Tema 12 -- Herencia genética

El conocimiento de la herencia es tan antiguo como la historia de la humanidad. Sin embargo, la aportación de Mendel elevó a la categoría de ciencia el saber empírico que se tenía sobre la herencia. Los avances de la genética fueron iniciados en la segunda mitad del siglo XIX por Gregorio Mendel (1822—1884) , y todos los estudios modernos se iniciaron a partir de aquí. Aunque Darwin defendió la evolución, no describió como se transmitían los caracteres. Fue Mendel quién descubrió e implantó dos leyes básicas de la genética, pero esto paso desapercibido y se redescubrió en 1900 por un grupo de biólogos (botánicos): Correns, Tschermaky y Hugo de Uries. Darwin murió en 1882, por lo que nunca conoció las leyes mendelianas.

Método de investigación de Mendel

Entre 1886-1900 acontecieron una serie de cambios cientficos: habían descubierto los cromosomas, sus movimientos durante la división celular… Mendel introduce una serie de elementos en su método:

Trabajó con el guisante, pero concretamente selecciono siete rasgos bien definidos, dicotómicos y clasificados en dos categorías exclusivas, cada uno de los cuales aparecía en los guisantes de dos formas claras distintas y llamativas (variables dicotómicas, exclusivas ya que o tienen un rasgo o el otro) Así evitó muchos problemas en la investigación, cogió rasgos como: la textura de la semilla (lisas o rugosas), color de la semilla (verdes o amarillas), color de las flores (rojas o blancas), posición de las flores (axial o terminal), longitud del tallo (largos o enanos), forma de la vaina…

Realizó el cruzamiento entre dos razas puras distintas (las hibridó) y el resultado serán híbridos. Con el fin de evitar la complejidad de los híbridos, limitó sus observaciones primero a un rasgo, luego a dos, luego a tres…(color de la semilla, color de la semilla y textura…) valorando siempre la descendencia y teniendo mucho cuidado de no olvidar todas las combinaciones posibles.

PRIMERA LEY DE MENDEL (Primera generación o F1) Ley de la uniformidad.

Mendel observó plantas que tenían el color de la semilla amarillo y plantas cuyas semillas eran verdes (estas generaciones siempre producían los mismos caracteres) Cogió plantas de raza pura y las hibridó. Al realizar la fecundación cruzada obtuvo que toda la descendencia (primera generación filial o F1) tenía semillas de color amarillo. Era como si las semillas verdes hubieran desaparecido. La descendencia genética híbrida se parecía en exclusividad a uno de los padres y nunca al otro.

Mendel sacó la conclusión de que hay un rasgo que domina sobre el otro (dominante = amarillo), frente a un rasgo que no aparece (recesivo = verde) Los términos dominante y recesivo son válidos y se utilizan tanto para describir los genes como para los caracteres que determina. La dominancia es la apariencia del carácter, lo cual no implica que sea mejor. Mendel se dio cuenta de que estos resultados solo se podían explicar si los rasgos hereditarios (hoy genéticos) están gobernados por dos factores (hoy genes, término introducido por Johansen en 1909) Cada planta debería tener dos factores que controlan cada rasgo, pero solamente uno de cada padre pasa a la descendencia (el nuevo rasgo formado contendrá también dos factores, uno de la madre y otro del padre) Para un rasgo dado, un organismo debe llevar un factor del espermatozoide y otro del óvulo. Mendel ya razonó que cada célula reproductora tenía que recibir un solo factor, de manera que cada nueva planta tuviera dos factores (uno del gameto masculino y otro del gameto femenino) Con esto predijo la meiosis (las células haploides tienen la mitad), que no conoció hasta finales del siglo XIX, y se reconoció que la reducción de cromosomas era lo que Mendel había llamado reducción de factores. Los cromosomas pasan a ser considerados como portadores de factores (de genes), creciéndose la teoría cromosómica de la herencia (fines del siglo XIX)

En 1903, Sutton publicó “Los cromosomas de la herencia”, donde reconoció que los factores de Mendel se encontraban en los cromosomas y esto implicó la transmisión de los cromosomas a la progenie (descendientes) en la división celular. Todos los organismos se rigen por las mismas leyes que organizan el universo.

