Cambios Cromosomicos A Gran Escala.doc

Capítulo 16 TEXTO

(Página 555) 16 CAMBIOS CROMOSÓMICOS A GRAN ESCALA Preguntas Claves: -

¿Cómo surgen los poliploides (3n, 4n, etc.) y qué propiedades presentan?

-

¿Cómo surgen los aneuploides (2n-1, 2n+1, etc.) y qué propiedades presentan?

-

¿Cómo surgen las duplicaciones y las deleciones, y qué propiedades presentan?

-

¿Cómo surgen las inversiones y las translocaciones, y qué propiedades presentan?

-

¿Qué relevancia tienen estos cambios en el ser humano?

Esquema 16.1 Cambios en el número cromosómico 16.2 Cambios en la estructura cromosómica 16.3 Incidencia general de las mutaciones cromosómicas en humanos

Una pareja joven piensa en tener hijos. El marido sabe que su abuela tuvo un niño con síndrome de Down en su segundo matrimonio. El síndrome de Down es un conjunto de desórdenes físicos y mentales causados por la presencia de un cromosoma 21 extra (Figura 16-1). No existe ningún registro del nacimiento, pues fue a principios del siglo veinte, y la pareja no tiene constancia de otros casos del síndrome de Down en sus respectivas familias. La pareja ha oído que el síndrome de Down resulta de un error poco frecuente durante la producción del huevo o cigoto, y por lo tanto piensan que tienen pocas posibilidades de tener un hijo afectado. Así que deciden tener hijos. El primer hijo no estuvo afectado; (Fin de página 555)

1

(Principio de página 556) la segunda concepción acabó en aborto espontáneo, y el segundo hijo nació con síndrome de Down. ¿Fue una mera coincidencia o existe una relación entre la constitución genética del padre y la de su abuela que causó el que ambos niños presentaran el síndrome de Down? ¿Cuán significativo fue el aborto espontáneo? ¿Qué prueba se necesitaría para investigar esta situación? El análisis de estas preguntas es el tema de este capítulo. A lo largo de los capítulos precedentes se ha visto que las mutaciones génicas son una fuente importante de cambio en la secuencia genómica. Sin embargo, el genoma también puede ser remodelado en una escala mayor por alteraciones en la estructura cromosómica o por cambios en el número de copias de los cromosomas en una célula. Estas variaciones a gran escala se denominan mutaciones cromosómicas para distinguirlas de las mutaciones génicas. Generalmente, las mutaciones génicas se definen como cambios que tienen lugar dentro de un gen, mientras que las mutaciones cromosómicas son cambios en una región cromosómica que comprende múltiples genes. Las mutaciones génicas nunca se detectan al microscopio, pues un cromosoma que lleva una mutación génica es indiferenciable del cromosoma que lleva el alelo salvaje. Contrariamente, muchas mutaciones cromosómicas son detectables tanto al microscopio, como por análisis genético o molecular, o por la combinación de todas estas técnicas. Las mutaciones cromosómicas se han caracterizado mejor en eucariotas, por lo que todos los ejemplos de este capítulo se han tomado de este grupo de organismos. Las mutaciones cromosómicas tienen interés desde distintas perspectivas biológicas. Primero, permiten conocer cómo los genes actúan coordinadamente a escala genómica. Segundo, revelan aspectos importantes de la meiosis y la arquitectura cromosómica. Tercero, constituyen herramientas muy útiles para la manipulación experimental del genoma. Cuarto, permiten comprender los procesos evolutivos. Quinto, las mutaciones cromosómicas son comunes en humanos, y algunas causan enfermedades genéticas. Muchas mutaciones cromosómicas causan anormalidades en las funciones celulares y orgánicas. La mayoría de estas anormalidades provienen de los cambios que se dan en el número o en la posición de los genes. En algunos casos, una mutación cromosómica proviene de la rotura de un cromosoma. Si la rotura se produce dentro de un gen, el resultado es la interrupción funcional de este gen. 2

Las mutaciones cromosómicas se pueden dividir en dos grupos: cambios en el número de cromosomas y cambios en la estructura de los cromosomas. Estos dos grupos resultan de dos clases fundamentalmente distintas de sucesos. Los cambios en el número cromosómico no están asociados con alteraciones estructurales de ninguna de las moléculas de DNA de la célula, sino con el número de moléculas de DNA. (Fin de página 556) (principio de página 557) Este cambio en el número es la base de sus efectos genéticos. Por otra parte, los cambios en la estructura cromosómica dan lugar a nuevas reodernaciones de la secuencia en una o más dobles hélices de DNA. Los dos tipos de mutaciones cromosómicas se ilustran en la Figura 16-2, donde se resumen los temas de este capítulo. Se comenzará explorando la naturaleza y las consecuencias de los cambios en el número de los cromosomas.

