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Variabilidad y herencia
Variabilidad y herencia
La herencia es conocida de forma inconciente desde la prehistoria: similitud entre animales, plantas etc.
Introducción a genética
El material hereditario se encuentra en el núcleo eucariota, en
forma de cromosomas emparejados (2n). El cromosoma está formado
por DNA helicoidal y sus proteínas y enzimas asociadas.
El conjunto de cromosomas de un organismo forma su genoma. El
genoma de un mamífero tiene aproximadamente 30,000 genes, formados por 3·109 pares de bases (el genoma diploide consta de 6·109
pares de bases).
Los organismos 2n forman gametos n; cuando se fusionan dos
gametos, uno masculino y el otro femenino, se recupera la diploidía y
se forma el zigoto, que es diploide – 2n.
La genética mendeliana consta de leyes que gobiernan la transmisión del material hereditario; la genética de poblaciones estudia las
frecuencias genéticas, mutación y selección; la genética cuantitativa
estudia los caracteres cuantitativos.
Premendelismo y nacimiento de la genética
 460-377 AC. Demócrito e Hipócrates prepusieron la teoría de
pangénesis. Los fluidos, masculinos y femeninos, se encuentran
en todo el organismo y las características se adquieren por contacto directo.
 1885. August Weismann postuló la teoría del plasma germinal:
los organismos pluricelulares tienen dos tipos de tejidos. Reconocimiento de dos tipos de células, las células germinales y las
células somáticas.
 1865. Gregor Mendel publica sus leyes sobre la herencia. Los
factores determinantes de la herencia son de naturaleza particular (se encuentran en partículas), se encuentran en parejas y
siguen normas de herencia sencillas descritas en sus dos leyes.
 1900. Redescubrimiento de los trabajos de Mendel por Carl Correns, Hugo de Vries y Erich von Tschermak.
Del mendelismo a genética molecular
 1900-1940. Genética clásica. Redescubrimiento de las leyes de
Mendel y su verificación.
 1940-1960. Descubrimiento de la estructura del DNA (Watson y
Crick).
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Variabilidad y herencia
 1970-1985. Desarrollo de técnicas que permiten aislar y modificar segmentos de DNA. Aplicación en ingeniería genética y DNA
recombinante – animales y plantas transgénicos.
 1985-… Desarrollo de la PCR. Permite el análisis de DNA y su estudio a diferentes niveles (bioquímica, medicina forense etc.).
Aplicaciones de la genética en veterinaria
 Mejora genética animal y vegetal: caracteres cuantitativos, de
interés comercial y de resistencia a enfermedades.
 Identificación de genes de interés productivo.
 Detección de genes de enfermedades hereditarias, de resistencia
a enfermedades y de propensión a enfermedades multifactoriales.
 Identificación de agentes patógenos: virus, bacterias etc.
 Identificación animal y paternidad.
 Modificación de genes de interés productivo: animales transgénicos.
Ejemplos de genes de interés en producción animal
 Color de la capa
 Presencia de cuernos en el ganado
 Gen booroola de prolificidad en ovino
 Gen del síndrome del estrés porción
 Hipertrofia muscular en bovino y ovino
 Determinación del sexo en aves
 Enanismo en aves
 BLAD
 Acondroplasia bovina
 Hemofilia
Definiciones básicas
 Genética. La ciencia que estudia los genes.
 Gen. La unidad física y funcional de la herencia – un segmento
de DNA con determinado tamaño y funcionalidad.
 Locus (plural – loci). De latín, posición. Una posición concreta
dentro de un cromosoma. Puede corresponder a un gen, o a un
espacio no codificado.
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Variabilidad y herencia
 Alelo. Todas las variaciones o formas que pueden corresponder a
un locus determinado.
 Genotipo. El conjunto de alelos de un organismo, en referencia a
uno o número limitado de genes.
 Fenotipo. La forma que representa un carácter (o conjunto de
caracteres). El fenotipo es el resultado del genotipo y el ambiente.
Genética mendeliana
Monohibridismo
Mendel experimentó con variedades de la planta de guisante. Utilizó individuos que eran puros homocigotos para una característica.
En sus experimentos cruzó individuos con diferentes fenotipos para
la misma característica.
Al cruzar dos individuos puros, uno con semillas lisas y el otro
con semillas rugosas, observó que en la primera generación todos los
individuos tenían las semillas lisas. Al cruzar dos individuos híbridos
para este locus, se produjo la segunda generación, en la cual reapareció el alelo rugoso.
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Genética mendeliana
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Genética mendeliana
Conclusiones del experimento
 Uniformidad a la F1
 No hay mezcla de características (no existen intermedios entre
dos características). Sólo se da un fenotipo.
o Un fenotipo es dominantes sobre otro, que es recesivo.
 A F2 reaparece el fenotipo recesivo – la F1 es portadora de la información recesiva.
 F2 contiene individuos puros e individuos híbridos.
 Las características se encuentran sobre partículas que son emparejados.
1ª ley de Mendel – segregación igualitaria
Cuando se forman los gametos, cada alelo tiene la misma probabilidad de ser incluido en el gameto. Cuando se forma el cigoto, su genotipo será la mezcla del contenido genético de los dos gametos.
En un experimento de monohibridismo, como en este caso, la proporción genotípica será de 1:2:1 (AA, Aa y aa); la proporción fenotípica será de 3:1.
Dihibridismo
El cruce de individuos puros para dos características: individuos
con semillas lisas y amarillas, e individuos con semillas rugosas y
verdes.
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Genética mendeliana
Se observaron en la segunda generación 4 fenotipos diferentes,
que corresponden a la proporción 9:3:3:1, que provienen de la combinación de dos proporciones 3:1.
La hibridación es de dos loci: un locus para color (verde, amarillo), y un locus para forma (lisa, rugosa).
AB
Ab
aB
ab
AB
Ab
aB
ab
AB AABB AABb AaBB AaBb
AB AABB AABb AaBB AaBb
Ab AABb AAbb AaBb Aabb
Ab AABb AAbb AaBb Aabb
aB
AaBB AaBb
aaBB aaBb
aB AaBB AaBb aaBB
aaBb
ab
AaBb
aaBb
ab
aabb
Aabb
aabb
AaBb
Aabb
aaBb
2ª ley de mendel – distribución independiente
Durante la formación de gametos, los alelos de un locus se segregan de forma independiente de alelos de otros loci.
Un individuo heterocigoto AaBb puede formar 4 tipos diferentes
de gametos con la misma probabilidad de formarse – 0.25. En el
dihibridismo se observan 9 genotipos, que se dan en proporción
1:2:1:2:4:2:1:2:1. La proporción fenotípica es de 9:3:3:1 (en condiciones de dominancia absoluta).
Método del diagrama
Se puede aplicar tanto para fenotipos como para genotipos.
B_


