Aunque la estudiemos después de la genética molecular, la genética clásica o mendeliana es anterior y gran parte de sus descubrimientos fueron anteriores a los descubrimientos sobre la naturaleza del material biológico y los mecanismos moleculares y citológicos que hemos estudiado.
1. Conceptos básicos en genética
a) Genética: Ciencia que estudia la herencia biológica, es decir, la transmisión de los caracteres morfológicos y fisiológicos que pasan de un ser vivo a sus descendientes.
b) Genética Mendeliana: Es el estudio de la herencia biológica mediante experimentos de reproducción. Intenta averiguar cual es la información biológica de los individuos a partir de las proporciones matemáticas en que se hereda cada carácter.
c) Genética molecular: Estudio de las moléculas que contienen la información biológica y de los procesos bioquímicos de su transmisión. A partir de esa información se deducen cómo serán los caracteres.
d) Gen: Es la unidad de material hereditario. Es un fragmento de ácido nucleico que lleva información para un carácter. Corresponde a lo que Mendel denominó factor hereditario.
e) Gen dominante: Gen que determina el carácter que se manifiesta en un individuo heterocigótico. Los alelos dominantes se representan con una letra mayúscula.
f) Gen recesivo: Gen que sólo se expresa en un individuo homocigótico. El alelo recesivo no se manifiesta si está presente el otro alelo dominante. Se representa con la misma letra que el dominante, pero en minúscula. El hecho de que un alelo sea recesivo significa que solo se manifiesta cuando el individuo presenta dos copias similares del mismo alelo (es decir, homocigótico). Si el individuo es heterocigótico, la expresión de dicho alelo quedará oculta por el alelo dominante.
g) Genoma: conjunto de genes que están contenidos en los cromosomas. El genoma en los seres eucarióticos comprende el ADN contenido en el núcleo, organizado en cromosomas, y el genoma de orgánulos celulares como las mitocondrias y los plastos; en los seres procarióticos comprende el ADN de su nucleoide.
h) Locus: Lugar que ocupa un gen en el cromosoma. El plural de locus es loci. En un locus de un haploide hay un solo gen, en el de un diploide dos, etc.
i) Alelo: Cada uno de los diferentes genes que pueden estar en un mismo locus. Controlan los mismos caracteres. Si hay muchos se dice que forman una serie alélica. A los diferentes alelos se les denomina también factores antagónicos. Los alelos se sitúan en los cromosomas homólogos.
j) Cromosomas homólogos: Son aquellos que tienen los mismos loci, se pueden agrupar pues por parejas, tríos, tétradas, etc., dependiendo de que el organismo sea diploide (2n), triploide (3n), tetraploide (4n) etc.
k) Alelos letales: Son los que poseen una información para un carácter tan importante que sin él se muere. Suelen ser recesivos por lo que solo se manifiestan en homocigosis.
l) Carácter: Cada una de las particularidades morfológicas y fisiológicas de un ser vivo. Un carácter se puede manifestar de formas distintas. Ejemplo: ojos azules, verdes, etc.
m) Carácter cualitativo: Se tiene o no.
n) Carácter cuantitativo: El que presenta una variación continua en la población.
o) Carácter específico: El que es propio de una especie. Por ejemplo, tener pelos o cuernos.
p) Carácter particular: El que es propio de un individuo. Por ejemplo tener las antenas más largas o más cortas en una especie de insectos.
q) Carácter autosómico: carácter determinado por un gen localizado en uno de los cromosomas no sexuales del individuo.
r) Genotipo: Conjunto de genes presentes en un organismo.
s) Fenotipo: Conjunto de caracteres observables en un organismo. Dependen del genotipo y de la acción ambiental.
Genotipo + Acción ambiental = Fenotipo
Ejemplo: El color de la piel viene determinado por el genotipo y también por el grado de insolación.
t) Diploide: Individuo que para cada carácter posee dos genes, que pueden ser iguales o distintos, pudiendo manifestarse ambos o que uno impida la expresión de otro.
u) Haploide: Individuo que para cada carácter solo posee un gen.
v) Heterocigoto o híbrido; Individuo que para un carácter posee dos alelos diferentes.
w) Homocigoto o raza pura; individuo que para un carácter posee dos alelos iguales.
x) Dihíbridos: Individuos heterocigóticos para dos pares de genes.
y) Polihíbridos: Individuos heterocigóticos para muchos pares de genes.
z) Herencia dominante: Se da cuando un alelo, llamado dominante, no deja manifestarse al otro, llamado recesivo, cuando se encuentran en heterocigocis. (Ejemplo: color de la semilla del guisante Pisum sativum).
aa) Herencia codominante: Se da cuando los alelos son equipotenciales. En los híbridos se manifiestan los dos caracteres. (Ejemplo: grupos sanguíneos A, B, y AB).
ab) Herencia intermedia: Se da cuando uno de los alelos muestra una dominancia incompleta sobre el otro, así los híbridos tienen un fenotipo intermedio entre las dos razas puras (Ejemplo: flores de Mirabilis jalapa, dondiego de noche).
