GENÉTICA MENDELIANA Y GENÉTICA DE POBLACIONES

Transcripción

1 Práctica #7 I. Objetivos 1 GENÉTICA MENDELIANA Y GENÉTICA DE POBLACIONES * Conocer conceptos básicos de la genética mendeliana y cómo se transmiten las características de generación en generación. * Determinar la frecuencia de ciertos rasgos de herencia monogénicas y poligénicas, que se observa con facilidad en el fenotipo de familiares mediante la construcción de genealogías. * Estudiar algún ejemplo de transmisión mendeliana de la herencia.- Codominancia * Conocer los parámetros utilizados en genética cuantitativa * Diferenciar entre frecuencia fenotípica, frecuencia genotípica y frecuencias alélicas II. Introducción El proceso biológico por medio del cual las especies tratan de asegurar la continuidad genética y el mantenimiento de la población es el de la reproducción. Cuando un individuo produce progenie sin la participación de células sexuales especiales se denomina reproducción asexual, el cual difiere con el de la reproducción sexual en que en esta última participan dos núcleos especializados que se fusionan para dar origen a un huevo fertilizado. Inicialmente, se consideraba que la transmisión de las características a la siguiente generación ocurría por una fusión de las características paternas. Sin embargo, a partir de los experimentos de Gregor Mendel ( ) con variedades de arvejas o guisantes (Pisum sativum, Fabaceae) se llegó a la conclusión de que los rasgos hereditarios se transmiten y se distribuyen de una generación a otra según las leyes de probabilidad, en forma de unidades separadas que se mantienen invariables a lo largo de las generaciones. Las características fenotípicas cuyo patrón hereditarios sigue los postulados de Mendel se conocen como razgos mendelianos. De acuerdo con los conceptos genéticos más modernos, el gen debe considerarse una unidad funcional que ocupa un segmento de un cromosoma que consta de pocas a muchas unidades estructurales dispuestas linealmente (secuencia de nucleótidos en la cadena de ADN) que codifica para una característica determinada. La palabra locus significa sitio específico en la cadena nucleotídica en que se encuentra el gen. Es posible que existan a nivel poblacional variantes de un mismo gen producto del proceso de mutación, lo que eventualmente puede contribuir al proceso de la evolución. La constitución génica de un individuo se conoce como GENOTIPO, y la expresión de los genes, en interacción con el ambiente, produce el FENOTIPO del individuo. En los organismos que son diploides cada individuo es portador de 1 par de alelos, uno es heredado de la madre, y el otro del padre. Un ser vivo en el cual los dos alelos para una característica dada son iguales, es un HOMOCIGOTO. Una planta de frijoles que posee los pares de alelos YY o yy es homocigoto para el color de la semilla. Un organismo en el cual los dos alelos para una característica dada son diferentes es HETEROCIGOTO. En el ejemplo anterior, una planta de frijoles que es heterocigota para el color de la semilla se representa con las letras Yy. En un organismo híbrido, como lo es un heterocigoto, el alelo que se manifiesta es el DOMINANTE. Por el contrario el alelo que no se expresa es el RECESIVO. Sin embargo,

2 2 puede ser que ambos alelos se expresen y produzcan un fenotipo diferente, en dicho caso, los alelos para este gen serian CODOMINANTES. El Cuadrado de Punnet se usa para combinar los gametos de los parentales (P) y determinar la probabilidad que tiene la descendencia de poseer uno o varios rasgos. Cuando se preparan el cruce, se asignan letras a los alelos (formas alternativas de un gen). La letra mayúscula simboliza el alelo dominante y la letra minúscula, el alelo recesivo. Por ejemplo, una característica determinada por un sólo gen es el lóbulo de la oreja en humanos, que puede ser libre o adherido (Fig. 1). El gen tiene 2 alelos. El alelo para el lóbulo libre (alelo E) es dominante sobre el del lóbulo adherido (alelo e). Hay 2 FENOTIPOS y tres GENOTIPOS posibles. Si su lóbulo es libre, usted puede tener uno de estos GENOTIPOS: EE ó Ee, mientras que si su lóbulo es adherido, su genotipo sólo puede ser ee. Figura 1. Lóbulo libre (izq) y adherido (der) de la oreja humana. Homocigoto dominante Heterocigoto Homocigoto recesivo EE Ee ee Por ejemplo, si se quiere conocer la probabilidad de que se presente éste rasgo en la descendencia cuyo padre es heterocigoto y presenta el lóbulo libre y la madre tiene el lóbulo adherido. E representa el alelo dominante y e el alelo recesivo. Dado que el padre es heterocigoto para el fenotipo lóbulo libre, queda representado como Ee, mientras la madre será ee. En un cuadro de Punnet cada alelo y su probabilidad (p) son ubicados en cada segmento. En este caso, la probabilidad de tener descendencia que muestre el fenotipo lóbulo libre es ½ (¼ Ee + ¼ Ee). Igual ocurre con la probabilidad de una descendencia con el rasgo lóbulo adherido (ee). Indiv. lóbulo adherido p: ½ p: ½ e e Indiv. lóbulo libre p: ½ p: ½ E Ee (¼) Ee (¼) e ee (¼) ee (¼)