3 1 9
4 4
16
bb


B_


3 1 3
4 4
16
3 1 3
4 4
16
bb


1 1 9
4 4
16
A_
aa
Polihibridismo
El polihibridismo es el cruce de dos heterocigotos para más de 2
loci, como por ejemplo el trihibridismo. Se suele trabajar con el método de diagramas, que es más sencillo que el método de la tabla. Se
observan ciertas proporciones válidas para hibridaciones de este tipo, que ayudan predecir la variabilidad, en función del número de loci (n):
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Genética mendeliana
 Tipos distintos de gametos = 2n
 Numero de combinaciones al hibridar dos individuos de la F2 =
4n
 Tipos de distintos genotipos = 3n
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Genética mendeliana
Términos importantes
 Retrocruzamiento. Cruzar un individuo con uno de los progenitores.
 Cruzamiento prueba. Cruzar un individuo con fenotipo dominante con un individuo homocigoto recesivo. Sirve para averiguar su genotipo.
Dominancia y alelomorfismo
Relaciones de dominancia
El gen booroola es una mutación en el ganado ovino, que aumenta
la prolificidad de la oveja; aumenta la tasa de ovulación y el tamaño
medio de la camada.
En los homocigotos normales, se observa camada de aproximadamente un cordero, en los heterocigotos se observa camada de 2 corderos y en los homocigotos una camada de 3-4 corderos. No se observa una relación de dominancia: la prolificidad no es discreta, sino
que presenta fenotipos intermedios.
Al cruzar dos homocigotos A1A1 (flor roja) y A2A2 (flor crema) se
da un heterocigoto A1A2. Las relaciones de dominancia se determinan
por el fenotipo del heterocigoto A1A2:
 A1A2 = A1A1 
 dominancia del A1 sobre el A2 (flor roja dominante)
 A1A2 = A2A2 
 dominancia del A2 sobre el A1 (flor crema dominante)
 A1A2 ≠ A1A1 ni A2A2 
 dominancia incompleta o herencia incompleta (flor de color intermedio, rosado)
 A1A2 > A1A1 
 sobredominancia (flor de color púrpura)
 A1A2 < A2A2 
 subdominancia (flor de color blanco)
La dominancia incompleta se da cuando el heterocigoto presenta
un fenotipo intermedio entre los dos fenotipos característicos del los
homocigotos. La codominancia se da cuando se observan los dos diferentes alelos del heterocigoto a la vez.
Las relaciones de dominancia entre alelos de un locus dependen
del nivel en que se realice la observación: molecular, celular, organismo, población.
Ejemplo: la anemia falciforme en humanos.
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Genotipo
Anemia
HbA HbA
No
Fenotipo de los hematíes
Normales
Hemoglobina
A
Dominancia y alelomorfismo
HbS HbS
HbA HbS
Sí
No
Tipo de
dominancia
Dominancia
completa
Deformados
Normales, deformados a presión baja de
oxigeno
Dominancia incompleta
S
AyS
Codominancia
La anemia falciforme también es relacionada a la resistencia a la
malaria. Se observa que los individuos heterocigotos presentan mayor resistencia a la enfermedad. Aparte, en las regiones infectadas de
malaria es más común la anemia falciforme. Se postula que se conservó el gen que determina la aparición de anemia porque da mayor
resistencia a la malaria.
Alelomorfismo múltiple
El alelomorfismo múltiple se da cuando un gen puede presentar
más de dos variantes o alelos de un locus; cada individuo tendrá una
sólo dos alelos para un gen determinados. Una serie alélica es el
conjunto de alelos de un gen.
Isoalelismo: los isoalelos son diferentes alelos de un gen que tienen efecto fenotípico idéntico.
Grupos sanguíneos humanos
El locus I presenta la serie alélica IA, IB y i. Los alelos IA y IB son
iguales de dominantes, y ambos son dominantes sobre el i. Las combinaciones de la serie alélica dan 6 genotipos, y 4 fenotipos:
 Grupo A: IAIA o IAi
 Grupo B: IB IB o IBi
 Grupo AB: IB IA
 Grupo O: ii
Color del pelo en el conejo
El locus C presenta la serie alélica C (marrón), cch (chinchilla), ch
(himalaya) y c, en este orden de dominancia: C>cch >ch >c. Las combinaciones entre los 4 alelos dan 10 genotipos y 4 fenotipos.
Color de la piel y del pelo
El color de la piel y del pelo se debe a pigmentos – melaninas,
producidas por melanosomas, orgánulos especializados característicos de los melanocitos. Hay dos tipos de melanina, la eumelanina (coloración oscura) y la feomelanina (coloración clara). Los melanosomas se clasifican en función de la melanina que producen.
La enzima clave en la síntesis de ambos tipos de melanina es la tirosinasa. Los melanocitos tienen receptores sensibles a señales del
organismo, que estimulan o inhiben la síntesis de melanina y prolife10
Dominancia y alelomorfismo
ración celular de los melanocitos. Estos receptores son estimulados
por la α-MSH, e inhibidos por la proteína agutí.
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Dominancia y alelomorfismo
En los ratones se han descrito más de 100 genes que intervienen
en la síntesis de melanina, en diferentes momentos del desarrollo.
Mutación en cualquier gen interfiere en la síntesis de melanina y
produce individuo con coloración distinta.
Genes que determinan la coloración del pelo
A – agutí
La proteína agutí es antagonista de la hormona α-MSH, que se une
al receptor MC1R bloqueando su actividad. Alelos de locus:
 A. Da pelo con bandas oscuras y claras.
 a. Da pelo oscuro sin bandas.
 AY. Da pelo claro uniforme pero es letal.
B – marrón.
Este locus determina un estabilizador de la tirosinasa. Posibles
alelos:
 B. Da pelo de color negro
 b. Da pelo castaño (más claro).
C – albino
Este locus determina la funcionalidad de la tirosinasa. Posibles
alelos:
 C – pelo coloreado
 c – albinismo (recesivo)
 ch – conejos himalaya
 cs – gatos siameses
Los alelos ch y cs producen tirosinasa sensible a temperaturas elevadas (37º) pero funcional a temperaturas bajas (en las extremidades).
D – dilución
No se sabe exactamente como funciona este gen, pero parece está
responsable del transporte de la melanina a las células de la epidermis. Determina la dilución del color – color más pálido.
En todos los animales:
En caballos:
 D. Color normal
 DD – marrón (castaño)
 d. Color diluido (recesivo)
 Dd – color aclarado (palomino)
 dd – color muy pálido (cremello)
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Dominancia y alelomorfismo
E – extensión
Codifica el receptor MC1R se la hormona estimuladora de melanocitos.
 E. Color normal.
 e. Impide la depositación de pigmento. Da color dorado en gato y
perro.
Piebald (humanos y ratón)
Se caracteriza por manchas sin melanocitos en todo el cuerpo.
Kit
En gato (S) y caballo (W). Codifica el color blanco. Este gen es letal.
Interacción génica
La interacción génica es la interacción entre diferentes genes por
la determinación de un carácter fenotípico. Algunas definiciones importantes:
 Gen epistásico. Cuando el genotipo de un locus mascara el efecto del genotipo de otro locus. Por ejemplo, si el genotipo “aa” del
locus A determina que los genotipos del locus B no se muestren,
el gen aa es epistásico.
 Gen supresor. Es un alelo (gen) que elimina la expresión fenotípica de otro alelo concreto de otro gen.
 Gen modificador. Es un alelo (gen) que cambia de forma cuantitativa el fenotipo determinado por otros genes.
Interacción sin epistasia
Forma de la cresta
La determinación de la forma de la cresta de la gallina es por dos
loci, A y B:
 A_B_ (9) – nuez
 aaBB o aaBb – guisante (3)
 AAbb o Aabb (3) – roseta
 aabb (1) – sencilla
Los dos loci interactúan para dar 4 fenotipos diferentes.
Color de la piel
Otro ejemplo de interacción sin epistasia es de la determinación
del color de la capa, por dos loci, B (marrón) y D (dilución).
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Interacción génica
 B_D_ (9) – negro
 B_dd (3) – negro diluido
 bbDd (3) – marrón
 bbdd (1) – marrón diluido
El alelo D es un gen modificador, porque modifica la expresión del
loci D.
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Interacción génica
Epistasia
Epistasia recesiva
En una interacción epistásica recesiva, sólo hay 3 fenotipos, en
proporción 9:3:1.
Color de la piel
El color de la piel se determina por dos loci, B (marrón) y C (albino). El genotipo ‘cc’ determina el albinismo, debido a la falta de tirosinasa (no se puede sintetizar melanina).
 B_C_ (9) – negro
 bbC_ (3) – marrón
 B_cc (3) – albino
 bbcc (1) – albino
En total, hay 4 genotipos que determinan el albinismo. El carácter
albinismo, que es recesivo, mascara cualquier genotipo del locus B,
porque determina que no haya producción de pigmento.
Color del pelo del labrador
En el labrador el color se determina por dos locus, B (marrón) y E
(extensión). El genotipo ‘ee’ inhibe la depositación de pigmento.
 B_E_ (9) – negro
 bbE_ (3) – marrón
 B_ee (3) – dorado
 bbee (1) – dorado
Cuando el locus E presenta dos alelos recesivos, mascara cualquier genotipo del locus B, porque inhibe la depositación del pigmento. Por tanto, observamos una proporción fenotípica de ¼.
Epistasia dominante
El genotipo dominante de un locus mascara el genotipo de otro locus.
Color de lana en ovejas
El color de la lana se determina por dos locus Awh (blanco) y B
(marrón).
 Awh_B_ (9) – blanco
 Awhbb (3) – blanco
 aaB_ (3) – negro
 aabb (1) – marrón
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Interacción génica
En el caso de epistasia dominante, se observa una proporción de
12:3:1, en este caso 12 blancos, 3 negros y 1 marrón.
Acción génica complementaria – epistasia doble recesiva
Pelaje del conejo
El pelaje del conejo puede ser normal o rex (pelaje más denso y
más denso). Se determina por dos loci, R1 y R2.
 R1_R2_ (9) – normales.
 R1_r2r2 (3) – rex
 r1r1R2_ (3) – rex
 r1r1r2r2 (1) – rex
Para obtener un conejo normal hace falta de la intervención de
dos alelos dominantes en los dos loci. Para producir un individuo rex,
basta con un locus de genotipo recesivo. En el caso de acción génica
complementaria se da una proporción de 9:7.
Genes duplicados o epistasia doble dominante
La epistasia doble dominante se da cuando hay dos loci que codifican exactamente la misma información.
Color de capa en bovinos
El color de la capa en bovinos se determina por dos loci, H y S. El
alelo dominante da cara blanca.
 H_S_ (9) – cara blanca
 H_ss (3) – cara blanca
 hhS_ (3) – cara blanca
 hhss (1) – cara negra
En los casos de epistasia doble dominante se observa una proporción de 15:1.
Gen supresor
Color de pluma en gallinas
Se determina por dos loci C (color) y I (inhibidor).
 C_I_ (9) – blanco
 C_ii (3) – color
 ccI_ (3) – blanco
 ccii (1) – blanco
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Interacción génica
El gen inhibidor previene la síntesis de color, por tanto inhibe la
acción del alelo C. Sólo se da el fenotipo colorado cuando el individuo
es homocigoto recesivo para el locus I.
Atavismo
Aparición de descendentes con características parecidas a algún
antepasado alejado. Aunque parece que el fenotipo que ha aparecido
es nuevo, la verdad es que era mascarado todo el tiempo.
Pleiotropia
Los genes pleiotrópicos tienen efecto sobre más de un carácter fenotípico, caracteres que aparentemente no están relacionados.
Anemia falciforme
El gen que determina la enfermedad también determina la aparición de otras patologías, aparentemente no relacionadas al gen.
Cuernos en cabras
El locus que determina la presencia de cuernos en cabras está relacionado con intersexualidad, que es una anormalidad de los órganos sexuales. El locus P que determina la aparición de cuernos, determina intersexualidad en hembras y a veces esterilidad en machos:
Cromosomas
sexuales
Genotipo del locus P
PP
Pp
pp
XX
Intersexo sin
cuernos
Hembra sin cuernos
Hembra con cuernos
XY
Macho sin cuernos, algunos estériles
Macho sin cuernos
Macho con cuernos
Efectos ambientales y expresión génica
Efectos ambientales
El fenotipo es el resultado del genotipo y el ambiente. El ambiente
se divide en dos clases:
 Ambiente externo: temperatura, luz, nutrición, efectos maternales.
 Ambiente interno: edad, sexo, sustrato.
Cuando el ambiente modifica el fenotipo de un locus así que tiene
el fenotipo de otro locus
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Efectos ambientales y expresión génica
Ambiente externo
La temperatura y la luz determinan la coloración y densidad del
pelaje.
La nutrición puede determinar también el fenotipo, como en el caso de la fenilcetonuria. La fenilcetonuria es una enfermedad humana
debida a la incapacidad de metabolizar fenilalanina. La nutrición de
individuo enfermo puede disminuir los síntomas de la enfermedad,
que en realidad son el fenotipo del genotipo correspondiente.
Efectos maternos
Los efectos maternos se dan en casos que el genotipo de la madre
influye el fenotipo de la descendencia. Por ejemplo, el peso del ternero al destete depende mucho del genotipo de su madre en cuanto a su
producción de leche.
Otro ejemplo es el grupo Rh en humanos. (R>r). Una mujer Rh – y
un hombre Rh+ pueden tener un hijo Rh+. En este caso, los glóbulos
rojos Rh+ del hijo producen en la madre una reacción inmune. Si la
mujer tiene otros hijos Rh+, puede morir el feto por ataque del sistema inmune de la madre.
En caballos existe un mecanismo similar, la eritrólisis neonatal.
Un cruce entre caballo A_ (A+) y una yegua aa (A–) puede dar un potro A+. Los antígenos estimulan el sistema inmune de la madre, que
produce anticuerpos. Cuando el potro se alimenta del calostro, ingiere los anticuerpos que producen hemólisis de sus eritrocitos. Para resolver este problema, se puede alimentar el potra de forma artificial
o encontrarle una madre adoptiva A+.
Normas de reacción
La norma de reacción es el conjunto de fenotipos de un único genotipo obtenidos en diferentes ambientes.
Norma de reacción simple: un genotipo sólo da un fenotipo: A
siempre da el fenotipo X, B siempre da el fenotipo Y.
Norma de reacción compleja: cada genotipo puede dar más de un
fenotipo, y hay solapamiento entre ambos, así que nos se puede deducir el genotipo a partir del fenotipo, ya que hay solapamiento entre
las normas de reacción de cada locus.
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Efectos ambientales y expresión génica
Penetrancia y expresividad
La penetrancia es el porcentaje de individuos de un genotipo que
manifiestan el fenotipo asociado con el genotipo. Cuando la penetrancia es incompleta, no todos los individuos presentan el fenotipo
esperado. Es un término que describe una situación donde no se
cumple lo esperado y no se conoce la causa.
La expresividad es el grado de extensión de la expresión de un
genotipo. Por ejemplo, en una enfermedad hereditaria hay diferentes
grados de la enfermedad, que son diferentes grados de expresión del
genotipo que la determina.
Displasia de la cadera
Por ejemplo, en la displasia de la cadera, se conoce un locus que
está relacionado con la patología en los homocigotos recesivos. Sin
embargo, no todos los homocigotos recesivos presentan displasia de
cadera.
El modelo mendeliano explica el fenómeno explicando que el gen
tiene penetrancia incompleta, ya que no todos los individuos homocigotos recesivos presentan la displasia.
El modelo multifactorial con umbral explica el fenómeno por
factores ambientales (nutrición, ejercicio, error en el diagnóstico) y
factores genéticos (varios loci, no todos conocidos).
La penetrancia puede variar en función de la raza:
 Pastor alemán: penetrancia de 86%
 Labrador: penetrancia de 63%
Letalidad
Hay genes que afectan la supervivencia de los individuos que los
portan. Se clasifica por grado de gravedad:
 Genes letales. Determinan muerte prenatal o poco después nacer.
 Subletales. Determinan la muerte después del nacimiento o que
no todos los individuos se mueren.
 Detrimentales. Reducen la esperanza de vida de los individuos.
Ejemplos de genes letales en animales domésticos
Gen W en caballos
En caballos, el locus W determina dos caracteres:
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Letalidad
 Color. W>w, el alelo dominante determina el color blanco.
 Letalidad W<w, el genotipo WW es letal.
El genotipo WW provoca anomalías en el embrión que conducen a
su muerte, afectando así las proporciones fenotípicas a 2:1 (dos blancos por un negro). Cualquiera proporción 2:1 significa letalidad homocigótica.
Acondroplasia en bovino
La acondroplasia bovina es una enfermedad hereditaria que determina enanismo – no hay crecimiento de los huesos largos. Fue
descrita por primera vez en irlanda el año 1776, en la raza Kerry.
 DD – Kerry.
 Dd – Dexter (enanos)
 dd – bulldog (no nacen)
Los individuos dd (bulldog) abortan a los 6-7 meses de gestación.
BLAD (Bovine Leukocyte Adhesion Deficiency)
La BLAD es una enfermedad autosómica recesiva en bovinos que
determina el cambio de un aminoácido que devuelve la integrina
afuncional. En humanos, ratones y perros fueron descritas enfermedades similares.
Las integrinas son glucoproteínas que se localizan en la superficie
de los leucocitos. Son heterodímeros formados por dos subunidades
(α y β). Regulan la migración de los leucocitos hacia los tejidos para
destruir los agentes patógenos. La mutación que produce la enfermedad se da en el nucleótido 383, un cambio de A por G, lo que determina un cambio de ácido aspártico por glicina.
La integrina afuncional implica que los linfocitos no pueden pasar
a los tejidos periféricos (salir de la capilar) y por tanto no pueden
preformar su función. Los terneros homocigotos mueren muy jóvenes
(menos de un año), normalmente por infecciones bacterianas muy
graves.
La enfermedad apareció por primera vez en estados unidos el año
1980 (su prevalencia es de 14%). El toro portador fue utilizado mucho en inseminaciones artificial, porque era considerado muy bueno
para inseminación de vacuno lechero. El gen difundió en todo el país,
por la amplia descendencia del toro portador.
Hemofilia
La hemofilia es una enfermedad hereditaria descrita en muchos
mamíferos. Es causada un alelo que determina la falta de factor de
coagulación. Hay dos tipos de hemofilia:
 A. Falta el factor de coagulación VIII
20
Letalidad
 B. Falta el factor de coagulación IX
Los dos loci se sitúan sobre el cromosoma X, lo que implica mayor
prevalencia en los machos.
Alteraciones de la letalidad
Distorsión de la segregación
Alteración de la primera ley de Mendel. Es causada por genes que
afectan la viabilidad de los gametos. En un locus con dos alelos, ‘A’ y
‘a’, hay distorsión de la segregación si un individuo heterocigoto Aa
la probabilidad de producir un gameto ‘A’ es diferente de la probabilidad de producir un gameto ‘a’.
Se ha descrito en ratones sin cola y en las moscas Drosophila. En
los gametos masculinos, los gametos con genotipo ‘a’ no son viables,
por tanto los gametos masculinos siempre serán ‘A’.
Influencia del ambiente sobre la letalidad
La letalidad, como otras características, está influida por el ambiente. La manifestación de muchas de estas enfermedades con base
genética depende del ambiente. Enfermedades hereditarias influidas
por el ambiente:
 Hemofilia
 Diabetes mellitus
 Displasia de la cadera
Herencia cuantitativa
Los caracteres de variabilidad continua son caracteres mesurables (altura, peso, color, producción de leche, fertilidad etc.) que varían de manera continua dentro de un rango, siguiendo una distribución normal. También incluyen los caracteres discretos y contables
con un número grande de clases (por ejemplo, número de huevos
puestos – no hay 1.5 huevos).
La escuela mendeliana (Bateston y De Vries) creía que los caracteres cuantitativos no eran heredables, y que las diferencias hereditarias evolutivamente importantes eran cualitativas y discontinuas.
La escuela biométrica (Galton) creía que los caracteres cuantitativos eran heredables, pero negaban que unidades particuladas como
los genes pudieran explicar su herencia.
Galton era un médico que trabajaba comparando los padres y sus hijos,
en cuanto a diferentes características
cuantitativas. Llegó a la conclusión
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Herencia cuantitativa
que las leyes de Mendel no podían explicar estas relaciones (estaba
equivocado).
W. Johannsen (1903) demostró que un carácter cuantitativo (el
peso de una judía de Phaseolous vulgaris) estaba determinado por el
ambiente y el genotipo. En sus experimentos partía de 14 líneas puras que producían siempre judías del mismo peso. Cruzaba las diferentes líneas, y observó las variaciones en el peso de la judía. La diferencia entre líneas se debía al ambiente y el genotipo, mientras que las
diferencias dentro de una cruz se debía
sólo al ambiente.
N. H. Nilsson-Ehle (1909) demostró que los caracteres cuantitativos siguen una herencia mendeliana en sus
experimentos sobre la coloración del
trigo. Poligenes: efecto pequeño y aditivo sobre un carácter.
La varianza de la F1 es similar a la
de las líneas puras. La varianza en las
líneas puras depende solamente del
ambiente, y en la F1 también – porque
presenta uniformidad genotípica. En la
F2 la media es parecida a la media tanto de la F1 como de la P, pero la varianza es más grande, porque se debe al
ambiente y a la graduación genotípica,
que dará diferentes genotipos.
El ambiente desdibuja las clases fenotípicas determinadas por el genotipo
creando una barrera de fenotipos. Como resultado, no se puede saber el genotipo según el fenotipo.
Fisher postuló el modelo infinitesimal, que dice que los caracteres cuantitativos están determinados por infinitos genes (poligenes),
cada uno con efecto muy pequeño y aditivo sobre el carácter.
Los caracteres cuantitativos son la “caja negra” de la genética. No
se conoce el número exacto de genes implicados en la regulación de
caracteres cuantitativos, ni su localización.
QTL – Quantitative Trait Locus. Locus cuyos alelos afectan a la
variación de un carácter cuantitativo. Tienen un efecto importante
sobre el carácter cuantitativo. Hay unos cuantos QTL conocidos para
la producción de leche en bovinos (DGAT1) y para la depositación de
grasa en cerdos (IGF2).
22
Herencia cuantitativa
La mejora genética asume el modelo infinitesimal de Fisher a la
hora de intentar mejorar caracteres cuantitativos.
23
Teoría cromosómica de la herencia
Teoría cromosómica de la herencia
 1865 – presentación del trabajo de Mendel
 1878 – W. Flemming. Observó en la meiosis unas estructuras
(cromosomas) que se parten longitudinalmente y se movían hacia polos opuestos de la célula.
 1888 – W. Waldeyer. Utilizó el término cromosoma para definir
estas estructuras.
 1887-1891 – Weismann. Postuló que los cromosomas eran el material hereditario y predijo que en los gametos el número de
cromosomas debía reducirse a la mitad para que el número de
cromosomas se mantuviera constante de generación a generación.
 1902 – W. Sutton y T. Boveri. Establecieron el paralelismo entre
la segregación y distribución independiente de los factores
Mendelianos y la meiosis. Los genes están localizados en los
cromosomas.
Mitosis
Meiosis
 Una división celular produce
dos células hijas.
 Dos divisiones celulares producen
cuatros
productos
meióticos.
 El número de cromosomas
por núcleo se mantiene constante.
 Una fase S premitótica por
división celular.
 Normalmente no hay apareamiento entre cromosomas
homólogos.
 Normalmente no hay entrecruzamientos.
 Los centrómeros se dividen
en anafase.
 Proceso conservador – genotipo de células hijas idéntico
al genotipo de la célula madre.
 La célula que sufre mitosis
puede ser diploide o haploide.
 Número de cromosomas dividido en dos en los productos
meióticos.
 Una fase S premeiótica para
las dos divisiones celulares.
 Sinapsis completa entre dos
homólogos en la profase I.
 Al menos un entrecruzamiento
por par de homólogos.
 Los centrómeros no se dividen
en anafase I sino en anafase II.
 Genera variación entre
productos meióticos.
los
 La célula que sufre meiosis
siempre es diploide.
El cariotipo es el conjunto de cromosomas de una especie, en función de su forma y tamaño. La forma depende de la posición del cen-
24
Teoría cromosómica de la herencia
trómero. Los cromosomas pueden ser telocéntricos (centrómero localizado en la punta del cromosoma) metacéntricos (localizado en el
centro del cromosoma) o acrocéntricos (localizado en algún punto
entre el extremo y el centro).
Los cromosomas se dividen en autosomas y sexuales. El sexo
homogamético se determina por dos copias de un cromosoma sexual
(por ejemplo XX en mamíferos – hembra, y ZZ en aves – macho). El
sexo heterogamético se determina por tener dos cromosomas sexuales diferentes (el XY en mamíferos –macho, y ZW en aves – hembra).
En aves hay microcromosomas – no se pueden diferenciar por
métodos de tinción. Recién fue desarrollado un método que permite
reconocer el cariotipo de aves.
En la especie bovina los cromosomas son de tamaño y forma parecidos – casi todos son telocéntricos o acrocéntricos. Hasta el desarrollo de técnicas de tinción en bandas, no se podía reconocer el cariotipo de la especie. El cariotipo de la especie humana tampoco se podía
describir antes del desarrollo de este método, que permite diferenciar los cromosomas en función de la tinción en bandas, que permite
distinguir los diferentes cromosomas.
Hay varios métodos de tinción en bandas:
 Giemsa – G
 Reversei – R
 Mostasa de quinacrina – Q
El ideograma es la representación gráfica de la tinción en bandas,
en función de la sustancia química utilizada. Puede ser utilizado para
reconocer cierta región del cromosoma.
25
Teoría cromosómica de la herencia
Determinación meiótica del sexo
Hay dos diferentes modelos de la determinación meiótica de sexo:
modelo de dosis y de cromosoma Y.
Determinación cromosómica del sexo
Modelo de dosis
En la mosca Drosophila el equilibrio entre cromosomas autosómicos y cromosomas sexuales determina el sexo. Por ejemplo, un individuo que tiene dos cromosomas XX tiene relación 2X/2N, igual a 1.
Esta proporción determina sexo femenino. Un individuo XY tiene relación 1X/2N, igual a 0.5. Esta proporción determina un macho.
Estas proporciones son las que determinan el sexo. Los individuos
XXY y XO (producidos por errores en la meiosis) demuestran el modelo – el individuo XXY tiene proporción 2X/2N de 1, por tanto es una
hembra, aunque tiene cromosoma X; el individuo XO tiene proporción
de 0.5, por tanto es macho, aunque no tiene el cromosoma Y.
Modelo del cromosoma Y
El sexo en mamíferos se determina por el cromosoma Y:
 XY – macho
 XX – hembra
 XXY – macho
 XO – hembra.
Determinación del sexo gonadal
La gónada no diferenciada se transforma en femenina o masculina
en función de la expresión génica. Si en la gónada no diferenciada se
reprimen los genes masculinos, la gónada se desarrolla en ovarios. Si
en la gónada no diferenciada el gen SRY reprime los represores de los
genes masculinos, la gónada se desarrolla en testículos.
26
Determinación meiótica del sexo
El SRY determina la iniciación de diferenciación en macho. Inicia
una cascada génica que determina la formación de un individuo macho fértil.
Determinación de sexo en otras especies
No se sabe como se determina el sexo en aves, si es por el modelo
de dosis o por el modelo de cromosoma W. Por un lado, no se ha demostrado la existencia de un SRY, por tanto no se puede comprobar
el modelo de cromosoma W. Por el otro lado, no se han encontrado
individuos ZO y los individuos ZZW no son concluyentes, por tanto no
se puede comprobar el modelo de dosis.
El gen DMTR1, implicado en el desarrollo de testículos en mamíferos, se ha encontrado en el cromosoma Z, lo que refuerza el modelo
de dosis. El gen PKC1, localizado en el cromosoma W, podría determinar el desarrollo de gónadas femeninas.
En peces anfibios y reptiles hay mucha variabilidad en la determinación del sexo. En algunas especies hay cromosomas sexuales, en
otros el contenido cromosómico es igual y la determinación del sexo
es según el ambiente.
Herencia relacionada con el sexo
Genes ligados al sexo son genes localizados en los cromosomas
sexuales. Hay varios tipos de genes ligados al sexo:
 Ligados a X. Localizados en la región diferencial del X.
 Ligados a Y (holandricos). Localizados en la región diferencial
del Y.
 Ligados a X y Y (seudoautosómicos). Localizados en la región
homologa del X y Y.
Genes influidos por el sexo son genes autosómicos con dominancia o recesividad influida por el sexo.
Genes limitados a un sexo son genes autosómicos que sólo se
manifiestan en uno de los dos sexos.
Regiones comunes entre cromosomas sexuales
La región homóloga entre los dos cromosomas sexuales consta de
dos regiones, PAR-1 y PAR-2. Esta región homóloga es la que permite
la precombinación de los dos cromosomas sexuales. Hay muy poca
información codificada en el cromosoma Y.
Hay pocos ejemplos de caracteres (y enfermedades) ligados a X y
Y; hay pocos ejemplos de enfermedades ligados al cromosoma Y; hay
muchos ejemplos de enfermedades ligadas al cromosoma X.
Genes ligados al sexo (ligados a X)
27
Determinación meiótica del sexo
El fenotipo del alelo recesivo siempre es más frecuente en los machos que en las hembras. Los machos son hemicigotos – sólo presentan un locus.
La descendencia de un macho afectado no está afectada. Todas las
hijas del macho afectado son portadoras, mientras que sus hijos no
son afectados.
La descendencia de una hembra afectada también se diferencia
por el sexo – los hijos siempre son afectados, mientras que las hijas
son portadoras.
28
Determinación meiótica del sexo
Inactivación del cromosoma X
Barr y Bertram observaron que el núcleo de las células nerviosas
que no se dividen contiene generalmente un cuerpo que se tiñe intensamente en las hembras, pero no en los machos. Este cuerpo que se
tiñe se conoce actualmente como cromatina sexual o corpúsculo de
Barr. Aunque este corpúsculo había sido observado por otros investigadores, Barr y Bertram fueron los primeros en notar que se presentaba solamente en células de hembras. En un intento de explicar sus
observaciones surgieron que podía ser un cromosoma X altamente
condensado. Otros investigadores demostraron que tenían razón.
La hipótesis de Lyon sugiere que el cromosoma X muy condensado que aparece en las células femeninas es el resultado de la inactivación al azar de un cromosoma X, en un estadio temprano del desarrollo embrionario femenino. El resultado de la inactivación al azar
del cromosoma X es que las hembras son mosaicos, que constan de
dos poblaciones celulares distintas con un origen común: una población de células con cromosoma X maternal inactivado, y una población con cromosoma X paternal inactivado.
Obviamente, el resultado de la inactivación del cromosoma X en
las hembras es que cada célula de la hembra tiene la misma cantidad
de producto génico de los genes ligados al X que las células del macho. Por lo tanto, la inactivación del X es un mecanismo que compensa la diferencia de dosis génica entre machos y hembras en relación
con los genes ligados al sexo. Este efecto de la inactivación se conoce
como compensación de dosis.
El mosaico de naranja y no-naranja conocido como concha de tortuga se debe a un proceso de inactivación al azar del cromosoma X. El
pelo naranja se debe a un alelo O ligado al cromosoma X que impide
la producción del pigmento oscuro (negro o marrón) pero permite la
producción de pigmento amarillo. El pelo no naranja resulta de la acción del alelo normal (salvaje) del mismo locus o, que es responsable
de la producción del pigmento oscuro, independientemente de la capa. Dado que ambos alelos deben estar presentes para producir el
mosaico de naranja y no-naranja, los gatos concha de tortuga deben
ser heterocigotos XOXo, en el citado locus.
El proceso de inactivación al azar del cromosoma X proporciona
una explicación satisfactoria para el color de los gatas concha de tortuga; cada mancha de color naranja representa las células que descienden de aquella en que el alelo no-naranja y fue inactivado y viceversa. Por otra parte, la distribución aparentemente aleatoria de las
manchas y la misma superficie aproximada de pelaje naranja y no
naranja son observaciones esperadas si el cromosoma X inactivado es
elegido al azar.
29
Ligamiento
Ligamiento
Existen al menos arios miles de genes diferentes; sin embargo,
hay solamente un numero relativamente pequeño de cromosomas.
Por tanto inevitablemente cada cromosoma ha de contener muchos
genes diferentes, cada uno de los cuales ocupa un lugar específico
(locus) en el cromosoma. Si los cromosomas se heredaran como unidades íntegras, entonces para todos los loci de un cromosoma particular, los alelos presentes en estos cromosomas se segregarían siempre juntos.
En la práctica, los cromosomas no se heredan como unidades íntegras. Por el contrario, cuando los cromosomas homólogos están
emparejados durante la primera fase de la meiosis tiene lugar el entrecruzamiento o recombinación. Durante la sinapsis, se producen
roturas y reuniones de cromátides. Si los dos extremos rotos de una
cromátide rota se unen, entonces esa cromátide se heredará aún como una unidad íntegra. Sin embargo, si la rotura tiene lugar en la
misma posición en dos cromátides adyacentes, entonces pueden unirse a veces segmentos de cromátides diferentes para dar a cromátides
recombinantes. La recombinación sólo tendrá efecto si se produce
entre dos cromátides homólogas, y no entre cromátides hermanas.
Hay relación directa entre la distancia física que separa dos loci
del mismo cromosoma y el numero de entrecruzamientos entre ellos.
Desafortunadamente, ese número no se puede medir directamente.
Sin embargo, observando la progenie de ciertos cruzamientos podemos calcular la fracción de recombinación que es la proporción de
gametos de un padre que sólo pueden haber resultado por entrecruzamiento.
Si dos loci se encuentran muy juntos en el mismo cromosoma, entonces la fracción de recombinación es bastante baja y se dice que los
loci se encuentran estrechamente ligados. Los loci más separados en
el mismo cromosoma tienen más entrecruzamiento entre ellos y por
lo tanto fracciones de recombinación mayores.
Cuando dos loci se encuentran muy alejados en el mismo cromosoma los gametos recombinantes son tan frecuentes como los no recombinados, lo que da lugar al máximo valor de fracción de recombinación, que es de 50%. Los loci que están lo suficiente alejados en el
mismo cromosoma como para tener una fracción de recombinación
del 50% se consideran efectivamente no ligados, aunque en realidad
pertenecen al mismo cromosoma, porque se segregan independientemente como si estuvieran en cromosomas distintos.
La relación entre la fracción de recombinación y la distancia entre
dos loci permite la construcción de mapas de ligamiento, en los loci
que posicionan de acuerdo a la fracción de recombinación entre ellos.
30
Ligamiento
En tales mapas la distancia entre loci se expresa como la distancia de
mapa (en unidades de centimorgans, cM), que es la función de recombinación. Estimando la fracción de recombinación entre muchos
pares de loci dentro de una especie aparecen claramente grupos de
loci ligados (grupos de ligamiento). Como los loci de cada grupo están ligados, deben localizarse en el mismo cromosoma. De aquí se
deduce por tanto, que si se ha identificado el suficiente número de
loci en una especie, el número de grupos de ligamiento será igual al
número de pares de cromosomas.
Genética de poblaciones
Introducción
La mayoría de los caracteres de interés económico son cuantitativos, la suma de efecto de muchos genes (poligenes). Ejemplos:
 Peso corporal
 Aptitud materna para la cría
 Velocidad en carrera
 Caracteres de comportamiento
 Puntuación morfología general
Las características cuantitativas se ajustan a la distribución normal. Hay muchas enfermedades hereditarias producidas por herencia
Mendeliana simple; la genética de poblaciones estudia su prevalencia
y distribución en las diferentes poblaciones.
Por ejemplo, en cerdos se ha observado que algunos individuos no
responden bien a anestesia. Estos animales son más sensibles a estrés. Este carácter está ligado a un único gen. Se puede mejorar una
raza escogiendo individuos reproductores sin el carácter.
La genética de poblaciones consta del estudio de la estructura de
una población. Su objetivo es describir y medir la diversidad genética
de las poblaciones en el espacio y el tiempo (estructura genética), así
como determinar los procesos evolutivos por los cuales va a tener lugar esta estructuración.
Los objetivos específicos de la genética de poblaciones son:
 Caracterizar genéticamente la raza o la población.
 Estudiar los niveles de variabilidad y la estructuración genética
dentro de las poblaciones mediante los estudios comparativos.
 Obtener estimaciones medianas de consanguinidad. La consanguinidad se define como el grado de cruzamientos entre parientes. Aumenta la proporción de homocigotos (grado de homocigosidad) disminuyendo la proporción de heterocigotos (grado
31
Introducción a la genética de poblaciones
de heterocigosidad). La depresión consanguínea es la disminución del rendimiento debido a niveles altos de consanguinidad. El nivel de consanguinidad de un individuo se puede medir
partiendo del pedigrí de un animal, o por análisis de marcadores genéticos conocidos, comparando el grado de variabilidad
del individuo frente una población en equilibrio genético (se
mantienen constantes las proporciones genéticas a lo largo del
tiempo).
 Identificar genéticamente los individuos y disponer de una herramienta fiable de la verificación de paternidad, utilizando
marcadores genéticos.
 Identificar posibles marcadores específicos de razas.
 Identificar las combinaciones haplotípicas más favorables de los
individuos más heterocigotos, para la programación de apareamiento, en casos de poblaciones en peligro de extinción o con el
fin de mantener el máximo grado de diversidad dentro de una
especie o raza. El fin de este método es vigilar el grado de consanguinidad que puede producir una depresión consanguínea.
 Asignar individuos incógnitos a poblaciones determinados (clasificar animales de razas o poblaciones desconocidas).
 Recerca de los núcleos o subpoblaciones más interesantes para
una posible reintroducción o reconstrucción de una raza, con el
fin de incrementar la diversidad.
 Cuantificar el grado de divergencia genética entre poblaciones.
Cálculo de distancias y estudio de las relaciones filogenéticas
entre poblaciones.
Medida de variabilidad genética
Para medir la variación genética de una población, estudiamos
una muestra de individuos y de genes, a partir de los cuales inferiremos la variabilidad genética de la población. Se utilizan caracteres
morfológicos, fisiológicos, de comportamientos y moleculares.
Metodología molecular
La muestra debe ser representativa – los individuos y los genes
escogidos al azar. La muestra también debe ser precisa – la metodología escogida ha de ser suficientemente sensible para detectar los
diferentes estados o alelos presentes en un locus determinado.
Divergencia proteica
 Electroforesis. Utiliza polimorfismo bioquímico. Separa proteínas sobre un soporte de almidón, azarosa, poliacrilamida etc.
32
Introducción a la genética de poblaciones
 Técnicas inmunológicas. Fijación del complemento, reacción
antígeno-anticuerpo, grupos sanguíneos etc.
 Secuenciación de proteínas
Divergencia de ácidos nucleicos
 Hibridación del ADN
 Marcadores moleculares: RFLP, RAPD, VNTR (microsatélites y
macrosatélites), SNP etc.
 Divergencia del DNA mitocondrial. Importante en estudios evolutivos porque su herencia es estrictamente maternal.
Descripción genética de la población
En un locus autosómico con dos alelos, A y a, dentro de una población con n individuos, el número total de genes será 2n.
Las frecuencias genotípicas de este locus serán P, H y Q respectivamente. La suma de P, H y Q es igual a 1.
 AA – P
 Aa – H
 aa – Q
Las frecuencias génicas (de cada alelo) será p (para alelo A) y q
(para el alelo a). La suma de p y q es igual a 1.
Las frecuencias génicas se pueden conseguir a partir del recuento
génico, o a partir de las frecuencias genotípicas.
A partir del recuento génico:
p  f  A 
N º alelos A
2N
q  f a 
N º alelos a
2N
A partir de las frecuencias genotípicas:
p  P  ½H
q  Q  ½H
Ley de Hardy-Weinberg (1908)
En una población grande, con apareamiento aleatorio, y en ausencia de migración, mutación y selección, se cumplen los siguientes fenómenos:
1. Las frecuencias génicas y genotípicas se mantienen constantes de una generación a otra.
2. Las frecuencias genotípicas de la descendencia dependen
exclusivamente de las frecuencias génicas de los padres, y
no de sus frecuencias genotípicas, siendo igual a p2, 2pq y
33
Ley de Hardy-Weinberg
Relación entre frecuencias génicas y genotípicas
q2. En otras palabras, los genotipos no se heredan, sino que
los genes.
Una población consigue equilibrio genético (HWE) en una única
generación de apareamiento aleatorio (para un gen autosómico con
frecuencias iguales en ambas subpoblaciones de machos y hembras).
Las frecuencias génicas en el equilibrio son las mismas que leas de la
generación parental.
34
Ley de Hardy-Weinberg
Relación entre frecuencias génicas y genotípicas
Si las frecuencias son diferentes en las subpoblaciones machos y
hembras, el HWE se consigue en dos generaciones de apareamientos
aleatorios (en el paso de F1 a F2). A partir de la F2 las frecuencias genotípicas y fenotípicas se mantienen constantes.
Relación entre frecuencias génicas y genotípicas
En una población en equilibrio de Hardy-Weinberg, las frecuencias genotípicas para un único locus con dos alelos dependen de las
frecuencias génicas.
La frecuencia de heterocigotos no puede ser nunca superior a los
50%, y este máximo se consigue cuando p = q = ½.
Cuando la frecuencia génica de un alelo es baja, el alelo raro se
presenta predominantemente en los heterocigotos – la frecuencia de
los homocigotos siendo muy baja.
Población en equilibrio genético de HardyLa población en equilibrio mantiene las frecuencias génicas y genotípicas constantes de una generación a otra. Se deben mantener
ciertas condiciones para conseguir el equilibrio:
 No hay migración (población en reproducción cerrada).
 No hay mutación
 No hay selección (ni natural ni artificial – todos los individuos
tienen las mismas posibilidades de ser reproductores).
 Población muy grande – si fuera de tamaño pequeño, las frecuencias génicas podrían variar debido exclusivamente al azar.
35
Ley de Hardy-Weinberg
Población en equilibrio de Hardy-Weinberg
 Los apareamientos son aleatorios – el apareamiento entre individuos emparentados (consanguíneos) puede romper el equilibrio.
Población en reproducción cerrada
Esta condición implica que individuos de otras poblaciones no se
pueden reproducir con los de la población en equilibrio. Cuando vienen a reproducirse individuos de otras poblaciones, este fenómeno se
considera como migración. La migración modifica las frecuencias
génicas.
Ausencia de mutaciones
Las mutaciones son sucesos poco probables, y constituye en la
modificación espontánea de un alelo. Por ejemplo, en uno de cada
100,000 apareamientos, el alelo A puede transformarse en el alelo a
o en una nueva variante. La mutación es la principal causa de generación de nueva variabilidad.
Descendencia igual por individuo
Si un genotipo deja más descendientes que otro, se modifican las
frecuencias génicas, y a consecuencia, las frecuencias genotípicas.
Por ejemplo, si los individuos AA dejan más descendientes, hay una
tendencia a aumentar la frecuencia de los alelos A en la población.
Este fenómeno se conoce como selección. También es importante que
la población sea libre de diferencias de fertilidad (por ejemplo, de
abortos), dando número igual de descendientes iguales de viables.
Tamaño infinito
Si la población no es infinita, la frecuencia de alelos A y a en los
espermatozoides y óvulos no es exactamente p y q, y por tanto P’, Q’
y H’ son diferentes de P, Q y H. Este fenómeno de muestreo, muy importante en poblaciones pequeñas, se conoce como deriva genética.
Es importante tenerlo en cuanta, para evitar problemas debidos al
azar (sesgos de muestreo).
Apareamiento al azar
Si los apareamientos no son al azar, la probabilidad de que un alelo A se encuentra un alelo a no es el producto de sus probabilidades
(p·q). Las frecuencias genotípicas P, Q y H varían, aunque las frecuencias génicas p y q continúan siendo constantes. Una población
que se aparea al azar es panmixia (debida al azar).
Hay varias sistemas en los cuales el apareamiento no se produce
al azar; por ejemplo, el apareamiento de individuos emparentados,
apareamiento consanguíneo, o bien el apareamiento de individuos
36
Ley de Hardy-Weinberg
Población en equilibrio de Hardy-Weinberg
que presentan valores similares de carácter, apareamiento clasificado o asociativo, no se dan al azar.
37
Ley de Hardy-Weinberg
Test de equilibrio de Hardy-Weinberg
Test de equilibrio de Hardy-Weinberg
Al analizar una población determinada, se comparan la proporción de homocigotos con la proporción esperada (2pq) en la población en equilibrio genético. Si la proporción observada es superior a
2pq, puede ser que la variabilidad se debe a la introducción de reproductores (incremento de diversidad). Si la proporción observada es
inferior a 2pq, puede ser que se debe a consaguinidad (incremento de
la homocigosidad).
Por ejemplo, la tabla siguiente contiene los datos referentes a una
población de Gos d’Atura de Cataluña, por el sistema electroforético
de la albúmina.
AA
AB
BB
Total
Observado 31.0 36.0 19.0 86
Esperado
27.9 42.2 15.9 86
Las frecuencias génicas calculadas a partir de los datos observados son las siguientes:
 A – 0.57
 B – 0.43
La hipótesis nula (H0) es que la muestra de 86 perros proviene de
una población con las frecuencias genotípicas en equilibrio de HardyWeinberg. En este caso, los números esperados serán iguales a los
esperados (en promedio).
Para analizar la muestra se utiliza el test de χ2, con grados de libertad iguales a número de genotipos (3) menos el número de alelos
(2).
 
