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UNIDAD II GENÉTICA
Tema 3. Principios de la herencia
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Tema 3. Principios de la herencia
Principios de la herencia
Aportaciones de Mendel En el campo de la genética.
En 1909, cuando los Davenport especulaban a cerca de
la herencia del cabello pelirrojo, los principios básicos de
la herencia acababan de hacerse conocidos entre los
biólogos. Sorprendentemente, estos principios habían
sido descubiertos alrededor de treinta y cinco años
antes por Johann Gregor Mendel (1822-1884).
Mendel nació en lo que hoy en día es parte de la
República Checa. Aunque sus progenitores eran
simples granjeros con escasos recursos económicos, pudo acceder a una buena
educación y fue admitido en el monasterio agustiniano de Brünn, en septiembre de
1843. Después de graduarse en el seminario, Mendel fue ordenado sacerdote y
obtuvo una posición de maestro en una escuela local. Fue un excelente maestro y
el abad del monasterio lo recomendó para realizar estudios superiores en la
Universidad de Viena, a la cual concurrió entre 1851 y 1853.
Allí, Mendel se inscribió en el recién inaugurado Instituto de Física, donde tomó
clases de matemática, química, entomología, paleontología, botánica y fisiología
vegetal. Probablemente allí adquirió el método científico que luego aplicaría con
tanto éxito a sus experimentos de genética. Tras dos años de estudios en Viena,
regresó a Brünn, donde enseñó en la escuela y comenzó su trabajo experimental
con las plantas de guisantes. Desde 1856 hasta 1863 llevó a cabo los
experimentos de reproducción y en 1865 presentó públicamente sus resultados en
las reuniones de la Brünn Natural Science Society. En 1866 se publicó un trabajo
de estas conferencias. A pesar del gran interés que existía por la herencia, el
efecto que produjeron estas investigaciones en la comunidad científica fue
mínimo. En aquel momento nadie parecía darse cuenta de que Mendel había
descubierto los principios básicos de la herencia.
En 1868 fue elegido abad de su
monasterio; en consecuencia el
incremento
de
las
actividades
administrativas puso fin a sus tareas
de maestro y a sus experimentos de
Tema 3. Principios de la herencia
genética. Murió a los 61 años, el 6 de enero de 1884, sin haber sido reconocido
por su contribución a la genética.
El significado de los descubrimientos de Mendel no fue apreciado hasta 1900,
cuando tres botánicos (Hugo de Vries, Erich von Tschermak y Karl Correns)
comenzaron de manera independiente a realizar experimentos similares con
plantas y llegaron a conclusiones similares como Mendel. Al ver la relación con el
trabajo escrito por éste, interpretaron los resultados de acuerdo con los principios
e hicieron notar su trabajo pionero.
El éxito de Mendel
El enfoque de Mendel para el estudio de la herencia fue eficaz por varias razones.
La principal fue su elección del sujeto experimental, la planta de guisante <Pisum
sativum>, que ofrecía diversas ventajas para la investigación genética. Era fácil de
cultivar y Mendel tenía el jardín y el vivero del monasterio a su disposición. Los
guisantes crecen bastante rápido comparados con otras plantas y completan una
generación en una única temporada de crecimiento. Para los estándares actuales,
una generación por año resulta tremendamente lenta (la mosca de la fruta
completa una generación en dos semanas y las bacterias en veinte minutos), pero
Mendel no estaba presionado por publicar y pudo seguir la herencia de las
características individuales durante varias generaciones. Si hubiese elegido
trabajar en un organismo con tiempos de generación mayores (p. ej., el caballo),
nunca hubiese descubierto las bases de la herencia. La planta de guisantes
también produce muchos descendientes (sus semillas), lo cual le permitió detectar
proporciones matemáticas significativas en los rasgos que observaba en la
progenie.