16.1 Cambios en el Número Cromosómico El cambio en el número de los cromosomas en las células es uno de los temas en genética que afecta más directamente a los asuntos humanos. Lo más destacado es que la presencia de un número anormal de cromosomas produce un conjunto frecuente de desórdenes genéticos comunes. Aunque este grupo de desórdenes es pequeño, explica una gran proporción de los problemas de salud determinados genéticamente que sufren los humanos. Además, las mutaciones cromosómicas juegan un papel relevante en el cultivo de plantas; los agrónomos han manipulado repetidamente el número de cromosomas para mejorar los cultivos agrícolas de importancia comercial. Los cambios en el número de cromosomas se pueden clasificar en dos tipos básicos: cambios en el conjunto de la dotación cromosómica, que resulta en una condición denominada euploidía aberrante, y cambios en parte de la dotación de cromosomas, resultando en una condición llamada aneuploidía. Euploidía aberrante

3

Los organismos que presentan múltiplos de la dotación cromosómica básica (genoma) se denominan euploides. Como se ha visto en capítulos anteriores, los eucariotas más familiares tales como las plantas, los animales y los hongos llevan en sus células una dotación de cromosomas (haploide) o dos dotaciones de cromosomas (diploide). En estas especies, los estados haploide y diploide son casos de euploidía normal. Se denominan euploides aberrantes a los organismos que poseen un número mayor o menor de dotaciones cromosómicas respecto al número normal de su especie. Los poliploides son organismos individuales que tienen más de dos juegos de cromosomas. Los poliploides se pueden representar con los símbolos 3n (triploides),

4n

(tetraploides),

5n

(pentaploides),

6n

(hexaploides), y así sucesivamente; el número de dotaciones cromosómicas se denomina ploidía o nivel de ploidía. Un individuo que pertenece a una especie diploide pero que presenta una sola dotación de cromosomas (n) se denomina monoploide, de esta forma se le distingue de un individuo perteneciente a una especie haploide (también n). En las cuatro primeras filas de la Tabla 16-1 se observan ejemplos de estas condiciones. (Fin de página 557) (Principio de página 558) Monoploides: Los machos de las abejas, las avispas y las hormigas son monoploides. En el ciclo de vida normal de estos insectos, los machos se desarrollan por partenogénesis (es decir, un tipo especializado de huevo se desarrolla de un embrión sin la necesidad de ser fecundado). Sin embargo, en muchas otras especies no se desarrollan los cigotos monoploides. La razón de este fenómeno es que prácticamente todos los miembros de una especie diploide llevan un número de mutaciones recesivas deletéreas, que en conjunto se denominan la “carga genética”. En el estado diploide, los alelos recesivos deletéreos están enmascarados por los alelos salvajes, pero éstos se expresan automáticamente en un monoploide derivado de un diploide. Los monoploides que se desarrollan hasta estados avanzados son anormales. Si sobreviven hasta adultos, sus células germinales no pueden realizar una meiosis normal, porque los cromosomas no tienen sus homólogos para emparejarse. Así, los monoploides se caracterizan por ser

