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ANÁLISIS
GENÉTICO.
APUNTES DE TEORÍA
TODOS LOS GRADOS.
CARLOS FERNÁNDEZ RIVERA.
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ÍNDICE.
Teoría:
1. Introducción: conceptos fundamentales y meiosis.
2. Segregación autosómica (I): mono-, di- y trihibridismo.
3. Segregación autosómica (II): interacciones génicas y epistasias.
4. Segregación sexual: cromosomas sexuales, epigenética y herencia extranuclear.
5. Introducción al análisis de pedigrís.
6. Genética cuantitativa.
7. Genes ligados: recombinación, cartografía cromosómica y análisis de marcadores.
8. Mutación: niveles génico, estructural y numérico.
9. Estructura de los genes y genomas.
10. Aplicaciones del análisis genético.
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1. INTRODUCCIÓN
Análisis genético: estudia los patrones de herencia de la variabilidad que se transmite a la
descendencia.
Gen/Locus: secuencia que codifica para un RNA. Un locus es una región identificable en el
genoma, la cual contiene uno o varios genes. Genoma: conjunto de genes (nucleares y
extranucleares) de un organismo. Genotipo: genes que codifican para el carácter que
estudiamos. Fenotipo: manifestación de un genotipo.
Alelo: cada una de las formas en las que puede estar un gen. Clasificación:
•
•
•
Salvaje (wildtype) ó mutante.
Homocigoto: un individuo tiene sus alelos iguales; mientras que el heterocigoto tiene los
alelos diferentes.
Alelo dominante (una única copia del alelo es suficiente para determinar un fenotipo) ó alelo
recesivo (debe estar en homocigosis para manifestarse).
Polimorfismo: un gen presenta más de un alelo cuando al menos el 5% de la población tiene
una versión “nueva” a la conocida. Algunos autores dicen 1%.
Ruido en el desarrollo: sucesos aleatorios durante el desarrollo del individuo que generan
variación fenotípica. Por ejemplo, los humanos presentamos simetría bilateral pero ésta no es
perfecta, sino que hay una serie de variaciones entre las dos partes del cuerpo.
Organismos modelo: ampliamente conocidos, crecen con facilidad, se reproducen
abundantemente y tienen una supervivencia elevada. Algunos son Arabidopsis thaliana, Zea
mays, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Mus musculus...
MEIOSIS.
División celular exclusiva de Eucariotas en la que el material genético se reduce a la mitad y se
genera variabilidad alélica gracias a la recombinación. Forma células haploides (n) a partir de
las diploides (2n) mediante dos divisiones consecutivas (meiosis I y II) en un proceso que
realizan las células germinativas. Etapas:
•
•
Meiosis I: Profase I (leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno, y algunas especies
diacinesis), Metafase I, Anafase I y Telofase I.
Meiosis II: Profase II, Metafase II, Anafase II y Telofase II.
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2. FUNDAMENTOS DE HERENCIA
GÉNICA
Leyes de Mendel: existen “factores hereditarios” (genes) causantes del fenotipo de los
individuos. Estas leyes enuncian que: i) los cromosomas segregan aleatoriamente en la
meiosis; ii) los gametos se juntan al azar; iii) cada descendiente tiene ½ genoma de cada
parental.
Tipos de cruces:
•
•
Autofecundación: se cruza un individuo con otro de su mismo genotipo.
Fecundación cruzada: individuos de diferente genotipo. Clases:
o Cruce recíproco: Invertir el sexo de los parentales en cruces diferentes (vinculación
carácter al sexo).
o Cruce prueba: cruzar un individuo (generalmente ♀) con ♂ homocigoto recesivo.
o Retrocruzamiento: cruzar un individuo de la F1 (generalmente ♀) con un parental.
Relación de dominancia entre alelos:
•
•
•
Simple: A>a. El fenotipo del heterocigoto es indistinguible con el del homocigoto
dominante. Justifica el fenómeno de la haplosuficiencia en muchas enfermedades
monogénicas: en heterocigotos, si el alelo sano domina sobre el alelo enfermo, el sano
debe producir suficiente proteína para que el heterocigoto dé fenotipo sano. Por eso se dice
que un único alelo sano es suficiente para tener fenotipo sano. Se debe a que el enzima
codificado puede incrementar su actividad para compensar la baja cantidad. Lo contrario es
la haploinsuficiencia: en el heterocigoto, un único alelo sano es insuficiente para dar
fenotipo sano, y entonces la enfermedad es dominante ya que puede manifestarse en
heterocigosis.