3 3 Son miles los rasgos visibles que forman el fenotipo único que distingue a cada persona. Los genes que controlan rasgos humanos muestran muchos patrones de herencia. Algunos rasgos humanos, como el color de los ojos, el color del pelo o la calvicie, son rasgos fenotípicos que se heredan de modo simple. La herencia monogénica presentan patrones de segregación característicos que permiten definirlos en cuatro modelos de herencia clásicos, llamados también mendelianos. Ellos son: autosómico dominante (AD), autosómico recesivo (AR), ligado al X recesivo (XR) y ligado al X dominante (XD). Conociendo el patrón de herencia de una enfermedad, u observando su comportamiento en la familia aunque no se conozca el diagnóstico, se pueden estimar los riesgos de afectación de cada uno de los miembros y su descendencia. La siguiente figura muestra algunos de estos rasgos, controlados por genes autosomales. Otros rasgos rasgos humanos no tienen un patrón de herencia monogénica. La textura del pelo es un ejemplo de dominancia incompleta, donde el genotipo heterocigoto presenta un fenotipo intermedio. En este caso, ni el alelo dominante ni el alelo recesivo se expresan completamente en el heterocigoto. El color del pelo y el color de los ojos envuelve más de un gen. Para ver cómo estos rasgos se transmiten de generación a generación, puede hacerse un árbol genealógico o un pedigrí. El pedigrí es un linaje de familia a través de generaciones de individuos relacionados. Como ejemplo de árbol genealógico se seguirá un esquema como el que se indica a continuación: I II III En la genealogía, se indica el orden de las generaciones con número romano. La primera generación (I) corresponde a la primera persona de la que se posean datos, por ejemplo la de los abuelos del alumno; la segunda (II) correspondería a la de los padres y tíos, y la tercera (III), a la generación del alumno. Los varones se representan con cuadrados, las mujeres con círculos, y por rombos los individuos de los que no se conocen los datos (II.9). Las parejas se unen por una línea horizontal. Los descendientes se disponen bajo una línea horizontal desde la que parte una línea vertical por individuo, excepto en el caso de mellizos