4

estériles. Los machos de las abejas, las avispas y las hormigas sortean la meiosis, ya que en estos insectos los gametos se producen por mitosis. Poliploides: La poliploidía es muy común en las plantas, pero es más rara entre los animales (por razones que se considerarán más tarde). En realidad, el incremento en el número de dotaciones cromosómicas ha sido un factor importante en el origen de nuevas especies de plantas. La evidencia de este beneficio se muestra en la Figura 1916, en la que se puede observar la frecuencia de distribución del número haploide (el número de la dotación básica de cromosomas) de las especies de plantas dicotiledóneas. Por encima de un número haploide de 12, los números pares son mucho más frecuentes que los números impares. Este patrón es una consecuencia del origen diploide de muchas especies de plantas, ya que la duplicación y reduplicación de un número genera sólo números pares. Las especies animales no muestran una distribución de este tipo, debido a que los animales poliploides son relativamente raros. A menudo, en los euploides aberrantes hay una correlación entre el número de copias de la dotación cromosómica y el tamaño del organismo. Por ejemplo, si se observa un organismo tetraploide, es muy similar a su homólogo diploide en sus proporciones, excepto que el tetraploide es mayor, tanto en su totalidad como en cada una de sus partes. Cuanto mayor es el nivel de ploidía, mayor es el tamaño del organismo (Figura 16-3). Mensaje: A menudo los poliploides tienen un tamaño mayor y además tienen sus partes componentes más grandes que sus parientes diploides. En el ámbito de los poliploides, se debe distinguir entre autopoliploides, los cuales tienen múltiples dotaciones de cromosomas que se originaron a partir de una especie, y los alopoliploides, cuyas dotaciones cromosómicas provienen de dos o más especies. Los alopoliploides se forman entre especies estrechamente relacionadas; sin embargo, las diferentes dotaciones cromosómicas son sólo homeólogas (parcialmente homólogas), es decir, no son completamente homólogas como lo son en los autopoliploides. Autopoliploides Los triploides (3n) son generalmente autopoliploides que surgen espontáneamente en la naturaleza, pero que pueden también ser construidos por los

5

genetistas a partir de un cruzamiento de un 4n (tetraploide) y un 2n (diploide). Los gametos 2n y n producidos por el tetraploide y el diploide respectivamente, se unen para formar un 3n triploide, que se caracterizan por ser estériles. El problema (que también es cierto para los monoploides) se encuentra en la presencia de cromosomas que no pueden aparearse durante la meiosis. En un triploide, los mecanismos moleculares de la sinapsis o verdadero apareamiento, imponen que el apareamiento tenga lugar entre dos de los tres cromosomas homólogos (Figura 16-4). Los cromosomas apareados (bivalentes) segregan hacia los polos opuestos, pero los homólogos que no están emparejados (univalentes) segregan al azar a uno de los polos. En un trivalente, un grupo de tres cromosomas apareados, los centrómeros apareados segregan como un bivalente y el que no está apareado lo hace como un univalente. Esta segregación tiene lugar en cada trío cromosómico, de manera que el gameto puede recibir uno o dos cromosomas de cada tipo cromosómico. Es muy improbable que un gameto reciba sólo dos de cada tipo cromosómico o que reciba uno de cada tipo cromosómico. Por lo tanto, hay muchas probabilidades de que los gametos tengan números cromosómicos intermedios entre el número haploide y el número diploide; a estos genomas se los denomina aneuploides (no euploides). (Fin de página 558) (Principio de página 559) Los gametos aneuploides generalmente no producen descendencia viable. En las plantas, los granos de polen aneuploides generalmente son inviables y por lo tanto incapaces de fecundar un gameto femenino. En cualquier organismo, los cigotos que pudieran surgir de la fusión de un gameto aneuploide y uno diploide serán en sí mismos aneuploides, y por lo tanto serán inviables. Hacia el final del capítulo, cuando se considere el equilibrio génico, se examinará la razón que hay detrás de la inviabilidad de los aneuploides. Mensaje: Los poliploides con número impar de dotaciones cromosómicas, como los triploides, son estériles o muy infértiles porque sus gametos y su descendencia es aneuploide.