ac) Herencia poligénica o cuantitativa; Es la transmisión de información debida a la acción conjunta de más de un gen. El resultado fenotípico final se debe a la suma de la acción parcial de cada gen. La presentan la mayoría de caracteres cuantitativos tales como peso, talla, color de la piel, etc.
ad) Herencia polialélica o alelismo múltiple; Se debe a la acción de un gen que presenta más de dos alelos. Sucede así con los grupos sanguíneos humanos que están determinados por un gen con tres alelos.
ae) Herencia ligada al sexo; Es debida a los genes que se encuentran en los cromosomas sexuales, X o Y, y al manifestarse el fenotipo depende del sexo del individuo. En la especie humana son típicos de esta herencia el daltonismo y la hemofilia.
af) Retrocruzamiento o cruzamiento prueba: Mecanismo, que se usa, en los casos de herencia dominante, para averiguar si un individuo es híbrido o de raza pura. Se verá más adelante, consiste en cruzar ese individuo de fenotipo dominante, del que se desconoce su genotipo, con el homocigótico recesivo. Mediante este método se puede averiguar el genotipo de dicho individuo.
2. Los trabajos de Mendel
Como siempre, los primeros registros de la búsqueda de una explicación racional de este fenómeno lo vemos en la Grecia clásica. Hipócrates teorizó que en el semen paterno se encontraban pequeños elementos representativos de todas las partes del cuerpo que darían lugar al embrión.
Medio siglo después Aristóteles objetó que de ser cierto los caracteres adquiridos (como las mutilaciones) del padre se transmitirían a sus hijos (un pensamiento similar al experimento que acabó con la teoría de la transmisión de los caracteres adquiridos que defendían transformistas como Lamarck o Darwin) y defendió que en el semen paterno había un “plan” con unas instrucciones precisas para modelar la sangre de la madre y dar lugar al embrión (vemos que en ambos casos se trasluce el papel secundario de la mujer en la Grecia clásica).
Durante la Edad Media persistió la idea de Hipócrates con variaciones que hoy nos parecen tan marcianas como las del homúnculo que defendía que en el semen había un diminuto humano preformado que crecía en el útero materno (no había cambiado la visión totalmente androcéntrica).
En el siglo XIX en la pequeña ciudad austrohúngara, hoy checa, de Brno el monje agustino Gregor Mendel realizó una serie de experimentos revolucionarios que conllevaron el descubrimiento de los mecanismos de la herencia biológica y el nacimiento de la genética.
Mendel abandona la idea de una herencia mezclada con caracteres intermedios de los progenitores a favor de una herencia particulada en la que los caracteres están determinados por unidades genéticas discretas (factores hereditarios) que se transmiten sin cambiar a través de las generaciones.
Uno de los grandes aciertos de Mendel fue la elección del ser vivo con el que realizar los experimentos y de los caracteres del mismo a estudiar. Eligió el guisante de olor, Pisum sativum, que le permitía controlar con seguridad los cruzamientos entre las distintas plantas eliminando los estambres de las flores y fecundando el mismo las flores usando un pincel.
Además eligió una serie de caracteres que presentaban dos alternativas claramente diferenciables de tal forma que podía observarse de forma sencilla las alternativas que aparecían y la frecuencia de las mismas.
Otra de las razones de su éxito fue el tratamiento matemático estadístico de los resultados, algo extraordinariamente moderno e inusual en esa época. Este análisis cuantitativo le permitió observar unas proporciones numéricas fáciles de interpretar. Hoy en día esta es una práctica que se hace siempre en cualquier estudio.
2.1 Obtención de las razas puras
Lo primero que hizo Mendel es asegurarse de que las plantas con las que iba a hacer el experimento tenían siempre descendientes con el mismo carácter (lo que él llamaba razas puras). Esto lo consiguió haciendo cruzamientos repetidos hasta que todos los descendientes mostraban siempre el mismo carácter.
2.2 Cruzamientos monohíbridos
En la primera fase de los experimentos, Mendel llevó a cabo una serie de cruzamientos fijándose en la transmisión de uno solo de los caracteres, de ahí lo de monohíbridos (luego repitió estos experimentos para cada uno de los siete caracteres que estudió). Solo hablaremos de uno para no alargarnos:
Al cruzar razas puras de guisantes con semillas lisas y guisantes con semillas rugosas (generación parental o P), usando la técnica de eliminar los estambres y polinizar las plantas él mismo con el pincel, observó al cabo de unas semanas que todas las semillas obtenidas (1ª generación filial o F1) eran lisas.
Al año siguiente, Mendel plantó estas semillas lisas híbridas y permitió que se autofecundaran (sus flores son hermafroditas y de forma natural se autofecundan). Cuando dieron fruto (2ª generación filial o F2), observó que había semillas lisas y rugosas en una proporción aproximada de 3:1.
Posteriormente Mendel repitió el experimento para comprobar el resto de los caracteres con el mismo resultado.
A partir de estos resultados y su idea de una herencia particulada Mendel realizó una inferencia que se cuenta entre las mayores ideas de la Biología. Pensó que los caracteres hereditarios del guisante estaban controlados por un par homólogo de estas unidades o factores hereditarios y que cada uno de ellos provenía de cada una de las plantas progenitoras (uno del grano de polen y otro del óvulo). Cuando una planta tenía dos factores hereditarios diferentes solo se manifestaba uno de ellos, factor dominante, mientras que el otro permanecía “oculto” (factor recesivo).
