Genetica

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Ariel Ciencia

GENÉTICA

José Fernández Piqueras, Antonia María Fernández Peralta, Javier Santos Hernández y Juan José González Aguilera

GENÉTICA

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Ariel

Diseño de la cubierta: Joan Batallé 1.a edición: noviembre 2002 © 2002: José Fernández Piqueras, Antonia María Fernández Peralta, Javier Santos Hernández y Juan José González Aguilera Derechos exclusivos de edición en español reservados para todo el mundo: © 2002: Editorial Ariel, S.A. Diagonal 662-664 – 08034 Barcelona ISBN: 84-344-8056-5 Depósito legal: B. 41.044 – 2002 Impreso en España Ninguna parte de esta publicación, incluído el diseño de la cubierta, puede ser reproducida, almacenada o transmitida en manera alguna ni por ningún medio, ya sea eléctrico, químico, mecánico, óptico, de grabación o fotocopia, sin permiso previo del editor.

ÍNDICE Autores..........................................................................................................................................

17

PRIMERA PARTE

INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1. Introducción..........................................................................................................

21

(Concepto de genética, evolución histórica, cuerpo de doctrina, perspectivas actuales, lecturas recomendadas)..............................................................................................................................

21

SEGUNDA PARTE

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO CAPÍTULO 2. Principios básicos de la herencia.........................................................................

31 32 32 32

1. Las leyes de Mendel................................................................................................................. 1.1. Los experimentos de Mendel............................................................................................. 1.2. Plantas que se diferencian en un solo carácter (cruzamientos monohíbridos)................... 1.3. Plantas que se diferencias en dos o más caracteres (cruzamientos dihíbridos y polihíbridos)....................................................................................................................... 2. Teoría cromosómica de la herencia........................................................................................... 2.1. Los genes están en los cromosomas................................................................................... 2.2. Primeras evidencias a favor de la teoría cromosómica de la herencia............................... 3. Las leyes de Mendel en organismos haploides.......................................................................... 4. Ejemplos de caracteres mendelianos en la especie humana...................................................... 4.1. Enfermedades autosómicas recesivas................................................................................ 4.2. Enfermedades autosómicas dominantes............................................................................. 4.3. Enfermedades recesivas ligadas al X.................................................................................. 4.4. Enfermedades dominantes ligadas al X............................................................................. 5. El problema de la compensación de la dosis génica................................................................. 5.1. Herencia ligada al Y...........................................................................................................

35 35 35 35 41 43 43 45 46 47 48 48

Lecturas recomendadas.................................................................................................................

49

CAPÍTULO 3. Naturaleza y estructura del material genético................................................... 1. Demostración de la naturaleza del material genético en bacterias y virus...............................

51 52

8

GENÉTICA

1.1. El «principio transformante» en las bacterias..................................................................... 1.2. Demostración de la naturaleza del material genético en bacteriófagos.............................. 2. El RNA puede ser el material genético de algunos virus.......................................................... 3. Los priones................................................................................................................................ 4. La estructura del material genético............................................................................................ 5. Secuencias de DNA en los genomas de procariotas y eucariotas.............................................

52 53 54 55 56 60

Lecturas recomendadas................................................................................................................

64

CAPÍTULO 4. Organización del material genético..................................................................... 1. Organización del material genético en virus y bacterias........................................................... 1.1. Organización del material genético en los virus................................................................. 1.2. Organización del material genético en bacterias................................................................ 2. Organización de la cromatina en organismos eucarióticos....................................................... 2.1. La cromatina nuclear.......................................................................................................... 2.2. Material genético nuclear y extranuclear........................................................................... 2.3. Organización de la cromatina nuclear................................................................................ 2.4. Eucromatina y heterocromatina.......................................................................................... 3. Elementos diferenciados en la estructura cromosómica y técnicas de bandeado...................... 3.1. Elementos diferenciados..................................................................................................... 3.2. Técnicas de bandeado......................................................................................................... 4. Cromosomas especiales............................................................................................................. 5. Número de cromosomas y cantidad de ADN............................................................................

65 66 66 66 67 67 67 67 69 69 69 73 74 76

Lecturas recomendadas.................................................................................................................

76

CAPÍTULO 5. Interacciones génicas............................................................................................ 1. Relación entre genotipo y fenotipo........................................................................................... 2. Prueba de alelismo: análisis de complementación.................................................................... 3. Alelismo múltiple y polimorfismos genéticos.......................................................................... 4. Interacciones entre los alelos de un mismo gen....................................................................... 5. Interacciones entre genes no alélicos........................................................................................ 5.1. Interacción entre gen regulador y su regulado................................................................... 5.2. Interacción entre genes implicados en una misma ruta metabólica................................... 5.3. Supresión génica................................................................................................................ 5.4. Genes modificadores.......................................................................................................... 5.5. Sistemas de letales equilibrados......................................................................................... 6. Penetrancia y expresividad .......................................................................................................

77 78 80 81 82 84 84 84 85 86 86 87

Lecturas recomendadas.................................................................................................................

87

CAPÍTULO 6. La herencia de los caracteres complejos............................................................. 1. Caracteres mendelianos versus complejos o multifactoriales................................................... 1.1. La herencia trialélica.......................................................................................................... 1.2. El caso de la coloración de la piel en los mamíferos: más dedos pares génicos................ 1.3. Heterogeneidad genética en la enfermedad de Alzheimer................................................. 1.4. La base genética en la diabetes........................................................................................... 1.5. Los fundamentos genéticos del cáncer............................................................................... 2. Caracteres cuantitativos: genotipos y distribuciones fenotípicas.............................................. 2.1. Las líneas puras de Johannsen............................................................................................

89 90 90 91 91 91 92 93 93

ÍNDICE

9

2.2. Teoría de los factores polímeros......................................................................................... 3. Heredabilidad y norma de reacción de un carácter cuantitativo................................................

94 96

Lecturas recomendadas................................................................................................................

98

CAPÍTULO 7. Patrones de herencia extranuclear...................................................................... 1. Patrones de herencia uniparental............................................................................................... 2. Fundamentos moleculares: el material genético de los orgánulos celulares y la segregación citoplasmática.......................................................................................................................... 3. Las mitocondrias humanas en las enfermedades de origen materno, el envejecimiento y la muerte celular.......................................................................................................................... 4. Plásmidos extragenómicos........................................................................................................ 5. Herencia infectiva y efectos maternos......................................................................................

99 100

106 106

Lecturas recomendadas.................................................................................................................

108

CAPÍTULO 8. Ligamiento y recombinación...............................................................................

1. Los fenómenos del ligamiento y la recombinación genética.................................................... 2. Mapas de ligamiento................................................................................................................. 3. Mapas de tres puntos: interferencia y coincidencia.................................................................. 4. Ligamiento absoluto.................................................................................................................. 5. Mapa de ligamiento en la especie humana...............................................................................

109 110 112 115 116 117

Lecturas recomendadas................................................................................................................

120

CAPÍTULO 9. Técnicas especiales de cartografiado en cromosomas eucarióticos..................

1. Análisis de productos meióticos individuales........................................................................... 2. Cálculo de distancias genéticas mediante análisis de tétradas.................................................. 3. Segregación y recombinación somáticas.................................................................................. 4. Cartografiado mediante hibridación celular somática...............................................................

121 122 123 125 128

Lecturas recomendadas.................................................................................................................

130

CAPÍTULO 10. Transferencias de genes en bacterias y bacteriófagos.....................................

1. Conjugación bacteriana............................................................................................................. 1.1. El factor de fertilidad episómico F.................................................................................... 1.2. Cartografía por apareamiento interrumpido....................................................................... 1.3. Factores F portadores de genes bacterianos: sexducción................................................... 2. Transformación bacteriana........................................................................................................ 3. Transducción.............................................................................................................................

133 134 134 136 137 138 139

Lecturas recomendadas.................................................................................................................

141

101 105

TERCERA PARTE

GENÉTICA MOLECULAR CAPÍTULO 11. Replicación del material genético......................................................................

1. Demostración del modelo semiconservativo.............................................................................

145 146

10

GENÉTICA

2. Origen único, bidireccionalidad y carácter semidiscontinuo..................................................... 3. Características diferenciales de la replicación del material genético en eucariotas.................. 4. Telómeros y replicación............................................................................................................ 4.1. El problema de la replicación terminal y el acortamiento de los telómeros...................... 4.2. La telomerasa y el mantenimiento telomérico.................................................................... 4.3. Alteraciones de la actividad telomerasa............................................................................. 5. Replicación del material genético en organismos celulares......................................................

147 150 150 151 151 152 153

Lecturas recomendadas.................................................................................................................

153

CAPÍTULO 12. Naturaleza del gen............................................................................................... 1. La acción génica primaria: hipótesis un gen-una enzim........................................................... 2. Relación entre genes y proteínas............................................................................................... 3. Colinealidad.............................................................................................................................. 4. El gen eucariota........................................................................................................................

155 156 162 165 165

Lecturas recomendadas................................................................................................................

167

CAPÍTULO 13. La estructura fina del gen................................................................................. 1. El locus rll del fago T4............................................................................................................ 2. Cartografía genética fina......................................................................................................... 3. Compiementación y el concepto de gen...................................................................................

169 170 170 177

Lecturas recomendadas................................................................................................................

178

CAPÍTULO 14. Biología molecular de la función génica........................................................... 1. Evidencias genéticas de la existencia del ARN mensajero...................................................... 2. La transcripción y la ARN polimerasa..................................................................................... 3. La transcripción en eucariotas................................................................................................... 4. Procesamiento de los ARN eucariotas...................................................................................... 4.1. Proceso de adición de una caperuza (capping) en el extremo 5'........................................ 4.2. Adición de una cola de poliadenina en el extremo 3'........................................................ 4.3. Proceso de poda de secuencias intrónicas (splicing)......................................................... 4.4. Editado del ARN198..........................................................................................................

179 180 182 190 192 193 193 195 198

Lecturas recomendadas................................................................................................................

198

CAPÍTULO 15. Código genético....................................................................................................

201 202 203 206 207 207 210 214 214 215

1. Características esenciales del código........................................................................................ 2. Desciframiento de la clave genética.......................................................................................... 2.1. Utilización de homopolímeros........................................................................................... 2.2. Utilización de copolímeros con proporciones nucleótidas fijadas.................................... 2.3. Utilización de polímeros de secuencia conocida (copolímeros con repetición)................ 2.4. Afinidad entre complejos de transferencia (aminoacil-ARNt) y tripletas específicas....... 3. La traducción............................................................................................................................. 3.1. El ARN transferente........................................................................................................... 3.2. El ribosoma.........................................................................................................................

ÍNDICE

11

3.3. Fases del proceso de la traducción..................................................................................... 4. Universalidad del código genético............................................................................................

215 221

Lecturas recomendadas................................................................................................................

223

CAPÍTULO 16. Regulación de la expresión genética en procariotas......................................... 1. Nociones generales acerca de la regulación genética............................................................... 2. El operón lac de E. Coli............................................................................................................ 2.1. Metabolismo de la lactosa y análisis genético de los genes estructurales......................... 2.2. El gen regulador del operón lac (lac 1): control negativo................................................. 2.3. Represión catabólica del operón lac: control positivo....................................................... 3. El operón trp: modelo de atenuación........................................................................................ 3.1. Atenuación.........................................................................................................................

225 226 227 227 228 233 235 236

Lecturas recomendadas................................................................................................................

239

CAPÍTULO 17. Regulación de la expresión genética en eucariotas........................................... 1. Características generales y niveles de regulación..................................................................... 2. Elementos reguladores en el ADN............................................................................................ 2.1. El promotor......................................................................................................................... 2.2. Intensificadores.................................................................................................................. 2.3. Aislantes (Insulators).......................................................................................................... 3. Los factores de transcripción.................................................................................................... 3.1. Dominios de unión al ADN................................................................................................ 3.2. Dominios de activación en Trans....................................................................................... 4. Regulación postranscripcional...................................................................................................

241 242 243 243 245 246 247 247 249 250

Lecturas recomendadas...............................................................................................................

251

CAPÍTULO 18. Epigenética...........................................................................................................

1. Concepto de epigenética........................................................................................................... 2. Fundamentos moleculares........................................................................................................ 2.1. Modificaciones del ADN y las histonas............................................................................. 2.2. Patrones de metilación del genoma de mamíferos............................................................. 3. Inactivación de un cromosoma X en la línea somática de las hembras de mamífero.............. 4. Los fenómenos de imprinting o marcado.................................................................................. 5. Alteraciones de los procesos epigenéticos y enfermedades humanas...................................... 6. Silenciamiento genético mediado por ARN..............................................................................

253 254 254 254 255 257 259 260 261

Lecturas recomendadas................................................................................................................

262

CAPÍTULO 19. La tecnología del ADN recombinante...............................................................

263 264 265 266 267 267 267 269

1. Contrucción de moléculas de ADN recombinante................................................................... 2. Enzimas de restricción............................................................................................................... 3. Vectores de clonaje................................................................................................................... 4. Estrategias de clonaje................................................................................................................ 5. Genotecas o librerías de ADN.................................................................................................. 6. Utilización del ADN donado: «Southern y Northern blots»..................................................... 7. Detección de genes donados.....................................................................................................

12

GENÉTICA

8. Secuenciación............................................................................................................................ 9. Amplificación en cadena de la polimerasa................................................................................

270 272

Lecturas recomendadas................................................................................................................

273

CAPÍTULO 20. Aplicaciones de la tecnología del ADN recombinante..................................... 1. Mutagénesis in vitro…………………………………………………………………………. 2. Identificación genética............................................................................................................. 3. Genética inversa........................................................................................................................ 4. Organismos transgénicos.......................................................................................................... 4.1. Animales transgénicos...................................................................................................... 4.2. Plantas transgénicas........................................................................................................... 5. Modificación de secuencias génicas mediante recombinación homóloga: ratones knockout y knockin.......................................................................................................................................... 6. Expresión de genes eucarióticos en bacterias........................................................................... 7. Diagnóstico genético y terapia génica...................................................................................... 7.1. Diagnóstico genético.......................................................................................................... 7.2. Terapia génica....................................................................................................................

275 276 278 278 279 279 280 281 284 284 284 285

Lecturas recomendadas................................................................................................................

285

CAPÍTULO 21. Genómica............................................................................................................. 1. Genómica estructural: secuenciación de genomas.................................................................... 1.1. Automatización del proceso de secuenciación de genomas............................................... 2. Genómica funcional: «micro-arrays de ADN»......................................................................... 2.1. «Micro-arrays» de clones de ADNc................................................................................... 2.2. «Micro-arrays de secuencias oligonucleotídicas»..............................................................

287 288 289 289 290 291

Lecturas recomendadas................................................................................................................

292

CUARTA PARTE

VARIACIÓN GENÉTICA CAPÍTULO 22. Fundamentos moleculares y citogenéticos de la variación genética............... 1. Tipos de mutaciones génicas..................................................................................................... 2. Mutaciones germinales y somáticas......................................................................................... 3. Sistemas de detección y selección en procariotas y eucariotas................................................. 3.1. Reversión de auxótrofos..................................................................................................... 3.2. Enriquecimiento por filtración........................................................................................... 3.3. Enriquecimiento por penicilina (y otros antibióticos)...................................................... 3.4. Selección de resistencias a agentes no tolerados por las cepas salvajes............................ 4. Carácter preadaptativo de la mutación......................................................................................

295 296 298 300 302 302 303 303 303

Lecturas recomendadas................................................................................................................

308

CAPÍTULO 23. Bases moleculares de las mutaciones génicas...................................................

309 311

1. Mecanismos de origen de las mutaciones génicas espontáneas e inducidas............................

ÍNDICE

13

1.1. Mecanismos de origen de las mutaciones espontáneas...................................................... 1.2. Mecanismos de origen de las mutaciones inducidas.......................................................... 2. Relación entre mutágenos y carcinógenos: el test de Ames......................................................

311 315 319

Lecturas recomendadas...............................................................................................................

322

CAPÍTULO 24. Reparación del daño genético.............................................................................

1. Mecanismos de reparación........................................................................................................ 1.1. Sistemas preventivos......................................................................................................... 1.2. Sistemas de reparación directa........................................................................................... 1.3. Sistemas de reparación por escisión.................................................................................. 1.4. Sistemas de reparación posreplicativa: reparación de emparejamientos erróneos (MMR) 1.5. Reparación recombinatoria (HR)....................................................................................... 1.6. Reparación inducida ante un daño generalizado: respuesta SOS...................................... 1.7. Reparación inducida en células eucariotas......................................................................... 2. Enfermedades humanas debidas a fallos en los sistemas de reparación...................................

323 324 325 325 325 328 331 331 332 332

Lecturas recomendadas.................................................................................................................

333

CAPÍTULO 25. Mutaciones cromosómicas estructurales........................................................... 1. Origen de los cambios estructurales.......................................................................................... 2. Deleciones................................................................................................................................. 3. Duplicaciones............................................................................................................................ 4. Inversiones................................................................................................................................ 5. Translocaciones.........................................................................................................................

335 336 338 339 344 345

Lecturas recomendadas................................................................................................................

349

CAPÍTULO 26. Mutaciones cromosómicas numéricas...............................................................

1. Euploidía: monoploidía y poliploidía....................................................................................... 1.1. Monoploidía...................................................................................................................... 1.2. Poliploidía......................................................................................................................... 2. Aneuploidía: nulisómicos, monosómicos y trisómicos............................................................ 3. Ingeniería cromosómica en plantas..........................................................................................

351 352 352 353 357 361

Lecturas recomendadas................................................................................................................

361

CAPÍTULO 27. Mecanismos de recombinación.......................................................................... 1. Los mecanismos de recombinación y la conversión génica..................................................... 2. Rotura y reunión de las moléculas de ADN.............................................................................. 3. Mecanismos moleculares de la recombinación general homóloga........................................... 3.1. El modelo de Holliday....................................................................................................... 3.2. El modelo de Meselson-Radding....................................................................................... 4. Recombinación específica de sitio............................................................................................

363 364 365 365 365 370 373

Lecturas recomendadas................................................................................................................

373

CAPÍTULO 28. Elementos genéticos transponibles.....................................................................

375 376

1. Transposones procarióticos.......................................................................................................

14

GENÉTICA

1.1. Transposones simples: secuencias de inserción en bacterias............................................ 1.2. Transposones compuestos................................................................................................. 2. Mecanismos de transposición en procariotas........................................................................... 2.1. Transposición conservativa................................................................................................ 2.2. Transposición replicativa.................................................................................................. 3. Transposones eucariotas........................................................................................................... 3.1. Elementos controladores en el maíz.................................................................................. 3.2. Elementos P de Drosophil.................................................................................................. 4. Retrovirus y retrotransposones................................................................................................. 5. Efectos de los elementos genéticos transponibles....................................................................

376 377 379 379 379 381 381 382 382 384

Lecturas recomendadas................................................................................................................

385

QUINTA PARTE

GENÉTICA DE LA DIFERENCIACIÓN Y EL DESARROLLO CAPÍTUO 29. Control genético del ciclo de división celular..................................................... 1. Control genético de la proliferación y la muerte celular........................................................... 1.1. Control genético de la proliferación celular....................................................................... 1.2. Control genético de la muerte celular................................................................................. 2. El cáncer como descontrol genético del ciclo celular............................................................... 2.1. Oncogenes.......................................................................................................................... 2.2. Genes supresores de tumores..............................................................................................

389 390 390 391 392 393 397

Lecturas recomendadas................................................................................................................

398

CAPÍTULO 30. Genética del desarrollo....................................................................................... 1. Aspectos fundamentales de la genética del desarrollo.............................................................. 2. Determinación del sexo en Drosophila y mamíferos................................................................. 2.1. Determinación del sexo en Drosophila............................................................................... 2.2. Determinación del sexo en mamíferos: el factor TDF....................................................... 3. Línea somática versus línea germinal........................................................................................ 4. Formación de patrones complejos: el plan corporal básico de Drosophila............................... 4.1. Sinopsis de la oogénesis y del desarrollo embrionario de Drosophila............................... 4.2. Las asimetrías citoplasmáticas y la generación de la diversidad morfológica en el eje antero-posterior................................................................................................................... 4.3. La señalización célula-célula y la generación de la diversidad morfológica en el eje dorso-ventral.......................................................................................................................

401 402 402 403 404 405 406 407 408 413

Lecturas recomendadas................................................................................................................

414

CAPÍTULO 31. Genética del desarrollo en vertebrados y plantas...........................................

1. Paralelismo entre la formación de patrones corporales en insectos y vertebrados.................. 2. Inmunogenética........................................................................................................................ 3. Aspectos diferenciales del desarrollo en plantas......................................................................

417 418 420 421

Lecturas recomendadas...............................................................................................................

422

ÍNDICE

15

1. Antecedentes históricos e inicio de la especialidad genética.................................................... 2. Metodologías genéticas para el estudio del comportamiento.................................................... 2.1. El método comparativo....................................................................................................... 2.2. El método de selección....................................................................................................... 2.3. Efectos de genes únicos sobre una pauta de comportamiento............................................ 3. Genética del comportamiento en Drosophila............................................................................ 4. Genética del comportamiento humano.....................................................................................

425 426 427 428 429 432 435 436

Lecturas recomendadas................................................................................................................

441

CAPÍTULO 32. Genética del comportamiento.............................................................................

SEXTA PARTE

LOS GENES EN LAS POBLACIONES CAPÍTULO 33. Genética de las poblaciones............................................................................... 1. La variación genética................................................................................................................ 2. Estimaciones de la variación genética...................................................................................... 3. Conservación de las frecuencias génicas: el equilibrio Hardy-Weinberg................................

445 446 448 451

Lecturas recomendadas................................................................................................................

452

CAPÍTULO 34. Fuentes de variación (1)......................................................................................

1. Fuentes de variación.................................................................................................................. 2. Procesos sistemáticos................................................................................................................ 2.1. Mutaciones.......................................................................................................................... 2.2. Recombinación................................................................................................................... 2.3. Migración............................................................................................................................

453 454 454 454 455 456

Lecturas recomendadas.................................................................................................................

457

CAPÍTULO 35. Fuentes de variación (2)......................................................................................

1. Selección.................................................................................................................................... 1.1. Selección contra el alelo dominante................................................................................... 1.2. Selección contra el alelo recesivo....................................................................................... 1.3. Selección en contra y a favor de los heterocigotos............................................................. 1.4. Selección dependiente de la frecuencia.............................................................................. 2. Deriva genética..........................................................................................................................

459 460 461 461 462 464 464

Lecturas recomendadas................................................................................................................

465

CAPÍTULO 36. Genética evolutiva...............................................................................................

1. Teorías evolutivas...................................................................................................................... 2. Divergencia de las poblaciones................................................................................................. 3. El proceso de especiación.......................................................................................................... 4. La evolución a nivel molecular.................................................................................................

467 468 469 471 473

Lecturas recomendadas.................................................................................................................

474

Autores JOSÉ FERNÁNDEZ PIQUERAS (1952) Licenciado en Ciencias Biológicas por la Universidad de Granada, Doctor por la Universidad Autónoma de Madrid y Catedrático de Genética en la Universidad Autónoma de Madrid. Ha realizado estancias y mantenido relaciones de trabajo con numerosos Centros de Investigación nacionales e internacionales de prestigio (Max Planck, Medical School of the NY University, CBM, CNB, CNIO, Instituto Pasteur de París, etc.) y ha dirigido o participado en numerosos proyectos de investigación. Sus líneas actuales de investigación se centran en la caracterización de genes supresores y modificadores implicados en el desarrollo de linfomas, y en la búsqueda de genes de susceptibilidad en enfermedades psiquiátricas. Autor de más de 200 publicaciones en las revistas internacionales del mayor prestigio en sus áreas de investigación: Cancer Research, Oncogene, American Journal of Medical Genetics, Leukemia, Carcinogenesis, Molecular Psychiatry, Neuropsychopharmacology, Pharmagenetics, etc. Ha sido Director del Departamento de Genética y del Departamento de Biología y en la actualidad dirige el Laboratorio de Genética Molecular Humana en la Universidad Autónoma de Madrid. Es miembro de numerosas Sociedades Científicas como: la International Mammalian Genome Society, SEG, The American Association for the Advancement of Science, AEG, Asociación Española de Investigación contra el Cáncer, etc. ANTONIA MARÍA FERNÁNDEZ PERALTA (1953) Licenciada en Ciencias Biológicas por la Universidad de Granada y Doctora en Ciencias por la Universidad Autónoma de Madrid. Sus líneas de investigación se centran en el análisis de alteraciones genéticas implicadas en el desarrollo del cáncer (cáncer colorrectal, gástrico y neoplasias hematológicas), con especial incidencia en las alteraciones en genes de predisposición en síndromes de cáncer hereditario. Es autora de numerosas publicaciones en revistas internacionales de prestigio (Leukemia, Cancer Genetics and Cytogenetics, British Journal of Cancer, Human Genetics, Annals of Oncology, American Journal of Clinical Oncology, etc.) y ha dirigido o participado en numerosos proyectos de investigación (CAyCYT, CICYT, FIS, Comunidad Autónoma de Madrid, Cooperación con Iberoamérica, Unión Europea, etc.). Colabora con diversos Centros de Investigación y Hospitales (tanto nacionales como extranjeros) de reconocido prestigio. Ha recibido numerosos premios, entre los que destaca el Premio Braun-Dexon, entregado por el Ministro de Sanidad en 1995, a la mejor publicación en la revista Cirugía Española. Ha sido Vicedecana de Nuevas Titulaciones de la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de Madrid. Es miembro de varias Sociedades Científicas como: The American Association for the Advancement of Science, Sociedad Española de Genética, Asociación Española de Genética Humana, Asociación Española de Investigación contra el Cáncer, etc. FRANCISCO JAVIER SANTOS HERNÁNDEZ (1958) Doctor en Ciencias Biológicas por la Universidad Autónoma de Madrid (premio extraordinario de doctorado). Profesor Titular de Genética de la Universidad Autónoma de Madrid. Ha realizado estancias en Hahnemann University, Medical Center, Dpt. Neoplastic Diseases, New York University, Medical Center, Dpt. Pathology, Institut Pasteur de Paris, Unité Génétique des Mammifères.

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GENÉTICA

Ha participado como investigador en numerosos proyectos de investigación. Autor de más de 30 artículos de investigación en revistas científicas internacionales: Oncogene y Cancer Research, etc. JUAN JOSÉ GONZÁLEZ AGUILERA (1953) Licenciado en Ciencias Biológicas por la Universidad de Granada y Doctor en Ciencias por la Universidad Autónoma de Madrid. Sus líneas actuales de investigación se centran en el análisis genético del cáncer (colorrectal, gástrico y leucemias), colaborando con diversos Hospitales y Centros de Investigación españoles y extranjeros. Es autor de numerosas publicaciones científicas en revistas internacionales de reconocido prestigio (American Journal of Clinical Oncology, Annals of Oncology, British Journal of Cancer, Human Genetics, etc.). Ha realizado diversas estancias pre y posdoctorales en Centros extranjeros y ha dirigido o participado en numerosos proyectos de investigación (CAyCYT, CICYT, FIS, CAM, AECI, Unión Europea, etc.) y en contratos de I+D con empresas. Ha recibido los siguientes premios: Premio al mejor póster presentado en el VII Congreso Nacional de la Asociación Española de Diagnóstico Prenatal en noviembre de 1995. Premio Braun-Dexon a la mejor publicación en la revista Cirugía Española en 1995. Premios a la mejor comunicación presentada en el XXII Congreso Nacional de Cirugía, en 1996. Premio a la mejor comunicación presentada en el 15th World Congress of CICD, en Seúl (Corea) en 1996. Es miembro de varias Sociedades científicas, siendo actualmente Vicepresidente de la Asociación Española de Genética Humana (AEGH).

Capítulo

1

Introducción JOSÉ FERNÁNDEZ PIQUERAS

(Concepto de genética, evolución histórica, cuerpo de doctrina, perspectivas actuales, lecturas recomendadas)

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GENÉTICA

Los mecanismos de la «herencia» encierran los procesos fisiológicos posiblemente más complejos. Los organismos con reproducción sexual «encapsulan» la «información necesaria» para crear otros miembros de su misma especie en los gametos, y las informaciones complementarias de los dos progenitores se unen en la célula huevo fecundada para poner en marcha un «programa genético» de desarrollo que conduce siempre a la producción de un organismo descendiente de la misma especie. El estudio de la herencia fue sólo un objeto de especulación para los filósofos hasta la invención del primer microscopio en el siglo xvii por Leeuwenhoek. Pero su abordaje científico comenzó realmente en la abadía de Brno a finales del siglo xix. Allí nació la «Genética» de la mano de Gregor Mendel. La Genética se centra en el estudio del gen como unidad funcional básica de la herencia, y el concepto actual de gen fue propuesto en 1865 por Mendel. Hasta entonces se pensaba que los espermatozoides y los óvulos contenían una muestra de las «esencias» de los organismos parentales, y estas esencias se mezclaban de alguna forma durante la fecundación haciendo posible el desarrollo de un nuevo organismo. Sin embargo los experimentos realizados por Mendel en el guisante le permitieron proponer una teoría «particulada» de la herencia. Según Mendel, los caracteres fenotípicos estaban determinados por unidades discretas (los factores mendelianos, llamados después genes) que se heredaban intactos a lo largo de las generaciones siguiendo unas pautas determinadas de transmisión («Leyes de Mendel»). Esta propuesta chocaba frontalmente con las ideas existentes y los científicos se dividieron en dos bandos: «mendelianos» y «biómetras». Estos últimos no aceptaban que la extraordinaria variación de los caracteres observables en los seres vivos se pudiese explicar con un número limitado (finito) de partículas discretas (genes). Gregor Mendel nació en 1822 en un pueblecito de Heinzendorf -hoy Hynoice- en el norte de Moravia, cuando esta región pertenecía al imperio Austro-Húngaro. Tras algunos

estudios en la Universidad de Olmutz ingresó como fraile agustino en la abadía de Brno. Fracasó en su intento de hacerse profesor de Ciencias en la Universidad de Viena y volvió a sus 31 años a la vida monástica. Sin embargo Mendel tenía grandes aptitudes para las matemáticas y el ajedrez y le apasionaba la jardinería. A sus 34 años inició una serie de experimentos con los guisantes en los huertos del monasterio plantando más de 30.000 ejemplares en ocho años. También trabajó con fucsias, el maíz y otras plantas obteniendo resultados similares. La interpretación de sus resultados le llevó a proponer que los caracteres no se mezclaban en la descendencia, sino que existía algún tipo de unidad genética indivisible, de naturaleza cuántica o particulada. Sus trabajos fueron publicados en las actas de la Sociedad para el Estudio de la Ciencia Natural de Brno, pero hastiado por la falta de reconocimiento fue perdiendo interés por la Ciencia conforme ascendía en la jerarquía monástica hasta convertirse en abad del monasterio. Las leyes de Mendel permanecieron en el olvido hasta su redescubrimiento a comienzos del siglo xx por tres investigadores independientes (DeVries, Correns y Tschermak) que alcanzaron los mismos resultados en diferentes materiales de estudio. En este estado de las cosas Bateson propuso por primera vez en 1906 el término «Genética» para referirse a una «nueva ciencia» emergente dedicada al estudio de la herencia y la variación de los seres vivos. Desde entonces los trabajos de Mendel se consideran el punto de partida de la Genética como Ciencia moderna, y se le reconoce el mérito de haber sabido abordar el análisis de una realidad tan compleja a partir de un modelo sencillo (simplificado), utilizando escrupulosamente el método científico, y haciendo una correcta interpretación estadística de los resultados. Las leyes de Mendel dotaron de significado científico las ideas evolucionistas surgidas a finales del siglo xix. La teoría de Darwin encontró en ellas un apoyo fundamental, porque la variabilidad de los caracteres en los seres vivos, que era el sustrato indispensable

INTRODUCCIÓN

para que pudiese operar la Selección Natural, se podía explicar ahora por la existencia de los factores mendelianos y de sus cambios generados por la «mutación». A finales del siglo xix los investigadores estaban convencidos de que la base física de la herencia radicada en el núcleo de las células, y los candidatos más atractivos para contener el material genético eran los cromosomas, por su presencia en el núcleo y por su comportamiento durante las divisiones celulares y meióticas. Nació así la Teoría Cromosómica de la Herencia (o hipótesis de Sutton-Boveri) que más tarde sería demostrada en todos sus extremos por Thomas Hunt Morgan (Premio Nobel de 1933) en Drosophila y Creighton y McClintock en el maíz. Los genes no sólo estaban en los cromosomas, sino que además se podían crear nuevas combinaciones durante la meiosis mediante el intercambio físico entre cromosomas homólogos («recombinación»). La «frecuencia de recombinación» entre los genes (o sus espacios físicos llamados «loci») fue utilizada por Alfred Sturtevant (discípulo de Morgan) como un criterio de «distancia genética» para construir los primeros «mapas genéticos de ligamiento». Años más tarde, los resultados obtenidos por Benzer sobre la recombinación en virus obligaron a redefinir la «terminología genética» de modo que el gen no sería ya la unidad de mutación ni de recombinación, pero seguía siendo la unidad funcional básica de la herencia. En 1909 Archivald Garrod propuso que los factores mendelianos o genes eran en realidad «recetas para fabricar proteínas». Sus deducciones se basaron en la observación de pacientes que tenían una enfermedad rara conocida como alcaptonuria. Los enfermos padecían artritis y su orina y la cera de sus oídos se volvían negras o rojizas al contacto con el aire dependiendo de la ingesta. La profusión de hijos enfermos a partir de padres sanos con algún grado de parentesco, hicieron pensar a Garrod que se trataba de una enfermedad «heredable» que se comportaba como un «carácter recesivo» mendeliano. Sabedor de que la coloración de la orina se debía a la presencia de ácido homogentísico, propuso que el gen alterado en los enfermos debía ser una proteína «catalizadora» de alguna reacción metabólica que no se completaba por la mutación de ese gen en los enfermos. Sin embargo la demostración de la hipótesis un gen-un enzima tuvo que

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esperar aún algunos años hasta los trabajos de Beadle y Tatum (Premios Nobel de 1958) en la década de los cuarenta con mutantes «autotróficos» de Neurospora. La caracterización de otras proteínas complejas como la hemoglobina, compuestas por dos cadenas polipeptídicas diferentes, y el análisis de otras enfermedades como la anemia falciforme, sirvieron para confirmar y precisar la relación anterior aceptándose finalmente que la acción primaria del gen era la síntesis de un polipéptido. La demostración de la naturaleza del material genético (ADN) tuvo su primer antecedente en el descubrimiento de los procesos de «transformación bacteriana» por Avery, McLeod y McCarty en 1944. Más tarde el conocimiento del ciclo biológico de los virus (sobre todo los bacteriófagos T de Escherichia coli) por Luria y Delbruck permitieron que Hershey y Chase confirmasen en 1952 que el ADN era también el material genético de los virus. Delbruck, Luria y Hershey fueron galardonados con el Premio Nobel en 1969. Por aquel entonces, la incorporación de las bacterias y los virus al análisis genético, y el éxito de los estudios genéticos en los microorganismos hicieron exclamar a Pasteur que «el secreto del infinito sería encontrado en lo infinitamente pequeño». En 1953 Watson y Crick (Premios Nobel de 1962) establecieron el modelo de la doble hélice del ADN, y propusieron el mecanismo «semiconservativo» como el más probable para su replicación (fig. 1.1). Pero aunque el ADN parecía una estructura suficientemente sólida y estable en las condiciones fisiológicas de la célula, Barbara McClintock pudo demostrar en el maíz la capacidad de algunos fragmentos para desplazarse dentro de un mismo genoma. Estos fragmentos estaban compuestos normalmente por uno o más genes flanqueados por secuencias repetidas en sus extremos, y se denominaron por su movilidad «elementos genéticos móviles o transponibles». Barbara McClintock recibió por este motivo el Premio Nobel en 1983. Si los genes eran fragmentos de ADN compuestos por cuatro bases nucleotídicas, y las proteínas estaban formadas por la combinación de al menos veinte aminoácidos esenciales (esta cifra no fue siempre la mis

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GENÉTICA

FIG. 1.1. La doble hélice de DNA y el «cromosoma» ma, incluso ahora podría haber aumentado ligeramente hasta 23), había que admitir la existencia de una «clave» o «código» para traducir el mensaje de los nucleótidos en el de los aminoácidos. El desciframiento del código genético fue el resultado de una extraordinaria labor de investigación desarrollada durante la década de los sesenta. Antes se comprobó que el ADN era «copiado» inicialmente en una molécula complementaria de ARN mensajero (ARNm) (transcripción). Después, con la ayuda de una molécula adaptadora (ARN transferente, o ARNt) y el soporte de los ribosomas, se iban añadiendo aminoácidos (uno por cada tripleta de bases o codón del ARN mensajero), que se unían mediante enlaces peptídicos para formar las cadenas polipeptídicas (traducción) (fig. 1.2). Finalmente, los trabajos sobre la síntesis

in vitro de los ácidos nucleicos de Severo Ochoa y Arthur Kornberg (Premios Nobel de 1959) fueron esenciales para que Holley, Khorana y Nirenberg (Premios Nobel de 1968) pudiesen «descifrar» el significado de cada una de las tripletas de bases nucleotídicas posibles. Era un código genético de tripletas, degenerado y sin solapamientos. Años después se pudo demostrar que las moléculas recién sintetizadas (transcritas) de ARN (sobre todo de los organismos eucarióticos) necesitaban un periodo de maduración antes de alcanzar la forma madura funcional (procesos de «splicing»). Sorprendentemente una de esas etapas consistía en la eliminación de una parte sustancial del RNA (las secuencias «intrónicas») de modo que el RNA maduro o procesado estaba compuesto por la

INTRODUCCIÓN

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FIG. 1.2. El «dogma central d la Genética Molecular». . mental para «identificar» o «constatar» la unión de secuencias , consideraexistencia de una estructura o de una funblemente más pequeñas que los intrones (fig. ción, porque sólo se tiene constancia de ellas 1.3). En 1993 Roberts y Sharp ,recibieron el cuando se pueden ver diferentes versiones Premio Nobel por el descubrimiento de la «namutacionales alternativas. turaleza fragmentada del gen». Se sabe que hay diferentes etapas en un La «mutación» es sin duda el «paradigma» proceso metabólico, o en un proceso morfode la Genética. No sólo es la fuente primaria genético del desarrollo, cuando se han podi de variabilidad, sino que también resulta funda

FIG. 1.3. Naturaleza fragmentada del gen.

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GENÉTICA

do aislar las variantes mutacionales de los genes que los controlan. Se sabe que existe un gen cuando se encuentra alguna variante del alelo salvaje producida por mutación. La «prueba de alelismo» o el «análisis de complementación» constituye una herramienta genética esencial para decidir si las diferentes mutaciones que afectan a un mismo carácter son variantes alélicas de un mismo gen o pertenecen a genes diferentes no alélicos. Por este motivo los genetistas han tenido siempre un interés primordial en el análisis de las mutaciones, seleccionando las que ocurren de manera espontánea, o induciéndolas artificialmente. La investigación sobre «mutagénesis» tuvo sus principales antecedentes en los trabajos de Muller, que recibió el Premio Nobel de 1946 por el descubrimiento del efecto mutagénico de los rayos X, y los de Stadler, quien demostró el efecto mutagénico de algunos productos químicos. Desde entonces la mutagénesis inducida es una práctica generalizada que se proyecta tanto en la investigación básica como en la aplicada (mejora genética animal y vegetal). Una vez conocida la naturaleza, la estructura y la acción primaria del gen las investigaciones se centraron en la búsqueda de los mecanismos de regulación de la expresión génica. Se hizo pronto evidente que los procesos de desarrollo eran el resultado de un programa genético que funcionaba creando unos patrones de expresión génica diferencial, porque los genes eran los mismos en todos los tipos celulares. Además, la expresión de los genes parecía poder cambiar (ahora de modo reversible) en función de las necesidades de la célula. Una vez más las bacterias fueron la puerta de entrada al conocimiento de los mecanismos de regulación al demostrarse el modelo del «operón» bacteriano. Jacob, Monod y Lwoff fueron galardonados con el Nobel de 1965 por sus contribuciones al conocimiento del control de la expresión génica. Más tarde Lewis, Nusslein-Volhard y Wieschaus recibieron el Nobel de 1995 por sus descubrimientos sobre el control genético del desarrollo temprano del embrión. La Genética del Desarrollo ha tenido otros ilustres investigadores que tuvieron el acierto de incorporar organismos especialmen

te aptos para este tipo de estudios como Drosophila y el nematodo Caenorhabditis elegans (Brenner, Gehring, Lewis, Bellido, Morata, etc.). Matizando una frase anterior, el material genético puede en realidad sufrir reordenaciones o cambios durante el desarrollo en tejidos específicos, y uno de los más significativos está relacionado con la capacidad de respuesta inmunológica de los organismos. En este sentido los trabajos de Tonegawa (que recibió el Nobel de 1987) fueron esenciales para el descubrimiento de los mecanismos genéticos responsables de la gran diversidad de anticuerpos que puede producir un organismo. Más recientemente, Hartwell, Nurse y Hunt fueron galardonados con el Nobel de 2001 por su descubrimiento de las proteínas básicas que controlan el ciclo celular (ciclinas y quinasas dependientes de ciclinas). Estos hallazgos han tenido gran trascendencia en el estudio de los mecanismos genéticos que originan el cáncer, puesto que muchos de los genes implicados (oncogenes y genes supresores) actúan directa o indirectamente descontrolando el ciclo celular. Bishop y Varmus recibieron el Nobel de 1989 por sus descubrimientos sobre el origen celular de los oncogenes virales. Finalmente, los experimentos de donación de mamíferos a partir de células diferenciadas del adulto, y los mecanismos de regulación de naturaleza «epigenética» (basados en modificaciones químicas de las histonas, y de secuencias reguladoras específicas del ADN), constituyen dos de los focos de mayor atención de los genetistas en los últimos años. A mediados de los setenta tuvo lugar una auténtica revolución tecnológica en el campo de la Genética Molecular: fue el nacimiento de la llamada «Ingeniería Genética» o «Tecnología del ADN recombinante». Aprovechando la «universalidad» de los procesos genéticos esenciales, y la incorporación de las endonucleasas de restricción, fue posible «construir» nuevas combinaciones de material genético «mezclando» el de organismos tan dispares como una bacteria y el ser humano. La inclusión de un fragmento génico humano dentro de un plásmido bacte

INTRODUCCIÓN

riano (donación molecular), en condiciones tales que era posible incluso su expresión, fue un logro auténticamente revolucionario. Arber, Smith y Nathans recibieron el Nobel de 1978 por el descubrimiento de las endonucleasas de restricción y su aplicación en Genética Molecular. Más tarde Berg, Gilbert y Sanger recibieron el Nobel de 1980 por sus estudios sobre el ADN recombinante, y el desarrollo de una metodología eficaz para la secuenciación de los ácidos nucleicos. En 1993 Mullis fue galardonado con el premio Nobel de Química por el desarrollo de la «técnica de amplificación en cadena de la polimerasa» (PCR), que consiste básicamente en la posibilidad de «replicar in vitro» cualquier fragmento de ADN de una forma rápida y eficaz, sin necesidad de clonarlo. Las posibilidades abiertas por la Ingeniería Genética son extraordinarias. Así, por ejemplo, se ha hecho posible la «mutagénesis dirigida», es decir el diseño in vitro de mutaciones ad hoc, el análisis de la variabilidad genética a través de las secuencias de nucleótidos del ADN (polimorfismos de ADN que sirven para definir las «huellas dactilares de ADN» de los organismos, y para completar la elaboración de los mapas genéticos), la modificación de organismos por transferencia génica (organismos transgénicos), la terapia génica, y el desarrollo de una nueva Biotecnología que está revolucionado los planteamientos de la economía mundial, y provocando «sentimientos» encontrados. En los últimos años la comunidad científica internacional ha afrontado el reto de la secuenciación de genomas completos para conseguir una visión integrada de la estructura y función del genoma de los organismos (Genómica). El «Proyecto Genoma Humano», la aventura más paradigmática en este nuevo campo, ha sido posible gracias a los notables avances alcanzados en otras disciplinas como la robótica y la bioinformática. El mes de febrero de 2001 un Consorcio Internacional y la empresa privada Celera Genomics hicieron pública la secuencia de bases nucleotídicas del primer gran borrador del Genoma Humano. El análisis de los genomas secuenciados está

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abriendo nuevas perspectivas para comprender el significado de los diferentes tipos de secuencias de ADN, en la identificación de genes modificadores (implicados en los caracteres complejos o multifactoriales), en los estudios evolutivos, etc. El manejo de tan ingente cantidad de información está siendo posible gracias al desarrollo de la «tecnología de los biochips». En este nuevo contexto se empieza a hablar de una Nueva Medicina «Genómica» y de una Farmacología «Genómica», donde el diagnóstico, el diseño de los fármacos y los tratamientos, se apoyarán en el conocimiento de la naturaleza estructural y funcional de miles de genes analizados simultáneamente en cada persona. El Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), ha desarrollado recientemente el primer «oncochip» español para el estudio del cáncer.

