TEMA 9 - Ligamiento Y Recombinacion EN Eucariotas PDF

Preview

Summary

apuntes de clase + bibliografías propuestas...

Description

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

TEMA 9

Ligamiento y recombinación en eucariotas 1. Introducción Debido a que una descripción completa de la estructura y organización de los genes de un organismo requiere la descripción de la secuencia de los nucleótidos del DNA de un organismo, cosa que es una tarea muy ardua, es obvia la razón por la que el conocimiento actual de la organización genética del DNA se basa principalmente en el análisis genético y no en la secuencia química de los nucleótidos. El análisis genético ha permitido la construcción de modelos detallados (mapas) que muestran la organización genética de los cromosomas. Para algunos organismos ha sido posible establecer una correlación precisa entre estos mapas genéticos y la organización física del DNA. Tal análisis genético empezó con Mendel. La distribución independiente de alelos segregantes observada por Mendel sugiere que los genes individuales pueden residir en cromosomas diferentes y, por consiguiente, en diferentes moléculas de DNA. Con el propósito de adquirir un conocimiento completo de la organización genética, los genetistas han centrado sus estudios en pocos organismos. El organismo eucariótico más estudiado es la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster. Para el estudio de procarióticos, E.coli ha sido el organismo bacteriano elegido así como los bacteriófagos T2, T4, λ y φX174 han sido los virus más comúnmente estudiados. El estudio de estos genomas sirve de modelo para el estudio de la organización genética de otros organismos.

Definición: Locus La palabra locus viene del latín locus (plural: loci) que quiere decir lugar. En biología, el locus es el lugar donde está un gen en un cromosoma. Todos los alelos de un gen pueden estar en el mismo locus. Por tanto, decimos que un locus es la localización o segmento de ADN que tiene información genética requerida para controlar algún aspecto del organismo. Es quien determina el color de las semillas y las plantas, color de ojos, piel, cabello en personas, forma y dimensión de las semillas, plantas, estatura de las personas y otros caracteres hereditarios.

72

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

En 1931 había una cierta seguridad en que la recombinación entre genes ligados se debía a intercambios cromosómicos conocidos como entrecruzamientos, idea sugerida por Thomas Hunt Morgan. La estructura visible al microscopio conocida como quiasma parecía corresponder al sitio en el que ha ocurrido un entrecruzamiento. Sin embargo, no se contaba con una prueba adecuada de la conexión entre recombinación alélica e intercambio cromosómico. La variación hereditaria es un aspecto fundamental de la Genética. Dos son los procesos responsables de la variación genética: la recombinación y la mutación. En los eucariotas, la mayor parte de la recombinación se produce en la meiosis. La recombinación meiótica es un proceso en el que se “barajan” los genes que forman pares alélicos heterocigóticos y se reparten, en distintas combinaciones, a los productos de la meiosis (óvulos y espermatozoides de plantas y animales). Si suponemos como ejemplo, que un organismo diploide es heterocigoto para 10 genes, el número total de genotipos posibles de los gametos sería: 210=1024. Una aplicación importante de la recombinación es la creación de genotipos específicos, necesarios para algún objetivo experimental, mediante la combinación de alelos presentes en líneas genéticas establecidas. La recombinación se emplea también para averiguar en que cromosomas específicos se encuentran genes de interés y para cartografiar sus posiciones cromosómicas concretas. Como la recombinación de los eucariotas es, sobre todo, un proceso miótico, la definiremos de la forma siguiente: Detectamos la recombinación mediante la comparación de los genotipos de salida de la meiosis con los genotipos de entrada.

73

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

Los genotipos de entrada son los dos genotipos haploides que se combinaron para formar el meiocito, es decir, la célula diploide que sufre la meiosis. En plantas o animales, los protagonistas son los gametos: se comparan las combinaciones alélicas de los gametos producidos por un organismos (salida) con las combinaciones alélicas de los gametos que se fusionaron en su momento para crear dicho organismo (entrada). En la figura 5.1 los genotipos de entrada son AB y ab, y los genotipos de salida son AB y ab más los genotipos nuevos Ab y aB, que por definición son recombinantes. Hay dos procesos meióticos que producen recombinación. Se trata de:  la segregación independiente cromosómicos distintos y,

de

genes

situados

en

pares

 el entrecruzamiento de genes situados en el mismo cromosoma. 2. Segregación independiente Una regla ampliamente usada por los genéticos para representar dos genes situados en diferentes cromosomas consiste en separarlos por un “punto y coma”. Dos ejemplos de diploides serían:

A/a;B/b y, m+/m;p+p+. Dos jemplos de haploides serían:

leu+;ade y,

fr+;trp+

Suponiendo que los genes A/a y B/b de ratones están en pares cromosómicos homólogos distintos, un par largo y otro corto, primero, cruzamos dos líneas puras para crear un dihíbrido, o doble heterocigoto, en el que podamos estudiar la recombinación. Las dos líneas puras que cruzamos son A/a;B/b y a/a;b/b:

P

A 

B 

a 

b 

 B

 a

 b

B 

a 

b 

x  A Gametos: A 

74

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

La F1 puede ser de un solo tipo, como sigue:

F1 A 

B 

 a

 b

Los genotipos y proporciones esperados en la F1 son:    

½ ½ ½ ½

de de de de

los los los los

gametos gametos gametos gametos

serán serán serán serán

A a B b

Para determinar los genotipos gaméticos completos debemos multiplicar esas dos proporciones, ya que la ley del producto establece que la probabilidad de que ocurran dos hechos independientes es el producto de sus probabilidades individuales.