Por eso en las plantas de la F1 solo observamos el factor liso aunque todas tengan también el factor rugoso. Por otra parte cuando la planta va a reproducirse y forma los gametos estos factores hereditarios se separan o segregan de tal forma que la mitad de los gametos recibirá el factor dominante y la otra mitad el factor recesivo.
Al unirse estos gametos al azar hay cuatro probabilidades posibles, de las cuáles tres se manifestarán como lisas y una como rugosa como vemos en la imagen. Esta proporción 3:1 teórica coincide perfectamente con lo obtenido por Mendel en todos sus experimentos (como vimos en la tabla anterior).
2.3 Cruzamientos dihíbridos
Una vez demostrado como se transmiten los caracteres hereditarios de forma individual, Mendel se interesó por la transmisión conjunta de caracteres. Su intención era averiguar si la transmisión de distintos caracteres ocurría de forma independiente o si se transmitían siempre juntos a la siguiente generación.
Para esto cogió dos razas puras: una con guisantes lisos y amarillos y otra con guisantes rugosos y verdes. Ya en los experimentos anteriores había demostrado que el factor liso (A) y el color amarillo (B) eran dominantes sobre el factor rugoso (a) y el color verde (b).
Al cruzar esa generación parental (P) de razas puras obtuvo una 1ª generación filial donde todos los guisantes eran lisos y amarillos (AaBb). Esto era lo esperable al haber recibido todos una unidad dominante y una recesiva de cada carácter.
Al año siguiente plantó esta 1ª generación filial y dejo que las flores se autofecundaran. Había dos alternativas posibles para Mendel:
· o se transmitían de forma independiente y se generaban cuatro tipos de gametos (AB, Ab, aB, ab) que formarían en la 2ª generación filial (F2) cuatro tipos de guisantes (amarillo-liso, amarillo-rugoso, verde-liso y verde-rugoso) en una proporción 9:3:3:1.
· o se transmitían unidas y solo habría dos tipos de gametos (AB y ab) que formarían en la 2ª generación filial (F2) dos tipos de guisantes (amarillo-liso y verde-rugoso) en una proporción 3:1.
Cuando Mendel pudo abrir las vainas y contar los guisantes encontró 315 guisantes lisos y amarillos, 101 guisantes rugosos y amarillos, 108 guisantes lisos y verdes y 32 guisantes rugosos y verdes. Quedaba claro que la primera hipótesis era la correcta y quedaba demostrada la transmisión independiente de los caracteres hereditarios.
2.4 "Olvido" del trabajo de Mendel
Aunque pueda parecer mentira, el trabajo de Mendel no tuvo repercusión científica y fue “olvidado” durante 35 años tras su publicación. Este poco éxito puede explicarse por diversos factores como la falta de comprensión con el análisis cuantitativo (matemático) de los datos (algo insólito en la época), el referirse a una unidad hereditaria abstracta (no se conocía nada sobre el ADN o los genes), los fallos de su teoría con otras plantas (por cuestiones que veremos más adelante) e incluso que estuviera un poco alejado de los centros científicos más divulgados del momento.
3. Las leyes de Mendel
En la parte final del siglo XIX se acumulan sucesivos descubrimientos citológicos: tamaño similar del núcleo de los gametos masculinos y femeninos, existencia y número de los cromosomas, funcionamiento de la mitosis y la meiosis, transmisión y separación de los cromosomas en la división celular, … Todo esto llevo a una opinión cada vez más mayoritaria de que los cromosomas eran los responsables de la transmisión de la herencia biológica.
En 1900, Hugo de Vries y Carl Correns y Tschermak publican de forma independiente estudios de cruzamientos en plantas y sus conclusiones. Ambos reconocen de forma explícita que sus resultados y conclusiones son las mismas que las publicadas por Mendel 35 años antes.
La unión del trabajo de Mendel con los nuevos conocimientos sobre los cromosomas y la división celular hace que estos científicos enuncien las llamadas tres leyes de Mendel y que constituyen el núcleo de la teoría cromosómica de la herencia, que estudiaremos después.
3.1. Primera ley de Mendel o principio de la uniformidad de los híbridos de la 1ª generación (F1)
La 1ª ley de Mendel se enuncia como: “Todos los descendientes híbridos resultantes del cruce entre dos individuos homocigóticos son iguales entre sí genotípica y fenotípicamente”.
Cuando se cruzan dos razas puras (un homocigoto dominante con uno recesivo) para un determinado carácter, todos los descendientes de la primera generación (F1) serán iguales entre sí, fenotípica y genotípicamente, e iguales fenotípicamente a uno de los progenitores (de genotipo dominante), independientemente de la dirección del cruzamiento. Al carácter correspondiente se le llama dominante (A = amarillo), y recesivo (a = verde) al que queda enmascarado.
3.2. Segunda ley de Mendel o principio de la segregación
La 2ª ley de Mendel se enuncia como: “Cuando se cruzan entre sí dos individuos heterocigóticos de la primera generación (F1), reaparecen en la F2 los caracteres recesivos que no se manifestaron en la F1 en una proporción de 3:1 debido a que no se han mezclado o fusionado sino que permanecen diferenciados toda la vida y se segregan en la formación de los gametos”.