Incompleta (herencia intermedia): A≈a. el fenotipo del heterocigoto es intermedio al de los
dos homocigotos. En este caso, para cada fenotipo hay un único genotipo posible, y el nº de
genotipos es el mismo que el número de fenotipos. Ejemplo: una flor roja y una flor blanca
(homocigotas) tienen descendencia de color rosa porque se produce la mitad de pigmento
en el heterocigoto.
Codominancia: también A≈a. se expresan los alelos a la vez, pero en diferentes partes del
individuo. También, el nº de genotipos coincide con el número de fenotipos. Ejemplo: los 4
grupos sanguíneos formados por 3 alelos (A, B y 0) de un único gen son los grupos A (AA ó
A0), B (BB ó B0), AB (codominante) y 00 (recesivo siempre: no hay producto génico).
Ejemplo: la anemia falciforme es un caso particular que presenta varias relaciones de
dominancia a niveles:
•
Fisiológico: dominancia simple del alelo sano respecto al alelo enfermo (HbA>HbS). Sólo un
individuo homocigoto HbSHbS manifestará claramente la enfermedad. En realidad, el
heterocigoto (HbAHbS) presenta una capacidad aeróbica algo inferior al homocigoto normal
(HbAHbA) pero ello no les impide llevar una vida normal, además están seleccionados a
favor porque resisten la malaria: el parásito causante no prolifera bien.
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3. INTERACCIONES GÉNICAS Y
EPISTASIAS
Estudiamos dos genes con 2 alelos cada uno (normal y mutante) y relación alélica de
dominancia simple. Si los dos genes están en cromosomas diferentes y no interaccionan, al
autofecundar el doble heterocigoto segrega los diferentes alelos y los gametos se unen al azar,
y la descendencia tiene las proporciones fenotípicas 9:3:3:1 ya discutidas. Pero si los productos
de los genes interaccionan entre ellos, los fenotipos de la descendencia cambian.
El doble heterocigoto se autofecunda y segrega los alelos como antes, por tanto en la
descendencia habrá los mismos genotipos pero debido a las interacciones entre los alelos de
los genes, las proporciones fenotípicas serán diferentes: observaremos desviación del 9:3:3:1
hacia otras frecuencias fenotípicas derivadas.
Para analizar cada caso, hay que conocer el doble mutante (la mayoría de mutaciones son
recesivas) y ver su frecuencia en la descendencia. Ello nos indica si su parental era
heterocigoto, en cuyo caso se pueden deducir los genotipos para cada fenotipo; además de si
los genes están en cromosomas diferentes o están ligados.
Algunas formas de interacción génica:
•
•
•
Un gen à una proteína que regula la transcripción de otro gen. Ejemplo: operón lactosa.
2 genes à dos proteínas distintas que sólo estando juntas pueden funcionar.
2 genes à dos proteínas distintas, pero una de ellas modifica a la otra para activarla, por
ejemplo fosforilándola, etc.
Para sabes si caracteres distintos son alelos del mismo gen ó son genes diferentes, se realiza
la prueba de complementación. Cuando observamos el mismo carácter en cepas distintas,
puede ser que:
•
•
Cada cepa tiene un único gen con dos alelos que determinan normal ó mutante, es decir,
tenemos un gen con 2 alelos.
Cada cepa tiene 2 genes distintos (con 2 alelos cada gen) que determinan el carácter.
También se la llama prueba cis-trans ó test de alelismo. Sólo si en la F2 observo proporciones
fenotípicas 9:7 (normal:mutante) puedo afirmar que los caracteres vienen determinados por dos
genes en cromosomas diferentes, con 2 alelos cada uno que segregan al azar. Este tipo de
interacción se llama epistasia doble recesiva. Estas proporciones son una desviación del
9:3:3:1. Nos indica que cada gen debe presentar al menos un alelo dominante para manifestar
fenotipo normal.
La prueba de complementación no funciona cuando:
• Las mutaciones son dominantes o codominantes
• Los caracteres son mutaciones polares: afectan a regiones reguladoras de la expresión,
como las regiones promotoras.
• Hay recombinación intragénica.
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4. HERENCIA SEXUAL.