Lecturas recomendadas De Frutos Illán, R. (2000): Genética y Genómica, Universidad de Valencia. Garrod, A. E. (1909): Inborn Errors of Metabolism, Hodder & Stoughton, Londres. Lacadena, J. R. (1995): Historia novelada de la Genética, Instituto de España/Real Academia de Farmacia (pp. 1-83). Lander, E. S. y Weinberg, R. A. (2000): «Genomics: journey to the center of biology», Science, 287, pp. 1.777-1.782. Orel, V. (1996): Gregor Mendel. The first geneticist, Oxford Univ. Press. Ridley, M. (2000): Genoma, Taurus. Watson, J. D. (1968): The double helix, Signet, Nueva York.

Capítulo

2

Principios básicos de la herencia JOSÉ FERNÁNDEZ PIQUERAS

1.

Las Leyes de Mendel 1.1. Los Experimentos de Mendel 1.2. Plantas que se Diferencian en un solo Carácter (Cruzamientos Monohíbridos) 1.3. Plantas que se Diferencian en Dos o Más Caracteres (Cruzamientos Dihíbridos y Polihíbridos)

2.

Teoría Cromosómica de la Herencia 2.1. Los Genes Están en los Cromosomas 2.2. Primeras Evidencias a Favor de la Teoría Cromosómica de la Herencia

3.

Las Leyes de Mendel en Organismos Haploides

4.

Ejemplos de Caracteres Mendelianos en la Especie Humana 4.1. 4.2. 4.3. 4.4.

5.

Enfermedades Autosómicas Recesivas Enfermedades Autosómicas Dominantes Enfermedades Recesivas Ligadas al X Enfermedades Dominantes Ligadas al X

El Problema de la Compensación de la Dosis Génica 5.1. Herencia Ligada al Y

Lecturas Recomendadas

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GENÉTICA

1. Las leyes de Mendel 1.1. LOS EXPERIMENTOS DE MENDEL

La elección del guisante de olor (Pisum sativum) no fue una casualidad. Mendel conocía muy bien sus técnicas de cultivo (era posible practicar la autofecundación o la polinización cruzada mediante «castración y aislamiento») (fig. 2.1), tenía un periodo corto de generación (se podían obtener números elevados de descendientes en relativamente poco tiempo), y disponía de una gran variedad de semillas (con efectos fenotípicos fácilmente distinguibles). Finalmente Mendel tuvo el acierto de elegir siete caracteres diferentes que se presentaban bajo formas fenotípicas alternativas fácilmente distinguibles (caracteres cualitativos/variación discontinua): semillas lisas/rugosas, cotiledones amarillos/verdes, flores violetas/blancas, vainas

lisas/hendidas, legumbres (vainas) verdes/amari llas, flores axiales/terminales, tallos largos/cortos, y consiguió los siete pares de líneas o razas puras (después de sucesivas autofecundaciones durante dos años), de tal manera que cada una de ellas presentaba sólo una de las dos alternativas posibles del carácter en cuestión (fig. 2.2). 1.2.

PLANTAS QUE SE DIFERENCIAN EN UN SOLO

CARÁCTER (CRUZAMIENTOS MONOHÍBRIDOS)

La realización de cruzamientos recíprocos (cambiando el sexo de los parentales) entre las diferentes líneas puras (generación parental, P) le permitió obtener descendientes híbridos (].'generación filial o Ft), concluyendo (después de un buen planteamiento estadístico) que todos los híbridos de un mismo cruce tenían la misma forma del carácter, con independencia del sexo

FIG. 2.1. Técnica de castración y aislamiento, y los siete caracteres estudiados por Mendel en el guisante.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 2.2. Principios mendelianos de la uniformidad de la primera generación filial y de la segregación.

de los parentales, y que ésta coincidía con la manifestada por uno de los parentales: era la primera ley de Mendel o principio de la «Uniformidad de la primera generación filial». En estas condiciones, si se quería aún aceptar una explicación basada en la teoría de la «herencia de mezclas», había que asumir que uno de los dos fenotipos alternativos de cada carácter tenía que ser mucho más «fuerte» que el otro hasta el punto de enmascararlo completamente en los híbridos. El paso siguiente fue obtener una segunda generación de plantas (F2) mediante autofecundación. La mayoría de los descendientes (3/4) tenían el fenotipo de los híbridos F, pero, sorprendentemente, 1/4 recuperaban la forma del carácter enmascarada en la primera generación filial. Mendel comprobó mediante nuevas autofecundaciones que los híbridos mayoritarios de la F2 se podían subdividir en dos subclases: 2/3 daban de nuevo una descendencia con proporciones 3:1 (una F3

heterogénea), y 1/3 parecían ser razas puras (es decir, una F3 homogénea e idéntica a su parental) (fig. 2.3). Llegado este punto ya era imposible mantener la teoría de la «herencia de mezclas», y había que admitir que los híbridos F, tenían que recibir de sus padres la capacidad para expresar las dos formas alternativas de cada carácter, y que éstas podían ser transmitidas a la descendencia sin sufrir ninguna modificación. Mendel utilizó los términos dominancia y recesividad para referirse a este fenómeno, de tal manera que el carácter que se manifiesta en el híbrido sería el dominante, y el enmascarado el recesivo. Con estos resultados Mendel dedujo que:

1. Tenían que existir unos determinantes hereditarios de naturaleza «particulada» que él denominó «factores mendelianos» (después llamados genes por Johannsen en 1909).

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GENÉTICA

FIG. 2.3. Principio mendeliano de la distribución independiente.

2. Cada planta adulta habría de tener dos genes («un par génico») para cada carácter. 3. Los miembros de cada par génico tendrían que «segregar» o separarse sin sufrir modificaciones para formar los gametos (segunda ley o «Principio de la segregación»). 4. Cada gameto habría de tener un único determinante hereditario para cada carácter. 5. Los gametos parentales se deberían combinar al azar, sin que influyan los factores hereditarios que portan, para formar los zigotos de la nueva progenie.

de la dirección del cruzamiento (cruzamientos recíprocos), y este fenotipo coincide con el manifestado por uno de los parentales. Al carácter correspondiente se le llama dominante y al enmascarado recesivo.» 2. Segunda ley de Mendel o Principio de la segregación. «Los caracteres recesivos enmascarados en la F, heterocigótica de un cruzamiento entre dos líneas puras reaparecen en la F2 con una proporción específica de 1/4, debido a que los miembros de la correspondiente pareja alélica se separan (segregan) sin sufrir modificación alguna para formar los gametos.»

Utilizando la terminología actual: 1. Primera ley de Mendel o Principio de la Uniformidad de la primera generación filial (F,). «Cuando se cruzan dos líneas o razas puras (homocigóticas) que difieren para un determinado carácter y la correspondiente pareja alélica (A,a), todos los individuos de la F, presentan el mismo fenotipo con independencia

Los criterios para la denominación de los genes se basan normalmente en las características de la primera variación «mutante» encontrada del carácter, porque (como se explicó en el capítulo anterior) sólo se tiene constancia de la existencia de un gen cuando existen variaciones fenotípicas del carácter en

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

cuestión. La inicial en minúscula del término elegido constituye el símbolo para la denominación del alelo mutante. El alelo salvaje o silvestre (wild type), que suele ser el dominante y el que se encuentra con mayor frecuencia en las poblaciones naturales, se designa con esa misma letra en mayúscula o con la minúscula seguida de un signo «+» como superíndice. Además de la fecundación cruzada y la autofecundación Mendel utilizó profusamente las técnicas del «retrocruzamiento» (cruzar un individuo con uno de sus parentales de la generación anterior) y el «cruzamiento prueba» (cruzar cualquier individuo con el homocigótico recesivo). Este último procedimiento resultó especialmente adecuado para averiguar el carácter homocigótico o heterocigótico de los individuos con fenotipo dominante.

1.3. PLANTAS QUE SE DIFERENCIAN EN DOS O MÁS CARACTERES (CRUZAMIENTOS DIHÍBRIDOS Y POLIHÍBRIDOS)

Hasta ahora sólo se han considerado organismos heterocigotos resultantes del cruzamiento de dos líneas puras para un carácter determinado (cruzamientos monohíbridos), pero ¿que pasaría con los cruzamientos entre los dobles heterocigotos resultantes del cruce entre líneas puras que difieren para dos caracteres (cruzamientos dihíbridos)? Mendel realizó numerosos experimentos de este tipo utilizando individuos de la F, resultantes del cruzamiento entre razas puras que diferían para pares de caracteres y, en todos los casos, la F2 se ajustaba significativamente a las proporciones: 9/16 (con los dos caracteres dominantes), 3/16 (con un carácter dominante y otro recesivo), 3/16 (con el otro carácter dominante y el otro recesivo) y 1/16 (individuos con los dos caracteres recesivos) (fig. 2.3). A la vista de estos resultados Mendel propuso su tercera ley o «Principio de la distribución independiente», que ahora se podría redactar como: - Los miembros de parejas alélicas diferentes (A/a, B/b) se distribuyen o combinan

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al azar, sin sufrir modificación alguna, para formar los gametos de un individuo dihíbrido para los caracteres correspondientes. Cuando se trata de más de dos pares de caracteres considerados a la vez se hablaría de «polihibridismo» (fig. 2.4). 2. Teoría cromosómica de la herencia 2.1. LOS GENES ESTÁN EN LOS CROMOSOMAS

Los citólogos de finales del siglo XIX conocían la existencia de la cromatina nuclear, definida como una maraña de fibras con fuerte apetencia por los colorantes básicos que podía visualizarse mediante microscopía óptica (Flemming,1879). También se sabía que esta maraña de fibras se transformaba en unas estructuras individualizadas (los cromosomas) (Waldeyer, 1898) que tenían un comportamiento característico durante las divisiones celulares y la formación de los gametos. En este caldo de cultivo el redescubrimiento de las leyes de Mendel dio sentido a estas observaciones citológicas naciendo la Teoría Cromosómica de la Herencia o hipótesis de Walter Sutton y Theodore Boveri (1902). Según esta hipótesis los factores mendelianos tenían que estar en los cromosomas (vehículos de la herencia), ya que los alelos de un mismo par génico segregaban para formar los gametos de igual manera que lo hacían los cromosomas homólogos de una misma pareja de cromosomas, y los miembros de parejas alélicas diferentes (no homólogas) se distribuían independientemente como lo hacían también los cromosomas no homólogos. 2.2. PRIMERAS EVIDENCIAS A FAVOR DE LA TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA

2.2.1 Observación del comportamiento de los cromosomas durante la mitosis y la meiosis

Como se ha mencionado, las primeras evidencias a favor de la teoría cromosómica de la herencia vinieron de la observación del com-

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GENÉTICA

FIG.2.4. Polihibridismo.

portamiento de los cromosomas durante las divisiones celulares. Llamaba poderosamente la atención la constancia en el número de cromosomas entre las diferentes células de un mismo organismo, a lo largo de las generaciones, y entre los individuos de la misma especie. La constancia en el número de cromosomas se garantizaba mediante el proceso de división celular que comprendía dos partes perfectamente diferenciadas: la mitosis o cariocinesis (para el reparto equitativo del material genético nuclear de la célula madre entre las dos células hijas) y la citocinesis (donde se produce el reparto citoplasmático). La constancia del material genético de una generación a la siguiente se producía gracias a la meiosis, donde se reduce la dotación cromosómica a la mitad para hacer posible la formación de los gametos durante la re-producción sexual. El ciclo de división celular (que será objeto

de estudio en capítulos posteriores) se inicia en la interfase. Durante este periodo las células duplican (replicación) su material genético (periodo S entre dos gaps, GI y G2) de modo que cada cromosoma queda constituido por dos cromátidas hermanas. La mitosis propiamente dicha comienza con la profase, cuando los cromosomas inician un proceso de condensación que les permite manifestarse como entidades individualizadas, y se inicia la formación del huso acromático o mitótico con la duplicación de los centrosomas. En la etapa siguiente (prometafase) continúa la condensación de los cromosomas, desaparece la membrana nuclear y el nucléolo, y los cromosomas comienzan su migración hacia el plano ecuatorial del huso mitótico. En metafase los cromosomas han adquirido su máxima condensación y se ordenan en la placa ecuatorial unidos a los microtúbulos del aparato mitótico

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FIG. 2.5. La división celular: Mitosis o cariocinesis y citocinesis.

por los cinetocoros centroméricos. En anafase se inicia la separación (segregación) de las cromátidas hermanas de cada cromosoma hacia los polos opuestos del huso. Finalmente en telofase las cromátidas alcanzan los polos, comienzan a descondensarse, y se reorganizan la membrana nuclear y el nucléolo. Una vez terminada la mitosis la división celular se completa durante la citocinesis generándose dos células hijas con la misma constitución genética que la célula madre (figs. 2.5 y 2.6a). Por otro lado, las divisiones meióticas forman parte de la gametogénesis y consisten en dos procesos diferentes de división celular (meiosis I y II) que se suceden en los meiocitos (un tipo especial de células diploides, 2n, de la línea germinal) para dar lugar a cuatro productos finales donde se ha reducido el material genético a la mitad (haploides, n) (fig. 2.6b). Después de un periodo interfásico donde se duplica el material genético, se inicia la meiosis I (reduccional) que consta de las siguientes etapas: profase 1 (subdivisible en: leptotene, cigo-

tene, paquitene, diplotene y diacinesis), metafase I, anafase I y telofase I. En leptotene los cromosomas inician su con-densación y comienzan a visualizarse. En cigotene se inicia la formación de los complejos sinaptonémicos que median el apareamiento de los cromosomas homólogos para formar los bivalentes (estructuras cuádruples con cuatro cromátidas). En paquitene se completa la formación de los complejos sinaptonémicos y se inicia el fenómeno del «crossing-over» o entrecruzamiento. En diplotene desaparecen los complejos y se visualizan con claridad los «quiasmas» en los lugares del intercambio físico entre cromátidas homólogas. En diacinesis se inicia la co-orientación de los centrómeros de los bivalentes hacia la placa ecuatorial del huso, y desaparecen la membrana nuclear y el nucléolo. En metafase I los bivalentes están perfectamente co-orientados en la placa ecuatorial y se inicia la resolución (terminalización) de los quiasmas. En anafase I se produce la segregación (reducción cromosómica) de cromosomas homólogos quedando

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FIG. 2.6. Representaciones esquemáticas de los procesos mitótico (a) y meiótico (b).

do «n» cromosomas en cada polo (aunque cada uno de ellos esté duplicado con dos cromátidas). En telofase I se recomponen el nucléolo y la membrana nuclear formándose dos núcleos con «n» cromosomas duplicados. La meiosis II (ecuacional) parte de una segunda interfase que no tiene periodo S de síntesis. En la profase II se inicia de nuevo la condensación de los cromosomas y la desaparición de la membrana nuclear y el nucléolo. En metafase II los cromosomas co-orientan sus centrómeros en la placa ecuatorial. En anafase II los cromosomas separan sus cromátidas hacia polos opuestos. Y, finalmente, en telofase II se forman cuatro productos meióticos haploides cada uno con una cromátida y 1C pg de ADN. En las plantas superiores (angiospermas) la gametogénesis ocurre en las anteras (microsporogénesis) y los ovarios (megasporogénesis), y los productos finales de la meiosis (me-

iosporas) se transforman en los gametos (núcleos espermáticos y ovocélula) después de una serie de divisiones mitóticas dentro del grano de polen y el saco embrionario (gametofitos). En los mamíferos y otros animales la gametogénesis (espermatogénesis y oogénesis) tiene lugar en las gónadas masculinas y femeninas y existen notables diferencias entre ambos sexos. La gametogénesis se completa después de la meiosis con unos procesos adicionales (espermiogénesis y ovogénesis) que conducen a la formación de los gametos maduros (espermatozoides y óvulos) (fig. 2.7). 2.2.2. La herencia ligada al sexo y los fenómenos de no-disyunción en Drosophila

En los enunciados de Mendel, los resultados de los cruzamientos no diferían aunque se

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FIG. 2.7. La gametogénesis en mamíferos.

cambiase el sexo de los padres (cruzamientos recíprocos), pero pronto se encontraron patrones de herencia excepcionales que se debían a la existencia de cromosomas sexuales heterólogos (X e Y) con regiones diferenciales, y que obligaron a realizar una primera extensión del análisis mendeliano. La existencia de este tipo de cromosomas fue ya apuntada por Henking (1891) y Wilson (1905) en hemípteros, y por Nettie Stevens en un escarabajo (tenebrio) y en Drosophila, donde los machos tenían un par cromosómico heteromórfico (XY). Las primeras evidencias sobre la existencia de unos patrones especiales de herencia «ligada al sexo» se obtuvieron en 1909 en el laboratorio de Thomas Hunt Morgan, que iniciaba entonces sus estudios sobre la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster). Morgan comprobó que los cruzamientos recíprocos entre individuos con ojos rojos (carácter salvaje) y ojos blancos (mutantes white) conducían a resultados diferentes si se cambiaba el sexo de los parentales, y propuso una explicación basada en

la existencia de los cromosomas X e Y (que parecían determinar el sexo de las moscas: hembras XX y machos XY) suponiendo que el locus white debería estar en la región diferencial del cromosoma X (que no tenía homología en el Y), es decir, los machos serían «hemicigóticos» (fig. 2.8). El análisis genético y citológico de los individuos resultantes de los cruzamientos recíprocos permitió confirmar esas predicciones demostrándose por primera vez el comportamiento paralelo de genes y cromosomas. Es decir, los genes tenían que estar en los cromosomas. Esta hipótesis se vio reforzada con el descubrimiento posterior de los fenómenos de no-disyunción por Calvin Bridges (uno de los discípulos de Morgan). Bridges observó que algunos descendientes del cruce entre hembras de ojos blancos y machos de ojos rojos eran excepcionalmente machos de ojos rojos (estériles) y hembras de ojos blancos (fértiles) (progenie excepcional primaria). Además, cuando cruzaba una de esas hembras excepcionales

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FIG. 2.8. Herencia ligada al sexo en Drosophila.

con un macho de ojos rojos normal el 4 % de la progenie volvía a estar constituida por machos excepcionales de ojos rojos (ya fértiles) y hembras excepcionales de ojos blancos (progenie excepcional secundaria) (fig. 2.9). Bridges propuso que la progenie excepcional primaria se debió producir por un fenómeno de «no-disyunción» (no-separación) de los dos cromosomas X en algunas meiosis de una hembra a la hora de formar sus gametos. De esta forma la progenie excepcional primaria tendría que estar formada por machos estériles XO (sin cromosoma Y) y «superhembras» XXY de ojos blancos (fig. 2.10). De nuevo el análisis citológico permitió confirmar esta hipótesis, reafirmándose aún más la idea de que los genes tenían que estar situados dentro de los cromosomas. Los fenómenos de no-disyunción

pueden producirse tanto en mitosis como en meiosis, y durante la primera o la segunda división meiótica (fig. 2.11). Como consecuencia de los procesos evolutivos muchos organismos han alcanzado un claro dimorfismo sexual, y desarrollan unos cromosomas sexuales diferentes a los de la mayoría autosómica. Los cromosomas sexuales de ambos sexos suelen presentar un grado considerable de heterología, de modo que mantienen regiones homólogas (necesarias para el apareamiento en meiosis) pero tienen también regiones no-homólogas que pueden contener genes específicos de un sexo en condiciones de hemicigosis. Este ha sido el caso de Drosophila y el del propio ser humano (22 autosomas y un par de cromosomas sexuales), donde el sexo heterogamético es el masculino y el homogamé-

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FIG. 2.9. El fenómeno de la no-disyunción.

tico (XX) el femenino. Los genes presentes en las regiones diferenciales no-homólogas del cromosoma X definirán patrones de herencia ligada al X. Los presentes exclusivamente en el Y patrones de herencia ligada al Y. En el caso de las mariposas y aves el sexo heterogamético es el femenino (WZ) y el homogamético el masculino (ZZ). Algunas plantas dióicas, como Melandrium album tienen también cromosomas sexuales diferenciados (XY las plantas macho y XX las hembra) (fig. 2.12). Las características morfológicas y el contenido génico de los cromosomas sexuales (sistemas de determinismo cromosómico del sexo) pueden ser muy diferentes de unas especies a otras. Así, por ejemplo, la presencia de un solo cromosoma Y frente a uno o dos cromosomas X puede ser suficiente para

determinar el sexo masculino en el hombre, pero no en Drosophila. Por el contrario la ausencia de cromosoma Y (XO) provoca la aparición del sexo femenino en el ser humano y del masculino en Drosophila. Como se verá más adelante el cromosoma Y humano contiene un gen determinante primario del sexo masculino (SRY), mientras que la determinación de sexo en Drosophila depende básicamente de un delicado equilibrio entre las dotaciones de autosomas y cromosomas sexuales. 3. La leyes de Mendel en organismos haploides

Las leyes de Mendel son aplicables en todos los organismos con reproducción sexual incluyendo los de naturaleza diploide y haploide.

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FIG. 2.10. Fundamentos cromosómicos de la no-disyunción.

Sin embargo puede resultar especialmente formativa la demostración de los principios de Mendel en organismos haploides por las características especiales de sus ciclos de vida, y por las diferencias en el diseño experimental. Utilizando como ejemplo el alga unicelular Chlamydomonas, y el par génico arg+/arg- (un alelo salvaje y un mutante auxotrófico incapaz de sintetizar arginina), se pueden obtener monohíbridos (zigotos diploides) al cruzar dos cepas haploides (mt+ y mt-) que aporten una el alelo salvaje y la otra el mutante. Cada zigoto (1, 2, 3, etc.) experimentará un proceso meiótico, y los cuatro productos de cada meiosis (tétradas) se pueden sembrar (ordenados en fila) en una placa de Petri con un medio mínimo suplementado con arginina. Al cabo de varias divisiones celulares mitóticas (reproducción

asexual) cada producto meiótico (alga haploide) se habrá transformado en una colonia cuyo genotipo se puede determinar en una placa replicada con medio mínimo. La hipótesis del principio de la segregación exigiría que sólo sobrevivieran dos de cada cuatro colonias en cada fila (fig. 2.13). La demostración del principio de la distribución independiente se podría hacer de manera análoga con algas dihíbridas para dos marcadores o mutantes bioquímicos como los mutantes arginina (arg-) y acetato (ac-). En este caso el recuento de los productos meióticos (que deberían ser de cuatro tipos distintos y en proporción 1:1:1:1) se puede simplificar comparando directamente el número de ditipos parentales (DP, tétradas que sólo tienen los dos tipos de combinaciones alélicas de las algas parentales)

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FIG. 2.11. No-disyunción en la primera y segunda divisiones meióticas.

y el de ditipos no-parentales (DNP, tétradas con sólo dos tipos de combinaciones pero diferentes a las de los parentales). Los tetratipos (T, tétradas con cuatro combinaciones diferentes) podrían ser obviados porque cada uno de ellos contiene ya las cuatro combinaciones posibles (fig. 2.14). 4. Ejemplos de caracteres mendelianos en la especie humana

La imposibilidad evidente de diseñar cruzamientos ad hoc hace que el análisis genético en la especie humana se tenga que limitar a la observación de los caracteres en familias, genealogías o pedigrís ya existentes. Por otro lado, los caracteres hereditarios más fácilmente analizables son sin duda las «enfermedades sencillas monogénicas», llamadas también «mendelianas» porque se ajustan a unos patrones de transmisión mendelianos. Normalmente se parte de un individuo enfermo (propositus) a partir del cual se analiza y completa toda la genealogía. En la figura 2.15

se resumen los símbolos utilizados para la elaboración de pedigrís, y la figura 2.16 recoge algunos ejemplos de enfermedades hereditarias humanas con diferentes patrones de transmisión.

4.1. ENFERMEDADES AUTOSOMICAS RECESIVAS

1. Fenilcetonuria (PKU). En el ser humano hay nueve aminoácidos esenciales que deben figurar en la dieta porque no pueden ser biosintetizados. Uno de ellos es la fenilalanina que constituye la vía de entrada de una compleja red de reacciones metabólicas. Los individuos fenilcetonúricos son homocigóticos para una mutación de carácter recesivo en el gen de la fenilalanina-hidroxilasa que impide el paso de fenilalanina a tirosina, acumulándose la fenilalanina que se convierte en ácido fenilpirúvico detectable en la orina. Es una enfermedad rara (1 de cada 12.000 nacimientos) donde las personas afectadas tienen problemas neurológicos (exaltación de los reflejos, crisis

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FIG. 2.12. Cromosomas sexuales heterólogos.

convulsivas y retraso mental), y suelen tener una coloración menos intensa de la piel y el cabello (porque se puede ver afectada la síntesis de melanina). Actualmente existen pruebas sencillas de detección precoz con la orina del recién nacido, y una pequeña muestra de sangre del talón. El consumo de una dieta carente en fenilalanina evitaría el retraso mental y las lesiones del sistema nervioso, consiguiéndose un desarrollo razonablemente normal del niño. 2. Albinismo. Su forma más frecuente es el albinismo óculo-cutáneo (OCA) que se caracteriza por la incapacidad de sintetizar melanina en la piel, el pelo y los ojos. Es también una enfermedad recesiva donde los afectados son

homocigóticos para una mutación en el gen de la tirosinasa, que cataliza la oxidación de la tirosina a DOPA, y el paso de DOPA a DOPA quinona (sustancias todas ellas precursoras de la síntesis de melanina). La frecuencia de esta enfermedad varía mucho en las diferentes poblaciones humanas, pero oscila entre 1/200 personas (indios hopi y navajos norteamericanos) y 1/37.000 personas entre los individuos de raza blanca en USA. 3. Fibrosis quística (FQ). En este caso el gen mutante (CF) actúa esencialmente sobre las glándulas exocrinas (como las que producen mucosidad, sudor o enzimas digestivas) alterando los canales de cloro de sus membranas,

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FIG. 2.13. Principio de la segregación en el alga Chlamydomonas.

y produciendo una liberación excesiva de sal que sería perceptible en el sudor. En la FQ se producen verdaderos «atascos» en los conductos pulmonares (congestiones pulmonares graves) y pancreáticos que llevan a la formación de quistes y la degeneración de esta glándula que se vuelve fibrosa. La incidencia de esta enfermedad oscila entre 1/2.000 nacimientos y 1/150.000 según las poblaciones humanas de que se trate. El gen responsable fue localizado en el cromosoma 7 (7g31), y codifica una proteína reguladora de la conductancia a través de la membrana (CFTR). 4.2. ENFERMEDADES AUTOSÓMICAS DOMINANTES

1. Corea de Huntington (CH). Se trata de una degeneración del sistema nervioso central que se traduce en sacudidas involuntarias de la cabeza y los miembros (de ahí el nombre de «corea»), demencia (deterioro mental) y muerte prematura. Es una enfermedad de manifestación tardía (entre los 30 y los 50 años). El gen afectado fue localizado en 4pl6 y codifica para una proteína fundamental (hun-

tingtina). La mutación dominante consiste en una expansión anormal de la secuencia CAG (citosina-adenina-guanina) dentro de un exón del gen. 2. Acondroplasia (A). Es un tipo de enanismo que se hereda según un patrón autosómico dominante, y afecta a 1/30.000 nacidos. El fenotipo de los afectados se caracteriza por el desarrollo anormal de los huesos largos de brazos y piernas (más cortos) y del cráneo (que en este caso es mayor de lo normal). El tronco no se ve afectado y se puede observar también un buen desarrollo muscular. La inmensa mayoría de los enfermos son heterocigóticos puesto que la homocigosis para la mutación dominante resulta letal. Por tanto dos individuos afectados podrían tener hijos completamente normales con una probabilidad de 1/a. 3 y 4. Polidactilia y braquidactilia. Son también malformaciones que se ajustan a unos patrones de herencia autosómicos dominantes, y se caracterizan por la aparición de dedos extra en manos y/o pies (polidactilia), o de manos con dedos cortos (braquidactilia).

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FIG. 2.14. Principio de la distribución independiente en el alga Chlamydomonas. 4.3. ENFERMEDADES RECESIVAS LIGADAS AL X

1. Daltonismo. Su forma más frecuente es la ceguera para los colores rojo-verde. La ceguera para el color rojo (protanopia) y para el verde (y otros colores de la región intermedia del espectro de la luz visible) (deuteranopia) se deben a mutaciones recesivas en dos genes distintos ligados al X. La tritanopia, o ceguera para el azul, se hereda como un carácter autosómico dominante (mutación en un gen del cromosoma 7). Los tres genes codifican para un tipo especial de proteínas (opsinas) que se unen a los correspondientes pigmentos visuales en las células de la retina (conos) creando complejos

visuales sensibles a la luz visible en determinadas longitudes de onda. Se sabe que hay un solo gen para la opsina del pigmento rojo, pero puede haber hasta tres genes distintos para la opsina del pigmento verde. Por tanto se podrían encontrar varias combinaciones genotípicas y fenotípicas diferentes. 2. Hemofilia. Existen varios tipos pero todos coinciden en la existencia de defectos en los mecanismos de coagulación de la sangre. La coagulación de la sangre es un proceso fisiológico bastante complejo que requiere del concurso de muchas proteínas. La hemofilia A

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FIG. 2.15. Simbologia utilizada para la elaboración de pedigrís en la especie humana.

es la forma más frecuente (1/10.000 varones y 1/100 millones de mujeres) y se debe a la falta del factor VIII de coagulación. En la hemofilia B falta el factor IX. La enfermedad se produce por una mutación recesiva en alguno de estos genes ligados al X. Hay, no obstante, un tercer tipo de hemofilia causada por la mutación de un gen autosómico recesivo. 3. Distrofia Muscular de Duchenne (DMD). Es un tipo de distrofia muscular (debilidad y atrofia progresiva del tejido muscular) ligada al X. Afecta a 1/3.500 hombres, y suele iniciarse entre el primero y el sexto año de vida. El deterioro causado suele conducir a los enfermos a una silla de ruedas (en torno a los 12 años), y acaba produciendo su muerte en tomo a los

veinte. El gen alterado codifica para la distrofna, una proteína fundamental que se une a la cara interna de la membrana celular en las células musculares estabilizándolas durante la contracción muscular. La Distrofia Muscular de Becker (DMB) es una forma menos grave causada por otro tipo de mutaciones menores (deleciones más pequeñas) en el mismo gen. 4.4. ENFERMEDADES DOMINANTES LIGADAS AL X

1.Hipofosfatemia. Es una enfermedad caracterizada por un déficit de fosfatos. Deriva en un tipo de raquitismo que no responde al tratamiento con vitamina D.

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FIG. 2.16. Genealogías características de diferentes modos de herencia.

5. EI problema de la compensación de la dosis génica

Los patrones de herencia ligados al X se pueden complicar por la existencia de un proceso de compensación de la dosis génica que conduce a la inactivación de una fracción significativa de los genes de uno de los dos cromosomas X en la línea somática de las hembras de mamíferos. Aunque este mecanismo será estudiado con detalle en el capítulo de Epigenética, se puede adelantar que la inactivación ocurre al azar en las primeras etapas del desarrollo embrionario, aunque una vez tomada la decisión de inactivar a uno de los dos X este patrón de inactivación se «hereda»

«clonalmente» en todas las células descendientes. Este hecho puede generar situaciones de mosaicismo en el adulto que serían especialmente detectables en algunas mujeres, como las heterocigóticas para una mutación recesiva ligada al X que determina la ausencia de glándulas sudoríparas. En estas mujeres se pueden observar sectores de su cuerpo con o sin glándulas dependiendo del cromosoma X que se haya inactivado. 5.1. HERENCIA LIGADA AL Y

El mejor ejemplo podría ser el carácter determinación primaria del sexo que depende del gen SRY presente en la región diferencial del cromosoma Y (hemicigosis). También se ha

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

sugerido que la hipertricosis del pabellón auricular (crecimiento de pelo en el borde de la oreja) podría deberse a un exclusivamente en el cromosoma Y.

gen

presente

49

McKusick, V. A. et al. (1990): Mendelian inheritance in man, Johns Hopkins Press (9.a ed.). Versión electrónica actualiza permanentemente (OMIN) en http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ Omin.

Lecturas recomendadas

Stern, C. y Sherwood, E. R. (1996): The origins of Genetics: A Mendel source book, W. H. Freeman.

Cummings, M. R. (1995): Herencia humana: principios y conceptos, InteramericanaMcGraw/Hill (3.' ed.).

Sturtevant, A. H. (1965): A history of Genetics, Harper & Row.

Capítulo

3

Naturaleza y estructura del material genético JOSÉ FERNÁNDEZ PIQUERAS

1.

Demostración de la Naturaleza del Material Genético en Bacterias y Virus. 1.1. El “Principio Transformante” en las Bacterias 1.2. Demostración de la Naturaleza del Material Genético en Bacteriófagos

2.

El ARN Puede ser el Material Genético de algunos virus

3.

Los Priones

4.

La Estructura del Material Genético

5.

Secuencias de ADN en los Genomas de procariotas y eucariotas

Lecturas Recomendadas

52 1.

GENÉTICA

Demostración de la naturaleza del material genético en bacterias y virus

Aunque Mendel propusiera a finales del siglo xix la teoría particulada del gen, la demostración de que el material genético estaba compuesto por ADN tuvo que esperar más de cuarenta años hasta los trabajos realizados por Avery, MacLeod y McCarty en bacterias (1944). Sin embargo la comunidad científica se negó a aceptar que la herencia y la variabilidad estuviesen en manos de un polímero tan monótono (construido con sólo cuatro bases nucleotídicas), en lugar de las proteínas (compuestas por un número más elevado de unidades básicas, los aminoácidos) que parecía lo más razonable. Los trabajos de Avery et al. fueron ignorados hasta que en 1952 Hershey y Chase demostraron que el ADN era también el material genético de unos bacteriófagos de Escherichia coli.

1.1. EL «PRINCIPIO TRANSFORMANTE» EN LAS BACTERIAS

La demostración de la naturaleza del material genético se hizo por primera vez en la bacteria Diploccoccus pneumoniae, que produce la neumonía neumocócica en el hombre, y puede matar a un ratón por septicemia 24 horas después de su inoculación intraperitoneal. Existen dos formas (cepas) básicas de la bacteria: una no virulenta (de aspecto rugoso, R) y otra virulenta, de aspecto liso por su cubierta polisacarídica (S, del inglés «smoth»). Además, la inocuidad/virulencia era una característica claramente heredable. Las dos cepas podían a su vez subdividirse por criterios serológicos (tipos II, III, etc.) y era posible el paso de S a R por mutación y, con menor frecuencia, la retromutación (R a S), aunque manteniéndose siempre el mismo tipo serológico. En 1928 Griffith et al. comprobaron que la inoculación intraperitoneal de ratones con bacterias R no causaba daño alguno al animal, pero que cuando se utilizaban las bacterias S el ratón moría de septicemia y se podían recoger

en su sangre bacterias S del mismo tipo serológico que las utilizadas en la inyección (fig. 3. la y b). Como era también de esperar cuando la inoculación se realizaba con extractos de bacterias S muertas por calor los ratones no sufrían la infección (fig. 3.1c) pero, sorprendentemente, la inoculación con extractos de bacterias S muertas por calor y bacterias R vivas de distinto tipo serológico, producía la muerte del animal y se podían recoger en su sangre bacterias S vivas del mismo tipo serológico que las R (fig. 3.ld). Estos resultados no podían explicarse por la ya obsoleta teoría de la «generación espontánea» (revitalización de las S muertas), ni por un fenómeno mutacional (dada la frecuencia del evento, y el tipo serológico de las S que se recogían después de la doble infección). Se trataba por tanto de un nuevo fenómeno que se denominó «transformación bacteriana» provocado por la presencia de algún tipo de «principio transformante» en el extracto de las S muertas. Además, ese «principio transformante» tendría que ser el material genético de las bacterias, puesto que era capaz de «cambiar» de forma estable una de sus características genéticas: el carácter inocuidad/virulencia. Unos años después se demostró que el fenómeno de la «transformación bacteriana» podía suceder también in vitro, sustituyendo el ratón por un tubo de ensayo que contenía las soluciones con los distintos tipos bacterianos (Dawson y Sia, 1931). La búsqueda de la naturaleza del «principio transformante» tuvo sus primeros frutos en 1933 cuando se demostró que tenía que estar en el extracto de las células S muertas por calor (Alloway, 1933). Sin embargo el éxito definitivo llegó con los trabajos de Avery, MacLeod y McCarty (entre 1944 y 1946) quienes consiguieron aislar con un grado de pureza suficiente los componentes mayoritarios del extracto de las bacterias S muertas por calor (polisacáridos, lípidos, proteínas, ARN y ADN), y lograron demostrar que bastaba con la inoculación de ADN para transformar las bacterias R vivas. El material genético de las bacterias debería ser por tanto el ADN (fig. 3.2).

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

FIG. 3.1. Experimentos

53

de Griffith et al. para la demostración de la naturaleza del material genético en bacterias.

1.2. DEMOSTRACIÓN DE LA NATURALEZA DEL MATERIAL GENÉTICO EN BACTERIÓFAGOS

Los antecedentes de este descubrimiento hay que encontrarlos en los trabajos pioneros de Delbruck y Luria y su contribución al conocimiento de la estructura y el ciclo biológico de los bacteriófagos de la serie T de E. coli. Los bacteriófagos T2 y T4 estaban compuestos por tres elementos estructurales: una cubierta poliédrica, un cuello y unas estructuras fibrosas (todos de naturaleza proteica), y albergaban una madeja de ADN en el interior de la cabeza. Durante su ciclo de vida se «adsorbían» específicamente a las paredes de las bacterias receptoras a través de sus fibras, introducían alguno de sus elementos constitutivos (ADN o proteínas), y al cabo de unos minutos se podían recoger nuevas progenies de bacteriófagos después

de la lisis bacteriana. Por tanto, «lo» que entrase dentro de la bacteria receptora tendría que ser el material genético. En 1952 Hershey y Chase realizaron una serie de elegantes experimentos basados en el marcaje radiactivo diferencial de proteínas y ADN. Hicieron crecer las bacterias durante varias generaciones en medios nutritivos con isótopos pesados del azufre o del fósforo para marcar diferencialmente las proteínas (35S) y el ADN (32P). Cuando estas bacterias sufrían el ataque de bacteriófagos T2, los fagos resultantes de las lisis tendrían igualmente marcadas sus proteínas o su ADN. En sus experimentos los fagos marcados eran separados de la pared bacteriana antes de la lisis pero después de haber inoculado «su material genético» (agitación mecánica), y se medía la emisión de radiactividad en la fracción bacteriana (con el material genético dentro), y en las cu-

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F«. 3.2. Experimentos de Avery et al. para la identificación del principio transformante.

biertas desprendidas de los fagos («gost»). Los resultados demostraron que cuando los fagos estaban marcados con 35S la mayor parte de la radiactividad quedaba fuera de las bacterias, pero cuando se marcaban con 32P la radiactividad estaba sobre todo en la fracción bacteriana (fig. 3.3). Por tanto era el ADN el que penetraba en las bacterias receptoras y, por tanto, el responsable de generar las nuevas partículas de fagos: es decir, tendría que ser el material genético. 2.

El ARN puede ser el material genético de algunos virus

Después de los trabajos de Hershey y Chase la comunidad científica aceptó que el ADN debería ser el material genético. Pero pronto esta afirmación hubo de hacerse extensiva a «cualquier tipo de ácidos nucleicos». En algunos virus como el VMT (virus del mosaico del tabaco), los retrovirus, reovirus, etc., el material genético es el ARN. La ausencia de ADN en la composición de este tipo de virus era ya bastante indicativa, pero aquella afirmación se

pudo sustentar también en algunos experimentos demostrativos, como los de «reconstitución in vitro» realizados a mediados de los cincuenta por Fraenkel-Conrat, Williams y Singer en el VMT. Estos virus se caracterizaban por su extrema sencillez: una estructura helicoidal de proteínas que protegía una espiral de ARN. Estos dos componentes se podían separar con suma facilidad, y al ponerlos de nuevo en contacto se producía la reconstitución espontánea del virus. El diseño experimental consistió en reconstituir virus enfrentando las proteínas de un tipo de virus con el ARN de otro, y analizar la descendencia después de la inoculación de los virus reconstituidos en hojas de tabaco. El resultado fue muy esclarecedor: los virus descendientes eran siempre del tipo marcado por el ARN del híbrido (fig. 3.4). Gierer y Schramm demostraron después que el ARN purificado del VMT era capaz de producir por sí solo las mismas lesiones en la hoja del tabaco que las ocasionadas por el virus completo. Por tanto era evidente que el ARN era en este caso el material genético.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

FIG. 3.3. Demostración

3.

55

de la naturaleza del material genético en virus bacteriófagos.