En los individuos de la F1, de los dos alelos distintos para el color de la semilla, solo se manifiesta uno. Cuando el individuo amarillo heterocigótico (Aa) forma los gametos, se separan los alelos y cada gameto solo contiene uno de ellos.
Durante la producción de gametos se produce la meiosis, por lo que cada gameto contiene un único alelo para cada gen. Con la fecundación, se asegura la variación. Para cada característica, un organismo hereda dos alelos, uno de cada progenitor. Esto significa que en las células somáticas, un alelo proviene de la madre y otro del padre. Estos pueden ser homocigotos o heterocigotos.
3.2.1 Retrocruzamiento o cruzamiento prueba
En ocasiones no estamos seguros de sí un ser vivo es homocigótico o heterocigótico para un determinado carácter. Podemos averiguarlo gracias al retrocruzamiento o cruzamiento prueba. Este consiste en cruzar al ser vivo de la F2 con el fenotipo dominante (A-) con el parental (P) de fenotipo recesivo (aa): si todos los descendientes son de fenotipo recesivo el individuo de la F2 era homocigótico (AA) y si el 50% de los descendientes es de fenotipo dominante (Aa) y el otro 50% es de fenotipo recesivo (aa) el individuo de la F2 era heterocigótico (Aa). Para algunos autores retrocruzamiento es todo cruce de un ser vivo con un parental y cruzamiento prueba cuando el retrocruzamiento se produce con el homocigótico recesivo pero muchos otros los consideran sinónimos.
Simulador de problemas de genética con la 1ª y 2ª leyes de Mendel
Jueguecillo para obtener la rana que quieres (tiene su cosilla^^)
3.3. Tercera ley de Mendel o ley de la independencia de los caracteres
La 3ª ley de Mendel se enuncia como: “Cuando se cruzan entre sí dos individuos dihíbridos heterocigóticos de la primera generación (F1), reaparecen en la F2 los caracteres recesivos que no se manifestaron en la F1 en una proporción de 9:3:3:1 debido a que los factores hereditarios mantienen su independencia a través de las generaciones, agrupándose al azar en los descendientes”.
Con esta ley se establece que cada par de alelos que determinan un carácter se transmiten o heredan de forma independiente entre sí y que, por lo tanto, se cumple la primera ley de Mendel para cada uno de ellos. Por lo tanto los caracteres se heredarían de forma independiente unos de otros.
Lo mismo ocurre si en lugar de un dihíbrido usamos un trihíbrido, solo que con muchas más combinaciones claro.
4. Mendelismo complejo
En la realidad existen algunos casos en los que parece que las leyes de Mendel no se cumplen porque encontramos diferentes proporciones a las que hemos visto en las tres leyes anteriores. En realidad sí se están cumpliendo pero las relaciones entre los genes o sus efectos enmascaran sus resultados. Entre estos casos podemos destacar la herencia intermedia, la codominancia, la interacción génica, los genes letales, el alelismo múltiple o la herencia cuantitativa, continua o poligénica.
4.1. Herencia intermedia
En la herencia intermedia nos encontramos que ninguno de los alelos que determinan el carácter domina sobre el otro y ambos se expresan. Como resultado se manifiesta en el heterocigótico un fenotipo intermedio al de los homocigóticos.
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En los problemas de genética de herencia intermedia podemos utilizar una letra mayúscula y otra minúscula de forma indistinta (A/a) ya que no hay dominancia o usar una sola letra mayúscula para los dos con un superíndice para diferenciarlos. (C1/C2).
4.2. Codominancia
En la codominancia nos encontramos que ninguno de los alelos que determinan el carácter domina sobre el otro y ambos se expresan. Como resultado se manifiesta en el heterocigótico un fenotipo en el que se observan los dos fenotipos de los homocigóticos. Unos ejemplos claros serían el grupo sanguíneo AB o el color del pelaje del ganado vacuno Short-horn.
En los problemas de genética de codominancia vamos a utilizar una sola letra mayúscula para los dos con un superíndice para diferenciarlos. (PW/PR). En muchas ocasiones veremos que hay gente que usa solo las dos letras del superíndice (W/R) pero es una mala costumbre que puede llevarnos al error de pensar que estamos trabajando con dos caracteres diferentes en lugar de con dos alelos diferentes del mismo carácter.
4.3. Interacción génica
La interacción génica consiste en la influencia que existe entre genes no alélicos en la expresión del fenotipo. Si la interacción altera las proporciones fenotípicas mendelianas recibe el nombre de epistasia. Dependiendo de la naturaleza del alelo del gen epistático (el gen que ve su efecto suprimido por el epistático se llama hipostático) distinguimos varios tipos de epistasia: simple dominante, simple recesiva, doble dominante, … Cada una de ellas muestra una proporción fenotípica diferente que vemos claramente cuando hacemos el cuadro de Punnett.