4 (III.4 y 5) o gemelos fraternos (II.4 y 5), que se indican por líneas convergentes (ver figura). Los individuos que muestran el fenotipo en estudio se indican rellenando el símbolo. 4 Podemos usar varias de éstas características fenotípicas para determinar la frecuencia de los alelos dominantes y recesivos en la población del laboratorio. En éste caso, se analiza la constitución genética de los individuos que componen las poblaciones (frecuencias génicas, alélicas y genotípicas) y la transmisión de los genes de una generación a la siguiente. En el lenguaje de la Genética de Poblaciones, el principio de Hardy-Weinberg (PHW) establece que, bajo ciertas condiciones, tras ciertas generaciones de apareamientos al azar, las frecuencias de los genotipos de un locus individual (posición de un gen) se fijaran en un valor de equilibrio particular. También especifica que esas frecuencias de equilibrio se pueden representar como una función sencilla de las frecuencias alélicas en ese locus. En el caso de un locus con dos alelos E y e, con frecuencias alélicas de p y q respectivamente, el PHW predice que la frecuencia genotípica para el homocigoto dominante EE es p 2, la del heterocigoto Ee es 2pq y la del homocigoto recesivo aa, es q 2. III. Procedimiento Durante la sesión de laboratorio se realizarán 2 ejercicios que le permitirán conocer los principios básicos de la genética mendeliana y la genética de poblaciones. Todos los subgrupos de trabajo realizarán ambos ejercicios Al finalizar los experimentos, se hará una discusión de los resultados obtenidos. Cada subgrupo debe estar preparado para presentar y discutir sus resultados. Ejercicio 1 1. Usando los rasgos descritos en el siguiente cuadro y la ayuda del instructor, determine la distribución de frecuencia de éstos rasgos entre sus compañeros de laboratorio. Característica fenotípica Cruce de manos Pico de belleza Enrollamiento de lengua Lóbulo de la oreja Camanances Hoyuelo de barba Descripción Cruce sus manos y observe cuál brazo está adelante, el izquierdo o el derecho? Colocar su brazo izquierdo en la parte superior está controlada por un gen dominante. Si usted coloca el brazo derecho al frente entonces es homocigota recesivo para ese carácter. El pico distintivo en el centro de la frente está causado por un gen dominante. Una línea de cabello continuo está controlada por un gen recesivo. Evalúe en donde empieza a crecer el cabello. Trate de doblar los lados de su lengua de manera que casi se toquen. La habilidad para hacer esto está controlada por un gen dominante. Los lóbulos de la oreja pueden estar separados o fusionados del borde de la mandíbula, el lóbulo libre es dominante. Los hoyuelos que aparecen en las mejillas cuando usted sonríe están controlados por un gen dominante. Está controlado por un gen dominante.

5 5 Grosor de labios Pecas Uso de las manos Habilidad para detectar sabor de PTC Pulgar de ponero Dedos Entrelazados Los labios gruesos son dominantes sobre los labios delgados. La presencia de pecas está controlada por un gen dominante. La mayor habilidad en la mano derecha domina sobre la mayor habilidad en la mano izquierda ( zurdo ). La feniltiocarbamida (PTC) es una sustancia química cuyo sabor amargo es percibido por la mayoría de los gustadores (dominante) pero no por un reducido número de individuos no gustadores o ageúsicos (recesivo). Algunas personas pueden inclinar la coyuntura distal o final del pulgar hacia atrás a un ángulo mayor de 45 grados. Esto se conoce como "pulgar de ponero". Un gene recesivo (h) determina esta habilidad. Un gene dominante (H) en la gran mayoría de la gente evita que puedan inclinar esta coyuntura a un ángulo mayor de 45 grados Entrelace sus dedos. Cuál pulgar quedó arriba? El pulgar izquierdo sobre el derecho es la condición dominante. Patrones de herencia.- codominancia Ejercicio 2 Genética de Poblaciones Hasta este punto hemos considerado un patrón de herencia con dominancia completa, es decir, el individuo homocigoto dominante o heterocigoto expresa el fenotipo dominante mientras que el individuo homocigoto recesivo expresa el fenotipo recesivo. Sin embargo, la transmisión (herencia) de los rasgos puede ocurrir en diversas formas. Por ejemplo, para algunos rasgos, un cruce entre dos alelos diferentes resulta en un fenotipo que combina los dos alelos (dominancia incompleta). Por otra parte, la expresión de los dos alelos de un gen particular se conoce como codominancia. En este caso, los fenotipos para ambos alelos se expresan al mismo tiempo y con igual probabilidad en el heterocigoto. El sistema de grupos sanguíneos es un excelente ejemplo de codominancia. El sistema sanguíneo ABO y Rh El análisis de los grupos sanguíneos en humanos ocupa un lugar especial en la genética, en primer lugar por sus contribuciones al establecimiento de algunos principios genéticos y luego por su importancia clínica en la transfusión de sangre. La nomenclatura de los grupos sanguíneos se ha hecho de modo fragmentario, empleándose varios sistemas. El sistema ABO propuesto por K. Landsteiner en 1900 se refiere a la presencia de diferentes glucoproteínas en la superficie de los glóbulos rojos. El sistema tiene 3 alelos (I A, I B y I O ) donde los alelos I A y I B son dominantes sobre el alelo I o, pero codominantes entre si. En un heterocigoto los alelos codominantes se expresan de manera completa y equitativa, produciendo una condición fenotípicamente distinta al fenotipo intermedio entre los dos extremos. Cada alelo codifica para una glucoproteína diferente

