(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)
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 16‑1. 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 16‑2. 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 16‑3. 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 16‑4. 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 16‑5. 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
un cromosoma tiene un ligamiento A-b y el otro un ligamiento a-B. Resolver por
cuadro de Punnett.
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