Los priones

El material genético es siempre (sin excepción) ADN o ARN, pero hay un caso realmente singular de «proteínas infectivas» que son responsables de la transmisión de algunas enfermedades infecciosas. Se conocen al menos tres de estas enfermedades que afectan al sistema nervioso en el ser humano (el kuru, la enfermedad de Creutzfeldt-Jacob y la enfermedad de Gerstmann-Straussler-Scheinker) y algunas que afectan a los animales (el prurigo lumbar de ovejas y cabras, la encefalopatía espongiforme bovina, la encefalopatía contagiosa del visón y la diarrea crónica de ciervos y alces). Todas ellas pueden transmitirse por la ingestión de una «proteína alterada» procedente de

un organismo infectado. El kuru se encontró en tribus de Nueva Guinea que practicaban el canibalismo. En los últimos años se han encontrado evidencias de la transmisión de la encefalopatía espongiforme bovina hacia el hombre («enfermedad de las vacas locas») por la ingestión de proteínas infectivas procedentes de piensos realizados a partir de restos de animales enfermos. Las «proteínas infectivas» son las versiones mutadas de otra normal (el prión) que es absolutamente necesaria en el tejido nervioso (y otros relacionados ontogénicamente) de los organismos normales (la palabra «prión» viene de «partícula proteica infectiva», PiP) (véase fig. 3.5). La proteína normal fue aislada por Stanley Prusiner; después se identificó el gen que la codifi-

56

GENÉTICA

Fig. 3.4. Demostración de la naturaleza del material genético en el virus del mosaico del tabaco.

Caba, y se descubrió que podía mutar produciéndose entonces los cambios de configuración que caracterizan las versiones , extraordinariamente resistentes a su degradación. Por tanto este tipo de enfermedades puede tener un componente hereditario (cuando se hereda el gen mutado)¨, o pueden adquirirse por la ingestión de . Uno de los mecanismos sugeridos para explicar el carácter infectivo de las se basa en que, al unirse a una proteína normal, la proteína infectiva cambia la configuración de la normal haciendo que adquiera la de la infectiva.

Por tanto el desarrollo de la enfermedad por ingestión de las proteínas infectivas sería el resultado de una reacción en cadena (similar a la que se esquematiza en la fig. 3.5) que daría al traste con la mayoría de las proteínas normales.

4.

La estructura del material genético.

Los ácidos nucleicos están compuestos por cuatro bases nucleotídicas esenciales: dos purinas (adenina y guanina) y dos pirimidinas (citosina y timina), aunque en el ARN la timina sea sustituida por el uracilo (fig. 3.6). Existen

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

FIG. 3.5. Los priones.

FIG. 3.6. Las bases nucleotidicas.

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GENÉTICA

FIG. 3.7. Azúcares, nucleósidos y nucleótidos.

también algunas bases «raras» que aparecen de modo excepcional en moléculas de ARN transferente (di-hidro-uridina, pseudouridina, ribotimidina, etc.), en algunos bacteriófagos (5-hidroxi-metil-citosina), o que son fruto de modificaciones epigenéticas (5-metil-citosina) (fig. 3.8). La unión (enlace N-glucosídico) entre una base nucleotídica y un azúcar (ribosa en el ARN y desoxirribosa en el ADN) forma los nucleósidos, y la adición a éstos de los grupos fosfato en el carbono 5' del azúcar forma los nucleótidos (fig. 3.7). Las denominaciones de estos compuestos quedan recogidas en la figura 3.8. Finalmente los nucleótidos se unen entre si mediante enlaces 3'-5'-fosfodiéster para formar los polinucleótidos o cadenas polinucleotídicas (fig. 3.9). La estructura del material genético fue descubierta en 1953 por James Watson y Francis Crick que publicaron sus resultados («La es

tructura molecular de los ácidos nucleicos») en la revista Nature. El hallazgo fue de tal magnitud que James D. Watson, Francis H. Crick y Maurice H. Wilkins fueron galardonados con el premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1962. El descubrimiento de Watson y Crick se había apoyado en los trabajos de Erwin Chargaff, quien demostró la existencia de una correspondencia 1:1 entre purinas y pirimidinas (equimolaridad) en el ADN de especies tan diversas como el ser humano, una bacteria y el erizo de mar; y en el estudio de los patrones de difracción de los haces de rayos X que atraviesan el ADN realizados por Wilkins y Franklin. Con este bagaje y con resultados propios sobre las propiedades físico-químicas del ADN, Watson y Crick propusieron que el material genético era en realidad una doble hélice dextrógira (enrollamiento en el sentido de las agujas del reloj), compuesta por dos cadenas antipara-

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 3.8. Bases nucleotídicas, nucleósidos y nucleótidos.

lelas (una en dirección 5'P-3'OH y la otra 3'OH5'P), con enrollamiento plectonémico (las dos cadenas se entrelazan como los cabos de una cuerda), unidas por puentes de hidrógeno entre bases complementarias (dos entre A y T; tres entre G y C). La doble hélice tendría un diámetro de 20 A, con diez nucleótidos por vuelta de hélice (34 Á), dos surcos exteriores (mayor y menor), las bases nucleotídicas apiladas en su interior, y los grupos fosfato hacia el exterior. La unión de las dos cadenas mediante puentes de hidrógeno (lábiles) se complementaba con fuerzas de naturaleza hidrofóbica (mucho más fuertes) para mantener la estabilidad de la doble hélice en un medio esencialmente acuoso como el de las condiciones fisiológicas de una célula. Este modelo encajaba con las dimensiones cristalográficas, tenía en cuenta la «ley» de Chargaff, explicaba los cambios de naturaleza físico-química que se producían durante los procesos de desnaturalizaciónrenaturalización, y reunía (aparentemente) los requisitos esenciales para ser el material genético: estabilidad, propuesta implícita de un modelo de replicación, etc. (fig. 3.10).

El modelo de Watson y Crick constituye lo que hoy se denomina configuración B (ADNB), pero hay otras configuraciones alternativas posibles que pueden existir en condiciones particulares. La configuración A (que tiene 11 nucleótidos por vuelta) podría encontrarse en híbridos ARN-ADN. La configuración Z (con un armazón azúcar-fosfato en zigzag) tiene una doble hélice levógira (sentido de enrollamiento en contra de las agujas del reloj) con 12 pares de nucleótidos por vuelta, y puede formarse cuando el ADN está compuesto por una alternancia de purinas y pirimidinas, estando además metiladas las citosinas (en secuencias C-fósforo-G). La alternancia ADN B-Z podría constituir un mecanismo de control de la expresión genética, al impedir la interacción con factores de regulación que sólo reconocen la configuración B, o por la unión de proteínas específicas al ADN-Z metilado (se verá más adelante en el capítulo de Epigenética). Por otro lado en la configuración Z las posiciones N7 y 08 de la guanina quedan expuestas con mayor facilidad al ataque de compuestos químicos mutagénicos capaces de alquilar

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GENÉTICA

FIG. 3.9. Cadena

alguna de esas posiciones (nitrosaminas, nitrosourea, etc.). Pero no todo el ADN que existe de forma natural es necesariamente bicatenario. El ADN de algunos virus como los bacteriófagos (pX 174 y M 13, y los segmentos terminales del ADN telomérico en los cromosomas eucarióticos, son ADN monocatenario (cadena sencilla). Por otro lado Rich y Felsenfeld han propuesto la existencia de hélices triples de ADN (ADN-H) como una posibilidad in vitro, aunque podría ser una alternativa real en las secuencias de la región control del ADN mitocondrial de mamíferos, o en los mecanismos de control de la expresión mediante interferencia por ARN (se verá después en el capítulo de Epigenética). Finalmente las secuencias ricas en guanina de

polinucleotídica.

los extremos teloméricos podrían formar también configuraciones de ADN cuadruplexo.

5.

Secuencias de ADN en los genomas de procariotas y eucariotas

La estructura bicatenaria de la doble hélice se puede resolver en dos cadenas monocatenarias mediante su desnaturalización (fusión o «melting») por calor, pHs extremos (la estabilidad de los puentes de hidrógeno oscila entre pH 4 y 11), o disminuyendo la constante dieléctrica del medio (con alcoholes, cetonas, etc.). Las consecuencias de la desnaturalización son la disminución de su viscosidad, el aumento en

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

FIG. 3.10.

su densidad de flotación (el ADN de cadena sencilla es más pesado), y el aumento de su absorbencia lumínica a 260 nm (efecto hipercrómico). Por otro lado las cadenas dobles de ADN pueden retenerse selectivamente en columnas de hidroxiapatito que dejan pasar las cadenas sencillas. Por tanto resulta relativamente sencillo poder estudiar las cinéticas de desnaturalización del ADN de cadena doble de diferentes organismos, para determinar el punto medio de la reacción (Tm o temperatura de «melting»), y sacar conclusiones acerca del mayor contenido de las muestras en pares GC (Tm más elevada) o en pares AT (Tm inferiores) (fig. 3.lla). Si se invierten las condiciones del tratamiento en una solución con cadenas monocatenarias, se puede restaurar la mayoría del ADN bicatenario. Este proceso de renaturalización se ajusta a una

61

La doble hélice.

cinética de segundo orden definida por la ecuación C/Co = 1/(1+ kCot), donde C (moles de nucleótidos/litro) es la concentración de cadena sencilla en el tiempo t (segundos), Co es la concentración inicial en el tiempo 0 (to), y k es la constante de segundo orden que se deduce empíricamente. Los valores Cot oscilan entre10' y 104, y se representan en escala logarítmica. Se trata de una cinética de segundo orden porque la velocidad de renaturalización en un momento determinado es proporcional al cuadrado de la concentración de ADN sin renaturalizar en ese momento. Para que los datos resulten comparables conviene homogeneizar primero el tamaño de los fragmentos de ADN en torno a unos 400 picogramos (pg) (mediante sonicación, por ejemplo). Después, el tiempo necesario

para

que

reasocie

la

mitad

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FIG. 3.11. Cinéticas

de desnaturalización), renaturalización del ADN.

del ADN (Cot 1/2) debería ser proporcional al tamaño del genoma (o número de fragmentos diferentes de ADN que haya en el medio). Es decir, los genomas más pequeños tendrían tasas medias de renaturalización más pequeñas y las cinéticas de renaturalización tendrían gráficas de una sola pendiente. En la figura 3.1lb se representa la cinética de renaturalización de un genoma bacteriano. Sin embargo las cinéticas de renaturalización de los genomas eucarióticos son mucho más complejas al tener secuencias repetidas de ADN, y su representación gráfica puede llegar a tener hasta tres pendientes (cada una en un intervalo de 102 de Cot) (fig. 3.1 lc). En este caso los resultados sugieren la existencia de una fracción del genoma con secuencias de ADN altamente repetidas (que serían las primeras en renaturalizar), otra consecuencias

moderadamente repetidas (pendiente intermedia de la curva) y, finalmente, una tercera compuesta por las secuencias poco o nada repetidas que serían las últimas en renaturalizar. En la figura 3.12 se indican los tipos de secuencias que caracterizan un genoma tan complejo como el humano. Las secuencias únicas o poco repetidas están constituidas por secuencias génicas codificantes (exones), secuencias no codificantes relacionadas con los genes (pseudogenes, intrones, regiones anteriores o posteriores a los genes que se transcriben pero no se traducen UTRs-, etc.) y secuencias espaciadoras intergénicas. Las secuencias repetidas corresponden al ADN de familias multigénicas (globinas, histonas, genes que codifican para los ARN ribosómicos, etc.), y a secuencias extragénicas

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

de diverso tipo. En esta última clase se pueden considerar las secuencias satélites 1, 11, III, a y f , llamadas así porque se pueden separar como una banda «satélite», distinguible de la banda principal que contiene la mayoría de las secuencias de ADN, mediante ultracentrifugación en gradientes autogenerados de sales pesadas. Este tipo de secuencias están formadas por unidades cortas (normalmente ricas en AT) que se repiten en tándem cientos de miles de veces. Por otro lado están los minisatélites (también denominados VNTR de variable number of tandem repeats), situados en las regiones próximas a los telómeros, que son secuencias de 1 a 5 kilobases (kb) compuestas por la repetición en tándem de unidades básicas de 5 a 64 nucleótidos. Los microsatélites son secuencias aún más pequeñas, con unidades

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de repetición de 1 a 4 nucleótidos, que se reparten sin ninguna restricción por todo el genoma. Los minisatélites y los microsatélites están siendo utilizados en Genética Forense para determinar las «huellas dactilares» del ADN. Finalmente los transposones, o secuencias de ADN capaces de moverse dentro del genoma, que serán estudiados específicamente en un capítulo posterior. Los mejor conocidos son los retrotransposones de origen retroviral que se mueven a través de intermediarios de RNA. En el genoma humano están representados por los elementos LINES (long interspersed elements) y SINES (short interspersed elements). En la figura 4.3 se indica la distribución cromosómica de los diferentes tipos de secuencias de ADN existentes en el genoma humano.

Fin. 3.12. Tipos de secuencias de ADN en el genoma humano.

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Lecturas recomendadas Adams, R. P. L., Knowler, J. T. y Leader, D. P. (1992): Biochemistry of the nucleic acids, Chapman and Hall. Avery, O. T., MacLeod, C. M. y McCarty, M. (1944): «Studies of the substance inducing transformation of pneumococcal types. Induction to transformation by deoxyribonucleic acid fraction isolated from Pneumococcus type III», J. Exp Med, 79: 137-158.

Fraenkel, Conrat, H. y Singer, B. (1957): «Virus reconstitution II. Combination of protein and nucleic acid from different strains», Biochem. Biophys. Acta, 24: 540-548. Gardiner, K. (1995): «Human genome organiza tion», Curr. Opin. Genet. Dev., 5: 315-322. Hershey, A. D. y Chase, M. (1952): «Independent

functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage», J. Gen. Physiol., 36: 3956.

Jeffreys, A. J. (1987): «Highly variable minisatellites and DNA fingerprints», Biochem. Soc. Trans., 15: 309-317.

«El proyecto genoma humano»: varios artículos publicados en dos números especiales de las revistas Nature (409: 745-964) y Science (291: 1145-1434) el 15 y 16 de febrero de 2001. Prusiner, S. B. (1991): «Molecular biology of prion diseases», Science 252: 1.515-1.522. Strachan, T. y Read, A. P. (1999): «Human molecular genetics», 2, Bios Sci. Watson, J. D. y Crick, F. H. C. (1953): «The molecular structure of nucleic acids. A structure for deoxyribose nucleic acid», Nature 171: 737-738.

Capítulo

4

Organización del Material Genético JOSÉ FERNÁNDEZ PIQUERAS

1.

Organización del Material genético en Virus y Bacterias 1.1. Organización del Material Genético en los Virus 1.2. Organización del Material Genético en Bacterias

2.

Organización de la Cromatina en organismos Eucarióticos 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

3.

La Cromatina Nuclear Materila Genético Nuclear y Extranuclear Organización de la Cromatina Nuclear Eurocromatina y Heterocromatina

Elementos Diferenciados en la Estructura Cromosómica y Técnicas de Bandeado 3.1. Elementos Diferenciados 3.2. Técnicas de Bandeado

4.

Cromosomas especiales

5.

Número de Cromosomas y Cantidad de ADN

Lecturas Recomendadas

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GENÉTICA

1. Organización del material genético en virus y bacterias 1 .1 . ORGANIZACIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO EN LOS VIRUS

El material genético de los virus puede ser de cualquiera de los tipos posibles: ADN o ARN, de cadena sencilla o doble, y abierto o cerrado (fig. 4.1). En algunos casos, como sucede con los retrovirus, la naturaleza del material genético puede variar a lo largo de su ciclo de vida de modo que aunque el virión contenga ARN de cadena sencilla, este ARN se transforma en ADN de cadena doble cuando el genoma viral se integra en el de la célula receptora. Por otro lado, aunque lo normal es que los virus contengan una sola molécula de ADN o ARN, en ocasiones pueden albergar más de una copia (dos en el caso de un retrovirus como el virus del sida). Hay también casos excepcionales de «segmentación genómica» donde la dotación génica esencial se reparte entre varias moléculas independientes. Este sería el caso de los reovirus (virus animales ARN de cadena doble), y del virus del mosaico de la alfalfa (que necesita, por este motivo, infecciones múltiples para completar su genoma en el hospedador). Los ácidos nucleicos virales están práctica-

mente desnudos dentro de la cavidad creada por Ias proteínas de la cubierta. Sin embargo, en algunos casos se ha demostrado la existencia de proteínas estructurales que se asocian al ADN o ARN viral más por su implicación en el inicio de la replicación que como respuesta a una necesidad organizativa. Excepcionalmente, como sucede en el virus SV40 (virus de simios), el material genético (ADN de cadena doble) utiliza las proteínas estructurales de la célula hospedadora (histonas) para construir un modelo organizativo similar al de Ia cromatina de las células eucarióticas (minicromosomas).

1 .2. ORGANIZACIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO EN BACTERIAS

En el caso de las bacterias (procariotas y, por tanto, sin núcleo) el material genético es siempre una sola molécula de ADN de cadena doble circular o cerrada, aunque pueden existir varias copias por «nucleoide». Sólo el genoma de Borrelia bargdorfei es, excepcionalmente, una molécula de ADN de cadena sencilla. Pero, además de su genoma principal, las bacterias suelen tener un número variable de genomas

Fio. 4.1. El material genético en los virus.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

«menores» o «secundarios» denominados «plásmidos», constituidos también por ADN de cadena doble y circular, que pueden contener genes esenciales para funciones tan importantes como la «conjugación bacteriana», la resistencia a drogas, etc. El genoma principal de Escherichia coli (3,2 X 106 pb = 1,3 mm de ADN) está organizado en dominios (donde se discute el papel estructural de unas moléculas de ARN), y adquiere un superenrollamiento helicoidal gracias a su interacción con una serie de proteínas estructurales que recuerdan a las histonas nucleares (HU, H, IHF, H1, HLPI, etc.).

2. Organización de la cromatina en organismos eucarióticos 2.1. LA CROMATINA NUCLEAR

A diferencia de los procariotas el material genético de los organismos eucariotas está empaquetado en una superestructura denominada cromatina. La cromatina nuclear fue definida por Flemming a finales del siglo xix como una maraña de fibras en los núcleos interfásicos con fuerte apetencia por los colorantes básicos. Como resultado de un fenómeno de condensación progresivo esta maraña acaba individualizándose en unas estructuras discretas que fueron denominadas cromosomas por Waldeyer en 1898. Por tanto cromatina y cromosomas son dos aspectos morfológicamente distintos de una misma entidad celular.

2.2. MATERIAL GENÉTICO NUCLEAR Y EXTRANUCLEAR

Cada cromosoma contiene una sola molécula de ADN de cadena doble lineal o abierta, pero sumadas las longitudes de todas las moléculas de ADN de todos los cromosomas se pueden alcanzar cifras sorprendentes (casi 2 m de longitud en el caso de los cromosomas humanos). Si se tiene en cuenta que hay más de un trillón de células en un cuerpo humano adulto, todo su ADN llegaría a medir más de 2 X 1013 m; es decir, habría suficiente ADN

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para cubrir 50 veces un viaje de ida y vuelta entre la Tierra y el Sol. Aunque la mayor parte del ADN está en el núcleo, hay también una fracción de ADN extranuclear, cualitativamente muy importante, en orgánulos citoplasmáticos como las mitocondrias y los cloroplastos. Se trata siempre de moléculas de ADN de cadena doble circular o cerrada que ocupan unos espacios similares a los nucleoides bacterianos. En las levaduras (eucariotas unicelulares) puede haber de 1-45 mitocondrias, cada mitocondria puede tener de 10-30 nucleoides y cada nucleoide alberga 4-5 moléculas de ADN. Es decir, una levadura podría tener entre 40 y 6.750 genomas mitocondriales. En el caso de un organismo complejo con tejidos diferenciados el número de mitocondrias puede oscilar de manera notable según las necesidades energéticas de las células. En cuanto a los cloroplastos, un alga unicelular como Chlamydomonas, que tiene un solo cloroplasto, puede albergar entre 500 y 1.000 moléculas de ADN cloroplástico; las células de la hoja de la remolacha azucarera (con 40 cloroplastos cada una) pueden llegar a tener 5.760 genomas.

2.3. ORGANIZACIÓN DE LA CROMATINA NUCLEAR

La cromatina está formada esencialmente por ADN e histonas (en cantidades equimoleculares 1:1), aunque hay otros componentes minoritarios como proteínas no-histónicas (de carácter estructural o funcional: 0,5-1,5), ARN (0,05), lípidos, iones, etc (Stein 1975). Las histonas son proteínas básicas de bajo peso molecular con fuerte apetencia electrostática por los grupos fosfato del ADN. Existen cinco tipos básicos (H1, H2A, H2B, H3 y H4) aunque se producen algunos cambios durante el desarrollo: uno de los más significativos es la sustitución de los tipos básicos por las protaminas en la línea germinal masculina. Las histonas tienden a agruparse formando los octámeros (2H2A, 2H2B, 2H3 y 2H4) que constituyen el elemento central del nucleosoma («core-nucleosoma»). El ADN (doble hélice) se acopla a los nucleosomas describiendo algo

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FIG. 4.2. La organización de la cromatina en los cromosomas eucariótidos.

más de dos vueltas de hélice en torno a ellos (aproximadamente 200 pb), como haría el hilo de una bobina con su carrete. El resultado es la fibra nucleosómica, que recordaría a un collar de cuentas de 10 nm de diámetro. Esta estructura fue descrita por Kornberg en base a datos biofísicos (espectros de difracción de rayos X), bioquímicos (digestión enzimática del ADN inter-nucleosomal) y citológicos (observación al microscopio electrónico de preparados cromatínicos obtenidos en concentraciones salinas muy bajas). Al aumentar la concentración salina del medio la fibra nucleosómica se enrolla en una nueva estructura de orden superior llamada solenoide (30 nm de diámetro), que se mantiene estable gracias a la histona H1 presente en los puentes inter-nucleosómicos (ocupando la parte central o interior del solenoide). Sin embargo esta nueva estructura no salda las necesidades de empaquetamiento de la cromatina en el

cromosoma (700 nm de diámetro). El análisis de preparados cromatínicos carentes de histonas demostró la existencia de un eje central de proteínas no histónicas (llamado «scaffold») sobre el que la fibra solenoide se pliega formando lazos de tamaño variable. En los puntos de anclaje (SARs, regiones de anclaje al scaffold) se puede observar la interacción existente entre un tipo de secuencias específicas del ADN y las topoisomerasas de tipo II presentes en el esqueleto proteico central. Finalmente, esta nueva superestructura adopta una configuración helicoidal superenrollada que estará más o menos compactada según se trate de un cromosoma metafásico o de las fibras de cromatina interfásica (fig. 4.2). El grado de compactación está íntimamente relacionado con la posibilidad de expresión de los genes y se regula a través de cambios químicos en las histonas (acetilaciones/deacetilaciones,

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

fosforilaciones y metilaciones) y en el propio ADN (metilaciones/demetilaciones) como se verá en el capítulo dedicado a la Epigenética. 2.4. EUCROMATINA Y HETEROCROMATINA

La mayor parte de la cromatina (eucromatina) sigue unos ciclos de tinción-condensación característicos durante las divisiones celulares y meióticas: descondensación en interfase, máxima condensación en metafase. Sin embargo Heitz logró distinguir una fracción minoritaria (denominada heterocromatina) que seguía un comportamiento «alocíclico». Este tipo de cromatina ocupa normalmente posiciones pericentroméricas, su ADN es el último en replicarse durante el periodo S, no contiene genes activos (cromatina permanentemente inactiva) e, incluso, puede ejercer un efecto regulador negativo sobre los genes situados en su proximidad (efectos de posición). Desde el punto de vista de su composición molecular la heterocromatina contiene secuencias altamente repetidas de ADN, que además está altamente metilado; sus histonas tienen las modificaciones específicas de la cromatina inactiva (deacetilaciones y metilaciones), y tiene proteínas no histónicas específicas (como la HP1, heterochromatin associated protein) que le permiten consolidar su estructura densamente empaquetada e inactiva. Recientemente Maison et al. han demostrado que la configuración supercondensada de la heterocromatina pericentromérica del ratón necesita también una molécula de ARN que forma parte del complejo Metiltransferasa de histonas/HP1. El tipo de heterocromatina que se acaba de describir se denomina «constitutiva» por su constancia en el tiempo y el espacio celulares. Sin embargo, existe otro tipo de heterocromatina llamada «facultativa» que resulta de un proceso de «heterocromatinización» en cromosomas o regiones cromosómicas inicialmente eucromáticas (con secuencias génitas y ADN norepetido). El caso más paradigmático podría ser el de uno de los dos cromosomas X de las hembras de mamíferos donde una parte considerable puede adquirir reversiblemente las características de la heterocromatina constitutiva (alociclia en los patrones de

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condensación-tinción, retraso en la replicación de su ADN e inactivación génica). Este proceso ha sido interpretado como un mecanismo «epigenético» de «compensación de la dosis génita» entre machos y hembras. La heterocromatina facultativa se caracteriza por la metilación de sus histonas (sobre todo de la lisina 9 en la H3), y adquiere sus características gracias a la expresión de una molécula de ARN (Xist) (estos aspectos se verán con más detalle en el capítulo de Epigenética).

3. Elementos diferenciados en la estructura cromosómica y técnicas de bandeado 3.1. ELEMENTOS DIFERENCIADOS

La organización de la cromatina no es uniforme, pudiéndose distinguir una serie de elementos diferenciados a lo largo de la estructura cromosómica: los centrómeros (o constricciones primarias), los telómeros (o extremos cromosómicos), las regiones organizadoras del nucléolo (NORs, según la abreviatura en lengua inglesa), los cromómeros y las bandas, caracterizados todos ellos por contener secuencias específicas de ADN (fig. 4.3). Los centrómeros son las regiones cromosómicas donde se anclan las fibras del huso, y se hacen visibles como unas «constricciones primarias» en los estadios de mayor condensación de los cromosomas. Según la posición de los centrómeros los cromosomas se denominan metacéntricos (posición centrada), submetacéntricos (un brazo cromosómico mayor que el otro), acrocéntricos (el brazo corto es extremadamente pequeño) y telocéntricos ( cromosomas que tendrían teóricamente un solo brazo) (fig. 4.6a). Como se ha mencionado, los centrómeros suelen estar rodeados de regiones de heterocromatina constitutiva compuestas de secuencias de ADN satélite

altamente repetidas. La presencia de este tipo de secuencias fue demostrada por primera vez en 1970 por Pardue y Gall en los cromosomas del ratón me-

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FIG. 4.3.

Distribución de los diferentes tipos de secuencias de DNA en un cromosoma humano.

diante la técnica de «hibridación in situ». Para llevar a cabo la hibridación, las secuencias de ADN satélite fueron desnaturalizadas y marcadas radiactivamente, utilizándose como «sondas» para «reconocer» a las secuencias complementarias (también desnaturalizadas) presentes en los cromosomas. Después de un periodo de renaturalización controlado, el resultado de la «hibridación in situ» fue visualizado mediante autorradiografía, al dejar que la emisión de partículas beta de la «sonda radiactiva» pudiera impresionar una película fotográfica acoplada a los preparados cromosómicos en el portaobjetos. El revelado de las placas fotográficas demostró la acumulación de puntos «radiactivos» en torno a las regiones centroméricas de los cromosomas de ratón. Las técnicas actuales de hibridación in situ han ganado considerablemente en precisión (para evitar «ruidos» de fondo), y en capacidad de resolución (ya se puede determinar la localización cromosómica de secuencias únicas de ADN), gracias sobre todo al desarrollo de técni

cas no isotópicas de marcado «fluorescente» (hibridación in situ fluorescente, FISH). Las sondas se pueden marcar ahora directamente generando copias que llevan incorporado un precursor nucleotídico fluorescente; o indirectamente, utilizando nucleótidos que llevan acoplada una molécula «informadora» (reporter), como la biotina o la digoxigenina, que se identifica después por su unión a una molécula fluorescente. Normalmente los cromosomas se «tiñen» con un fluorocromo diferente al utilizado para la sonda, y las emisiones de ambos fluorocromos se visualizan mediante microscopía asistida con sistemas de «epifluorescencia» (véase la fig. 4.6e). Una variante especial de las técnicas de FISH se basa en la utilización de colecciones de sondas que correspondan a fragmentos cromosómicos o incluso a cromosomas completos. En este caso las mayores dificultades estaban en la disponibilidad de un número muy limitado de moléculas fluorescentes, pero recientemente se ha podido soslayar el problema variando las concentraciones relativas de es-

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

tas moléculas, y utilizando programas más sofisticados de análisis de imagen que asignan seudocolores» a las diferentes combinaciones de moléculas fluorescentes. Son las técnicas de «pintado cromosómico» (painting), que alcanzan su máxima complejidad en el FISH multicolor y el «cariotipado espectral» (SKY), donde cada pareja de cromosomas aparece señalada con un color específico. Las secuencias altamente repetidas de la heterocromatina pericentromérica no son necesariamente ADN «sin sentido» (ADN basura). Podrían ser fundamentales para la cohesión de los centrómeros y la correcta segregación de los cromosomas. Sin embargo, no contienen las secuencias responsables de la función centromérica donde se ancla el complejo proteico denominado cinetocoro. La primera secuencia de «ADN centromérico» fue caracterizada por Clarke y Carbon en el cromosoma 3 de levaduras (CEN3) (fig. 4.4a); pero no está nada claro que tengan que existir secuencias

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consenso específicas en los centrómeros del resto de los organismos eucarióticos. El grupo de Huntington F. Willard ha propuesto recientemente que unas secuencias de ADN satélitealpha específicas del cromosoma X (DXZ1) podrían ser la condición suficiente para que exista un centrómero funcional en este cromosoma (fig. 4.4b). Además de las constricciones primarias, se puede distinguir un segundo tipo de constricciones «secundarias» relacionadas normalmente con la presencia de las secuencias de ADN ribosómico, que se denominan «regiones organizadoras del nucléolo» (NORs). Las secuencias de ADN ribosómico quedan englobadas dentro del nucléolo, que permanece adosado a las NORs durante una buena parte del ciclo celular. La estructura telomérica está compuesta por una región subtelomérica altamente variable (con diferentes tipos de secuencias repetidas: minisatélites, transposones, etc.), y una re-

FIG. 4.4. Características de las secuencias del ADN centromérico. a) Secuencia consenso para el centrómetro de diez cromosomas de la levadura de gemación (según Clarke y Carbon, Review of Genetics, 19: 29-56, 1985). Pu, cualquier purina; Py, cualquier pirimidina; X, cualquier base nucleotídica. b) Secuencia centromérica del cromosoma X humano, según Schueler et al., 2001, Science, 294: 109.

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FIG. 4.5. Características

de las secuencias del ADN telomérico.

gión estrictamente telomérica que contiene secuencias específicas de ADN «telomérico» de unos 10-150 kb, compuestas por la repetición de unidades básicas de unos pocos nucleótidos (TTAGGG, en la mayoría de los vertebrados) (fig. 4.3). Por razones que se comprenderán más adelante, el ADN de los cromosomas eucarióticos termina siempre en un extremo monocatenario de unos pocos cientos de bases llamado «saliente G» (fig. 4.5). Los cromómeros son «engrosamientos» o regiones más compactadas de la eucromatina, que se distribuyen de manera más o menos uniforme a lo largo de los cromosomas, y se pueden visualizar en las fases de menor condensación durante las divisiones celulares y meióti

cas. Su naturaleza molecular sigue siendo controvertida, pero podrían ser la consecuencia de un cierto grado de compartimentación en la distribución de las secuencias de ADN y en la organización de los cromosomas. Desde hace algún tiempo el grupo de Bernardi sostiene que hay una distribución compartimentada de secuencias relativamente grandes de ADN (llamadas isócoras) en el genoma de los vertebrados de sangre caliente, de modo que cada isócora tiene un contenido en bases nucleotídicas (% G+C) relativamente homogéneo pero diferente al de las demás. Con la publicación en febrero de 2001 del primer borrador del «Proyecto Genoma Humano» en la revistas Nature y Science, parece confirmarse la exis-

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

tencia de cinco isócoras en el Genoma Humano: dos de ellas ricas en pares Adenina y Timina (L1 y L2), y tres ricas en Guanina+Citosina. La distribución alternante de isócoras ricas en G+C y A+T podría ser la explicación molecular a la existencia de los cromómeros, pero este tipo de distribución compartimentada no se ha demostrado hasta la fecha en el genoma de todos los organismos cuyos cromosomas exhiben la alternancia de cromómeros y regiones intercromoméricas. 3.2. TÉCNICAS DE BANDEADO

Los cromosomas son normalmente estructuras que se tiñen uniformemente con los colorantes básicos (con la excepción de las constricciones primarias y secundarias). Sin embargo existen tratamientos especiales, denominados técnicas de bandeado, capaces de crear unos patrones específicos de bandas (regiones

FIG. 4.6.

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más teñidas) e interbandas (regiones intercalares menos teñidas) a lo largo incluso de los brazos de los cromosomas metafásicos (fig. 4.6b). Este tipo de «bandeado cromosómico» resulta fundamental para la identificación de cada uno de los cromosomas de un complemento permitiendo la elaboración de los cariotipos (conjuntos ordenados de los cromosomas de un complemento según el tamaño y la posición relativa de sus centrómeros) (fig. 4.6c), y la detección de alteraciones numéricas y estructurales. La técnica de bandeado-C consiste en el tratamiento de los cromosomas con una solución saturada de hidróxido bárico y la tinción posterior con el colorante Giemsa. Como consecuencia de este tratamiento las regiones de heterocromatina constitutiva (que resisten en mayor medida la desnaturalización y la extracción de proteínas) aparecen más densamente teñidas (CB en fig. 4.6b).

Tipos de cromosomas y técnicas de bandeado. (Las figuras c, e y f han sido proporcionadas por el Dr. Juan Cruz Cigudosa del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas.)

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GENÉTICA

FIG. 4.7. Cromosomas especiales.

En la técnica de bandeado-G los cromosomas se someten a una digestión controlada con un agente proteolítico (una solución de tripsina) antes de la tinción con Giemsa. El resultado suele ser la aparición de un patrón homogéneo de bandas (G) e interbandas (R, de reverse) como el de los cromosomas humanos de las figuras 4.6b y 4.6c. También se puede obtener un patrón de bandas similar tiñendo directamente los cromosomas con un fluorocromo que tenga mayor afinidad por las secuencias de ADN ricas en Adenina-Timina. Éste sería el caso de la quinacrina, y el patrón de bandas Q que se puede observar en los cromosomas humanos de la figura 4.6d. Si se utilizan fluorocromos con mayor afinidad por las secuencias de ADN ricas en Guanina+Citosina (como la cromomicina-

A3) se obtendría un patrón de bandas' R. En estos casos la explicación molecular radica en el hecho de que las bandas G contienen sobre todo isócoras L1 y L2 (ricas en Adenina+Timina), secuencias LINE, y una mayor densidad de regiones SAR (regiones de anclaje al scaffold) por lo que, según Saito y Laemmli, la densidad del empaquetamiento puede ser mayor. Por el contrario, las bandas R contienen sobre todo isócoras ricas en Guanina y Citosina, y secuencias SINEs (como las Alu). 4. Cromosomas especiales

La organización de los cromosomas se parece bastante en la mayoría de los organismos

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

eucariotas. Sin embargo hay algunos casos especiales, como los cromosomas gigantes de Drosophila y los cromosomas plumulados de los anfibios, que merecen ser comentados. Los «cromosomas gigantes» de Drosophila son un caso especial de cromosomas mitóticos, que se pueden encontrar sobre todo en algunos tejidos secretores (tubos de Malpigio, epitelio intestinal, y glándulas salivares de tercer estadio), y se caracterizan esencialmente por su carácter «politécnico» (replican su ADN repetidas veces sin que haya una separación cromatídica), por el apareamiento de los cromosomas homólogos a lo largo de toda su longitud, por la unión de todos los cromosomas a través de las regiones de heterocromatina pericentromérica (en una estructura llamada cromocentro), y por el escaso grado de compactación de su cromatina. Por tanto se trata de cro

FIG. 4.8. Números

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mosomas «gigantes», con un grosor formidable y una longitud extraordinaria, donde la mera tinción con un colorante básico sirve para demostrar un patrón de bandas e interbandas característico de cada cromosoma (fig. 4.7a). La observación de regiones «descondensadas» (puffs o «anillos de Balbiani») está normalmente relacionada con la actividad transcripcional de esa zona. Los cromosomas « plumulados» de anfibios son cromosomas meióticos identificables en la diplotene de la primera división meiótica de las hembras. Su estado de descondensación responde probablemente a las necesidades masivas de expresión génica en las primeras etapas del desarrollo, y su estructura deja ver el patrón básico de organización de la cromatina con un eje central (scaffold) al que se anclan los lazos cromatínicos (fig. 4.7b).

cromosómicos v cantidad de ADN.

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5. Número de cromosomas y cantidad de ADN

Las tendencias evolutivas de los organismos apuntan normalmente hacia el incremento paulatino del número de cromosomas, y del contenido en ADN, respondiendo probablemente a la necesidad de aumentar el número de genes y conseguir una mayor complejidad estructural y funcional (fig. 4.8). Sin embargo el ser humano, el teóricamente más complejo, no se encuentra en la cumbre de ninguno de estos dos parámetros. Si se atiende al número de cromosomas, tiene menos que muchas plantas diploides (y por supuesto que las de naturaleza poliploide), que el gusano de la seda (Bombix morí), que el perro doméstico (Canis familiaris) y que numerosos peces. Y si se considera el contenido en ADN por dotación haploide, el genoma de los mamíferos ocupa una posición modesta (entre 3,5 y 6 picogramos) frente a los más de 50 picogramos que pueden alcanzar las algas, los anfibios, las plantas, los crustáceos, etc. Este hecho se conoce con el nombre de «paradoja del valor C» y demuestra que los aumentos «cuantitativos» no bastan por sí solos para conseguir los mayores grados de complejidad evolutiva. Lecturas recomendadas

Brown, S. W. (1966): «Heterochromatin», Science, 151: 417-425.

GENÉTICA

Craig, J. M. y Bickmore, W. A. (1993): «Chromosome bands flavours to savour», Bioessays, 15: 349-354. Finch, J. T. etal. (1977): «Structure of nucleosomes core particles of chromatin>>, Nature, 269: 29-36. Greider, C. W. (1999): «Telomeres to D-loopTloop», Cell, 97: 419-422. Kornberg, R. D. (1974): «Chromatin structure: a repeating unit of histone and DNA», Science, 184: 868-871. Lacadena, J. R. (1999): Genética General, Editorial Síntesis. Maison, Ch. et al. (2002): «Higher-order structure in pericentromeric heterochromatin involves a distinct pattern of histone modification and an RNA component», Nature Genet., 30: 329-334. Mitelman, F. (ed.). (1995): An international system for human cytogenetic nomenclature (ISCN), Karger. Paulson, J. R. y Laemmli, U. K. (1994): «The structure of histone-depleted metaphase chromosomes», Cell, 12: 817-828. Schueler, M. G. et al. (2001): «Genomic and genetic definition of a functional human centromere», Science, 294: 109. Saitoh, Y. y Laemmli, U. K. (1994): «Metaphase chromosome structure: bands arise from a differential folding path of the highly AT-rich scaffold», Cell., 76: 609-622. Strachan, T. y Read, A. P. (1999): «Human molecular genetics, 2», Bios. Sci. Tyler-Smith, C. y Willard, H. F. (1993): «Mammalian chromosome structure», Curr. Opin. Genet. Dev., 3: 390-397. Wilkinson, D. (1998): «In situ hybridisation: a practical approach», IRL Press.

Capítulo

5

Interacciones Génicas JOSÉ FERNÁNDEZ PIQUERAS

1.

Relación Entre Genotipo y Fenotipo

2.

Prueba de Alelismo: Análisis de Complementación

3.

Alelismo Múltiple y Polimorfismos Genéticos

4.

Interacciones entre los Alelos de un mismo Gen

5.

Interacciones entre Genes no Alélicos 5.1. Interacción Entre Gen Regulador y su Regulado 5.2. Interacción Entre Genes Implicados en una Misma Ruta Metabólica 5.3. Supresión Génica 5.4. Genes Modificadores 5.5. Sistemas de Letales Equilibrados

6.

Penetrancia y Expresividad

Lecturas Recomendadas

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GENÉTICA

1. Relación entre genotipo y fenotipo

Como ya se ha comentado y se verá con mayor detalle en los capítulos posteriores, los genes (genoma) actúan transcribiendo su ADN en moléculas de ARN (transcriptoma), y una buena parte de esos ARNs se traducen en proteínas (proteoma). Pero los genes no son entidades aisladas sino que actúan en un contexto definido por el resto del genoma (background genético) y por factores ambientales intra y extracelulares. Por tanto, se pueden distinguir diferentes niveles de control de la expresión genética que median entre el genotipo y el fenotipo de los organismos. En una revisión muy reciente Strohman distingue cuatro niveles básicos de regulación, y recoge la participación de diferentes sistemas, incluyendo las redes metabólicas, sistemas de señalización hormonal, etc., en el control de la expresión genética (fig 5.1). En este contexto no es de extrañar que los genes puedan ser pleiotrópicos, es decir, que la expresión de un mismo gen pueda derivar en efectos fenotípicos múltiples aparentemente no relacionados. En la mayoría de los casos los efectos múltiples se abren en abanico a partir de la síntesis de un mismo tipo de ARN y/o

FIG. 5.1.

proteína (pleiotropía secundaria). Éste puede ser el caso del gen de la cadena /3 de la hemoglobina mutado en la anemia falciforme (fig. 5.2). El nombre de esta enfermedad se debe a la forma en hoz de los glóbulos rojos que, con menor tasa de supervivencia, acaban por sufrir hemólisis. Desde el punto de vista molecular la alteración genética se reduce al cambio de una adenina por una timina, lo que supone la sustitución de un aminoácido polar por otro de carácter neutro en la cadena /3 de la hemoglobina (glutámico por valina). El resultado es un aumento de la adhesión intermolecular que conduce a la agregación de la deoxihemoglobina (sobre todo en concentraciones bajas de oxígeno), la distorsión de los glóbulos rojos (que adoptan forma de hoz y tienen un periodo más corto de vida, lo que explica la anemia), la oclusión de capilares, y la producción de isquemias e infartos en los órganos afectados por el bloqueo (fig. 5.3). Los individuos homocigóticos padecen una anemia hemolítica muy grave, pero los heterocigóticos son viables y aparecen con gran frecuencia en las poblaciones africanas por su resistencia al paludismo (la mayor densidad citoplasmática de los glóbulos falciformes impide que sean parasitados por los protozoos del género Plasmodium).

Niveles de regulación entre e l genotipo v el fenotipo e.vterno de los organismos (basado en Strohrnan, 2002. Science, 296: 701-703).

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

FIG. 5.2. Características

moleculares de la anemia falciforme.

Además de los casos de pleiotropía secundaria se conocen también muchos de pleiotropía primaria, donde ya es de naturaleza múltiple la expresión primaria del gen. Serían, por ejemplo, aquellos casos donde un mismo ARN puede ser procesado de diferentes maneras para generar diferentes polipéptidos en el mismo tejido (gen Ikaros) o en diferentes tejidos de un mismo

FIG. 5.3. Pleiotropía

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organismo (genes de la Tiroxina hidroxilasa, Calcitonina, etc.). Pero del mismo modo que un solo gen puede influir en efectos fenotípicos múltiples, también hay fenotipos que dependen de la expresión de diferentes genes no alélicos. Sucede

secundaria del gen de la anemia falciforme.