Los ejemplos más sencillos de epistasia son cuando miramos aspectos como color de los pétalos y presencia de los mismos, color del pelo y calvicie, etc etc
4.4. Genes letales
Un gen letal es aquel que provoca la muerte del individuo antes de que alcance la madurez sexual. Lógicamente estos individuos, y sus genes, no pasan a la descendencia lo que afecta a las frecuencias génicas. Existen diversos tipos dependiendo de cuando actúan (gaméticos, cigóticos, …), su dominancia (dominantes, recesivos, …) y su acción (letales completos, semiletales, subletales, …).
Es importante que tengamos en cuenta cuando se produce la letalidad cuando hacemos algún problema de genética y que sospechemos de su existencia cuando hay genotipos/fenotipos que “desaparecen” en los cruzamientos.
No debemos confundirlos con los genes deletéreos que perjudican al individuo pero sin llegar a matarlo antes de la edad reproductiva.
4.5. Alelismo múltiple
Hablamos de alelismo múltiple cuando un determinado gen poseé más de dos alelos en la población. Es muy importante que entendamos que cada individuo tiene solo dos alelos y que en cada gameto va solo un alelo. Un caso paradigmático es el sistema AB0 de los glóbulos rojos humanos. Está determinado por un gen I que tiene tres posibles alelos: IA, IB e i (recordad de cuando estudiasteis la sangre el año pasado como estos genes determinan los antígenos de la membrana celular de los eritrocitos y las consiguientes consecuencias inmunológicas). Los dos primeros son dominantes y el tercero recesivo.
4.6. Herencia cuantitativa, continua o poligénica
Los caracteres que hemos estudiado hasta ahora, y con los que haremos casi todos los problemas de genética, son de tipo cualitativo, es decir, existen pocas alternativas y fácilmente diferenciables.
Sin embargo encontramos muchos caracteres que son de tipo cuantitativo y que varían de forma continua: con cambios mínimos y progresivos de unos a otros. Ejemplos sencillos de esto son el color de la piel, el pelo o los ojos en los seres humanos.
Esto se debe a que son caracteres determinados por varios, a veces muchos, genes diferentes con un efecto individual pequeño pero acumulativo. Cuantos más genes y alelos intervienen más números de fenotipos intermedios intervienen lo que hace difícil estudiarlos con detalle al incrementarse enormemente las posibilidades.
Un caso “contrario” son los genes pleiotrópicos que afectan ellos solos a varios caracteres fenotípicos diferentes. Es bastante habitual en genes relacionados con diversas enfermedades como la anemia falciforme, estudiada el año pasado. Una mutación en el gen que determina la estructura de la hemoglobina provoca esta enfermedad que se manifiesta con múltiples síntomas en diversos tejidos.
5. Teoría cromosómica de la herencia
En 1902, W. S. Sutton en Estados Unidos y T. Boveri en Alemania, tras observar el paralelismo que existe entre los factores hereditarios y el comportamiento de los cromosomas durante la meiosis y la fecundación, propusieron que los factores hereditarios estaban en los cromosomas. Esta afirmación constituye la base de la teoría cromosómica de la herencia.
En 1902, Mc Clung descubrió que, en algunos insectos los individuos de sexo masculino ♂ presentaban un número impar de cromosomas y denominó X al que no tenía pareja. Así, al reproducirse, los machos originaban dos tipos de espermatozoides, unos con el cromosoma X y otros sin él. Eran pues heterogaméticos.
En 1905, Wilson y Stevens, comprobaron, en un hemíptero, que el cromosoma X se hallaba en las hembras por duplicado. Así los ♂ serían X0 y las ♀ serían XX. Se había encontrado una explicación para la herencia del sexo y para la proporción 1:1 entre los sexos.
A la vez se confirmaba la relación entre la herencia de los caracteres y los cromosomas.
En 1909, T. H. Morgan, trabajó con D. melanogaster y encontró que los ♂ tenían tres pares de cromosomas homólogos a los que llamó autosomas y un par que eran parecidos entre sí pero no idénticos, a uno lo denominó X y al otro Y, y a ambos los denominó heterocromosomas. También se les llama cromosomas sexuales pues son los responsables del sexo del individuo. Las ♀ son XX, y los ♂ XY.
En 1911, Morgan descubrió, también en D. melanogaster que muchos caracteres se heredaban juntos. Después de hacer muchos cruces encontró cuatro grupos de genes que se heredaban ligados. Al grupo correspondiente al cromosoma X le llamó primer grupo de ligamiento.
De todos sus estudios dedujo que los genes estaban en los cromosomas y, por lo tanto, que los genes que estaban en un mismo cromosoma tendían a heredarse juntos (genes ligados) en lugar de hacerlo de forma independiente como marcaba la tercera ley de Mendel.
Al cruzar ♂ de ojos blancos y alas reducidas (caracteres recesivos ligados al X) con ♀ normales, de tipo salvaje, obtuvo, en la F2 cuatro tipos de machos: salvaje; ojos normales y alas cortas; ojos blancos y alas normales; y ojos blancos y alas reducidas. Todo esto era incompatible con que el carácter ojos blancos y alas reducidas se debiera a dos genes ligados que siempre se heredaban juntos. Tampoco se ajustaban los resultados a la herencia totalmente independiente que proponía Mendel, ya que son más frecuentes los individuos en los que se mantienen los dos genes ligados. Esto hizo suponer a Morgan que los genes se disponen linealmente en los cromosomas y estos se pueden entrecruzar (sobrecruzamiento, crossing-over) e intercambiarse fragmentos (recombinación genética).