2
O  E 
E
2

31  27.9  36  42.2  19 15.9  0.34  0.91  0.6  1.85
27.9
42.2
15.9
Al consultar tabla, se consigue el valor de χ2 con los grados de libertad correspondientes   2  3.84  .
0.05
Como el valor calculado es inferior a 3.84, se puede concluir que
las diferencias observadas son insignificativas, y se acepta la hipótesis nula – la población se considera en equilibrio de Hardy-Weinberg.
Si el test de equilibrio sale negativo (no se cumplen las proporciones), no se puede saber cual es la causa de desequilibrio. Si el test
sale positivo, se puede concluir que se cumplen todos los requisitos
del equilibrio descritos antes.
38
Ley de Hardy-Weinberg
Extensiones a la ley de Hardy-Weinberg
Extensiones a la ley de Hardy-Weinberg
Alelos múltiples
Las frecuencias génicas serán:
 A1 – p
 A2 – q
 A3 – r
La suma de las frecuencias de los diferentes alelos siempre será
igual a 1.
Las frecuencias genotípicas se modifican en función de las frecuentas génicas:
A1 A1
p2
A 1 A2
+
2pq
A1 A3
+
2pr
A2A2
+
q2
A2A3
+
2qr
A3A3
+
r2
= 1
Genes ligados al sexo
En el caso de genes ligados al sexo, las hembras contribuyen ⅔ de
los genes en el conjunto de la población, mientras que los machos
contribuyen sólo el ⅓.
Hembras
Machos
A1 A1 A1 A2
A2A2 A1
A2
P
H
Q
R
S
p 2f
2 pf qf
q 2f
pm
qm
La frecuencia génica media en la población se calcula de la forma
siguiente: p  ⅔ p f +⅓ pm =⅓  2 p f  pm  = ⅓  2 p  H  R 
En equilibrio, la frecuencia media es igual a la frecuencia en machos y en hembras.
Si las frecuencias génicas son las mismas en las subpoblaciones de
machos y hembras, se llega al equilibrio en una única generación de
apareamiento aleatorio.
Si las frecuencias génicas de machos y hembras son diferentes, se
requieren más de dos generaciones de apareamientos aleatorios para
conseguir el equilibrio.
Equilibrio en más de un locus
Para que una población esté en equilibrio de Hardy-Weinberg, es
necesario que sus gametos también estén en equilibrio, es decir, que
las frecuencias de un determinado gameto sea su frecuencia en equilibrio.
39
Ley de Hardy-Weinberg
Extensiones a la ley de Hardy-Weinberg
Genes
A
a
B
b
Frecuencias génicas
p
q
r
s
Gametos
AB
Ab
aB
ab
Frecuencias en
equilibrio
pr
ps
qr
qs
Frecuencias reales
t
u
v
w
El equilibrio se da cuando el producto de acoplamiento es igual al
producto de repulsión (tw = uv)
Si tw–uv ≠ 0 = d (desequilibrio).
El d es producto del desequilibrio de ligamiento o desequilibrio en
fase gamética. Es igual a la diferencia en la producción de gametos
en estado de acoplamiento versus estado de repulsión. El valor máximo de d es 0.25 (cuando sólo se dan AB y ab) y el valor mínimo es
de –0.25 (cuando sólo se dan Ab y aB).
Cuando una población con desequilibrio de ligamiento se aparea
al azar, la cantidad de desequilibrio va reduciendo progresivamente
en cada generación. El coeficiente de recombinación es un factor muy
importante en la determinación del desequilibrio. Cuanto mayor sea
el coeficiente, más rápido se llega al equilibrio de Hardy-Weinberg.
dt  d 0 1  c 
t
Fuerzas que modifican las frecuencias génicas
 Migración
 Mutación
 Selección
 Deriva genética
 Apareamiento no aleatorio
La migración, mutación y selección producen cambios predecibles
cuantitativamente y cualitativamente.
Migración
La migración consta de la introducción de una población de genes
o alelos que provienen de otra población.
De una población donadora (D) en la cual la frecuencia del alelo A1
es pD, se produce una migración en tasa m hacia la población receptora (R). Se puede calcular la frecuencia del alelo A1 en la población r
40
Ley de Hardy-Weinberg
Fuerzas que modifican las frecuencias génicas
después de la migración – su frecuencia entre los nuevos individuos
(pD) y su frecuencia entre los individuos pertenecientes de la población receptora (pR). La frecuencia de p en la población R al cabo de
una generación se calcula mediante la fórmula:
p1  pR  mpR  mpD  pR  m  pD  pR   pR  p
Al cabo de t generaciones la frecuencia de p en la población R será:
p1  pR  mpR  mpD  pR 1  m   pD m
p1  pD  pR 1  m   mpD  pD
p1  pD  pR 1  m   pD 1  m   1  m  pR  pD 
P2  pD  1  m 
P3  pD
p
 1  m   p
R
 pD 
R
 pD 
2
3
Pt  pD  1  m   pR  pD 
t
Pt  pD  1  m   pR  pD 
t
Mutación
La mutación es la transformación espontánea de un alelo a otro.
Es la fuente primaria de variabilidad genética. Hay diferentes clases
de mutación:
 Mutación no recurrente o puntual. Tiene poca importancia en la
modificación de frecuencias génicas por su baja probabilidad.
Tiene poca importancia evolutiva.
 Mutación recurrente. Aparecen regularmente en una determinada frecuencia. La frecuencia de mutación suele oscilar entre 104108.
La mutación puede ser beneficiosa, entonces se mantendrá en la
población por su ventaja; si no es beneficiosa, desaparecerá rápidamente; si la mutación es neutra, no modifica la funcionalidad del individuo. Estas mutaciones son muy importantes en estudios evolutivos, porque permiten la estimación de la diferencia evolutiva entre
dos poblaciones.
Mutación recurrente irreversible
Este tipo de mutación consta de la transformación irreversible del
alelo A al alelo a, a cierta frecuencia u.
u
A 
a
p
41
q
Ley de Hardy-Weinberg
Fuerzas que modifican las frecuencias génicas
G0
p0
q0
G1
p1  p0  up0
q1  q0  up0
p  up0
Si el número de generaciones es muy elevado:
n
qn  1  1  u  1  q0 


Mutación recurrente reversible
Este tipo de mutación puede llegar a equilibrio, cuando el número
de alelos A que se han transformados en a es igual al número de alelos a transformados en A.

a
A 

v
u
p
q
G0
q0
G1
q1  q0  up0  vq0
q  up0  vq0
El equilibrio se da cuando q  0 .
Cálculo de las frecuencias génicas en el equilibrio:
upˆ  vqˆ
upˆ  vqˆ  0
u 1  qˆ   vqˆ  0
u  uqˆ  vqˆ  0
u  uqˆ  vqˆ  qˆ  u  v 
qˆ 
u
uv
pˆ 
v
uv
Conclusión: los valores de p̂ y q̂ en equilibrio son independientes
de las frecuencias génicas iniciales (p y q).
Cálculo del número de generaciones que la población tarda en llegar al equilibrio:
n
q  qˆ
1
 ln 0
uv
qn  qˆ
42
Ley de Hardy-Weinberg
Fuerzas que modifican las frecuencias génicas
Selección
La selección se da cuando no todos los genotipos tienen el mismo
número de descendencia – difieren en la fertilidad y viabilidad. Puede ser natural (alelo recesivo letal, por ejemplo) o artificial.
La proporción contribuida a la población por un genotipo se representa por w. Este valor se conoce como aptitud, fitness, eficacia
biológica o valor selectivo. Si no hay diferencia entre los diferentes
genotipos, todos tienen un valor w de 100%. La aptitud se puede modificar, de forma natural o artificial.
El coeficiente de selección, s es la proporción de un genotipo que
no se reproduce.
w  1 s
La selección depende de la dominancia del locus:
 Dominancia completa.
o Eliminación parcial de los recesivos, selección contra
a.
o Eliminación total de los recesivos, selección contra a
(s = 1).
o Selección contra el dominante A.
 Codominancia (A1=A2). Selección contra el A2.
 Dominancia parcial de A1. Selección contra el A2.
 Sobredominancia
o Selección contra los homocigotos (A1A1 o A2A2)
o Selección contra los heterocigotos (A1A2)
Dominancia completa, eliminación de recesivos
Genotipo
AA
Aa
aa
Total
Frecuencia antes de selección
p2
2 pq
q2
Coeficiente de selección
0
0
s 1
Aptitud (w)
1
1
0
Frecuencias después de selección
p2
2 pq
0
W  p2  2 pq  1
Frecuencias después de selección,
normalizada
p2
W
2 pq
W
0
1
43
1
Ley de Hardy-Weinberg
Fuerzas que modifican las frecuencias génicas
Cambio de la frecuencia génica
q1  0 
q 1  q 
pq
pq
q



