna porque el citoplasma del cigoto proviene del óvulo. La primera evidencia de genes extranucleares provino de estudios sobre la herencia de manchas amarillas o blancas en las hojas de una planta que de otro modo es verde.  Algunos defectos en los genes mitocondriales impiden que las células produzcan suficiente ATP y resultan en enfermedades que afectan los sistemas muscular y nervioso, como la miopatía mitocondrial y la neuropatía óptica hereditaria de Leber. Las mutaciones mitocondriales heredadas de la madre pueden contribuir al menos a algunos tipos de diabetes y enfermedades cardíacas, y la enfermedad de Alzheimer. A lo largo de la vida, las nuevas mutaciones se acumulan gradualmente en nuestro ADN mitocondrial, y algunos investigadores creen que estas mutaciones desempeñan un papel en el proceso normal de envejecimiento.