(Ciencias de Joseleg) (Biología) (Teoría
de la Biología) (Genética clásica) (Ejercicios
resueltos) (1-Introducción)
(2-Genética
premendeliana) (3-Gregor
Mendel) (4-Probabilidad
y estadística) (5-Diseño
experimental mendeliano) (6-Resultados
del cruce monohíbrido) (7-Ley
de la segregación independiente) (8-El
cuadro de Punnett) (9-Como
resolver el cruce monohíbrido) (10-Comparando
experimento vs teoría) (11-Ley
de la distribución independiente) (12-Resolviendo
dihíbridos y trihíbridos) (13-Los
microscopistas) (14-Los
mendelianos 1) (15-Los
mendelianos 2) (16-Teoría
cromosómica de la gerencia) (17-El
señor de las moscas) (18-Mendelismo
no mendeliano) (19-Polimorfismo
genético) (20-Dominancia
incompleta) (21-Codominancia)
(22-Letalidad
genética) (23-Ligamiento
al sexo) (24-Las
epistasis) (25-Penetrancia,
expresividad y pleiotropía) (24-Análisis
de pedigrí) (ref-Referencias
bibliográficas)
Uno de los ejemplos más simples de interacción entre
diferentes genes es la epistasis. El significado de la epistasis puede intuirse
de algún modo por la etimología de la palabra, epistasis viene de dos raíces
griegas “epi” que significa sobre y “stasis” que significa
detención u obstrucción. En resumen, un gen epistático es aquel que está sobre
otros genes enmascarándolos o que los obstruye de alguna forma. La razón por la
cual es el primer ejemplo de interacción génica que es asumido es debido a que
sus resultados son cualitativos y poco ambiguos, al igual que los cruces
originales de Mendel. Pero al igual que en el caso de Mendel la epistasis es
solo un ejemplo muy evidente en relación a otro tipo de interacción que puede
ser más sutil. En la epistasis el efecto de un determinado gen enmascara, obstruye
o modifica el efecto de otro gen. Algunas veces los genes involucrados afectan
al mismo carácter de forma antagonista, lo cual conlleva a que se enmascaren de
forma simultánea. En otros casos, los genes involucrados pueden cooperar.
Por ejemplo, en los problemas clásicos del cruce dihíbrido
los dos genes analizados afectan dos caracteres diferentes. Pero, ¿qué sucede
cuando dos loci diferentes afectan la
misma característica? Por ejemplo, ¿qué pasaría si los dos loci en el experimento de Mendel afectaran el color de la semilla?
Cuando dos genes están implicados en el resultado de una característica, la
proporción fenotípica 9: 3: 3: 1 puede verse alterada radicalmente. Bajo estas
circunstancias, hay más de dos productos genéticos que afectan el mismo fenotipo,
y estos productos pueden tener relaciones jerárquicas complejas. Cada vez que
dos genes diferentes contribuyen a un solo fenotipo y sus efectos no son
meramente aditivos, se dice que esos genes son epistáticos (Miko, 2008a).
Aunque algunos
investigadores han intentado categorizar todas las interacciones epistáticas
digenas (dos genes) con nombres específicos, esos esquemas de clasificación
rara vez se usan hoy en día. Una razón por la que han caído en desgracia es que
los términos como "dominante" y "recesivo" se usan mejor
para describir los efectos de los alelos de genes individuales. Además, la
epitasis no está restringida a las interacciones de solo dos genes. Por el
contrario, epistasis ocurre en todos los siguientes escenarios:
👉 Siempre que dos o más loci
interactúen para crear nuevos fenotipos.
👉 Siempre que un alelo en un locus
enmascara los efectos de los alelos en uno o más loci.
👉 Cuando un alelo en un locus modifica los
efectos de los alelos en uno o más loci.
Epistasis es una
interacción en el nivel de la organización de un
fenotipo complejo. Los genes que están involucrados en una interacción
epistática específica aún pueden mostrar una variedad independiente a nivel
genotípico. En tales casos, sin embargo, las proporciones fenotípicas pueden
parecer desviarse de las esperadas 9:3:3:1.
Como se mencionó anteriormente, los científicos han
realizado numerosos estudios en un intento de comprender y clasificar mejor las
relaciones epistáticas digenas, es decir, aquellas modelables por un sistema
matemático de tipo dihíbrido. Algunos de los ejemplos más famosos de
investigación en los que se encontró que la interacción entre dos genes produce
un nuevo fenotipo se examinan en las siguientes secciones.