2
W 1 q
1  q 1  q  1  q
q  q1  q 
q
q  q  q2
q2
q 

0
1 q
1 q
1 q
Número de generaciones para eliminar el gen a de la población:
q0
q1 
q0
1  q0
q2 
q0
q1

1  q1 1  2q0
qn 
q0
1  nq0
n


Si s  1 
q  
1 1

qn q0
sq 2 1  q 
q  sq 2
q 1  qn  
1 1 1
n     ln 0

s  qn q0
qn 1  q0  
Cambio de las frecuencias génicas en una generación de selección
44
Ley de Hardy-Weinberg
Fuerzas que modifican las frecuencias génicas
Eficacia de la selección
La selección es más eficaz en frecuencias intermedias y menos
efectiva cuando q es muy pequeña – la diferencia de q observada será
muy pequeña en casos de frecuencia génica inicial baja.
La selección a favor o en contra de un gen recesivo es muy ineficaz cuando el alelo recesivo es raro (encubierto en los heterocigotos).
Deriva genética
La deriva genética provoca la pérdida de alelos en poblaciones
pequeñas, por el efecto del azar.
Si se dispone de un saco con 80% de bolas blancas y 20% de bolas
negras, y se extraen 10 bolas, a veces se extraen exactamente 8 bolas
blancas y 2 negras, pero frecuentemente el número de bolas blancas
y negras no se corresponde exactamente con la proporción 80%20%.
Cuando se dispone de una población de 10 individuos que se reproducen al azar, en la cual hay 80% de alelos A y 20% de alelos a,
no siempre 8 pares de gametos con el alelo A y dos con el alelo a darán lugar a la siguiente generación. Si 7 pares de gametos con el alelo
A y 3 con el alelo a son los que tienen éxito, las frecuencias génicas
ya pasarán a ser del 70% y 30%. Esta situación errática continúa de
generación a generación, hasta que casualmente sólo gametos con el
alelo A se reproducen, lo que implica la pérdida del alelo a, y que to-
45
Ley de Hardy-Weinberg
Fuerzas que modifican las frecuencias génicas
dos los individuos de la población serán AA. Cuando se da esta situación, se dice que el alelo A está fijado.
También se puede dar el caso que sea el alelo a que se fije, aunque
eso es menos probable. Puede suceder que por azar, el alelo a vaya
aumentando su frecuencia en la población hasta llegar a ser 90%. En
este caso es más probable que la generación siguiente se fije el alelo
a.
Este fenómeno es más acusado cuando la población es pequeña. Si
las muestras que se extraen del saco fueran de 1000 bolas, la proporción de bolas blancas en la muestra se aproxima más a los 80% que
cuando se extraen muestras de tan sólo 10 bolas. Si la población es
muy grande, la frecuencia de gametos con alelo A será más próxima
al 80% que cuando la población es de 10 individuos.
La diferencia de frecuencias entre una generación y la siguiente
debida a este efecto del muestreo se conoce como deriva genética.
 2q   q2 
1
p0 q0
2N



 q2  p0 q0 1  1 

t
1 

2 N  
Genotipo Frecuencias genotípicas en la población general
p02   q2
A1 A1
t
2 p0 q0  2 q2
A1 A2
t
q02   q2
A2 A2
t
Supongamos que en una región geográfica habita una especie
animal que en una generación determinada presenta las frecuencias
genotípicas siguientes: AA (0.25), Aa (0.5) y aa (0.25); las frecuencias génicas son de 0.75 (A) y 0.25 (a). Como consecuencia de un fenómeno volcánico, dicha región se convierte en un archipiélago formado por 160 islas, en cada una de las cuales quedan como únicos
supervivientes un macho y una hembra. Como consecuencia de ello
veamos que ocurre en las 160 islas (subpoblaciones) originados a
partir del continente (población) inicial
Composición de la isla
AA  AA
Probabilidad
1
4
 1 4  116
Tipo de descendencia
y frecuencia en la isla
Frecuencia
del alelo A
Número
de islas
1
1
10
—
—
46
Ley de Hardy-Weinberg
Fuerzas que modifican las frecuencias génicas
AA Aa
2 1 4  1 2  416
0.5
0.5
—
0.75
40
AA  aa
2 1 4  1 4  216
—
1
—
0.5
20
Aa  Aa
1
0.25
0.5
0.25
0.5
40
Aa  aa
2 1 4  1 2  416
—
0.5
0.5
0.25
40
aa  aa
1
 1 4  116
—
—
1
0
10
2
4
 1 2  416
Es decir, que en 10 islas (subpoblaciones) el gen A se habría fijado
y en otras 10 se habría perdido; en 40 islas, la frecuencia del gen A
habría pasado a ser 0.75, y en otras 40 la frecuencia sería de 0.25,
mientras que sólo en 60 islas la frecuencia seguiría siendo igual a la
frecuencia en la población original, de 0.5. Sin embargo, la frecuencia media del alelo sigue siendo igual:
p
110  0.75  4  0.5   20  40   0.25  40  0 10
160
p  p0  0.5
47
 0.5
Ley de Hardy-Weinberg
Fuerzas que modifican las frecuencias génicas
En algunas situaciones se produce el efecto de ‘cuello de botella’,
que significa que de la población inicial se pierde una proporción de
los individuos reproductores; después, cuando el tamaño de la población se recupera, la proporción génica se había modificado. Estos casos se dan en situaciones de desastres, en que no se produce selección sino una eliminación aleatoria de individuos y genotipos.
Endogamia en población ideal
La endogamia es igual a la consanguinidad, y se debe a apareamiento de individuos emparentados.
En
la
A1 A2 , A1A2 , A1A2,
población
, A1C A2C
base
hay
diferentes
genotipos:
G0
F0  0
G1
F1  1 2 N
Probabilidad que se forma un individuo a partir de dos
gametos con genes idénticos es de 1·½N=½N
G2
F2  1 2 N  1  1 2 N  F1
Endogamia nueva + endogamia previa (en la población
hay genes que son independientes en su origen de la
generación 1, pero podrían ser idénticos en su origen
de la generación 0)
Gt
Ft  1 2 N  1  1 2 N  Ft 1
F  1 2 N
Ft  F  1  F  Ft 1
F 
Ft  Ft 1
1  Ft 1
Coeficiente de endogamia en relación a la población base
El coeficiente de endogamia (F) permite medir la velocidad que
se consigue la homocigosis. El índice de panmixia (P) es una medida
de la cantidad relativa de homocigosis, por apareamientos aleatorios,
que se pierde por consanguinidad.
P  F 1
En la población base P=1, F=0.
48
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
Ft  F  1  F  Ft 1
1  Pt  F  1  F 1  Pt 1 
1  Pt  F  1  Pt 1  F  F  Pt 1
Pt  Pt 1  F  Pt 1
Pt  Pt 1 1  F 
Remontando a generaciones anteriores:
Pt 1  Pt  2 1  F 
Pt  Pt  2 1  F 1  F   Pt  2 1  F 
2
Pt  P0 1  F 
t
Como que en la población base P=1
Pt  11  F 
t
1  Ft  1  F 
t
Ft  1  1  F 
t
El indicie de panmixia (Pt) se puede expresar como la frecuencia
de heterocigotos (heterocigosidad) en cualquier momento, en relación a su frecuencia en la población base (es decir, en relación con
las frecuencias HW expresadas si la población global se empareje al
azar).
Pt  1  Ft 
Ht
H0
Ft 
H esp  H obs
H esp
Déficit o exceso de heterocigotos
Un valor de F positivo o negativo, indica déficit o exceso (respectivamente) de heterocigotos en la población, respecto a las proporciones de HW. Algunos factores importantes que pueden dar valores
de F diferentes de cero (generalmente déficit) son los siguientes:
 Consanguinidad (déficit)
 Apareamientos clasificados (déficit)
 Efecto Wahlund – subdivisión de poblaciones (déficit)
 Tipo de selección (déficit o exceso) o locus sometido a selección
(déficit)
 Existencia de alelos nulos o no detectables (déficit)
49
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
 Efecto Robertson – cuando las frecuencias génicas de machos y
hembras son diferentes (exceso)
 Migración (exceso)
 Momento de actuación de la selección (exceso)
50
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
Cambio de las frecuencias genotípicas
 2q   q2 
1
p0 q0
 p0 q0 F
2N
 q2  p0 q0 Ft   p2
t
t
Relación deriva – consanguinidad
Deriva
 q2   p2 
t
t
p0 q0
2N
Consanguinidad
F  1 2 N
t
p0 q0  
1 
  
 1  1 

2 N   2 N  
Ft  1  1  F 
F  A1 A1   p02   q2
F  A1 A1   p02  Fp0 q0
F  A1 A2   2 p0 q0  2 q2
F  A1 A2   2 p0 q0  2Fp0 q0
F  A2 A2   q02   q2
F  A2 A2   q02  Fp0 q0
2
q
2
q1
t
Apareamientos endogámicos
El apareamiento entre parientes implica la fijación de caracteres.
El coeficiente de consanguinidad se puede calcular partiendo de una
raza o población, de sistemas regulares de consanguinidad o de libros
genealógicos. Una línea presentará elevado grado de homocigosis, y
determinados caracteres fijados. Eso puede implicar depresión endo-
51
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
gámica, que se manifiesta en forma de disminución del vigor y salud
de los animales, y la aparición de anomalías recesivas. La depresión
endogámica se puede resolver mediante cruzamientos con el fin de
incrementar la heterocigosidad (interracial o intraracial – entre líneas) o bien mediante programas de endogamia mínima.
 Si se disponen de información genealógica
o Matriz de parientes
o Análisis de Cluster
 Si no se disponen de información genealógica
o Nº machos = Nº hembras
o Nº machos ≠ Nº hembras
Producción de líneas consanguíneas
Se parten de 20 líneas consanguíneas; el número de lienas se va
disminuyendo a medida que se incrementa la consanguinidad (por
cruces entre parientes) por la depresión endogámica
Nº generación
Base
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
20
F de camada
0
12.5
31.5
43.8
54.7
63.3
70.3
76.0
80.6
84.3
87.3
89.7
91.7
93.5
Nº líneas perdidas
0
0
0
0
1
10
15
17
17
17
17
17
18
19
Nº líneas supervidentes
20
20
20
20
19
10
5
3
3
3
3
3
2
1
19
1
52
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
Cambio de base: población estructurada
Ejemplo: se ha criado una linea de ratones durante 42 generaciones, con un tamaño de población de 40 individuos. Después se ha
continuado la cría durante 11 generaciones, mediante cruzamientos
entre hermanos completos. ¿Qué va a ser al final el coeficiente de
consanguinidad?
Índice panmixia
PXA  PXB PBA
HX HX HB


HA HB HA
1  FXA  1  FXB   1  FBA 
53
P  1 F
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
Consanguinidad desde A --> B
Apareamiento al azar (N=40)
F  1 2 N  180  0.0125
Ft  1  1  F   1  1  0.0125   0.410
t
42
PBA  1  FBA  1  0.410  0.590
Consanguinidad desde B --> X
11 generaciones de cruzamientos entre hermanos completos. Se
busca en las tablas el valor de F (FXB=0.908).
PXB  1  FXB  1  0.908  0.092
Consanguinidad desde A --> X
PXA  PXB PBA  0.092  0.59  0.054
FXA  1  PXA  1  0.054  0.946
El coeficiente de consanguinidad es del 94.6%.
F-estadísticos
FIS 
H S  HO
HS
FIT 
HT  H O
HT
FST 
HT  H S
HT
 HO –media de heterocigotos observada en el conjunto de subpoblaciones.
 HS –media de heterocigotos esperada en el conjunto de subpoblaciones.
 HT – heterocigosidad esperada en el total de la población
 FIS – mide el exceso/déficit de heterocigoto promedio en cada
población
 FIT – mide el exceso/déficit de heterocigotos promedio en población conjunta.
 FST – mide el grado de diferenciación genética existente entre las
subpoblaciones.
FIS  f
FIT  F
FST  
54
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
Significación estadística
1. Test de  2
FIS y FIT
 2  NF 2  k 1
con
 2  2 NFST  k 1
con
tad
FST
k  k  1
2
k  k  1
s 1
grados de liber-
grados de liber-
tad
k = número de alelos por locus
s = número de subpoblaciones
2. Tests exactos de Fisher
3. Tests permutacionales
Variación de la estructura reproductiva
Tamaño de la familia – el número de descendientes de una pareja
de progenitores que sobreviven hasta llegar a ser individuos reproductivos.  k2  k 
 2 poblaciones ideal  propiedad de la distribución de Poisson 
Número efectivo (NE) – número de individuos que darían lugar a
la varianza del muestro o a la tasa de endogamia apropiados a las
condiciones bajo consideración, si dichos individuos se reproduzcan
en forma como lo hace la población ideal.
 N E 
  F
F  1 2 N
poblaciones naturales: k  2   k2 varía
NE 
4N
2   k2
Población ideal:
 k2  2
NE  N
F  1 2 N
Población real:
 k2  2
NE  N
 F
55
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
Reproducción controlada:
 k2  2
 k2  0
NE  N
NE  2N
 F
F mínimo
La  k2 reducida es el camino a través del cual tiene lugar la eliminación deliberada de la endogamia.
Elección de los reproductores al azar
A. Todos los reproductores tienen la misma probabilidad de
contribuir a la siguiente generación.
1. Se mantienen las condiciones de la población ideal, llevado del hecho que se excluye la autofertilización y los
apareamientos entre individuos estrechamente relacionados (por ejemplo, cruces entre hermanos. El número
de machos es igual al número de hembras.
NE  N  2
1
2N  4
F 
2. Mismas condiciones, pero número de machos diferente
del número de hembras:
NE 
4NM  NH
NM  NH
F 
1
1

8NM 8N H
3. Número desigual de generaciones sucesivas:
1 1 1
1
1
  


N E t  N1 N 2 N3

1

Nt 
B. Los individuos reproductores no tienen todos la misma probabilidad de contribuir genes o descendientes a la siguiente
generación (diferencias en fertilidad o supervivencia de los
cigotos) en poblaciones reales. k  2  k2  2
1. Apareamiento monogámico. Los machos sólo se pueden
emparejar con una hembra. El número de machos es
igual al número de hembras.
NE 
4N
2   k2
56
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
2. Los machos se pueden emparejarse con más de una hembra; el número de machos es diferente del número de
hembras.
NE 

2
kM
8N
  kF2  4
Elección de reproductores no al azar
Endogamia mínima. Se consigue cuando la varianza del tamaño
de la familia es igual a cero
 k2  0
Se consigue escogiendo deliberadamente los individuos, para
cuando sean los progenitores de la siguiente generación.
1. Nº machos = Nº hembras
Se escogen deliberadamente los dos miembros de cada
familia para que sean los progenitores de la siguiente
generación.
 k2  0
F  1 4 N
NE  2N
2. Nº machos ≠ Nº hembras
Se escogen como progenitores un macho de la descendencia de cada macho y una hembra de la descendencia
de cada hembra.
 k2  0
NE 
16 N M  N F
3N F  N M
F 
3
1

32 N M 32 N H
Endogamia mínima
1. Nº machos = Nº hembras
Se escogen deliberadamente dos miembros de cada familia para que sean los progenitores de la siguiente generación.
F  1 4 N
57
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
2. Nº machos ≠ Nº hembras
Se escogen como progenitores un macho de la descendencia de cada macho y una hembra de la descendencia
de
cada
hembra.
F 
3
1

