Genética. Estudio de los genes. Estudio de la herencia. Rol clave en investigación biológica Genética directa y genética reversa Aspectos moleculares

Transcripción

1 Genética Mendeliana

2 Genética Estudio de los genes Rol clave en investigación biológica Genética directa y genética reversa Aspectos moleculares Estudio de la herencia Aspectos cotidianos Aspectos históricos

3 Gen Unidad hereditaria que se transmiten de una generación a otra en forma uniforme y predecible, dando origen a una característica fenotípica determinada. Transmite información sobre estructura y función de proteína Tiene capacidad de variación: alelos Fuentes de variabilidad: mutaciones, recombinaciones, ambiental Genoma/genotipo: dotación genética completa de un individuo

4 Medio Ambiente Fuente adicional de variabilidad Proveedor de materias primas Condiciones (clima, etc.) Fenotipo: conjunto de características morfológicas, fisiológicas, conductuales y ecológicas de un individuo.

5 Impacto del medio ambiente en el fenotipo

6 Selección natural ph del suelo afecta la coloración de las flores de hydrangea Principio de variación Morfología Fisiología Comportamiento Principio de herencia Caracteres heredables vs no heredables ph 5 ph8 Principio de selección Supervivencia Tasa de reproducción

7 Genética Mendeliana Experimentos fundacionales de la genética Mendeliana El método experimental y la terminología de Mendel Principios de la transmisión génica (leyes de Mendel) Cruce mono-híbrido y principio de la segregación 1:1 Cruce di-híbrido y principio de la transmisión independiente Relaciones genotipo-fenotipo Naturaleza probabilística de los principios mendelianos Análisis de pedigrí o genealogías Simbología Interpretación de pedigrí Determinación de distintos modos de herencia Ejemplos de pedigrí de algunas enfermedades humanas Bases moleculares de la genética Mendeliana

8 Pre-historia de la genética: miles de años de aplicación agropecuaria

9 Pre-historia de la genética: miles de años de conocimiento de enfermedades heredables Príncipe Albert Reina Victoria Familia real prusiana y rusa Juan Carlos I de España Familia real británica hemofilia en la Realeza Europea Familia real española

10 Genética Mendeliana Monje austríaco ( ) Propone herencia particulada (opuesto a la teoría de la herencia de las mezclas) Propone leyes de la herencia de caracteres sencillos Sigue normas estadísticas sencillas Utiliza un modelo experimental apropiado Propone conceptos de gen, dominancia, recesividad, etc. Mendel Web:

11 El valor y utilidad de un experimento dependen de lo apropiado que sea el material experimental para el objetivo que se persigue Gregor Mendel

12 Mendel: Modelo Experimental Especie (Pisum sativum) amplia gama de variedades fácil de analizar y de experimentar en condiciones controladas auto o heteropolinización (naturalmente, auto) uso de líneas puras (homocigotas), que estuvo preparando por más de 2 años. Caracteres discretos y cualitativos (alto-bajo, verde-amarillo, etc.) No presentan alteraciones de fecundidad No están ligados entre sí ni al sexo No hay interacción alélica ni génica Métodos análisis cuantitativos de los fenotipos de la descendencia (proporción de cada fenotipo)

13 Los 7 caracteres Mendelianos

14 Primeros Resultados 929 semillas 705 plantas de flores púrpuras 224 plantas de flores blancas Cruzamiento recíproco da ~resultados

15 Primeras Conclusiones El fenotipo blanco está completamente ausente en la F 1, pero reaparece (en su forma original) en la cuarta parte de las plantas F 2. Nunca obtiene fenotipos intermedios difícil de explicar por herencia mezclada. Herencia particulada : la capacidad para producir tanto el fenotipo púrpura como el blanco se mantiene y transmite a través de las generaciones sin modificaciones. Entonces por qué no se expresa el fenotipo blanco en la F 1? Fenotipo dominante: aquel que aparece en la F 1 tras el cruzamiento de 2 líneas puras. Fenotipo púrpura es dominante sobre el blanco Fenotipo blanco es recesivo sobre el púrpura