La
cresta de los gallos y la epistasis simple por interacciones de dos genes
En la primera década del siglo XX, los genetistas británicos
William Bateson y R. C. Punnett realizaron una investigación que muestra que la
forma de la cresta en los gallos es causada por la interacción entre dos genes
diferentes. Bateson y Punnett eran conscientes del hecho de que las diferentes
variedades de gallos poseen crestas distintivas. Por ejemplo, los wyandottes
tienen una cresta "en rosa", los brahmas tienen una cresta en
"Arveja" y los leghorns tienen una cresta "única". Cuando
Bateson y Punnett cruzaron un gallo wynadotte con una gallina Brahma, toda la
progenie F1 tuvo un nuevo tipo de cresta llamada "nuez".
Figura 24‑1. Existen distintos
tipos de crestas entre los más comunes en los ejemplares mapuches en
restauración son las anteriores, esas 4 crestas son las más presentes, (A) es
simple (B) en rosa o wyandottes (C) es una cresta Arveja o Brahma (D) nuez.
En este caso, ni la cresta en rosa del wyandotte ni la
cresta arveja del brahma parecían ser dominantes, porque los descendientes F1
tenían su propio fenotipo único. Además, cuando dos de estas progenies F1 se
cruzaron entre sí, algunos de los miembros de la generación F2 resultante
tenían crestas en nogal, algunos tenían crestas rosadas, algunos tenían crestas
guisante y algunos tenían cresta única, como el que se ve en leghorns. Debido a
que las cuatro formas de cresta aparecieron en una proporción de 9: 3: 3: 1 (es
decir, nueve crestas nuez por cada tres crestas en rosa; por cada tres crestas
en arveja; por cada cresta única), parecía que dos genes diferentes debían
jugar un papel en forma de la cresta (Miko, 2008a).
DEMOSTRACIÓN. Determine la ley aditiva de probabilidades
para la epistasis simple empleando la tabla y exprese las sumas en términos de
las probabilidades de los dos monohíbridos independientes.
Aunque Bateson y Punnett emplearon las letras R y P, lo más
conveniente realmente es dejar el modelo lo más simple posible, empleando las
letras A y B. A través de la investigación continua, Bateson y Punnett
dedujeron que los pollos wyandotte (cresta rosa) deben tener el genotipo AAbb,
mientras que los pollos brahma deben tener el genotipo aaBB. Un cruce entre un
wyandotte y un brahma produciría descendientes que todos tenían el genotipo AaBb,
que se manifestó como el fenotipo cresta en nuez. De hecho, cualquier pollo con
al menos un alelo cresta en rosa rosa (A) y un alelo de cresta (B) tendría una
cresta en nuez. Así, cuando se cruzaban dos pollos F1 de cresta en nuez, la
generación F2 resultante produciría pollos de cresta en rosa (A_bb), pollos de cresta
en arveja (aaB_) y pollos de cresta en nuez (A_B_), así como pollos con un
nuevo cuarto fenotipo: el fenotipo de cresta único. Basado en el proceso de
eliminación, se puede suponer que estos pollos de cresta única tenían el
genotipo aabb (Bateson & Punnett, 1905; 1906; 1908).
Tenga en cuenta que, al seguir las proporciones de un cruce
dihíbrido típico, el modelo matemático de este tipo de epistasis no difiere
significativamente de los ejemplos para el dihíbrido, lo único que cambia será
la determinación de los fenotipos.
DEMOSTRACIÓN: Programar una calculadora en Excel para la
epistasis “Dominancia completa en ambos pares de genes” de proporción 9 3 3 1
en un cruCe de dos dobles heterocigotos.
Ejemplo. Un gallo de cresta en nuez doble
heterocigoto para los dos genes que controlan la cresta se cruzó con una
gallina de cresta única. Determinar los fenotipos generados y sus proporciones.
Resolver por cuadro de Punnett.
El color de la flor en las arvejas, epistasis por duplicación
recesiva
Bateson y Punnett luego realizaron una serie de experimentos
en guisantes que también mostraron la interacción aparente de dos genes
independientes. El dúo optó por usar guisantes porque es relativamente fácil
realizar cruces híbridos con estas plantas, y eligieron enfocarse en la
característica del color de la flor. Bateson y Punnett comenzaron cruzando dos
variedades de arvejas, cada una de las cuales era de pura raza para flores
blancas. Esta cruza produjo una generación F1 en la que toda la progenie tenía
flores de color púrpura. A continuación, se cruzaron dos plantas F1 para crear
la generación F2. En esta generación, Bateson y Punnett contaron un total de
382 plantas de flores de color púrpura y 269 de flores blancas. La proporción
de flores de color púrpura a flores blancas fue de 9,4:6,6, o aproximadamente
9:7 (Miko, 2008a).