Las numerosas variedades de plantas de guisantes que Mendel tuvo disponibles
también fueron cruciales, porque diferían en varios rasgos y eran genéticamente
puras. Por lo tanto, Mendel pudo comenzar con plantas de composición genética
variable y conocida.
Tema 3. Principios de la herencia
Gran parte de su éxito puede atribuirse a las siete características que eligió para
estudiar. Evitó las características que mostraban un rango de variación; en
cambio, centró su atención en las que existían en dos formas fácilmente
distinguibles, como la cubierta de la semilla blanca o la gris, las semillas lisas o las
rugosas o las vainas infladas o las contraídas.
Por último, Mendel tuvo éxito gracias a que adoptó una perspectiva experimental e
interpretó sus resultados utilizando las matemáticas. A diferencia de muchos
investigadores anteriores, que simplemente describían los resultados de los
cruzamientos, Mendel formuló hipótesis basándose en sus observaciones iniciales
y luego condujo cruzamientos adicionales para probarlas. Tomó registros
cuidadosos de los individuos de la progenie que presentaban cada tipo de rasgo y
calculó las proporciones de los diferentes tipos. Prestó particular atención a cada
detalle, era experto en ver patrones en ellos; además era paciente y tenaz, realizó
sus experimentos durante diez años antes de intentar escribir sus resultados.
Términos genéticos aplicados a las características hereditarias.
Antes de examinar los cruzamientos de Mendel y
las conclusiones que extrajo de ellos, es útil
revisar algunos términos frecuentes de genética.
Gen es una palabra que Mendel nunca conoció.
No fue introducida hasta 1909, cuando el
genetista danés Wilhelm Johannsen la utilizó por
primera vez. La definición de gen varía según el
contexto, de manera que su definición cambiará
a medida que exploremos los distintos aspectos
de la herencia. Para nuestro uso actual, en el contexto de los cruzamientos
genéticos, definiremos el gen
“Como el factor hereditario que determina una caracterís tica”.
Los genes suelen presentarse en versiones
diferentes
denominadas
alelos.
En
los
cruzamientos de Mendel, la forma de las semillas
estaba determinada por un gen que existe en dos
alelos diferentes: un alelo codifica la semilla lisa y
el otro alelo la semilla rugosa. Todos los alelos
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para un gen en particular se localizan en un sitio específico del cromosoma
denominado locus de ese gen (plural, "Ioci"). En consecuencia, existe un sitio
específico, un locus, en un cromosoma de la planta de guisantes donde está
determinada la forma de la semilla. Este locus puede estar ocupado por un alelo
para semilla lisa o uno para semilla rugosa.
Utilizaremos el término “alelo” cuando nos referimos a una versión específica de
un gen y el término gen para describir de manera general a cualquier alelo ubicado
en un locus determinado.
El “genotipo” es el conjunto de alelos que posee un organismo individual. Un
organismo diploide que
posee
dos
alelos
idénticos
es
homocigótico para ese
locus. Uno que posee
dos alelos diferentes es
heterocigótico para ese
locus.
Otro término importante es “fenotipo”, que significa
la manifestación o aparición de una característica.
Un fenotipo puede referirse a una característica de
cualquier tipo: física, fisiológica, bioquímica o
conductual. Por lo tanto, la condición de semilla lisa
es un fenotipo, un peso corporal de 50 kg es un
fenotipo, padecer anemia de células falciformes es
un fenotipo.
El término “característica o carácter” se refiere a una particularidad general como,
por ejemplo, el color de los ojos; en tanto que el término rasgo o fenotipo se refiere
a una manifestación específica de esa característica; por ejemplo, ojos azules u
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ojos marrones.
Un fenotipo determinado surge de un genotipo que se desarrolla dentro de un
ambiente en particular.