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GENÉTICA

FIG. 5.4. Análisis

de complementación en organismos superiores diploides.

con el caso de la pigmentación de los ojos de Drosophila, que se debe a la acción de más de 100 genes diferentes. Por tanto se hace de todo punto imprescindible disponer de alguna «herramienta genética» para poder determinar si dos mutaciones génicas que producen dos variantes fenotípicas alternativas de un mismo carácter fenotípico son en realidad alelos de un mismo par génito (genes alélicos) o de diferentes pares génicos (genes no alélicos). Es decir, una prueba genética que permita estimar el número de genes alélicos y no alélicos implicados en la determinación de un carácter.

2. Prueba de alelismo: análisis de complementación

La prueba genética mencionada es el análisis de complementación o prueba de alelismo. Para llevarla a cabo sería preciso disponer del mayor número posible de variantes genéticas del carácter en cuestión. Es decir, disponer de la mayor cantidad posible de mutaciones (es

pontáneas o inducidas) y, preferiblemente de carácter recesivo, que produzcan variaciones fenotípicas del carácter en cuestión. Después se deberían obtener individuos homocigóticos para cada mutación y se habrían de cruzar entre sí por parejas (en todas las combinaciones posibles) para observar el fenotipo de los híbridos di-heterocigóticos. Si se recupera el fenotipo salvaje las dos mutaciones se complementan y se podría afirmar (inicialmente) que pertenecen a un par génito diferente (serían genes no alélicos). En caso contrario no habría complementación y la explicación más razonable sería suponer que las dos mutaciones afectan al mismo par génico (genes alélicos) aunque la «sede mutacional» (secuencia de ADN afectada) fuese diferente en cada caso (fig. 5.4). Sin embargo esta prueba es sólo una primera aproximación al problema. Los ensayos de complementación tienen sus limitaciones en algunos casos, como por ejemplo cuando se trata de genes que codifican polipéptidos de proteínas multiméricas. La complementación genética consiste, por

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

tanto, en la recuperación del fenotipo salvaje cuando de unen dos genomas haploides portadores de diferentes mutaciones recesivas en la misma célula o cigoto. En el caso de organismos haploides como el hongo Neurospora la prueba de complementación se puede basar en el estudio del heterocarion que se forma en la fusión de diferentes cepas mutantes. La figura 5.5 recoge un ejemplo para demostrar si dos mutaciones que afectan a la biosíntesis de la arginina (mutantes argl y 2) pertenecen o no al mismo par génico. 3. Alelismo múltiple y polimorfismos genéticos

El alelismo múltiple se podría definir como la existencia de variantes alélicas múltiples de un mismo gen. Se trata por tanto de un concepto entendible a nivel poblacional puesto que un individuo, si fuese diploide, sólo podría tener dos alelos diferentes en un mismo locus. El color de los ojos de Drosophila vuelve a ser de nuevo un ejemplo paradigmático. El llamado locus white puede estar ocupado por el alelo que le da nombre (white) que determina el color

FIG. 5.5.

81

blanco de los ojos (ausencia de pigmento), pero también por una pléyade de alelos diferentes que producen una gama amplia de variantes del color rojo. Todos estos alelos constituyen una serie alélica (Morgan, 1914). Los genes responsables de la determinación de los grupos sanguíneos ABO, Rh, los alelos que codifican para los antígenos de la histocompatibilidad animal, los alelos de la incompatibilidad en plantas, los que determinan los patrones cheurón de las hojas de trébol, etc., constituyen otros tantos ejemplos. Una parte sustancial de las variantes alélicas de una misma serie constituye lo que se denomina un polimorfismo. El concepto de polimorfismo fue definido como la existencia de dos o más variantes alélicas en un mismo locus, de modo que la menos frecuente de ellas no tenga que ser explicada mediante mutaciones recurrentes. Se trataría, por tanto, del conjunto de variantes alélicas que no son deletéreas o letales, es decir las que no causan ninguna merma en el valor adaptativo de los organismos, y por tanto se pueden mantener en las poblaciones naturales a lo largo de las generaciones. La otra fracción no poli-

Análisis de complementac ón mediante la generación de un heterocarion.

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GENÉTICA

FIG. 5.6.

Relaciones de dominancia entre alelos del mismo par génito.

mórfica de una serie alélica, contendría los genes deletéreos o letales (por ejemplo los alelos que causan diferentes tipos de enfermedades humanas como la Fibrosis Quística, la Distrofia Muscular de Duchenne, etc.). En este caso los alelos tienden a ser eliminados de las poblaciones por selección natural, y su mantenimiento en la población sólo se explica por la ocurrencia de nuevas mutaciones (mutaciones de novo). En el argot de la Genética Humana se suele hablar de polimorfismos, para referirse al conjunto de alelos no deletéreos, y de mutaciones para referirse a los implicados en el desarrollo de una enfermedad, pero la fuente primaria de variación (y por tanto el origen esencial de todas las variantes alélicas) es la mutación, y esta costumbre debería ser rechazada. En su acepción clásica las variantes alélicas de los genes se deducen a través de los cambios en la apariencia externa de los organismos (fenotipo externo): color de los ojos, patrón de coloración en la hoja de trébol, etc. Después, el análisis de las proteínas permitió descubrir nuevos tipos de polimorfismos bioquímicos basados en la reacción antígeno-anticuerpo o en la detección de variantes electroforéticas de las proteínas (grupos sanguíneos, antígenos de histocompatibilidad, variantes isoenzimáticas, etc.). Finalmente la posibilidad de analizar comparativamente las secuencias primarias de las bases nucleotídicas de fragmentos de ADN supuso el nacimiento de los «polimorfismos de ADN» o «marcadores polimórficos de ADN». entendidos como la existencia de dos o más formas alternativas de un fragmento de ADN génico o no génico. En este nuevo contexto se

sigue hablando de variantes «alélicas» (en un sentido amplio y quizás poco apropiado) porque puede tratarse de secuencias de ADN anónimas que no corresponden a ningún gen. Lo cierto es que con este tipo de análisis se podría afirmar que todos los genes serían en mayor o menor medida «polimórficos», porque siempre se acabaría encontrando alguna diferencia en la secuencia de bases nucleotídicas al realizar análisis comparativos.

4. Interacciones entre los alelos de un mismo gen

En sus trabajos pioneros Mendel sólo distinguió un tipo sencillo de relación de dominancia entre los alelos de un mismo par génico. Era el tipo de dominancia simple o completa donde la presencia del alelo dominante imponía por completo su criterio, de modo que el fenotipo del heterocigoto era el mismo que el del homocigoto dominante. Sin embargo existen otros tipos de relaciones de dominancia (fig. 5.6). En la dominancia incompleta el fenotipo de los heterocigotos se sitúa en algún punto intermedio dentro del espectro de distribución marcado por los fenotipos de los dos homocigóticos, más cerca de uno u otro dependiendo del grado de dominancia parcial de uno de los alelos. Sería el caso del carácter coloración de la flor en el dondiego de noche, donde el cruzamiento entre plantas con flores

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

rojas y plantas con flores blancas produce heterocigotos con flores de color rosa en proporciones 1:2:1. Otras veces el fenotipo del heterocigoto excede los límites de la distribución

fenotípica marcada por los dos homocigotos. Esto suele ocurrir sobre todo en caracteres cuantitativos como el tamaño, la viabilidad o la productividad de una planta (que se explicarán con mayor detalle en capítulos posteriores). Se han descrito casos en el maíz donde el fenotipo de los heterocigotos puede ser más o menos precoz que el de cualquiera de los parentales homocigóticos. En estos casos se hablaría de sobredominancia y de infradominancia. Finalmente, también puede darse el caso de que se distingan con claridad los efectos de los dos alelos en el heterocigoto sin que exista ningún tipo de interferencia: el fenotipo resultante sería como la suma de los efectos observados en los dos homocigotos. Esta situación se denomina codominancia y se puede observar en muchos caracteres cualitativos como, por ejemplo, en los grupos sanguíneos. En el caso del grupo ABO, los homocigotos AA tienen sólo el determinante antigénico A en la superficie de sus células sanguíneas, los BB sólo el B, pero los heroterocigotos AB tienen

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ambos. Todo lo expuesto justifica la clasificación de los diferentes tipos de alelos propuesta por Muller en 1932, que sigue aún vigente sobre todo entre los Genetistas del Desarrollo. Tomando como referencia el alelo salvaje, los alelos mutantes podrían ser: amorfos (inoperantes o ausentes), hipomorfos (funcionan imperfectamente en relación con el salvaje), hipermorfos (determinan un exceso de producto en relación con el salvaje), antimorfos (acción opuesta al salvaje) y neomorfos (acción cualitativamente diferente). Los alelos letales constituyen una clase especial de alelos recesivos capaces de causar la muerte en homocigosis, aunque en heterocigosis influyan en algún aspecto fenotípico aparentemente inocuo. Este es el caso del alelo A ' del ratón que provoca la muerte en homocigosis, pero en heterocigosis determina coloración de la piel amarilla (dominante con respecto al color y recesivo con respecto a la viabilidad); también es el caso de un gen presente en los gatos Manx, que en heterocigosis afecta el desarrollo normal de la espina dorsal provocando la ausencia de cola, pero en homocigosis resulta letal; o el ejemplo del gen beaded de Drosophila que se ilustra en la figura 5.7. En la especie humana los

Fig. 5.7. Beaded, es un gen letal recesivo en Drosophila.

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GENÉTICA

FIG. 5.8.

Interacción entre un gen regulador y el regulado.

genes responsables de enfermedades como la Corea de Huntington, la Distrofia Muscular de Duchenne o la Fibrosis Quística podrían encuadrarse dentro de esta categoría. El conjunto de genes deletéreos o letales presentes en los individuos de una población constituye lo que se denomina el lastre genético poblacional. 5. Interacciones entre genes no alélicos

Como resultado de la prueba de alelismo se hace evidente que la mayoría de los caracteres fenotípicos resultan de la actuación conjunta de más de un par génico. En estos casos el análisis de los cruzamientos demuestra que los resultados no se ajustan a las proporciones mendelianas, y sugieren diferentes modelos de interacción génica.

5.1. INTERACCIÓN ENTRE GEN REGULADOR Y SU REGULADO (FIG. 5.8)

En este caso el cruzamiento entre dihíbridos no daría las proporciones mendelianas 9:3:3:1, porque la producción de la proteína por el gen regulado depende de la presencia simultánea de al menos un regulador y un gen regulado de tipo salvaje dentro del mismo genotipo.

5.2. INTERACCIÓN ENTRE GENES IMPLICADOS EN UNA MISMA RUTA METABÓLICA

Por ejemplo, en la biosíntesis de un pigmento que necesitara al menos dos etapas catalizadas cada una por un enzima diferente (fig. 5.9), el cruzamiento entre dihíbridos daría

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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al gen 2 porque la homocigosis recesiva del gen 1 enmascara el efecto del alelo salvaje del gen 2, expresando su propio fenotipo (la coloración intermedia).

5.3. Supresión Génica (Fig. 5.10)

FIG. 5.9. Genes implicados en la misma ruta metabólica.

unas proporciones de 9/16 (individuos con al menos un alelo salvaje de ambos genes), 3/16 (que tendrían una coloración intermedia por la presencia de al menos un alelo salvaje del gen 1) y 4/16 (ausencia de pigmento por la falta de al menos una copia del alelo salvaje del gen 1). El gen 1 sería epistatático recesivo con respecto

Un tercer tipo de interacción génica sería el protagonizado por los genes supresores. Aunque existen varios mecanismos posibles de supresión, la figura 5.10 recoge el ejemplo de dos genes implicados en la síntesis de un complejo proteico activo. La presencia de al menos un alelo salvaje de ambos genes es suficiente para la síntesis de los dos polipéptidos que se unirían para formar el complejo activo. Si uno de los dos genes está mutado el complejo no pue

FIG. 5.10. Genes supresores.

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GENÉTICA

RG. 5.11. Sistemas de letales equilibrados de Drosophila.

de formarse. Sin embargo la mutación en el gen a puede verse «suprimida» por una mutación en el gen s que produzca una variante del polipéptido capaz de ensamblarse de manera efectiva con el polipéptido generado por a. Otro ejemplo de supresión intergénica podría ser el constituido por la mutación en un gen estructural que genera un codón sin sentido, y una segunda mutación supresora en un gen de un ARNt que generase un anticodón capaz de reconocer la tripleta sin sentido anterior.

5.4. GENES MODIFICADORES

Resulta un hecho evidente que no todos los genes contribuyen en igual medida al fenotipo. Hay genes «mayores» y otros «menores», con efectos secundarios menos notorios. Un tipo especial de estos últimos son los llamados «modificadores» que, en sentido estricto, serían los que modulan la expresión o actividad de otro gen, aunque no tendrían efectos notorios por sí solos. El carácter coloración de los pétalos de la flor de Digitalis depende de al menos tres pares génicos. Uno de ellos controla la sintesis de antio-

cianina (que determinaría el color púrpura), otro controla la deposición del pigmento en los pétalos, y el tercero, que sería un modificador, modula la cantidad de pigmento sintetizado generando una gama que va desde el púrpura claro al más intenso.

5.5. SISTEMAS DE LETALES EQUILIBRADOS (FIG. 5.11)

A pesar de su carácter nocivo los alelos letales recesivos persisten en las poblaciones naturales como sistemas equilibrados, posiblemente para mantener combinaciones génicas con valor adaptativo. En el caso de Drosophila los sistemas formados por los genes letales recesivos Beaded-le, Curly-Plum y HairlessStubble permiten mantener inalteradas las combinaciones alélicas de los genes situados entre cada una de estas parejas de loci, porque de otro modo se produciría la homocigosis para alguno de los letales y la muerte del organismo. Más adelante se verá el caso paradigmático de la planta Oenothera

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 5.12. Penetrancia y expresividad.

6. Penetrancia y expresividad

Como consecuencia de las interacciones entre diferentes pares génicos y de la influencia de los factores ambientales en la expresión génica, se hace necesario definir los conceptos de penetrancia y expresividad (fig. 5.12). La penetrancia se refiere a la proporción de genotipos que muestran el fenotipo esperado. Si Lobe es un alelo dominante que determina ojos lobulados en Drosophila porque disminuye el número de facetas, cabría esperar que el 100 % de los heterocigotos manifestase el fenotipo mutante (penetrancia completa), pero podrían ser tan sólo el 25 % (penetrancia incompleta). Por otro lado la expresividad mide el grado o fuerza con que se manifiesta un fenotipo. En el caso anterior, la reducción del número de facetas podría ser siempre la misma en todos los individuos heterocigóticos (expresividad constante), pero podría variar de unos a otros (expresividad variable). El gen alterado en la poli dactilia humana tiene penetrancia completa pero

expresividad variable. Finalmente conviene recordar también que los factores ambientales pueden provocarla aparición de fenotipos que recuerdan los producidos por genes salvajes o mutantes. En este caso se hablaría de fenocopias. Una dieta carente en fenilalanina hace que el fenotipo de un individuo fenilcetonúrico parezca el correspondiente a una constitución genética normal. Lecturas recomendadas

Griffiths, A. J. F. et al. (2000): An introduction to Genetic Analysis, W. H. Freeman. Marx, J. (2002): «Unraveling the causes of diabe tes», Science, 296: 686-689. Strachan, T. y Read, A. P. (1999): «Human Molecu lar Genetics 2», Bios. Sci., Pub. Ltd. Strohman, R. (2002): «Maneuvering in the complex path from genotype to phenotype», Science, 296:701-703.

Capítulo

6

La herencia de los caracteres complejos JOSÉ FERNÁNDEZ PIQUERAS

1.

Caracteres Mendelianos Versus Complejos o Multifactoriales 1.1. La Herencia Trialélica 1.2. El Caso de la Coloración de la Piel en los Mamíferos: Más de Dos Pares Génicos 1.3. Heterogeneidad Genética en la Enfermedad de Alzheimer 1.4. La Base Genética en la Diabetes 1.5. Los Fundamentos Genéticos del Cáncer

2.

Caracteres Cuantitativos: Genotipos y Distribuciones Fenotípicas 2.1. Las Líneas Puras de Johannsen 2.2. Teoría de los Factores Polímeros

3.

Heredabilidad y norma de reacción de un carácter cuantitativo

Lecturas Recomendadas

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GENÉTICA

1. Caracteres mendelianos versus complejos o multifactoriales

Los caracteres mendelianos o sencillos se caracterizan por estar determinados por un solo gen con dos alternativas alélicas (dominante vs. recesiva), por ajustarse a unos patrones de herencia sencillos de naturaleza autosómica o ligada al sexo, y porque los factores ambientales influyen muy poco en la expresión fenotípica. Sin embargo esta situación no es, desafortunadamente, la más frecuente. Lo normal es que los caracteres sean más complejos, existiendo toda una gradación desde los puramente mendelianos hasta los llamados caracteres «cuantitativos», pasando por caracteres cualitativos nomendelianos. En estos casos, el número de genes intervinientes y la influencia de los factores ambientales van progresivamente en aumento conforme avanza la complejidad del carácter. En los llamados caracteres complejos o multifactoriales los patrones de herencia no se ajustan a las proporciones mendelianas, y es más difícil discernir sobre la constitución genética del carácter a partir del análisis de los fenotipos. De la «determinación genética» en

los caracteres mendelianos se pasa a la «predisposición o susceptibilidad» genética de los caracteres. En la figura 6.1 se esquematizan las diferencias existentes entre un carácter «mendeliano» y otro «complejo o multifactorial» utilizando como ejemplo dos enfermedades humanas. En el caso de la enfermedad «mendeliana» hay un gen que contribuye decisivamente al «riesgo genético» a padecer la enfermedad; sin embargo en la enfermedad «compleja» pueden intervenir diferentes combinaciones de genes, con diferente «peso» en la determinación del «riesgo genético» en diferentes familias, y hay una gran influencia de los factores ambientales en la aparición de la enfermedad y en la gravedad de los síntomas.

1.1. LA HERENCIA TRIALÉLICA

El primer paso hacia la complejidad podría ser el protagonizado por la llamada herencia trialélica» descrita por Katsanis et al. en el síndrome de Bardet-Biedl (BBS). Aunque se han descrito seis loci (tres pares génicos) implicados, los síntomas fenotípicos de la enfermedad aparecen cuando uno de los loci tiene

FIG. 6.1. Caracteres sencillos o mendelianos y complejos o multifactoriales.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

sus dos alelos mutados y hay otra mutación en uno de los alelos de los cinco loci restantes. 1.2. EL CASO DE LA COLORACIÓN DE LA PIEL EN LOS MAMÍFEROS: MÁS DE DOS PARES GÉNICOS

La coloración de la piel en los mamíferos es un claro ejemplo de cooperación entre al menos cinco genes (o pares génicos) diferentes. No se debe olvidar que el carácter «coloración de la piel» comienza a «elaborarse» durante el desarrollo embrionario, cuando un grupo de células inician los procesos de diferenciación y migración para ocupar los lugares apropiados en el embrión, y alcanza su «culminación» en el tejido epitelial del adulto con la capacidad de sintetizar melanina por los melanocitos. Esta última capacidad depende a su vez de una serie de reacciones metabólicas catalizadas por diferentes enzimas. El gen A controla los patrones de distribución del pigmento en el pelo. El alelo salvaje (A) determina la aparición de una banda amarilla intercalada entre las zonas negras que es la responsable del fenotipo agoutí (grisáceo). El alelo a controlaría la distribución uniforme del pigmento negro en el pelo (color negro), y el alelo dominante A' (yelow) produce coloración amarilla aunque es letal en homocigosis. El gen B determina el color del pigmento, y cuenta con dos alelos mayoritarios: el alelo B que produce color agoutí en combinación con el alelo A (B/-;A/-) y color negro con a (BIB; ala); y el alelo b que produce un color canela con A (b/b;A/-), y completamente marrón con a (b/b; a/a).

El gen C controla la expresión del color, es decir el tipo de pigmento que se sintetiza aunque no su cantidad. El alelo C permite la expresión de color (capacidad de sintetizar melanina). El alelo c impide la expresión de color siendo el principal responsable del carácter albino. Por tanto, en homocigosis cc, se comportaría como epistático sobre los otros genes implicados en la distribución del pigmento en el pelo. Este gen tiene un alelo sensible a la temperatura (ch, himalaya), y sería el responsable de los llamados ratones y conejos himalaya o de

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los gatos siameses, al determinar la expresión diferencial de pigmento que aparece con mayor intensidad en las regiones corporales con una temperatura más baja (extremidades, orejas, hocico, etc.). El gen D es un factor de «dilución» que controla la intensidad del color. El alelo D permite la expresión completa, pero el d (en homocigosis) se comporta como un gen modificador provocando una coloración menos intensa o más diluida. Finalmente, el gen S controla la distribución del pigmento epitelial a lo largo del cuerpo. El alelo S garantiza la distribución uniforme, pero el s (ss) determina la aparición de manchas o el fenotipo «moteado». 1.3.

HETEROGENEIDAD GENÉTICA EN LA ENFERMEDAD DE ALZHEIMER

Existen, básicamente, dos formas diferentes de Alzheimer según la manifestación temprana o tardía de los síntomas. El Alzheimer temprano se comporta como una enfermedad autonómica dominante que se puede producir por mutaciones en los genes APP (que codifican para la proteína precursora amiloide), PSI (presenilina 1), o PS2 (presenilina 2). Se trata por tanto de un caso de «heterogeneidad genética» porque se puede producir el mismo fenotipo mediante mutaciones en diferentes genes. El Alzheimer tardío, sin embargo, tiene una base genética mucho menos importante y se habla de la implicación de algunas variantes alélicas de los genes APOE (APOE-r4) y a-2 macroglobulina (A2M-2) en la determinación de «susceptibilidad».

1.4. LA BASE GENÉTICA EN LA DIABETES

En este caso se puede hablar también de dos tipos básicos de la enfermedad: la diabetes de tipo I (o dependiente de insulina), y la de tipo II (que se conoce como la forma no-dependiente de insulina) que es una forma de expresión más tardía (madurez) y constituye la for-

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GENÉTICA

FIG. 6.2. Genes candidatos en la diabetes de tipo 2 y MODY (J. Marx, 2002, Science, 296: 686-689).

ma más frecuente. Existe también una variante de la diabetes de tipo II llamada MODY (de maturity- onset diabets of young). En la diabetes de tipo I el organismo es incapaz de sintetizar insulina debido a la destrucción de las células (3 del páncreas (enfermedad autoinmune). Sin embargo, en la diabetes de tipo II el organismo adquiere una extraña forma de resistencia a la insulina que le impide metabolizar la glucosa, aunque también puede producirse algún trastorno en la producción de insulina. Los diabéticos de ambos tipos pueden llegar a tener serias complicaciones incluyendo insuficiencias renales, ceguera, etc. Y, como en el caso del cáncer o las enfermedades cardiovasculares, se trata de una enfermedad compleja o multifactorial porque su desarrollo depende de la existencia de diferentes tipos de genes de susceptibilidad y está muy influenciada por factores ambientales: sobre todo los relaciona-

dos con la dieta (la obesidad), y con los hábitos de fumar o hacer ejercicio. En la figura 6.2 se recogen los diferentes genes candidatos que se han demostrado en el ser humano o en organismos modelo según una revisión reciente aparecida en la revista Science.

1.5.

LOS FUNDAMENTOS GENÉTICOS DEL CÁNCER

El cáncer engloba un conjunto de enfermedades genéticas, aunque no necesariamente heredables, que se caracterizan por las alteraciones genéticas y epigenéticas de dos tipos fundamentales de genes «mayores de predisposición» denominados pro-oncogenes y genes supresores. Los alelos «normales» o «salvajes» de este tipo de genes contribuyen normalmente a la homeostasis celular controlando los proce-

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

sos de crecimiento y división celular: los protooncogenes (Ras, Myc, etc.) tienden a favorecer la ocurrencia de estos procesos, y los genes supresores (TP53, p16INK4a, PTEN, etc.) actúan como frenos naturales. Sin embargo, los proto-oncogenes pueden sufrir mutaciones de carácter dominante que los transforman en oncogenes capaces de impulsar la división celular aunque no existan los estímulos adecuados en el medio (factores de crecimiento, etc.), y los genes supresores pueden sufrir mutaciones inactivantes (de carácter recesivo) que los inhabilitarían para cumplir su función de vigilancia o contrapunto. Lógicamente, el riesgo genético a padecer un cáncer puede verse aumentado notoriamente con la presencia de factores ambientales como la exposición a agentes físicos, químicos o biológicos mutagénicos, que contribuirían de forma decisiva al desarrollo de los tumores esporádicos. Pero además, hay también toda una cohorte de genes modificadores que son capaces de modular el fenotipo tumoral inducido por los oncogenes y genes supresores, y son los responsables últimos de los diferentes grados de susceptibilidad, y de los diferentes tipos de respuesta a los tratamientos en diferentes personas. Estos genes modificadores pueden codificar productos que no están relacionados con los producidos por oncogenes y los genes supresores (serían los modificadores extrínsecos como, por ejemplo, los genes que codifican enzimas hepáticas capaces de modificar sustancias potencialmente cancerígenas), o pueden ser variantes alélicas de los oncogenes o genes supresores que expresan en mayor o menor grado las proteínas correspondientes, o producen proteínas variantes con alguna diferencia cualitativa (serían los modificadores intrínsecos) (Santos y Fernández Piqueras, 2002). 2. Caracteres cuantitativos: genotipos y distribuciones fenotípicas

El éxito de Mendel estuvo al menos en parte en la elección de una serie de caracteres cualitativos donde las diferencias fenotípicas podían explicarse por diferencias alélicas concre

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tas. Es decir, caracteres donde la relación fenotipo-genotipo era clara y manifiesta. Como se ha ido viendo a lo largo de estos capítulos esta relación deja de ser evidente cuando aparecen nuevas formas de interacciones génicas o cuando hay más de un gen implicado en la determinación del carácter y va aumentando la influencia de los factores ambientales. Pero el caso de mayor complejidad es el de los llamados caracteres cuantitativos, como la talla, el peso, etc., donde no se pueden distinguir clases fenotípicas discretas porque los fenotipos definen variaciones continuas. La existencia de este tipo de caracteres llamó ya la atención de los científicos a finales del siglo xix. Galton y Pearson defendieron el carácter hereditario de estos caracteres y sugirieron la existencia de una variación genética subyacente que sería también de naturaleza continua (biómetras). Con el redescubrimiento de las leyes de Mendel, y la aceptación de la naturaleza particulada o discreta del gen, se propuso, en cambio, que la variación fenotípica continua se podía explicar en base a un número limitado de genes «mendelianos» y la influencia moduladora de los factores ambientales. Es decir, se proponía que la herencia de los caracteres continuos estaba gobernada por los mismos «principios» mendelianos que regían la herencia de los caracteres cualitativos (mendelianos). 2.1. LAS LÍNEAS PURAS DE JOHANNSEN

A principios del siglo xx Johannsen demostró la base genética de un carácter cuantitativo: el peso de la semilla del guisante Phaseolus vulgaris var. Princesa. Tomando muestras de una población original extraordinariamente heterogénea, Johannsen consiguió obtener 19 líneas puras caracterizadas cada una por un peso medio concreto que se mantenía estable a lo largo de las sucesivas rondas de autofecundación. La constancia en el peso medio tenía una base genética evidente porque, además, las descendencias obtenidas con semillas de diferentes pesos dentro del rango de distribución de una línea o raza pura volvían a definir el

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GENÉTICA

FIG. 6.3. Líneas puras de Johannsen.

mismo patrón de distribución fenotípica de la línea en torno a su misma media (fig. 6.3). A partir de estos experimentos se aceptó que la variación fenotípica se podía descomponer en un componente genético (responsable de la constancia media) y otro ambiental (responsable de la variación en torno a la media) (Varianza Fenotípica = Varianza Genética + Varianza Ambiental).

2.2. TEORÍA DE LOS FACTORES POLÍMEROS

Unos años más tarde Bateson (Biólogo) y Yule (Matemático) propusieron la hipótesis de los factores polímeros según la cual la variación fenotípica continua se podía explicar me

diante la existencia de una multitud de genes cada uno con un efecto pequeño y aditivo sobre el carácter en cuestión. Sería como una categoría diferente de genes «menores» o «poligenes» para diferenciarlos de los «mayores» o «mendelianos», responsables de los caracteres cualitativos. Algo después Nilsson-Ehle propusieron que algunos caracteres cuantitativos como la precocidad, la resistencia al frío y el color del grano en el trigo, se podían explicar con un número limitado de genes aditivos. En la figura 6.4 se recoge su propuesta de 5 factores polímeros que explicaba incluso las «segregaciones transgresivas» (descendientes más precoces que el más precoz de sus padres o menos precoces que el menos precoz). Por consiguiente el escenario más probable de cualquier

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 6.4. Teoría de los factores polímeros.

carácter cuantitativo sería el definido por una balanza con dos platillos que contuviesen todos estos genes repartidos entre ambos. Los caracteres cuantitativos suelen tener tras de sí muchos genes con efectos menores (aunque no necesariamente equivalentes), pero sus interacciones pueden ser tanto de carácter aditivo, como multiplicativo o epistático. Este tipo de genes se suelen denominar también QTLs (quantitative trait loci), pero nadie ha demostrado hasta ahora que se trate de unos genes diferentes «en esencia» a los «mendelianos». Además, conviene recordar que la variación fenotípica continua puede ser compatible con la existencia de uno o pocos genes y una gran influencia ambiental moduladora. En la figura 6.5 se recogen los casos hipotéticos de una carácter cualitativo y otro cuantitativo influidos por un solo par génico con dos alternativas alélicas (dominante y recesiva). En el caso del carácter cualitativo los genotipos se proyectan en variaciones fenotípicas discretas no solapantes, aunque exista un cierto grado de

expresividad variable como consecuencia de la influencia ambiental y el resto de los genes (background genético). Sin embargo las distribuciones fenotípicas de los caracteres cuantitativos son claramente solapantes y no es posible atribuir un genotipo concreto a un fenotipo dado. Éste sería el caso de los fenotipos comprendidos entre las dos flechas en la F2 del carácter cuantitativo, que podrían corresponder a cualquiera de los tres genotipos posibles. En la figura 6.6 se resumen las principales diferencias entre la Genética de los caracteres cuantitativos y cualitativos. La mayoría de los caracteres deseables en Agricultura y Ganadería son de tipo cuantitativo. En el caso de las plantas: la productividad, la capacidad de adaptación a diferentes ambientes, el acortamiento del periodo de desarrollo, la tolerancia al estrés abiótico (sequía, salinidad, contaminantes, etc.) y biótico (enfermedades, plagas, etc.), la calidad superior del grano, etc., son las características de mayor interés para los mejoradores. Por tanto, a pesar

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GENÉTICA

FIG. 6.5. Caracteres cualitativos y cuantitativos.

de su mayor dificultad, resulta fundamental conocer el grado de «heredabilidad» de estos caracteres, e identificar al menos los genes más importantes que contribuyen a su varianza genética.

3. Heredabilidad y norma de reacción de un carácter cuantitativo

Todos los procesos de desarrollo están controlados básicamente por los genes, pero hay una parte de la varianza fenotípica que se debe exclusivamente al medio ambiente, o al resultado de la interacción genotipo-ambiente. La

capacidad de hablar tiene un fuerte componente genético, pero el tipo de idioma que se habla depende únicamente del lugar en que se viva o de los idiomas que se estudien. Por tanto conviene separar «heredabilidad» y «familiaridad». La heredabilidad de un carácter cuantitativo se puede estimar por: 1) la similitud fenotípica entre parientes, 2) los casos de adopción y 3) el análisis de la concordancia-discordancia del carácter en parejas de gemelos mono y dicigóticos. En los casos «concordantes» el fenotipo coincide en los dos gemelos, y en la «discordancia» los dos gemelos tendrían un fenotipo distinto. La mayor concordancia del

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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Fig. 6.6. Diferencias entre caracteres cualitativos y cuantitativos.

carácter en los gemelos monocigóticos (idénticos o univitelinos) y la mayor discordancia (o menor concordancia) del carácter en los dicigóticos (o fraternos) serían indicativas de una mayor heredabilidad del carácter. Los estudios realizados hasta la fecha en la especie humana asignan concordancias superiores al 80 % en monocigóticos e inferiores al 30 % en dicigóticos para caracteres como: el color del pelo, el color de los ojos, la esquizofrenia, el síndrome de Down, y la psicosis maniacodepresiva. En los organismos de experimentación la heredabilidad de un carácter se puede estudiar analizando la distribución fenotípica de los descendientes obtenidos a partir de los fenotipos muy diferentes de la población original heterogénea, manteniendo siempre las mismas condiciones ambientales (fig. 6.7). La heredabilidad podría definirse también como la proporción de la varianza fenotípica que se debe al componente genético. Por tanto, el cociente entre la varianza genética y la varianza total (H = VG /VF) sería una forma sencilla de estimación numérica, y los valores oscilarían entre 1 (heredabilidad máxima) y 0 (ausencia total de heredabilidad). Pero hay que tener en cuenta que la heredabilidad no es nunca una propiedad inherente del carácter, y puede variar sustancialmente dependiendo de las circunstancias ambientales. Si se estudia la talla de unos vegetales obtenidos mediante esquejes

FIG. 6.7.

Determinación de la heredabilidad de un carácter cuantitativo en organismos xperimentales

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GENÉTICA

sobre todo en plantas, puesto que se precisa disponer de individuos con genotipos idénticos para enfrentarlos a diferentes condiciones ambientales. En la figura 6.8 se muestra un ejemplo que recoge las respuestas fenotípicas del carácter «talla» de un vegetal ante diferentes temperaturas. Lecturas recomendadas

Burghes, A. H. M.; Bassein, H. E. F. y de la Chapelle, A. (2001): «The land between mendelian and multifactorial inheritance», Science, 293: 2.213-2.214. FIG. 6.8. La norma de reacción de un carácter cuantitati no.

a partir de un mismo progenitor, pero sembrados en ambientes diferentes, las diferencias de talla no se podrían atribuir a las diferencias genéticas (porque la varianza genética sería 0), y la heredabilidad sería falsamente 0. Por esta razón, cuando se trata de un carácter cuantitativo conviene conocer su «norma de reacción», es decir, la distribución fenotípica de un carácter para cada genotipo en diferentes condiciones ambientales. Por razones obvias la determinación de la norma de reacción es más fácil en organismos experimentales, y

Griffiths, A. J. F. et al. (2000): An introduction to Genetic Analysis, W. H. Freeman. Marx, J. (2002): «Unraveling the causes of diabetes», Science, 296: 686-689. Santos, J. y Fernández-Piqueras, J. (2002): «Tumor modifier genes», Revista de Oncología. Strachan, T. y Read, A. P. (1999): «Human Molecular Genetics 2», Bios. Sci., Pub. Ltd. Strohman, R. (2002): «Maneuvering in the complex path from genotype to phenotype», Science, 296:701-703.

Capítulo

7

Patrones de Herencia Extranuclear JOSÉ FERNÁNDEZ PIQUERAS

1.

Patrones de Herencia Uniparental

2.

Fundamentos Moleculares: El Material Genético de los Orgánulos Celulares y la Segregación Citoplasmática

3.

Las Mitocondrias Humanas en las Enfermedades de origen Materno, el Envejecimiento y la Muerte Celular

4.

Plásmidos Extragenómicos

5.

Herencia Infectiva y Efetos Maternos

Lecturas Recomendadas

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1. Patrones de herencia uniparental

Los primeros cincuenta años después del redescubrimiento de las leyes de Mendel fueron un periodo muy fructífero de «extensión del mendelismo»: se descubrieron nuevos patrones de herencia diferentes a los descritos por Mendel, y se postularon nuevos mecanismos que enriquecieron el cuerpo de doctrina de la Genética. En 1909 Carl Correns describió unos sorprendentes patrones uniparentales de herencia para el carácter «variegación» en la planta Mirabilis jalapa. Había plantas realmente singulares donde la mayoría de sus hojas eran «variegadas» (con sectores verdes y blancos), pero tenían también ramas con hojas completamente blancas (ausencia de color) o uniformemente verdes. Cuando realizó cruzamientos recíprocos utilizando las flores procedentes de los tres tipos posibles de ramificaciones (varie gadas, verdes y blancas) comprobó que el fe-

notipo de la descendencia era siempre el mismo que el de la ramificación cuya flor aportaba el gametofito femenino (saco embrionario), aunque cuando se trataba de una ramificación variegada, los descendientes podían ser de cualesquiera de los tres fenotipos posibles, o incluso tan heterogéneos como la planta de partida (fig. 7.1). Es decir, se trataba de un extraño caso de herencia «uniparental» marcado siempre por el parental femenino. Estos resultados sugerían que los factores hereditarios responsables tendrían que estar en el citoplasma que era el único elemento diferencial aportado exclusivamente por el parental femenino. En la década de los cuarenta el equipo de Boris Ephrusii describió un tipo muy especial de mutaciones en las levaduras de gemación (Saccharomyces cerevisiae), llamadas «petite», con bajas tasas de crecimiento, que podían

FIG. 7.1. Patrones de herencia uniparental del carácter «variegación» en Mirabilis jalapa.

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FIG. 7.2. Mutantes «petite» en levaduras.

seguir patrones mendelianos de herencia nuclear (petite segregacionales) o de tipo uniparental (petite neutros y supresores), aunque en este caso no había ninguna diferencia apreciable entre la contribución citoplasmática de las dos cepas parentales (fig. 7.2). De manera similar Mary Mitchel caracterizó en 1952 unos mutantes en Neurospora denominados «poky», por la mayor lentitud de su crecimiento y su menor tamaño, que seguían también unos patrones de herencia uniparental marcados siempre por el parental que aportaba la mayor parte del citoplasma (fig. 7.3). En 1954 Ruth Sager encontró un nuevo caso de herencia uniparental en Chlamydomonas reinhardtii en relación con el carácter sensibilidad/resistencia a la estreptomicina. Como ya se ha mencionado en capítulos anteriores, las algas mat+ y mat- pueden generar un zigoto diploide capaz de experimentar un proceso meiótico. En este caso tampoco había una contribución citoplasmática desigual entre las dos

algas parentales, pero la progenie tenía siempre el mismo fenotipo que el parental mat+. 2. Fundamentos moleculares: el material genético de los orgánulos celulares y la segregación citoplasmática

En todos los casos mencionados los fundamentos moleculares de la herencia uniparental radican en la existencia de genes en los genomas de los cloroplastos o de las mitocondrias y, excepcionalmente, en algún plásmido extragenómico. La ausencia de mecanismos de «reparación» en los genomas extranucleares hace que la incidencia de mutaciones sea considerablemente mayor que la detectada en los genomas nucleares (aproximadamente 10 veces en el caso de las mitocondrias). Por otra parte la mayoría de las mutaciones que afectan al genoma mitocondrial producen fenotipos anormales caracterizados por deficiencias energéticas

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FIG. 7.3. Mutantes «poky» en Neurospora.

y resistencia a drogas específicas. Las mutaciones en el genoma de los cloroplastos se pueden traducir además en fenotipos carentes de color por su interferencia con la síntesis de clorofila. Los mutantes «ant», «mit» y «petite» de levaduras, los «poky» de Neurospora, y otras muchas citopatías humanas, se deben a alteraciones en los genes mitocondriales. Las mitocondrias contienen unos espacios denominados «nucleoides» que pueden albergar uno o más genomas compuestos cada uno de ellos por una cadena doble de ADN circular o cerrado. El genoma mitocondrial humano contiene 16.569 bp y fue secuenciado en su totalidad por el grupo de Anderson en 1981. Contiene 37 genes implicados en el sistema de fosforilación oxidativa, y en la síntesis de sus propias proteínas. Todos ellos carecen de «intrones» y dos de ellos (ATPasa 6 y 8) están solapados (fig. 7.4). A diferencia del genoma mitocondrial humano, que es todo un modelo de economía, el genoma mitocondrial de las levaduras alcanza las 78 kb, tiene secuencias espaciadoras sin sentido aparente, y sus genes están salpicados

de secuencias «intrónicas» que no se traducen a proteínas. Los genes implicados en la fosforilación oxidativa codifican para polipéptidos que necesitan unirse a otros codificados por los genes nucleares para constituir las proteínas funcionales multiméricas. Por tanto, se podría decir que las mitocondrias son orgánulos semiautónomos que necesitan de los genes nucleares, y han de importar sus proteínas desde el citoplasma para poder replicar su material genético y llevar a cabo el resto de sus funciones vitales. El descubrimiento de la implicación de las mitocondrias en los casos de herencia uniparental fue posible gracias a las características especiales de las levaduras, que pueden vivir sin mitocondrias mediante los procesos de fermentación anaerobia. Después se desarrollaron procedimientos capaces de inhibir la síntesis de proteínas exclusivamente en las mitocondrias (tratamientos con cloranfenicol, tetraciclina o macrólidos) o en el citoplasma (cicloheximida). Los mutantes «ant» de levaduras (resistencia a antibióticos) se deben a mutaciones en genes que codifican para los ARN ribosómicos.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

Los mutantes «mit» consisten en mutaciones puntuales en genes que codifican para polipéptidos de la cadena transportadora de electrones (por este motivo sufren un enlentecimiento en las tasas de división celular y crecen formando colonias más pequeñas). Los mutantes «petite» «segregacionales» se deben a mutaciones en genes nucleares que codifican polipéptidos que han de unirse a otros mitocondriales para formar los complejos activos de la fosforilación oxidativa, y se ajustan por ello a unos patrones mendelianos típicos de la herencia nuclear. Sin embargo los petite «neutros» y los «supresores» afectan a genes mitocondriales. Los «neutros» son «deleciones» considerables del genoma mitocondrial, y por ello al cruzarlos con las levaduras normales resulta siempre un patrón de herencia uniparental. Los petite «supresores» sufren deleciones y duplicaciones, y se produce una exclusión competitiva de las mitocondrias con genoma normal. Se han descrito también fenómenos de recombinación entre genomas normales y petite supresores que acaban por alterar a la mayoría de los genomas mitocondriales de la célula. Además, es posible que las duplicaciones que suceden a la deleción

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de parte del genoma mitocondrial multipliquen el número de orígenes de replicación de los genomas mutantes que se imponen de esta manera a los normales. Por estos motivos el cruce entre levaduras normales y petite supresores acaba produciendo una progenie esencialmente «petite» (fig. 7.2). Finalmente, los mutantes «poky» descritos por Mitchel en Neurospora se deben a una deleción de 4 bp en el gen que codifica para la subunidad pequeña del ARN ribosómico mitocondrial, y los patrones uniparentales se explican por la contribución citoplasmática desigual de los hongos parentales (fig. 7.3). Los caracteres «variegación» en Mirabilis jalapa y la «sensibilidad a la estreptomicina» en Chlamydomonas, se deben a alteraciones en los genes del genoma de los cloroplastos. Obviamente, el carácter variegación fue relacionado inmediatamente con la distribución desigual de la clorofila que era el pigmento responsable de la coloración verde de las ramas y las hojas, y por tanto con la distribución de los cloroplastos que eran los orgánulos portadores del pigmento. De este modo los patrones de herencia cuando el parental femenino era varie-

FIG. 7.4. El genoma mitocondrial humano. OH y OL, orígenes de replicación de las cadenas pesada y ligera, respectivamente. PL y PH, marcan la situación de las regiones promotoras de ambas cadenas.