6

Los autotetraploides surgen por la duplicación de un complemento 2n a 4n. Esta duplicación puede ocurrir de forma espontánea, pero también puede ser inducida artificialmente aplicando sustancias químicas que alteran la polimerización de los microtúbulos del huso acromático. Como ya se ha detallado en el Capítulo 2, la segregación cromosómica está controlada por las fibras del huso acromático, las cuales son polímeros de la proteína denominada tubulina. Por lo tanto, la alteración de la polimerización de los microtúbulos bloquea la segregación cromosómica. El tratamiento químico se aplica habitualmente en tejidos somáticos durante la formación de las fibras del huso acromático en células que se encuentran en división. El tejido poliploide resultante (como la rama poliploide de una planta) puede detectarse examinando un tejido con los cromosomas teñidos bajo el microscopio. Esta rama puede removerse de la planta y ser utilizada como esqueje para generar una planta poliploide. Si la rama a su vez produjese flores y fuesen autofecundadas, se produciría un descendiente poliploide. Un agente inhibidor de la tubulina que se emplea normalmente es la colchicina, alcaloide extraído del azafrán. En las células tratadas con colchicina, tiene lugar la fase S del ciclo celular, pero la segregación cromosómica y la división celular no se producen. Cuando las células tratadas entran en telofase, se forma la membrana nuclear alrededor de la dotación cromosómica duplicada. Así, las células diploides (2n) tratadas con colchicina en un solo ciclo celular se convierten en tetraploides (4n) con cuatro copias de cada tipo de cromosoma (Figura 16-5). (Fin de página 559) (Principio de página 560) El tratamiento de un ciclo celular adicional produce octoploides (8n), y así sucesivamente. Esta metodología se emplea tanto en células vegetales como en animales, pero las plantas suelen ser en general mucho más tolerantes a la poliploidía. Nótese que todos los alelos en el genotipo se encuentran duplicados. Por lo tanto, si una célula diploide de genotipo A/a ; B/b se duplica, el autotetraploide resultante será de genotipo A/A/a/a ; B/B/b/b. Puesto que el número cuatro es par, los autotetraploides pueden tener una meiosis regular, aunque no siempre se obtiene este resultado. El factor crucial es cómo se aparearán y segregarán los cuatro cromosomas de cada grupo. Varias de las posibilidades se muestran en la figura 16-6. Si los cromosomas se aparean como bivalentes o cuadrivalentes, segregarán con normalidad produciendo gametos diploides. 7

La fusión de los gametos en la fecundación regenerará el estado tetraploide. Si se formaran trivalentes, la segregación llevará a la generación de gametos aneuploides no funcionales y, por lo tanto, a la esterilidad. ¿Cuáles son las proporciones genéticas producidas por un autotetraploide? Se considerará por simplicidad que el tetraploide sólo forma bivalentes. Si se comienza con una planta tetraploide A/A/a/a que se autofecunda. ¿Qué proporción de la progenie será a/a/a/a? Primero se necesita deducir la frecuencia de gametos a/a, ya que este tipo de gametos es el único que puede producir un homocigoto recesivo. Los gametos a/a pueden surgir sólo si los dos bivalentes son A con a, y a su vez ambos alelos a segregan al mismo polo. Planteemos el siguiente experimento mental para calcular las frecuencias de los posibles resultados: consideremos las opciones desde el punto de vista de uno de los cromosomas a ante la opción de aparearse con el otro cromosoma a o con cualquiera de los dos cromosomas A. Si el apareamiento es al azar, hay una probabilidad de dos tercios que se aparee con el cromosoma A. Si lo hace, entonces el apareamiento de los otros dos cromosomas necesariamente será de A con a porque son los únicos que quedan. Con los dos pares de A con a hay dos segregaciones igualmente probables, y un cuarto del producto final contendrá ambos alelos a en un polo. Por lo tanto, la probabilidad de un gameto a/a será de 2/3 x 1/4 = 1/6. Así, si los gametos se aparean aleatoriamente, la probabilidad de un cigoto a/a/a/a será 1/6 x 1/6 = 1/36, (Fin de página 560) (Principio de página 561) y por sustracción, la probabilidad de A/-/-/- será de 35/36. Por lo tanto, se espera la proporción fenotípica 35:1. Alopoliploides. Un alopoliploide es una planta híbrida de dos o más especies, que contiene dos o más copias de cada uno de los genomas involucrados. El prototipo de alopoliploide fue un alotetraploide sintetizado por Georgi Karpechenko en 1921. Quería hacer un híbrido fértil que tuviera las hojas de repollo (Brassica) y las raíces del rábano (Raphanus), pues eran las partes de importancia agronómica de cada planta. Cada una de estas dos especies tiene 18 cromosomas, y así 2n1 = 2n2 = 18, y n1 = n2 = 9. Puesto que las especies están lo suficientemente cercanas, pueden hibridarse. La fusión de un gameto n1 con un gameto n2 produce una progenie híbrida viable de constitución n1 + n2 = 18. Sin embargo, este híbrido es funcionalmente estéril porque los 9 cromosomas del