El genotipo determina el potencial para el desarrollo y establece ciertos límites o
fronteras de ese desarrollo. La manera como el
fenotipo se desarrolla dentro de esos límites está
determinada por el efecto de otros genes y los
factores ambientales, el balance entre estas
influencias varía de una característica a otra. Para
algunas características las diferencias entre los
fenotipos están determinadas principalmente por las
diferencias en los genotipos; en otras palabras, los
límites genéticos para ese fenotipo son estrechos. La
forma de las semillas en los guisantes de Mendel es
un buen ejemplo de una característica para la cual
los límites genéticos son estrechos y las diferencias
fenotípicas son principalmente genéticas. Para otras
especies, las diferencias ambientales son más
importantes; en este caso se dice que los límites impuestos por el genotipo son
amplios. La altura que alcanza un roble en la madurez es un fenotipo muy influido
por factores ambientales como la disponibilidad de agua, la luz solar y los
nutrientes. Sin embargo, el genotipo del árbol impone siempre algunos límites en
su altura: un roble nunca crecerá hasta los 300 metros (300 m), cualquiera que
sea la cantidad de luz solar, el agua y el fertilizante que se le provea. Por lo tanto,
su altura está determinada en cierta medida por sus genes. Para muchas
características, los genes y el ambiente son importantes a fin de determinar las
diferencias fenotípicas.
Un concepto obvio pero sustancial es que sólo puede heredarse el genotipo.
Aunque el fenotipo está influido, al menos en parte, por el genotipo, los
organismos no le transmiten el fenotipo a la siguiente generación. La distinción
entre genotipo y fenotipo es uno de los principios más importantes de la genética
moderna.
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Reseña de términos genéticos destacados
Término
Gen
Alelo
Definición
Factor genético (una región del DNA) que ayuda a determinar
una característica
Una de las dos o más formas alternativas de un gen
Locus
Genotipo
Heterocigoto
Lugar específico ocupado por un alelo en un cromosoma
Conjunto de alelos que posee un organismo individual
Un individuo que posee dos ale los diferentes en un locus
determinado
Homocigoto
Un individuo que posee dos alelos iguales en un locus
determinado
Fenotipo
o Apariencia o manifestación de una característica
rasgo
Carácter
o Atributo o cualidad
característica
Teoría cromosómica de Sutton y Morgan
La herencia mendeliana tiene sus bases físicas en el comportamiento de los
cromosomas
Mediante el empleo de técnicas de
microscopia
mejoradas,
los
citólogos
descubrieron el proceso de la mitosis en
1875 y de la meiosis durante la década de
1890. Luego, alrededor del año 1900, la
citología y la genética convergieron a medida
que los biólogos comenzaban a comprobar
paralelismos entre el comportamiento de los
cromosomas y "factores" de Mendel durante
los ciclos de vida sexual: los cromosomas y los genes están presentes en pares
en las células diploides; los cromosomas homólogos se separan y los alelos se
segregan durante el proceso de meiosis y la fertilización restablece la condición
apareada tanto para los cromosomas como para los genes.
Tema 3. Principios de la herencia
Alrededor
de
1902,
de
forma
independiente, Walter S. Suttan, Theodor
Boveri y otros notaron estos paralelismos
y comenzó a tomar forma la teoría
cromosómica de la herencia.
De acuerdo con esta teoría, los genes
mendelianos tienen loci (posiciones)
específicos en los cromosomas y son los
cromosomas los que sufren segregación
y distribución independiente.
El comportamiento de los cromosomas homólogos durante la meiosis puede
explicar la segregación de los alelos de cada locus genético hacia gameto
diferentes. El comportamiento de los cromosomas no homólogos puede explicar la
distribución independiente de los alelos para dos o más genes localizados en
cromosomas diferentes.
Evidencia experimental de Morgan: investigación científica.
La primera evidencia sólida que asoció un gen específico con un cromosoma
específico provino del trabajo de Thomas Hunt Morgan, un embriólogo
experimental de la Universidad de Columbia, a comienzos del siglo XX. Si bien, en
un principio, Morgan era escéptico acerca de la teoría mendeliana y la
cromosómica, sus primeros trabajos proporcionaron evidencias convincentes de
que, en realidad, los factores hereditarios de Mendel se localizan en los
cromosomas.