Genes ligados al sexo son los que se encuentran en los cromosomas sexuales (X ó Y), en
contraposición a los genes autosómicos (en cromosomas no sexuales). En humanos hay 46
cromosomas: 22 parejas autosomas y 1 pareja de cromosomas sexuales.
Clasificación de la determinación sexual:
ORGANISMO
CAUSA DEL SEXO
Reptiles
Temperatura
Drosophila m.
Nº cromos. X
Humanos
• Aves
• Lepidópteros
MACHO (♂)
HEMBRA (♀)
Alligator (31’5 - 33ºC)
• XY (Heterogamético)
• X
Trachemys (Tª > 31ºC)
• XX (Homogamético)
• XXY
Gen SRY
(en el cromosoma Y)
• XY (Heterogamético)
• XXY (Klinefelter)
• XXYY(Klinefelter)
• XX (Homogamético)
• X (Turner)
• XXX (Superhembra)
Similar humanos
• ZZ (Homogamético)
• ZW (Heterogamético)
En humanos, la determinación del sexo es génica: basalmente, cualquier organismo es ♀ pero
basta que se exprese el gen SRY (codifica para Testis Determining Factor TDF) en etapas
primerizas del desarrollo para determinar un ♂. SRY está ligado al cromosoma Y, por tanto
tener cromosoma Y implica ♂ excepto si recombina mal y el SRY pasa al Cr. X.
Las alteraciones del nº de cromosomas X se deben a la no disyunción de estos cromosomas
durante la meiosis parental debido a un sobresolapamiento. Se forman gametos
desequilibrados, diferentes según el momento de la no disyunción.
Para compensar la dosis génica en ♀ (tienen 2 cromosomas X), sólo en mamíferos
placentarios encontramos el corpúsculo de Barr: es uno de los 2 cromosomas X inactivado
mediante metilación y recubrimiento con RNA del gen XIST, condensándolo mucho.
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5. FUNDAMENTOS DE ANÁLISIS DE
PEDIGRÍS.
Nos permite inferir una probabilidad de genotipo concreto a partir de suposiciones genéticas en
una familia. Consideramos fenotipos causados por un único gen que segrega
mendelianamente con penetrancia y expresividad completas si no dicen lo contrario. Para
resolverlos, hay que determinar:
1. Dominancia/recesividad:
•
•
Si se salta generaciones (aparece en ancestros pero no se manifiesta en todas las
generaciones), o bien padres sanos tienen descendencia enferma, es recesiva.
En caso contrario, es dominante.
2. Autosómica/ligada al sexo:
•
•
•
•
Ligada al cromosoma X:
o Dominante: un ♂ enfermo tiene todas las ♀ hijas enfermas porque obligatoriamente
les ha dado su cromosoma X, sin importar la madre.
o Recesivo: un ♂ enfermo al cruzarse con una ♀ homocigota tienen ½ descendencia
enferma (aparecen ♂ enfermos porque la madre les ha dado el cr. X con alelo
enfermo).
Ligada al cromosoma Y: los ♂ tienen y transmiten la enfermedad.
Autosómica: es más probable que lo sea porque hay 44 autosomas vs 2 cromosomas
sexuales. La enfermedad afecta a ♀ y ♂ por igual. Es autosómica cuando descartamos
claramente que sea ligada al sexo.
Mitocondrial: hay una ♀ afectada, y todos sus hijos (tanto ♀ como ♂) está afectados. La
siguiente generación sólo se afectan los descendientes de las ♀ enfermas.
En caso de que haya consanguinidad (antecesor común entre dos individuos, es endogamia),
casi seguro que la enfermedad es autosómica recesiva pero hay que verificarlo. Los individuos
ajenos a la familia suponemos que son homocigotos. Además, si es una enfermedad rara, la
mayoría de individuos con alelos de la enfermedad serán heterocigotos porque ese alelo es
raro.
Patrones de herencia monogénicas (comportamiento en general):
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6. GENÉTICA CUANTITATIVA.
La genética cuantitativa estudia los caracteres con variación continua, es decir, aquellos que
pueden tener infinitos valores fenotípicos dentro de un intervalo. Son los caracteres
cuantitativos y vienen determinados por locus llamados QTL (Quantitative Trait Locus).
Ejemplo: altura, peso, etc. Los alelos segregan mendelianamente pero los fenotipos no se
agrupan en las proporciones habituales debido a la ausencia de dominancia entre los alelos y
al efecto del ambiente.
