lunes, 2 de agosto de 2021

16. La teoría cromosómica y la distribución dependiente | 🧬 Genética clásica | Joseleg

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La asociación entre cromosomas y unidades hereditarias “genes” no se realizó sino hasta el redescubrimiento de las leyes de Mendel, pero cuando las leyes de la genética clásica fueron redescubiertas la asociación de los genes y los cromosomas fue casi que inmediata. Ya en 1903 en la misma década en que los trabajos de los re-descubridores de la genética clásica impactaron a otro biólogo llamado Walter Sutton un joven graduado de la Universidad de Columbia publicó un artículo que ligaba directamente a los cromosomas como los portadores físicos de los factores genéticos propuestos de manera teórica por Mendel para explicar los fenómenos observados al nivel macroscópico (Sutton, 1903).

Figura 161. Walter Sutton, fue un médico y genetista estadounidense cuya contribución más significativa a la biología fue su teoría de que las leyes mendelianas de la herencia podían ser aplicadas a los cromosomas a nivel celular.

En este caso tenemos una interacción compleja de la teoría, la razón y lo empírico en el desarrollo de la ciencia.

Relación mitosis y meiosis

Cuando Sutton examinó los cromosomas en las células justo al inicio de la meiosis encontró que los miembros de cada pareja de cromosomas se asociaban unos con otros formando estructuras complejas que reciben diferentes nombres actualmente, como bivalentes o tétradas ya sea su se observa desde los cromosomas homólogos o desde las cromátides hermanas y homólogas respectivamente (Crow & Crow, 2002; McKusick, 1960). Dado que en este punto de microscopia se los observa desde el punto de vista de cromosomas emplearemos la expresión bivalente.

Figura 162. Por el momento solo nos debemos concentrar en la imagen de arriba ya que el modelo de abajo vino varios años después. Los microscopios de principios del siglo XX difícilmente podían tener la resolución necesaria para distinguir las cromátides hermanas al interior de los cromosomas, por esto el nombre bivalente es más acertado en este contexto.

Sutton observó la presencia de 11 bivalentes en los cuales cada una de las 11 parejas de cromosomas homólogos se encontraban asociadas de manera intima. El resultado de la primera división meiótica conllevaba a la separación de los cromosomas homólogos en células independientes. Esta era la primera división reductora propuesta por Weismann 15 años antes en base a una propuesta puramente teórica.  Esta también era la base física para la propuesta de los factores hereditarios de Mendel, los cuales también se encontraban en parejas al interior de la célula y cuando esta genera gametos se separaban. La división reductora observada por Sutton explicó varios de los hallazgos que Mendel había encontrado:

👉 Los gametos presentan un solo alelo = los gametos contienen un solo cromosoma de cada clase.

👉 El número de células que contiene un tipo de alelo es el mismo de los que contiene el otro tipo de alelo = el número de células que contiene un cromosoma es el mismo al que contiene a su versión homóloga.

👉 La fertilización de los gametos completa la cantidad de alelos originales = la fertilización completa la cantidad de cromosomas originales.

A pesar de que las propuestas de Sutton con respecto a los cromosomas y los factores

de mendelianos parecían encajar, existían aun cuestiones que no concordaban totalmente. Por ejemplo ¿cómo era que los genes se organizaban al interior de los cromosomas?, ¿sería posible encontrar la ubicación de los genes en los cromosomas?

Sin embargo, el problema más claro que Sutton encontró a su propia propuesta tenía que ver con la Ley de Distribución Independiente, en la que los caracteres hereditarios se distribuyen de manera independiente y aleatoria unos de otros. En base a los trabajos de los mendelianos ningún carácter estaba ligado a otro durante los cruces di-híbridos, pero la propuesta cromosomal de Sutton predecía la existencia de grupos de genes ligados en los mismos cromosomas.

Figura 163. La formación de gametos mendelianos como abstracción matemática tenía un comportamiento semejante a la meiosis observada al microscopio en el sentido de que ambas disminuía el con tenido genético a la mitad.

La respuesta a ambas preguntas se encuentra posiblemente en la naturaleza independiente de los cromosomas, si los genes se encuentran todos en diferentes cromosomas se comportarían de manera mendeliana clásica, distribuyéndose de manera independiente y aleatoria entre las células hijas. Pero la otra opción era que los genes se encontraran ubicados en un mismo cromosoma. Sutton no se amilanó, y en lugar de intentar hacer encajar toda la propuesta de los mendelianos propuso y predijo la existencia de caracteres que se debían heredar de manera no-mendeliana debido al ligamiento físico de sus genes en un mismo cromosoma, concepto al cual se le ha denominado grupo de ligamiento.