La elección de Morgan del organismo para la experimentación
Muchas veces en la historia de la biología, quienes realizaron descubrimientos
importantes fueron investigadores lo suficientemente perspicaces o afortunados
como para elegir un organismo de experimentación conveniente para abordar el
problema a investigar.
Mendel eligió el guisante porque había un gran número de variedades distintas.
Para su trabajo, Morgan seleccionó una especie de mosca de la fruta,
“Drosophíla melanogaster”, un insecto común, por lo general inocuo, que se
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alimenta de los hongos que crecen en la fruta.
Las moscas de la fruta se reproducen prolíficamente; un solo apareamiento
produce cientos de descendientes y se puede obtener una nueva generación cada
dos semanas.
Estas características hacen que la mosca de la fruta sea un organismo muy
apropiado para los estudios genéticos. El laboratorio de Morgan se conoció pronto
como "la sala de las moscas".
Otra ventaja de la mosca de la fruta es que solo tiene cuatro pares de
cromosomas, que se distinguen fácilmente con un microscopio óptico. Hay tres
pares de autosomas (cromos amas no sexuales), y un par de cromosomas
sexuales. La hembra de la mosca tiene un par homólogo de cromosomas “X” y los
machos tienen un cromosoma “X”y uno “Y”.
Mientras que Mendel podía obtener con facilidad variedades diferentes de
guisantes, no había proveedores de variedades de mosca de la fruta que Morgan
pudiera emplear.
En realidad, él fue quizá la primera persona
que necesitó variedades diferentes de este
insecto común. Después de un año de criar
moscas y buscar variantes individuales,
Morgan se vio recompensado con el
descubrimiento de un macho con ojos
blancos en lugar de los ojos rojos
habituales. El fenotipo normal para un
carácter (el fenotipo más común en las
poblaciones naturales), como los ojos rojos
en “Drosophila”, se denomina tipo salvaje.
Los rasgos alternativos a este tipo salvaje,
como los ojos blancos en Drosophila, se
llaman fenotipos mutantes porque se deben a alelos que se supone que fueron
originados por cambios o mutaciones del alelo de tipo salvaje.
Morgan y sus estudiantes inventaron una denominación para simbolizar los alelos
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de Drosophila que todavía se utiliza ampliamente para las moscas de la fruta.
En el caso de un carácter determinado en las moscas, el gen adquiere su símbolo
a partir del primer mutante (el tipo no salvaje) descubierto. De este modo, el alelo
para los ojos blancos de Drosophila se simboliza con la w (de White, en inglés).
Un superíndice + identifica el alelo para el rasgo del tipo salvaje -w+ para el alelo
de ojos rojos, por ejemplo.
A lo largo de los años se han desarrollado sistemas de denominación diferentes
para los distintos organismos. Por ejemplo, los genes humanos se escriben por lo
general con letras mayúsculas, como HD para el alelo de la enfermedad de
Huntington.
Correlación entre el comportamiento de los alelos de un gen y el
comportamiento de un par de cromosomas
Morgan apareó una mosca macho de ojos
blancos con una hembra de ojos rojos. Toda la
descendencia F1 tuvo los ojos rojos, lo que
sugiere que el alelo del tipo salvaje es dominante.
Cuando cruzó las moscas F1 entre sí, observó la
clásica proporción fenotípica 3:1 en la
descendencia F2.
Sin embargo, hubo un resultado adicional
sorprendente: el rasgo de ojos blancos aparecía
solo en los machos. Todas las hembras tenían
ojos rojos, mientras que la mitad de los machos
tenía ojos rojos y la otra mitad blancos. Por tanto,
Morgan concluyó que, de alguna manera, el color
de los ojos de una mosca estaba ligado a su sexo
(si el gen del color de ojos no estuviera relacionado con el sexo, se podría esperar
que la mitad de las moscas de ojos blancos fueran machos y la otra mitad
hembras).