Esto estaba de acuerdo con los estudios de citología sobre los cromosomas. Se había observado que en la meiosis, durante la primera profase, las cromátidas homólogas se entrecruzaban (Janssens, 1909). Esto explicaría la relativa independencia con que se pueden heredar los genes que pertenecen a un mismo cromosoma. Esto fue confirmado en 1931 por C. Stern, en trabajos con D. melanogaster, y por M. S. Creighton y B. McClintock, en trabajos con maíz (Zea mays). Provocaban con rayos-X unas deformaciones en cromosomas portadores de genes ligados, después del cruce se comprobaba que las deformaciones se encontraban en localizaciones diferentes, los genes ligados se heredaban por separado.
Esto confirmó totalmente la teoría cromosómica de la herencia y permitió hacer compatibles las leyes de Mendel con la agrupación de miles de genes ligados en un solo cromosoma, así la teoría cromosómica puede reducirse a cinco puntos:
a) Los genes están en los cromosomas situados linealmente, uno detrás de otro.
b) Cada gen ocupa un lugar determinado (locus, en plural loci) dentro de un cromosoma concreto y los alelos de un mismo gen se encuentran en el mismo locus de la pareja de cromosomas homólogos.
c) Mediante sobrecruzamiento (crossing-over) se produce una recombinación de genes.
d) Los genes que se encuentran en el mismo cromosoma (genes ligados) tienden a heredarse juntos (no cumpliendo las leyes de Mendel) y son los cromosomas los que se transmiten como una unidad a la descendencia.
Con la teoría cromosómica de la herencia se empezaron a averiguar y estudiar los mapas cromosómicos para poder situar a todos los genes de cada cromosoma en sus respectivos loci.
5.1 Ligamiento y recombinación
Como ya hemos dicho antes, hay caracteres que no cumplen la 3ª ley de Mendel y que parecen “atraerse” o “repelerse” dado que sus proporciones fenotípicas de la F2 son muy diferentes de lo esperado.
Morgan, en 1910, encontró una explicación basada en su teoría cromosómica de la herencia. Al realizar el cruzamiento de moscas de cuerpo gris y alas normales (AABB) con moscas de cuerpo negro y alas vestigiales (aabb) obtuvo moscas de cuerpo gris y alas normales (AaBb) como era de esperar según las leyes de Mendel.
Sin embargo, al cruzar un macho de cuerpo gris y alas normales (AaBb) con hembras de cuerpo negro y alas vestigiales (aabb), solo aparecían los fenotipos parentales (cuerpo gris+alas normales y cuerpo negro+alas vestigiales) y no aparecían fenotipos intermedios (cuerpo gris+alas vestigiales y cuerpo negro+alas normales) como deberían aparecer si hubiera independencia de caracteres como marca la 3ª ley de Mendel.
De esto dedujo que los loci de los dos alelos A y B se encontraban en el mismo cromosoma y los alelos a y b también estaban juntos en el otro cromosoma. De esta forma, en la gametogénesis solo se producen gametos AB y ab y, al no existir los gametos Ab o aB, tampoco pueden aparecer individuos Aabb o aaBB.
Cuando dos genes se transmiten juntos por encontrarse en el mismo cromosoma, se dice que están ligados. En el caso que hemos puesto de ejemplo, los alelos dominantes (AB) estaban localizados en el mismo cromosoma, y los alelos recesivos (ab) estaban localizados en el cromosoma homólogo. Se dice entonces que los genes se encuentran en fase de acoplamiento y se representa con la notación AB/ab.
También puede darse el caso contrario: que el alelo dominante de una pareja alélica y el recesivo de la otra se encuentren en el mismo cromosoma (y al contrario en el homólogo). Entonces decimos que se encuentran en fase de repulsión y lo representamos como Ab/Ab.
De esto podemos deducir que los genes ligados siempre se transmiten juntos a la descendencia sin que se segreguen en la formación de los gametos. Sin embargo esto tampoco es cierto en todas las ocasiones. Como ya estudiamos en temas anteriores, en la profase I meiótica los cromosomas homólogos se aparean formando los cromosomas bivalentes o tétradas. En ellos se va a producir un intercambio de fragmentos entre las cromátidas hermanas en un proceso llamado sobrecruzamiento o crossing-over. De esta forma genes que se encuentran en el mismo cromosoma pueden pasar al cromosoma homólogo consiguiendo por lo tanto separarse al formar los gametos (recombinación genética).
Cuando dos loci están tan separados dentro del mismo cromosoma que existe una probabilidad del 100 % de que se forme un quiasma entre ellos, producirán unos fenotipos similares a los que producirían si estuvieran en cromosomas distintos. Es decir, el 50 % de los gametos serán de tipo parental (no recombinantes) y el 50% de tipo recombinante.
La frecuencia de recombinación entre dos genes ligados es constante y característica de ese par de genes. No puede superar el 50%, incluso cuando existan múltiples entrecruzamientos entre ellos. La frecuencia de recombinación aumenta cuanto más distanciados estén esos genes, ya que es mayor la longitud del fragmento del cromosoma en la que puede producirse el cruzamiento.