8

repollo son lo suficientemente diferentes de los 9 cromosomas del rábano como para que no se apareen correctamente en la sinapsis, y por lo tanto no segreguen normalmente en la meiosis, de manera que el híbrido no puede producir gametos funcionales. En ocasiones, una parte de la planta híbrida produce algunas semillas que al plantarlas producen individuos fértiles con 36 cromosomas. Todos estos individuos son alopoliploides, que por lo visto, derivan de una duplicación accidental y espontánea en una región del híbrido estéril del tejido floral, pasando a ser 2n1 + 2n2, y sufre meiosis para producir gametos. En los tejidos 2n1 + 2n2 hay apareamiento de los cromosomas homólogos y así se producen gametos del tipo n1 + n2. Estos gametos al fusionarse vuelven a dar progenie alopoliploide 2n1 + 2n2 que es fértil. A esta clase de poliploides se la denomina anfidiploides, o diploides doblados (Figura 16-7). Si a un híbrido estéril se le trata con colchicina, se incrementan las probabilidades de que su dotación cromosómica se duplique. Desafortunadamente para Karpechenko, sus anfidiploides tenían las raíces de la col y las hojas del rábano. Cuando se cruzó el alopoliploide de Karpechenko con uno de los parentales, ya sea la col o el rábano, se produjo descendencia estéril. La descendencia del cruzamiento con la col estaba constituida por 2n1 + n2, proveniente de un gameto n1 + n2 del alopoliploide y un gameto n1 de la col. De esta forma la dotación n2 del rábano no tenía pareja para la sinapsis, por lo que la meiosis no podía ocurrir normalmente y la descendencia era estéril. Así, Karpechenko creó eficazmente una nueva especie, Raphanobrassica, sin posibilidad alguna de intercambio génico ni con el rábano ni con la col. En la naturaleza, la alopoliploidía parece ser que ha sido una gran fuerza en la evolución de nuevas especies de plantas. En la Figura 16-8 se observa un ejemplo convincente dentro del género Brassica. Tres especies parentales diferentes se han hibridado en todas las posibles combinaciones a pares para formar una nueva especie anfidiploide. La poliploidía natural fue considerada durante mucho tiempo como un suceso raro, pero trabajos recientes muestran que es un fenómeno recurrente en muchas especies de plantas. El uso de marcadores de DNA ha permitido descubrir que los poliploides de una población o área que parecen tener el mismo origen, resultan en realidad de muchas fusiones independientes entre individuos genéticamente distintos de

9

las mismas dos especies parentales. Se estima que el 50% de las plantas angiospermas son poliploides, resultantes de auto o alopoliploidía. Como una consecuencia de los múltiples sucesos de poliploidía, la cantidad de variación alélica dentro de una especie poliploide es mucho mayor de la que se pensaba previamente, contribuyendo así a su potencial adaptativo. Un alopoliploide natural particularmente interesante es el trigo común empleado para hacer pan, Triticum aestivum (6n=42). Los genetistas han reconstruido la probable (Fin de página 561) (Principio de página 562) historia evolutiva de esta planta a través del estudio de las especies salvajes. La Figura 16-9 muestra que el trigo común está compuesto por dos dotaciones de cada uno de los tres genomas ancestrales. En la meiosis, el apareamiento ocurre siempre entre homólogos provenientes del mismo genoma ancestral. Por lo tanto, en la meiosis del trigo común invariablemente hay 21 bivalentes. Las células de las plantas alopoliploides pueden producirse artificialmente fusionando células diploides provenientes de distintas especies. Primero, se remueven las paredes celulares de dos células diploides por tratamiento con una enzima; entonces las membranas de las dos células se fusionan y se vuelven una. El núcleo a menudo también se fusiona resultando en la célula poliploide. Si a la célula se le alimenta con las hormonas y nutrientes apropiados, se divide para formar una pequeña plántula alopoliploide que puede trasferirse a la tierra. Mensaje: Las plantas alopoliploides pueden ser sintetizadas cruzando especies relacionadas y duplicando el número de cromosomas del híbrido o fusionando células diploides. Aplicaciones agronómicas: Las variaciones en el número de cromosomas se han explotado para crear nuevas líneas de plantas con características de interés agronómico. A continuación se explicarán algunos ejemplos.