¿Qué
podría explicar esta variación de las proporciones mendelianas? Bateson se
dispuso a responder esta pregunta en un artículo de 1909, en el que primero
propuso lo que llamó la capacidad de un "par alelomórfico" (par de
alelos genéticos) para enmascarar los efectos de los alelos de otro gen. Para
reformular esto en términos del experimento del guisante de Bateson y Punnett,
parecía que dos alelos recesivos en un locus de una flor podrían enmascarar los
efectos de los alelos en el otro locus de la flor. Vamos a designar el primer locus
C de la Figura 24‑2
con la pareja A/a, y el segundo locus P de la Figura 24‑2
con la pareja B/b.
Figura 24‑2. Producción
de antocianina en dos pasos. Dos genes son responsables de la reacción química
que produce el pigmento vegetal antocianina de una molécula precursora. El gen
C controla el primer paso en la reacción para producir el producto del paso 1,
y el gen P controla el segundo paso en la reacción para producir antocianina.
Si la
teoría de Bateson fuera cierta, significaría que cualquier flor con el genotipo
aa sería blanca, sin importar qué alelos estuvieran presentes en su locus B/b.
De manera similar, cualquier flor con el genotipo bb también sería blanca, sin
importar qué alelos estuvieran presentes en su locus A/a. Posteriormente
Bateson usó la palabra "epistasis", que se traduce como "parado
sobre/por encima de", para definir la acción enmascaradora de un gen por
otro. Desde entonces, los científicos han llegado a comprender que los genes
pueden interactuar en más formas que simplemente enmascaramiento (Miko, 2008a).
Normalmente se espera que el fenotipo dominante sea púrpura en base a los
cruces mendelianos clásicos, sin embargo, Bateson y Punnett escogieron
variedades que no habían tenido el grado de purificación que tuvo Mendel, y por
ende estas dos variedades en este experimento de epistasis tienen un
comportamiento diferente del esperado.
Muchos años después de que Bateson describiera por primera
vez esta proporción fenotípica de 9:7 en plantas de guisantes, los
investigadores finalmente pudieron determinar los dos genes responsables (Dooner, Robbins, & Jorgensen, 1991). Estos genes controlan el
color de las flores al controlar la bioquímica de las plantas de guisantes, en
particular las relacionadas con los compuestos de pigmentos llamados
antocianinas. En los guisantes, hay una reacción química en dos etapas que
forma antocianinas; el gen C es responsable del primer paso, y el gen P es
responsable del segundo (Figura
24‑2).
Si alguno de los pasos no es funcional, entonces no se produce pigmento morado,
y la planta de guisante afectada solo tiene flores blancas. Los alelos
dominantes C y P codifican los pasos funcionales en la producción de antocianinas,
mientras que los alelos c y p recesivos codifican los pasos no funcionales. Por
lo tanto, si se producen dos alelos recesivos para cualquiera de los genes, se
obtendrán flores blancas.
¿Cómo con cuerda esto con los resultados mendelianos?
Probablemente Mendel purificó sin saberlo individuos que tenían siempre un
homocigoto dominante en uno de los dos genes, dejando variedades dominantes y
recesivas para el segundo.
DEMOSTRACIÓN. Determine la ley aditiva de probabilidades
para la epistasis de duplicación recesiva empleando la tabla y exprese las
sumas en términos de las probabilidades de los dos monohíbridos independientes.
DEMOSTRACION: Programar una calculadora en Excel para la
epistasis “de duplicación recesiva” en un cruce de dos dobles heterocigotos
Ejemplo 1.
Determinar la proporción de fenotipos
dominante y recesivo en un cruce de dos dobles heterocigotos de flor purpura
para un único carácter teniendo en cuenta que el fenotipo dominante se genera
únicamente cuando dos genes tienen alelos dominantes. Resolver por cuadro de
Punnett.
En el ejemplo anterior podemos ver con claridad cómo se
resuelve un problema de epistasis. El problema, aunque aparentemente complejo
se puede resolver con modificaciones a la factorización que emergen de las
condiciones mismas de la epistasis.
Color
de los pétalos de la Primula, epistasis por obstrucción de un gen dominante
Más tarde, los investigadores descubrieron que el color del
pétalo de la flor también puede ser controlado por las fuerzas epistáticas
dominantes. Por ejemplo, en la planta de Primula, el pigmento malvidina crea
flores de color azul. La síntesis de malvidina está controlada por el gen K que
modelaremos como A/a, aunque la producción de este pigmento puede ser suprimida
por el gen D que modelaremos como B/b, que se encuentra en un locus completamente diferente. En este
caso, el alelo B/b es dominante-epistáticas para el alelo A/a, por lo que las
plantas con el genotipo AaBb no producirán malvidina debido a la presencia del
alelo B bloqueador. Por lo tanto, se trata de una epistasis por obstrucción.