Una mosca hembra tiene dos cromosomas X (XX), mientras que una mosca
macho tiene un cromosoma X y otro Y (XY). La correlación entre el rasgo del color
de ojos blancos y el sexo masculino de las moscas F2 afectadas le sugirió a
Tema 3. Principios de la herencia
Morgan que el gen implicado en este mutante de ojos blancos se localizaba de
forma exclusiva en el cromosoma X, sin que hubiera ningún alelo correspondiente
en el cromosoma Y.
Para un macho, una copia única del alelo mutante le conferiría ojos blancos; ya
que un macho tiene solo un cromosoma X, no puede haber ningún alelo del tipo
salvaje (w+) para compensar al alelo recesivo. Por otro lado, una hembra podría
tener ojos blancos solo si ambos cromosomas X portaran el alelo mutante recesivo
(w). Esto fue imposible para las hembras en el experimento de Morgan porque
todos los padres F1 tenían ojos rojos.
El hallazgo de Morgan acerca de la correlación entre un rasgo particular y el sexo
de un individuo proporcionó sustento a la teoría cromosómica de la herencia: es
decir, que un gen específico es transportado por un cromosoma específico (en
este caso, el gen del color de ojos en el cromosoma X). Además, el trabajo de
Morgan indicó que los genes localizados en un cromosoma sexual exhiben
patrones de herencia únicos. Al reconocer la importancia de los primeros trabajos
de Morgan, muchos estudiantes brillantes fueron atraídos hacia su sala de las
moscas.
Anomalías humanas más comunes ligadas a los cromosomas sexuales.
Las alteraciones en el número y en la
estructura de los cromosomas se asocian
con una variedad de trastornos humanos
graves.
La no disyunción en la meiosis produce
gametos aneuploides. Si un gameto
aneuploide se combina con uno haploide
normal durante la fertilización, el resultado
es un cigoto aneuploide. Si bien, en los
seres humanos la frecuencia de los cigotos
aneuploides puede ser bastante elevada, la
mayoría
de
estas
alteraciones
cromosómicas son tan desastrosas para el
Tema 3. Principios de la herencia
desarrollo, que los embriones se abortan espontáneamente mucho antes del
nacimiento. Sin embargo, algunos tipos de aneuploidía parecen alterar el equilibrio
genético menos que otros, de modo que los individuos que poseen ciertas
condiciones aneuploides pueden sobrevivir hasta el nacimiento y después.
Estos individuos presentan un conjunto de síntomas <un síndrome> característico
del tipo de aneuploidía. Los
trastornos genéticos causados por
aneuploidía se pueden diagnosticar
antes del nacimiento por medio de
análisis fetales.
Un trastorno de aneuploidía, el
síndrome de Down, afecta a
alrededor de uno de cada 700 niños
nacidos en los Estados Unidos. Por
lo general, este síndrome es el
resultado de un cromosoma 21
adicional, de modo que cada célula
del cuerpo contiene un total de 47
cromosomas. A menudo el síndrome de Down se denomina trísomía 21, debido a
que las células son trisómicas para el cromosoma 21.
El síndrome incluye rasgos faciales
característicos, baja estatura, defectos
cardíacos, susceptibilidad a las infecciones
respiratorias y retraso mental. Además,
individuos con síndrome de Down son
proclives
a
padecer
leucemia
y
enfermedad de Alzheimer.
Aunque, en promedio las personas con
síndrome de Down tienen una vida más
corta que lo normal, algunos alcanzan la
mediana edad o más. La mayoría presenta un desarrollo sexual incompleto y es
estéril.
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La frecuencia del síndrome de Down aumenta con la edad de la madre. Mientras
que el trastorno se produce en salo el 0,04% de los niños nacidos de mujeres
menores de 30 años el riesgo asciende al 1,25% para las madres de 30 a 35 años
y es aún más elevado en madres mayores.