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GENÉTICA

FIG. 7.5. Segregación citoplasmática.

gado, se podían explicar fácilmente por la coexistencia de cloroplastos con clorofila y sin clorofila (heteroplasmia), y la ocurrencia de fenómenos de segregación citoplasmática (distribución aleatoria de los cloroplastos de una célula madre en las dos células hijas) como los mostrados en la figura 7.5. Pero la razón última del problema radicaba en la existencia de un genoma propio en los cloroplastos que se podía «separar» del genoma nuclear mediante ultracentrifugación en gradientes autogenerados de sales pesadas. El genoma de estos orgánulos consiste también en una doble hélice de ADN circular o cerrada que ocupa unos espacios denominados nucleoides similares a los comentados en el caso de las mitocondrias. Sin embargo el genoma de un cloroplasto contiene un número mayor de genes, destacando los implicados en la propia maquinaria de síntesis de proteínas y en la fotosíntesis (fig. 7.6). El análisis de las alteraciones del genoma de los

cloroplastos se puede ver facilitado en plantas capaces de vivir saprofíticamente. La explicación de los patrones de herencia uniparental resulta obvia en el caso de la planta porque los cloroplastos son aportados exclusivamente por el parental femenino. Sin embargo en el caso de la «sensibilidad a la estreptomicina» del alga Chlamydomonas no hay una contribución citoplasmática diferencial sino una destrucción selectiva de los genomas de los cloroplastos del parental mat- en el cigoto. En todos los casos mencionados, ya sean referidos a mitocondrias o cloroplastos, habría que admitir que las mutaciones originales tuvieron que afectar inicialmente a un solo genoma, pero el número de genomas totales por orgánulo y por célula puede llegar a ser muy elevado (hasta 6.750 genomas mitocondriales dentro de una sola levadura, o 5.760 genomas de cloroplastos en una célula de la hoja de una remolacha). Por tanto la mutación original debió abrirse

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

camino entre una mayoría de genomas «normales» hasta imponerse como el genoma mayoritario o exclusivo. Es decir, deberían ser bastante frecuentes los casos de «heteroplasmia» y la observación de diferentes grados de expresividad marcados por el porcentaje de genomas mutantes. En el caso de las mitocondrias humanas, hay un «cuello de botella» después de la fecundación al producirse una reducción muy considerable del número de mitocondrias en las células germinales. Por tanto, si la situación de partida era ya «heteroplástica», este «cuello de botella», y los fenómenos de «segregación citoplasmática» que se producen durante las divisiones celulares (reparto al azar de las mitocondrias de la célula madre en las células hijas) podrían explicar una relativamente rápida imposición del genotipo mutante.

3.

Las mitocondrias humanas en las enfermedades de origen materno, el envejecimiento y la muerte celular

Las investigaciones desarrolladas en los últimos años han confirmado la implicación de las mitocondrias en los procesos de fosforilación oxidativa, en la producción de radicales libres

105

altamente reactivos derivados del oxígeno (estrés oxidativo), y la iniciación de muchos procesos apoptóticos (muerte celular programada). Por tanto, las alteraciones del genoma mitocondrial se pueden traducir en enfermedades neurodegenerativas, en el envejecimiento y en el cáncer. Las enfermedades mitocondriales se caracterizan lógicamente por sus patrones de herencia uniparental de tipo materno, ya que las mitocondrias del zigoto son aportadas casi exclusivamente por el citoplasma de los ovocitos. Las primeras enfermedades «mitocondriales» descritas fueron la Neuropatía óptica Hereditaria de Leber (LHON) (ceguera de aparición repentina que se debe a una mutación sin sentido) y un grupo de enfermedades neuromusculares provocadas por deleciones de mayor o menor tamaño en el ADN mitocondrial (Oftalmopelia Externa Progresiva, síndrome de KeransSayre, etc.). Pero la situación no es siempre sencilla: cuando se produce una mutación puntual en el gen de la ATPasa 6 que afecta a menos del 70 % de los genomas mitocondriales se produce una debilidad muscular neurogénica, ataxia y retinitis pigmentaria; pero cuando afecta a más del 95 % aparece el terrible sín-

FIG. 7.6. El genoma de los cloroplastos.

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GENÉTICA

drome de Leigh que suele ser mortal. De manera análoga, el síndrome de MELAS (una miopatía mitocondrial con ataques) se debe a una mutación en el gen del RNAt de la leucina que ha de afectar a más del 85 % de los genomas mitocondriales, pero si el porcentaje de afectación oscila entre el 5 y el 30 % se producen un tipo especial de sordera y diabetes. Con respecto a la apoptosis, se sabe que las mitocondrias contienen factores pro-apoptóticos esenciales como el citocromo C, un factor inductor (AIF) y formas latentes de caspasas (proteasas). Cuando se produce una pérdida excesiva de calcio, en situaciones de estrés oxidativo, ante una merma importante en la producción de energía, y como respuesta defensiva al desarrollo de muchos procesos neoplásicos, se puede desencadenar una respuesta apoptótica a través de un canal mitocondrial (PTPmt). Entonces el citocromo C activa las caspasas citosólicas produciéndose una degradación del citoplasma, y el factor AIF se transloca hasta el núcleo donde contribuye a la degradación de la cromatina. Finalmente, el estrés oxidativo es probablemente la causa principal de la acumulación de alteraciones en el ADN mitocondrial con la edad. El músculo esquelético de las personas se mantiene esencialmente intacto hasta los 40 años, pero a partir de los 50 se empiezan a acumular mutaciones. En el cerebro (sobre todo en los ganglios basales y en varias regiones del área cortical) es bastante común la acumulación de una deleción de 5 kb en las personas de edad avanzada. 4. Plásmidos extragenómicos

Otra forma especial de herencia «citoplasmática» es la protagonizada por los genes contenidos en algunos plásmidos extragenómicos. Además de los plásmidos bacterianos, algunos organismos eucariotas tienen también plásmidos extragenómicos repartidos por el nucleoplasma o en el interior de las mitocondrias. Uno de los casos mejor conocidos es el plásmido de 2,um de las levaduras que ha sido utilizado (como se verá más adelante) para la construcción de cromosomas «artificiales». Pero los casos de

herencia uniparental más relevantes se han encontrado en el maíz y en el hongo Neurospora. Los plásmidos lineales S1 y S2 del maíz (que están situados en las mitocondrias y pueden llegar incluso a recombinar con el genoma mitocondrial) están relacionados con la esterilidad masculina de estas plantas. Los patrones de herencia de este carácter se explican teniendo en cuenta la presencia o ausencia de estos plásmidos en el citoplasma, en combinación con la de un gen supresor en el genoma nuclear que es capaz (su alelo dominante) de «restaurar» la fertilidad masculina. En Neurospora la senescencia y la muerte rápida del hongo están controladas por un plásmido lineal de 9 kb denominado «kalilo» que causa los problemas cuando se integra en el ADN mitocondrial afectando a un gen de la subunidad grande del ARNr. 5. Herencia infectiva y efectos maternos

Todos los casos descritos hasta ahora se podrían considerar «verdaderos» ejemplos de herencia citoplasmática atribuibles a genes que están presentes de manera regular en el citoplasma, ya sea en el genoma de los orgánulos celulares o en plásmidos extragenómicos. Pero hay otros casos de aparente «herencia uniparental» que se deben a genes contenidos en organismos endosimbiontes («herencia infectiva»), o a los productos de la expresión de unos genes matemos (proteínas o ARNs) que actúan con efectos retardados en la descendencia (efectos matemos). Los casos mejor conocidos de herencia «infectiva» son los del carácter «matador» en paramecios (que se debe a la presencia de unas bacterias «kappa» productoras de paramecina en el citoplasma de los paramecios resistentes), la «sex-ratio» en Drosophila (debida a una espiroqueta endosimbionte), y la sensibilidad al CO2 también en Drosophila (que se debe al factor «sigma»). En el caso del paramecio los llamados «mutadores» o «paramecios asesinos» se caracterizan por la presencia de las bacterias «kappa» en el citoplasma de paramecios que tienen un gen nuclear dominante (KK o Kk), mientras que los «sensibles» tienen una consti-

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FIG. 7.7. Herencia infectiva en los paramecios.

tución nuclear homocigótica recesiva (kk) y no soportan la presencia de estas bacterias en su citoplasma (fig. 7.7). Finalmente el ejemplo paradigmático de los «efectos maternos» es sin duda la herencia del «sentido del enrollamiento de la concha» en el caracol Limnaea peregra. En este caso el fenotipo de cualquier caracol viene determina-

do siempre por la constitución genética de la madre (fig. 7.8). Pero éste no es el único ejemplo, los «efectos maternos» serán considerados de nuevo en los capítulos de Genética del Desarrollo donde se verá que las primeras decisiones durante el desarrollo de algunos embriones, como el de Drosophila, se toman con los productos de expresión de los genes maternos

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GENÉTICA

FIG. 7.8. Efectos maternos en el caracol Limnaea peregra.

antes de reiniciarse la síntesis de proteínas propias, y en el capítulo dedicado a los mecanismos de regulación de tipo «epigenético». Lecturas recomendadas

Anderson, S. et al. (1981): «Sequence and organization of the human mitochondrial genome», Nature, 290: 457-465.

Griffiths, A. J. F. et al. (2000): An introduction toGenetic analysis (5.a ed.), Freeman. Klug, W. S. y Cummings, M. R. (2001): Essentials of Genetics (4.a ed.), Prentice Hall. Strachan, T. y Read, A. P. (1999): «Human molecular genetics, 2», BIOS. Tamarin, R. H. (2001): Principles of Genetics (7.aed.), Brown Pub. Wallace, D. G. (1999): «Mitochondrial diseases in man and mouse», Science, 283: 1.482-1.488.

Capítulo

8

Ligamento y Recombinación JOSÉ FERNÁNDEZ PIQUERAS

1.

Los Fenómenos del Ligamento y la Recobinación genética

2.

Mapas de Ligamento

3.

Mapas de Tres Puntos: Interferencia y Coincidencia

4.

Ligamento Absoluto

5.

Mapa de Ligamento en la Especie Humana

Lecturas Recomendadas

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GENÉTICA

1. Los fenómenos del ligamiento y la recombinación genética

Casi recién redescubiertas las leyes de Mendel, Bateson y Punnet comprobaron que los patrones de herencia de dos caracteres del guisante (P/p: color púrpura o rojo de la flor y L/1: granos de polen alargados o redondeados) se apartaban significativamente de las proporciones mendelianas esperables para la F2 (9:3:3:1), pero con la particularidad de que los cuatro genotipos posibles se repartían en dos clases fenotípicas, y las plantas con fenotipos púrpura-alargados y rojo-redondeado eran mucho más frecuentes que las plantas con fenotipos rojo-alargado y púrpura-redondeado. Pensaron que, por causas desconocidas, las plantas F1 deberían producir más gametos P/L y p/I de lo esperado, posiblemente por la existencia de algún tipo de «acoplamiento físico» entre los alelos dominantes y recesivos de ambos loci, y de algún tipo de «repulsión» entre los otros alelos. Por primera vez se hablaba de gametos en «acoplamiento» y en «repulsión» (fig. 8.1). Años después Morgan y Sturtevan confirmaron la hipótesis de Bateson y Punnet en Drosophila. El equipo de Morgan encontró un caso similar con los patrones de herencia de los caracteres color de los ojos púrpura/rojos (pr/pr+) y alas normales/vestigiales (res;+/vg). Al realizar cruzamientos prueba entre hembras dihíbridas de la Fl con machos homocigóticos recesivos obtuvieron unas proporciones que se apartaban significativamente de las 1:1:1:1 esperadas. De nuevo las combinaciones génicas parentales aparecían con mayor frecuencia que las no parentales, pero además, las dos combinaciones parentales y las dos no parentales se presentaban en proporciones similares. Si cambiaban los fenotipos parentales, las clases fenotípicas predominantes seguían siendo las parentales aunque ahora con un fenotipo diferente al del cruce anterior (fig. 8.2). En vista de estos resultados Morgan sugirió que los caracteres que presentaban estos patrones de herencia se debían a genes localizados en el mismo par cromosómico, es decir, estaban

unidos «físicamente» en la misma estructura cromosómica y, por tanto, tendían a transmitirse juntos para formar los gametos. Sin embargo, los cromosomas homólogos tendrían que experimentar algún tipo de «intercambio físico» durante la meiosis (intercambio que denominó «crossing-over» o «entrecruzamiento») para explicar las clases fenotípicas menos frecuentes. El análisis de los cromosomas (en Drosophila y otros organismos animales y vegetales) durante la meiosis permitió descubrir los puntos posibles de intercambio físico como unas estructuras en formas de aspa que se denominaron «quiasmas». Por tanto los quiasmas serían la expresión citológica del «entrecruzamiento». Finalmente se acuñó el término «ligamiento» para referirse al fenómeno mediante el cual las combinaciones alélicas parentales, que están presentes en el mismo par cromosómico (haplotipos parentales), tienden a transmitirse inalteradas a la descendencia. Por otro lado, la «recombina

Fig. 8.1. La hipótesis del acoplamiento físico y la re pulsión de Bateson y Punnet en el guisante de olor. Acoplamiento: combinaciones ale alelos dominantes (PL r pl); repulsión: combinaciones de un alelo dominante y otro recesivo (Pl y PL)

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 8.2. Morgan y Sturtevan confirmaron la hipótesis de Bateson y Punnet en Drosophila. Se favorecen siempre las combinaciones alélicas parentales (haplotipos parentales).

ción genética» sería el proceso que, sucediendo durante la meiosis, explicaría la formación de productos gaméticos haploides diferentes a los que existen en las células precursoras de la meiosis (parentales). De acuerdo con esta definición, y en un sentido amplio, el fenómeno de la recombinación se podría producir simplemente por la distribución independiente de los dos caracteres (fig. 8.3). Pero en un sentido estricto, la recombinación genética sucedería durante la meiosis mediante el «entrecruzamiento» entre genes ligados (fig. 8.4). La relación entre «quiasmas» (observables citológicamente), «intercambios físicos» y «recombinación genética» (detectada por los marcadores genéticos) pudo ser establecida en organismos con parejas cromosómicas heterólogas portadoras de al menos dos loci con variantes alélicas fácilmente distinguibles. Este

fue el caso del experimento de CreightonMcClintock desarrollado en una variedad de maíz con una pareja de cromosomas claramente diferenciables al microscopio. Uno de ellos tenía un bloque terminal de heterocromatina (Knob) y era de mayor tamaño que su pareja como consecuencia de la adición de un segmento translocado. Entre el «Knob» y el segmento translocado localizaron dos loci con dos alternativas alélicas cada uno (C/c = grano coloreado/incoloro; y Wx/wx = aspecto céreo o amiláceo). Cuando cruzaron una planta de maíz con esos cromosomas «heterólogos» y heterocigótica para ambos caracteres con otro con cromosomas homólogos indiferenciables y heterocigótico para el gen wx, los descendientes que habían intercambiado los marcadores genéticos parentales (recombinantes genéticos) habían experimentado también el inter-

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GENÉTICA

FIG. 8.3. Recombinación genética por distribución independiente.

cambio físico consiguiente entre sus cromosomas, como se podía demostrar mediante su análisis al microscopio (fig. 8.5).

2. Mapas de ligamiento

La existencia de los fenómenos de ligamiento y recombinación inspiraron a Sturtevant (discípulo de Morgan) para idear un sistema de cartografiado genético donde los genes ligados se ordenaban según la frecuencia de recombinación. Si, como parecía, el fenómeno de recombinación sucedía con igual probabilidad a lo largo de todos los cromosomas, la recombinación sería tanto más frecuente cuanto más alejados estuviesen los genes (fig. 8.6), y la frecuencia de recombinación se podría considerar como una medida de la «distancia gené

tica» existente entre dos loci. La unidad de mapa (u.m.) se definió como la distancia entre dos loci cuando uno de cada 100 productos meióticos fuese recombinante, y fue denominada «centiMorgan» (cM) (FR = 1 % = 1 u.m. = 1 cM). Con este criterio Sturtevant realizó el primer mapa genético de Drosophila ordenando seis genes ligados en el cromosoma X. En la figura 8.7 se muestra, a modo de ejemplo, el cálculo de la distancia genética entre dos loci ligados implicados en la coloración de los ojos y en el tamaño de las alas de Drosophila. Las prácticas de cartografiado se extendieron rápidamente a otros materiales de interés básico y/o aplicado, y surgieron los primeros mapas genéticos del maíz, del tomate, etc. El criterio desarrollado por Sturtevant sigue siendo ampliamente utilizado como una primera aproximación para ordenar el material genéti-

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 8.4. Recombinación genética por « entrecruzamiento» durante la meiosis.

co de los organismos. Más adelante, se comprenderá aún más la importancia de disponer de un mapa ordenado de marcadores polimórficos sobre el que apoyarse para la elaboración de los mapas físicos, y poder finalmente secuenciar los genomas (Proyectos Genoma). No obstante hoy día se sabe que la frecuencia de recombinación puede variar de unas regiones cromosómicas a otras (debido en parte a la existencia de regiones heterocromáticas); que la frecuencia de intercambios físicos depende de la longitud de los complejos sinaptonémicos (al menos en mamíferos); y que pueden existir diferencias notables entre la frecuencia de recombinación entre los diferentes sexos (por ejemplo, en la especie humana). Como se indica en la figura 8.8, la frecuencia máxima de recombinación que se podría detectar entre dos loci ligados es tan sólo

del 50 % (distribución independiente). Cuando no hay «entrecruzamientos» durante la meiosis, ninguno de los cuatro productos meióticos es recombinante (FR = 0), pero cuando hay «entrecruzamientos» la frecuencia máxima de gametos recombinantes es del 50 % con independencia del número de «entrecruzamientos» que se produzcan entre dos loci. Por tanto la elaboración de un mapa genético ha de hacerse necesariamente sumando las distancias parciales estimadas entre marcadores cercanos. De esta forma la longitud genética de cualquier cromosoma estará siempre muy por encima de ese valor. Una vez establecido el criterio para la elaboración de los mapas genéticos de ligamiento, el problema fundamental radica en la disponibilidad de suficientes marcadores genéticos

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GENÉTICA

FIG. 8.5. Experimento de Creighton y McClintock para demostrar que los quiasmas son la expresión citológica de la recombinación genética.

FIG. 8.6. Fundamentos del cartografiado mediante análisis de ligamiento: al aumentarla distancia entre a y b, aumenta el número de meiosis con entrecruzamiento entre ambos loci.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 8.7. Cálculo de la frecuencia de recombinación en Drosophila: FR = 900/2.441 X 100 = 36,8 % = 36 cM.

polimórficos distribuidos a lo largo de todos los cromosomas de un complemento. Pero la desconexión existente entre el número de intercambios físicos reales y la frecuencia de recombinación (detectada por los marcadores genéticos) hace necesario definir una función de mapa para corregir las diferencias. La distribución de los diferentes tipos de meiosis (con 0,1,2, etc., intercambios físicos entre dos loci) se asemeja a una distribución de Poisson, con la siguiente fórmula general: F(i) = e m • m`li! De esta forma, la frecuencia de meiosis sin «entrecruzamientos» sería F(0) = e m • m°/0! = e", y el resto de las meiosis (con uno o más «entrecruzamientos») sería: 1 - F(0) = 1 - e—. Finalmente, la frecuencia de recombinación sería FR ='/z (1 - e"`), porque cuando hay meiosis con «entrecruzamientos» sólo la mitad de los gametos acaban siendo recombinantes. Por tanto habría que utilizar esta «función de mapa» para que, conocida la FR genética, se pueda despejar el valor de m y establecer una distancia genética más precisa.

En la figura 8.9 se recoge una representación gráfica de los diferentes tipos de meiosis (según el número de intercambios entre dos loci), y la «función de mapa» necesaria para la corrección de las distancias genéticas. 3. Mapas de tres puntos: interferencia y coincidencia

Cuando se consideran tres loci simultáneamente los «entrecruzamientos» pueden suceder entre los dos primeros (recombinantes l), entre los dos segundos (recombinantes II) o en ambos sitios a la vez (recombinantes dobles o RD) (fig. 8.10). Al tratarse de sucesos independientes, la frecuencia de recombinantes dobles tendría que ser igual al producto de las frecuencias de los dos tipos de recombinantes sencillos. Sin embargo, normalmente la frecuencia de recombinantes dobles observados es menor que la esperada. Este fenóme-

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GENÉTICA

FIG. 8.8. La FR máxima entre genes ligados es del 50 % aunque los genes estén ligados.

no se conoce con el nombre de «interferencia» (I), y se calcula como I = 1 - (frecuencia de RD observados/frecuencia de RD esperados) = 1 - C (coeficiente de coincidencia). La «interferencia» suele ser casi siempre positiva, y se podría interpretar admitiendo que la ocurrencia de un entrecruzamiento impide o dificulta de alguna manera que suceda otro en su proximidad. 4. Ligamiento absoluto

Se ha comentado que la frecuencia de recombinación puede variar de unas regiones cromosómicas a otras (por las diferencias exis-

tentes en la organización de la cromatina), que es proporcional a la longitud del complejo sinaptonémico, y que depende (por tanto) del grado de homología existente entre los genomas que se aparean durante la meiosis. Sin embargo hay casos verdaderamente singulares de «ligamiento absoluto» que se caracterizan por la ausencia total de recombinación. El caso mejor conocido es el de los machos de Drosophila, donde los resultados de los cruzamientos recíprocos demuestran que sólo hay recombinación en las hembras. Las evidencias citológicas demuestran que los machos de Drosophila son «aquiasmáticos», es decir, no se observa la

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

FIG. 8.9.

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Función de mapa para ajustarla frecuencia de recombinación observada al número real de intercambios f sicos.

formación de ningún «quiasma» entre los cromosomas homólogos durante la meiosis. También se han descrito otros casos de ligamiento absoluto en las hembras del gusano de seda (Bombix mor¡). Finalmente, hay algunos ejemplos de «ligamiento absoluto de carácter regional» en las regiones «diferenciales» de los cromosomas sexuales heterólogos. Recuérdese el caso paradigmático de los cromosomas X e Y humanos que sólo tienen dos regiones pequeñas (sobre todo una) de homología.

5. Mapa de ligamiento en la especie humana

La elaboración del mapa genético de la especie humana contaba desde el principio con dos grandes hándicaps: la disponibilidad de pocos marcadores polimórficos y el tamaño reducido de los núcleos familiares. El primer problema se fue resolviendo poco a poco con la incorporación de nuevas técnicas y metodologías, de modo que a los polimorfismos iniciales basados

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GENÉTICA

Fig. 8.10. Mapas de tres puntos. En este caso «b» es el marcador central; y las distancias genéticas entre los loci son: a-b = 1,56 cM y b-c = 4,06 cM.

en la observación del fenotipo externo de los organismos, siguieron los basados en el análisis de las proteínas y, finalmente, los polimorfismos de ADN (basados en el análisis comparativo de las secuencias de ADN (fig. 8.11), que se detectan mediante las técnicas que se describen en los capítulos dedicados a la «Tecnología del ADN Recombinante». En cualquier caso, la utilidad de cualquier tipo de polimorfismo depende de su grado de «informatividad», es decir, del grado de variabilidad que presente en las poblaciones naturales. La «informatividad» se podría estimar a través del «índice de heterocigosidad» (porcentaje de organismos heterocigóticos), pero sería más adecuado hacerlo a partir del parámetro estadístico PIC («índice de polimorfismo»), puesto que este índice recoge todas las variantes alélicas posibles distinguiendo los organismos heterocigotos que tengan combinaciones alélicas diferentes

El segundo problema se resolvió con el cálculo del valor «lod» (del inglés «log of the odds») introducido por Haldane y Smith en 1947, y mejorado después por Morton en 1955. El valor « lod» (Z) representa el logaritmo del cociente entre la probabilidad de una secuencia de nacimientos suponiendo que los dos marcadores genéticos estén ligados (utilizando diferentes frecuencias de recombinación o valores 9), y la probabilidad de que no estén ligados. En el ejemplo de la figura 8.12 se considera una pequeña genealogía o familia nuclear con individuos pertenecientes a tres generaciones (I, II y III). Los individuos cuyos símbolos aparecen en negro padecen una enfermedad autosómica dominante debida a la presencia del alelo «E». Además todos los individuos han sido analizados para determinar las variantes alélicas de un marcador genético de tipo microsatélite del cromosoma 1 humano denominado A. Si los loci de ambos marcadores estuviesen ligados la frecuencia de recombinación (9) sería de 1/8 (es decir 12,5 cM o u.M.) o

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 8.11. Evolución histórica de los polimorfismos de ADN.

0,125 (en tanto por uno), puesto que sólo hay un recombinante entre los 8 individuos informativos de la generación III (1114). En este caso la probabilidad de que aparezca un descendiente no recombinante sería (1 - 0,125)/2 = 0,4375, y la probabilidad de que surja un individuo recombinante como el 1114 sería 0,125/2 = 0,0625 (en ambos casos se divide por dos porque tanto los recombinantes como las combinaciones parentales constituyen siempre parejas recíprocas). Por tanto el valor Z se calcularía como el logaritmo de la probabilidad de la secuencia de nacimientos suponiendo que hay ligamiento y una fracción de recombinación de 0,125, partido por la probabilidad de la secuencia de nacimientos suponiendo que no hay ligamiento (los cálculos se indican en la fig. 8.12). Después se repetirían los mismos cálculos su

poniendo distintos valores de 9 hasta deducir el valor máximo que sería el más fiable. Los valores de «lod» por encima de 3 (probabilidad de ligamiento mil veces superior al supuesto contrario) equivalen a una probabilidad del 0,05 que es el umbral aceptado normalmente en este tipo de análisis. Por otro lado, los valores iguales o inferiores a -2 serían considerados como negativos (planteamientos descartables). En el ejemplo de la figura 8.12 el valor de «lod» más alto (1,099) indica la posible existencia de ligamiento con una fracción de recombinación de 0,125, pero al ser inferior a 3 no se puede aceptar definitivamente esta posibilidad. La solución sería analizar esta misma pareja de marcadores en otros núcleos familiares y determinar la probabilidad conjunta de ligamiento. Como se trata de sucesos independientes, la probabi-

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GENÉTICA

FIG. 8.12. Cálculo del valor «lod» para la estimación de ligamiento en la especie humana.

lidad conjunta sería el producto de las probabilidades individuales, pero puesto que el valor «lod» es de naturaleza logarítmica en realidad se irían sumando los resultados hasta conseguir significación estadística. Lógicamente la realización de todos estos cálculos puede llegar a ser extraordinariamente complicada conforme se añaden nuevos grupos familiares y, sobre todo, cuando aparecen individuos «no informativos», es decir, individuos donde no es posible establecer con claridad la ubicación cromosómica (fase) de los alelos de ambos marcadores. En estos casos el cálculo manual ha de sustituirse por el empleo de un paquete estadístico, como el Linkage, que contiene los programas adecuados para solventar estos problemas (LINKMAP). Finalmente el problema de las diferencias existentes entre la frecuencia de recombinación en el genoma de los hombres y el de las mujeres, obliga a presentar dos mapas de ligamiento por separado o a promediar los datos obtenidos en ambos sexos.

Lecturas recomendadas

Creighton, H. B. y McClintock, B. (1931): «A correlation of cytological and genetical crossing-over in Zea mays», Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 17:492-497. Griffiths et al. (2000): An introduction to genetic analysis (7.8 ed.), Freeman. Morgan, T. H. (1919): The Physical Basis of Heredity, Lippincott, Filadelfia. Morton, N. E. (1955): «Sequential test for the detection of linkage», Am. J. Hum. Genet., 7: 277-318. O'Brien, S. J. et al. (1984): Genetic maps, Cold Spring Harbor Laboratory Press. Ott, J. (1991): Analysis of Human Genetic Linkage, John Hopkins University Press. Strachan, T. y Read, P. (1999): «Human Molecular genetics, 2», Bios. Sturtevant, A. H. (1913): «The linear arrangement of six sex-linked factors in Drosophila, as shown by their mode of association», J. Exp. Zool., 14: 43-59. White, R. et al. (1985): «Construction of linkage maps with DNA markers for human chromosomes», Nature, 313: 101-104.

Capítulo

9

Técnicas Especiales de Cartografiado en Cromosomas Eucarióticos JOSÉ FERNÁNDEZ PIQUERAS

1.

Análisis de Productos Meióticos Individuales

2.

Cálculo de Distancias Genéticas Mediante Análisis de Tétradas

3.

Segregación y Recombinación Somáticas

4.

Cartografiado Mediante Hibridación Celular Somática

Lecturas Recomendadas

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GENÉTICA

1. Análisis de productos meióticos individuales

A diferencia de lo comentado en el capítulo anterior existen algunos casos excepcionales donde los cuatro productos de cada meiosis permanecen juntos agrupados en «tétradas». Se trata de algas, como Chlamydomonas, levaduras como Saccharomyces cerevisiae, y hongos como Aspergillus nidulans, aunque en este último caso los productos de la meiosis sufren una división mitótica con posterioridad generando un «octete». En todos estos ejemplos los productos meióticos (ascosporas) se agrupan «desordenadamente» dentro de las aseas, pero se pueden encontrar también algunos casos de «tétradas ordenadas», como en el hongo Neurospora crassa, donde la posición de las •ascosporas (que aquí son también ocho) dentro del asca refleja los acontecimientos acaecidos

durante la meiosis (fig. 9.1). Esta circunstancia tan especial, junto al carácter haploide y las altas tasas reproductivas hacen que estos organismos constituyan un material excepcional para los estudios de ligamiento/recombinación y la elaboración de mapas genéticos. Su naturaleza haploide evita las dificultades debidas a las interacciones entre los alelos de un mismo loci, y obvia la necesidad de discernir entre los procesos meióticos de los dos parentales. Por otro lado, la identificación de los productos recombinantes y no recombinantes no hay que hacerla necesariamente a través del análisis de cruzamientos, puesto que (en muchos casos) se puede inferir la constitución genética de las ascosporas a través de la observación de su fenotipo externo. Finalmente, el cálculo de las distancias genéticas se puede realizar directamen-

FIG. 9.1. Análisis de productos meióticos individuales: tipos de tétradas u octetos.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

te mediante el recuento de los diferentes tipos de tétradas.

2. Cálculo de distancias genéticas mediante análisis de tétradas

El análisis de las «tétradas ordenadas» permite deducir con facilidad los patrones de segregación de un marcador genético durante la meiosis. En la figura 9.2 se recoge el ejemplo teórico de una tétrada ordenada y lineal (que podría corresponder a Neurospora crassa) procedente de un cruce entre dos parentales con diferencias fenotípicas atribuibles a dos alelos (A y a) del mismo gen. Cuando las cuatro ascosporas superiores presentan fenotipos indicativos de la presencia del alelo A, y las cuatro inferiores fenotipos correspondientes al alelo a se puede in

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terpretar que la segregación tuvo lugar en la primera división meiótica (tétrada de tipo M-I), sin que haya habido recombinación entre el locus y el centrómero. Por el contrario, en la figura 9.3 la disposición de las ascosporas se aparta de la proporción 4:4 anterior. Ahora se trata de una distribución alternante 2:2:2:2 que sólo se puede explicar si los alelos segregaron en la segunda división meiótica (tétradas de tipo M-II) como consecuencia de un fenómeno de «entrecruzamiento» entre el locus y el centrómero. Por tanto la distancia genética entre un locus y el centrómero se puede calcular fácilmente mediante el cociente entre el número de astas recombinantes (M-II) dividido por dos y el número total de astas (M-I + M-II). La razón para dividir por la mitad el número de aseas M-II estriba en el hecho de que cada fenómeno de «entrecruzamiento» afecta sólo a dos de las cuatro cro-

FIC. 9.2. Segregación en la primera división meiótica. Tétradas de tipo M-I.

124

GENÉTICA

FIG. 9.3. Segregación

en la segunda división meiótica. Tétradas de tipo M-II.

máticas, y por tanto sólo cuatro de las ocho ascosporas contienen en realidad material genético recombinado. Como se puede ver se trata de un procedimiento muy sencillo donde el análisis de los productos meióticos se hace directamente mediante el recuento del número de ascas de los dos tipos. La determinación de la distancia genética existente entre dos loci cualesquiera (A y B), se puede ver beneficiada igualmente por la singularidad de este tipo de organismos. En la figura 9.4 se presenta el esquema de las cuatro cromátidas que integran un bivalente meiótico, y seis tipos diferentes de meiosis. En la meiosis de la parte superior izquierda no hay «entrecruzamiento» y, por tanto, resultan cuatro productos meióticos (o ascosporas) iguales dos a dos y a sus parentales: por ello el asca se denomina «ditipo parental» (DP). Como ya se explicó en

el capítulo anterior, los intercambios físicos reales no se traducen siempre en el intercambio de los marcadores flanqueantes (recombinación genética) y, como prueba de ello, la meiosis central de la izquierda ha sufrido dos «entrecruzamientos» consecutivos que afectan a las dos cromátidas interiores pero no hay intercambio de los marcadores genéticos (vuelve a producirse un ditipo parental). En todas las demás meiosis hay diferentes tipos de combinaciones de «entrecruzamientos» que pueden generar «ditipos no-parentales» (cuando los cuatro productos son recombinantes, iguales dos a dos y diferentes de los parentales), y «tetratipos» (cuando los cuatro productos meiosis son diferentes entre sí: uno de cada tipo parental y los dos recombinates recíprocos). Por tanto la distancia genética entre los loci a y b se puede calcular como la suma de la mitad de tetratipos

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

125

FIG. 9.4. Distancia entre dos loci mediante análisis de tétradas.

y todos los ditipos no-parentales dividida por el número total de tétradas. En cualquier caso estos cálculos representan siempre una infraestimación de la frecuencia real de intercambios físicos y debería ser corregida mediante una función de mapa. 3. Segregación y recombinación somáticas

Los fenómenos de segregación y recombinación han aparecido hasta ahora ligados a la meiosis, pero pueden suceder también, aunque con menos frecuencia, durante las divisiones celulares o mitóticas. Si se considera una pareja de cromosomas homólogos como los de la figura 9.5, y un locus ocupado, alternativamen-

te, por los alelos A o a, lo normal sería que después de la mitosis resultasen dos células hijas idénticas a la célula madre, sin que se haya producido la segregación de esas variantes alélicas. Sin embargo, ocasionalmente se pueden producir fenómenos de no-disyunción como los mencionados en capítulos anteriores para demostrar que los genes estaban en los cromosomas. En este caso los dos alelos a podrían quedar en una de las células hijas produciéndose un fenómeno de «segregación mitótica». De igual modo, la eliminación de un cromosoma durante la meiosis podría provocar también la ausencia de este alelo en una de las dos células hijas. Cuando estos fenómenos se producen durante el desarrollo de los organismos se generan fenotipos «variegados» (porque coexisten sectores de tejidos somáticos con diferentes

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GENÉTICA

FIG. 9.5. 1) Mitosis normal; 2) segregación somática mediante no-disyunción, y 3) eliminación cromosómica.

fenotipos), o «mosaicos», es decir organismos compuestos por tejidos o sectores con dos o más genotipos diferentes que podrían reconocerse por las diferencias fenotípicas que producen. El término «quimera» suele aplicarse para designar al organismo que resulta de la fusión o intercambio de células diferentes. Por ejemplo la fusión de células embrionarias procedentes de diferentes zigotos generaría una quimera. En cambio los casos de mosaicismo se producen durante el desarrollo de un organismo que se originó a partir de un solo zigoto. El mosaicismo se puede producir también por mutación somática y por «recombinación somática». El origen del mosaicismo por una causa mutacional puede resultar obvio, pero la implicación de la «recombinación somática» fue toda una sorpresa descubierta gracias a los trabajos de Stern en Drosophila y Pontecorvo en Aspergillus. En el caso de Drosophila el descubrimiento vino al intentar explicar la existencia de sectores del cuerpo con fenotipos

diferentes al esperado. Las observaciones se realizaron en moscas di-heterocigóticas para dos marcadores: singed, donde el alelo mutante (sn) era recesivo y determinante de quetas cortas y curvas, y yellow (amarillo) donde el alelo mutante era igualmente recesivo y determinante de coloración amarilla del cuerpo. Ambos loci estaban ligados al cromosoma X, y los datos disponibles sobre el mapa genético de este cromosoma indicaban que la distancia genética entre sn e y era más pequeña que la existente entre sn y el centrómero. La mayoría de las hembras di-heterocigóticas que se obtenían al cruzar hembras XX (sn/sn; +/+) con machos XY (+; y) tenían un fenotipo externo «salvaje», pero algunas presentaban sectores «amarillos», sectores con quetas cortas y curvas, o sectores «gemelos» (con los dos tipos anteriores adyacentes). Curiosamente los sectores más frecuentes eran los «gemelos» seguidos de los «amarillos» y finalmente los de quetas cortas y curvas (que eran los menos frecuentes).

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

Estos resultados no podían explicarse mediante mutación somática durante el desarrollo, porque la mutación sucede con una frecuencia extraordinariamente baja, y sería altamente improbable que se produjeran dos mutaciones distintas ocurriendo simultáneamente en dos células adyacentes para explicar los «sectores gemelos». Además estaba el hecho de la distribución de las frecuencias de los diferentes tipos de sectores. Sin embargo, los resultados podían explicarse si se admitía la ocurrencia de recombinación mitótica (fig. 9.6). Si fuese así, la recombinación tendría que suceder con mayor frecuencia entre el locus sn y el centrómero (por la mayor distancia genética), y esto concordaría con la mayor frecuencia de los sectores gemelos. Por el contrario, el evento menos frecuente tendría que ser la aparición de dobles recombinantes, y esto coincidiría también con la menor frecuencia de los sectores con quetas cortas y romas. La coincidencia de las

127

observaciones reales y del supuesto teórico de la recombinación somática hizo que finalmente se aceptara la validez de la hipótesis. Desde entonces, la recombinación mitótica ha sido aprovechada para la elaboración de mapas genéticos, y su inducción mediante tratamiento de los embriones de Drosophila con radiaciones ionizantes ha resultado crucial para el esclarecimiento de los procesos de desarrollo en este organismo. Con respecto a los hongos, Pontecorvo fue el primer investigador que descubrió la existencia de recombinación mitótica en Aspergillus nidulans, definiendo los «sistemas parasexuales» como aquellos capaces de experimentar procesos de recombinación somática. Hoy se podría decir que todos los sistemas genéticos son en mayor o menor medida «parasexuales». Los hongos como Aspergillus ofrecen extraordinarias ventajas para el análisis genético.

Fig. 9.6. Recombinación mitótica en Drosophila.

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GENÉTICA

La fusión entre dos hifas haploides parentales conduce primero a la inclusión de los dos tipos de núcleos en un mismo citoplasma (heterocarion), y después a la fusión de los núcleos (sincarion). Tras una serie de divisiones mitóticas posteriores se acaban generando «sectores diploides» de los que se desprenden «conidias diploides». Finalmente, estas conidias germinan y producen «hifas diploides estables» reconocibles por su mayor tamaño, o con el uso de marcadores genéticos adecuados. Así, por ejemplo, las variantes de color se deben normalmente a diferentes alelos de uno o dos pares génicos, cuyas combinaciones generan gamas intermedias de color al interrumpirse en diferentes etapas la secuencia de las reacciones químicas que determinan el color verde oscuro (fenotipo «salvaje»). Otros marcadores de gran utilidad son los llamados mutantes «auxotróficos», caracterizados por su incapacidad para vivir en medios mínimos de cultivo que no estén suplementados con el metabolito que no pueden sintetizar. A pesar de su estabilidad las hifas diploides pueden experimentar fenómenos de «haploidización» mediante eliminación cromosómica. La demostración de que este tipo de hongos podían experimentar procesos de recombinación mitótica partió de una observación similar a la comentada en Drosophila. Sobre un «césped» (cultivo en placa) de fenotipo salvaje (verde oscuro) integrado por hifas diploides diheterocigóticas para los marcadores de color w (blanco) e y (amarillo), se observó la aparición de sectores amarillos y/o blancos (con una frecuencia reducida), y el análisis de estos sectores (atendiendo al tamaño de las hifas y con el uso de algunos mutantes auxotróficos dependientes de prolina, adenina, paraaminobenzoico, etc.) demostró que los sectores excepcionales podían estar ocupados tanto por hifas haploides como diploides (fig. 9.7). La existencia de hifas amarillas o blancas «haploides» podía deberse a los fenómenos aludidos de «haploidización», pero ¿cómo explicar las hifas excepcionales diploides? Utilizando la misma línea argumental que antes, la única posibilidad era admitir que hubieran sucedido fenómenos de «recombinación

somática». En el ejemplo de la figura 9.7 se muestra la existencia de los dos loci en diferentes cromosomas homólogos, y la aparición de sectores con hifas diploides de color amarillo como consecuencia de la recombinación entre los loci pro y paba. 4. Cartografiado mediante hibridación celular somática

Los «cultivos primarios» de las células de un mamífero se caracterizan por su crecimiento en una sola capa (inhibición por contacto) y por la capacidad limitada de sus células para dividirse antes de llegar a un estado de senescencia. Este tipo de células pueden ser «inmortalizadas» (normalmente mediante tratamientos virales) consiguiéndose así «líneas celulares» de crecimiento indefinido. Aunque las células en cultivo mantienen su «individualidad», se pueden producir fusiones celulares de forma espontánea o con mayor frecuencia si realizan tratamientos con polietilenglicol o con virus Senda¡. Las células humanas y las de un roedor pueden experimentar este tipo de fusiones y, de manera análoga a lo mencionado en los hongos, cada fusión genera en principio un heterocarion y después un sincarion (fusión de los núcleos humano y de roedor). Pero a partir de este momento se produce un fenómeno de eliminación selectiva de la mayoría de los genes humanos permaneciendo intactos los del roedor. Es decir, se podrían obtener colonias híbridas estables con uno o pocos cromosomas humanos además de los cromosomas del roedor (fig. 9.8). Una vez conseguidas unas tasas altas de fusión el objetivo primordial sería la selección de las células híbridas, y esto se puede conseguir mediante la utilización de células humanas y de roedor con deficiencias genéticas complementarias y un medio selectivo. Las células humanas podrían ser fibroblastos capaces de sintetizar timidina quinasa (TK+) pero deficientes en hipoxantina-fosfo-ribosil-transferasa (HPRT-), y las células del roedor podrían ser fibroblastos de ratón capaces de sintetizar HPRT pero no TK. La síntesis de las bases nucleotídicas tiene

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 9.7. Recombinación mitótica en Aspergillus.

una ruta principal a partir de un azúcar y aminoácidos, que puede ser bloqueada selectivamente con Aminopterina (o metotrexato), y una ruta de emergencia a partir de bases preexistentes y nucleósidos donde la HPRT catalizaría el paso de hipoxantina a purinas, y la TK el paso de timina a pirimidinas. En estas condiciones el medio HAT (H, de hipoxantina; A, de aminopterina; y T de timina) bloquearía la ruta principal de síntesis de nucleótidos (por la aminopterina) de modo que sólo podrían crecer las células híbridas al ser las únicas que tienen la capacidad de sintetizar las dos enzimas. Con el sistema G418 el criterio de selección se basa en la utilización del antibiótico neomicina, porque sólo serían resistentes los híbridos que contuviesen un segmento cromosómico humano que lleva incorporado un gen de resistencia a la neomicina (neoR). La disponibilidad de baterías completas de este tipo de colonias (híbridos somáticos) es

de gran utilidad para las labores de cartografiado del genoma humano, porque permite asignar genes humanos (detectados mediante el análisis directo del genoma de la célula híbrida, o identificando los productos de su expresión) a un cromosoma o fragmento cromosómico humano (resuelto mediante análisis citogenético), resolviendo un pequeño puzzle. Es decir, se pueden hacer «mapas de sintenias» (entendiendo por genes sinténicos los presentes en el mismo cromosoma o hebra de ADN). En el caso de la figura 9.8 el gen a debería estar en el cromosoma 2 humano. Esta forma de asignar genes a cromosomas específicos se puede completar con la aplicación de las «técnicas de hibridación in situ» que se describieron en el capítulo dedicado a la Organización de los cromosomas. Pero con los híbridos somáticos se puede conocer el cromosoma donde está el gen, y se dispone del

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GENÉTICA

FIG. 9.8. Cartografiado mediante hibridación celular somática.