Por lo tanto, si dos plantas con genotipo AaBb se cruzan entre sí, ¿Cuál es la
relación entre la descendencia azul y la descendencia no azul?
DEMOSTRACIÓN. Determine la ley aditiva de probabilidades para la epistasis por obstrucción de un gen dominante empleando la tabla y exprese las sumas en términos de las probabilidades de los dos monohíbridos independientes.
Ejemplo. Dos plantas de prímula azules dobles
heterocigotas se cruzan. Determinar las proporciones de los fenotipos. Resolver
por cuadro de Punnett.
Todos los genotipos no azules en el ejemplo anterior indican
una ausencia de malvidina. En particular, los genotipos amarillos presentan al
menos un alelo B, y la presencia del alelo B suprime la producción de
malvidina. La relación fenotípica es por lo tanto 13:3. Este tipo de epistasis
a veces se denomina supresión dominante, porque la desviación de 9: 3: 3: 1 es
causada por un único alelo que produce un fenotipo dominante, y la acción de
este alelo es suprimir la expresión de algún otro gen (Miko, 2008a).
Color
del grano de trigo, epistasis por duplicación dominante
Sin embargo, los genes no siempre tienen que actuar en
oposición entre sí para que una interacción sea epistática. A veces, dos genes
que tienen el mismo papel en la producción de proteínas se pueden sustituir
entre sí por compensación de dosis, esto sucede cuando un gen se ha duplicado
recientemente por medio de un evento de retrotrasposición. Un evento de
retrotrasposición sucede cuando un virus infecta una parte del genoma, pero se
degenera a tal punto que solo logra copiar parte de sí mismo, junto con algún
gen propio de su anfitrión cercano, pero n o logra generar una capcide, por lo
que la copia nueva se inserta en otro lugar del mismo cromosoma. Los
retrotrasposones se pueden considerar como retrovirus que tienen un ciclo
infectivo al interior de los mismos cromosomas, lo cual da lugar a que generen
cientos o miles de copias de genes propios del anfitrión (Naville et al., 2016).
DEMOSTRACIÓN. Determine la ley aditiva de probabilidades
para la epistasis por duplicación de un gen dominante empleando la tabla y
exprese las sumas en términos de las probabilidades de los dos monohíbridos
independientes.
El mecanismo por el cual se determina el color del grano de
trigo es un ejemplo de acción genética duplicada. En el trigo, el color del
grano depende de una reacción bioquímica que convierte una sustancia precursora
en un pigmento, y esta reacción se puede realizar con el producto del gen A o
del gen B. Por lo tanto, tener un alelo A o un alelo B produce color en el
núcleo, pero la falta de cualquiera de estos alelos producirá un núcleo blanco
que carece de color, la solución para el cruce doble heterocigoto se puede
obtener por medios analíticos simples. El único genotipo recesivo se genera por
el genotipo doble homocigoto recesivo aabb, que en un cruce de dihíbridos AaBb x
AaBb siempre tiene una probabilidad de 1/16, por lo que la probabilidad del
dominante que suma a todos los demás es de 15/16, así las proporciones
obtenidas serán 15:1.
Conclusiones
Hoy en día, los científicos saben que las predicciones de
Mendel sobre la herencia dependían de los genes que él eligió para estudiar, y
que purificó rigurosamente para que quedaran parejas de un gen un rasgo único
con solo una variabilidad de dominante/recesivo. Específicamente, Mendel
seleccionó cuidadosamente siete genes no vinculados que afectaban a siete
rasgos diferentes. Sin embargo, a diferencia de los fenotipos que Mendel
consideró, la mayoría de los fenotipos se ven afectados por más de un gen. De
hecho, la mayoría de las características de los organismos son mucho más
complejas que las características que Mendel estudió, y la epistasis es una
fuente de esta complejidad. La epistasis puede ocurrir en una variedad de
formas diferentes y dar lugar a una variedad de diferentes proporciones
fenotípicas. Es más, las epistasis de la tabla anterior solo muestran la
interacción de dos genes, pero en la realidad podemos tener decenas o cientos
de genes en interacciones mendelianas o epistáticas con más de dos alelos. Más
allá de la epistasis, las interacciones gen-ambiente aumentan aún más la
variedad de fenotipos que vemos a nuestro alrededor cada día.
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