10

Monoploides: La diploidía es un incordio para los agrónomos. Cuando ellos desean inducir y seleccionar nuevas mutaciones recesivas que son favorables para la producción agrícola, las nuevas mutaciones no se pueden detectar a menos que estén en estado homocigótico. Los agricultores pueden también desear buscar nuevas combinaciones de alelos favorables en diferentes loci, (Fin de página 562) (Principio de página 563) pero esta combinación de heterocigotos puede romperse por la recombinación en la meiosis. Los monoploides proporcionan una vía para sortear algunos de estos problemas. Los monoploides pueden ser obtenidos artificialmente a partir de los productos de la meiosis en las anteras de una planta. A través de un tratamiento térmico (sujeto a bajas temperaturas), una célula haploide destinada a convertirse en grano de polen puede ser inducida para que desarrolle una pequeña masa de células monoploides que se dividen formando un embrioide. El embrioide puede crecer en agar y formar así una planta monoploide, que puede ser transplantada a tierra y crecer hasta la madurez (Figura 16-10). Las plantas monoploides pueden ser explotadas de diferentes formas. En una de ellas se analizan combinaciones alélicas favorables que hayan surgido por recombinación de los alelos que están presentes en el heterocigoto parental diploide. De esta forma, a partir de un parental que es A/a ; B/b podría surgir la combinación favorable a ; b. El monoploide puede someterse a una duplicación cromosómica y producir así células diploides homocigóticas, a/a ; b/b, que son capaces de una reproducción normal. (Fin de página 563) (Principio de página 564) Otra de las utilidades es la de tratar un conjunto de células monoploides básicamente como si se trataran de una población de organismos haploides para realizar un experimento de mutagénesis y selección. Se aísla una población de células monoploides; se remueven sus paredes celulares por tratamiento enzimático, y se exponen a un mutágeno. Luego, se plantan en un medio que seleccione algún fenotipo deseable. Este tipo de experimento se ha empleado para seleccionar la resistencia a 11

compuestos tóxicos producidos por un parásito, tanto como para seleccionar resistencia a herbicidas empleados por los agricultores para matar las malas hierbas. Las plántulas resistentes seleccionadas crecen formando plantas monoploides, cuyo número cromosómico puede duplicarse empleando colchicina. Este tratamiento produce tejidos diploides que a través de esquejes o autofecundación, crecerán como plantas diploides completamente resistentes. Estas poderosas técnicas pueden sortear el lento proceso de los agrónomos que realizan cruzamientos basados en la meiosis. Estas técnicas se han empleado exitosamente en cultivos de plantas importantes tales como la soja y el tabaco. Mensaje: Los genetistas han creado nuevas variedades de plantas produciendo monoploides con genotipos favorables y luego duplicando sus cromosomas para formar diploides fértiles homocigóticos. Autotriploides: Las bananas que están ampliamente comercializadas alrededor del mundo son triploides estériles con 11 cromosomas en cada dotación (3n = 33). La expresión más obvia de la esterilidad de las bananas es la ausencia de semillas en el fruto. Los puntos negros que observamos no son semillas, ya que éstas harían que los dientes se rompieran porque son tan duras como una roca. Las sandías sin semillas son otro ejemplo de la explotación comercial de las plantas triploides. Autotetraploides: Muchas plantas autotetraploides se han desarrollado como cultivos comerciales debido a su mayor tamaño (Figura 16-11). Los caracteres más buscados son las frutas y las flores grandes Alopoliploides: La alopoliploidía (formación de poliploides entre diferentes especies) ha sido un proceso importante en la producción de los cultivos de plantas modernos. El algodón del Nuevo Mundo es un alopoliploide natural que surgió espontáneamente como sucedió en el trigo. Los alopoliploides se sintetizan también artificialmente para combinar los caracteres útiles de una especie parental con los de otra. Sólo un anfidiploide sintético se ha comercializado extensivamente, el cultivo (Fin de página 564)