ADN y las proteínas necesarias para realizar análisis adicionales. Los «híbridos somáticos» mencionados contienen cromosomas humanos completos, pero se pueden obtener otros derivados que contengan fragmentos cromosómicos específicos. Los procedimientos más utilizados para ello son la «transferencia de fragmentos cromosómicos» y la obtención de «híbridos de radiación». La transferencia de fragmentos parte de la fragmentación artificial de los cromosomas en fibroblastos humanos, que son después purificados y transferidos a fibroblastos de ratón donde se integran de manera estable en sus cromosomas. En el caso de los híbridos de radiación, las células donadoras humanas se someten a dosis letales de radiación rompiendo sus cromosomas en fragmentos de tamaños proporcionales a las dosis de radiación. Las células irradiadas se fusionan después con las del roedor y los fragmentos humanos se integran de manera estable en los cromosomas del ratón. Más allá de su aplicación en la elaboración

de mapas genéticos, los híbridos somáticos han tenido otras provechosas utilizaciones. Así, usando células tumorales (inmortales) procedentes, por ejemplo, de un mieloma de ratón, y células humanas de linfocitos especializados en la producción de un determinado anticuerpo, se pueden conseguir líneas celulares híbridas inmortales (llamadas «hibridomas») capaces de producir indefinidamente anticuerpos monoclonales. César Milstein fue galardonado, por este y otros hallazgos, con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en el año 1984.

Lecturas recomendadas

Griffiths et al. (2000): An introduction to genetic analysis (7.a ed.), Freeman. Gyapay, G. et al. (1996): «A radiation hybrid map of the human genome», Hum. Mot. Genet., 5: 339-346.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

Littlefield, J. W. (1964): «Selection of hybrids from matings of fibroblasts in vitro and their presumend recombinants», Science, 145: 709-710. Ruddle, F. H. y Hucherlapati, R. S. (1974): «Hybrid cells and human cells», Sci. Amer.

131

Julio, 36-44. Stern, C. (1936): «Somatic crossing over and segregation in Drosophila melanogaster», Genetics, 21: 625-730. Strachan, T. y Read, P. (1999): «Human Molecular genetics, 2», Bios.

Capítulo

10

Transferencia de Genes en Bacterias y Bacteriófagos Francisco Javier Santos Hernández

1.

Conjugación Bacteriana 1.1. El Factor de Fertilidad Episómico F 1.2. Cartografía por Apareamiento Interrumpido 1.3. Factores F Portadores de Genes Bacterianos: Sexducción

2.

Transformación Bacteriana

3.

Transducción

Lecturas Recomendadas

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GENÉTICA

Las bacterias son organismos procarióticos y por lo tanto no sufren meiosis. Sin embargo, este tipo de organismos tienen mecanismos alternativos que permiten la recombinación de su material genético. La recombinación genética en bacterias es un proceso no recíproco de integración de ADN exógeno en el genoma de la bacteria receptora. Puede ocurrir mediante diferentes mecanismos: la conjugación, la transformación y la transducción. En la conjugación, una célula bacteriana transfiere fragmentos de ADN a otra mediante contacto directo entre las células. Una bacteria puede tomar, también, un fragmento de ADN presente en el medio externo e incorporarlo a su propio genoma (transformación). Por último, ciertos bacter¡ófagos pueden tomar un fragmento de ADN de una bacteria e incorporarlo a otra célula bacteriana cuando ésta sea infectada por el mencionado fago (transducción). 1. Conjugación bacteriana

En 1946, Lederberg y Tatum descubrieron por primera vez un proceso «parasexual» en bacterias consistente en la unión de estirpes bacterianas diferenciadas «sexualmente» y la transferencia de material genético entre ellas. Estos investigadores fueron galardonados en 1958, por sus descubrimientos relacionados con la recombinación genética y la organización del material genético en las bacterias, con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina. Lederberg y Tatum analizaron dos estirpes bacterianas de E. coli que mostraban diferentes requerimientos nutritivos. Una de las estirpes utilizadas necesitaba un medio suplementado con metionina y biotina (met , bio) para crecer (mutante auxotrófico), mientras que la otra estirpe auxotrófica requería leucina y treonina (]en-, thr-). En su experimento, Lederberg y Tatum sembraron bacterias en placas que contenían medio mínimo sin suplementar. Hicieron tres tipos de siembras: placas con bacterias de cada una de las estirpes por separado y placas con una mezcla de las dos estirpes (fig. 10.1). Sólo aparecieron colonias en las placas donde se sembraron ambas estirpes conjuntamente, con una frecuencia 1 x 10-' células sembradas.

Puesto que en medio mínimo sólo podían crecer estirpes que no necesitaban ningún tipo de requerimiento nutritivo (prototróficas) (fenotipo salvaje), esta observación sugería que debía haber ocurrido algún tipo de recombinación entre los genomas de las dos estirpes bacterianas. No obstante, existía la posibilidad de que ambas estirpes bacterianas no intercambiaran genes sino que liberaran sustancias al medio que las otras pudieran absorber y utilizarlas, por tanto, para crecer. Davis (1950) descartó esta posibilidad realizando un experimento basado en el diseño de un tubo en U en el que los dos brazos están separados por un filtro con un tamaño de poro pequeño, el cual no permitía el paso de bacterias pero lo suficientemente grande para permitir el paso de sustancias en suspensión (fig. 10.2). Colocó cada una de las estirpes en extremos diferentes del tubo (relleno con medio mínimo de cultivo). Después de incubarlas analizó el contenido de cada brazo del tubo para ver si recuperaba colonias y no encontró ninguna. Se demostraba, por tanto, que el contacto físico entre las dos estirpes era imprescindible para que se obtuvieran colonias salvajes.

1.1. EL FACTOR DE FERTILIDAD EP/SOMICO F

La transferencia de material no es recíproca, ya que una célula actúa como donadora y la otra como receptora, siendo las primeras portadoras de un factor de fertilidad episómico F que se transmitía con independencia del genoma bacteriano (Hayes, 1953). Para demostrar esto, Hayes realizó experimentos similares a los desarrollados por Lederberg y Tatum, con la diferencia de que él trató, justo antes de la mezcla, cada una de las dos estirpes con estreptomicina que impide la división celular y, por tanto, mata a las células, aunque permite que el apareamiento continúe por un cierto periodo de tiempo. Cuando se trataba con estreptomicina la estirpe receptora no se recuperaban ningún tipo de colonias recombinantes, mientras que éstas aparecían cuando la estirpe tratada era la donadora.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

135

FIG. 10.1. Demostración de la recombinación genética en bacterias.

Las células portadoras del plásmido F se denominan F', mientras que las que carecen de él reciben el nombre de F-. Las células de E. coli están normalmente cubiertas por fimbrias (pelos). Las células F' tienen, además, de dos a tres pelos sexuales (pili) que les permiten adherirse a las células F- y facilitar el proceso de conjugación. Cuando se produce la conjugación, el ADN del plásmido F se replica y la molécula circular recién sintetizada se transfiere a la célula receptora, quedando siempre una copia del factor F en la célula donadora (fig. 10.3). El plásmido F contiene ocasionalmente en su genoma una o más secuencias de inserción (IS) (un tipo de elementos móviles procarióticos). La existencia de elementos IS tanto en el plásmido F como en el cromosoma principal es de una gran relevancia biológica puesto que proporciona lugares específicos en los cuales se puede producir recombinación homóloga, pudiendo llevar a la integración del plásmido F en el cromosoma bacteriano.

El descubrimiento de una estirpe donadora especial, que producía mayor número de recombinantes y que Cavalli-Sforza (1950) denominó Hfr (alta frecuencia de recombinación) permitió conocer el mecanismo íntimo del proceso de recombinación bacteriana. Las estirpes Hfr se originan a partir de un clon de células en las que ha ocurrido una integración específica del factor F en el cromosoma bacteriano (fig. 10.4). Una característica que diferencia a los dos tipos de células, donadoras, F+ y Hfr, es que entre las células resultantes de un cruzamiento F+ x F- una gran proporción de las células receptoras se convierten en F+. Sin embargo, en los cruzamientos Hfr x F- prácticamente ninguna de las células receptoras se convertía en F+ o Hfr. Esto era debido a que sólo rara vez se transfiere el factor F completo.

136

GENÉTICA

FIG. 10.2. Experimento del tubo en U. 1.2.

CARTOGRAFÍA POR APAREAMIENTO INTERRUMPIDO

Los experimentos de apareamiento interrumpido (Wollman y Jacob, 1958) entre cepas Hfr y cepas F- demostraron que el cromosoma bacteriano era circular (confirmado en 1963 por Cairns) y se transfería de un modo lineal, comenzando por un punto de origen específico. Este tipo de técnica consiste básicamente en mezclar en una batidora una estirpe Hfr y otra F`. Transcurrido un cierto periodo de tiempo se conecta la batidora separando las células que se encuentran conjugando, interrumpiendo el apareamiento y la correspondiente transferencia de genes. A continuación se procede a la determinación del genotipo de las células F. Esto se consigue, en primer lugar, seleccionando una estirpe Hfr sensible y una estirpe F` resistente a un determinado antibiótico seleccionando y rea-

lizando, posteriormente, una réplica en placa en un medio que contiene dicho antibiótico. En los experimentos de Jacob y Wollman se utilizaron una cepa Hfr sensible a la estreptomicina (strs), pero resistente a la azida (azir), a la infección por el bacteriófago T1 (tonAr) y prototrófica para la leucina (leu+), la galactosa (galB+) y la lactosa (lac+), y una estirpe F- resistente a la estreptomicina (strs) sensible a la azida (azis), a la infección por el bacteriófago Tl (tonAs) y auxotrófica para la leucina (leu-), la galactosa (ga1B-) y la lactosa (lac-). Transcurrido un espacio de tiempo que variaba entre 0 y 60 minutos desde el inicio de la conjugación las células se sembraron en un medio con estreptomicina para eliminar las células Hfr. Las células supervivientes se sembraron en un medio mínimo con leucina para seleccionar las colonias recombinantes F-.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 10.3. Propiedades del plásmido F.

Posteriormente, mediante réplica en placa y utilizando medios de cultivo específicos se cartografiaron los alelos azi, tonA, lac y galB. Los resultados obtenidos a partir de estos experimentos indicaban una entrada secuencial en las células F- de los genes procedentes de la estirpe Hfr (fig. 10.5). Las unidades de mapa en este caso son los minutos. Mediante el uso de diferentes cepas Hfr que contenían el factor F integrado en diferentes sitios del cromosoma bacteriano se demostró su circularidad. 1.3. FACTORES F PORTADORES DE GENES BACTERIANOS: SEXDUCCIÓN

En 1959, Adelberg y Burns encontraron un tercer tipo de cepa donadora, con características intermedias entre las F+ y las Hfr. Estas estirpes se denominaron sfa (afines por el factor sexual) y se originan cuando el factor de fertilidad se escinde incorrectamente del cromosoma

bacteriano dejando parte del factor de fertilidad en el mismo y llevándose consigo genes presentes en el cromosoma bacteriano. Este nuevo factor F se denomina F` y confiere a las células bacterianas portadoras características interesantes. En primer lugar, las estirpes F` transfieren genes con una frecuencia muy alta aunque no se trate de estirpes Hfr. Esto es debido a que durante la conjugación la frecuencia de transferencia del factor F (F' en este caso) es muy alta. En segundo lugar la tasa de integración espontánea del factor F' es mucho mayor y a diferencia del factor F se suele integrar en el lugar que ocupa en la estirpe Hfr. La existencia de una región de homología entre el factor F` y el cromosoma principal de la célula receptora parece ser la razón de esta integración específica. Cuando un factor F` se transfiere mediante conjugación a una célula receptora F-, las células que reciben dicho plásmido son merocigo-

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GENÉTICA

FIG. 10.4. Transferencia de genes mediada por el plásmido F.

tos (diploides parciales) que contienen un genoma bacteriano completo y fragmento concreto contenido en el factor F´. El proceso por el cual se originan estos merocigotos se define como sexducción o F´-ducción (fig. 10.4). Aunque no demasiado utilizada, la sexducción constituye una herramienta más que el investigador puede usar para cartografiar genes en bacterias, cuyo fundamento, al ser similar al de la transducción, se estudiará más adelante cuando hablemos de dicho fenómeno. La sexducción permite también el estudio de la interacción entre alelos (relaciones de dominancia) en un organismo normalmente haploide.

2. Transformación bacteriana

La conversión de un genotipo en otro por la

introducción de un ADN exógeno se denomina transformación. Este proceso lo describió por primera vez Griffith en 1928 y fue utilizado en 1944 por Avery, MacLeod y McCarty para demostrar que el «principio transformante» es el ADN. Durante el proceso de transformación un ADN exógeno es integrado físicamente en el cromosoma bacteriano receptor por un proceso de rotura e inserción. Para que este ADN extracelular se pueda transformar debe tener doble cadena y ser relativamente grande. La célula susceptible de ser transformada debe ser por su parte competente, esto es, debe tener en su superficie proteínas que se unan específicamente al ADN exógeno. Cuando el ADN extracelular entra dentro de la célula competente, una de sus dos cadenas es hidrolizada y la restante puede ser incorporada por recombinación al genoma de la célula huésped. El procedimiento básico del cartografiado de genes por transformación comienza con la

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

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FIG. 10.5. Cartografía por apareamiento interrumpido.

selección de dos estirpes bacterianas, una de las cuales lleva mutaciones en dos loci. Por ejemplo, la estirpe A podría ser auxotrófica para los genes que cifran los aminoácidos leucina y treonina (leu- , thr- ). Por su parte, la estirpe B podría llevar los correspondientes alelos salvajes (leu+, thr+). Se aísla el ADN de la estirpe A y se añade a un medio de cultivo con la estirpe B en condiciones que favorezcan la transformación (adición de cloruro cálcico). Transcurrido el tiempo necesario para que se haya llevado a cabo la transformación, se analiza el fenotipo de las células transformadas. Para ello, se eliminan primero las células no transformadas creciéndolas en un medio mínimo que contenga un determinado antibiótico (por ejemplo estreptomicina). Los mutantes auxotróficos no crecerán y sobrevivirán. Las células supervivientes se pueden sembrar en un medio completo y mediante réplica en placas con medio carente de leucina y/o treonina se puede de-

terminar el fenotipo de cada célula transformada (fig. 10.6) A diferencia de la cartografía en eucariotas, la distancia entre dos loci se estima a partir de la frecuencia de recombinantes de aquellas células que fueron transformadas en al menos uno de los loci. En ambos casos, sin embargo, la probabilidad de entrecruzamiento entre dos loci será mayor cuanto mayor sea la distancia entre ellos. 3. Transducción

El fenómeno de la transducción fue descubierto por Zinder y Lederberg (1952) en Salmonella y consiste en la transferencia de material genético entre dos bacterias por medio de un bacteriófago (un virus que infecta a una bacteria). Esto puede suceder porque antes de la lisis bacteriana, cuando el material genético del fago está siendo empaquetado, puede incorporarse de manera errónea ADN bacteriano dentro de la cubierta del fago (fig. 10.7). De esta

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GENÉTICA

Fig. 10.6. Estrategia para aislar transformantes bacterianos.

Fig. 10.7. Mecanismo de la transducción.

FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS GENÉTICO

manera en una infección posterior se pueden transferir genes bacterianos a otra bacteria. Existen dos formas de transducción: generalizada y especializada. En la primera, puede transducirse cualquier parte del cromosoma de la bacteria donadora. En la segunda, sólo se pueden translucir regiones concretas del cromosoma donador. Los bacteriófagos P1 y P22 son fagos de transducción generalizada, mientras que el fago A constituye un ejemplo representativo de fago de transducción especializada. La transducción generalizada puede utilizarse para el cartografiado de genes bacterianos si éstos están lo suficientemente cercanos para que el fago pueda incorporarlos y transducirlos en un único fragmento (cotransducción). Así, por ejemplo, la cotransducción con el fago P1 ocurre cuando los genes de E. coli están separados por una distancia de mapa inferior a los 1,5 minutos. En este tipo de cartografía y a diferencia de las unidades de mapa basadas en las frecuencias de recombinación, cuanto mayor es la frecuencia de cotransducción más cercanos están los dos loci considerados y menor es la distancia entre ellos en el mapa de ligamiento.

141

Lecturas recomendadas

Adelberg, E. A. y Burns, S. N. (1959): «A variant sex factor in Escherichia coli», Genetics, 44: 497. Cavalli-Sforza, L. L. (1950): «La sessullita nei batteri», Boll. Ist. Sieroter. Milano, 29: 281. Davis, B. D. (1950): «Non-filterability of the agents of genetic recombination in E. coli», J. Bacteriol., 60: 507. Griffiths, A. J. F. et al. (2000): An introduction to Genetic Analysis, W. H. Freeman. Jacob, F. y Adelberg, E. A. (1959): « Transfert de charactères génétiques par incorporation au facteur sexuel d'Escherichia coli», Compt. Rend. Acad. Sci., 249: 189-191. Hayes, W. (1953): «The mechanism of genetic recombination in E. coli», Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol., 18: 75. Lederberg, J. y Tatum, E. L. (1946): «Novel genotypes in mixed cultures of biochemical mutants of bacteria», Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol., 11: 113-114. Tamarin, R. H. (1996): Principios de Genética, Editorial Reverté, S.A. Wollman, E. L. y Jacob, F. (1958): «Sur le processus de conjugation et de recombinaison chez E. coli. V. Le méchanisme du transfer de matériel génétique» , Ann. Inst. Pasteur, 95: 641.

Capítulo

11

Replicación del Material Genético Francisco Javier Santos Hernández

1.

Demostración del Modelo Semiconservativo

2.

Origen Único, Bidireccional y Carácter Semidiscontinuo

3.

Características Diferenciales de la Replicación del Material Genético en Eucariotas

4.

Telómeros y Replicación 4.1. El Problema de la Replicación Terminal y el Acortamiento de los Telómeros 4.2. La Telomerasa y el Mantenimiento Telomérico 4.3. Alteraciones de la Actividad Telomerasa

5.

Replicación del Material Genético en Organismos Celulares

Lecturas Recomendadas

146

GENÉTICA

Uno de los requerimientos básicos del material genético es su capacidad de autoperpetuarse. El modelo de la doble hélice del ADN, propuesto por Watson y Crick (1953), llevaba ya implícito un mecanismo para explicar un modelo de replicación del material genético, según el cual las dos cadenas se separarían y cada una de ellas serviría de molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria. De este modo, al final del proceso de replicación se obtendrían dos dobles hélices compuestas cada una de ellas por una cadena parental y otra de nueva síntesis: modelo semiconservativo. Pero ésta no era la única manera por la que podría producirse la replicación del ADN y consecuentemente se propusieron dos modelos alternativos: conservativo y dispersivo. Según el modelo conservativo después de la replicación del ADN obtendríamos dos tipos de doble hélice diferentes, una formada totalmente por cadenas de ADN de nueva síntesis y otra por ADN de origen paren tal; en el modelo dispersivo las moléculas de

ADN hijas contendrían tanto segmentos de ADN parental como de nueva síntesis. 1. Demostración del modelo

semiconservative

En 1958 Meselson y Stahl crecieron bacterias de la cepa B de E. coli durante varias generaciones en un medio que contenía un isótopo pesado del nitrógeno, 15N. Al extraer el ADN determinaron su densidad mediante la técnica de centrifugación en gradientes de cloruro de cesio (ADN pesado). A continuación pasaron el cultivo a un medio con 14N y fueron tomando muestras a intervalos regulares, extrayendo su ADN y midiendo su densidad (fig. 11.1). En la primera generación aparecía un ADN de densidad uniforme y menor a la del ADN inicial. En la segunda generación aparecían en proporciones equivalen

FIG. 11.1. Experimento de Meselson y Stahl demostrativo del carácter semiconservativo de la replicación del ADN en procariotas.

GENÉTICA MOLECULAR

tes dos tipos de ADN, uno con esta nueva densidad y otro con la densidad de un ADN marcado con "N (ADN ligero). En la tercera generación el 75 % del ADN era ligero y el 25 % mostraba una densidad intermedia. Aumentando el número de generaciones se obtenía un incremento progresivo del ADN ligero y una disminución del ADN de densidad intermedia. Estos resultados sólo resultaban congruentes con un modelo de replicación del ADN semiconservativo. Unos resultados similares fueron obtenidos por Taylor (1958) trabajando con cromosomas obtenidos de células de raíces de judías y utilizando técnicas citológicas. Las células de la raíz se sumergieron en una solución que contenía timidina tritiada (el nucleótido timidina marcado con tritio [H3], un isótopo radiactivo del hidrógeno). Dejó que las células llevaran a cabo la mitosis en esta solución para permitir la incorporación de la timidina radiactiva. Las lavó y las transfirió a una nueva solución que contenía timidina no radiactiva. Por último, añadió colchicina para detener las células en metafase y obtener los cromosomas metafásicos. Los resultados obtenidos del análisis autorradiográfico durante la primera división en ausencia de timidina-[H3] o durante la división mitótica siguiente se interpretaban de acuerdo a un modelo semiconservativo.

2. Origen único, bidireccionalidad y carácter semidiscontinuo

Una predicción del modelo de replicación del ADN de Watson y Crick es que debe encontrarse una horquilla en la molécula de ADN que se está replicando. Cairns en 1963 puso a prueba esta predicción permitiendo que el ADN en replicación de E. coli incorporara timidina[H3] durante dos generaciones sucesivas. Tras un ciclo de replicación extrajo el ADN de una alícuota de células de E. coli, lo puso en un portaobjetos y lo autorradiografió, para su observación posterior al microscopio electrónico. La interpretación de esta autorradiografía reveló por un lado que el ADN de E. coli era circular (Cairns, 1963), algo que ya se sospechaba en aquel momento ( Jacob y Woll-

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man, 1958), y por otro que el ADN se replica manteniendo la integridad del círculo. Durante el segundo ciclo de replicación, se pudieron observar las horquillas postuladas por el modelo Watson y Crick o estructuras θ (por su parecido con la letra griega θ ). Además la doble densidad de las marcadas radiactivas en uno de los lados de la horquilla de replicación corroboraba el modelo semiconservativo de replicación del ADN (fig. 11.2a). En algunos casos la timidina-[H3] no se incorporó a los cultivos bacterianos hasta que la replicación del ADN ya había empezado. En estos casos, la marca radiactiva apareció después de que la estructura ya había empezado a formarse. Mediante el recuento de granos de plata en las autorradiografías, Cairns dedujo que la replicación progresa de un modo bidireccional a partir de un origen de replicación (Ori C) fijo (fig. 11.2b). El Ori C de E. coli tiene una longitud de 245 pb y comprende una serie de repeticiones casi idénticas de una secuencia de 13 nucleótidos, además de cuatro sitios de unión para una proteína, la dnaA, que juega un papel importante en el proceso de desenrollamiento de la doble hélice de ADN. El análisis de diferentes tipos de mutantes replicativos permitió que en 1956, Kornberg y colaboradores identificaran y aislaran en E. coli una enzima llamada ADN polimerasa (denominada después ADN pol I), que era capaz de catalizar la síntesis de ADN in vitro. Más tarde se pudo comprobar que la polimerasa fundamental era la ADN pol III, y que la I jugaba un papel importante en la síntesis reparativa. Una consecuencia importante de estos estudios fue la demostración de que la síntesis del ADN transcurría siempre en dirección 5' 3' a partir de un origen único de replicación. Este hecho, junto al antiparalelismo de la doble hélice de ADN, suponía un obstáculo para explicar la hipótesis semiconservativa del ADN, pues ello implicaría una dirección de síntesis 3' 5' en la cadena complementaria. Esta objeción dejó de serlo cuando Okazaki y colaboradores (1968) demostraron que la síntesis de las dos cadenas de la doble hélice del ADN no se realizaba de una manera continua y sincrónica. Según estos autores, una de

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FIG. 11.2a. Demostración autorradiográfica del carácter semiconservativo de la replicación y de la circularidad del cromosoma de E. coli.

FIG. 11.2b. Demostración autorradiográfica del carácter bidireccional de la replicación en E. coli.

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las dos cadenas de doble hélice, la que crece en dirección 5' 3' a partir del origen de replicación (hélice conductora o leading strand), se replica de manera continua. Sin embargo, la síntesis de la cadena complementaria, la que crece en 3' 5', era discontinua y en dirección 5' 3' (hélice retrasada o lagging strand) mediante segmentos cortos (fragmentos de Okazaki) que se unían entre sí por la acción enzimática de las ligasas (modelo semidiscontinuo de replicación del ADN). La discontinuidad en la síntesis de la cadena retrasada surge como consecuencia de que su dirección de síntesis es opuesta a la de la horquilla de replicación. Aunque la síntesis propiamente dicha del ADN se lleva a cabo por las ADN polimerasas, hay otra actividad polimerasa realizada por las primasas (ARN polimerasas dependientes de ADN), que sintetizan pequeños fragmentos ce-

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badores de ARN necesarios para que se puedan formar los fragmentos de Okazaki. Existen además otras proteínas que juegan un papel importante en la replicación del ADN como son las ligasas que unen fragmentos de ADN de nueva síntesis, y las proteínas desenrollantes y estabilizantes (helicasas, girasas y proteínas SSB) que facilitan el desenrollamiento de la doble hélice. Este aparato proteico complejo, encargado de llevar a cabo la replicación del ADN, recibe el nombre de replisoma (fig. 11.3). Además del modelo general de replicación por bifurcación, se han propuesto otros modelos, como el del círculo rodante propuesto por Gilbert y Dressler (1969) para explicar la replicación del genoma de algunos fagos tales como T4, P22, λ ) y Φ x 174.

FIG. 11..3. Proteínas implicadas en el mecanismo de replicación del ADN.

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GENÉTICA

3. Características diferenciales de la replicación del material genético en eucariotas

A pesar de que muchos detalles de la replicación del ADN son similares en procariotas y eucariotas existen notables diferencias. La razón hay que buscarla en el hecho de que las células eucarióticas deben resolver el problema de la replicación coordinada de más de un cromosoma y duplicar la estructura compleja del propio cromosoma. En las células eucarióticas, la replicación del ADN está confinada a una parte del ciclo celular (éste será estudiado más en detalle en el capítulo 29 cuando se hable del control genético del ciclo de división celular). Dentro del ciclo celular podemos distinguir dos grandes periodos, interfase y mitosis (periodo de división celular). La síntesis del ADN tiene lugar en el periodo de interfase en lo que se conoce como fase S del ciclo celular. Una de las cuestiones más importantes que se plantean a la hora de entender el proceso de la replicación del ADN en eucariotas es cómo pasa la maquinaria enzimática de la replicación a través de los nucleosomas. Éstos no parecen abandonar el ADN durante el proceso de la replicación, pero podrían desmontarse in situ. Existe todavía cierta controversia sobre la forma de disponerse los nucleosomas «viejos» y «nuevos» sobre las dos moléculas hijas del ADN. La mayoría de las pruebas favorecen un modelo dispersivo, según el cual cada molécula de ADN hija lleva asociados tanto nucleosomas «viejos» como «nuevos». En organismos eucarióticos, la replicación del ADN tiene, al igual que en procariotas, un carácter bidireccional y semiconservativo, pero a diferencia de las bacterias la replicación progresa desde muchos orígenes de replicación, dando lugar a múltiples unidades de replicación o replicones. El número de replicones en los eucariotas varía desde cerca de 500 en levaduras hasta unos 60.000 en una célula diploide de mamífero. Los orígenes de replicación múltiples permiten a los eucariotas replicar sus grandes cantidades de ADN en un tiempo relativamente corto, incluso aunque la replicación del ADN eucariótico sea considerablemente más lenta por la presencia de las proteínas histónicas

asociadas al ADN para formar la cromatina. Experimentos recientes en levaduras indican la existencia de aproximadamente 400 orígenes de replicación distribuidos entre los diferentes cromosomas. En organismos eucarióticos existen al menos cinco ADN polimerasas, α , β , γ , δ y ε . De éstas γ , δ y ε parecen tener actividad exonucleásica. Las ADN polimerasas a y d ejercen en el núcleo un papel equivalente al de la ADN polimerasa III procariótica en la replicación del ADN (la a dirige la síntesis de la cadena retrasada, y la d la síntesis de la adelantada). La ADN polimerasa β está implicada en la síntesis nucleotídica asociada a los procesos de reparación del ADN (como la ADN polimerasa I de procariotas). En cuanto a la ADN polimerasa γ se encuentra en las mitocondrias y parece estar implicada en la replicación del ADN mitocondrial. No está claro el papel de laADNpolimerasa -, aunque parece capaz de regular tanto la replicación de la cadena adelantada como de la retrasada.

4. Telómeros y replicación

Los estudios realizados por Müller (1938) trabajando con estirpes de Drosophila tratadas con rayos X y por Barbara McClintock en el maíz (1941) permiten concluir que los telómeros juegan un papel muy importante en la estabilidad cromosómica y viabilidad celular, ya que aquellos cromosomas que han perdido sus telómeros son susceptibles de sufrir reordenaciones cromosómicas. Recientemente, se ha demostrado que los telómeros que contienen secuencias mutadas o que tienen un tamaño reducido favorecen notablemente la inestabilidad cromosómica. Los telómeros juegan, además, un papel importante como reguladores de la expresión genética. Esto es debido a que la cromatina telomérica, transcripcionalmente inactiva, ejerce un efecto de posición silenciando los genes localizados en las proximidades de los telómeros. Consecuentemente, el acortamiento activa la expresión de estos genes.

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4.1.

EL PROBLEMA DE LA REPLICACIÓN TERMINAL Y EL ACORTAMIENTO DE LOS TELOMEROS

En la cadena adelantada, la adición de nucleótidos puede extenderse siempre hasta el extremo telomérico, ya que la reacción viene «cebada» desde atrás. Sin embargo, la cadena retrasada alcanza un punto cerca del extremo a partir del cual el cebador de ARN no puede operar, quedando un tramo sin sintetizar (fig. 11.4a). Cada vez que una célula eucariótica se divide se pierden secuencias teloméricas de los extremos debido a que las ADN polimerasas son incapaces de sintetizar ADN en ausencia de

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un cebador. Como consecuencia, la replicación del material genético en organismos eucarióticos sería incompleta si no existiera un mecanismo compensatorio.

4.2.

LA TELOMERASA Y EL MANTENIMIENTO TELOMÉRICO

En organismos eucarióticos, la telomerasa es la enzima encargada de llevar cabo la replicación de los extremos teloméricos sintetizando secuencias TTAGGG y añadiéndolas al sa

FIG. 11.4a. El problema de la replicación de los extremos teloméricos.

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FIG. 1 1.4b. La telomerasa añade repeticiones teloméricas al saliente G a partir de la secuencia molde de su componente ARN.

liente G del telómero (fig. 11.4b). Es, por tanto, responsable del mantenimiento de los telómeros. La telomerasa es un complejo ribonucleoproteico formado por una subunidad catalítica de naturaleza proteica, que recibe el nombre de Tert (del inglés «Telomerase reverse transcriptase»), y una molécula de ARN, denominada Terc (del inglés «Telomerase RNA component»), que cataliza la síntesis de secuencias teloméricas de novo en los extremos 3' de los telómeros, compensando de esta manera la pérdida de secuencias nucleotídicas que ocurre en las cadenas retrasadas. El componente de ARN de esta enzima es esencial para su funcionamiento, ya que contiene una secuencia nucleotídica complementaria que sirve de molde para la síntesis de las secuencias TTAGGG. En la especie humana, los niveles de actividad telomerasa son altos en los tejidos de la línea germinal y en los tejidos fetales, decayendo notablemente a los pocos meses del nacimiento en la mayoría de los tejidos somáticos. No obstante, los tejidos del individuo adulto que tienen poblaciones celulares con un alto índice de recambio, tales como las capas basales de la piel y el intestino, centros germinales del bazo y

subpoblaciones del tejido linfático hematopoyético muestran niveles bajos pero detectables de actividad telomerasa. Los estudios de ratones deficientes para la actividad telomerasa han demostrado que dicha actividad es esencial para los tejidos con alto índice de proliferación. Parece claro, por tanto, que la actividad telomerasa y la estabilización de la longitud de los telómeros son dos hechos que van estrechamente ligados en las células de tejidos con alto índice proliferativo.

4.3. ALTERACIONES DE LA ACTIVIDAD TE LOMERASA

El mantenimiento de los telómeros es un requisito necesario para sostener la tasa de división y la segregación cromosómica correcta de las células de los tejidos con alto índice de proliferación. Por tanto, cualquier alteración en los niveles de actividad de la telomerasa produciría una disfunción de los mencionados procesos que contribuiría al desarrollo de pato-

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logias asociadas tanto con el desarrollo tumoral como con procesos relacionados con el envejecimiento y la senescencia celular. En las fases tardías del desarrollo tumoral parece existir un aumento significativo de la actividad telomerasa que podría ser necesario para el crecimiento celular al impedir la muerte de las células cancerosas. En contraposición, el nivel de actividad telomerasa en algunos tumores puede ser insuficiente para evitar que se produzca una disfunción de los telómeros, favoreciendo la inestabilidad cromosómica y la acumulación de todo tipo de mutaciones, tales como pérdida de genes supresores, aparición de alteraciones cromosómicas estructurales y/o numéricas, etc. Existen, por otro lado, una serie de enfermedades humanas, caracterizadas todas ellas por alteraciones en genes de reparación, que exhiben un acortamiento telomérico muy acusado. Estos pacientes desarrollan una sintomatología similar al proceso de envejecimiento además de presentar una alta predisposición a padecer cáncer. Recientemente se han aportado pruebas concluyentes sobre la implicación de la telomerasa y el acortamiento telomérico en pacientes con disqueratoris congénita ligada al X (DKC) que sufren de envejecimiento prematuro. Mutaciones en el gen DKC que codifica para la disquerina, la cual juega un papel importante en los niveles de acumulación de Terc, producen una deficiencia en los niveles de telomerasa. 5.

Replicación del material genético en organismos celulares

Las mitocondrias y cloroplastos tienen sus propias moléculas de ADN circular y, como consecuencia, se replican por un mecanismo ligeramente diferente del descrito para el ADN nuclear. El origen de replicación está en un punto distinto en cada una de las dos cadenas molde parentales. La replicación empieza en una cadena, desplazando a la otra mientras se va formando un lazo de desplazamiento o estructura lazo D. La replicación continúa hasta que el proceso sobrepasa el origen de replicación de la otra cadena. Entonces se inicia la re-

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plicación de la segunda cadena, en sentido opuesto. Algunas especies tienen cloroplastos y mitocondrias con ADN circulares en los que se forman múltiples lazos D.

Lecturas recomendadas

Autexier, C. y Greider, C. W. (1996): «Telomerase and cancer: revisiting the telomerase hypothesis», Trends Biochem., 21: 387-391.

Griffiths, A. J. F. et al. (2000): An introduction to Genetic Analysis, W. H. Freeman. Cairns, J. (1963a): «The chromosome of Escherichia coli>>, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 28: 43-45. - (1963b): «The bacterial chromosome and its

manner of replication as seen by autorradiography» , J. Mol. Biol., 6: 208-213. Gilbert, W. y Dressler, D. (1968): «DNA replication: the rolling circle model», Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 33: 473.

Greider, C. W. (1996): «Telomere length regulation», Ann. Rev. Biochem., 65: 337-365. Kornberg, A., Lehman, I. R., Bessman, M. J. y Simms, E. S. (1956): «Enzymatic synthesis of deoxyribonucleic acid», Biochem. Biophys. Acta, 21: 197-198.

Meselson, M. y Stahl, F. W. (1958): «The replication od DNA in Escherichia coli», Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 44: 671-682.

Okazaki, R.; Okazaki, T.; Sakabe, K.; Sugimoto, K.; Kainuma, R.; Sugino, R. y Zwatsuki, N. (1968): «higiénico») pero además se encontraban otras dos clases fenotípicas: abejas capaces de abrir las celdillas, pero que no limpiaban, y abejas que limpiaban celdillas que previamente hubieran sido destapadas, siendo ellas incapaces de abrirlas. La existencia de esas cuatro clases fenotípicas en proporciones equivalentes se explicaba con un modelo de herencia en el que intervenían dos genes, uno que controlaba la apertura de las celdillas (U: no abrir > u: abrir) y otro que ejercía su acción sobre la limpieza de las celdillas (R: no limpiar > r: limpiar). Como puede observarse, para ambas parcelas de esta pauta de comportamiento los alelos «no higiénicos» son los dominantes y, de ahí, la homogeneidad en la F1. También en bacterias flageladas se han aislado y caracterizado los genes controladores del comportamiento quimiotáctico, mediante este procedimiento. Se trata de un escaso número de genes, cuyos productos proteicos reciben las señales del exterior celular, generando las respuestas de movimientos flagelares diferentes a través de cascadas de fosforilaciones proteicas, que componen un sistema de transducción de señal hasta la base del flagelo. Las bacterias flageladas presentan dos tipos de movimientos quimiotácticos: las marchas y los tumbos. En el primer caso se trata de movimientos suaves generados por rotación flagelar en sentido contrario a las agujas del reloj, que originan la propulsión de la bacteria en una dirección determinada. Los tumbos, por el contrario, son movimientos de menor duración que se producen por movimientos flagelares en

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Fig. 32.5. Cruzamientos que explican el modo de herencia del comportamiento «higiénico» en las abejas.

el sentido de las agujas del reloj, lo que origina un cambio brusco en la dirección del movimiento bacteriano. En presencia de una sustancia atrayente para la bacteria el movimiento predominante es la marcha (hacia la sustancia) mientras que ante una sustancia repelente (o simplemente en ausencia de gradientes químicos de sustancias atrayentes) predominan los tumbos y la bacteria presenta movimientos más anárquicos. Como se resume en la figura 32.6, se ha demostrado que en presencia de una sustancia repelente se origina una cascada de fosforilaciones, iniciada a partir de un cambio conformacional en un quimiorreceptor transmembrana (por unión o separación de la molécula sensora correspondiente). El producto

del gen CheA (unido a otra proteína CheW) se encuentra interactuando con el dominio citoplasmático del quimiorreceptor. El cambio conformacional de éste desencadena la fosforilación de CheA (CheA-P) que, a su vez, provoca la fosforilación del otro elemento de la cascada de transduccion de señal (CheY) que, en su forma fosforilada, interactúa con la base del flagelo provocando su rotación en el sentido de las agujas del reloj. Para la marcha, esta cascada de fosforilaciones se invierte, se disminuye la fosforilación de CheA, lo que provoca la desfosforilación de CheY (ayudada también por la acción de la proteína CheZ) que origina la inversión del sentido de la rotación del flagelo.

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GENÉTICA

Fig. 32.6. Quimiotaxia en bacterias.

Del mismo modo, se han inducido y caracterizado numerosas mutaciones de comportamiento en el nematodo Caenorhabditis elegans, organismo extensamente utilizado en estudios genéticos, sobre todo de desarrollo, debido a su relativa simplicidad, la facilidad de inducción de mutaciones y de detección de las mismas, la existencia de hermafroditismo y la disponibilidad de cruzamientos genéticos (entre hermafroditas y machos). Además, el cuerpo del gusano es transparente con lo que se visualizan fácilmente sus estructuras, lo cual es idóneo para el seguimiento de mutaciones de muchos tipos (morfológicas, de motilidad, etc.). Desde la década de los sesenta, numerosos grupos de investigación, entre los que ha

destacado el grupo de S. Brenner, han «diseccionado» la biología de este organismo, desde los aspectos morfológicos, citológicos, genómicos, de desarrollo, etc., constituyendo en la actualidad una herramienta muy importante en diversas parcelas de la investigación genética, incluida la genética del comportamiento. El sistema nervioso de este organismo es muy sencillo y está perfectamente caracterizado con lo que es posible inducir mutaciones de comportamiento y correlacionarlas con defectos anatómicos y bioquímicos del sistema nervioso. De este modo se han analizado numerosos mutantes de comportamiento (quimiotácticos, termotácticos, del aparato locomotor, alimentarios, etc.), conociéndose muchos de los genes

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implicados, que se distribuyen en los seis grupos de ligamiento que constituyen el número haploide de cromosomas de la especie. También en ratones se conocen numerosos genes concretos que alteran las pautas de comportamiento, entre los que destaca, incluso por motivos históricos, el mutante «danzarín», que se describió en China hace más de 2.000 años. El fenotipo «danzarín» se produce por homocigosis recesiva para el alelo mutante y su defecto molecular consiste en la degeneración del oído interno que origina sordera y movimientos incontrolados y en círculos, como si quisiera alcanzar su propia cola. Muchas de las mutaciones de comportamiento en ratones son de naturaleza neurológica y, dado el alto grado de conservación de las funciones del sistema nervioso a lo largo de la escala evolutiva, el conocimiento de los defectos moleculares subyacentes puede ser de gran utilidad para la comprensión de enfermedades neurológicas de la especie humana. 3. Genética del comportamiento en Drosophila Drosophila es un organismo ampliamente utilizado en estudios de comportamiento, como en tantas otras especialidades genéticas, debido al exhaustivo conocimiento genético que se tiene del mismo, a la facilidad de cultivo, su idoneidad para la inducción y recogida de mutaciones, la posibilidad de obtención de mosaicos, etc. A comienzos del siglo xx, A. Sturtevant indicó que la mutación yellow (color amarillo del cuerpo) afectaba, además, a las preferencias de apareamiento, de manera que los machos yellow y los salvajes preferían aparearse con hembras yellow, en situaciones de competencia con hembras salvajes, mientras que las hembras yellow y las salvajes preferían aparearse con machos salvajes cuando éstos se encontraban en situaciones de competencia con machos yellow. Estos comportamientos pudieron ser explicados (en parte) al observarse que los machos mutantes mostraban deficiencias en la realización del cortejo, lo que condiciona-

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ba sus cópulas cuando competían con machos salvajes. Se desconocen, sin embargo, las razones por las que las hembras yellow son preferidas para los apareamientos por ambos tipos de machos. Desde entonces se han ido encontrando (de modo espontáneo o inducido) numerosos mutantes de comportamiento, habiéndose caracterizado, en muchos casos, sus patrones de herencia y el defecto genético asociado a la mutación. Dado que muchos mutantes de comportamiento son de tipo neurológico, la determinación del defecto molecular y el aislamiento de los genes responsables han servido para la localización de genes humanos similares, con las correspondientes repercusiones diagnósticas y terapéuticas en enfermedades humanas cuya etiología era desconocida. Como se resume en la tabla 32.2, se han encontrado mutantes de comportamiento de muchos tipos, desde los clásicos de afectación del aparato locomotor, del comportamiento sexual, de respuesta al estrés, etc. Merece destacarse la existencia de mutantes de aprendizaje, que han sido caracterizados ampliamente y algunos de ellos han suministrado información valiosa acerca de la participación de los nucleótidos cíclicos en aspectos del aprendizaje y la memoria, que pueden extrapolarse a otros organismos, incluida nuestra especie. Drosophila tiene la capacidad de aprendizaje manteniendo una memoria de lo aprendido a corto plazo. Este tipo de comportamiento se instaura rápidamente y muestra un periodo de retención (de recuerdo) muy corto, que se cree que es consecuencia del mantenimiento de la excitación de los circuitos neuronales implicados, durante un breve periodo de tiempo después de haber aprendido. Esto abrió la posibilidad de estudiar una pauta de comportamiento compleja en un organismo simple, pudiendo inducirse y seleccionar mutantes con defectos del aprendizaje y la memoria que afectan, en la mayoría de los casos, a un único gen, con lo que se puede rastrear y caracterizar el defecto molecular asociado. La manera de estudiar el aprendizaje de las moscas consiste en ofrecerles estímulos olfatorios, uno de los cuales se acompaña de una descarga eléctrica,

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GENÉTICA Tabla 32.2. Mutantes de comportamiento en Drosophila

con lo que aprenden rápidamente a evitar el olor asociado a la descarga y recuerdan durante un corto periodo de tiempo esa experiencia. De ese modo se pueden seleccionar moscas mutantes que presenten alguna alteración en el aprendizaje. Entre los mutantes encontrados, las mutaciones dunce (zopenco), rutabaga (nabo) y turnip (bobo) han servido para demostrar la conexión entre al AMP cíclico y el aprendizaje. El AMP cíclico se produce en el interior de muchos tipos celulares, incluidas las células del sistema nervioso, a partir de ATP y mediante la enzima adenilato ciclasa (fig. 32.7) como respuesta a estímulos externos. Es una molécula activadora de proteinquinasas, enzimas que fosforilan proteínas, originando una cascada de efectos metabólicos (transducción de señal) que activan la expre-

sión génica. Se ha determinado que el locus rutabaga es el responsable de la producción de adenilato ciclasa, y su alelo mutante se debe a una mutación de cambio de sentido que genera una enzima inactiva. La mutación turnip se origina en el locus que produce la proteína G que, unida a GTP, activa a la adenilato ciclasa, mientras que la mutación dunce facilita la degradación de AMPe, a través de su acción sobre la fosfodiesterasa. 4. Genética del comportamiento humano

Las pautas de comportamiento se encuentran entre las características fenotípicas más complejas que pueden analizarse y esto es aún más acusado cuando se trata del ser humano.