Hasta ahora habíamos considerado los caracteres discretos: fenotipo categórico (rojo-blanco;
liso-rugoso; etc.). Pero los caracteres continuos son más complejos y están muy afectados por
el ambiente en el cual se encuentran los individuos. Esto se modeliza mediante la norma de
reacción: para diferentes ambientes que actúan sobre un mismo genotipo hay varios fenotipos
posibles.
Hay una altura basal mínima, y una altura máxima que no se puede superar (por causas
fisiológicas y por el número máximo de alelos dominantes que puede llegar a haber). El
ambiente puede modular el fenotipo de los individuos actuando sobre la expresión de un único
QTL.
Debido a la importancia de la componente ambiental, se dan algunos fenómenos que dificultan
el estudio de los QTL:
•
•
Penetrancia: proporción de individuos con un determinado genotipo que manifiestan
claramente el fenotipo asociado; no todos expresan los alelos que tienen (causas:
ambiente, interacciones génicas, etc...).
Expresividad: grado de intensidad en que se expresa un gen en diferentes individuos:
mucho, poco, algo…
También puede haber penetrancia y expresividad variables en los caracteres codificados por
un gen discreto, pero nos complica mucho el estudio.
Las leyes de transmisión de los QTL con los que trabajaremos se conocen como hipótesis de
East. Los caracteres cuantitativos tienen:
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7. LIGAMIENTO.
Durante la meiosis, en la fase del paquiteno, sucede siempre el entrecruzamiento (un
fenómeno citológico). Como consecuencia de ello, a veces se da la recombinación (fenómeno
genético) de forma aleatoria. El entrecruzamiento se da entre los genes ligados, es decir, los
genes que están sobre un mismo cromosoma. Consiste en rotura y unión de las cromátidas no
hermanas de los cromosomas homólogos. En caso de que el punto de rotura caiga entre dos
genes, hay recombinación. Hasta ahora habíamos considerado genes que estaban en
cromosomas diferentes, ahora estudiaremos qué sucede cuando los genes están sobre el
mismo cromosoma.
Podemos encontrar recombinación intercromosómica (segregación de los cromosomas en la
anafase I hacia un polo acompañado del resto de cromosomas) e intracromosómica (causada
por entrecruzamiento entre los genes de un mismo cromosoma, se da en el paquiteno de la
profase I).
Según la distribución de los genes ligados en el cromosoma del progenitor, los resultados del
entrecruzamiento cambiarán. Así, los genes se distribuyen según la fase:
Tras la meiosis, los gametos que se han formado pueden clasificarse según la distribución de
alelos en los cromosomas:
•
•
Gameto parental (P): en cada cromosoma hay los mismos alelos que en los cromosomas
del progenitor.
Gameto recombinante (R): nuevas combinaciones de alelos sobre los cromosomas que no
tenía el progenitor.
Segregación con 2 genes ligados.
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8. MUTACIÓN.
La variabilidad viene dada por i) la segregación de los cromosomas en la meiosis; ii) la
recombinación y iii) la mutación (fuente primaria de variabilidad a nivel génico, estructural y
numérico).
A nivel génico, cambian uno o pocos nucleótidos. Puede ser en células:
•
•
Somáticas: no pasan a la siguiente generación, cuanto antes aparece en el desarrollo del
individuo, más cantidad de células la tienen. Será un mosaico porque algunas líneas
celulares son mutantes y otras no.
Germinales: sí que transmiten la mutación a la descendencia porque forman los gametos.
Las mutaciones pueden afectar a un gen de control del ciclo celular (proto-oncogen à
oncogen) o a cualquier otro tipo de genes. La mayoría de mutaciones son corregidas por los
sistemas de reparaciones, y si no lo son, suelen ser recesivas.
Las mutaciones morfológicas afectan a la anatomía del individuo. Las mutaciones letales
afectan a la viabilidad y suelen hacerse efectivas en etapas tempranas del desarrollo (aunque
hay excepciones). Pero no todas las mutaciones se manifiestan obligatoriamente: algunas sólo
lo hacen a veces. Las mutaciones condicionales son aquellas que sólo se manifiesta bajo
ciertas condiciones ambientales. Ejemplo: mutación en el gen que codifica para una proteína
estructural de las alas de Drosophila. A bajas temperaturas la proteína hace función normal
porque su conformación es igual aunque esté mutada. Pero a altas temperaturas, la molécula
vibra y no puede adquirir la conformación adecuada, por lo que no funciona y se manifiesta el
fenotipo mutante.
