lunes, 2 de agosto de 2021

24. Epistasis | 🧬 Genética clásica | Joseleg

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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 241. 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.

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 factorización.

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 Excel.

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 242 con la pareja A/a, y el segundo locus P de la Figura 242 con la pareja B/b.

Figura 242. 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 242). 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.

Ejemplo 2. 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 factorización.

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.

Ejemplo. Dos plantas de prímula azules dobles heterocigotas se cruzan. Determinar las proporciones de los fenotipos. Resolver por factorización y Excel.

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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