32 N M 32 N H
Genealogía
La genealogía o pedigrí de un individuo X es la cronología de los
individuos que tienen una parte de su patrimonio genético en común
con el individuo X, ya que ellos son sus antecesores, colaterales o
descendientes. Se puede representar de formas gráficas diversas:
58
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
El coeficiente de consanguinidad (interbreeding) de un individuo X es la probabilidad de que los dos genes presentes en un locus
de dicho individuo sean idénticos por descendencia (FX).
El coeficiente de parentesco (relationship) entre dos individuos
(A y B) es el número esperado de alelos en un locus de un individuo
(por ejemplo A) que son idénticos por descendencia con un gen escogido al azar en el mismo locus de otro individuo (rAB).
rAB  1 1 2  1 2
rAB  2FX  2  1 4  1 2
El coeficiente de coascendencia (coancestry) entre dos individuos (A y B). Es la probabilidad de que los alelos escogidos al azar,
del mismo locus, entre dos individuos, sean idénticos por descendencia (fAB).
f AB  1 2  1 2  1 4  FX  1 2 rAB
Cálculo de coeficiente de consanguinidad
Progenitores comunes: A, D, E, G.
 Vía E – ACEDB.
FX   1 2  1  FE    1 2  
1
 Vía G – ACFGBD.
FX   1 2  1  FG    1 2  
1
 Vía D – ADB.
FX   1 2  1  FE    1 2  
1
 Vía A – AB.
FX   1 2  1  FE    1 2   1 4
5
6
3
2
5
6
3
32
64
8
2
FA tiene dos coeficientes de consanguinidad, porque tiene dos antecesores comunes, G y E.
59
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
 Vía E – CED.
FX   1 2  1  FE    1 2  
 Vía G – CFGD.
FX   1 2  1  FE    1 2  
3
4
3
4
1
16
1
64
FA  total    1 2    1 2   316
3
4
FX   1 2   1  116   1 4  19 16  19 64
2
FX total   132  164  18  19 64  30 64  15 32  0.4687
rAB  2FX  2  15 32  30 32  0.9375
Cálculo del coeficiente de coascendencia
FX  f AB  f A, AD  1 2  f AA  f AD 
fAA
f AA  1 2 1  FA   1 2 1  f CD   1 2 1  316   1 2  19 16  19 32
f CD  f EF , EG  1 4  f EE  f EG  f FE  f FG   1 4  1 2  0  0  1 4   316
f EE  1 2 1  f E   1 2 porque FE  0
f EG y f FE  0 porque no tienen ninguna relación de parentesco
f PG  fGO,G  1 2  fGG  fGO   1 2  1 2  1 4
fGG  1 2 1  fG   1 2 1  0  1 2
fAD
f AD  fCD, D  1 2  fCD  f DD   1 2  316  1 2   1 2  1116  1132
fCD  316
f DD  1 2 1  f D   1 2 1  0   1 2
f AB  1 2  f AA  f AD   1 2 19 32  1132   30 64  15 32  FX
rAB  2 f AB  2  15 32  30 32  0.9375
60
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
Matriz de parentesco – método tabular
Relaciones de parentesco con:
 Sí mismo  rAA  1  FA 
1
 Progenitores
½
(si A no es consanguíneo)
 Hermanos completos
½
 Medio hermanos
¼
 Abuelos
¼
Proceso iterativo que exige sólo ordenar cronológicamente los
animales, de manera que ningún individuo aparezca en la lista antes
de sus progenitores.
– – – –
– –
A B
A C
E D
A
B
C
D
E
F
A
1
0
0
0.5
0.5
0.5
B
0
2
0
0.5
0
0.25
C
0
0
1
0
0.5
0.25
D
0.5
0.5
0
1
0.25
0.625
E
0.5
0
0.5
0.25
1
0.625
F
0.5
0.25 0.25 0.625 0.625
1.125
Primera fila:
 rAA  1  FA  1 ya que los antecesores de A son desconocidos
 rAB y rAC  0 ya que no hay ninguna relación de parentesco
 rAD  1 2  rAA  rAB   1 2 1  0  1 2  0.5
 rAE  1 2  rAA  rAC   1 2 1  0  1 2  0.5
 rAF  1 2  rAA  rAD   1 2  0.5  0.5  1 2  0.5
61
Ley de Hardy-Weinberg
Endogamia en población ideal
Cálculo de rFF, ya que es el único individuo endogámico:
rFF  1  FF  1  1 2 rDE  1  1 2  0.25  1.125
La matriz es simétrica (primera fila igual a la primer columna
etc.). El cálculo de los coeficientes para las nuevas generaciones se
integra fácilmente en la tabla. Es interesante computar la matriz de
parentesco para programar apareamientos entre individuos, para
controlar el incremento de consanguinidad (muy importante en poblaciones pequeñas o en peligro de extinción), y también para evaluar la genética de los individuos, para diferentes caracteres de interés productivo.
Naturaleza del material hereditario
 1944 – Avery, Mcleod y McCarty demostraron que las moléculas
responsables del proceso de la transformación son los ácidos nucleicos. La inyección de DNA en bacterias R provoca la transformación en bacterias S (descubrimiento de la transformación).
 1952 – Hershey y Chase infectan E. coli con 2 cepas de fago T
marcadas con 32P (DNA) y 35S (proteína). Al infectar con fago 32P
la radioactividad permanece dentro de las células, mientras que
al infectar con fago 35S la radioactividad permanece en las partículas víricas.
Estructura del DNA
El DNA está compuesto por 4 moléculas, denominadas nucleótidos, que difieren entre sí según la base nitrogenada que llevan: adenina, citosina, timina y guanina. Según su estructura química, las bases nitrogenadas pueden ser purinas (A y G) o pirimidinas (T y C). Si
el grupo fosfato no está presente, la desoxirribosa y la base nitrogenada forman lo denominado nucleósido.
62
Naturaleza del material hereditario
Estructura del DNA
Erwin Chargaff estableció que el número de pirimidinas (T+C)
siempre equivale el número de purinas (A+G). Ello se debe a que en
la doble hélice de DNA, A=T (forman dos puentes de hidrogeno) y
C=G (forman tres puentes de hidrogeno). No obstante, el número de
A+T no tiene porque ser igual al número
C+G.
Las moléculas de desoxirribosa se
unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster. Existe una polaridad: el extremo 5’ de la molécula de DNA termina
en un grupo fosfato, y el extremo 3’ en
63
Naturaleza del material hereditario
Estructura del DNA
un grupo hidroxilo.
Watson y Crick (1953) demostraron que el DNA posee una estructura de doble hélice dextrógira, formada por dos cadenas azúcarfosfato antiparalelas y complementarias (5’-->3’ y 3’-->5’), unidas
entre sí mediante puentes de hidrogeno (A=T y C≡G). La conformación A está menos hidratada y más compactada que la conformación
B.
64
Naturaleza del material hereditario
Replicación del DNA
Replicación del DNA
La replicación del DNA es semiconservativa. Cada doble hélice está constituida por una cadena parental y una cadena “hija” complementaria. La cadena parental se utiliza como molde de replicación.
Replicación en procariotas
Tres DNA polimerasas:
 Dependientes de una molécula de DNA molde
 Dependientes de un cebador
 Actividad polimerasa 5’-->3’ (adición de nuevos nucleótidos)
 Actividad exonucleasa 3’-->5’ (lectura y edición)
La polimerasa I y la polimerasa III catalizan la replicación del
DNA en E. coli. La polimerasa II está más relacionada con la reparación de DNA.
El origen de replicación es único – ori. C. Se forman dos horquillas
de replicación que sintetizan las nuevas cadenas de DNA bidireccionalmente.
1. Las proteínas de iniciación se unen al ori. C.
65
Naturaleza del material hereditario
Replicación del DNA
2. La DNA helicasa abre la doble hélice de DNA rompiendo
puentes de hidrogeno.
3. La primasa sintetiza un fragmento de RNA que es usado
como cebador.
4. la DNA polimerasa III sintetiza una nueva cadena de
DNA. La DNA polimerasa I elimina el primer de RNA y lo
sustituye por una cadena de DNA.
La síntesis es continua (Leading
strand) – la DNA polimerasa III y la
horquilla de replicación van en la
misma dirección.
La síntesis de la cadena complementaria es discontinua (Lagging
strand) porque va en dirección opuesta a la de la horquilla. Para la síntesis
de la Lagging strand es necesario que
la primasa sintetice un primer de
RNA. A partir de ese primer, la DNA
polimerasa III sintetiza un pequeño
fragmentos de DNA, conocido como
fragmento de Okazaki. La DNA polimerasa I “rellena” los agujeros de
RNR, y la DNA ligasa une los fragmentos uno al otro.
La replicación del cromosoma circular de E. coli es bidireccional
(2 horquillas de replicación que se mueven en distintos sentidos). Por
ello, la denominación de leading o lagging strand detendrá de la horquilla que se consideran.
Replicación en eucariotas
DNA polimerasa Localización
Función
α
Nuclear
Replicación Lagging strand
β
Nuclear
Reparación
γ
Mitocondrial Replicación mitocondrial
δ
Nuclear
Replicación Leading strand
ε
Nuclear
Replicación
En procariotas, el ciclo de replicación dura aproximadamente 40
minutos mientas que en eucariotas requiere de 1 hora (levadura) a 24
horas (células en cultivo).
66
Naturaleza del material hereditario
Replicación del DNA
En el caso de los eucariotas, existen múltiples orígenes de replicación (de cientos a miles) para que el proceso de síntesis pueda realizarse en un tiempo razonable. La síntesis es bidireccional, es decir,
en cada origen de replicación hay dos horquillas que se muevan en
direcciones opuestas.
En la fase G1 del ciclo celular se sintetizan los factores necesarios
para llevar a cabo la replicación del DNA que tiene lugar durante la
fase S.
La enzima telomerasa permite la síntesis de la Lagging strand al
final del telómero. Los telómeros tienen secuencias repetitivas en sus
extremos. La telomerasa tiene actividad transcriptasa reversa por lo
que, usando un primer de RNA como molde, añade una secuencia repetida al extremo 3 del telómero. Posteriormente, la secuencia repetida añadida es eliminada junto con el primer de RNA.
Regulación de la replicación en eucariotas
El complejo de pre-replicación (pre-RC) constituye proteínas
Cdc6p y replication licensing factors. Posteriormente se convierte en
un complejo de post replicación que impide que pueda iniciarse un
67
Naturaleza del material hereditario
Replicación del DNA
nuevo ciclo de replicación. Unas proteínas denominadas ciclinas regulan la construcción del pre-RC.
Si se produce una alteración a nivel del DNA, la replicación puede
quedar parcialmente o completamente frenada. Si el defecto no puede ser reparado, la célula sufre apoptosis o muerte celular programada.
68
Naturaleza del material hereditario
Replicación del DNA
Replicación del DNA mitocondrial
En el caso del DNA mitocondrial, la replicación se inicia en OH.
Una vez la cadena naciente alcanza el OL, se inicia la replicación desde OL en sentido opuesto.
Rolling circle replication
Es común en virus y bacterias (plásmido F de E. coli). Se genera
un corte en la hebra +. El extremo 5’ queda libre. La DNA polimerasa
añade nucleótidos al extremo 3’. El DNA dúplex “rueda” sobre si
mismo, de modo que el extremo 5’ va alargando. El extremo 5’ libre
monocatenario es convertido en DNA bicatenario gracias a la acción
combinada de la primasa y la DNA polimerasa.
Ligamiento y recombinación
La recombinación homóloga se produce entre hebras de DNA que
presentan secuencias homologas, por ejemplo intercambio de cromátides hermanas durante la profase I de la meiosis; la recombinación
heteróloga se produce entre hebras de DNA que en su mayor parte
presentan secuencias distintas, por ejemplo la integración de un retrovirus al genoma de una célula hospedadora.
Recombinación homóloga y modelo de Holiday
En una célula gamética precursora diploide, el DNA se duplica antes de la profase I dando lugar a 4 cromátides hermanas. En el dibujo, sólo se observan las dos cromátides hermanas que van a recombinarse. Se observan 4 cadenas porque cada cromátide es una doble hélice constituida por dos cadenas antiparalelas.
Una endonucleasa rompe una de las cadenas de cada cromátide
hermana. Las dos cadenas rotas deben tener la misma polaridad. Una
de las cadenas invade y se une a la cadena adyacente, y viceversa. Este proceso de unión está catalizado por una DNA ligasa.
Debido a que las dos cromátides son homólogas, las cadenas “invasoras” se emparejan fácilmente con las cadenas complementarias.
El quiasma se desplaza creando una estructura heterodúplex.
Si la estructura anterior es rotada en tres dimensiones, da lugar a
al estructura de Holiday. Esta estructura es cortada por una endonucleasa de dos formas posibles. Los extremos cortados son unidos por
una DNA ligasa.
El corte f da lugar a moléculas heterodúplex y recombinantes
(afecta a ambas cadenas); el corte g da lugar a moléculas heterodúplex y no recombinantes (afecta a una única cadena – se repara la incompatibilidad).
69
Ligamiento y recombinación
Cuando la recombinación se produce dentro de un gen se habla de
recombinación intragénica.
La recombinación puede ser recíproca – se intercambia cantidad
igual de material genético, y cada hebra se queda con una copia. La
recombinación puede ser desigual (ilegítima) de manera que una cadena se queda con más de una copia, mientras que la otra se queda
con menos información que antes.
La recombinación desigual es frecuente en elementos repetitivos,
y su función es producir duplicación génica, de manera que un gen
sigue funcionando mientras que su copia va acumulando mutaciones,
hasta que sea afuncional o bien adquiera nueva función.
En el cerdo, el gen Kit ha sufrido replicación génica.
 Una única copia – capa salvaje
 Dos copias no mutadas – capa manchada (Piétrain)
70
Ligamiento y recombinación
 Dos copias, con el exón 17 ausente – capa blanca dominante
 Tres copias – capa blanca dominante
Recombinación específica de lugar
Un ejemplo de SSR sería la integración de fago λ en el genoma de
E. coli. Existen unas secuencias de adhesión (Att) en el fago λ que
presentan homología con secuencias Att del E. coli. Una integrasa
junto con la proteína IHF de E. coli cataliza la reacción. Un mecanismo similar permite la escisión del fragmento integrado.
Recombinación somática específica de lugar
Un mecanismo de recombinación relacionado es la recombinación
somatica de los genes V, J y C que tiene lugar en las células precursoras de los linfocitos B para dar lugar a las inmunoglobulinas (en linfocitos T se da una reordenación similar en los genes del TCR).
Reparación del DNA
Sistemas de reparación
Durante la replicación, la DNA polimerasa lee y edita la cadena
recién sintetizada. Debido a que posee actividad exonucleasa, puede
eliminar las bases mal colocadas.
Existen diversos sistemas de reparación:
 Prevención de errores
 Reversión de la mutación
 Escisión de bases o nucleótidos
 Reparación de roturas de la doble hélice
 Reparación de lesiones que bloquean la replicación
En humanos, aproximadamente 130 genes codifican proteínas relacionadas con la reparación del DNA.
Cuando se produce una alteración del DNA, el ciclo celular se detiene mientras la mutación es reparada. Si la reparación resulta imposible, la célula activa el mecanismo de la muerte celular programada (“suicidio celular” – apoptosis).
La inactivación de los genes responsables de los sistemas de reparación da lugar ala aparición de enfermedades, como por ejemplo la
xeroderma pigmentosum.
71
Reparación del DNA
Prevención de la mutación
La enzima superóxido dismutasa cataliza la conversión de radicales superóxido en peróxido de hidrogeno (agua oxigenada). La enzima catalasa convierte el agua oxigenada en agua.
Reversión de la mutación
Fotoliasas
La irradiación del DNA con luz UV causa la formación de dímeros
de pirimidinas (habitualmente timinas) que pueden causar errores en
la replicación o incluso impedirla.
La enzima fotoliasa es capaz de localizar y escindir el dímero de
timina mediante la energía proporcionada por la luz visible del extremo azul de espectro. En mamíferos, las fotoliasas son fotorreceptores que regulan los ritmos circadianos.
Metiltransferasas
El tratamiento con agentes alquilantes ocasiona la alquilación de
purinas y pirimidinas, y da lugar a la aparición de mutaciones. Por
ejemplo, alquilación de guanina asociada a G–C puede transformar el
par de bases a A–T.
Las metiltransferasas transfieren grupos metilo de la base alquilada a un residuo cisteina situado en el centro activo de la enzima. A
continuación, la metiltransferasa queda inactivada de forma irreversible.
Reparación mediante escisión de bases
Eliminación de una base
La base mutada es eliminada y reemplazada, por ejemplo por las
glicosidasas (11 tipos en mamíferos).
La glicosidasa corta el enlace N-glicosídico entre la base alterada
y el azúcar generando un lugar abásico. Una endonucleasa AP elimina
el lugar abásico y un nuevo nucleótido es insertado.
Eliminación de varias bases
En algunos casos, el lugar abásico no puede ser eliminado, por
ejemplo, los lugares abásicos oxidados no son fácilmente eliminados.
En estos casos, la endonucleasa AP elimina el fragmento que contiene el lugar abásico y una DNA polimerasa y una DNA ligasa rellenan el hueco.
El sistema de reparación mediante la escisión de bases sólo puede
reparar mutaciones para las que existen glicosilasas específicas. El
sistema de reparación mediante la escisión de nucleótidos reconoce
72
Reparación del DNA
una gran diversidad de mutaciones asociadas a una distorsión de la
doble hélice, como los dímeros de timina. En este caso, se elimina no
sólo la base mutada, sino el fragmento que la contiene.
Sistema uvrABC en E. coli
Mecanismo: AB detectan la presencia de un dímero T, BC abren
agujeros en la cadena afectada y D elimina el segmento portador del
dímero.
Eucariotas
En mamíferos, el mecanismo de reparación es mucho más complejo y depende de la acción de más de 30 proteínas. Dos tipos de REN
diferentes:
 Independiente de la transcripción (cualquier lugar del genoma).
 Asociado a la transcripción
A veces la DNA polimerasa inserta bases erróneas en la cadena
recién sintetizada. Existen proteínas específicas que detectan las bases mal emparejadas y restituyen la base correcta (sistema mutHLS).
Una vez detectada la base mal emparejada, el fragmento que la contiene es eliminado (hasta 1 Kb) y rellenado por una DNA polimerasa y
una DNA ligasa.
En E. coli, se determina cual de las dos cadenas es la molde mediante la detección de secuencias GATC metiladas (parentales) versus
las no metiladas (hijas).
Reparación de roturas de la doble hélice
Se trata de alteraciones extremadamente graves, que a menudo
acarrean la muerte celular si no son reparadas.
73
Reparación del DNA
74
Reparación del DNA
Existen dos mecanismos fundamentales:
 Recombinación homóloga. Una molécula de DNA homóloga (por
ejemplo, cromátide hermana) es usada como molde durante el
proceso de reparación. Importante en levaduras.
 Ligación de los dos extremos de la rotura. Sin necesidad de que
exista homología de secuencia.
Reparación de mutaciones que bloquean la replicación
La DNA polimerasa se detiene debido a la existencia de un dímero
de timina. Se forma un complejo RecA + UmuD, en el que RecA corta
a UmuD en UmuD’ y UmucC. Este último complejo es el que permite
continuar a la polimerasa la síntesis de la cadena naciente.
El agujero se suele rellenar con una elevada tasa de error, por lo
que debe ser reparado por otros sistemas de reparación.
Conversión génica
La conversión génica se define como la transferencia unidireccional (no recíproca) de información entre dos secuencias homólogas.
Durante la meiosis, se producen quiasmas entre cromátides hermanas dando lugar a la formación de estructuras heterodúplex. Posteriormente, las bases mal emparejadas son reparadas y un alelo pasa a convertirse en el alelo alternativo.
La conversión génica también se produce durante el proceso de la
recombinación somática relacionada con la reordenación de los genes
de las inmunoglobulinas.
En pollo, un único gen funcional Vλ sufre múltiples sustituciones
de unos pocos nucleótidos debido a fenómeno de conversión génica
en los que participan 25 pseudogenes de Vλ. Tanto en pollo como en
cerdo, este es el principal mecanismo generador de diversidad en los
genes de las inmunoglobulinas.
75
Reparación del DNA
Arquitectura del genoma de los procariotas
Característica
Eubacteria Arqueobacteria Eucariota
Cromosoma circular
Si
Si
No
Origen de replicación
1
1
Muchos
DNA no codificante
Poco
Poco
Mucho
Enzimas de replicación
Enzimas de transcripción
Enzimas de traducción
Metabolismo
Características generales
76
Arquitectura del genoma procariota
 No hay membrana nuclear, por lo que la transcripción y traducción pueden producirse de forma simultánea (el RNA mensajero
se traduce a medida que se va transcribiendo).
 En general, los genomas bacterianos tienen tamaño inferior a 5
Mb. La mayor parte del genoma corresponde a genes.
 En la mayor parte de las bacterias el genoma es circular y dispone de un único origen de replicación, aunque se han descrito genomas lineales como en el caso de Borrelia bugdorferi.
 Los genes están organizados en operones y codifican mRNA policistrónicos.
 Normalmente no presentan intrones.
 Una única RNA polimerasa transcribe los mRNA y RNA estructurales.
 Existen pseudogenes, aunque en general son rápidamente eliminados. El genoma de Mycobacterium leprae contiene 1,100 pseudogenes y 1,600 genes funcionales.
 Las bacterias presentan un nucleoide – cromosoma circular superenrollado.
Superenrollamiento
El superenrollamiento puede ser positivo (por ejemplo, en arqueas) o negativo (eubacterias).
 Superenrollamiento negativo – la molécula torcida gira hacia la
derecha.
 Superenrollamiento positivo – la molécula se gira hacia la izquierda.
El superenrollamiento es una forma de liberar la tensión torcida
producida por la adición positiva o sustracción negativa de vueltas en
una molécula circular. El superenrollamiento en E. coli está regulado
por unas enzimas denominadas DNA girasa y topoisomerasa I.
Empaquetamiento de DNA
En E. coli existen una serie de proteínas relacionadas con el empaquetamiento del DNA que reciben el nombre de proteínas similares
a histonas: Histone-Like Nucleoid Structuring Protein (H-NS), Integration Host Factor (IHF) etc. Dichas proteínas tienen un bajo peso
molecular y los genes que las codifican existen en múltiples copias;
sin embargo, su similitud con las histonas de eucariotas es muy baja
(a excepción de las proteínas HU).
Estas proteínas posiblemente son capaces de remodelar el grado
de compactación del DNA nucleoide, influyendo sobre la expresión
génica.
77
Arquitectura del genoma procariota
Proteínas HU
Las proteínas HU forman una estructura tetramérica unida a un
segmento de 60 pb de DNA. En arqueas, las proteínas de empaquetamiento son similares a histonas.
Plásmidos
Los plásmidos son moléculas extracromosómicas de DNA, circulares (+++) que coexisten con el genoma de la bacteria. Su existencia
es autónoma del cromosoma bacteriana (raramente se insertan). Los
plásmidos son portadores de genes no presentes en el cromosoma
bacteriano, por ejemplo genes de resistencia a bacterias. Un mismo
plásmido puede hallarse en diferentes especies distintas de bacterias.
Por eso, no suele ser considerado como parte del genoma bacteriano
propiamente dicho, aunque en algunos casos esto sea muy discutible.
Especie
Cromosoma
Plásmidos
E. coli
Circular 4.6 Mb
Pocas Kb
Vibrio cholerae
Circular 2.96 Mb
(71% genes)
Megaplásmido 1.07 Mb (29% genes)