Por tanto, la distribución gamética puede representarse gráficamente de la forma:

½B

→

¼ A;B

½b

→

¼ A;b

½B

→

¼ a;B

½b

→

¼ a;b

½A

½a

Se trata, básicamente, de que las fibras del huso puedan unirse a los centrómeros de dos maneras distintas, pero igualmente frecuentes: •

En la mitad de los meiocitos A y B son desplazados a un polo y, a y b al otro. • En la otra mitad de los meiocitos A y b son desplazados a un polo y, a y B al otro.

75

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

76

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

El postulado general se conoce como segregación independiente de pares alélicos, es decir, pares alélicos situados en cromosomas distintos segregan de forma independiente. Comparando los genotipos meióticos que entraron con los que salieron, tenemos que, los genotipos que entraron fueron los de los gametos parentales que se unieron para formar la F1, y sabemos que eran A;B y a;b. El conjunto de gametos de salida son los producidos en la meiosis de la F1 (Fig. 5.2). Los genotipos A;b y a;B no son los mismos de entrada, de manera que, por definición, son recombinantes. En resumen:

Gametos ¼ ¼ ¼ ¼

A  a  a  A 

B  b  B  b 

Parental Parental Recombinante Recombinante

La frecuencia de recombinantes (RF) total es: ¼ + ¼ = ½ = 50%. Esta RF del 50% es la que se obtiene siempre, si los genes están situados en pares cromosómicos distintos. No obstante, loci que estuvieran en el mismo cromosoma, pero muy alejados el uno del otro, pueden mostrar un valor de RF del 50%, así que se requieren más experimentos para estar seguros de la posición correcta. Por lo tanto, en un dihíbrido A/a; B/b que implica a dos genes situados en pares cromosómicos distintos, la frecuencia de recombinantes será siempre del 50%. Para medir la recombinación en diploides, pueden emplearse dos tipos de cruzamientos: el cruzamiento de prueba y autofecundación.

77

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

78

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

3. Entrecruzamiento La segunda vía principal de producir recombinantes es el entrecruzamiento cromosómico. Cuando se observan las dos parejas homólogas de cromátidas hermanas adosadas una ala otra en la meiosis, aparecen unas estructuras en forma de cruz, denominadas quiasmas entre dos cromátidas no hermanas del par de homólogos. Cada par de homólogos puede mostrar uno o varios quiasmas. Por tanto, los quiasmas representan las posiciones de los entrecruzamientos, puntos en los que ha tenido lugar un hecho de rotura y reunión entre cromátidas no hermanas. Se trata al proceso de corte y empalme d euna película; se hacen cortes en posiciones idénticas de ambos homólogos, y luego se pegan los fragmentos opuestos.

De los genes que están situados en el mismo cromosoma se dice que están ligados. Un gen se encuentra siempre en la misma posición de un cromosoma (llamado su locus), de forma que cada alelo de ese gen estará también en ese mismo locus. Por tanto, para describir que dos genes están en el mismo cromosoma podemos decir:  Dos genes están ligados.  Los alelos de los dos genes están ligados.  Los dos loci génicos están ligados - las tres frases significan lo mismo.

En el caso de un dihíbrido en el que los genes están ligados, un entrecruzamiento podría generar recombinantes. Hay dos tipos de dihíbridos de genes ligados. La diferencia reside en si los alelos mutantes de los dos genes están en el mismo homólogo parental (dihíbrido cis) o en homólogos distintos (dihíbrido trans).

79

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

Suponiendo que los alelos mutantes fueran los recesivos, los dos agrupamientos posibles serían: A 

B 

 a

 b

A 

b 

 a

 B

Dihíbrido cis

Dihíbrido trans

Los genes ligados se escriben colocando los alelos de un homólogo a la izquierda de una barra inclinada y los del otro homólogo a la derecha. Se emplea el mismo orden a ambos lados de la barra inclinada. Así, los dihíbridos cis y trans se representarían AB/ab y Ab/aB, respectivamente. Veamos cómo un entrecruzamiento genera recombinantes es un dihíbrido cis. Como los entrecruzamientos ocurren más o menos al azar a lo largo de los homólogos emparejados, algunos de los meiocitos de la población que se encuentra en meiosis sufrirán un entrecruzamiento entre los dos genes, y otros no. Los cuatro productos meióticos resultantes serán difrentes en cada caso, como se muestra en la figura 5.8. Dos de los productos de la meiosis que han sufrido el entrecruzamiento serán recombinantes, de genotipo Ab y aB (si se tratara de un dihíbrido trans sería AB y ab).