12

(Principio de página 565) conocido como Triticale. Se trata de un anfidiploide derivado del trigo (Triticum, 6n = 42) y el arroz (Secale, 2n = 14). Por lo tanto, el número cromosómico de Triticale es 2n = 2 x (21 + 7) = 56. Esta nueva planta combina la alta producción del trigo con la aspereza del centeno. Animales poliploides: Como se ha señalado anteriormente, la poliploidía es más común en plantas que en animales, pero hay casos de animales poliploides en estado natural. Las especies poliploides de gusanos planos, sanguijuelas y de algunos crustáceos como la Artemia salina, se reproducen por partenogénesis. Triploides y tetraploides de Drosophila se han sintetizado artificialmente. Sin embargo, los ejemplos no se limitan a las llamadas formas inferiores. La poliploidía es un fenómeno natural sorprendentemente común entre anfibios y reptiles, que presentan varias tipos de reproducción: especies poliploides de ranas y sapos participan en la reproducción sexual, mientras que las salamandras y los lagartos son partenogenéticos. La familia Salmonidae (que incluye a los salmones y a las truchas) provee un ejemplo familiar de las numerosas especies animales que parecen haberse originado por poliploidía ancestral. La esterilidad de los triploides se ha explotado comercialmente tanto en animales como en plantas. Las ostras triploides se han obtenido porque poseen ventajas comerciales frente a sus variedades diploides. Las variedades diploides son incomestibles durante la época de desove, mientras que la variedad triploide, al ser estéril, es apetecible durante todo el año. Aneuploidía La aneuploidía es la segunda categoría de aberraciones cromosómicas en la que el número de cromosomas es anormal. Un aneuploide es un individuo cuyo número de cromosomas difiere del tipo salvaje en parte de su dotación cromosómica. Generalmente, la dotación cromosómica aneuploide difiere de la salvaje en sólo uno o unos pocos cromosomas. Un aneuploide puede tener un número mayor o menor de cromosomas del que posee un individuo salvaje. La nomenclatura aneuploide que se describe en la Tabla 16-1 se basa en el número de copias del cromosoma específico en el estado aneuploide. Para los autosomas de los organismos diploides, el aneuploide 2n + 1 es trisómico, 2n – 1 es monosómico, y 2n – 2 (donde el “-2” representa la pérdida 13

de ambos homólogos de un cromosoma) es nulisómico. En los haploides, n + 1 es disómico. Una notación especial se emplea para describir los aneuploides de los cromosomas sexuales, porque se debe especificar cual de los distintos cromosomas sexuales está involucrado. La notación simplemente enumera las copias de cada cromosoma sexual, tal como XXY, XYY, XXX, o XO, donde el “O” establece la ausencia de un cromosoma y se incluye para mostrar que el símbolo X en solitario no es un error tipográfico. No disyunción: La causa de la mayoría de casos de aneuploidía es el fenómeno de no disyunción durante el transcurso de la meiosis o la mitosis. Disyunción es otra palabra empleada para la segregación normal de los cromosomas homólogos o las cromátidas hacia los polos opuestos durante la meiosis o la mitosis respectivamente. La no disyunción es un fallo en este proceso, en el que dos cromosomas o cromátidas se van juntos a un polo y el otro polo no recibe nada. La no disyunción mitótica puede suceder cuando las células se dividen durante el desarrollo. Como resultado de este fenómeno algunas partes del cuerpo serán aneuploides (sectores aneuploides). La no disyunción meiótica se da con mayor frecuencia. En este caso, los productos de la meiosis son aneuploides, dando lugar a la formación de descendientes en los que el organismo completo es aneuploide. En los casos de no disyunción meiótica, los cromosomas pueden separarse erróneamente tanto en la primer división como en la segunda (Figura 16-12). De cualquier forma, se producen gametos n - 1 ó n + 1. Si se fecunda un gameto n - 1 con otro gameto n, se produce un cigoto monosómico (2n - 1). La fusión de un gameto n + 1 con un gameto n, produce un cigoto trisómico (2n + 1). Mensaje: Los organismos aneuploides resultan mayoritariamente de la no disyunción en la meiosis parental. La no disyunción sucede de forma espontánea. Como la mayoría de las mutaciones génicas, este es un ejemplo de error aleatorio de un proceso celular básico. El proceso molecular exacto (Fin de página 565)