Borrelia
B31
Lineal 911 Kb
(3,583 genes)
17-18 plásmidos (533 Kb) 430 genes,
algunos esenciales
burgdonrferi
Transferencia lateral de genes – concepto de especie
La secuenciación de genomas bacterianos ha permitido determinar que cepas de una misma especie pueden tener diferencias notable
a nivel genómico.
Especie
Tamaño genoma
Genes cepa-específicos
E. coli
4.64 Mb
528
O157:H7 (patógena)
5.53 Mb
1387
Se ha documentado la existencia de transferencia lateral de g enes
entre distintas especies, incluso entre eubacterias y arqueas. Por
ejemplo, 12.8% del genoma de E. coli K12 se adquirió por transferencia lateral.
La transferencia lateral de genes en el organismo precursor de las
eubacterias, las arqueas y los eucariotas (progenote) explica las similitudes observadas entre estos tres reinos.
Elementos repetitivos – transposones de DNA
78
Arquitectura del genoma procariota
Las secuencias repetitivas se dividen en tres grupos:
 Secuencias de inserción
 Transposones
 Integrotes y casetes génicos
Arquitectura del genoma vírico
Los genomas víricos pueden ser de DNA o RNA, y de cadena doble
o sencilla.
Los genomas de RNA de doble cadena están segmentados (constituidos por distintas moléculas de RNA, cada una de ellas portadora
de un determinado gen). Los genomas de RNA de cadena sencilla
pueden estar segmentados. Los genomas de DNA de doble cadena
pueden ser lineales o circulares.
Los virus pueden presentar genes solapados: una misma secuencia puede codificar distintas proteínas funcionales dependiendo del
marco de lectura escogido. En ciertos casos, los virus sintetizan
enormes poliproteínas que posteriormente son escindidas enzimáticamente para dar lugar a varias proteínas funcionales.
Los retrovirus poseen una enzima denominada transcriptasa reversa, capaz de sintetizar una copia de DNA a partir de una molécula
de RNA.
Prueba de complementación
La infección de E. coli con dos cepas de fagos mutantes:
 Si en ambos fagos la mutación está en la misma unidad funcional
(cistrón) en ambos fagos, no hay complementación (fagos no
crecen).
 Cis teste es un control
Pueden considerarse al cistrón como una región que codifica un
polipéptido funcional, es decir, es un término prácticamente equivalente a un gen.
Arquitectura del genoma eucariota
Características generales
 El genoma nuclear de la célula eucariota está constituido por al
menos dos cromosomas lineales.
 El número de cromosomas varía entre especies (cariotipo).
 En el genoma del pollo se ha descrito la existencia de minicromosomas (pequeños, elevada densidad génica).
79
Arquitectura del genoma procariota
o 6 cromosomas (66% DNA, 25% genes)
o 33 minicromosomas (34% DNA, 75% genes)
 El tamaño del genoma es muy variable (de 10 Mb a 100,000 Mb)
sin correlación con el grado de complejidad biológica (paradoja
del valor C).
Tamaño del genoma y paradoja del valor C
Especie
Tamaño genoma (Mb)
Número de genes
Mycoplasma genitalium
0.58
500
E. coli K12
4.64
4,400
Saccharomyces cerevisiae (levadura)
12.1
5,800
Tetrahymena piriformis (protozoo)
190
Caenorhabditis elegans (nemátodo)
97
19,000
180
13,600
Homo sapiens (hombre)
3,200
30,000
Mus musculus (ratón)
3,300
Drosophila melanogaster (mosca vinagre)
Triticum aestivum (trigo)
Arabidopsis thaliana (arbeja)
16,000
125
25,000
A medida que se incrementa la complejidad biológica, se reduce la
compactación del genoma, y se incrementa la proporción de los elementos repetitivos:
Característica
Levadura Mosca Humano
Densidad de genes (por Mb)
479
76
11
Intrones por gen
0.04
3
9
12%
44%
Abundancia de elementos repetitivos 3.4%
En eucariotas inferiores, el genoma es muy compacto – las secuencias intrónicas son escasas al igual que los espacios intergénicos.
El principal factor que explica la paradoja del valor C es la enorme
abundancia de los elementos repetitivos en algunas especies.
80
Arquitectura del genoma procariota
Genoma humano
3,200 Mb
Genes y secuencias relacionadas
1,200 Mb
Genes
48 Mb
81
DNA intergénico
2,000 Mb
Secuencias relacionadas
1,252 Mb
Repeticiones dispersas
1,400 Mb
Otros
600 Mb
Pseudogenes
LINE
640 Mb
Microsatélites
90 Mb
Fragmentos de genes
SINE
420 Mb
Varios
510 Mb
Intrones
LTR
250 Mb
Arquitectura del genoma procariota
DNA repetitivo
Repeticiones en tándem (DNA satélite)
Se generan por errores en la replicación o por recombinación desigual.
 DNA centromérico. Presenta repeticiones de 171 pb (humano)
denominadas DNA alfoide. Ocupan hasta 1 Mb; probablemente su
función es estructural durante la replicación.
 Minisatélites. La unidad de repetición suele ser hasta 25 pb.
Ocupan regiones de hasta 20 Kb. En el DNA telomérico (5’TTAGGG-3’) forman tándem de centenares de copias en el extremo de los cromosomas.
 Microsatélites. En general, son repeticiones en tándem de un
motivo corto (1 a 4 pb) repetido 10-20 repeticiones como máximo. Su función es desconocida. Es muy abundante en el genoma:
hasta 650,000 copias por genoma. Son altamente polimórficos –
el número de repeticiones en cierto cromosoma puede variar. Se
utiliza esta característica para hacer pruebas de identificación
personal y de paternidad.
Repeticiones dispersas
Transposición con un intermediario de RNA (retrotransposición)
 Elementos Long Terminal Repeats (LTR) tienen tamaño aproximado de 7 Kb, y su número es de 443,000 copias por genoma.
 LINE (Long Interspersed Nuclear Elements). Su tamaño aproximado es de 6 Kb, y son muy abundantes: 868,000 copias por genoma.
 SINE (Short Interspersed Nuclear Elements). Su tamaño aproximado es de 0.3 Kb. Son los más abundantes: 1,558,000 copias
por genoma.
Las secuencias LINE se pueden activar bajo ciertos estímulos,
transcribiéndose en mRNA (tiene promotor). El mRNA codifica dos
proteínas: una retrotranscriptasa y una endonucleasa. Estas dos proteínas permiten la reinserción del mRNA al genoma: la transcriptasa
inversa traduce el mRNA en DNA bicatenario, y la exonucleasa inserta la cadena a un cromosoma.
Las secuencias SINE son más cortas, y no presentan enzimas que
les permiten reinsertarse en el genoma; para reintroducirse al genoma, utilizan las enzimas producidas por la transcripción de la secuencia LINE.
82
Arquitectura del genoma procariota
También es posible que un RNA (ni del LINE ni del SINE – cualquier RNA) en vez de traducirse vuelva al núcleo y reinserte en el genoma, dando un pseudogen (porque no tiene promotor – deriva de un
mRNA procesado). El pseudogen accidentalmente puede insertase
cerca de un promotor, pero es muy improbable. Aparte, el hecho que
no tiene intrones dificulta su procesamiento.
83
Arquitectura del genoma procariota
Empaquetamiento del DNA
El DNA está unido a un complejo de 8 histonas (octámero) formando el nucleosoma. El DNA asociado a histonas oscila entre 140 y
150 pb, y el DNA linker tiene longitud aproximada de 50-70 pb. Las
histonas linker mantienen unido el DNA al octámero formando el
cromatosoma. La fibra de nucleosomas (11 nm de diámetro) al condensarse forma una estructura enrollada denominada solenoide o fibra de 30 nm.
El solenoide forma lazos que emanan de una matriz proteica o
scaffold. Cada lazo tiene 40-100 Kb y recibe el nombre de dominio
estructural. Existen unas regiones ricas en A-T llamadas Scaffold Attachment Regions (SAR) o Matrix Associated Regions (MARs). Las
84
Arquitectura del genoma procariota
MARs están relacionadas con la unión de la cromatina a la matriz nuclear (scaffold), la remodelación de la cromatina y la transcripción
génica. Los MARs podrían facilitar la yuxtaposición de determinadas
secuencias a la maquinaria transcripcional, de replicación o recombinación asociada a la matriz nuclear.
El complejo constituido por el DNA genómico y diversas proteínas
asociadas (esencialmente histonas) se denomina cromatina.
Cuando los cromosomas se tiñen de colorantes, se observan regiones densamente teñidas (heterocromatina) y regiones menos teñidas (eucromatina).
La heterocromatina se divide en dos clases, heterocromatina
constitutiva y heterocromatina facultativa. La primera está permanentemente compactada, y corresponde a los centrómeros, telómeros
y a la mayor parte del cromosoma Y; la heterocromatina facultativa
contiene genes que durante ciertos periodos del ciclo celular deben
permanecer inactivos.
La eucromatina contiene genes que se expresan activamente; es
menos compactada que la heterocromatina, por lo que resulta accesible a las proteínas relacionadas con la expresión génica.
Estructura de los genes
 Promotor. Marcado en amarillo.
 5’ y 3’ Untranslated Regions (UTR). Marcados en azul. Suelen ser
más polimórficos que los exones. Son más polimórficos que los
exones porque no afectan la funcionalidad de la proteína (no codifican aminoácidos). Afectan la estabilidad y traducibilidad del
mRNA.
 Exones. Marcados en marrón. Regiones codificantes (desde el
codón de inicio ATG hasta el codón de parada TGA).
 Intrones. Marcados en verde. Secuencias que interrumpen los
exones. Pueden tener funciones reguladoras de la expresión.
Clasificación de genes por RNApol que los transcribe
 Clase I
85
Arquitectura del genoma procariota
o Codifican la mayor parte de rRNA: 5S, 8S, 18S y 28S.
o Cientos o miles de copias
o Organización en tándem (organizadores nucleolares)
 Clase II
o Codifican mRNA y la mayor parte de small nuclear RNA
(excepto U6) que están involucrados en el procesamiento
de mRNA.
o mRNA: caperuza de 7-metilguanosina (5’) y cola de poli-A
(3’).
o Los snRNA tienen 2, 2, 7 trimetilguanosina en el extremo
5’.
 Clase III
o tRNA y rRNA 5S - síntesis proteica
o RNA7SL – transporte intracelular
o RNA U6 – procesamiento del transcrito
Pseudogenes
Los pseudogenes son copias no funcionales de un gen. Existen dos
tipos:
 Pseudogen con intrones (no procesado)
 Pseudogen procesado
Un pseudogen con intrones es un gen que se duplica, por ejemplo
por recombinación desigual. La nueva copia acumula nuevas mutaciones. Puede adquirir una nueva función o inactivarse debido a que
se produzca una mutación que impida su transcripción o traducción.
Se inactiva si sufre una mutación inactivadota: eliminación o inserción que altera el marco de lectura; una mutación que provoca aparición de un codón de parada inmaturo etc. Ejemplo: el gen DRB1ψ en
bovino (regulación de muerte celular).
Un pseudogen procesado es una copia de mRNA que se retrotranscribe y se inserta de nuevo al genoma. No contiene intrones, y tampoco un promotor. No se transcribe a no ser que se inserte en una región que contenga promotor. Ejemplo: gen BCL2L1 y pseudogenes
BCL2L1ψ en bovino.
Genoma de mitocondria y cloroplasto
El genoma mitocondrial está constituido por una única molécula
de DNA circular de aproximadamente 16Kb. En algunos eucariotas inferiores como Paramecium son lineales. Su organización es muy compacta, sin intrones ni UTR; sin embargo, en algunas especies de plan-
86
Arquitectura del genoma procariota
tas y eucariotas inferiores, ciertos genes mitocondriales poseen intrones. Cada mitocondria contiene aproximadamente 10 moléculas de
DNA circular, por tanto hay acerca de 8,000 genomas mitocondriales
por célula. Esta característica, y el pequeño tamaño del genoma mitocondrial, favorecen su utilización en genética forense. Algunas proteínas mitocondriales son codificadas por genes nucleares.
El genoma del cloroplasto posee tamaño superior, de 120-200 Kb.
En Marchantia, el genoma del cloroplasto tiene 136 genes, de los cuales 90 son codificantes. En algas dinoflageladas, el genoma del cloroplasto está distribuido en múltiples “cromosomas” circulares, cada
uno contiene un gen.
Genoma mitocondrial
El genoma mitocondrial en mamíferos contiene 13 regiones codificantes, 22 genes tRNA y 2 genes rRNA 12S y 16S. La región D-loop,
que controla la replicación, es hipervariable.
Teoría del endosimbionte
Esta teoría postula que los orgánulos celulares provienen de bacterias que formaron una asociación simbiótica con una célula eucariota precursora.
87
Arquitectura del genoma procariota
La secuencia nucleotídica de muchos genes mitocondriales son
más similares a las de genes bacterianos que a las de genes nucleares
eucariotas. Algunas especies bacterianas actuales como Rickettsia poseen una organización genómica que sugiere que podrían ser la versión “moderna” de las primitivas bacterias endosimbiontes.
Transferencias de genes entre orgánulos y núcleo
El genoma mitocondrial de Arabidopsis contiene segmentos de
DNA nuclear y 16 fragmentos del genoma del cloroplasto, incluyendo
16 genes de tRNA aun activos. El genoma nuclear de la misma especie contiene fragmentos cortos del genoma mitocondrial y del cloroplasto, además de un segmento mitocondrial de 270 Kb, localizado
cerca del centrómero del cromosoma 2.
En vertebrados también se ha documentado la transferencia de
genes entre el núcleo y la mitocondria (y viceversa).
Aparición de los intrones
Hay dos teorías que intentan explicar la aparición de los intrones
en los eucariotas:
 Early. Tanto eucariotas y procariotas tenían intrones, pero lo últimos los habían perdido.
 Late. Ni eucariotas ni procariotas tenían intrones, pero el genoma eucariota ha sido invadido en un punto de tiempo tardío. El
hecho que algunos genes mitocondriales (pocos) tienen intrones
refuerza esta teoría.
Transcripción
Características del RNA
El RNA es una molécula similar al DNA, aunque suele ser de cadena sencilla. El azúcar que forma el esqueleto de la molécula es la ribosa, y en lugar de timina hay uracilo.
La transcripción del DNA en una molécula sencilla está basada en
la complementariedad de bases. Una cadena de la doble hélice sirve
como molde (template) de la transcripción.
Tipo de RNA
Función
RNA mensajero (mRNA)
Codifica una proteína
RNA ribosomal (rRNA)
Componente estructural del ribosoma
RNA de transferencia (tRNA)
Transporta y coloca aminoácidos en la cadena polipeptídica
88
Transcripción
RNA pequeño nuclear (snRNA)
Procesamiento del mRNA (splicing)
RNA pequeño nucleolar (snoRNA)
Modificación del mRNA
RNA pequeño citoplasmático
Gran diversidad de funciones
Transcripción en procariotas
Las RNA polimerasas son enzimas molde dependientes (DNA bicatenario) que no necesitan un primer para iniciar la síntesis. Al igual
que la DNA polimerasa, leen la molécula molde en dirección 3’-->5’, y
sintetizan una cadena de RNA complementaria, en el sentido 5’-->3’.
En procariotas, un único tipo de RNA polimerasa cataliza la síntesis de mRNA, tRNA y rRNA. Es un complejo multimérico constituido
por varias subunidades.
Los promotores son regiones de DNA que contienen señales de
iniciación de la transcripción. En las posiciones -10 y -35 (considerando como +1 el punto de inicio de la transcripción) existen unas
secuencias consenso llamadas -35 box y -10 box o Pribnow box.
El punto de inicio de la transcripción está a 20-600 pb upstream
de la región codificante. La RNA polimerasa reconoce la -35 box y se
une a la región promotora “cerrada”. La enzima provoca la rotura de
los puentes de hidrogeno a nivel de la -10 box, abriendo el promotor
e iniciando la transcripción.
89
Transcripción
Se produce la elongación del RNA – la subunidad σ se disocia del
complejo. La adición de ribonucleótidos al extremo 3’ de la cadena
naciente.
La terminación de la transcripción se puede dar por dos mecanismos fundamentales.
Terminación Rho independiente
La terminación tiene lugar en una región que contiene un palíndromo invertido seguido de un tramo de A. El tracto de A tiene baja
Tm por lo que la RNA polimerasa acaba disociándose del DNA.
90
Transcripción
Terminación dependiente de Rho
La proteína Rho persigue a la RNA polimerasa. Cuando la RNA polimerasa queda detenida debido a la formación de un lazo intracatenario en la molécula de RNA, Rho alcanza a RNA polimerasa y promueve su disociación del DNA.
Transcripción en eucariotas
En eucariotas existen tres diferentes RNA polimerasas, cada una
formada por 8-12 subunidades.
91
Transcripción
 RNA polimerasa I – transcribe rRNA
 RNA polimerasa II – transcribe mRNA
 RNA polimerasa III – transcribe tRNA
En eucariotas los promotores son más complejos. Cada RNA polimerasa reconoce un tipo de promotor distinto. La RNA polimerasa no
reconoce directamente la secuencia promotora, sino que es necesaria
la participación de factores de transcripción.
El factor de transcripción general TFIID se une a la TATA box. Se
forma el complejo de preiniciación, constituido por otros factores de
transcripción y RNA polimerasa. La RNA polimerasa se fosforila e
inicia la síntesis de RNA.
Procesamiento del mRNA eucariota
Prácticamente al inicio de la transcripción, una guanosina se añade al extremo 5’ del transcrito. Esa guanosina es posteriormente me92
Transcripción
tilada. La adición de una 7-metilguanosina es fundamental en el proceso de exportación y traducción de mRNA y disminuye su degradación.
Hacia el final de la transcripción, tiene lugar la adición de un
segmento poliA. Factores de escisión reconocen una secuencia consenso de poliadenilación (AAuAAA) y cortan el mRNA a una distancia
de 20-30 pb. Una poliA polimerasa cataliza la síntesis de un segmento de aproximadamente 200 A. El segmento poliA afecta la degradabilidad y la traducción del mRNA.
Splicing
Los intrones contienen secuencias consenso que coinciden con el
inicio y el final del intrón (regla GU/AG).
La maquinaria que regula el procesamiento de los intrones está
constituida por ribonucleoproteínas constituidas por snRNA (U1, U2,
U5 y U6) y diversas proteínas.
93
Traducción
Traducción
Naturaleza del código genético
 Cada triplete de nucleótidos (codón) especifica un aminoácido
sin ambigüedades.
 El código no es solapado.
 Degenerado: un mismo aminoácido puede ser especificado por
distintos codones (3ª posición es variable).
 El código es bastante universal aunque existen excepciones.
Excepciones del código genético
Codón
Usual
Alternativo
Donde se produce
AGA
ARG
Stop/serina
Mitocondrias, protozoos (ciertas spp)
AGG
ARG
Stop/ser
Mitocondrias, protozoos (ciertas spp)
AUA
ILE
MET
Mitocondrias
CGG
ARG
TRP
Mitocondrias plantas
CUU
LEU
THR
Mitocondrias levaduras
CUC
LEU
THR
Mitocondrias levaduras
CUA
LEU
THR
Mitocondrias levaduras
CUG
LEU
THR
Mitocondrias levaduras
AUU
ILE
Inicio
Algunos procariotas
GUG
VAL
Inicio
Algunos procariotas
94
Traducción
Características de ribosomas
Los ribosomas coordinan la síntesis de proteínas colocando el
mRNA el aminoacil-tRNA y los factores asociados al complejo de traducción en la posición correcta.
Características de tRNA
Las bacterias tienen 30-45 tRNA; en eucariotas hay más de 50.
Hay tRNA isoaceptores – más de un tRNA para un mismo aminoácido.
En su estructura se puede distinguir el brazo aceptor que “carga”
el aminoácido y el anticodón que interacciona con el codón del
mRNA.
Las enzimas aminoacil-tRNA sintetasas reconocen y cargan el
aminoácido en el brazo aceptor del tRNA. En la mayor parte de organismos existen 20 aminoacil-tRNA sintetasas, una para cada aminoácido.
El anticodón del tRNA puede unirse al codón del mRNA de forma
que no sigue la regla de Watson-Crick, es decir, que pueden emparejarse bases no complementarias, pero sólo en la posición 3º.
Marco de lectura
95
Traducción
96
Traducción
Traducción – etapas
1. Unión del t-RNA + aminoácido mediante una reacción de aminoacilación catalizada por una aminoacil-tRNA sintetasa.
2. Iniciación: formación del complejo tRNA-ribosoma-mRNA. Muy
distinto en procariotas y eucariotas.
3. Las etapas de elongación y terminación son muy similares en procariotas y eucariotas.
4. El mRNA es leído en sentido 5’-->3’ y el polipéptido se sintetiza en
sentido COOH --> NH2.
Iniciación de la traducción en procariotas
En bacterias, el complejo de inicio de la traducción se localiza en
el codón de iniciación (subunidad pequeña del ribosoma sobre ATG).
La subunidad pequeña del ribosoma + IF-3 se unen a Ribosome Binding Site o secuencia de Shine Dalgarno (5’AGGAGGU-3’). El t-RNA de inicio es portador
de una metionina formilada.
El factor IF-1 induce un cambio conformacional que permite la unión de la subunidad
mayor del ribosoma, y concluye la etapa de
elongación.
Iniciación de la traducción en eucariotas
El ribosoma se une al extremo 5’ del mRNA
y examina la secuencia hasta hallar el codón
de iniciación ATG (incluido en una secuencia
consenso 5’-ACCAUGG-3’ o secuencia consenso de Kozak).
Se monta el complejo de preiniciación:
 Subunidad 40S del ribosoma
 tRNA + aminoácido
 factores de iniciación: eIF-2, eIF-1, eIF-1ª
y eIF-3.
El complejo de preiniciación se une al extremo 5’ del mRNA. Resulta fundamental la
interacción
con
la
caperuza
de
7metilguanosina y el segmento poliA.
Elongación del péptido
1. El t-RNA iniciador + Met se halla en
97
Traducción
el lugar P del ribosoma.
2. Se transporta el siguiente aminoácido por su correspondiente t-RNA al lugar A (aceptor) del ribosoma.
3. Se cataliza el enlace peptídico entre el extremo COOH de la
metionina y el extremo NH2 del aminoácido en posición A.
4. El ribosoma se desplaza sobre el mRNA hasta alcanzar el siguiente codón. El nuevo codón queda colocado sobre el lugar
A; el tRNA y el dipéptido son desplazados al lugar P.
5. El tRNA deacilado del lugar P se desplaza al lugar E (Exit) y
es eliminado.
6. El mismo ciclo vuelve a repetirse, añadiendo otro aminoácido.
7. Al llegar al codón Stop o parada, el lugar A no es ocupado
por un tRNA sino por una proteína llamada Release Factor.
8. La disociación del ribosoma es efectuada por una proteína
llamada factor de reciclamiento ribosomal.
98
Traducción
Modificaciones post-traduccionales
1. Plegamiento de la proteína por chaperones.
2. Escisión proteolítica de ciertos segmentos de la proteínas, como la secuencia señal.
3. Modificación química (fosforilación, glicosilación etc.).
4. Procesamiento de inteínas – intrones proteicos.
Regulación de expresión génica en procariotas
Un locus regula a otro locus en cis si es necesario que esté en la
misma molécula de DNA para poder ejercer dicho efecto regulador.
99
Regulación de la expresión génica en procariotas
Un ejemplo es la región llamada operador, en el operón de la lactosa.
Otro ejemplo sería de los promotores.
Un locus regula a otro en trans cuando no es necesario que esté en
la misma molécula de DNA para ejercer dicho efecto regulador. Un
ejemplo sería el del represor de la lactosa, que puede ejercer su efecto inhibidor aunque el gen que lo codifica sea eliminado del genoma
de E. coli e insertado en un plásmido.
Para un biólogo molecular, normalmente se entiende por regulación en cis una secuencia a la cual se une una proteína reguladora,
mientras que dicha proteína sería un regulador en trans.
