1

ANÁLISIS GENÉTICO.

APUNTES DE TEORÍA TODOS LOS GRADOS.

CARLOS FERNÁNDEZ RIVERA.

2

ÍNDICE. Teoría:

1. Introducción: conceptos fundamentales y meiosis. 2. Segregación autosómica (I): mono-, di- y trihibridismo. 3. Segregación autosómica (II): interacciones génicas y epistasias. 4. Segregación sexual: cromosomas sexuales, epigenética y herencia extranuclear. 5. Introducción al análisis de pedigrís. 6. Genética cuantitativa. 7. Genes ligados: recombinación, cartografía cromosómica y análisis de marcadores. 8. Mutación: niveles génico, estructural y numérico. 9. Estructura de los genes y genomas. 10. Aplicaciones del análisis genético.

3

1. INTRODUCCIÓN Análisis genético: estudia los patrones de herencia de la variabilidad que se transmite a la descendencia. Gen/Locus: secuencia que codifica para un RNA. Un locus es una región identificable en el genoma, la cual contiene uno o varios genes. Genoma: conjunto de genes (nucleares y extranucleares) de un organismo. Genotipo: genes que codifican para el carácter que estudiamos. Fenotipo: manifestación de un genotipo. Alelo: cada una de las formas en las que puede estar un gen. Clasificación: • Salvaje (wildtype) ó mutante. • Homocigoto: un individuo tiene sus alelos iguales; mientras que el heterocigoto tiene los

alelos diferentes. • Alelo dominante (una única copia del alelo es suficiente para determinar un fenotipo) ó alelo

recesivo (debe estar en homocigosis para manifestarse). Polimorfismo: un gen presenta más de un alelo cuando al menos el 5% de la población tiene una versión “nueva” a la conocida. Algunos autores dicen 1%. Ruido en el desarrollo: sucesos aleatorios durante el desarrollo del individuo que generan variación fenotípica. Por ejemplo, los humanos presentamos simetría bilateral pero ésta no es perfecta, sino que hay una serie de variaciones entre las dos partes del cuerpo. Organismos modelo: ampliamente conocidos, crecen con facilidad, se reproducen abundantemente y tienen una supervivencia elevada. Algunos son Arabidopsis thaliana, Zea mays, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Mus musculus... MEIOSIS. División celular exclusiva de Eucariotas en la que el material genético se reduce a la mitad y se genera variabilidad alélica gracias a la recombinación. Forma células haploides (n) a partir de las diploides (2n) mediante dos divisiones consecutivas (meiosis I y II) en un proceso que realizan las células germinativas. Etapas: • Meiosis I: Profase I (leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno, y algunas especies

diacinesis), Metafase I, Anafase I y Telofase I. • Meiosis II: Profase II, Metafase II, Anafase II y Telofase II.

4

2. FUNDAMENTOS DE HERENCIA GÉNICA

Leyes de Mendel: existen “factores hereditarios” (genes) causantes del fenotipo de los individuos. Estas leyes enuncian que: i) los cromosomas segregan aleatoriamente en la meiosis; ii) los gametos se juntan al azar; iii) cada descendiente tiene ½ genoma de cada parental. Tipos de cruces: • Autofecundación: se cruza un individuo con otro de su mismo genotipo. • Fecundación cruzada: individuos de diferente genotipo. Clases:

o Cruce recíproco: Invertir el sexo de los parentales en cruces diferentes (vinculación carácter al sexo).

o Cruce prueba: cruzar un individuo (generalmente ♀) con ♂ homocigoto recesivo. o Retrocruzamiento: cruzar un individuo de la F1 (generalmente ♀) con un parental.

Relación de dominancia entre alelos: • Simple: A>a. El fenotipo del heterocigoto es indistinguible con el del homocigoto

dominante. Justifica el fenómeno de la haplosuficiencia en muchas enfermedades monogénicas: en heterocigotos, si el alelo sano domina sobre el alelo enfermo, el sano debe producir suficiente proteína para que el heterocigoto dé fenotipo sano. Por eso se dice que un único alelo sano es suficiente para tener fenotipo sano. Se debe a que el enzima codificado puede incrementar su actividad para compensar la baja cantidad. Lo contrario es la haploinsuficiencia: en el heterocigoto, un único alelo sano es insuficiente para dar fenotipo sano, y entonces la enfermedad es dominante ya que puede manifestarse en heterocigosis.