Se llaman homocigóticos (razas puras) para un determinado carácter a los individuos que tienen dos genes idénticos y producen gametos idénticos cuando el gen codifica para un único caracter (AA, aa). El progenitor de semilla amarilla (AA) será homocigótico dominante y el de semilla verde (aa) será homocigótico recesivo. Mendel sugirió que los factores que controlan para el color de la semilla, pueden tener más de una forma de alelos. Los alelos son las diferentes formas de un único gen, es decir, cada una de sus posibles expresiones. Los genes que afectan a un mismo carácter, ya sea de manera igual o de manera distinta, están situados en posiciones equivalentes en un par de cromosomas homólogos, lo que se denomina locus. Aunque sólo hay un gen que controla el color de la semilla, este gen puede tener formas diferentes o iguales, y el color de la semilla se puede expresar de color amarillo o verde.

Ocupan el mismo lugar o “locus” y se llaman alelos en el mismo “locus”. En un organismo diploide pueden existir dos formas alélicas. Las distintas formas de un gen es un alelo. Genes que afectan al mismo carácter, maneras distintas o iguales y que están situadas en situaciones homólogas (o locus, o equivalentes en un par de cromosomas homólogos) se denominan alelos.

• AA homocigótica dominante

• aa homocigótica recesiva

• Aa heterocigótico (un alelo dominante y otro recesivo)

Si ambos alelos de un par son el mismo (AA,aa) la combinación se dice que es homocigótica (bien sea homocigótico dominante o recesivo) En los individuos de la F1 el carácter del color de la semilla tiene dos alelos diferentes (A, a) y se denominan heterocigóticos, donde un alelo produce un carácter dominante y el otro un carácter recesivo (amarillo sobre verde) Caracteres dominantes enmascaran esos caracteres recesivos. Esto nos permite distinguir entre genotipo y fenotipo (los individuos de la F1 son todos heterocigóticos)

• Fenotipo es el aspecto visible (amarillo y verde)

• Genotipo es la constitución genética o génica real del individuo (AA, aa, Aa) Se refiere a los genes que posee.

• Alelo Cada una de las posibles expresiones de un gen. En organismos diploides existen como máximo dos formas alélicas en el mismo “locus”.

SEGUNDA LEY DE MENDEL ley de la segregación de los caracteres

Mendel hibridó a los individuos de la F1 (Aa) que son genotípicamente heterocigóticos y obtuvo una segunda generación filial o F2 donde aparecen semillas verdes que no aparecen en F1. De cada cuatro plantas, tres tendrán las semillas amarillas y una semilla verde.

• 2/4 Aa fenotípicamente amarila (heterocigótico)

• 1/4 AA fenotípicamente amarilla (homocigótica)

• 1/4 aa enotípicamente verde (homocigótica)

El 75% de las plantas de la F2 tendrán semillas amarillas (en proporción 1:3) al igual que sus padres y que un abuelo (fenotípicamente), el 25% de las plantas de F2 son verdes, diferentes de sus padres pero iguales a uno de sus abuelos (fenotípicamente) La planta de semillas amarillas podía ser homocigótica (AA) o heterocigótica (Aa)

Razonó Mendel: lo que quiera que fuera responsable del color de la semilla verde, aunque no aparezca en la F1, no se perdió, ya que apareció en F2 (permaneció enmascarado, encubierto). Más bien había sido suprimido en F1 por las plantas amarillas que son dominantes. El gen que controla el color verde no había sido alterado. Lo que dice la primera ley de Mendel es que los genes no se mezclan, sino que se comportan como unidades independientes y pasan intactos de una generación a otra, pudiendo dar caracteres visibles según que sean dominantes o recesivos. Los genes se separan y solo uno de ellos, uno de los factores o alelos de cada padre, pasan a los descendientes. Esto se hace de manera aleatoria. La proporción 3/4 : 1/4 es característica de organismos heterocigóticos. Los factores permanecen distintos e intactos. Los dos factores hipotetizados por Mendel se segregan. Cada planta pasa un gen a su descendiente de manera aleatoria.