16 Terminología Caracter Propiedad fenotípica heredable Alelo cada una de las variantes genotípicas de cada caracter Línea pura planta que al autopolinizarse generan descendencia homogénea e idéntica al parental Cruce mono-híbrido Cruzamiento entre organismos que difieren en un único caracter P generation Parental F 1 - (first filial) descendencia de la P generation F 2 (second filial) descendencia de la F 1 Alelo dominante alelo expresado en el heterocigota Alelo recesivo alelo no expresado en el heterocigota Homocigota Organismo que lleva un par de alelos idénticos para determinado caracter Homocigote dominante- BB Homocigote recesivo - bb Heterocigota Organismo que lleva un par de alelos distintos para determinado caracter (Bb) Genotipo Composición genética Fenotipo Apariencia de un organismo, formas o variantes de un carácter. Deriva del griego: lo que se muestra

17 Resultados de cruzamientos mono-híbridos Relación de carácteres en F 2 siempre es 3:1!!

18 Hetero-polinización de F 1 El cruzamiento prueba permite inferir las proporciones de los gametos del heterocigoto

19 Proporciones genotípicas vs fenotípicas F 2 Proporciones fenotípicas Proporciones genotípicas 3/4 amarillos 1/4 amarillos puros 2/4 amarillos impuros 1/4 verdes 1/4 verdes puros Proporción aparente 3:1 de F 2 es 1:2:1

20 Postulado de Mendel para explicar proporción 1:2:1 1- Existen determinantes hereditarios de naturaleza particulada genes. 2- Cada planta adulta tiene 2 genes para cada caracter, una pareja génica. Las plantas de la F 1 tienen genes dominantes (A) y recesivos (a). 3- Los miembros de cada pareja génica se distribuyen de manera igualitaria entre las gametas o células sexuales. 4- Cada gameta es portadora de un solo miembro de la pareja génica. 5- La unión de una gameta de cada parental para formar un nuevo descendiente se produce al azar. Esquema de la generaciones P, F1 y F2 en el sistema de Mendel que implica la diferencia en un carácter determinado por la diferencia de un gen.

21 Primera Ley de Mendel: segregación equitativa de alelos Los dos miembros de una pareja génica (par de alelos) se distribuyen separadamente entre las gametas (segregan) en proporciones 1:1, de forma que la mitad de los gametos lleva un alelo y la otra mitad el otro alelo. S/s S S s s 25% 25% 25% 25%

22 Carácter Fenotipos Genotipos Alelos Gen Color de la flor Púrpura (dominante) CC (homocigota dominante Cc (heterocigota) C (dominante) Gen del color de la flor Blanco (recesivo) cc (homocigota recesivo) c (recesivo)

23 Cruzamientos di-híbridos Gen Color Y (amarillo) > y (verde) Gen textura semilla R (liso) > r (rugoso) Las proporciones lisas:rugosas y amarillas:verdes son ambas 3:1!!

24 Cuadrado de Punnet para predecir el resultado de un cruzamiento dihíbrido Por la primera Ley de Mendel: gametas Y = gametas y = 1/2 gametas R = gametas r = 1/2 p (RY) = 1/2 x 1/2 =1/4 p (Ry) = 1/2 x 1/2 =1/4 p (ry) = 1/2 x 1/2 =1/4 p (ry) = 1/2 x 1/2 =1/4

25 Segunda Ley de Mendel: segregación equitativa de alelos Durante la formación de los gametos la segregación de una pareja génica (par de alelos Aa) se produce de manera independiente de las otras parejas génica (par de alelos Bb).

26 Parejas génicas A a Pareja génica A B b a A a B b A a A a A b b B a B Gametas Gametas Distribución igualitaria Segregación independiente

27 abc abc abc abc Abc AbC ABc ABC Razón fenotípica aabbcc aabbcc aabbcc aabbcc Aabbcc AabbCc AaBbcc AaBbCc aabbcc aabbcc aabbcc aabbcc AabbCc AabbCC AaBbCc AaBbCC aabbcc aabbcc aabbcc aabbcc AaBbcc AaBbCc AaBBcc AaBBCc aabbcc aabbcc aabbcc aabbcc AaBbCc AaBbCC AaBBCc AaBBCC Aabbcc AabbCc AaBbcc AaBbCc AAbbcc AAbbCc AABbcc AABbCc AabbCc AabbCC AaBbCc AaBbCC AAbbCc AAbbCC AABbCc AABbCC AaBbcc AaBbCc AaBBcc AaBBCc AABbcc AABbCc AABBcc AABBCc AaBbCc AaBbCC AaBBCc AaBBCC AABbCc AABbCC AABBCc AABBCC abc abc abc abc Abc AbC ABc ABC AABBCC x aabbcc AaBbCc x AaBbCc P F 1 Cruces tri-híbridos