6 6 (ANTIGENO) que se distinguen con pruebas en las que cada una produce una respuesta inmunológica diferente. El alelo A codifica para la presencia del antígeno A en la superficie de los glóbulos rojos, mientras el alelo B codifica para el antígeno B. El alelo O no produce antígeno. Los antígenos expresados por cada uno de los alelos reaccionan con ciertas proteínas del plasma sanguíneo (ANTICUERPO). Esta interacción es altamente específica y puede dar como resultado la aglutinación celular. La tabla 1 muestra la relación entre el tipo sanguíneo, antígenos celulares, anticuerpos del plasma y genotipo posible en el sistema ABO. El sistema Rh constituye otro ejemplo de alelos múltiples con interés dada su relación con la enfermedad hemolítica del recién nacido y su importancia en la transfusión. Los genes responsables de la producción de éstos antígenos se conocen como alelos Rh descrito por K. Landsteiner y A.S. Weir en El sistema Rh es genéticamente complejo, pero se puede describir en base a la presencia de otro antígeno que se expresa en la membrana superficial de los eritrocitos y codificado por un único par de alelos D y d; donde las personas Rh + son DD o Dd y las Rh - son dd. Procedimiento 1. Tome un algodón con alcohol y limpie la zona de la yema del dedo índice. 2. Con una lanceta punce el área y oprima el dedo para sacar tres gotas de sangre. 3. Coloque en un portaobjeto tres gotas de sangre separadas una de la otra. 4. El instructor agregará una gota de antígeno para los tres tipos sanguíneos ABO. Mezcle cuidadosamente con un mondadientes 5. Al término del periodo de reacción reporte si se observa (+) o no (-) algún signo de aglutinación 6. Determine el grupo sanguíneo y el Rh con el factor antígeno D siguiendo los siguientes cuadros: 7. Elabore un cuadro de distribución de frecuencias de los fenotipos de grupos sanguíneos (ABO y Rh) de la clase. Para ello analice la siguiente información Añadiendo otra variable a la ecuación de Hardy-Weinberg, es posible realizar el cálculo de las frecuencias genotípicas y alélicas para la situación con tres alelos. Sean p, q y r la representación de las frecuencias de los alelos A, B y O respectivamente. Dado que son tres alelos, se tiene que:

7 7 p+ q + r = 1 Las frecuencias fenotípicas de una población son las proporciones o porcentajes de individuos de cada fenotipo que están presentes en la población, ó Número de individuos de un fenotipo Número total de individuos Si se conocen las frecuencias fenotípicas de los tipos sanguíneos en una población, es posible determinar las frecuencias para los tres alelos del sistema ABO. Por ejemplo, en una muestra se observaron las siguientes frecuencias para tipos sanguíneos: A=0,53; B=0,13; O=0,26. Se colocan las frecuencias calculadas en el cuadro, como se muestra a continuación: Frecuencia Alélica De acuerdo con las condiciones de Hardy-Weinberg, la frecuencia de los genotipos vendrá dada por (p+ q + r ) 2 = p 2 + q 2 + r 2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1 Debido a que el alelo I O es recesivo, la frecuencia fenotípica del tipo sanguíneo O en la población es igual a la frecuencia del genotipo recesivo r 2. Así, r 2 = 0,26 r = (0,26) 1/2 r = 0,51 Frecuencia Alélica 0,51 Utilizando el valor estimado para r, es posible calcular las frecuencias de los alelos I A e I B. El alelo I A está presente en dos genotipos, I A I A y I A I O. La frecuencia del genotipo I A I A viene representada por p 2 (según las condiciones de Hardy-Weinberg desarrolladas anteriormente), y la de I A I O por 2pr. Por consiguiente, combinando las frecuencias genotípicas de A y O, se obtiene que p 2 + 2pr + r 2 = 0,53 + 0,26 Si se resume el término de la izquierda, y se suma a la derecha, se obtiene (p+ r) 2 = 0,79 p + r = ( 0,79 ) 1/2 p = 0,89 r p = 0,89 0,51 = 0,38