• Incompleta (herencia intermedia): A≈a. el fenotipo del heterocigoto es intermedio al de los dos homocigotos. En este caso, para cada fenotipo hay un único genotipo posible, y el nº de genotipos es el mismo que el número de fenotipos. Ejemplo: una flor roja y una flor blanca (homocigotas) tienen descendencia de color rosa porque se produce la mitad de pigmento en el heterocigoto.

• Codominancia: también A≈a. se expresan los alelos a la vez, pero en diferentes partes del individuo. También, el nº de genotipos coincide con el número de fenotipos. Ejemplo: los 4 grupos sanguíneos formados por 3 alelos (A, B y 0) de un único gen son los grupos A (AA ó A0), B (BB ó B0), AB (codominante) y 00 (recesivo siempre: no hay producto génico).

Ejemplo: la anemia falciforme es un caso particular que presenta varias relaciones de dominancia a niveles: • Fisiológico: dominancia simple del alelo sano respecto al alelo enfermo (HbA>HbS). Sólo un

individuo homocigoto HbSHbS manifestará claramente la enfermedad. En realidad, el heterocigoto (HbAHbS) presenta una capacidad aeróbica algo inferior al homocigoto normal (HbAHbA) pero ello no les impide llevar una vida normal, además están seleccionados a favor porque resisten la malaria: el parásito causante no prolifera bien.

5

3. INTERACCIONES GÉNICAS Y EPISTASIAS

Estudiamos dos genes con 2 alelos cada uno (normal y mutante) y relación alélica de dominancia simple. Si los dos genes están en cromosomas diferentes y no interaccionan, al autofecundar el doble heterocigoto segrega los diferentes alelos y los gametos se unen al azar, y la descendencia tiene las proporciones fenotípicas 9:3:3:1 ya discutidas. Pero si los productos de los genes interaccionan entre ellos, los fenotipos de la descendencia cambian. El doble heterocigoto se autofecunda y segrega los alelos como antes, por tanto en la descendencia habrá los mismos genotipos pero debido a las interacciones entre los alelos de los genes, las proporciones fenotípicas serán diferentes: observaremos desviación del 9:3:3:1 hacia otras frecuencias fenotípicas derivadas. Para analizar cada caso, hay que conocer el doble mutante (la mayoría de mutaciones son recesivas) y ver su frecuencia en la descendencia. Ello nos indica si su parental era heterocigoto, en cuyo caso se pueden deducir los genotipos para cada fenotipo; además de si los genes están en cromosomas diferentes o están ligados. Algunas formas de interacción génica: • Un gen à una proteína que regula la transcripción de otro gen. Ejemplo: operón lactosa. • 2 genes à dos proteínas distintas que sólo estando juntas pueden funcionar. • 2 genes à dos proteínas distintas, pero una de ellas modifica a la otra para activarla, por

ejemplo fosforilándola, etc. Para sabes si caracteres distintos son alelos del mismo gen ó son genes diferentes, se realiza la prueba de complementación. Cuando observamos el mismo carácter en cepas distintas, puede ser que: • Cada cepa tiene un único gen con dos alelos que determinan normal ó mutante, es decir,

tenemos un gen con 2 alelos. • Cada cepa tiene 2 genes distintos (con 2 alelos cada gen) que determinan el carácter. También se la llama prueba cis-trans ó test de alelismo. Sólo si en la F2 observo proporciones fenotípicas 9:7 (normal:mutante) puedo afirmar que los caracteres vienen determinados por dos genes en cromosomas diferentes, con 2 alelos cada uno que segregan al azar. Este tipo de interacción se llama epistasia doble recesiva. Estas proporciones son una desviación del 9:3:3:1. Nos indica que cada gen debe presentar al menos un alelo dominante para manifestar fenotipo normal. La prueba de complementación no funciona cuando: • Las mutaciones son dominantes o codominantes • Los caracteres son mutaciones polares: afectan a regiones reguladoras de la expresión,

como las regiones promotoras. • Hay recombinación intragénica.