Autofecundación de las plantas con semillas verdes (plantas hermafroditas)

Su genotipo coincide con el fenotipo en la misma proporción El genotipo es 100% aa y el fenotipo es 100% verdes. Todas las plantas que obtendríamos tendrían semillas verdes (para ser verdes, han de ser homocigóticas aa)

Autofecundación de plantas con semillas amarillas (tres posibilidades)

Si autofecundamos dos plantas Aa, van a originar dos tipos de semilla: verdes y amarillas. La proporción sería de 3:1, obteniéndose 3 semillas amarillas (dominante) y 1 verde (recesiva) En este caso, obtenemos fenotípicamente 3 plantas iguales y 1 diferente. Genotípicamente, obtenemos 3 tipos de genotipos diferentes (Aa 50%, aa 25% y AA 25%)

Si autofecundamos AA siempre obtenemos semillas amarillas de igual genotipo e igual fenotipo.

Retrocruzamiento (cruzamiento de prueba)

Puesto que el fenotipo no nos indica si estamos ante un individuo homocigótico o heterocigótica (AA, Aa) se somete a todos los individuos fenotípicamente amarillos a un cruzamiento de prueba o retrocruzamiento, lo que supone un cruzamiento de todos ellos con el homocigótico recesivo (aa) pudiendo ocurrir dos casos:

Si la planta amarilla es homocigótica (AA) toda la descendencia será amarilla heterocigótica. Estamos ante un homocigótico dominante.

Si la planta amarilla es heterocigótica, al cruzarlo con el homocigótico recesivo en la descendencia volverán a aparecer individuos con semilla verde (carácter recesivo verde), en proporción 50% y 50%. Este retrocruzamiento tiene gran utilidad práctica. Es la manera como se seleccionan razas puras, tanto animales como plantas.

TERCERA LEY DE MENDEL ley de transmisión independiente de los caracteres

Mendel cruzó plantas que diferían en más de un rasgo y analizó como se combinaban estos caracteres en la descendencia. Nosotros vamos a trabajar con dos caracteres, con los rasgos del color de la semilla (amarilla y verde) y la textura de la semilla (lisa y rugosa) Cogió plantas homocigóticas de semillas amarillas y lisas y las cruzó con plantas heterocigóticas de semillas verdes y textura rugosa.

• AALL homocigóticas de semillas lisas y amarillas

• AaLl heterocigóticas amarillas y lisas

• aall homocigóticas de semillas verdes y rugosas.

La primera generación filial (F1) eran todas amarillas y lisas, de donde infirió que el amarillo y liso eran caracteres dominantes, mientras que verde y rugoso eran recesivos. Empezó a autofecundar la F1, en la que todas eran amarillas y lisas, y obtuvo como resultado de ello en la F2:

• 315 amarillas lisas,

• 101 amarillas rugosas

• 108 verdes lisas

• 32 verdes rugosas

La proporción obtenida, era: 9.3.3.1 Mendel propuso que esto tendría sentido si el color y la textura se heredaran de forma independiente.

La 3º ley de Mendel (ley de la transmisión independiente de los caracteres) dice que la herencia de un par de genes situados en un par de cromosomas no resulta afectada por la herencia simultánea de otro par de genes situados en otro par de cromosomas. Cada carácter se presenta como si el otro carácter no estuviera presente, es decir, de forma independiente.