Debido a esto aparecerán los individuos con fenotipos que esperábamos según la 3ª ley de Mendel pero con proporciones/frecuencias diferentes.
5.2. Determinación del sexo
Con los últimos avances y descubrimientos el indicar un criterio para determinar el sexo de un individuo es difícil y, en general, solemos trabajar con criterios bimodales y no binarios. La excepción es el sexo gamético que sí es binario: en los mamíferos el individuo solo puede producir o gametos masculinos o femeninos, nunca los dos (aunque también tenemos individuos estériles, claro).
5.2.1. Transmisión del sexo en los animales
Como ya hemos visto en el tema, desde principios del siglo XX, cuando se descubrió que en ciertas especies de insectos existían cromosomas diferentes en machos y en hembras, se fueron dilucidando los diversos mecanismos que actúan en la determinación del sexo.
A) DETERMINACIÓN CROMOSÓMICA
El macho y la hembra tienen algunos cromosomas distintos (heterocromosomas o cromosomas sexuales) con información para la determinación del sexo. El resto, comunes para ambos sexos, se denominan autosomas.
Existen tres sistemas distintos de determinación cromosómica:
a) Sistema XX/XY; en este el sexo femenino tiene dos cromosomas iguales, a los que se denomina X, y el masculino tiene solo uno de estos cromosomas además de un cromosoma distinto, llamado Y.
Las hembras serían el sexo homogamético, pues todos sus gametos (óvulos) llevan un cromosoma X, y los machos el sexo heterogamético, ya que sus gametos (espermatozoides) llevarán un cromosoma X o un cromosoma Y. Por lo tanto es el gameto masculino el que marca el sexo de la descendencia.
Este sistema aparece en equinodermos, moluscos, dípteros, peces, anfibios anuros y mamíferos.
El cromosoma X tiene muchos genes que llevan información para caracteres no sexuales y al poseer las hembras dos cromosomas X uno de ellos se va a inactivar. En los mamíferos, esta inactivación ocurre porque uno de los dos cromosomas X no se desespiraliza en la interfase. Este cromosoma con desespiralizado puede observarse en el núcleo de las células femeninas como una mancha que se tiñe intensamente con los colorantes adecuados: el corpúsculo de Barr.
Como he dicho antes, este mecanismo de transmisión sexual está explicado de forma muy elemental. Para saber más de como ocurre esta transmisión y la expresión de esos genes os dejo unos artículos interesantes.
Un trozo de gen determina el sexo
Sí, hay un consenso científico sobre las personas trans
Más allá de lo binario, biología del sexo
b) Sistema ZZ/ZW; es igual al anterior, salvo que el sexo homogamético (ZZ) es el macho, mientras que el sexo heterogamético (ZW) es la hembra. Aparece en los lepidópteros, anfibios urodelos, reptiles y aves.
c) Sistema XX/X0; en este caso, el sexo heterogamético solo presenta un cromosoma X (no existe ningún otro cromosoma sexual). El sexo homogamético puede corresponder al macho o a la hembra según la especie. Aparece en muchos insectos (ortópteros, hemípteros, lepidópteros, …).
B) DETERMINACIÓN POR LA RELACIÓN ENTRE CROMOSOMAS X Y AUTOSOMAS
En Drosophila melanogaster, la proporción que existe entre el número de cromosomas X y el número de juegos autosómicos, con independencia de la presencia del cromosoma Y, es lo que determina el sexo del individuo (se llama juego cromosómico al conjunto formado por un cromosoma de cada tipo. Por lo tanto, cada juego cromosómico presenta n cormosomas).
En las hembras, el cociente entre ambos es igual a 1; en los machos, este cociente es igual a 0,5. Los individuos con otras proporciones son estériles y presentan fenotipos intermedios (intersexo) o exageradamente femeninos o masculinos (superhembras y supermachos).
C) DETERMINACIÓN POR HAPLO-DIPLOIDÍA
En este caso, la determinación del sexo depende del número total de cromosomas. Los individuos diploides son hembras y los haploides, machos Esto ocurre, por ejemplo, en las abejas. Las hembras proceden de huevos fecundados (diploides) y los machos de huevos partenogenéticos, no fecundados, (haploides).
D) DETERMINACIÓN GÉNICA
Aunque es poco frecuente, hay casos donde no hay diferencias cromosómicas entre machos y hembras y la determinación del sexo depende de una o más parejas alélicas. Por ejemplo, en la avispa Bracon hebetor el gen que determina el sexo produce hembras cuando es heterocigótico y machos cuando es homocigótico.
5.2.2. Transmisión del sexo en las plantas
En las plantas, tanto en las que tienen flores hermafroditas como en las monoicas, no hay determinación genética del sexo, ya que existen en la misma planta las estructuras reproductoras masculina y femenina.
En las plantas unisexuales o dioicas, la determinación del sexo suele ser génica, aunque se han encontrado en briofitas y en algunas angiospermas determinación por cromosomas sexuales (tanto por el sistema XX/XY como por el sistema XX/X0).