Control mediante operones
Operón de la lactosa
Control negativo
La transcripción de los genes Z, Y y A da lugar a un mRNA policistrónico. Están relacionados con el metabolismo de la lactosa.
El gen I es un gen regulador que codifica un represor (control negativo). El locus operador O es una región a la que se une el represor.
En ausencia de lactosa en el medio, el represor forma un tetrámero que se une al operador O.
En situaciones de abundancia de lactosa en el medio, es necesario
activar la expresión de los genes del metabolismo de la lactosa. La
lactosa se une al represor, provocando un cambio conformacional que
impide su unión al operón.
Control positivo
Si los elevados de glucosas en el medio son elevados, la bacteria
no necesita los enzimas del operón LAC, porque la consumación de
glucosa es preferible – los enzimas de la glicólisis se expresan constitutivamente. El operón LAC tienen una región llamada CAP binding
site, a la que se une una proteína CAP cuando forma un complejo con
CAMP. Se habla de control positivo porque para la transcripción de
los genes Z, Y y A es necesaria la presencia de una señal activadora
(CAP + CAMP).
Si los niveles de glucosa son altos, los niveles de CAMP son bajos y
la proteína CAP no se une a su sitio de unión. Si los niveles de glucosa
son bajos, los niveles de CAMP se incrementan y la proteína CAP puede unirse a su sitio de unión activando la transcripción del operón
LAC.
100
Regulación de la expresión génica en procariotas
El operón de la arabinosa
El metabolismo de la arabinosa está catalizado por tres enzimas,
A, B y D. la región iniciadora se denomina Ara I. La proteína Ara C
regula la expresión de A, B y D. En presencia de arabinosa, Ara C
adopta una conformación que le permite unirse a la región Ara I y activar la transcripción (control positivo).
Otro sistema de control positivo es el complejo CAP + CAMP, que
también activa la transcripción.
En ausencia de arabinosa, Ara C adopta otra conformación y actúa
como un represor uniéndose a las regiones O e I, formando un bucle.
Puede hablarse de control dual, ya que Ara C puede actuar como represor o activador de la transcripción.
Operón del triptófano
El operón del triptófano se controla mediante un represor, que se
sintetiza de forma constitutiva. El represor sólo es activo cuando esté
unido a triptófano, es decir, que cuando hay bajos niveles del aminoácido el represor no puede unirse al operón y la transcripción se
activa. Aparte de este mecanismo, hay otro que se efectúa a nivel
traduccional, dependiendo de la velocidad de traducción.
El gen Trp E posee una secuencia llamada líder con una longitud
de 160 pb. La deleción de una región de 30 pb (atenuadora) provoca
la expresión constitutiva del operón Trp.
Si existen niveles altos de triptófano en el medio, el ribosoma
avanza más rápidamente leyendo el mRNA, y éste adopta cierta estructura, que provoca la terminación de la traducción.
101
Regulación de la expresión génica en procariotas
Si hay nivel bajo de triptófano, el ribosoma queda “encallado” y se
forma otra estructura secundaria en el mRNA, que permite continuar
la transcripción. El ribosoma se “encalla” porque en la secuencia líder hay dos triptófano, y si hay poco de este aminoácido en el medio,
tarda en encontrarlo.
102
Regulación de la expresión génica en procariotas
Operones – resumen
Operón
Lactosa
Arabinosa
Triptófano
Propósito
Metabolismo de lactosa
Metabolismo de arabinosa
Síntesis de triptófano
Control negativo
Sí
Sí
Sí
¿Cómo?
Represor se une
al operón O
Represor Ara C se une
a operón Ara I
Represor + triptófano se
une
al operón Trp
Control positivo
Sí
Sí
No
¿Cómo?
CAP + CAMP se une
a CAP binding site
CAP + CAMP se une
a CAP binding site
Operón del fago λ
Ciclo lítico. Expansión de las proteínas Cro y N (genes de expresión temprana). N es una proteína antiterminadora – bloquea la terminación de la transcripción. La antiterminación permitirá la transcripción de genes de expresión tardía. Comienza el ciclo lítico.
Ciclo lisogénico. Expresión de un represor cI. Los factores CII y
CIII promueven la expresión de cI. El represor cI bloquea la transcripción de Cro y promueva la suya propia.
Tanto Cro como cI se unen a un operador que tiene tres regiones
distintas, OR1, OR2 y OR3.
 cI – se une primero a OR1, luego a OR2 y finalmente al OR3.
 Cro – se une primero a OR3, luego a OR3 y finalmente a OR1.
Dependiendo de cual de los dos factores (Cro y cI) “capture” primero el operador, tendrán lugar un ciclo lítico o lisogénico.
Radiación UV induce un ciclo lítico (se sintetiza una proteína RecA
que destruye el cI); si la célula se halla en un medio pobre en glucosa
se eleva el nivel de CAMP y se activa una proteína que destruye el cII,
y por tanto cuando el fago infecta la célula provoca un ciclo lítico.
Quórum sensing
Calamar: órgano luminiscente cuya función es impedir que durante la noche, sea visualizado desde el fondo marino como una mancha
oscura (resplandor de la luna).
La producción de luz se debe la síntesis de una sustancia denominada luciferasa por una bacteria, Vibrio fischeri. Los Vibrio producen
103
Regulación de la expresión génica en procariotas
luciferasa cuando se hallan a elevadas densidades poblacionales. Cada vibrio produce una pequeña molécula llamada VAI (VF autoinducer). Si la concentración de VAI es alta, quiere decir que la densidad
poblacional también lo es; de este modo, el vibrio puede percibir su
entorno y “tomar decisiones” (por ejemplo, activar la maquinaria de
conjugación o no).
Si la concentración de VAI es alta, este se une a la proteína luxR
que adopta una conformación que activa la transcripción del gen de
la luciferasa. Si la concentración de VAI es baja, luxR adopta una conformación alternativa incompatible con la activación del operón lux.
Factores de transcripción
En E. coli se han identificado unos 4,000 genes de los cuales 8%
codifican factores de transcripción (aproximadamente 300 genes). La
estabilidad y tasa de degradación del mRNA también afectan a los niveles de expresión génica.
En E. coli se han identificado más de 40 RNAs no codificantes cuya función es regular la expresión génica:
 Hibridando y bloqueando o facilitando la traducción de un
mRNA.
 Hibridando e impidiendo o facilitando la degradación del mRNA
por ribonucleasas.
Regulación de la expresión génica en eucariotas
Factores de transcripción
Las secuencias codificantes ocupan sólo 2% del genoma humano;
sin embargo, el 5-10% del proteoma (gama de proteínas) está constituido por factores que regulan la transcripción.
ESPECIE
FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN
Levadura
~300 (1 de cada 20)
Caenorhabditis elegans
~1,000
Drosophila melanogaster
~1,000
Homo sapiens
Al menos 3,000 (1 de cada 10 genes)
El análisis de las proteínas que interaccionan con el DNA ha demostrado la existencia de ciertos motivos estructurales:
104
Regulación de la expresión génica en eucariotas
 Zinc finger. Motivo X2-Cys-X2-4-Cys-X1-2-His-X3-4-His-X4, en el que
X es cualquier aminoácido y un átomo de Zn2+ está unido a las
cadenas laterales de los aminoácidos Cys e His.
 Leucine zipper. Regiones de 35 aminoácidos en las que la leucina
se repite cada 7 aminoácidos. Permite la formación de dímeros,
de modo que los extremos N-terminales de la proteína pueden
unirse al surco mayor del DNA.
Fosforilación de factores de transcripción
La fosforilación de factores de transcripción es un mecanismo frecuente a través del cual puede modularse la expresión génica. La fosforilación de un factor de transcripción puede desencadenar su activación. Por ejemplo, p53 es un gen supresor de tumores que codifica
un factor de transcripción. Cuando esté fosforilado (como consecuencia de daño celular), frena la división celular hasta que el daño se repare; si el daño no se puede reparar, induce apoptosis.
Elementos potenciadores y silenciadores
Los elementos potenciadores y silenciadores de la transcripción
son secuencias a las cuales se unen proteínas activadoras o represo105
Regulación de la expresión génica en eucariotas
ras de la transcripción, respectivamente. Estos elementos pueden hallarse a gran distancia (por ejemplo, 50 kB) del gen al cual regulan, y
tanto en posiciones 5’ como 3’ del mismo. A menudo los elementos
potenciadores de la transcripción dirigen la expresión tejido específica de un determinado mRNA.
Probablemente las proteínas que se unen a los elementos potenciadores/silenciadores de la transcripción interactúan con el promotor mediante la formación de un lazo de DNA.
Los elementos potenciadores suelen tener un tamaño de 500 pb.
Un mismo gen puede tener varios potenciadores que funcionan de
forma independientes entre si modulando la transcripción génica.
Otra forma de modular la transcripción consiste en la utilización de
múltiples factores alternativos.
Elementos aislantes
Los elementos aislantes son secuencias de DNA de 300pb situados
a -2 kB del gen. Se sitúan entre un gen y un elemento potenciador,
impidiendo que el primero pueda utilizar el segundo. Este mecanismo
permite que un elemento potenciador pueda interaccionar de forma
específica con un gen determinados.
Regulación hormonal de la expresión génica
En los oviductos de la gallina, la proteína ovalbúmina se sintetiza
en respuesta a los estrógenos, que incrementan la transcripción del
gen que la codifica. Los estrógenos se unen a un factor de transcripción y son transportados al núcleo. El complejo formado por ambas
moléculas se une a un elemento potenciador de la transcripción.
Cambios epigenéticos
Metilación del C5
Los cambios epigenéticos son modificaciones heredables que afectan a la expresión génica sin introducir ningún cambio a nivel de la
secuencia de DNA. Un ejemplo de cambio epigenético es la metilación
del DNA, principalmente a nivel del carbono C5 de la citosina.
Las islas CpG son regiones ricas en dinucleótidos CpG no metilados que habitualmente preceden las regiones promotoras de los genes. La metilación de las islas CpG se halla asociada al silenciamiento
de la transcripción génica.
La impresión genética o imprinting es un mecanismo por el cual
únicamente se expresa un determinado alelo de un gen, ya sea del
origen paterno o del origen materno. La impresión materna significa
que el alelo materno está inactivado, y viceversa con la impresión paterna. La impresión se debe a que la expresión de uno de los alelos se
106
Regulación de la expresión génica en eucariotas
halla silenciada mediante la metilación del promotor e islas CpG adyacentes. Aproximadamente unos 70 genes de mamíferos utilizan este mecanismos para regular la expresión como por ejemplo el IGF-II,
cuyo alelo materno es inactivado.
En el adulto se mantiene la impresión genética materna/paterna
en función del gen; en el cigoto se produce desmetilación generalizada, porque hace falta de genes inactivados en el adulto durante el
desarrollo embrionario; cuando termina el desarrollo embrionario, y
ya no hace falta de ambas copias del gen, se produce la metilación de
estos genes de forma idéntica a la metilación en los progenitores.
Numerosos genes sometidos al mecanismote impresión genética
presentan una expresión alterada en células cancerosas. Las principales alteraciones son:
 Inactivación de la copia activa mediante metilación – no hay expresión.
 Activación de la copia silenciosa mediante desmetilación – hay
sobre-expresión (expresión bialélica).
En numerosos tumores se produce una activación de la copia silenciosa del gen IGF-2 con lo cual incrementa significativamente la
expresión de dicho gen.
Acetilación de las histonas
La acetilación de las histonas promueve la transcripción. La cromatina debe descondensarse para que un gen sea accesible a la maquinara transcripcional. Determinadas proteínas facilitan la unión de
una acetil-transferasa de histonas (HAT). La acetilación de las histonas facilita la unión de la RNA polimerasa y los factores de transcripción al promotor. Otras modificaciones de las histonas son su fosforilación o metilación.
Regulación post-transcripcional
Procesamiento alternativo del transcrito primario
El procesamiento alternativo del mRNA es el principal mecanismo
generador de diversidad a nivel proteico. Mediante este mecanismo
pueden generase múltiples transcritos con funciones ligeramente distintas o incluso opuestas. En la levadura, sólo 250 de sus 6,000 genes
contienen intrones; en humanos, al menos 35% de los genes sufren
procesamiento alternativo del mRNA. Algunos fenómenos de procesamiento alternativo son muy raros y se producen sólo en ciertos tejidos y en momentos concretos.
Gen Slo
107
Regulación de la expresión génica en eucariotas
El gen Slo codifica un canal de potasio activado por calcio que regula la actividad de las células de la cóclea encargadas de captar el
sonido en un rango de frecuencia de 20 Hz a 20,000 Hz.
Este gen posee al menos 8 lugares de procesamiento alternativo y
más de 500 transcritos distintos. Las diversas isoformas proteicas
difieren en su capacidad de captar sonidos dentro de un registro determinado de frecuencias.
El gen de la caseína – αs1
El gen de la caseína αs1 caprina posee 19 exones y diversas variantes alélicas. Los alelos D y F se caracterizan por carecer del exón 9
(deleción de 11 aminoácidos) y del los exones 9, 10 y 11 (deleción de
37 aminoácidos) respectivamente. Ambas deleciones implican la pérdida de un lugar de fosforilación; ambos alelos están asociados a una
reducción en la cantidad de caseína αs1 en la leche.
108
Regulación de la expresión génica en eucariotas
 Alelos A, B y C – 3.6 gramos de proteínas en 1 litro de leche
 Alelo E – 1.6 gramos de proteína en 1 litro de leche
 Alelos F y D – 0.6 gramos de proteína en 1 litro de leche
Gen Descam
Un fenómeno fisiológico extremadamente complejo es que permite el establecimiento de conexiones entre neuronas. En Drosophila, la
proteína Descam tiene como función guiar los axones neuronales a su
destinación correcta. El gen Descam puede dar lugar a 38,000 mRNA
distintos, 2 veces el número de genes existentes en esta especie. Los
distintos receptores Descam pueden interaccionar con una gran variedad de ligandos diferentes.
El gen Descam tiene 115 exones; los exones 4, 6, 9 y 17 pueden corresponder a múltiples exones alternativos: 4 (12 exones alternativos), 6 (48), 9 (33) y 17 (2): 12  48  33  2  38, 000 .
Edición del mRNA
La edición del mRNA implica la modificación química de algunos
nucleótidos con posterioridad a la transcripción. También puede implicar la adición o eliminación de nucleótidos específicos. Este mecanismo se ha descrito en rRNA, mRNA y tRNA, en una amplia diversidad de especies.
Un ejemplo es la conversión de adenosina en inopina catalizada
por la enzima adenosina-desaminasa. Puede implicar la sustitución
de un aminoácido por otro durante la traducción. También puede
desplazar el marco de lectura o provocar la aparición o eliminación
de codones STOP.
Micro-RNAs y RNA silenciadores
Los micro-RNAs se forman cuando una enzima denominada dicer
corta un mRNA que contiene una estructura secundaria (“lazo”). El
mRNA cortado puede hibridar con otro mRNA impidiendo su traducción. Si la complementariedad es baja, sólo atenuará la traducción.
Los RNA silenciadores se forman cuando dicer corta un RNA de
doble cadena dando lugar a un siRNA con una longitud de 20-25 nt,
que se une a un complejo proteico denominado RISC. El complejo
RISC+siRNA puede unirse a un mRNA e inhibir su traducción.
Se trata de un antiguo mecanismo de defensa antiviral (muchos
virus tiene un genoma de RNA que en alguna etapa de su ciclo vital es
de doble cadena). Es posible que tenga muchas otras funciones, como
por ejemplo el silenciamiento de elementos móviles y la regulación
de la expresión de mRNA celulares.
109
Regulación de la expresión génica en eucariotas
Estabilidad del mRNA
Los niveles de mRNA no sólo dependen de su tasa de síntesis, sino
también de su vida media (puede variar de minutos a horas y a veces
días).
La estabilidad del mRNA depende de la presencia de la 7-metilguanosina (m7G) en el extremo 5’ y la cola poliA en el extremo 3’;
ambos previenen la degradación por nucleasas. Existen secuencias 5UTR y 3-UTR que también afectan a la estabilidad del mRNA.
La presencia de m7G en el extremo 5’ protege al mRNA de la degradación por nucleasas e incrementa la eficiencia de la traducción.
La secuencia adyacente al codón de iniciación de la traducción afecta
a la eficiencia con que éste es reconocido por el complejo de preiniciación 43S.
Si el codón de iniciación se halla en un contexto subóptimo puede
producirse la iniciación de la traducción en otro codón ATG situado
más hacia el extremo 3’ (Leaky scanning).
La existencia de estructuras secundarias entre m 7G y el codón de
iniciación puede inhibir la traducción, porque impide la unión del
complejo de preiniciación 43S. En cambio, la existencia de estructuras secundarias en el extremo 3’ del codón de iniciación puede potencia la traducción e impedir el leaky scanning. Un acortamiento de la
región 5’-UTR habitualmente está asociando a un mayor leaky scanning. La región 5’-UTR también reconoce regiones de unión a proteínas reguladoras de la traducción.
Genética del desarrollo
El fin de la genética del desarrollo es entender cuales son los genes responsables de la diferenciación. Uno de los métodos utilizados
era la irradiación de moscas Drosophila con rayos X para estudiar
como afectaba el daño del DNA sobre su desarrollo.
La diferenciación es un proceso irreversible; una vez que la célula
está especializada en cierto tipo de función, ya está predestinada a
dar solamente ciertos tipos celulares como descendencia. Antes de
diferenciarse, las células son totipotentes – células no diferenciadas;
si se separan dos células totipotentes, darán dos individuos – cada
célula podrá dar lugar a un individuo entero.
Al final de los años 70 se desarrolló el método de los ratones
transgénicos. Se ponía en cultivo de células totipotentes a los que se
les agregaba DNA; estas células se inyectaban en la cavidad embrionaria de un ratón normal. Algunas de las células inyectadas pasaban
a formar parte del tejido reproductor del ratón, y daban otros ratones transgénicos.
110
Genética del desarrollo
El método de la clonación se basa en inyectar el núcleo de una célula diferenciada, en una célula totipotente sin núcleo (la oveja
Dolly). Para asegurar que el cordero era realmente procedente de la
célula diferenciada, utilizaban dos razas de ovejas diferentes. Al nacer, Dolly rompió el dogma de la irreversibilidad genética después de
la diferenciación.
Se sabe puede saber cuando comienza la diferenciación genética si
se observa a partir de qué momento los embriones comienzan a servir sus propios genes (expresión génica). La célula sigue siendo totipotente mientras no expresa genes; la célula deja de ser totipotente
cuando el embrión tiene 8-16 células. En este periodo se diferencian
las células localizadas externamente de las células internas recubiertas de las demás. Este fenómeno coincide con el inicio de la transcripción de los genes.
Los factores nucleares son los genes que se están expresando; los
factores citoplasmáticos dependen de la localización de la célula
dentro del embrión; algunos derivan del contenido del ovocito, que
no se distribuye homogéneamente, y otros derivan del exterior (por
tanto las células externas están más expuestas a ellos).
Los genes homeóticos son genes de control del desarrollo encontrados en diferentes organismos. Es toda una familia de genes que a
veces están en tándem. Se sabe que son homeóticos porque al secuenciar se vio que diferentes genes tenían similitudes – secuencias
de aminoácidos que dan proteínas que se pueden asociar al DNA (factores de transcripción). Estos genes que codifican factores de transcripción son los que hacen que otros genes se expresen.
En los tejidos adultos, hay células totipotentes en muy pocas cantidades, que quedan indiferenciadas mientras las demás se diferencian; se han descubierto en diferentes tejidos como el tejido adiposo
y la médula ósea.
Base molecular de la mutación
Categorías de mutaciones:
 Mutaciones puntuales
o Transiciones. Cambio de base por otra del mismo tipo.
o Transversiones. Cambio de base por otra del tipo contrario.
 Modificación del marco de lectura
o Adición de bases
o Deleción de bases
 Mutaciones cromosómicas
111
Base molecular de la mutación
Las mutaciones pueden ser inducidas (adaptativas), es decir, que
se dan bajo efecto de algún agente mutagénico; o bien pueden ser espontáneas (preadaptativas) – se observan distribuidas de forma
aleatoria entre los individuos en diferentes niveles del árbol genealógico.
112
Base molecular de la mutación
Test de fluctuación
El test de fluctuación se utiliza para estudiar el tipo de mutación –
si es preadaptativa o bien adaptativa. Por ejemplo, a la hora de estudiar la resistencia de bacterias frente los antibióticos, se observa una
fluctuación en el número de colonias observadas, la mutación es
preadaptativa, porque se da de forma espontánea, lo que modifica el
número de cepas resistentes. Si la mutación es adaptativa, el número
de colonias debe ser parecido entre placas.
Mutaciones puntuales
La mutación puntual se define como el cambio de un nucleótido
por otro. Pueden ser transiciones (cambio de pirimidina por pirimidina o purina por purina) o bien transversiones (cambio de pirimidina por purina y viceversa).
Los SNP (Single Nucleotide Polymorphism) se dan cada 500-1000
pares de bases. Pueden ser espontáneos o inducidos (causados por
agentes químicos y físicos).
La DNA polimerasa no funciona el 100% libre de errores; en función del tejido se reparan los errores a cierta velocidad. Si la mutación se da en células germinales, puede pasar a la descendencia.
Una mutación puntual fuera de la región codificante suele ser silenciosa; sin embargo, puede tener efecto, si se produce en una región reguladora o en un promotor. La mayoría de las mutaciones son
de este tipo, ya que el sólo el 2% del genoma es codificante.
Una mutación puntual dentro de una región codificante (exón)
puede ser de diferentes tipos:
 Mutación sinónima. El código genético es redundante; a pesar
de un cambio de base, es posible que el producto final tenga el
mismo aminoácido que la proteína no mutada.
 Mutación no sinónima. El producto final es afectado por la mutación.
o Cambio de aminoácido no comporta problemas funcionales.
o Cambio de aminoácido afecta la funcionalidad del
producto.