6

4. HERENCIA SEXUAL. Genes ligados al sexo son los que se encuentran en los cromosomas sexuales (X ó Y), en contraposición a los genes autosómicos (en cromosomas no sexuales). En humanos hay 46 cromosomas: 22 parejas autosomas y 1 pareja de cromosomas sexuales. Clasificación de la determinación sexual:

ORGANISMO CAUSA DEL SEXO MACHO (♂) HEMBRA (♀) Reptiles Temperatura Alligator (31’5 - 33ºC) Trachemys (Tª > 31ºC)

Drosophila m. Nº cromos. X • XY (Heterogamético) • X

• XX (Homogamético) • XXY

Humanos Gen SRY (en el cromosoma Y)

• XY (Heterogamético) • XXY (Klinefelter) • XXYY(Klinefelter)

• XX (Homogamético) • X (Turner) • XXX (Superhembra)

• Aves • Lepidópteros Similar humanos • ZZ (Homogamético) • ZW (Heterogamético)

En humanos, la determinación del sexo es génica: basalmente, cualquier organismo es ♀ pero basta que se exprese el gen SRY (codifica para Testis Determining Factor TDF) en etapas primerizas del desarrollo para determinar un ♂. SRY está ligado al cromosoma Y, por tanto tener cromosoma Y implica ♂ excepto si recombina mal y el SRY pasa al Cr. X.

Las alteraciones del nº de cromosomas X se deben a la no disyunción de estos cromosomas durante la meiosis parental debido a un sobresolapamiento. Se forman gametos desequilibrados, diferentes según el momento de la no disyunción. Para compensar la dosis génica en ♀ (tienen 2 cromosomas X), sólo en mamíferos placentarios encontramos el corpúsculo de Barr: es uno de los 2 cromosomas X inactivado mediante metilación y recubrimiento con RNA del gen XIST, condensándolo mucho.

7

5. FUNDAMENTOS DE ANÁLISIS DE PEDIGRÍS.

Nos permite inferir una probabilidad de genotipo concreto a partir de suposiciones genéticas en una familia. Consideramos fenotipos causados por un único gen que segrega mendelianamente con penetrancia y expresividad completas si no dicen lo contrario. Para resolverlos, hay que determinar: 1. Dominancia/recesividad: • Si se salta generaciones (aparece en ancestros pero no se manifiesta en todas las

generaciones), o bien padres sanos tienen descendencia enferma, es recesiva. • En caso contrario, es dominante. 2. Autosómica/ligada al sexo: • Ligada al cromosoma X:

o Dominante: un ♂ enfermo tiene todas las ♀ hijas enfermas porque obligatoriamente les ha dado su cromosoma X, sin importar la madre.

o Recesivo: un ♂ enfermo al cruzarse con una ♀ homocigota tienen ½ descendencia enferma (aparecen ♂ enfermos porque la madre les ha dado el cr. X con alelo enfermo).

• Ligada al cromosoma Y: los ♂ tienen y transmiten la enfermedad. • Autosómica: es más probable que lo sea porque hay 44 autosomas vs 2 cromosomas

sexuales. La enfermedad afecta a ♀ y ♂ por igual. Es autosómica cuando descartamos claramente que sea ligada al sexo.

• Mitocondrial: hay una ♀ afectada, y todos sus hijos (tanto ♀ como ♂) está afectados. La siguiente generación sólo se afectan los descendientes de las ♀ enfermas.

En caso de que haya consanguinidad (antecesor común entre dos individuos, es endogamia), casi seguro que la enfermedad es autosómica recesiva pero hay que verificarlo. Los individuos ajenos a la familia suponemos que son homocigotos. Además, si es una enfermedad rara, la mayoría de individuos con alelos de la enfermedad serán heterocigotos porque ese alelo es raro. Patrones de herencia monogénicas (comportamiento en general):

8

6. GENÉTICA CUANTITATIVA. La genética cuantitativa estudia los caracteres con variación continua, es decir, aquellos que pueden tener infinitos valores fenotípicos dentro de un intervalo. Son los caracteres cuantitativos y vienen determinados por locus llamados QTL (Quantitative Trait Locus). Ejemplo: altura, peso, etc. Los alelos segregan mendelianamente pero los fenotipos no se agrupan en las proporciones habituales debido a la ausencia de dominancia entre los alelos y al efecto del ambiente. Hasta ahora habíamos considerado los caracteres discretos: fenotipo categórico (rojo-blanco; liso-rugoso; etc.). Pero los caracteres continuos son más complejos y están muy afectados por el ambiente en el cual se encuentran los individuos. Esto se modeliza mediante la norma de reacción: para diferentes ambientes que actúan sobre un mismo genotipo hay varios fenotipos posibles.