5.2.3. Determinación no genética del sexo
Además de los factores genéticos hay ocasiones en los que en la determinación del sexo priman factores externos.
Por ejemplo el gusano marino Bonellia viridis se desarrolla como macho si la larva cae dentro del conducto genital de una hembra (y se queda dentro fecundándola) y si nada libremente se convierte en hembra.
Otros incluso pueden cambiar de sexo, el pez hembra Xiphophorus se convierte en macho si detecta un exceso de hembras.
En ambos casos parece estar mediado por la presencia de hormonas.
En algunos reptiles, como el cocodrilo del Nilo, Crocodylus niloticus, el sexo depende de factores ambientales como la temperatura de incubación de los huevos. Si la temperatura en el nido es inferior a un nivel solo nacen hembras y si es superior solo nacen machos.
Los equisetos, o colas de caballo, se desarrollan con características femeninas si las condiciones de temperatura y humedad son propicias. Si son adversas se desarrollan con características masculinas.
5.3. Genes ligados al sexo
Una conclusión inevitable de los puntos anteriores es que, en las especies que tienen cromosomas sexuales diferentes en machos y hembras, los genes situados en estos cromosomas se encontrarán en dosis diferentes en ambos sexos. Los caracteres cuyos alelos tienen sus loci en los cromosomas sexuales se llaman ligados al sexo mientras que los que tienen sus loci en los cromososomas no sexuales se llaman autosómicos.
Hay que señalar que, aunque el cromosoma X y el cromosoma Y son diferentes, ambos tienen una parte homóloga que permite su apareamiento en la profase I meiótica. Se dice entonces que los caracteres cuyos alelos se sitúan en la parte homóloga (segmento apareante), están parcialmente ligados al sexo (porque pueden intercambiarse con la recombinación genética), mientras que los localizados en la parte no homóloga, conocida como segmento diferencial, están totalmente ligados al sexo (se mantienen en su cromosoma).
En el segmento diferencial encontraremos, por lo tanto, caracteres holándricos (exclusivos del cromosoma Y: solo se transmiten a través de los machos) y ginándricos (exclusivos del cromosoma X).
5.3.1 Genes ligados al cromosoma X
En las especies XX/XY, las hembras tienen dos alelos de los genes ligados al sexo y, por lo tanto, pueden ser homocigóticas o heterocigóticas para los mismos mientras que los machos solo tienen un alelo que se encuentra en el cromosoma X (se dice que son hemicigóticos).
Estos caracteres no tienen porque guardar relación directa con el sexo como de hecho pasa con las dos enfermedades típicas del ser humano que vamoa a poner como ejemplo.
El daltonismo consiste en una dificultad para diferenciar algunos colores debida a ciertas alteraciones en los conos de la retina (recordad que los estudiasteis el curso pasado). Para que un varón sea daltónico es suficiente con que la madre sea portadora y le transmita el alelo recesivo defectuoso. En cambio, para que la mujer sea daltónica debe recibir el alelo recesivo de la madre y el alelo del padre (que por fuerza será daltónico).
La hemofilia es una enfermedad en la que existe una deficiencia de algunos factores que intervienen decisivamente en la coagulación de la sangre; por tanto, la rotura de un vaso sanguíneo, aunque sea pequeño, produce graves hemorragias. Un ejemplo muy característico lo tenemos en las casas reales europeas: la reina Victoria era portadora de la enfermedad y la transmitió a parte de su descendencia.
Esto que vemos arriba es un árbol genealógico o pedigrí y es una forma de representar una estructura familiar y la presencia de determinados fenotipos y genotipos. Como podéis imaginar se pueden hacer muchos problemas bonitos de pedigrí^^.
5.3.2 Genes ligados al cromosoma Y
Los genes situados en el cromosoma Y solo los poseerá el macho así que estos caracteres solo se manifiestan en ellos. Son mucho menos frecuentes porque es un cromosoma muy pequeño y la mayor parte de los genes que posee están directamente relacionados con la función reproductiva masculina.
Con todo existen enfermedades como la ictiosis (piel gruesa y escamosa) o la hipertricosis auricular (pelos largos y abundantes en las orejas) que están ligadas al cromosoma Y.
Todo lo que hemos visto es, por supuesto, aplicable a los sistemas ZZ/ZW y XX/X0 con las pertinentes modificaciones.
Cuando hagamos problemas de genes ligados al sexo SIEMPRE anotaremos los cromosomas XX o XY y pondremos como superíndice el alelo correspondiente. En caso de estar ligados al cromosoma X pondremos XAXA/XAY (solo ponemos alelos en los cromosomas X) y de estar ligados al cromosoma Y pondremos XX/XYA (solo ponemos alelos en el cromosoma Y).
5.4 Herencia influida por el sexo
En ocasiones, un mismo carácter autosómico presenta distinta dominancia dependiendo del sexo del organismo (no confundir con los ligados al sexo que no están en los cromosomas autosómicos).
Un ejemplo muy conocido es la calvicie. Las mujeres heterocigóticas no son calvas, pues en ellas el alelo para la calvicie es recesivo. Sin embargo, los varones heterocigóticos son calvos porque en ellos el alelo es dominante. Parece que estas diferencias vienen mediadas por la concentración de las distintas hormonas sexuales.
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