Funcionalidad proteica afectada

Codón STOP – mutación sin sentido (no sense).
Las mutaciones debidas a inserción o deleción de nucleótidos
también difieren en su efecto según la región afectada:
113
Base molecular de la mutación
 Fuera de la región codificante. Normalmente no modifica la
funcionalidad de ninguna proteína. Mutación silenciosa.
 Dentro de exones. Modifica el marco de lectura; suelen provocar
una mutación sin sentido, ya que modifican la secuencia aminoacídica o producen un codón STOP prematuro.
Este tipo de mutación es poco probable, ya que no hay ninguna
sustancia conocida que provoca inserción o deleción de nucleótidos.
Normalmente son el resultado de errores en la replicación del DNA.
Las inserciones o deleciones de nucleótidos son más frecuentes en
secuencias repetidas en tándem (tanto la pérdida como adición de
nucleótidos). Este es el mecanismo de la formación de microsatélites.
Mutaciones espontáneas
Modificaciones tautoméricas
Las bases pueden tener dos formas tautoméricas: la forma enólica
y la forma cetónica, que es la forma habitual. La forma cetónica forma un número diferente de puentes de hidrogeno que la forma enólica. El paso de forma cetónica a forma enólica se da a cierta frecuencia; si se produce exactamente a la hora de la replicación del DNA,
puede producirse un apareamiento incorrecto de bases, que dará en
la siguiente generación una mutación puntual.
Mutaciones inducidas
Diferentes agentes químicos modifican el DNA por diferentes mecanismos moleculares.
 Desaminación de bases. La mayoría de las sustancias que pueden
provocar la desaminación de bases son mutágenos, ya que al
desaminar la base ya no puede formar los puentes de hidrogeno
que su base correspondiente. Ejemplo: ácido nitroso.
 Análogos de bases. Se comportan como bases. El bromuro de
uracilo puede substituir la timina, pero también puede unirse a
guanina; pasadas dos mitosis, se produce una transición de A
por G.
114
Base molecular de la mutación
 Radiaciones. Las radiaciones pueden provocar la fragmentación
del material genético; la luz ultraviolada, a diferencia, provoca
la formación de dímeros de timina que dificultan la replicación
correcta del DNA.
115
Base molecular de la mutación
Mutaciones y cáncer
La exposición a agentes mutágenos está correlacionada con la
aparición de tumores.
Test de Ames
El test de Ames evalúa sustancias en cuanto a su capacidad mutagénica; este método es rápido, barato y fiable.
Este test se basa en visualizar mutaciones producidas por la exposición a la sustancia en bacterias que reparan malamente los daños al
DNA – cepas que no pueden repara su DNA dañado porque presentan
una maquinaria proteica afuncional. Las bacterias, si no mutan, no
pueden vivir en el medio de cultivo básico. Sobre la placa de medio se
coloca un disco empapado de la sustancia estudiada, y de allí difunde
hacia el medio de cultivo.
Si no hay mutaciones, no hay crecimiento (unas colonias aleatorias debidas a mutaciones preadaptativas); si la sustancia es mutagénica, alrededor del disco habrá más crecimiento que en la periferia de la placa.
El resultado negativo es necesario pero no es suficiente para la
comercialización de la sustancia, ya que puede ser que la sustancia
por sí no es mutagénica, pero al ser metabolizada se transforma en
otras sustancias que sí que son mutagénicas. Para resolver este problema, Ames desarrolló un test parecido, que incluye también extracto de enzimas hepáticas. Sin embargo, hay que seguir estudiando la
sustancia en el animal vivo antes de asegurarse que no es mutagénica
– el test de Ames sólo sirve de filtro.
Cáncer
Los genes que al mutarse provocan tumores suelen ser involucrados en la regulación de la proliferación celular (genes gatekeeper) o
bien en el control de la integridad del genoma (genes caretaker).
Se postula que el tumor es consecuencia de varias mutaciones, la
primera de las cuales aparece en algún gen caretaker. Al tener menos
capacidad de corrección de errores en replicación, las células padecen más errores. Si algún gen gatekeeper se muta como consecuencia
de la mutación del gen caretaker, la célula pierde su capacidad de autorregulación, y puede transformarse en célula tumoral.
Los individuos que son heterocigotos para un gen caretaker mutado, tienen más probabilidades de sufrir un tumor; si también presentan un gen gatekeeper mutado, sus probabilidades de sufrir cáncer
son todavía más grandes.
116
Cáncer
Químicos
Radiaciones
Virus
Mutación en
células somáticas
Activación de protoncógenos
Enfermedades hereditarias
Inactivación de genes supresores
Expansión de productos alterados
Perdida de productos reguladores
Expansión clonal
Mutación adicional
Heterogeneidad
Neoplasma maligna
Los genes involucrados en la aparición de tumores afectan a ciertas poblaciones celulares, y no a otras; afectan sobre todo a células
epiteliales, que son las células más proliferativas (al sufrir más replicaciones, acumulan más errores).
Tipos de alteraciones genéticas en tumores
1. Modificación sutil de la secuencia. Substituciones de bases, deleciones o inserciones de unos nucleótidos. Por ejemplo, las mutaciones sin sentido en K-ras gen ocurren en más de los 80% de los
tumores pancreáticos.
2. Alteraciones en el número de cromosomas. Pérdidas o ganancias
de cromosomas enteros. Ejemplos: la pérdida del cromosoma 10
en glioblastomas frecuentemente reflejan la inactivación del gen
supresor de tumores PTEN; la ganancia de cromosoma 7 en carcinomas de papilas renales reflejan la duplicación del oncogen
mutante MET.
3. Translocaciones cromosómicas. Fusión de diferentes cromosomas
o de segmentos no contiguos de cromosomas. Estos cambios pueden implicar la fusión entre dos genes produciendo un transcrito
fusionado, con propiedades cancerígenas. Ejemplo: en leucemia
es frecuente la formación del cromosoma Philadelphia a partir
117
Cáncer
del cromosoma 9 y 22; el extremo carboxi-terminal del gen c-abl
(cromosma 9) se une al extremo amino-terminal del gen BCR
(cromosoma 22).
4. Amplificación de genes. Múltiples copias de una región que contiene genes promotores de crecimiento. Las regiones multiplicadas contienen 0.5-10 mB de DNA. Ejemplo: amplificación de Nmyc ocurre en 30% de los neuroblastomas avanzadas.
Mutaciones cromosómicas
Las mutaciones cromosómicas son derivaciones del número normal de cromosomas de un individuo, o de su estructura. Las mutaciones cromosómicas se dividen en dos categorías:
 Modificaciones numéricas
o Poliploidía
o Aneuploidía
 Modificaciones estructurales
o Deleciones
o Duplicaciones
o Inversiones
o Translocaciones
Modificaciones numéricas
Poliploidía
Un organismo poliploide se define como aquello que presenta un
juego adicional de cromosomas. Si el individuo normal es diploide
(2n), entonces el poliploide puede tener 3n, 4n etc.
Los poliploides pueden tener un número par o impar de juegos
cromosómicos. Los poliploides con un número par de juegos cromosómicos (por ejemplo 4n) tienen mejor probabilidad de reproducirse,
porque sus cromosomas pueden emparejarse durante la meiosis,
dando gametos 2n.
Los poliploides que presentan número impar de juegos cromosómicos suelen ser estériles, ya que tienen muy baja probabilidad de
dar gametos completamente haploides.
La probabilidad de conseguir un producto haploide (del bivalente)
es aproximadamente 0.5; por lo tanto, la probabilidad de conseguir
un producto haploide a partir de todos los cromosomas es ½n, n siendo el número de cromosomas.
118
Mutaciones cromosómicas
En piscifactorías se suele utilizar individuos poliploides (3n) ya
que presentan mejor ritmo de crecimiento. Para producir gametos
2n, los machos sufren un shock térmico, que modifica la meiosis. Este
proceso es complicado; para conseguir individuos 3n es más fácil utilizar una línea de individuos 4n, que se reproducen con individuos
normales, así obteniendo 100% de descendencia de 3n.
La poliploidía es importante en el mundo vegetal; buena parte de
los vegetales cultivados por el hombre son poliploides.
Tipos de poliploides
 Alloploides. Los cromosomas extra derivan de otra especie. Los
cromosomas difieren entre juegos – son homeólogos en vez de
homólogos. Esta diferencia entre cromosomas implica problemas
en el apareamiento de cromosomas a la hora de la meiosis, y
problemas de reproducción.
 Autopolyploides. Los cromosomas extra derivan de la misma
especie. El incremento de número de juegos cromosómicos puede ocurrir en la meiosis o en la mitosis.
Poliploidía en animales
La partenogénesis es la formación de un embrión a partir de un
óvulo no fecundado. La partenogénesis ocurre de forma natural en
119
Mutaciones cromosómicas
las abejas; en varias especies, la división del óvulo no fecundado
puede ser inducida.
La poliploidía ocurre de forma natural en algunos insectos, anfibios, reptiles, peces y algunas especies de aves y roedores.
120
Mutaciones cromosómicas
Aneuploidía
La aneuploidía es la modificación del número de un cromosoma o
más.
 Nulisomía. Pérdida de un par de cromosomas. Es letal en organismos diploides.
 Monosomía. Carencia de un cromosoma. Afecta la función celular normal. La condición de hemicigosidad conlleva a la expresión de genes recesivos. Suelen ser abortados.
 Trisomía. Puede resultar en anomalías o la muerte.
Cambios en la estructura de cromosomas
 Deleciones
 Duplicación y amplificación (repetición en tándem)
 Inversión
 Translocación
Deleciones
Deleciones implican la pérdida de un segmento de cromosoma. Estas mutaciones son irreversibles, ya que son consecuencia de pérdida
de material genético.
El efecto de la deleción depende de los genes que se han eliminado
y si se localizan en cromosomas homólogos. Cualquier gen que se ha
eliminado, implican situación de hemicigosidad.
Causas de deleciones
 Errores en la replicación de DNA (lazos de DNA que se unen a la
hora de la replicación, lo que implica la pérdida de toda la información retenida en el lazo).
 Errores en la replicación de DNA
 Daño al DNA, provocado por químicos o radiación
 Recombinación entre secuencias dispersas de cromosoma.
Localización
Si la deleción es en localización terminal, sólo implica una rotura;
si la deleción es en localización subterminal o intersticial, implica
dos roturas, y más posibilidad de errores a la hora de unir el DNA.
121
Mutaciones cromosómicas
Corrección de deleciones
Existen dos mecanismos potenciales de corregir deleciones:
 Unión de extremos no homóloga. Recupera el cromosoma uniendo los dos extremos rotos. Parte de la información se pierde.
 Recombinación homóloga. Este mecanismo puede corregir la deleción correctamente, pero implica la pérdida del mismo segmento en el cromosoma homologo.
o Antes de G2 – a partir del cromosoma homólogo.
o Después de G2 – a partir de la cromátida hermana.
Consecuencias
 Grandes deleciones normalmente irreversibles; letales en situaciones de hemicigosidad.
 Deleciones pequeñas se pueden reparar.
 Deleciones pueden revelar mutaciones recesivas.
o Psuedodominancia de genes recesivos en la región hemicigota.
o Es útil para hacer mapas genes
o Incrementa la susceptibilidad de cáncer y otras enfermedades genéticas.
Duplicaciones
Un segmento del cromosoma se duplica. Duplicaciones pueden ser
consecuencias de recombinación heteróloga.
Una recombinación heteróloga produce una duplicación y una deleción; una recombinación heteróloga en una región duplicada produce una duplicación todavía más marcada. Cuanto más grande es el
número de copias, más probable es la recombinación ilegitima de un
segmento. Si el mecanismo duplica oncogenes, puede estar implicado
en ciertas enfermedades y tumores.
Este tipo de duplicación es un proceso impotant en la evolución de
los genes, ya que produce “familias” de genes emparentados, que
producen proteínas similares. Un ejemplo de este tipo de familia es
la familia de genes de proteínas globinas, que codifican la α-globulina
y β-globulina que forman en conjunto la hemoglobina.
Inversiones
Una inversión es el resultado de una rotura en el cromosoma, así
que cuando se une la secuencia no es la original. Requiere dos roturas en el cromosoma. Este tipo de modificación puede cortar un gen,
pero es muy improbable.
122
Mutaciones cromosómicas
Las inversión se clasifica como pericéntrica (la inversión incluye
el centrómero) o paracéntrica (la inversión no incluye el centrómero). Esta clasificación es importante a la hora de estudiar el comportamiento del cromosoma afectado a la hora de la meiosis.
Una inversión puede se el resultado de recombinación anómala
dentro del mismo cromosoma (se pliega y se produce recombinación
entre los dos extremos del cromosoma).
Normalmente, no se pierde ni se gana material genético; por tanto, un individuo, hemicigoto o heterocigoto para la inversión generalmente no muestra la mutación en su fenotipo. Sin embargo, esta
mutación sí que conlleva consecuencias en la capacidad reproductiva,
ya que implica problemas durante la meiosis; los cromosomas homólogos intentan alinearse según sus regiones similares.
A la hora de la meiosis, los cromosomas asumen una configuración característica de lazo que les permite alinear regiones parecidas. Este mecanismo no implica ningún problema, mientras la recombinación se produce en las regiones no invertidas.
En función de la localización de la inversión (paracéntrica o pericéntrica), la recombinación en la región invertida dará diferentes
productos.
123
Mutaciones cromosómicas
Inversión paracéntrica
Debido al hecho que la inversión no incluye el centrómero, el resultado de la recombinación en la región invertida será dos gametos
normales (no han sufrido la recombinación) y dos gametos anómalos:
un gameto con dos centrómeros y un gameto sin centrómeros, estos
gametos no son viables.
Inversión pericéntrica
Como la región invertida incluye el centrómero, no se producen
gametos con alteraciones de centrómero. Al igual que en el caso anterior, dos gametos serán normales, al no sufrir recombinación. Los
otros dos gametos presentarán duplicaciones y deleciones de ciertas
regiones, en función del tamaño de la inversión.
Translocaciones
Las translocaciones son mutaciones cromosómicas en las cuales
un segmento cromosómico modifica su posición. Normalmente este
término se utiliza para describir intercambio de segmentos entre
cromosomas no homólogos. Hay dos tipos de translocaciones:
 Translocación recíproca
 Translocación no recíproca
Generalmente las translocaciones no implican una pérdida o ganancia neta de material genético.
Translocación recíproca
El tipo más frecuente e importante de
translocación.
Homocigotos tienen meiosis normal;
cromosomas homólogos pueden emparejarse correctamente, y recombinación no implica ningún problema. En los heterocigotos
hay problemas a la hora de la meiosis –
cromosomas homólogos asumen una forma
característica de cruz durante la metafase;
la separación puede ocurrir en tres diferentes formas, de las cuales 2 dan gametos inviables.
En tejidos somáticos, translocaciones
cromosómicas pueden generar cáncer, tanto
leucemias como tumores sólidos. Frecuentemente, translocaciones alteran la función
de genes celulares normales denominados
protoncógenos. La translocación puede activar protoncógenos o crear por fusión pro124
Mutaciones cromosómicas
teínas específicas de tumores.
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