La profecía de Sutton a cerca de los grupos de ligamiento se cumplió poco tiempo después cuando se encontró que en los guisantes dulces dos caracteres independientes uno de color de la flor y otro de la forma del polen se comportaban como grupos de ligamiento. Al poco tiempo otros ejemplos se acumularon (Karp, 2013). Lo anterior es interesante debido a que el redescubrimiento de las leyes de Mendel a los inicios de siglo XX también conllevó casi de manera inmediata al desarrollo de la genética evolutiva, y uno de sus principales precursores seria Thomas Hunt Morgan (Thomas Hunt Morgan, 1916). Otro detalle de la era postmendeliana es que el foco de la historia se transfiere desde la Alemania de segundo Reich a la nueva potencia en florecimiento los Estados Unidos de América.

Hacia la comunidad

William Bateson, Edith Rebecca Saunders y Reginald C. Punnett en 1905, en su trabajo con plantas de guisantes, notaron que no todos sus cruces arrojaron resultados cumplieran la ley de la distribución independiente. Recuerde que la ley de la distribución independiente es aquella que nos obliga a generar todas las combinaciones de gametos posibles para construir el cuadro de Punnett o aquella que nos permite resolver un problema dihíbrido como si fueran dos monohíbridos independientes que al final se combinan por una factorización polinómica. Específicamente, algunos fenotipos aparecieron con mucha más frecuencia de lo que la genética mendeliana tradicional predecía, pero que la hipótesis de Walther Sutton acerca de que los cromosomas transportaban los genes si postulaba.

Figura 164. Sutton predice la existencia de genes ubicados en un mismo cromosoma que altera las frecuencias y tipos de gametos esperables.

Con base en estos hallazgos, el trío propuso que ciertos alelos de alguna manera deben estar acoplados entre sí, aunque no estaban seguros de cómo se produjo este vínculo hasta que se adicionaron las predicciones de Sutton. La respuesta a esta pregunta se produjo siete años más tarde, cuando Thomas Hunt Morgan utilizó moscas de la fruta para demostrar que los genes vinculados deben ser objetos físicos reales que se encuentran muy cerca del mismo cromosoma, confirmándose así la teoría cromosómica de la herencia suttoniana (Crow & Crow, 2002).

Primeras desviaciones de la segregación independiente

En 1905, William Bateson, Edith Rebecca Saunders y Reginald Punnett examinaban el color de la flor y la forma del polen en las plantas de guisante (Bateson et al., 1905) realizando cruces dihíbridos similares a los llevados a cabo por Gregor Mendel y que se ven en cualquier libro de texto. En particular, estos investigadores cruzaron plantas de guisante homocigóticas que tenían flores de color púrpura y largos granos de polen con plantas homocigóticas que tenían flores rojas y granos redondos de polen (Pierce, 2005). Antes del cruce, el trío notó que las flores moradas (P) dominaban sobre las flores rojas (p), y que los granos largos de polen (L) dominaban sobre los granos redondos de polen (l). La generación F1 de plantas resultantes del cruce PPLL x ppll fue, por lo tanto, doblemente heterocigótica (PpL1), y todas las plantas F1 tenían flores moradas y granos largos de polen, tal cual se esperaba teóricamente, hasta este punto nada raro (Lobo, 2008a).

A continuación, Bateson, Saunders y Punnett decidieron cruzar las plantas F1 entre sí. Después de este cruce, los investigadores esperaban que la generación F2 tuviera una proporción de 9: 3: 3: 1 (nueve plantas con flores de color púrpura y largos granos de polen, tres plantas con flores de color púrpura y granos de polen redondo, tres plantas con flores rojas y granos largos de polen, a una planta con flores rojas y granos redondos de polen). En su lugar, observaron los resultados que se muestran en la Tabla 8 (Bateson et al., 1905), y se encontró que existen diferencias significativas entre las proporciones esperadas y las observadas (Lobo, 2008a).