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Fig. 32.7. Ruta metabólica del AMP cíclico.

Como ya se adelantó al comienzo del capítulo, existen múltiples razones, no sólo de índole científica, sino también social y política, que hacen de esta especialidad genética una parcela sumamente controvertida, en la que los resultados pueden ser malinterpretados y utilizados de modo sensacionalista, e incluso con fines espurios. Ciñéndonos al ámbito puramente científico, en primer lugar, las características del comportamiento humano son extremadamente elaboradas y complejas, y se encuentran muy influidas por factores ambientales, con lo que también son muy complejas las patologías que las afectan. No existe discusión cuando se trata de establecer el papel de los genes en un carácter que sigue un patrón de herencia mendeliano o que se asocia a anomalías cromosómicas. Sin embargo, muchas características del comportamiento, aun no entrando en el ámbito de las patologías, no muestran ese tipo de herencia, existiendo una gradación fenotípica que hace más difícil la realización de estudios genéticos (caracteres multifactoriales) y, en to-

dos los casos, al estar la expresión fenotípica bajo la influencia de factores ambientales, resulta aún más difícil discernir la constitución genética del carácter a partir del análisis de los fenotipos. Sumado a todo ello, por razones obvias, resulta impensable en nuestra especie la utilización de muchas de las técnicas habituales para otros organismos, con lo que se han tenido que desarrollar metodologías de análisis alternativas. Entre ellas destacan los estudios genealógicos, los análisis de concordancia y discordancia con gemelos mono y dicigóticos y los estudios sobre adopciones. A partir de estos análisis se pueden realizar estimaciones de la heredabilidad como primer paso para continuar desentrañando los componente hereditarios en rasgos complejos de comportamiento (como por ejemplo: las tendencias sexuales, el alcoholismo o la inteligencia) y en enfermedades concretas como la psicosis maniacodepresiva, la esquizofrenia, etc. Los estudios con gemelos han sido ampliamente utilizados para el análisis de característi-

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cas de comportamiento, aunque presentan limitaciones. Si un carácter de comportamiento presenta mayor concordancia en gemelos monocigóticos (MZ), que son genéticamente idénticos, que en dicigóticos (DZ), que comparten sólo la mitad de sus genes como cualquier pareja de hermanos, sería indicativo de la heredabilidad del carácter en cuestión, pero también es posible que la concordancia mayor en MZ pueda tener también causas ambientales. Por ejemplo, los gemelos MZ son del mismo sexo, mientras los DZ pueden ser de sexo distinto (50 % de los casos), lo que puede conllevar a diferencias en el ambiente (diferencias en el trato por parte de sus familiares, educadores y amigos, diferencias en el modo de vestir, etc.) que para ciertas características de comportamiento pueden resultar importantes. Al utilizar parejas de gemelos en el análisis de caracteres de comportamiento hay que tener en cuenta estas circunstancias (no utilizar DZ de sexo distinto, por ejemplo). Los gemelos MZ separados desde el nacimiento son un material idóneo para estudios de comportamiento (mismo genotipo, distintos ambientes). La concordancia en éstos para un rasgo de comportamiento apoya fuertemente su carácter genético. El número de estas parejas, afortunadamente (pues siempre son consecuencia de guerras o dramas familiares), no es muy grande, lo que supone una limitación para su utilización (conviene tener en cuenta que los estudios de comportamiento requieren una evaluación estadística de los datos). Los estudios sobre adopción resultan muy sugestivos ya que es posible seguir una característica o una patología de comportamiento desde distintas perspectivas. Así, es posible evaluar si una característica de comportamiento presente en la familia biológica se encuentra en los sujetos adoptados (genética) o evaluar si una característica presente en los padres de adopción se manifiesta en los hijos adoptivos (ambiental). También es posible localizar individuos adoptados con una determinada patología o rasgo de comportamiento y rastrear dicho carácter en las familias biológicas y adoptivas. Las posibilidades de análisis son muchas y las

únicas limitaciones son la falta de información sobre los padres biológicos (más acusada en el caso del progenitor masculino). Con estas premisas, resulta lógico que uno de los abordajes experimentales más utilizados haya sido desentrañar la acción de genes únicos sobre un rasgo de comportamiento, a partir del estudio de enfermedades de herencia mendeliana simple, generalmente recesiva, que muestren entre sus síntomas alteraciones del comportamiento. Principalmente se trataría de aquellas que cursan con afectación del sistema nervioso y, en muchas de ellas, se ha llegado a determinar el gen responsable y la vía mediante la cual se produce la alteración conductual. Uno de los casos mejor analizados ha sido el de la enfermedad de Huntington (HD), a la que nos hemos referido en varias ocasiones, en la que las alteraciones de comportamiento (pérdida de control sobre las funciones motoras y de coordinación, cambios de personalidad, etc.) se producen por los niveles altos de ácido quinolínico (neurotoxina) en el cerebro y se asocian a la mutación en el gen de la hungtintina. Otro ejemplo sería el del síndrome de Lesch-Nyhan donde la mutación en el gen que codifica a la enzima hipoxantin-fosforribosil transferasa (HPRT), implicada en el metabolismo de los ácidos nucleicos, es responsable (por la acumulación de purinas y ácido úrico) de los síntomas neurológicos que producen la característica de comportamiento consistente en la automutilación compulsiva de los pacientes. Un caso interesante sería la asociación de ciertas pautas complejas y variables de comportamiento agresivo (desde violaciones hasta apuñalamientos y piromanía) y el defecto (ausencia) de actividad de la enzima monoaminooxidasa A (MAOA) encargada del metabolismo de ciertos neurotransmisores, que se acumulan produciendo alteraciones de comportamiento. La porfiria, la enfermedad de Menkes, la ataxia de Friedreich, el síndrome del X frágil, y un largo etcétera de enfermedades hereditarias neurodegenerativas son otros tantos ejemplos de enfermedades de comportamiento, en las que un gen controla un «carácter» conductual.

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De modo similar, se ha demostrado la asociación entre anomalías cromosómicas y alteraciones del comportamiento, pero entre todas destaca, por su controversia, la asociación entre varones XYY y el comportamiento antisocial violento y peligroso. Los resultados de una encuesta citogenética sobre 197 varones recluidos en instituciones penitenciarias escocesas por delitos de la índole indicada demostraron que el 4,5 % de estos reclusos eran XYY, cifra muy por encima de la frecuencia de varones XYY en la población normal (0,1 %). Esto parecería indicar que algunas formas de comportamiento violento tendrían una predisposición genética y, de hecho, ha sido utilizado como argumento legal de defensa, sin éxito, Otros estudios han demostrado resultados discrepantes con los anteriores, poniendo de manifiesto que en el primer estudio podía existir un error en la elección de la muestra control. Así, al introducir dentro del grupo control, XY, únicamente a individuos altos (más de 1,84 m), para hacer las muestras más comparativas (ya que los XYY son de elevada estatura) y combinar otros parámetros educacionales, no parece evidenciarse la asociación genotípica a la criminalidad, sino más bien la combinación de una elevada talla y un bajo cociente intelectual, independientemente del cariotipo. Actualmente estos estudios han sido abandonados, en parte por el temor a las repercusiones sociales y a las dificultades de los procedimientos metodológicos. Por otra parte, se han hecho importantes contribuciones al conocimiento de las bases genéticas de enfermedades complejas que cursan con alteraciones graves del comportamiento, como la esquizofrenia y las enfermedades maniacodepresivas, entre otras. Los estudios de gemelos y de adopción parecen apoyar la existencia de un componente genético subyacente en la maniacodepresión. Así, la concordancia es mayor entre MZ que entre DZ y en sujetos adoptados existe una relación entre su padecimiento y el de sus padres biológicos. Los análisis de ligamiento han resultado, hasta el momento, infructuosos (e incluso discrepantes), en el intento de localizar loci asociados. Las causas pueden estar en la identificación in-

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correcta, en muchos casos, de los fenotipos y la posible heterogeneidad genética. Algo similar cabe decir para la esquizofrenia, la principal causa de enfermedad mental crónica, afectando al 1 % de la población. Aparece en etapas tempranas de la vida adulta (alrededor de la adolescencia) y entre sus síntomas destacan los cambios emocionales y de personalidad con trastornos del pensamiento, trastornos de la percepción, que cursan con alucinaciones, trastornos psicóticos, con ideas delirantes y alteraciones de la conducta (agresividad/ensimismamiento, según las fases; alteraciones del movimiento, etc.). Junto a esta forma severa, se encuentran los trastornos esquizoides (aproximadamente el 3 % de la población), que serían equivalentes a manifestaciones leves de la conducta esquizofrénica, pareciendo que se trata de la misma enfermedad. Los estudios de concordancia de gemelos revelan que ésta es mayor para MZ que para DZ, indicando un componente genético, del mismo modo que ocurre con los estudios familiares (tabla 32.3) y de adopción. Se han propuesto diversos modos de herencia (monohíbrida, dihíbrida, poligénica) y los análisis de ligamiento han implicado a loci de varios cromosomas pero, hasta el momento, los resultados se muestran conflictivos, no habiéndose determinado además ninguna alteración bioquímica asociada a la enfermedad. Por otro lado, debemos referirnos brevemente a las investigaciones tendentes a determinar la contribución genética en rasgos o pautas complejas de comportamiento. Las diferentes tendencias u orientaciones sexuales (heterosexualidad versus homosexualidad) constituyen un aspecto complejo del comportamiento humano. Los estudios de gemelos y de adopción han determinado la contribución genética en el carácter. En las distintas series analizadas, la concordancia del carácter homosexual en varones fue siempre mayor en MZ que en DZ y hermanos, habiéndose establecido unas estimaciones de heredabilidad que oscilan entre el 30 y el 70 % (según las series), similares a las obtenidas en estudios de homosexualidad en mujeres. A rasgos generales, los datos existentes hasta el momento indican que la orienta-

440

GENÉTICA Tabla 32.3. Resultados combinados de diversos estudios sobre la proporción de parientes en primer grado de individuos esquizofrénicos que muestran la misma enfermedad o un trastorno esquizoide

ción sexual es un carácter multifactorial, en el que intervienen varios genes y factores medioambientales desconocidos, pudiendo intervenir incluso el ambiente prenatal. El alcoholismo es un trastorno de la conducta que conlleva importantes problemas, no sólo para la salud del individuo, sino de índole social y familiar, por lo que está siendo objeto de numerosos estudios tendentes a desentrañar la contribución genética a la alteración. Esto sería un paso previo necesario para el establecimiento de acciones terapéuticas ulteriores más efectivas que contribuyan a la disminución de este problema social. Todos los estudios realizados hasta el momento, tanto genealógicos como de concordancia entre gemelos y de adopción (tabla 32.4), evidencian la existencia de un componente genético en la preferencia por el alcohol y se han propuesto distintos modos de herencia. Los intentos de asociar el trastorno con un alelo de un gen que codifica una proteína receptora de neurotransmisores (D2) han dado resultados contradictorios. Así, mientras los estudios de ligamiento lo descartan, otros estudios encuentran cierta correlación entre este gen y el comportamiento alcohólico.

Finalmente, como rasgo paradigmático de complejidad del comportamiento humano, la inteligencia ha sido objeto de numerosos y controvertidos estudios dirigidos a determinar la importancia de la contribución genética en esta característica fundamental del hombre. La inteligencia se define como «la capacidad de entender o comprender», incluyendo entre sus rasgos característicos cualidades como la capacidad para el razonamiento abstracto, el pensamiento racional, la resolución de problemas, la expresión verbal, la creatividad, etc. El primer problema al que se enfrenta cualquier estudio genético sobre ella es la manera de «medir» esas cualidades y ahí radica una de las principales objeciones a los análisis de herencia de este rasgo de comportamiento. Alfred Binet, psicólogo francés de comienzos del siglo xx, desarrolló unas pruebas para medir esas cualidades en base a la resolución de tareas por edades, que constituyeron lo que se denomina un «test de inteligencia» que definía una edad mental que al ser dividida por la cronológica (y multiplicar por 100 para evitar los decimales) daba lugar a un cociente o coefi-

Tabla 32.4. Resultados sobre alcoholismo en un estudio de adopción

GENÉTICA DE LA DIFERENCIACIÓN Y EL DESARROLLO

ciente intelectual (IQ) cuyo valor, para una persona de edad mental igual a la cronológica («una persona de inteligencia normal»), era 100. Con modificaciones y adaptaciones, este tipo de «instrumento de medida» es el que continúa usándose en la actualidad. Nunca se ha podido comprobar que el IQ realmente mida las cualidades esenciales de la inteligencia humana y sus detractores indican que «los tests de inteligencia sólo miden la capacidad para resolver tests de inteligencia». Sin caer en extremismos, se puede decir que los valores de IQ que se obtienen mediante tests de inteligencia pueden medir «ciertas» cualidades de la inteligencia y tener elementos heredables de importancia. Los estudios de gemelos han demostrado valores de concordancia muy altos en MZ (tanto criados juntos como por separado) en relación con las restantes categorías de hermanos, habiéndose establecido valores de heredabilidad entre 0,4 y 0,6 para el IQ (según los estudios) (véase el capítulo dedicado a la herencia de los caracteres complejos), lo que significa que entre el 40 % y el 60 % de la variabilidad observada para los IQ (la inteligencia, si se quiere) en las poblaciones es debida a causas genéticas, mientras el resto se debe a variaciones ambientales. Con ello se comprende que es absolutamente incorrecto hacer deducciones tales como que «se hereda el 40 % de la inteligencia...» al referirse a un individuo, y mucho menos sirven las estimaciones de heredabilidad como criterios comparativos para definir diferencias genéticas entre grupos (por ejemplo entre razas). Lo que sí puede inferirse es que tanto los factores genéticos como los ambientales contribuyen a la inteligencia humana. Lecturas Recomendadas Benzer, S. (1973): «Genetic disiosection of behaviour», Sci. Amer. (dec.), 229: 24-37. Bouchard, T. J. (1994): «Genes, environment and personality», Science, 264: 1.700-1.701. Bouchard, T. J. et al. (1990): «Sources of human psychological differences: the Minnesota study of twins reared apart», Science, 250: 223-228.

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GENÉTICA

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Capítulo

33

Genética de las poblaciones Juan José González Aguilera

1.

La Variación Genética

2.

Estimaciones de la Variación Genética

3.

Conservación de las Frecuencias Génicas: el Equilibrio Hardy-Weinberg

Lecturas Recomendadas

446

GENÉTICA

La genética de poblaciones es la rama de la genética que analiza la herencia en grupos de individuos, es decir, poblaciones de una especie determinada. Una población se define como una comunidad de individuos ligados entre ellos por lazos de apareamiento y parentesco. Un concepto más amplio lo representa la genética evolutiva, estrechamente emparentada con la de poblaciones, en la que se analiza la herencia en cualquier población, sea o no de la misma especie. La teoría de la evolución de Darwin (18091882) postula que la evolución de una especie es el resultado de la diferente tasa de supervivencia y reproducción de los distintos tipos de individuos. Adaptando los postulados de Darwin a la teoría moderna, la evolución supondría un cambio en la constitución genética de las poblaciones. La moderna teoría de la evolución se basa en tres principios fundamentales: a) Entre los individuos de cualquier población existen variaciones en la morfología, fisiología y conducta; esta variación intra e interpoblacional se origina por la existencia de varios alelos en los diferentes loci génicos. b) Las variaciones sobre las que actúa la selección se heredan según las leyes de Mendel. c) Algunas formas tienen más éxito que otras en sobrevivir y reproducirse en un medio ambiente determinado. La selección natural es la causa fundamental de la evolución de las especies. En definitiva, debido a la selección natural las frecuencias de los distintos tipos dentro de una especie cambiarán con el tiempo, pero la selección natural producirá estos cambios en las poblaciones sólo si hay variantes que seleccionar. El objetivo de la Genética de poblaciones es conocer la composición de una población y las fuerzas que determinan el cambio en su composición. 1. La variación genética

Para que exista evolución es necesario que exista variación, es decir la selección natural cambiará las frecuencias de los distintos tipos

dentro de una especie sólo si hay variantes que seleccionar. Si una población es homogénea, por ejemplo homocigota para un alelo en un locus determinado, no es posible cambiar la composición de la población para ese locus al no existir una alternativa que pueda ser más ventajosa. La variación intra e interpoblacional se origina por la existencia de varios alelos en los diferentes loci génicos. El genetista de poblaciones puede observar los fenotipos directamente, pero no los genes ni los genotipos. Por ello es necesario realizar en primer lugar una descripción de la variación a nivel fenotípico, y después interpretarla en términos genéticos (genes y genotipos). Las poblaciones naturales muestran una gran cantidad de variación que se manifiesta a muy diferentes niveles, y que en definitiva origina polimorfismos (del griego = muchas formas). Estos polimorfismos pueden ser morfológicos afectando a gran cantidad de rasgos; por ejemplo la especie humana es polimórfica para muchos caracteres como la coloración del pelo, de los ojos, de la piel, estatura, forma de la nariz, etc. Los naturalistas han descrito, a lo largo de los años, la gran variabilidad existente en las poblaciones de distintos organismos, por ejemplo, respecto a los patrones de coloración en pájaros, mariposas, caracoles, plantas con flores, etc. (fig. 33.1). Los genetistas han puesto de manifiesto que en gran parte de esta variación subyace un componente genético, aunque en ocasiones es muy complejo y, por tanto, difícil de utilizar en estudios poblacionales. Existen además polimorfismos inmunológicos (que pudieron ponerse de manifiesto por primera vez cuando se descubrieron los grupos sanguíneos), que son debidos a las distintas especificidades antigénicas determinadas por diversos loci. Las bases genéticas sencillas de algunos de ellos los hacen muy adecuados para los estudios poblacionales como veremos más adelante. Estos polimorfismos alcanzan su máxima complejidad en los sistemas de histocompatibilidad (Sistema HLA en humanos) en los que con excepción de los gemelos idénticos, prácticamente cada individuo presenta un haplotipo particular. Tal como analizamos en el capítulo dedica-

LOS GENES EN LAS POBLACIONES

447

Fig. 33.1. Coloración de la flor en Narcissus.

do a las variaciones cromosómicas, existen en las poblaciones naturales abundantes polimorfismos cromosómicos (fig. 33.2), de manera que en una población pueden mantenerse simultáneamente varias constituciones cromosómicas. Por ejemplo, en la especie humana se

han detectado pequeñas inversiones en determinados cromosomas que no afectan a los individuos portadores y que son frecuentes en la población. El desarrollo de las técnicas de electroforesis de proteínas puso de manifiesto que existe

Fig. 33.2. a) Polimorfismo del cromosoma Y humano. b) Polimorfismo para la heterocromatina pericentromérica en varios cromosomas humanos.

448

GENÉTICA

Fig. 33.3. Polimorfismo intraespecífico de los loci de la isoenzima esterasa-1 (E-]) y esterasa-2 (E-2) en varias especies de Reseda L.

mucha más variación genética (polimorfismo de proteínas) que la puesta de manifiesto por la observación directa de los organismos en la naturaleza. La utilidad de esta técnica se basa en las propiedades físicas de las proteínas, que pueden cambiar cuando hay sustituciones de aminoácidos. Es necesario recordar aquí que existen cinco aminoácidos: arginina, aspártico, glutámico, histidina y lisina, que confieren carga neta a la proteína, además los cambios entre aminoácidos no cargados pueden afectar al plegamiento del polipéptido. Estos cambios conformacionales o de carga de la proteínas afectarán a su movilidad electroforética, permitiendo deducir directamente el genotipo del individuo para el locus que codifica la proteína, y esto supone una aproximación muy directa, pues la secuencia de aminoácidos de un polipéptido es un reflejo de la secuencia de codones en el ADN que lo codifica (fig. 33.3). Finalmente, los análisis directos del ADN permiten estudiar las variaciones en las secuencias de ADN y ponen de manifiesto gran número de polimorfismos de ADN. A lo largo de diferentes capítulos hemos visto que existen secuencias de ADN especialmente polimorfas. La utilización de enzimas de restricción puso de manifiesto la existencia de RFLPs (polimorfismos en la longitud de los fragmentos de restricción), es decir, polimorfismos de ADN origina-

dos por cambios en la secuencia diana de enzimas de restricción. Además, las secuencias repetidas en los genomas tienden a originar variaciones en el número de repeticiones. Entre estos polimorfismos podemos señalar las VNTRs (repeticiones en tándem en número variable), Minisatélites y Microsatélites (fig. 33.4). Por último, la secuenciación del genoma de diversos organismos ha puesto de manifiesto abundantes polimorfismos de un único nucleótido (SNPs), de los que en el genoma humano ya hay descritos más de dos millones. La utilización de estos polimorfismos permite establecer los patrones de variación en los poblaciones naturales, hacer estimaciones de la proporción de loci génicos que son polimórficos en una especie determinada y, por tanto, susceptibles de cambiar. Ello permite, además, analizar los mecanismos e intensidad de los procesos que producen los cambios en las frecuencias de los distintos genotipos y hacer predicciones sobre la futura composición de la población según la intensidad de las fuerzas que actúen sobre ella. 2.

Estimaciones de la variación genética

Una medida fundamental en la genética de poblaciones es la frecuencia en la que los ale-

LOS GENES EN LAS POBLACIONES

449

Fig. 33.4. Polimorfismo en la secuencia de un microsatélite humano.

los aparecen en un locus génito de interés. Una vez conocido este parámetro podremos realizar comparaciones entre diferentes poblaciones o analizar la población a lo largo del tiempo para observar sus cambios. Para conocer la constitución genética de una población, previamente debemos conocer la variación que existe en dicha población para los caracteres analizados, es decir, en primer lugar tendremos que reconocer los diferentes fenotipos presentes en la población para después traducirlo (si se conocen sus bases genéticas) en términos genotípicos. Supongamos que queremos analizar la composición de la población española respecto al grupo sanguíneo MN. Para ello determinamos el grupo sanguíneo en 1.000 voluntarios utilizando los antisueros correspondientes (tabla 33.1). En la columna 3 de la tabla hemos realizado la descripción de la variación fenotípica observada en la población para ese carácter, determinando la frecuencia de cada fenotipo

en la muestra analizada. El paso siguiente será la traducción de estos fenotipos en términos genéticos. Las bases genéticas de estos grupos sanguíneos fueron establecidas por Landsteiner y Levine en 1927, de manera que los fenotipos están determinados por los alelos codo minantes LM y LN. La exacta correspondencia existente entre genotipo y fenotipo, sin que las relaciones de dominancia impidan la distinción entre homocigotos dominantes y heterocigotos, ha hecho de estos grupos un instrumento preferido en la genética de poblaciones. De acuerdo con estas bases genéticas las frecuencias genotípicas coinciden con las fenotípicas. Por tanto, podemos conocer la frecuencia de cada uno de los alelos en la población objeto de estudio. Para calcular la frecuencia de alelo LM en la población tendremos en cuenta que cada individuo homocigoto LMLM (fenotipo M) presentará dos alelos LM mientras que los heterocigotos LM LN presentarán sólo uno , y tendremos

Tabla 33.1

450

GENÉTICA

que dividirlos por el total de alelos presentes en la población 2 X 1.000: p = Frecuencia de LM = (302 X 2) + + (496) / 1.000 x 2 = 0,55 o bien puede partirse de las frecuencias genotípicas observadas p = Frecuencia de LM = 0,302 +'h 0,496 = 0,55 De la misma manera puede calcularse la frecuencia del alelo LN: q = Frecuencia de LN = (202 X 2) + + (496) / 1.000 x 2 = 0,45

gotos que deberemos tener en cuanta en los cálculos: p (frecuencia del haplotipo MS) = frecuencia de homocigotos (MS/MS) + 1/2 frecuencia de heterocigotos MS/NS + 1/2 frecuencia de hete rocigotos MS/Ms +'h frecuencia de dobles he terocigotos MS/Ns. En el caso del cálculo de las frecuencias de haplotipos es importante tener en cuenta, no obstante, la fracción de recombinación entre los genes, es decir la posibilidad de que exista recombinación entre los dos marcadores analizados. En el caso que hemos analizado la frecuencia de recombinación entre los loci M y S es prácticamente cero (es decir, están tan próximos que existe ligamiento absoluto).

o bien, q = Frecuencia de L' = 0,202 +'/z 0,496 = 0,45 En definitiva, la frecuencia de ambos alelos en la población será 1, es decir (p + q) = 1, donde p y q representan las frecuencias génicas, alélicas o gaméticas. Igualmente podemos describir la variación en términos de varios loci, en vez de uno sólo, es decir calcularíamos las frecuencias gaméticas de múltiples loci simultáneamente, también conocidas como frecuencias de haplotipos. Para calcular las frecuencias de haplotipos podemos continuar con el ejemplo de los grupos sanguíneos MN. Con posterioridad al descubrimiento de Landsteiner y Levine, en 1947, Race y Sanger establecieron que el sistema S/s, descubierto por Walsh y Montgomery en ese mismo año, estaba estrechamente ligado al grupo MN. El locus S (factor secretor) determinaba que las proteínas M y N se expresaran en la saliva, de manera que los individuos pertenecientes al grupo M podrían ser S o s (MS o Ms), al igual que los N (NS o Ns). Podríamos hacer un cálculo de la frecuencia de la combinación de los alelos MS (haplotipo) en la población; para ello procederemos como antes pero tendremos presente que se generan un mayor número de heteroci-

Una medida de la variación genética de una población es la proporción de loci polimórficos (P), es decir, la cantidad de polimorfismos. Este parámetro es útil en algunos casos pero el número de loci variables que observaremos dependerá en gran medida del número de individuos que analicemos, además considera que un loci con dos alelos es tan polimórfico como uno que presente múltiples alelos, por lo que esta medida es arbitraria y subjetiva a pesar del desarrollo de criterios restrictivos para considerar un locus polimórfico. La estimación más utilizada de la variación genética es la heterocigosidad (H), es decir, la frecuencia de heterocigotos en la población, pues resulta mucho más fiable y objetiva que la anterior. Para calcularla se analiza la frecuencia de heterocigotos en diferentes loci y después se obtiene la media. Si sólo existe un alelo en un locus determinado, todos los individuos de la población serán homocigotos y, por tanto, la heterocigosidad será cero. La heterocigosidad será mayor cuanto más alelos existan en cada loci y éstos tengan frecuencias parecidas. Los cálculos de la heterocigosidad se desarrollan en la tabla 33.2, suponiendo que hemos analizado 4 loci en cien individuos (para estimaciones válidas de heterocigosidad es necesario analizar muchos más loci).

LOS GENES EN LAS POBLACIONES

451

Tabla 33.2

3.

Conservación de las frecuencias génitas: el equilibrio HardyWeinberg

Los principios de Mendel consideran la herencia a nivel de individuos pero no de poblaciones. Supongamos el cruzamiento de dos individuos heterocigotos para un locus (Aa): de acuerdo con Mendel en la siguiente generación aparecerá una proporción fenotípica 3 [dominante]: 1[recesivo]. De una forma intuitiva podría esperarse que en la población los individuos dominantes fueran más frecuentes (3) que los recesivos (1). Sin embargo, estas proporciones se cumplen a nivel de cruzamientos individuales pero al considerar la población en su totalidad en una generación, además del cruzamiento indicado arriba, ocurren otros muchos cruzamientos entre individuos con otras combinaciones genotípicas (homocigotos AA, aa), de manera que en la población ocurre como si todos los gametos posibles originados en una generación se mezclaran al azar y originaran todas las combinaciones posibles. Hardy y Weinberg en 1908 argumentaron matemáticamente el comportamiento de las frecuencias de los genes en las poblaciones en la que se conoce como Ley del equilibrio de Hardy-Weinberg, demostrando que la herencia en sí misma no produce cambios en las frecuencias alélicas ni genotípicas. Básicamente, esta ley establece que en una población idealizada, en la que no actúan fuerzas para el cambio, las frecuencias génicas y genotípicas se mantienen constantes (en equilibrio) de generación en generación. Además, si los apareamientos son al azar (la probabilidad de apareamiento entre individuos es independiente de su constitución genética) las frecuencias

genotípicas están en relación con las frecuencias génicas por una simple fórmula: (p + q)2. Indudablemente la frecuencia de los apareamientos entre los distintos genotipos dependerá de la frecuencia del genotipo en cuestión. Supongamos el cruzamiento anteriormente indicado. Si las frecuencias de los alelos en los gametos son: Frecuencia de A = p; Frecuencia de a = q; p+q=1 Cruzamiento Aa x Aa

Las frecuencias de los cigotos formados para dar lugar a la primera generación serán: AA (p2) + Aa (2pq) + aa (q2) y la frecuencia de los alelos A y a en esta generación será: Frecuencia de A = p, = p2 (frecuencia total del genotipo A) + pq ('/z de la frecuencia del genotipo Aa) = p2 + pq = p (p + q) = p. Lo mismo puede deducirse para q (frecuencia de a). Por convención las frecuencias en el equilibrio se denominan: pˆ , qˆ Las frecuencias genotípicas de equilibrio se alcanzan en una generación de apareamiento al azar y luego se mantienen. 0 sea, indepen-

452

GENÉTICA

dientemente de los genotipos de la generación parental la distribución de los genotipos tras una generación de apareamientos al azar depende exclusivamente de las frecuencias alélicas. Las poblaciones equilibradas continúan produciendo proporciones genotípicas similares generación tras generación. Supongamos tres poblaciones con diferentes frecuencias genotípicas:

Aunque con las mismas frecuencias alélicas:

Tras una generación de apareamientos al azar las tres poblaciones tendrían las mismas frecuencias genotípicas, las frecuencias de equilibrio: (p + q)2 = p2(AA) + 2pq(Aa) + g2(aa) = = (0,36)2(AA) + 2 x 0,6 X 0,4 (Aa) + (0,4)2 aa ! AA = 0,36 Aa = 0,48 aa = 0,16 En el ejemplo anterior, hemos considerado un gen cuyos alelos muestran codominancia, lo cual permite distinguir los heterocigotos de ambos homocigotos. En el caso de que exista dominancia no podremos hacer esta distinción, por lo que para hacer los cálculos de las frecuencias génicas deberemos suponer que la población está en equilibrio y partir de la frecuencia genotípica del homocigoto recesivo (véase ecuación). El equilibrio de Hardy-Weinberg supone apareamientos al azar, es decir que la probabilidad de apareamiento entre individuos sea in-

dependiente de su constitución genética. Sin embargo, en determinadas ocasiones esto no se cumple y deberemos tenerlo en cuenta; este es el caso de la existencia de una barrera, por ejemplo geográfica, que aísla un grupo de individuos de la población, estos individuos se verán obligados a elegir sus parejas sexuales dentro del grupo y no con otros miembros de la población general produciéndose endogamia. Otra desviación del apareamiento al azar lo introduce, en los vegetales, la posibilidad de autofecundación. Por otra parte, el equilibrio de HardyWeinberg se cumple para genes situados en los autosomas, pues permite asumir que las frecuencias de los alelos en los gametos masculinos y femeninos son idénticas. Sin embargo, cuando consideramos genes ligados al sexo esta afirmación no es cierta, pues el sexo homogamético porta diferente número de copias del gen, que el heterogamético, y no existe la relación establecida de frecuencias génicas y genotípicas.

Lecturas recomendadas

Ayala, F. J. et al. (1980): Evolución Molecular, Ediciones Omega, Barcelona. Falconer, D. S. (1964): Introduction to Quantitative Genetics, Oliver and Boyd, Londres. Dobzhansky, T. et al. (1980): Evolución, Ediciones Omega, Barcelona. Hardy, G. H. (1908): «Mendelian proportions in a mixed population», Science, 28: 49-50. Kolata, G. B. (1974): «Population genetics: reevaluation of genetic variation», Science, 184: 452-454. Lewontin, R. C. (1979): La base genética de la evolución, Ediciones Omega, Barcelona. Mettler, L. E. et al. (1988): Populations Genetics AND evolution, Englewood Cliffs, N. J. Prenti-

ce Hall.

Capítulo

34

Fuentes de variación (1) Juan José González Aguilera

1.

Fuentes de Variación

2.

Procesos Sistemáticos 2.1. Mutación 2.2. Recombinación 2.3. Migración

Lecturas Recomendadas

454

GENÉTICA

1. Fuentes de variación

Según el modelo de Hardy-Weinberg, una población ideal de tamaño infinito llega a un estado de equilibrio en sus frecuencias génicas y genotípicas manteniéndose éstas constantes en el tiempo. Como veíamos en el capítulo anterior la evolución supone un cambio en la constitución genética de las poblaciones. Sin embargo, una población que alcanza el equilibrio no cambia su constitución genética en el tiempo y, por tanto, no evoluciona. Se reconocen diferentes procesos que pueden producir cambios en las condiciones de equilibrio y que en definitiva producirán las variaciones en las frecuencias génicas que se reconocen en el proceso evolutivo. Estas fuentes pueden clasificarse en:

Normalmente varios de estos procesos pueden actuar conjuntamente. Los procesos sistemáticos actúan en poblaciones grandes y en ellos son predecibles tanto la dirección como la magnitud del cambio. Los procesos dispersivos, por el contrario, actúan sobre poblaciones pequeñas y, aunque se puede conocer la magnitud del cambio, su dirección es al azar e impredecible. Analizaremos ahora cómo actúan estos procesos sobre la variación genética y cuál es su peso en el proceso evolutivo. 2. Procesos sistemáticos 2.1. MUTACIÓN

La mutación es la principal fuente de variabilidad genética. Sin mutación no existiría evolución, pero el cambio que ésta produce por sí misma en la constitución genética de las poblaciones es muy lento, porque la tasa de muta-

ción es muy baja, lo que conduciría a un proceso evolutivo extremadamente lento. En realidad la mutación va a producir la materia prima (variantes) sobre la que actuarán otros procesos para producir la evolución. Consideremos el efecto de la mutación recurrente sobre una población en relación con el cambio de frecuencias génicas que ésta produce en el tiempo. En una población en la que todos los individuos son homocigóticos (AA) para el locus A, se puede producir una mutación que origine el alelo a. Si esta mutación es un acontecimiento único, la probabilidad de que se expanda por toda la población en generaciones sucesivas es muy pequeña y, además, por efecto del muestreo la mutación podría no llegar a pasar a la siguiente generación. Si la mutación es recurrente tiene más posibilidades de pasar a generaciones sucesivas y propagarse. Analicemos las consecuencias de este tipo de mutación sobre las frecuencias génicas. Supongamos que el gen A, muta a A2 con una frecuencia u (usualmente 10-s). Gen A: 2 alelos = A, y A2. Tasa de Mutación: A, -+ A2 = u (por gameto y generación). Si po es la frecuencia inicial de A, y q0 la del nuevo mutante A2. En esta generación inicial la mutación cambiará un cierto número de alelos A, en A2. Como la frecuencia inicial de Al = po; pon alelos A, cambian a A2. 1.°generación: Frecuencia de A1 después de la generación bajo el efecto de la mutación: P1, = [alelos A, iniciales menos los que han cambiado a A2] = PO - (upo) = Po (1 - u). 2. ° generación: P2= p1-up1, = p l (1 -[sustituimos el valor de pl ] = po (1- u) (1 - u) = Po (1 - u)2.

LOS GENES EN LAS POBLACIONES

Después de t-generaciones: La frecuencia de A, será: pt = po (1-u)t Como 1 - u es menor que 1, cuando t aumenta [= aumenta el n.' de generaciones] p, llega a ser cero, es decir, desaparecería A, de la población y su constitución genética habría cambiado a ser A2. No obstante, el cambio originado por la mutación en las frecuencias génicas de la población es extremadamente lento, de manera que, si u = 10-5 y aplicamos las fórmulas deducidas, se necesitarán 1.000 generaciones para pasar de una frecuencia de A, = 1 a 0,999; 2.000 generaciones para pasar desde una frecuencia de 0,50 a 0,49 y 10.000 generaciones para cambiar desde A, = 0,10 a 0,09. A medida que disminuye el número de alelos A, en la población el cambio se va haciendo, lógicamente, más lento pues existen menos alelos A, que puedan cambiar a A2. Si consideramos además que las mutaciones génicas suelen ser reversibles el cambio todavía se ralentizaría más, pues en cada generación pasarían [upo] alelos A, a A2, pero algunos de estos alelos A2 recién originados pasarían nuevamente a A, debido a la tasa v de reversión [vq0], llegándose a un equilibrio entre los dos sentidos de la mutación en el que el cambio sería cero. Realmente, este equilibrio rara vez se alcanza pues sobre las variantes originadas por la mutación actúan otras fuerzas, como la selección, favoreciendo a alguno de los alelos.

2.2. RECOMBINACIÓN

La recombinación, al permitir que se barajen las variantes creadas por mutación en diferentes loci génicos, resulta un proceso mucho más eficiente que la mutación en si misma para crear variabilidad. Las combinaciones de los genes parentales que recibe cada individuo de la población se deshacen y se barajan durante la meiosis, cuando ocurre el entrecruzamiento entre los cromosomas homólogos y cuando los

455

cromosomas no homólogos se distribuyen independientemente. Mediante la recombinación pueden generarse un gran número de genotipos partiendo de un reducido número de alelos diferentes que se encuentren unos pocos loci. Así si consideramos n loci y a alelos en cada uno de ellos, el número posible de genotipos que pueden generarse es:

 a(a + 1)   2  En el caso de que fueran tan sólo 3 loci, cada uno de ellos con 4 alelos, se originarán [4 X 5/2]3 = 1.000 genotipos diferentes, pero si elevamos el número de loci considerados a 100, cada uno con 4 alelos, se originarían [4 x 5/2]100 = 10'0 = cien mil millones de genotipos diferentes. Si tenemos en cuenta que, por ejemplo, en la especie humana existen alrededor de 30.000 genes, el número de genotipos diferentes producidos por la recombinación puede llegar a ser tremendamente elevado. Por tanto, podemos concluir que la recombinación potencia fuertemente la variabilidad genética producida en las poblaciones al combinar las diferentes posibilidades (alelos) existentes en cada locus génico, posibilitando que con relativa facilidad se produzcan combinaciones génicas favorables, sobre las que actúe la selección natural. En los organismos asexuales, por ejemplo las bacterias, la producción de variabilidad genética mediante recombinación es un camino casi vetado al no existir la meiosis; en cambio estos organismos poseen altas tasas de proliferación que compensan la lentitud de los cambios producidos por mutación. A pesar de lo cual, sus tasas de evolución resultan mucho más bajas que las de los organismos con reproducción sexual. Indudablemente, la producción de un elevado número de combinaciones de alelos por recombinación puede ser una ventaja de las poblaciones frente al proceso evolutivo, pero la recombinación también puede destruir grupos de alelos que proporcionan a los individuos ventajas adaptativas para las condiciones en que se

456

GENÉTICA

desenvuelve la población, de manera que si se pierden estas combinaciones adaptativas la población corre el riesgo de no sobrevivir y extinguirse. Por tanto, en las poblaciones naturales es necesaria la existencia de un equilibrio entre producción de nueva variación que conduciría a heterocigosidad y posibilitaría la evolución, y la endogamia (por cruzamientos entre individuos emparentados o autofecundación) que conduciría a la homocigosidad y que facilitaría la adaptación de la población a las condiciones medioambientales actuales. Un ejemplo clásico de esta aparente contradicción es la importancia evolutiva que han supuesto las inversiones en determinados grupos de insectos, justamente impidiendo la recombinación en el segmento invertido e impidiendo que se barajen los «supergenes» (coadaptados de alelos) que suponen una ventaja para la adaptación de la población, tal como ya vimos en el capítulo de reordenaciones cromosómicas estructurales.