28 Naturaleza probabilística de las leyes de Mendel Las leyes son probabilísticas, no deterministas. Permiten predecir la probabilidad de los distintos genotipos y fenotipos que resultan de un cruce. Nº de parejas génicas segregantes Nº de clases fenotípicas Nº de clases genotípicas n n n Ej: del siguiente cruzamiento entre 2 plantas: Aa bb Cc Dd Ee x Aa Bb Cc dd Ee Qué proporción de la progenie será de genotipo a/a; b/b; c/c; d/d; e/e? Rta: pb (aa bb cc dd ee) = 1/4 x 1/2 x 1/4 x 1/2 x 1/4 = 1/256 Habrá que examinar ~ plantas de la F1 para obtener al menos una planta con el genotipo deseado Las leyes permiten inferir el número de genes que influyen sobre un carácter.

29 Alelismo múltiple A nivel de secuencia nucleotídica prácticamente cada copia de un gen es diferente en algún nucleótido de su secuencia. El alelismo múltiple es ubicuo. BRCA2 Individual 1 Individual 2 Individual 3 Individual 4 Individual 5 Individual 6 Individual 7 Individual 8 Individual 9 acgtagcatcgtatgcgttagacgggggggtagcaccagtacag acgtagcatcgtatgcgttagacggggtggtagcaccagtacag acgtagcatcgtatgcgttagacggcggggtagcaccagtacag acgtagcatcgtttgcgttagacgggggggtagcaccagtacag acgtagcatcgtttgcgttagacgggggggtagcaccagtacag acgtagcatcgtttgcgttagacggcatggcaccggcagtacag acgtagcatcgtttgcgttagacggcatggcaccggcagtacag acgtagcatcgtttgcgttagacggcatggcaccggcagtacag acgtagcatcgtttgcgttagacggcatggcaccggcagtacag

30 Alelismo múltiple En algunos casos, es posible determinar los grados de dominancia entre miembros de una serie alélica. Ej.: Pelaje conejo (alelos C+ > Cch > Ch > c) C+ Salvaje Cch Chinchilla Ch Himalaya c albino

31 Genética cuantitativa: caracteres continuos

32 Análisis de Pedigrí

33 Análisis de pedigrí: simbología

34 Análisis de pedigrí: simbología

35 Análisis de pedigrí: desórdenes autosómicos recesivos - Generalmente la enfermedad aparece en la progenie de padres no afectados. - La progenie afectada incluye tanto mujeres como hombres. Se exacerba por co-sanguineidad Pedigrí ilustrativo de un fenotipo recesivo poco común Ej. Fenilcetonuria, fibrosis quística, albinismo Imp! Si bien las leyes de Mendel se cumplen, las proporciones difícilmente se observan, ya que el n es muy chico.

36 Análisis de pedigrí: desórdenes autosómicos dominantes -El fenotipo tiende a aparecer en todas las generaciones. - Los padres afectados transmiten su fenotipo a hijos e hijas en igual proporción. Ej: Huntington, pseudoacondroplasia, polidactilia Pedigrí ilustrativo de un fenotipo dominante poco común Imp! Siempre es mas común encontrar personas llevando una copia del alelo mutante (A/a) que dos copias (a/a). Como consecuencia es muy común encontrar una progenie 1:1 de personas afectadas (A/a) y no afectadas (a/a).

37 Análisis de pedigrí: desórdenes recesivos ligados al cromosoma X Los hombres son los más afectados ya que con una madre portadora el carácter se expresa fenotípicamente. En hembras se necesita que ambos padres sean portadores. Si el carácter recesivo es raro casi todas las personas que muestren el fenotipo serán hombres. Ningún descendiente varón de un hombre afectado mostrará el fenotipo pero todas sus hijas mujeres serán portadoras (heterocigota). La mitad de los hijos varones de estas mujeres mostrarán el fenotipo.

38 Algunos desórdenes recesivos ligados al cromosoma X Daltonismo (incapacidad de diferenciar entre los colores rojo y verde) Hemofilia (malfuncionamiento de factores de coagulación) Distrofia muscular de Duchenne (malfuncionamiento de la proteína muscular distrofina) Síndrome de feminización testicular (malfuncionamiento de un receptor de andrógenos (AR), afectando el sistema de determinación sexual). Síndrome de Alport (mutación en el gen COL4A5 que causa un defectos en el colágeno tipo IV llevando a insuficiencia renal, sordera y ceguera) Síndrome de feminización testicular. Los cuatro individuos poseen 44 autosomas y un par XY

39 Análisis de pedigrí: desórdenes dominantes ligados al cromosoma X Los hombres afectados pasan su condición a todas sus hijas pero a ninguno de sus hijos. Las mujeres heterocigota afectadas casadas con hombres normales pasan su condición a la mitad de sus hijos varones y mujeres.