Hay una altura basal mínima, y una altura máxima que no se puede superar (por causas fisiológicas y por el número máximo de alelos dominantes que puede llegar a haber). El ambiente puede modular el fenotipo de los individuos actuando sobre la expresión de un único QTL. Debido a la importancia de la componente ambiental, se dan algunos fenómenos que dificultan el estudio de los QTL: • Penetrancia: proporción de individuos con un determinado genotipo que manifiestan

claramente el fenotipo asociado; no todos expresan los alelos que tienen (causas: ambiente, interacciones génicas, etc...).

• Expresividad: grado de intensidad en que se expresa un gen en diferentes individuos: mucho, poco, algo…

También puede haber penetrancia y expresividad variables en los caracteres codificados por un gen discreto, pero nos complica mucho el estudio. Las leyes de transmisión de los QTL con los que trabajaremos se conocen como hipótesis de East. Los caracteres cuantitativos tienen:

9

7. LIGAMIENTO. Durante la meiosis, en la fase del paquiteno, sucede siempre el entrecruzamiento (un fenómeno citológico). Como consecuencia de ello, a veces se da la recombinación (fenómeno genético) de forma aleatoria. El entrecruzamiento se da entre los genes ligados, es decir, los genes que están sobre un mismo cromosoma. Consiste en rotura y unión de las cromátidas no hermanas de los cromosomas homólogos. En caso de que el punto de rotura caiga entre dos genes, hay recombinación. Hasta ahora habíamos considerado genes que estaban en cromosomas diferentes, ahora estudiaremos qué sucede cuando los genes están sobre el mismo cromosoma. Podemos encontrar recombinación intercromosómica (segregación de los cromosomas en la anafase I hacia un polo acompañado del resto de cromosomas) e intracromosómica (causada por entrecruzamiento entre los genes de un mismo cromosoma, se da en el paquiteno de la profase I). Según la distribución de los genes ligados en el cromosoma del progenitor, los resultados del entrecruzamiento cambiarán. Así, los genes se distribuyen según la fase:

Tras la meiosis, los gametos que se han formado pueden clasificarse según la distribución de alelos en los cromosomas: • Gameto parental (P): en cada cromosoma hay los mismos alelos que en los cromosomas

del progenitor. • Gameto recombinante (R): nuevas combinaciones de alelos sobre los cromosomas que no

tenía el progenitor. Segregación con 2 genes ligados.

10

8. MUTACIÓN. La variabilidad viene dada por i) la segregación de los cromosomas en la meiosis; ii) la recombinación y iii) la mutación (fuente primaria de variabilidad a nivel génico, estructural y numérico). A nivel génico, cambian uno o pocos nucleótidos. Puede ser en células: • Somáticas: no pasan a la siguiente generación, cuanto antes aparece en el desarrollo del

individuo, más cantidad de células la tienen. Será un mosaico porque algunas líneas celulares son mutantes y otras no.

• Germinales: sí que transmiten la mutación a la descendencia porque forman los gametos. Las mutaciones pueden afectar a un gen de control del ciclo celular (proto-oncogen à oncogen) o a cualquier otro tipo de genes. La mayoría de mutaciones son corregidas por los sistemas de reparaciones, y si no lo son, suelen ser recesivas. Las mutaciones morfológicas afectan a la anatomía del individuo. Las mutaciones letales afectan a la viabilidad y suelen hacerse efectivas en etapas tempranas del desarrollo (aunque hay excepciones). Pero no todas las mutaciones se manifiestan obligatoriamente: algunas sólo lo hacen a veces. Las mutaciones condicionales son aquellas que sólo se manifiesta bajo ciertas condiciones ambientales. Ejemplo: mutación en el gen que codifica para una proteína estructural de las alas de Drosophila. A bajas temperaturas la proteína hace función normal porque su conformación es igual aunque esté mutada. Pero a altas temperaturas, la molécula vibra y no puede adquirir la conformación adecuada, por lo que no funciona y se manifiesta el fenotipo mutante. Clasificación funcional de las mutaciones: • Amórfica: pérdida de función. • Neomórfica: se gana una función (buena o mala). Ejemplo: el gen (A) se expresa sólo en un