Clasificación funcional de las mutaciones:
•
•
•
•
Amórfica: pérdida de función.
Neomórfica: se gana una función (buena o mala). Ejemplo: el gen (A) se expresa sólo en un
tejido gracias a que un gen regulador (B) lo bloquea en los otros tejidos. Si el gen (B) muta y
adquiere la función de expresarse por todo, entonces el gen (A) se expresará en otros
tejidos (expresión ectópica: se manifiesta donde no debe).
Hipomórfica/hipermórfica: atenúa/incrementa una función de una proteína.
Antimórfica ó dominante negativa: se “enmascara” (silencia) el efecto de una proteína
debido a la acción de otra que la anula. Ejemplo: una proteína que actúa como dímero. Un
heterocigoto con alelo mutado dominante negativo y alelo normal, consigue que el alelo
dominante negativo interfiera con la proteína normal, uniéndose a ella e impidiendo que
ejecute la función normal. Se dice que la mutación dominante negativa es haplosuficiente
para bloquear el efecto del alelo normal, el cual se vuelve hipomorfo.
Tasa de mutación es el número de cambios por generación; frecuencia de mutación es el
porcentaje de individuos de una población que presenta la mutación. La retromutación es el
ritmo al que una mutación vuelve a mutar y revierte a su forma normal (siempre es menor que
la tasa de mutación porque implica los dos fenómenos de mutación en la misma posición). Por
tanto, un mutante puede adquirir fenotipo normal gracias a i) reversión por retromutación, ii) un
alelo de otro gen muta y adquiere capacidad de suprimir el efecto de la mutación inicial, dando
lugar a fenotipo normal.
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9. ESTRUCTURA DE LOS GENES Y
GENOMAS.
Procariotas: el promotor es la secuencia del DNA a la cual se une la RNA polimerasa y
comienza a transcribir (a partir de él) el mRNA en sentido 5’à3’. El primer nucleótido es el +1.
La transcripción se regula negativamente, es decir, de forma basal está reprimida y sólo si hay
un estímulo se suprime la inhibición y se activa la transcripción. Existe secuencia de
terminación de la transcripción.
El mRNA es traducido inmediatamente porque no sufre splicing (nunca hay intrones), ni
capping ni adición de colas de poliadenina. En la Untranslated Region 5’ (UTR5’) está la
secuencia Shine-Dalgarno de unión al ribosoma, desde la cual se comienza a traducir en
sentido N’terminal à C’terminal de la proteína. El primer codón siempre es AUG, que codifica
para formil-metionina. Finalmente, el último codón indica stop: no es ningún aminoácido, sino
que se desmonta la maquinaria ribosomal.
Los genes bacterianos se agrupa en operones: a partir de un único tránscrito se traducen
diferentes proteínas (se leen linealmente sin solapar). Su genoma consiste en un solo
cromosoma circular, y a veces plásmidos. Los genes están muy compactados (poco espacio
intergénico).
La dirección de avance de la RNA polimerasa y de la DNA polimerasa (transcripción y
replicación) es la misma para evitar que choquen y se pare el proceso. La cadena que contiene
la información (la que se transcribe) es complementaria al RNA porque la RNA polimerasa la
lee en 5’à3’:
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10. APLICACIONES DEL ANÁLISIS
GENÉTICO.
En la genética del desarrollo estudiamos como a partir de una célula se obtiene un organismo
completo, prestando especial atención a nivel intracelular y genético. Ejemplo: desarrollo de D.
melanogaster: es muy conocido, los estadios del desarrollo son determinados y no varían, hay
una gran importancia del control genético en etapas iniciales (genes maestros) y mediante
mutantes honesticos (de los genes del desarrollo) podemos conocer el papel de cada gen
implicado, pero son muchos y es muy complejo. Los genes HOX, esenciales para el desarrollo
del embrión, están altamente conservados en toda la filogenia de los vertebrados pero también
están en muchos otros organismos como Drosophila: mutarlos altera el desarrollo del individuo
con sorprendentes resultados: 2 pares de alas en lugar de uno, o patas en lugar de antenas.
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