40 Herencia ligada al cromosoma Y Debido al bajo contenido de genes en el cromosoma Y, no hay fenotipos no sexuales asociados a este cromosoma. Un carácter, extremadamente raro, que ha sido asociado es la presencia de pelo en las orejas que es transmitido exclusivamente de padres a hijos varones. El gen más relevante para la determinación sexual es el SRY (Sexdetermining Región Y gene). Además, existen otros genes involucrados en la producción de esperma cuya deleción produce esterilidad.

41 Análisis de pedigrí: desórdenes autosómicos polimórficos Polimorfismo: coexistencia de dos ó más fenotipos comunes de un carácter en una población. Dado que ambos son alelos comunes en la población, la proporción de individuos portadores del alelo recesivo (ya sea en homo o heterocigosis) es mucho mayor que en los desórdenes recesivos poco comunes. Pedigrí ilustrativo de un desorden polimórfico

42 Análisis de pedigrí: resumen Recesivo autosómico: -Se salta generaciones -Igual distribución entre sexos -Suele aparecer en matrimonios consanguíneos -Dos padres normales producen hijos afectados Dominante autosómico -Aparece cada generación -Afectados x normales -> 1/2 afectados en la progenie -Igual distribución entre sexos Recesivo ligado al sexo -Aparece más en machos -Hembras afectadas tienen todos los hijos afectados -Hembras afectadas tienen un padre afectado y una madre portadora Dominante ligado al sexo -Aparece cada generación -Machos afectados dan hijas afectadas -Machos afectados provienen de madres afectadas

43 Caracteres Mendelianos en humanos Capacidad de sentir el sabor de la feniltiocarbamida Albinismo Tipo sanguíneo Braquidactilia (dedos de manos y pies cortos) Hoyuelos de la mejilla Lóbulos oreja sueltos o adosados Pecas en la cara Pulgar hiperlaxo Polidactilia OMIM - Online Mendelian Inheritance in Man

44 Bases Moleculares del Mendelismo

45 Bases moleculares de la genética mendeliana Alelos: variantes de un mismo gen. Difieren en solo uno o unos pocos nucleótidos entre sí. Alelo wild-type : forma en la que cualquier gen particular es hallado en la naturaleza. Ej. Color del pétalo de la planta de guisante. Alelo A es wild-type Genotipo A/A enzima activa pigmento púrpura pétalos púrpura A/a enzima activa pigmento púrpura pétalos púrpura a/a enzima inactiva no hay pigmento pétalos blancos Imp! El fenotipo blanco puede darse por la inactivación de cualquiera de los genes involucrados en la síntesis del pigmento.

46 Dentro de cada variante fenotípica hay muchas variantes poblacionales genotípicas Gen determinante para el color de fruto Am Az

47 Alelos Alelo nulo: aquel que lleva a la ausencia del producto génico normal (ej m6) o a la desaparición fenotípica de la función normal (ej m2 y m3). Los alelos nuevos formados por mutación pueden resultar en la pérdida total o parcial de la función, o de la ganancia de más función o incluso adquisición de una nueva función a nivel proteico.

48 Ej. PKU: enfermedad autosómica recesiva generada por el procesamiento anormal del aa fenilalanina por parte de la enzima fenilalanina hidroxilasa (PAH). Ahora por qué el alelo defectuoso de PAH es recesivo? El gen PAH es haplosuficiente: una sola dosis del alelo wild-type es suficiente para producir el fenotipo wild-type. Tanto el genotipo P/P (dos dosis), como el P/p (una dosis) producen una cantidad de PAH suficiente para el normal funcionamiento de la célula. Individuos p/p no tienen actividad PAH. La recesividad de un alelo mutante es generalmente el resultado de la haplosuficiencia del alelo wild-type de ese gen. Al contrario, la dominancia de un alelo mutante es normalmente el resultado de la haploinsuficiencia del alelo wild-type de ese gen particular.

49 Recesividad de un alelo mutante de un gen haplosuficiente: albinismo