8 8 Frecuencia Alélica 0,38 0,51 Conociendo el valor de p y r, se puede determinar la frecuencia del alelo I B, p + q + r = 1 q = 1 p r q = 1 0,38 0,51 q = 0,11 Frecuencia Alélica 0,38 0,11 0,51 Utilizando los valores de las frecuencias alélicas (p, q y r), se procede al cálculo de las frecuencias genotípicas, utilizando la fórmula desarrollada a partir de los principios de Hardy-Weinberg (p+ q + r ) 2 = p 2 + q 2 + r 2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1 Genotipo I A I A p 2 = (0,38) 2 = 0,14 I A I O 2pr = 2*0,38*0,51 = 0,39 I B I B q 2 = (0,11) 2 = 0,01 I B I O 2qr = 2*0,11*0,51 = 0,11 I A I B 2pq = 2*0,38*0,11 = 0,084 I O I O r 2 = (0,51) 2 = 0,26 De forma que es posible completar el cuadro con los valores requeridos, de la siguiente manera, 0,14 0,39 0,01 0,11 0,084 0,26 Frecuencia Alélica 0,38 0,11 0,51 Es importante recordar, que al tratarse de frecuencias, la suma de cada fila deberá ser igual a 1, para corroborar que los cálculos se hayan efectuado de forma adecuada.

9 9 0,14 0,39 0,01 0,11 0,084 0,26 Frecuencia Alélica 0,38 0,11 0,51 =1 =1 =1 Para las frecuencias alélicas, Bernstein simplificó los cálculos, de la siguiente manera: Donde F representa la frecuencia fenotípica. Para el factor Rh, el cálculo se simplifica, ya que se tienen sólo dos variables, así que se sigue la ley de Hardy-Weinberg, como se detalla a continuación: p + q = 1 (p + q) 2 = 1 p 2 + 2pq + q 2 = 1 En este caso, p y q, corresponden a las frecuencias alélicas de Rh + y Rh - respectivamente, y p 2, 2pq y q 2 a las frecuencias genotípicas. Dadas las frecuencias fenotípicas para una población, es posible realizar el cálculo de las frecuencias alélicas y genotípicas Rh + Rh - Frecuencia Fenotípica 0,36 0,64 Frecuencia Alélica La frecuencia alélica de Rh - (q) será La frecuencia alélica de Rh + (p) será q = (0,64) 1/2 = 0,8 p + q = 1 p = 1 q p = 1 0,8 p = 0,2 Finalmente se utiliza la fórmula p 2 + 2pq + q 2 = 1 para calcular los genotipos, como se hizo en el caso del sistema de grupos sanguíneos ABO, y se completa el cuadro

10 10 Rh + Rh - Frecuencia Fenotípica 0,36 0,64 0,04 0,32 0,64 Frecuencia Alélica 0,2 0,8 8. Complete su cuadro de resultados con las frecuencias alélicas obtenidas en su grupo de laboratorio En grupos de 4 personas, elabore una lista de factores que podrían alterar las frecuencias génicas de la clase con respecto a estos grupos sanguíneos. Luego, se hará una discusión del tema en toda la clase, dirigida por su instructor. 9. Su instructor le suministrará los datos obtenidos en años anteriores. Con esos datos, calcule, frecuencia fenotípica, frecuencia genotípica y frecuencia alélica. 10. Compare sus resultados con los datos que se muestran a continuación: Frecuencias alélicas de los tipos sanguíneos en Costa Rica obtenidos de una muestra de 2196 individuos adultos Sistema ABO Factor antígeno D del sistema Rh Fenotipo Observados Alelo Frecuencia Alelo Frecuencia A 708 A Rh B 267 B Rh AB 56 1 O 1154 O Qué diferencias observas entre los resultados obtenidos en el laboratorio y los reportados en el cuadro anterior? A qué se debe estas diferencias?

11 SÍMBOLOS UTILIZADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN ÁRBOL GENEALÓGICO 11 Mujer Hombre Mujer y hombre con el rasgo expresado Mujer y hombre fallecidos Sexo no identificado Matrimonio o padres Generación Adoptado Hermanos Aborto Gemelos idénticos Gemelos fraternos Matrimonio consanguíneo Divorcio o relación previa