Como lo indica la Tabla 8, Bateson, Saunders y Punnett observaron que sus cruces producían una desviación de las proporciones de la distribución independiente (Bateson et al., 1905). Los investigadores consideraron varias explicaciones para este resultado, incluida la epistasis, e incluso trataron de ajustar sus datos con una proporción de 7: 1: 1: 7. Sin embargo, la epistasis en las generaciones F2 generalmente da como resultado una relación mendeliana modificada y se observa cuando los genes afectan el mismo rasgo, como el color de la flor, por lo que la epistasis no podría explicar la desviación que se ve aquí, ya que estamos hablando de dos caracteres, color de la flor y forma del polen (Lobo, 2008a).

Durante su análisis, los investigadores se dieron cuenta de que había un exceso en el número de fenotipos parentales (violeta // largo y redondo) en los resultados de F2. En particular, de las 2.132 plantas F2, se esperaba que 1.199 tuvieran flores de color púrpura y granos largos de polen, pero en su lugar, había un enorme 1.528 de plantas con este fenotipo. De manera similar, se esperaba que solo 133 plantas tuvieran flores rojas y granos redondos de polen, pero los investigadores observaron casi tres veces ese número (381). Ahora se entiende que las diferencias entre los resultados esperados y observados fueron estadísticamente significativas (P <0.005), lo que significa que los datos no pueden ser explicados únicamente por casualidad (Lobo, 2008a).

Debido a que los fenotipos parentales reaparecieron con más frecuencia de lo esperado, los tres investigadores supusieron que había un acoplamiento, o conexión, entre los alelos parentales para el color de la flor y la forma del grano de polen (Bateson et al., 1905), y que este acoplamiento resultó en la desviación observada de la distribución independiente. De hecho, la Figura 16-5 muestra un ejemplo de un cruce entre plantas de guisante homocigóticas con flores de color púrpura y largos granos de polen y plantas homocigóticas con flores rojas y granos de polen redondo que exhibe el enlace de los alelos parentales. Pero, ¿por qué se relacionan ciertos alelos? Bateson, Saunders y Punnett no estaban seguros. De hecho, no fue hasta el último trabajo del genetista Thomas Hunt Morgan que este acoplamiento, o vinculación, podría explicarse por completo (Lobo, 2008a).

A principios del siglo XX, la famosa "sala de las moscas" de Thomas Hunt Morgan en la Universidad de Columbia fue el sitio de muchos descubrimientos y momentos "eureka" en el campo de la genética. Morgan eligió usar la mosca de la fruta prolífica Drosophila melanogaster como modelo para estudiar genética. Luego, durante un período de tres años, Morgan y sus alumnos lucharon por encontrar una forma de crear una mosca que se viera diferente a las moscas normales al tratar estas moscas con calor, frío, rayos X, ácidos, bases, azúcares y otros químicos (Lobo, 2008a).

Finalmente, en 1910, Morgan descubrió fortuitamente una sola mosca con ojos blancos que no resultó de ninguno de sus tratamientos.

Figura 165. Cuando las plantas de guisantes que tienen flores de color púrpura con largos granos de polen se cruzan con plantas de guisantes que tienen flores rojas con granos de polen redondos, la progenie resultante se designa como la generación F1. Todas las plantas en la generación F1 tienen el mismo fenotipo: flores de color púrpura y granos largos de polen. Cuando se permite que estas plantas F1 se autofecundan, la progenie resultante se designa como la generación F2. La expectativa es que los siguientes fenotipos se observarán en una proporción de 9: 3: 3: 1 en la generación F2: plantas púrpuras con granos largos de polen, plantas púrpuras con granos redondos de polen, plantas rojas con granos largos de polen y plantas rojas con redondo de granos de polen. Sin embargo, la generación F2 producida en este cruce no se ajusta a la relación esperada de 9: 3: 3: 1. En cambio, hay muchas más plantas púrpuras con largos granos de polen y plantas rojas con granos redondos de polen de lo predicho.