Debido a su riesgo relativamente alto, las mujeres embarazadas que superan los
35 años son candidatas para realizar análisis fetales que investigan la trisomía 21
en el embrión.
La correlación del síndrome de Down con la edad materna todavía no se ha
explicado. La mayoría de los casos se originan por no disyunción durante la
meiosis 1 y algunas investigaciones señalan una anormalidad dependiente de la
edad en un punto de control de meiosis que normalmente retrasa la anafase hasta
que todos los cinetocoros se encuentren adheridos al huso (como el punto de
control de la fase M del ciclo celular mitótico) Las trisomías de algunos otros
cromosomas también aumentan su incidencia de acuerdo con la edad materna,
los recién nacidos que padecen estas trisomías autosómaticas rara vez sobreviven
mucho tiempo.
Aneuploidía de los cromosomas sexuales
La no disyunción de los cromosomas sexuales produce una variedad de
condiciones aneuploides. La mayoría de ellas perturbaría menos el equilibrio
genético que las afecciones aneuploides que
comprometen a los autosomas.
Esto puede debe a que el cromosoma “Y”
lleva relativamente pocos genes y porque las
copias adicionales del cromosoma “X” se
vuelven inactivas como corpúsculos de Barr
en las células somáticas.
Alrededor de uno cada 2000 nacidos vivos es
un varón con un cromosoma “X” adicional, es
decir, un “XXY”. Las personas con este trastorno, llamado síndrome de Klinefelter,
tienen órganos sexuales masculinos, pero los testículos son anormalmente
pequeños y el hombre es estéril. Aún cuando el cromosoma adicional está
inactivo, son comunes cierto agrandamiento las mamas y otras características
Tema 3. Principios de la herencia
corporales femeninas.
El individuo afectado generalmente, tiene una inteligencia normal. Los varones con
un cromosoma “Y” adicional (XYY) no presentan un síndrome bien definido, pero
tienden a ser algo más altos que la media.
Las mujeres con trisomía X (XXX), que aparece una vez cada 1 000 nacimientos
vivos, son sanas y no se pueden distinguir de las mujeres XX excepto por el
cariotipo. La monosomía X, llamada síndrome de Turner, se produce en alrededor
uno de cada 5000 nacimientos y es la única monosomía viable conocida en los
seres humanos. Si bien, los individuos XO son mujeres desde el punto de vista
fenotípico, son estériles porque sus órganos sexuales no maduran. Con
tratamiento de reposición con estrógenos, las niñas con síndrome de Turner
desarrollan las características sexuales secundarias, la mayoría tiene inteligencia
normal.
Muchas dilaciones en los cromosomas humanos,
incluso en un estado heterocigoto, causan
problemas graves uno de estos síndromes, conocido
como “cri du chat” ("síndrome del maullido de gato),
se produce por una dilación específica en el
cromosoma 5.
Los niños que nacen con esta dilación tienen retraso
mental, cabeza pequeña con rasgos faciales inusuales y un llanto que se asemeja
al maullido de un gato. Estos individuos, por lo general, fallecen durante la
lactancia o a comienzos de la niñez.
Otro tipo de alteración estructural cromosómica asociada con trastornos humanos
es la translocación, la unión de un fragmento de un cromosoma a otro cromosoma
no homólogo. Las translocaciones cromosómicas se han visto implicadas en
ciertos cánceres, entre ellas, la leucemia mieloide crónica (LMC).
La leucemia es un cáncer que
afecta a las células que dan
origen a los glóbulos blancos y,
en las células cancerosas de
los pacientes con LMC, se
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produce una translocación reciproca. En estas células, el intercambio de una
porción grande del cromosoma 22 con un fragmento pequeño de un extremo del
cromosoma 9 produce un cromosoma 22 muy acortado, fácilmente reconocible,
llamado cromosoma Filadelfia.