La figura 5.9 muestra un pedigrí típico de un dihíbrido cis, que debe ser contrastado con el de la figura 5.4, que ofrece la situación comparable de un caso de segregación independiente.

80

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

4. Mapas de ligamiento Los genéticos se han interesado a menudo por la posición de los genes en el cromosoma. Esto es porque la localización genética precisa de un gen permite pasar a su análisis molecular y, finalmente, determinar que proteína determina. Conocer la posición de los genes resulta también útil para construir estirpes especiales con algún objetivo experimental concreto. La frecuencia de recombinantes (RF) es distinta cuando se trata de cruzamientos que implican a distintos genes heterocigóticos ligados. LA RF entre dos loci es proporcional a la distancia física entre ellos en el cromosoma. Esto tiene sentido, porque si dos loci están muy alejados en el mismo cromosoma, esperaríamos que la proporción de meiocitos en los que se produzca un entrecruzamiento entre ellos sea mayor que en el caso de que los dos loci ligados estuvieran uno muy cerca del otro. Así pues, determinando la frecuencia de recombinantes, podremos obtener una medida de la distancia de los genes en el mapa. De hecho, la unidad de mapa genética (m.u.) se define como la distancia entre genes para la que ocurre que uno de cada 100 productos meióticos es recombinante. En otras palabras, una frecuencia de recombinantes del 1% se define como 1 m.u., y una RF del 6% equivaldría a 6 m.u., y así sucesivamente. La unidad de mapa se denomina a veces centimorgan (cM), en honor de Thomas Hunt Morgan, pionero de la cartografía cromosómica.

81

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

Una consecuencia directa del modo en que se miden las distancias del mapa genético es que si los genes A y B están a una distancia de 5 mu y, A y C están a 3 mu; entonces, B y C deben estar bien a 8 mu o bien a 2 mu (Figura 5.10). Téngase en cuenta que el mapa no sitúa a los genes en un punto determinado del cromosoma, lo que hace el análisis genético basado en la RF es determinar las posiciones relativas de los genes unos respecto de otros.

Por ejemplo, si sabemos que los genes autosómicos para el color de los ojos de las moscas es (pr+ = púrpura; pr- = rojo) y para las alas (vg+ = grandes; vg- = vestigiales) están ligados, si realizamos un cruzamiento prueba tenemos:

P0

♀ pr+ pr+ vg+ vg+

x

♂ pr- pr- vg- vg-

F1

♀ pr+ pr- vg+ vg-

x

♂ pr- pr- vg- vg-

Observados 2839 individuos, los resultados observados para la F2 fueron los siguientes Genotipos Pr+ _ vg+ _ Pr- _ vg- _ Pr+ _ vg- _ Pr- _ vg+ _

Esperados 709.75 (1/4) 709.75 (1/4) 709.75 (1/4) 709.75 (1/4)

82

Obtenidos 1339 1195 151 154

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

Por tanto, se observa que estos genes no han segregado de manera independiente como cabía de esperar sino que se han mezclado. Para verificar si los alelos + y – se reunían se llevo a cabo otro experimento en el cual se realizó otro cruzamiento prueba cambiando uno de los alelos del dihíbrido. Los resultados observados fueron entonces:

P0

♀ pr+ pr+ vg- vg-

x

♂ pr- pr- vg+ vg+

F1

♀ pr+ pr- vg+ vg-

x

♂ pr- pr- vg+ vg+

En este segundo experimento se obtienen los datos:

Genotipos Pr+ _ vg+ _ Pr- _ vg- _ Pr+ _ vg- _ Pr- _ vg+ _

Esperados 709.75 (1/4) 709.75 (1/4) 709.75 (1/4) 709.75 (1/4)

Obtenidos 157 146 965 1067

Por tanto, en vez de reunirse se han alejado. Si calculamos la RF de los dos experimentos tenemos: Primer experimento: nº cromosomas recombinantes obtenidos % RF = ——————————————————————— nº cromosomas observados en el experimento

x 100

esto es, 151 + 154 %RF = ———————————— x 100 = 11% de recombinantes 1339 + 1195 + 151 + 154 por tanto, el 89% restante será no recombinante. Segundo experimento: 965 + 1067 %RF = ———————————— x 100 = 72 % de recombinantes 1067 + 965 + 157 + 146

⇒

segregan indeptes

En este caso, como en un dihíbrido de genes ligados, el valor de RF estará entre el 0% y el 50%, esto quiere decir, que en el segundo experimento, como la

83

GENÉTICA AGRÍCOLA

Ligamiento y recombinación en eucariotas

RF>50% indica que los genes segregan de forma independiente. Si por el contrario, la RF...