(Las moscas normales de la fruta tienen ojos rojos, no ojos blancos.) Morgan cruzó inmediatamente esta mosca blanca de ojos blancos a sus hermanas de ojos rojos (Morgan & Bridges, 1916). Cuando Morgan cruzó la mosca ojos blancos con la de ojos rojos sin tomar en cuenta un segundo carácter encontró que seguía el patrón mendeliano. Sin embargo, cuando se analizó el vínculo entre el color de ojos y el sexo la cosa fue diferente, Morgan esperaba una relación de 1: 1: 1: 1 de hembras de ojos rojos, machos de ojos rojos, machos de ojos blancos y hembras de ojos blancos. En cambio, observó los siguientes fenotipos en su generación F2 (Lobo, 2008a):

👉 2459 hembras de ojos rojos

👉 1011 hombres de ojos rojos

👉 782 machos de ojos blancos

No había hembras de ojos blancos, y Morgan se preguntó si esto era porque el rasgo estaba vinculado al sexo y solo se expresaba en moscas macho. Para probar si este era realmente el caso, Morgan completó un segundo cruce entre la mosca macho de ojos blancos original y algunas de sus hijas de F1. Estos cruces produjeron una generación F2 con los siguientes fenotipos:

👉 129 hembras de ojos rojos

👉 132 machos de ojos rojos

👉 88 mujeres de ojos blancos

👉 86 machos de ojos blancos

Reglas de ligamiento de genotipo a cariotipo

Por lo tanto, los resultados de este cruce sí produjeron hembras de ojos blancos, y los grupos tenían números aproximadamente iguales. Por lo tanto, Morgan formuló la hipótesis de que el rasgo del color de los ojos estaba relacionado con el factor sexo. Esto a su vez llevó a la idea de la vinculación genética, lo que significa que cuando dos genes están estrechamente asociados en el mismo cromosoma, no se distribuyen de forma independiente (Morgan & Bridges, 1916).

La propuesta de Morgan fue una sugerencia temprana de que los genes eran objetos físicos reales que estaban ubicados en los cromosomas. De hecho, el conocimiento de la vinculación genética fue fundamental para demostrar que los genes eran objetos reales que podían heredarse, someterse a recombinación y asignarse a ubicaciones específicas en los cromosomas. Por ejemplo, después de la publicación de los hallazgos de Morgan, Reginald C. Punnett utilizó esta información para identificar los grupos de ligamiento en sus estudios previos con plantas, y asoció estos grupos de ligamiento con cromosomas (Punnett, 1923; Punnett, 1927). Además, con este conocimiento en su lugar, Morgan y Alfred H. Sturtevant, su alumno, llevaron a cabo más estudios de vinculación que proporcionaron información sobre la ubicación de los genes en los cromosomas y finalmente dieron como resultado el mapeo de genes (Lobo, 2008a).

Modelando el ligamiento

Modelaremos a un determinado cromosoma con el símbolo Ii--, por ejemplo, si el cromosoma 1 porta los dos alelos dominantes de dos genes de interés I1AB, mientras el cromosoma dos las dos versiones recesivas I2ab. Aunque parece más complejo, el problema se reduce a la solución de monohíbridos.

Ejemplo. En cierta variedad recombinante de alverja tenemos dos caracteres, color de la flor A “purpura” y a “roja”, y forma del polen B “largo” y b “redondo”.  Determine los fenotipos esperados para un cruce de dos individuos de flor purpura y polen largo, sabiendo que (1) ambos son impuros para el color de la flor, y (2) que los dos alelos dominantes están en un cromosoma y los dos alelos recesivos están en un cromosoma independiente. Resolver por cuadro de Punnett.

Ejemplo. En cierta variedad recombinante de alverja tenemos dos caracteres, color de la flor A “purpura” y a “roja”, y forma del polen B “largo” y b “redondo”.  Determine los fenotipos esperados para un cruce de dos individuos de flor purpura y polen largo, sabiendo que (1) ambos son impuros para el color de la flor, y (2) que los dos alelos dominantes están en un cromosoma y los dos alelos recesivos están en un cromosoma independiente. Resolver por factorización.

Ejemplo. En cierta variedad recombinante de alverja tenemos dos caracteres, color de la flor A “purpura” y a “roja”, y forma del polen B “largo” y b “redondo”.  Determine los fenotipos esperados para un cruce de dos individuos de flor purpura y polen largo, sabiendo que (1) ambos son impuros para el color de la flor, y (2) que un cromosoma tiene un ligamiento A-b y el otro un ligamiento a-B. Resolver por cuadro de Punnett.

Ejemplo. En cierta variedad recombinante de alverja tenemos dos caracteres, color de la flor A “purpura” y a “roja”, y forma del polen B “largo” y b “redondo”.  Determine los fenotipos esperados para un cruce de dos individuos de flor purpura y polen largo, sabiendo que (1) ambos son impuros para el color de la flor, y (2) que un cromosoma tiene un ligamiento A-b y el otro un ligamiento a-B. Resolver por factorización.

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