2.3. MIGRACIÓN

Como consecuencia de las migraciones se produce intercambio génico entre las poblaciones. Si es un proceso recurrente, la migración o flujo génico existente entre poblaciones con constituciones genéticas diferentes resulta otra fuente de variación genética, que puede alterar el equilibrio génico por introducción de nuevos alelos. Obviamente, la migración no va a cambiar la constitución genética de toda la especie, pero sí puede hacerlo en la población que recibe los emigrantes. Entre poblaciones vecinas de una especie existe la posibilidad de intercambio de genes a través de migraciones. Cuanto más intensas sean éstas, más semejantes serán sus constituciones genéticas, es decir, tendrán frecuencias génicas muy parecidas. En cambio, si las poblaciones están aisladas geográficamente no existirá posibilidad de migración, y la transferencia de genes entre ellas estará más restringida por lo que podrán fijarse diferentes alelos en cada población y sus constituciones genéticas irán divergiendo paulatinamente. Pueden hacerse estimaciones de la intensidad del cambio que producen las migraciones,

aunque dependerá en gran medida de la estructura de las poblaciones (donadora y receptora de emigrantes), de la magnitud de las migraciones y de las diferencias génicas existentes entre las dos poblaciones. Consideremos que en una población la frecuencia de alelo A, es q0 y que esta población recibe M emigrantes de una población vecina en la que la frecuencia de este alelo es qM. Cuando estos emigrantes lleguen a la población receptora, la frecuencia del alelo A, cambiará y será igual a la frecuencia total [1] menos la frecuencia de los genes llegados de la población donadora [M], es decir, 1 - M. Después de una generación en que los emigrantes se cruzarán con los individuos de la población receptora, las frecuencias génicas serán: qi=q0(1-M)+qMM=q0+qoM+qMM= = qo - (qo - qM)M

Por tanto, el cambio [ ∆ ] en una generación será:

∆ q=q1-q0=q0-(q0-qM)M-q0=q0-q0 M+qMM-q0=M(qM-q0) O sea, cuanto mayor sea el número de emigrantes [M] y mayor la diferencia en las frecuencias génicas entre población donadora y receptora, mayor será el cambio que se producirá en las frecuencias génicas de la receptora. Aq es cero sólo cuando se detiene la migración (M = 0), o cuando se igualan las frecuencias génicas entre la población donadora y receptora (qM - q0 = 0). En este punto se alcanza el equilibrio. Mediante las fórmulas deducidas también podemos calcular la intensidad de la migración:

M=

∆q qM − q0

En Estados Unidos durante los siglos xviii y xix se introdujeron esclavos negros, la población blanca es tan grande que la introducción de genes negros produce cambios insignifican-

LOS GENES EN LAS POBLACIONES

tes en las frecuencias génicas. Sin embargo, podemos extender el concepto de migración a la introducción de genes (flujo génico) en una población desde otra y, en ese sentido, la población afroamericana mucho más reducida ha recibido influencia de los genes blancos. Es decir, podemos considerar a estos efectos que la población negra es la receptora. Glass y Li, en 1953, demostraron que la frecuencia del alelo R° del gen Rh tenía una frecuencia de 0,028 en americanos blancos y 0,446 en americanos negros. Para conocer la frecuencia del alelo R° en la población original podemos obtenerlas de las poblaciones africanas de donde eran originarios los esclavos (y suponer que no han cambiado en estos 300 años, aproximadamente 10 generaciones). En estas poblaciones la frecuencia de R° es 0,63. Es decir, la frecuencia del alelo se ha reducido en la población afroamericana probablemente como consecuencia de los cruzamientos con blancos en la que el alelo es mucho menos frecuente.

M10 =

∆q 0,446−0,028 = = 0,694 qM −q0 0,630−0,028

O sea el 69,4 % de los genes se han conservado desde la población original africana en la población afroamericana. Si tenemos en cuenta que esto ha ocurrido en 10 generaciones, en una generación:

M= 10 0,694 = 0,036

457

Lo que significa que, si no han intervenido otras fuentes de variación, un 3,6 % de los genes de la población afroamericana fueron introducidos desde la población blanca en cada generación. Si estos cálculos son extensibles al resto de genes podemos estimar que el 70 % de los genes de la población afroamericana son de origen africano y el 30 % blanco, aunque estudios más recientes indican que las tasas de migración fueron diferentes en distintas zonas de Estados Unidos, por lo que las proporciones variarán según las zonas.

Lecturas recomendadas Ayala, F. J. et al. (1980): Evolución Molecular, Ediciones Omega, Barcelona. Clarke, B. (1973): «Mutation and population size»,

Heredity, 31: 367-379. Charlesworth, D. y Wright. S. I. (2001): «Breeding systems and genome evolution», Current

Opinion in Genetics & Development, 11: 685690. Dobzhansky, T. et al. (1980): Evolución, Ediciones Omega, Barcelona. Falconer, D. S. (1964): Introduction to Quantitative Genetics, Oliver and Boyd. Londres. Felsenstein, J. (1976): «The theoretical population genetics of variable selection and migration»,

Ann. Rev. Genet., 10: 253-280. Lewontin, R. C. (1979): La base genética de la evolución, Ediciones Omega, Barcelona. Rosenberg, S. M. (1997): «Mutation for survival»,

Current Opinion in Genetics & Development, 7: 829-834.

Capítulo

35

Fuentes de variación (2) Juan José González Aguilera

1.

Selección 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.

2.

Selección Contra el Alelo Dominante Selección Contra el Alelo Recesivo Selección en Contra y a Favor de los Heterocigotos Selección Dependiente de la Frecuencia

Deriva Genética

Lecturas Recomendadas

460

GENÉTICA

1. Selección

La selección natural es la causa fundamental de la evolución de las especies. El término fue propuesto por Darwin por semejanza al de la selección (artificial) realizada por los criadores y mejoradores de plantas y animales que eligen como reproductores para generar la siguiente generación a los individuos más vigorosos, que más descendientes producen o que prefieran por unas características determinadas. Tal como veíamos en el capítulo anterior, uno de los postulados de la moderna teoría de la evolución se basa en la traducción a términos genéticos del principio darwiniano de «supervivencia de los más aptos», de manera que algunas formas tienen más éxito que otras en sobrevivir y reproducirse en un medio ambiente determinado y, es obvio, que si los portadores de un alelo determinado dejan más descendientes la frecuencia de este alelo irá aumentando en generaciones sucesivas. La selección natural es la causa más importante del cambio de las frecuencias génicas. Los procesos sistemáticos que hemos estudiado hasta ahora (mutación, recombinación y migración) son independientes de su posible valor adaptativo para la población. Sin embargo, la selección favorece los cambios que aumentan la adaptación de los individuos de la población (cambios adaptativos). Debido a la selección natural las frecuencias de los distintos tipos dentro de una especie cambiarán con el tiempo e irán produciendo mejoras en la adaptación de la especie. En los planteamientos que hemos tenido hasta ahora, hemos supuesto que todos los individuos de una generación contribuyen igualmente a la generación siguiente, pero esto no tiene por qué ser así, no todos los individuos tienen por qué ser igualmente fértiles o viables. Supongamos que los individuos de genotipo AA son más viables, es decir, tienen mayor probabilidad de desarrollarse, llegar a adultos, etc., que los individuos de otro geno tipo alternativo, por ejemplo aa; o que los portadores de un genotipo son más fértiles que los de otro, llegan antes a la edad reproductora y ésta se le prolonga durante más tiempo, o son más activos sexualmente. Cualquiera de estas ventajas o una combinación de varias, puede

conferir a los portadores de un genotipo una eficacia biológica superior a la de otros genotipos. La eficacia biológica (también conocida como valor adaptativo o fitness) se define como la capacidad reproductora o de supervivencia de un fenotipo (y por tanto de un genotipo) determinado. La forma de estimarla es ver la contribución proporcional de un genotipo a la formación de la progenie. Es importante tener en cuenta que el término está referido a una población y no a un individuo. Además, la eficacia biológica es una consecuencia de la relación de un genotipo con un ambiente determinado en el que los individuos de la población se desenvuelven. Un genotipo puede tener diferentes eficacias biológicas frente a diferentes ambientes o, lo que es lo mismo, frente a los cambios ambientales los genotipos pueden cambiar sus eficacias biológicas y genotipos con un fuerte coeficiente de selección en contra en un determinado ambiente pueden pasar a ser favorecidos en el nuevo ambiente originado tras el cambio. Consideremos individuos portadores de dos alelos diferentes de un gen en un ambiente determinado. Si los individuos con genotipo A dejan como promedio 100 descendientes, mientras que los de genotipo a dejan 70, estos últimos individuos tienen una reducción del 30 % de su éxito reproductivo en ese ambiente. Es decir, los individuos de genotipo A tienen una eficacia biológica (W) superior a los de genotipo a, y esta superioridad puede cuantificarse como sigue: Genotipo A ! 100 descendientes; Eficacia biológica WA = 100/100' = 1 Genotipo a ! 70 descendientes; Eficacia biológica Wa = 70/100! = 0,7.

!

Siendo cl numerador los descendientes producidos por el genotipo analizado y el denominador los descendientes del genotipo que mayor número produce.

LOS GENES EN LAS POBLACIONES

La fuerza que actúa sobre cada genotipo para reducir su valor adaptativo se define como coeficiente de selección [s], y su relación con la eficacia biológica queda establecida mediante la siguiente fórmula: W = 1 - s o s=1-W En el caso del ejemplo anterior el coeficiente de selección para el genotipo A sería: s=1-1=0 mientras que para el genotipo a sería: s = 1 - 0,7 = 0,3 o lo que es lo mismo, el genotipo a presenta un coeficiente de selección en contra s = 0,3. Cuando el coeficiente de selección alcanza el valor 1 entonces el gen es letal. La eficacia biológica predice cómo cambiarán las frecuencias génicas por efecto de la selección. Si la eficacia biológica es reducida para un genotipo, la selección actúa en contra de este genotipo de forma proporcional a la reducción que ha sufrido su contribución a la descendencia, y su frecuencia disminuirá. En último extremo la selección tenderá a eliminar uno de los alelos o conducirá a una situación de polimorfismo equilibrado que, como veremos más adelante, mantendrá simultáneamente en la población más de un alelo. El cambio en la frecuencia génica producido por la selección natural puede determinarse fácilmente y para ello consideraremos diferentes situaciones. La selección puede actuar tanto a nivel de los gametos (gametos con baja viabilidad o inviables) o de los cigotos, aunque para simplificar los cálculos que realizaremos y hacerlos más fácilmente comprensibles nos ceñiremos a la selección cigótica.

contra de manera más eficiente que contra un alelo recesivo. Supongamos una población que reúne las condiciones del equilibrio de Hardy-Weinberg para un alelo determinado, es decir, es suficientemente grande y los cruzamientos son al azar; el cambio en las frecuencias génicas será como se describe en la tabla 35.1. En el caso extremo de que el alelo dominante sea letal (s = 1), al sustituir en las fórmulas deducidas: ∆p =

-spq 2 1pq 2 -pq 2 = = 2 = -p 2 2 1- s - sq 1-1-1q -q

es decir, como el homocigoto dominante y el heterocigoto son letales el alelo desaparece en una sola generación. 1.2. SELECCIÓN CONTRA EL ALELO RECESIVO

Los alelos recesivos no se expresan en el heterocigoto por lo que éstos tendrán una eficacia biológica similar a la del homocigoto dominante y en este caso la selección actuará únicamente en contra del homocigoto recesivo. Para analizar el cambio en las frecuencias génicas que produce este tipo de selección, supondremos una población que reúne las condiciones del equilibrio de Hardy-Weinberg tal como hicimos para el caso de selección contra el alelo dominante (véase tabla 35.2). ¿Qué ocurrirá en el caso de que el homocigoto recesivo sea letal? ¿Desaparecerá en una generación como ocurría en el caso de un alelo dominante letal? En este caso el coeficiente de selección es s = 1, es decir, su eficacia biológica sería W = 1 - s = 0 y las nuevas frecuencias génicas tras una generación actuando la selección serían: qs =

1.1. SELECCIÓN CONTRA EL ALELO DOMINANTE

=

Los alelos dominantes se expresan en los heterocigotos por lo que la selección, al no estar enmascarado su efecto, podrá actuar en su

461

q - sq 2 q - q 2 q(1- q) = = = 1- sq 2 1- q 2 (1+ sq)(1- q)

q 1- q

462

GENÉTICA Tabla 35.1

y el cambio en las frecuencias génicas

∆ q:

q - sq 2 -spq 2 -pq 2 -q = ∆p = = = 1- sq 2 1- sq 2 1- q -(1- q)q 2 -q 2 = = (1+ q)(1- q) 1+ q En este caso el alelo no desaparece en una generación, sino que la tasa de disminución del alelo a (Aq) se irá haciendo más pequeña a medida que el alelo vaya desapareciendo de la población (su frecuencia q se hace más pequeña). Es decir, la eliminación de un alelo recesivo letal mediante selección es un proceso muy lento que puede extenderse a lo largo de

miles de generaciones.

1.3.

SELECCIÓN EN CONTRA Y A FAVOR DE LOS HETEROCIGOTOS

De la actuación de la selección contra un alelo dominante o contra uno recesivo podemos deducir que el proceso de cambio en las frecuencias se detendrá [Ap = 0 o Aq = 0] cuando el alelo sobre el que actúa la selección desaparece [p = 0 o q = 0] y con él, el proceso selectivo. Sin embargo, en determinadas condiciones puede llegarse a un equilibrio de manera que Ap = 0 o Aq = 0, sin que las frecuencias de A (p) o a (q) lleguen a ser cero. Esta situación se puede alcanzar por dos vías alternativas:

LOS GENES EN LAS POBLACIONES

463

Tabla 35.2.

1.3.1.

Selección en contra de los heterocigotos (Inferioridad

al alcanzar el equilibrio [Aq = 0] las frecuencias de los alelos no serán iguales [p 9'- q].

de los heterocigotos o infi•adominacia)

Cuando los heterocigotos tienen una eficacia biológica inferior a la de ambos homocigotos, es decir, hay una selección en contra de los heterocigotos. Este es el caso de los heterocigotos para reordenaciones cromosómicas, pues presentan una fertilidad baja, tal como se analizó en el capítulo correspondiente. Para que esto ocurra, además, la eficacia biológica de ambos alelos debe ser igual [ WAA = Waa > WAa],. y se alcanzará un equilibrio [Aq = 0] cuando se igualen las frecuencias de los dos alelos [p = q]. No obstante, en los casos en que los dos homocigotos tengan eficacias biológicas diferentes, aunque superiores a los heterocigotos [WAA = Waa > WAa],

1.3.2. Selección a favor de los heterocigotos (Superioridad de los heterocigotos, sobredominancia o heterosis)

Cuando hay una superioridad en la eficacia biológica de los heterocigotos respecto a ambos homocigotos [WAa > Waa = o # WAA], o 10 que es lo mismo cuando la selección favorece a los heterocigotos. En este caso también puede llegarse a un equilibrio en el que [Aq = 0], y a este equilibrio estable se le denomina polimorfismo equilibrado, en el que se mantienen las frecuencias de los dos alelos p y q equilibradas. Un caso extremo de heterosis es el de los letales equilibrados, en el que ambos alelos en homocigosis son letales [WAA = Waa = 0] y sólo

464

GENÉTICA

--- Cy ----- Pm+ ------ --- Cy+ ----- Pm -------- Cy ----- Pm+ ------ --- Cy+ ----- Pm -----Letal Letal

el heterocigoto es viable, por ejemplo los mutantes Curly (Cy) y Plum (Pm) de Drosophila (véase esquema).

1.4. SELECCIÓN DEPENDIENTE DE LA FRECUENCIA

Los casos de selección analizados hasta ahora dependían exclusivamente de la eficacia biológica de los distintos genotipos. Sin embargo, la selección también puede actuar dependiendo de la frecuencia de los genotipos en la población y en estos casos también puede alcanzarse una situación de polimorfismo equilibrado sin necesidad de heterosis. Una situación típica de este tipo de selección es la que establece un predador sobre sus presas. Supongamos que unos pájaros se alimentan de mariposas, y que éstas poseen unos alelos que le producen diferentes patrones de coloración que el predador ve de forma preferencial. Inicialmente los pájaros podrán cazar las más abundantes, por ejemplo las de patrón A,, porque las encontrarán con más frecuencia. Los pájaros se acostumbrarán a capturar mariposas con este patrón, de manera que producirán una disminución en su número hasta mermar sensiblemente la población. Mientras tanto, las mariposas con patrón A2, menos abundantes, estarán sometidas a una depredación mucho menos intensa, por lo que su número aumentará notablemente. Cuando el patrón A2 sea muy abundante y el A, escaso, la relación con el depredador se invertirá y los pájaros comenzarán a cazar mariposas con patrón A2, ante la ausencia de las de patrón A,. Es decir, las mariposas menos frecuentes tendrán en ese momento una eficacia biológica mayor, con una mayor supervivencia y, a medida que su frecuencia aumente, irá disminuyendo su eficacia biológica al disminuir su supervivencia. En consecuencia la eficacia biológica depende negativamente de la frecuencia del alelo en la población. Se conocen también ejemplos en los que la

--- Cy ----- Pm+ -------- Cy+ ---- Pm ------Viable

eficacia biológica depende positivamente de la frecuencia; esta situación suele darse en la competencia entre diferentes predadores, de manera que cuanto más abundante es un predador más descendencia deja y mejor compite contra otro que esté en menor frecuencia. Este tipo de selección mantendrá en la población ambos alelos en un equilibrio dinámico. 2. Deriva genética

En las poblaciones grandes la muestra de genes que pasa a la generación siguiente es más o menos constante, pero en poblaciones pequeñas la muestra puede no ser representativa de la generalidad de la población, lo que originaría un error de muestreo y la desviación de las frecuencias génicas en cualquier sentido, por lo que tenderá a fijarse aleatoriamente alguno de los alelos. Estos efectos de muestreo producidos por el azar se denominan deriva genética. La deriva genética es un factor que disminuye la variación genética existente en las poblaciones y la magnitud de su efecto es inversamente proporcional al tamaño de la población: cuanto más pequeña es la población mayor es su efecto. El efecto que produce la deriva genética sobre las frecuencias génicas puede ejemplificarse si consideramos las caras de una moneda como los alelos de un gen. Si lanzamos una moneda al aire un millón de veces, obtendremos una frecuencia muy aproximada del 50 % de cara y el 50 % de cruz. Es decir, la frecuencia del alelo cara en esta población de un millón de individuos sería 0,5, igualmente la frecuencia del alelo cruz en esta población grande sería 0,5. Sin embargo, sabemos por experiencia que si lanzamos la moneda al aire sólo diez veces el resultado es muy azaroso y, es fácil que, por ejemplo, nos salgan siete caras y tres cruces. Es decir, en esta población pequeña de diez individuos, las frecuencias génicas iniciales (cara = 0,5; cruz = 0,5) se nos han desviado

LOS GENES EN LAS POBLACIONES

a 0,7 y 0,3 respectivamente, no porque la moneda esté pesada hacia una de las caras (selección a favor de uno de los alelos) sino por efectos del azar. Aunque conocemos la magnitud del cambio producido sobre las frecuencias génicas, por su efecto aleatorio es impredecible su dirección (no sabemos hacia cuál de las caras de la moneda). La deriva genética conduce a lo largo de las generaciones a una pérdida de variabilidad y, por tanto, a la homocigosis en las poblaciones pequeñas que la experimentan y a la fijación de alelos diferentes a los que se fijan en poblaciones grandes, con lo cual conduce a una divergencia entre poblaciones y finalmente a especiación. La deriva genética también actúa cuando una población reduce mucho su efectivo, por ejemplo debido a un cambio medioambiental adverso, pasando la población lo que se denomina un cuello de botella. En ese momento el número de individuos de la población es pequeño y susceptible, por tanto, de sufrir los efectos de muestreo descritos. Otra situación favorable para la actuación de la deriva genética es el efecto fundador. La colonización de nuevos territorios, por ejemplo islas, se lleva a cabo por unos cuantos individuos procedentes de una población grande continental. Los pocos individuos que comienzan la nueva colonia representan una muestra aleatoria de los genes de la población original, conduciendo a una divergencia de las frecuen cias alélicas y finalmente de los alelos fijados

465

respecto a la población original por efecto de la deriva genética. Uno de los ejemplos mejor conocido es el descrito por Darwin sobre la especiación de los pinzones en las islas Galápagos. Los pinzones llegaron a estas islas desde el continente suramericano y los descendientes de los colonizadores originales se extendieron por las 29 islas que componen el archipiélago, sufriendo una divergencia genética entre ellas debido a la deriva genética, llegando en muchos casos a la formación de nuevas especies.

Lecturas recomendadas

Ayala, F. J. et al. (1980): Evolución Molecular, Edi ciones Omega, Barcelona. Clarke, B. (1972): «Density-dependent selection», Am. Nat., 106: 1-13. Dobzhansky, T. et al. (1980): Evolución, Ediciones Omega, Barcelona. Falconer, D. S. (1964): Introduction to Quantitative Genetics, Oliver and Boyd, Londres. Kimura, M. (1955): «Solution of a process of ran dom genetic drift with a continuous model», Proc. Nat. Acad. Sci., USA, 41: 144-150. Lewontin, R. C. (1979): La base genética de la evolución,Ediciones Omega, Barcelona. Mayr, E. (1963): Animal species and evolution,

Harvard University Press, Mass. Wallace, B.: «Fifty years of genetic load», J. He red., 78: 134-142.

Weyl, N. (1979): «Some genetic aspects of plantation slavery», Perspect. Biol. Med., 13: 618-625.

Capítulo

36

Genética evolutiva Juan José González Aguilera

1.

Teorías Evolutivas

2.

Divergencia de las Poblaciones

3.

El Proceso de Especiación

4.

La Evolución a Nivel Molecular

Lecturas Recomendadas

468

GENÉTICA

En los capítulos precedentes hemos analizado la transmisión de la información genética en las poblaciones a través de las generaciones y las fuerzas que la hacen cambiar a lo largo del tiempo. La genética evolutiva, estrechamente emparentada con la de poblaciones, analiza la herencia en cualquier población, sea o no de la misma especie. En este capítulo analizaremos cómo la diferenciación de las poblaciones conduce a la formación de nuevas especies a lo largo del proceso evolutivo. 1. Teorías evolutivas

La moderna teoría de la evolución, también conocida como teoría sintética de la evolución o teoría neodarwinista, supone una revisión de la teoría de Darwin y nace como síntesis de los conocimientos alcanzados en tres disciplinas: Genética, Sistemática y Paleontología. La moderna teoría se fundamenta, como la de Darwin, en el principio de selección natural como causa fundamental de la evolución de las especies. Sin embargo, actualiza los conocimientos sobre la herencia rechazando el principio lamarckiano de la herencia de los caracteres adquiridos, de manera que las variaciones sobre las que actúa la selección se heredan según las leyes de Mendel. En un principio, gracias a las aportaciones del genetista T. Dobzhansky (1937), la teoría sintética rechaza el saltacionismo (teoría que mantenía la formación de nuevas especies por saltos bruscos debidos a mutaciones que producirían cambios drásticos en los organismos) y lo sustituye por el gradualismo: las variaciones implicadas en el proceso evolutivo son pequeñas; la evolución, por tanto, consistiría en un cambio progresivo en la composición genética de las poblaciones. Estas pequeñas variaciones serían los distintos alelos de un gen que se originan por pequeñas mutaciones, de manera que los individuos portarán distintas combinaciones alélicas en los distintos genes. No todas las combinaciones tendrán el mismo valor adaptativo y algunas proporcionarán ventajas a sus portadores en un medio ambiente determinado, por lo que en las siguientes generaciones estas combinaciones

serán más frecuentes. A lo largo del tiempo, los alelos que aumentan la eficacia biológica de sus portadores tenderán a fijarse en la población, por lo que se habrá producido un cambio en la constitución genética de la misma que llegará a ser muy diferente de la población inicial e incluso originar una nueva especie. La contribución de la genética a la teoría de Darwin se vio apoyada y enriquecida por la aportación de la sistemática. El botánico L. Stebbins (1950) y, posteriormente, el zoólogo E. Mayr (1963) corroboraron la variación geográfica de las especies (debida a diferencias en la constitución genética). Además, establecieron el concepto biológico de especie y el de especiación alopátrica, que esclarecían los mecanismos de formación de nuevas especies. Con este nuevo punto de vista, una especie se consideraba un conjunto de poblaciones naturales capaces de reproducirse entre ellas pero aisladas reproductivamente de las demás, es decir, incapaces de realizar intercambios génicos con poblaciones de otras especies. Las poblaciones más alejadas geográficamente estarán sometidas a condiciones medioambientales diferentes, por lo que presentarán caracteres adaptativos diferentes, originándose una variación geográfica intraespecífica (razas geográficas). Si una de estas razas alejadas llega a aislarse geográficamente por algún fenómeno natural, se interrumpirá el flujo génico con el resto de la especie; comenzará entonces una divergencia gradual hasta llegar a ser tan diferente que no pueda cruzarse y originar descendencia con los individuos de la población original llegando, por tanto, a constituir una nueva especie. A este mecanismo de especiación, en localidades diferentes, se le denomina alopátrica. La paleontología corroboraba también lo establecido por las otras disciplinas y en este sentido G. G. Simpson (1953) verifica en el registro fósil el gradualismo al analizar la filogenia de los équidos. En sus estudios observa que cambios pequeños que aparecen en las poblaciones se van extendiendo a otras poblaciones en periodos geológicos sucesivos, conduciendo a la diferenciación gradual de nuevas especies a partir de las ancestrales. Sus análisis le llevan a la conclusión de que la historia de la

LOS GENES EN LAS POBLACIONES

vida revelada por el registro fósiles compatible con una evolución basada en mutaciones genéticas sobre las que actuaría la selección. En 1957 J. B. S. Haldane argumentó matemáticamente que para transformar una especie en otra no podían sustituirse más de una docena de genes, pues si el número era mayor la disminución del número efectivo de individuos en la población (al tener muchos de ellos una eficacia biológica menor) conduciría inexorablemente a la extinción de la población. Como es bien conocido las especies, aun aquellas muy próximas filogenéticamente, difieren entre ellas en cientos o miles de genes. Por tanto, para evitar la extinción de la especie, la sustitución de genes debería realizarse a un ritmo muy lento, lo que conduciría a un proceso evolutivo extremadamente lento, que no se da en el mundo real. En definitiva la evolución basada en la sustitución de genes por otros más aptos resultaba matemáticamente imposible (Dilema de Haldane). La solución más acertada a este dilema fue propuesta por M. Kimura en 1968 al proponer que en la transformación de una especie en otra, efectivamente, no podían reemplazarse más de una docena de genes por la actuación de la selección natural y el resto de genes se sustituirían por azar. Los genes sustituidos por el azar tendrían valores adaptativos similares, es decir, serían selectivamente neutros (Teoría neutralista). Los estudios realizados por R. C. Lewontin en 1966 sobre los polimorfismos enzimáticos pusieron de manifiesto una alta tasa de heterogeneidad genética en las poblaciones que desembocaba nuevamente en el dilema de Haldane y confirmaba la existencia de multitud de alelos selectivamente neutros. El gradualismo, inicialmente mantenido por la teoría sintética, posteriormente fue ampliado por la posibilidad de aparición de especies nacidas bruscamente, por salto, mediante una revolución de su patrimonio genético (saltacionismo). En este sentido los estudios de H. Lewis, realizados en 1966 en las especies de plantas del género Clarkia, demostraban que las reordenaciones cromosómicas (translocaciones e inversiones) ocurridas en la periferia de una población ancestral habían conducido a

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la formación de nuevas especies, pues la existencia de estas nuevas ordenaciones cromosómicas disminuían drásticamente la fertilidad de los cruzamientos entre portadores y no portadores de la reordenación (tal como analizamos en el capítulo dedicado a las reordenaciones cromosómicas), por lo que los individuos portadores quedan aislados reproductivamente del resto, lo que abre también la posibilidad de la especiación simpátrica (en la misma localidad). Este modelo de especiación a través de reordenaciones cromosómicas, sin necesidad de una divergencia gradual, ha podido ser demostrado posteriormente en otras muchas especies de plantas y animales. En 1972 los paleontólogos N. Eldredge y S. J. Gould (recientemente fallecido) en sus estudios de la evolución del género Trilobites han corroborado la existencia del saltacionismo en el registro fósil. Estos autores demostraron que cada especie permanecía estable durante millones de años (periodo de éstasis: ausencia de evolución) para luego ser reemplazada bruscamente por otra que muestra claras diferencias con la anterior; a este tipo de evolución se le denomina de equilibrios intermitentes. 2. Divergencia de las poblaciones

Ya hemos analizado los diferentes procesos que pueden actuar sobre las poblaciones y que en definitiva producirán las variaciones en las frecuencias génicas que se reconocen en el proceso evolutivo (Mutación, Recombinación, Migración, Selección y Deriva). La variación genética intra e interpoblacional se debe a la acción simultánea de todas estas fuerzas, de manera que existe un equilibrio entre las fuerzas que mantienen o incrementan la variabilidad dentro de las poblaciones y, por tanto, impiden la divergencia entre poblaciones, y aquellas que producen una divergencia entre las poblaciones, reduciendo la variabilidad y promoviendo la homocigosis. En la tabla 36.1 se resumen el efecto sobre la variabilidad y la divergencia de las distintas fuerzas que actúan sobre las poblaciones.

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GENÉTICA Tabla 36.1. Efecto sobre la variabilidad y la divergencia de las distintas fuerzas que actúan sobre las poblaciones

Como puede observarse la selección natural puede tener los dos tipos de efectos descritos, pues, independientemente de sobre qué genotipos realice su efecto tal como vimos en el capítulo anterior, la selección funciona sobre las poblaciones naturales de formas diversas y con consecuencias diferentes pudiendo distinguirse varios tipos de selección: Estabilizadora, Direccional y Dispersiva. La Selección Estabilizadora o Normaliza dora elimina de la población las formas extremas seleccionando favorablemente los individuos bien adaptados a las condiciones ambientales en que se desenvuelve la población (fig. 36.1). Este tipo de selección disminuye la variación en las poblaciones y es la más frecuente en la naturaleza. Un ejemplo clásico en la especie humana es la selección que ha existido hacia un peso medio de los niños al nacer (alrededor de los 3,5 kg), de manera que los niños que nacen con un peso muy por debajo o muy por encima de esta media están seleccionados en contra, con menores posibilidades de supervivencia perinatal.

Fig. 36.1. Selección estabilizadora

La generación de variabilidad genética en la población tiene indudables ventajas, sin embargo, los individuos cuyos genotipos no alcanzan la norma poblacional constituyen lo que se denomina lastre genético, pues son individuos que no tienen una eficacia biológica óptima y, sin embargo, consumen recursos, sin que la selección normalizadora los elimine de la población. Este lastre genético, no obstante, resulta en muchos casos imprescindible para la supervivencia de la población, pues mientras el ambiente es estable los individuos que cumplen la norma son los mejor adaptados, sin embargo ante un cambio medioambiental brusco todos estos individuos tendrán una eficacia biológica muy baja y serán eliminados, por lo que la población corre el riesgo de extinguirse a no ser que, entre las variantes fenotípicas que constituyen el lastre genético, existan individuos capaces de adaptarse a las nuevas condiciones, por lo que en ese momento comenzaría a actuar otro tipo de selección, la direccional. En definitiva en el lastre genético de una población se mantienen individuos que, en muchos casos, aseguran la supervivencia de la población ante cambios del medio ambiente. La Selección Direccional se manifiesta por actuar en contra de una de las variantes produciéndose un cambio progresivo en la composición genética de la población al promover la fijación de una variante, en detrimento de la que se selecciona en contra que desaparecerá de la población a lo largo de generaciones sucesivas (fig. 36.2). Este tipo de selección promueve la divergencia de poblaciones y ha resultado de crucial importancia en la evolución cuando

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Fig. 36.2. Selección direccional.

existen cambios medioambientales, y únicamente los fenotipos extremos son capaces de adaptarse a las nuevas condiciones. Un ejemplo claro del efecto de esta selección es el melanismo industrial de la mariposa Biston betularia. Esta mariposa en estado silvestre tiene una forma clara y tiene el hábito de posarse sobre los troncos de los árboles. En algunas regiones industriales de Gran Bretaña, los troncos de los árboles están ennegrecidos por el hollín y las mariposas claras destacan sobre el tronco, con lo cual resultan presa fácil para los pájaros que se alimentan de ellas (selección en contra). En tan sólo cincuenta años las formas claras han sido sustituidas por oscuras en estas regiones, pues estas formas oscuras se confunden con el color del tronco y pasan desapercibidas para sus predadores. En las regiones no industrializadas actúa sobre la mariposa una selección estabilizadora, promoviendo la norma (color claro) frente a variantes extremas (color oscuro) que presentan una presión de selección en contra al ser fácilmente visibles sobre los troncos claros. La Selección Dispersiva o Diversificadora actúa de forma contrapuesta a la selección normalizadora, favoreciendo las variantes extremas y eliminando los individuos con genotipos medios, por lo que conduce al mantenimiento de una situación de polimorfismo en la que se mantienen simultáneamente diferentes variantes (tal como analizamos en el capítulo anterior: superioridad de los heterocigotos), o bien a la fragmentación de la población original en razas diferentes, de manera que promueve la divergencia entre poblaciones (fig. 36.3).

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Fig. 36.3. Selección dispersiva.

3. El proceso de especiación

Una especie es un conjunto de poblaciones naturales capaces de reproducirse entre ellas pero aisladas reproductivamente de las demás, es decir, incapaces de realizar intercambios génicos con poblaciones de otras especies (Concepto biológico de especie, E. Mayr). Dentro de una especie, debido a la divergencia genética entre poblaciones, pueden distinguirse razas geográficas o variantes locales. Estas razas están constituidas por poblaciones claramente diferentes en cuanto a sus frecuencias génicas, como resultado de la actuación de las diferentes fuerzas selectivas o la deriva genética, pero aún conservan la posibilidad de intercambios de genes con la población original. Las diferencias entre las razas pueden acentuarse hasta llegar un momento en que la reproducción sea imposible, es decir se alcanza un aislamiento reproductivo y la raza alcanza la categoría de especie. Así pues, un punto clave en la constitución de una especie es el establecimiento de un aislamiento reproductivo y éste puede alcanzarse por diferentes vías: - Mecanismos de aislamiento precigóticos: Impiden el apareamiento, la fecundación y la formación de cigotos. Pueden ser de distintos tipos: • Fisiológicos o inmunológicos: Los gametos son incompatibles con el tracto reproductivo extraño, dando lugar a la mortalidad de los mismos.

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• Mecánico: No se consigue la fecundación debido a la diferente estructura de los órganos genitales. • Sexual o de comportamiento (etológico): Los patrones de cortejo son diferentes evitando el apareamiento (se restringe a los animales). • Estacional o temporal: No puede producirse la fecundación porque los individuos de las dos poblaciones maduran sexualmente o florecen en distintas épocas. • Geográfico o ecológico: Las poblaciones están aisladas por una barrera geográfica natural (río, montaña, etc.) o aún viviendo en la misma localidad ocupan hábitats diferentes.

- Mecanismos de aislamiento poscigóticos: Aunque es posible el apareamiento, la fecundación y la formación de cigotos, éstos no son viables o son estériles, de manera que no pueden contribuir a la formación de la siguiente generación. Pueden ser de distintos tipos: • Mortalidad de los cigotos: El óvulo es fecundado por el espermatozoide o polen pero el cigoto no se desarrolla, muriendo prematuramente. • Inviabilidad de los híbridos: Los cigotos se desarrollan pero el híbrido es inviable y muere antes de la madurez sexual. • Esterilidad de los híbridos: Los híbridos son viables pero son incapaces de reproducirse o estériles. Pueden reducirse a uno de los sexos. • Esterilidad de la descendencia de los híbridos: Los híbridos se desarrollan y son viables pero los cruzamientos entre híbridos o con uno de los parentales son inviables o estériles.

En la naturaleza las barreras de aislamiento entre las especies no se reducen a un solo tipo sino que son varios los mecanismos de aislamiento reproductor que se establecen simultáneamente. En general, los mecanismos de aislamiento más efectivos son los precigóticos, mientras que los poscigóticos son menos efectivos y costosos para la población pues suponen una pérdida de energía y recursos. Se han propuesto diferentes modelos de especiación, alguno de los cuales se han comen

tado sucintamente al comienzo de este capítulo, aunque todos ellos tienen en común el establecimiento de un aislamiento reproductivo. Se reconocen dos modelos principales de especiación: Especiación alopátrica: es probablemente el mecanismo más frecuente de formación de nuevas especies. Las poblaciones grandes están extendidas geográficamente y, por tanto, sometidas a ambientes diversos. Esto conduce a la existencia de distintas fuerzas selectivas en los diferentes ambientes por lo que se producirán adaptaciones locales. Esta divergencia adaptativa en el seno de la población conducirá a la formación de razas o subespecies que mantienen la potencialidad de reproducirse entre ellas, aunque en la práctica no lo hagan, pues los cruzamientos se realizarán preferentemente entre individuos pertenecientes a la misma raza geográfica, por lo que el flujo génico se restringe a los individuos de la misma raza. Si en este momento se establece una barrera geográfica accidental (crecida de un río, un glacial, etc.) las poblaciones quedarán aisladas geográficamente, en alopatría (diferentes localidades). La barrera geográfica impedirá, de una forma efectiva, el intercambio de genes con la población original al impedir el contacto entre las poblaciones, por lo que comenzará una divergencia en los genotipos y sus frecuencias y, probablemente, el desarrollo de mecanismos de aislamiento pre o poscigóticos que impedirán definitivamente el flujo génico entre ellas, aunque puedan ponerse nuevamente en contacto, originando una nueva especie. Especiación simpátrica: este tipo de especiación se da sin necesidad de establecer una barrera de aislamiento geográfico. Tal como analizábamos al principio del capítulo, la aparición de reordenaciones cromosómicas puede establecer una barrera de aislamiento reproductivo poscigótico, baja fertilidad de los híbridos (heterocigotos de reordenación), por lo que homocigotos normales y homocigotos reordenados quedarán aislados reproductivamente en simpatría (en la misma localidad), impidiéndose el flujo génico. En este momento puede iniciarse un proceso de divergencia en-

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tre ambos tipos de homocigotos (normales y reordenados) tal como ocurre en las especies del género Clarkia. 4. La evolución a nivel molecular

La similitud en las células de todos los organismos conocidos, en cuanto a procesos genéticos, bioquímica y orgánulos subcelulares, sugiere que la amplia variedad de formas de vida que existen actualmente provienen de una «célula original» que surgió al comienzo de la vida. No existen evidencias fósiles de los albores de la vida, pero puede deducirse que comenzó a partir de una molécula con capacidad de contener información y de autorreplicarse, suficientemente simple como para poder formarse de una manera espontánea. Actualmente parece claro que esta molécula primordial pudo ser de ARN, pues además de cumplir las características reseñadas tiene la posibilidad de plegarse y desempeñar actividades catalíticas, por ello se denomina a esta vida primitiva, el mundo ARN. El hecho de que todos los organismos vivos compartan las cuatro bases (A, U, G, C) en su ARN, nos induce a pensar en un único origen de toda la información genética. No obstante, el ARN es una molécula relativamente inestable por lo que a lo largo del proceso evolutivo debió evolucionar hacia una molécula más estable como es el ADN. Se piensa que las primeras células, originadas en altas temperaturas volcánicas, estarían constituidas por una membrana que rodearía la molécula de ARN. Los representantes actuales de estas formas primitivas, las arqueobacterias, son organismos unicelulares que contienen en su material genético genes fuertemente empaquetados carentes de intrones. Los intrones aparecieron con los eucariotas; estos organismos fueron capaces de incorporar orgánulos intracelulares, y evolucionaron hacia la compartimentalización del interior de la célula, aislando en el núcleo el material que contenía la información genética. Posteriormente en esta misma línea evolutiva aparecerían los organismos pluricelulares. A lo largo de este proceso la cantidad de material genético se ha ido incre-

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mentando para asumir funciones cada vez más complejas. En la base de todo el proceso evolutivo se encuentran los cambios en el material genético; basta recordar que las variantes sobre las que actúa la selección son el resultado de mutaciones en el ADN. Las mutaciones ocurren al azar y pueden ser favorables, neutrales o deletéreas para los individuos que las portan. En este sentido, es necesario tener en cuenta que, por ejemplo, en los organismos superiores las regiones reguladoras y codificantes del ADN suponen una fracción muy pequeña de su genoma (5-10 %), por lo que la mayoría de las mutaciones ocurrirán fuera de estas regiones y, por tanto, no afectarán a la eficacia biológica de los individuos por lo que resultarán selectivamente neutras. Las mutaciones que afecten a la expresión de los genes pueden ser beneficiosas, en cuyo caso serán favorecidas por la selección, o deletéreas presentando una selección en contra, por lo que en las generaciones sucesivas reducirán su frecuencia en la población y finalmente desaparecerán, a no ser que exista una superioridad de los heterocigotos en cuyo caso se mantendrán en equilibrio, aunque con baja frecuencia. El aumento en el tamaño del genoma, que ha acompañado al aumento de complejidad de los organismos, ha tenido lugar a través de duplicaciones que han dado como consecuencia la aparición de nuevos genes tal como quedó demostrado en el capítulo de reordenaciones cromosómicas, pues al ocurrir una duplicación una de las copias del gen seguirá desempeñando su función, mientras que la otra (redundante) podrá acumular mutaciones de manera que se constituirá en un laboratorio de experimentación para la creación de nuevos genes y funciones. En un principio la supervivencia de la duplicación en el individuo que se produce es una mera cuestión de azar y, si una mutación silencia (por alteración de las regiones reguladoras o las codificantes) uno de los genes redundantes éste se convierte en un pseudo gen, que resultará selectivamente neutro y, por tanto, se transmitirá por azar (deriva genética) pudiendo desaparecer o aumentar su frecuencia a través de este proceso.

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Los pseudogenes, al no sufrir presión selectiva, acumularán mutaciones a lo largo de las sucesivas generaciones pudiendo diferenciarse tanto del original que resulte imposible reconocer su origen. Eventualmente, estas mutaciones al azar podrán hacer que se convierta en un nuevo gen con una nueva función que sea beneficiosa para el individuo que la porte y, por tanto, sea favorecida por la selección (véase evolución de los genes de las globinas). Los datos moleculares sobre proteínas y ADN proporcionan a los evolucionistas un reloj molecular, que les permite trazar genealogías con gran fiabilidad. Las tasas de cambios en las secuencias de aminoácidos en las proteínas y de nucleótidos en el ADN son aproximadamente, aunque no en todos los casos, similares en las diferentes líneas evolutivas, lo que permite establecer una buena estimación de la época de separación de las especies y, junto a los datos morfológicos, bioquímicos, paleontológicos, etc., establecer árboles filogenéticos. Lecturas recomendadas Ayala, F. J. et al. (1980): EvoluciónMolecular, Ediciones Omega, Barcelona. Brakefield, P. M. (1987): «Industrial melanism: do we vave all the answer», Trends. Ecol. Evol., 2: 117-122. Brown, M. H (1990): The search for Eve, Harper and Row, Nueva York. Cherry, J. L. et al. (2002). «Islands, Equilibria, and Speciation», Science, 10, 296: 975. Darwin, C. (1845): The voyage fo the Beagle, Ed. Garden City, 1962, Nueva York. Dieckmsnn, U. y Doebeli, M. (1999): «On the origin of species by sympatric speciation», Nature, 400, 354-357. Doolittle, W. F. (1999): «Phylogenetic Classification and the Universal Tree», Science, 284: 2.124-2.128. Dobzhansky, T. (1951): Genetics and the Origin of species, Columbia University Press, Nueva .

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Impreso en el mes de noviembre de 2002 en GAYBAN GRÁFIC, S. L. Almirante Oquendo, 1 08020 Barcelona

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