tejido gracias a que un gen regulador (B) lo bloquea en los otros tejidos. Si el gen (B) muta y adquiere la función de expresarse por todo, entonces el gen (A) se expresará en otros tejidos (expresión ectópica: se manifiesta donde no debe).

• Hipomórfica/hipermórfica: atenúa/incrementa una función de una proteína. • Antimórfica ó dominante negativa: se “enmascara” (silencia) el efecto de una proteína

debido a la acción de otra que la anula. Ejemplo: una proteína que actúa como dímero. Un heterocigoto con alelo mutado dominante negativo y alelo normal, consigue que el alelo dominante negativo interfiera con la proteína normal, uniéndose a ella e impidiendo que ejecute la función normal. Se dice que la mutación dominante negativa es haplosuficiente para bloquear el efecto del alelo normal, el cual se vuelve hipomorfo.

Tasa de mutación es el número de cambios por generación; frecuencia de mutación es el porcentaje de individuos de una población que presenta la mutación. La retromutación es el ritmo al que una mutación vuelve a mutar y revierte a su forma normal (siempre es menor que la tasa de mutación porque implica los dos fenómenos de mutación en la misma posición). Por tanto, un mutante puede adquirir fenotipo normal gracias a i) reversión por retromutación, ii) un alelo de otro gen muta y adquiere capacidad de suprimir el efecto de la mutación inicial, dando lugar a fenotipo normal.

11

9. ESTRUCTURA DE LOS GENES Y GENOMAS.

Procariotas: el promotor es la secuencia del DNA a la cual se une la RNA polimerasa y comienza a transcribir (a partir de él) el mRNA en sentido 5’à3’. El primer nucleótido es el +1. La transcripción se regula negativamente, es decir, de forma basal está reprimida y sólo si hay un estímulo se suprime la inhibición y se activa la transcripción. Existe secuencia de terminación de la transcripción. El mRNA es traducido inmediatamente porque no sufre splicing (nunca hay intrones), ni capping ni adición de colas de poliadenina. En la Untranslated Region 5’ (UTR5’) está la secuencia Shine-Dalgarno de unión al ribosoma, desde la cual se comienza a traducir en sentido N’terminal à C’terminal de la proteína. El primer codón siempre es AUG, que codifica para formil-metionina. Finalmente, el último codón indica stop: no es ningún aminoácido, sino que se desmonta la maquinaria ribosomal.

Los genes bacterianos se agrupa en operones: a partir de un único tránscrito se traducen diferentes proteínas (se leen linealmente sin solapar). Su genoma consiste en un solo cromosoma circular, y a veces plásmidos. Los genes están muy compactados (poco espacio intergénico). La dirección de avance de la RNA polimerasa y de la DNA polimerasa (transcripción y replicación) es la misma para evitar que choquen y se pare el proceso. La cadena que contiene la información (la que se transcribe) es complementaria al RNA porque la RNA polimerasa la lee en 5’à3’:

12

10. APLICACIONES DEL ANÁLISIS GENÉTICO.

En la genética del desarrollo estudiamos como a partir de una célula se obtiene un organismo completo, prestando especial atención a nivel intracelular y genético. Ejemplo: desarrollo de D. melanogaster: es muy conocido, los estadios del desarrollo son determinados y no varían, hay una gran importancia del control genético en etapas iniciales (genes maestros) y mediante mutantes honesticos (de los genes del desarrollo) podemos conocer el papel de cada gen implicado, pero son muchos y es muy complejo. Los genes HOX, esenciales para el desarrollo del embrión, están altamente conservados en toda la filogenia de los vertebrados pero también están en muchos otros organismos como Drosophila: mutarlos altera el desarrollo del individuo con sorprendentes resultados: 2 pares de alas en lugar de uno, o patas en lugar de antenas.