Para la F2, utilizaremos el cuadro de Punnet (4 gametos para 2 caracteres) en la que tenemos las diferentes posibilidades de fecundación posibles de la F1

El resultado demuestra que, de las 16, aparecen:

• 9/16 amarillas lisas

• 3/ 16 amarillas y rugosas

• 3/16 verdes y lisas

• 1/16 verde y rugosa

Si consideramos solo el color, habrá 12 amarillas y 4 verdes en una proporción igual que si solo hubiese un carácter: 12 : 4 3 :1

Si tomamos tres caracteres localizados en diferentes pares de cromosomas y consideramos los heterocigóticos de la 1º generación filial o F1, el dihíbrido producía 4 tipos de gametos, el hibrido produce 2, el trihíbrido 8…Si lo situamos en la escala de Punnet, obtenemos para un trihíbrido de los 64 hijos (8x8, dos trihíbridos cruzados) se obtendrían 27 caracteres dominantes… (27:9:9:9:3:3:3:1) = proporción completa para un híbrido. Si consideramos la textura, 3/1 cada rasgo se hereda como si el otro no existiera.

A medida que aumenta el número de rasgos, aumentan las posibilidades enormemente. Un híbrido producirá 2³ gametos diferentes, aproximadamente 8 millones de gametos diferentes (64 billones de genotipos posibles) Ante la variedad de caracteres de un individuo así como de genes, es muy alta la probabilidad de que todo individuo sea diferente a cualquier individuo de toda la historia. Un cromosoma no solo tiene un gen sino que contiene centenares de miles de ellos.

Todos los rasgos que Mendel estudió eran producidos por un gen individual, pero hoy día se sabe que la gran mayoría de rasgos en humanos están controlados por muchos genes que pueden estar en un cromosoma o en varios (muchos alelos controlan el mismo rasgo) No todos los alelos aparecen de forma dominante/recesivo, ya que algunos son aditivos, pueden anularse… El ambiente tiene un efecto poderoso sobre la expresión de los genes. Mendel mostró básicamente como funciona a herencia y en el año 1900 (30 años después a la obra de Mendel) Carrens y Techermack lo descubrieron y se mostró que era correcto. Esta ley se dedica a diferentes genes situados en diferentes pares de cromosomas.

Incumplimientos de las leyes de Mendel

• Dominancia incompleta o intermedia (parcial) Hoy se conocen genes que tienen dominancia parcial, es decir, los heterocigóticos tienen un fenotipo diferente al homocigótico dominante, al que tendrían que parecerse de acuerdo con Mendel y la genética mendeliana. Un ejemplo de esto es una planta llamada la boca del dragón y Don Diego de noche que presenta dos formas homocigóticas (flores rojas y flores blancas) cruzándolas, la descendencia sale rosa (heterocigótica)

La F1 presenta un fenotipo de flores rosas. Ningún gen totalmente dominante ni recesivo (herencia intermedia) Cada alelo en combinación ejerce un efecto definido sobre el fenotipo y el resultado es un carácter visible (fenotipo), intermedio entre los caracteres paternos (blanco y rojo) Sin embargo, incluso en este caso intermedio no se produce por mezcla de colores. La condición de flores rosas no se corresponde con un carácter puro ya que si cruzamos dos flores rosas produce una F2 con flores rojas, rosas y blancas y en una proporción de fenotipo característico (1:2:1) de este tipo de cruzamiento. El genotipo es exactamente el mismo que cuando hay genes dominantes y recesivos. Solo son distintas las proporciones de los fenotipos puesto que ninguno de los dos alelos ejerce dominancia en la herencia. Los alelos R y r, tienen su propio efecto dominante en el fenotipo, no puede hablarse ni de dominante ni de recesivo. En la F2 solo el 50% se parece a sus padres (la flor roja y la flor blanca). El 25% se parece a un abuelo y el otro 25% al otro abuelo.

• Genes ligados a medida que se fue investigando en el campo de la genética se vio que existían pares de genes que no se heredan en la proporción que decía Mendel. Cuando se cruza un homocigótico dominante para dos rasgos (AABB) con un homocigótico recesivo para dos rasgos (aabb), la descendencia en la primera generación filial va a ser heterocigótica (100% AaBb) con los rasgos fenotípicos del dominante .Si cruzamos entre sí a la F1, la proporción esperada según la 2º ley de Mendel sería 9:3:3:1. Sin embargo, se descubrió que esto no se cumpliría, ya que se obtiene una proporción de un 75% de fenotipo dominante (AB) y un 25% de fenotipo recesivo (ab). Cabría la explicación de que los genes que estamos estudiando están en el mismo par de cromosomas (no en cromosomas distintos), con lo que, los gametos formados llevarán juntos los genes heredándose así AB y ab.

Los cromosomas heredados de forma completa, no se segregan en genes uno a uno, sino que se heredan “en bloque”. Cuando se hereda un cromosoma se heredan todos los genes que van en el cromosoma. A los genes que están localizados en el mismo cromosoma se les llama genes ligados. Varios genes pueden contribuir al mismo fenotipo (genes no alélicos) enmascarando la expresión de otro gen. A este fenómeno se le denomina epistasia.

• Entrecruzamiento A principios del siglo, Morgan estudió pares de genes ligados y observó que aparecían individuos no esperados, en proporción muy pequeña. Para dar cuenta de ello propuso una hipótesis que lo corroboró: durante la meiosis y la posterior unión, los pares de cromosomas homólogos podían entrecruzarse y romperse cambiándose fragmentos de ADN. De esta forma, se intercambian fragmentos de ADN por la región por la que permanecían unidos. A este proceso lo llama sobrecruzamiento o Crossing-Over. Morgan trabajaba con la mosca de la fruta (Drosophila Melanogaster) y descubrió una relación sistemática entre dos cromosomas homólogos en cuanto a la tasa de entrecruzamiento de dos genes en un mismo cromosoma y la distancia que los separa dentro del cromosoma. Cuanto mayor sea la distancia, mayor será la probabilidad de entrecruzamiento entre ellos y viceversa (cuanto más próximos estén dos genes dentro del cromosoma, más pequeña es la posibilidad). Este principio, junto con avances metodológicos permitió a los genetistas hacer un mapa de las posiciones relativas de los genes en los cromosomas ocupando un lugar determinado (locus) en un cromosoma dado. La consecuencia que se deriva del entrecruzamiento es que la rotura afecta a los dos genes (ligados) y va a producir que los genes se encuentren en distintos cromosomas (ocuparan el mismo locus pero diferente cromosoma). En 1919 publico su trabajo: Teoría cromosómica de la herencia.

Importancia del entrecruzamiento

• El entrecruzamiento durante la meiosis produce un aumento, un número amplio de variaciones genéticas.

• Permiten la construcción de mapas génicos (genéticos) mediante experimentos de entrecruzamiento que indican la localización de los genes en los cromosomas (a mayor distancia, mayor probabilidad de entrecruzamiento entre ellos)

• Los genes de un cromosoma deben de estar ordenador linealmente para que tenga lugar el entrecruzamiento y el ligamiento.

Proyecto genoma humano

El propósito último del “genoma humano” es identificar las bases que constituyen los 100.000 genes que forman el genoma humano, el cual tiene unos 3.000 millones de bases nitrogenadas. Combinaciones a partir de las 4 bases existentes. Esta idea parte desde los años 80 en EEUU y se refuerza en los años 90, implicada a organismo de todo el mundo y no solo incluye mapear el genoma humano sino también el de animales similares a este, lo que permite experimentar con ellos y conocer mejor la genética humana. Este conocimiento va a dominar la mediana biología y Psicobiología en este milenio. Se podrán identificar los genes que corresponden a enfermedades determinadas (demencia, cáncer, dolencias cardiacas…) pudiendo minimizar las posibilidades de padecer la enfermedad, controlandola. El identificar genes es un paso importante pero todavía nos dice poco sobre su función, cosa que todavía falta ya que lo que se ha hecho es identificar secuencias. Se podrá contestar a como se mantiene la vida, como conducen a la vejez y la muerte y de interés para la psicología, como intervienen en la conducta