14

(Principio de página 566) que produce el fallo no se conoce, pero en sistemas experimentales se ha visto que la frecuencia de no disyunción puede verse incrementada al interferir en la polimerización de los microtúbulos, inhibiendo así el movimiento normal de los cromosomas. La disyunción tiene mayor probabilidad de ir mal durante la meiosis I. Este fallo no es sorprendente, porque la disyunción normal durante la anafase I necesita que las cromátidas homólogas de la tétrada permanezcan apareadas durante la profase I y la metafase I, y esto requiere que haya ocurrido el entrecruzamiento. Por el contrario, la disyunción correcta en anafase II o en la mitosis necesita que el centrómero se separe apropiadamente, pero no requiere el apareamiento de los cromosomas o el entrecruzamiento. El entrecruzamiento es un componente necesario del proceso normal de la disyunción. Por alguna razón, la formación del quiasma ayuda a mantener un bivalente unido y asegura que las dos díadas vayan hacia los polos opuestos. En la mayoría de los organismos, la cantidad de entrecruzamiento es suficiente para asegurar que todos los bivalentes tendrán al menos un quiasma por meiosis. En Drosophila, muchos de los cromosomas que sufren no disyunción en los gametos disómicos (n + 1) son cromosomas que no han sufrido recombinación, indicando que han pasado por la meiosis sin haber sufrido entrecruzamiento con su cromosoma homólogo. Se han hecho observaciones similares en las trisomías humanas. Además, en diferentes organismos experimentales, las mutaciones que interfieren con la recombinación tienen el efecto de incrementar de forma masiva la frecuencia de no disyunción en la meiosis I. Todas estas observaciones son evidencia del papel que juega el entrecruzamiento en el mantenimiento del apareamiento cromosómico; de manera que en su ausencia, los cromosomas son vulnerables a sufrir no disyunción durante la anafase I. Mensaje: El entrecruzamiento es necesario para mantener los bivalentes apareados hasta la anafase I. Si falla por alguna razón, se producirá la no disyunción durante la primera división. Monosómicos (2n - 1) En los monosómicos falta una copia de un cromosoma. En la mayoría de los organismos diploides, la ausencia de un cromosoma del complemento es letal. En los humanos, los monosómicos para alguno de los autosomas mueren en el

15

útero. Muchos monosómicos del cromosoma X también mueren en el útero, pero algunos son viables. El complemento cromosómico humano de 44 autosomas más un solo X produce la condición conocida como Síndrome de Turner, y se representa como XO. Las personas afectadas tienen un fenotipo característico: son mujeres estériles, de baja estatura, y a menudo tienen un pliegue de piel que va desde el cuello hasta los hombros (Figura 16-13). Aunque su inteligencia es casi normal, algunas de sus funciones cognitivas son deficientes. Aproximadamente 1 de cada 5000 nacimientos femeninos presentan el síndrome de Turner. Los genetistas han empleado plantas monosómicas viables para cartografiar nuevos alelos mutantes y recesivos en un cromosoma específico. Por ejemplo, se puede obtener un conjunto de líneas monosómicas en las que se conoce el cromosoma faltante de cada una. El homocigoto para un nuevo alelo mutante se cruza con cada una de las líneas monosómicas, y se analiza la progenie de cada cruzamiento buscando la que presenta el fenotipo recesivo. Aquel cruzamiento en el que aparece el fenotipo recesivo identifica el cromosoma cuya copia está perdida y en el que se encuentra el gen. Esta prueba es adecuada porque la mitad de los gametos de un monosómico fértil 2n - 1 serán n - 1, y cuando se fecunda un gameto n - 1 con un gameto que lleva una nueva mutación en el cromosoma homólogo, (Fin de página 566) (Principio de página 567) el alelo mutante será el único alelo para ese gen y por lo tanto se expresará. Como ejemplo, se supondrá que el gen A/a está en el cromosoma 2. De los cruzamientos de un individuo a/a con un monosómico para el cromosoma 1 y con un monosómico para el cromosoma 2 se espera distintos resultados (cromosoma 1 se abrevia como cr1): cr1/cr1 ; a/a Mutante

x

cr1/0 ; A/A Monosómico para el cromosoma 1 Genotipo A

progenie cr1/cr1 ; a/a Mutante

todos A/a x

16

cr1/cr1 ; A/0 Monosómico para el

cromosoma 2 Genotipo A progenie

1/2 A/a 1/2 a/0

Trisómicos (2n + 1) Los trisómicos contienen una copia extra de un cromosoma. En los organismos diploides, el desequilibrio cromosómico que genera la condición de trisómico suele derivar en anormalidades o en la muerte. Sin embargo, hay muchos ejemplos de trisómicos viables. Más aún, los trisómicos pueden ser fértiles. Cuando se observan las células en meiosis de algún organismo trisómico al microscopio en las fases en que los cromosomas están apareados, los cromosomas trisómicos se observan asociados formando un grupo de tres (trivalente), mientras que los otros cromosomas se encuentran formando bivalentes normales. ¿Qué proporciones genéticas se esperan en los genes de cromosomas trisómicos? Considérese un gen A que está cercano al centrómero en un cromosoma, y supongamos que el genotipo es A/a/a. Ademas, supongamos que en la anafase I los dos cromosomas apareados en el trivalente se dirigen a polos opuestos y el tercer cromosoma se dirige aleatoriamente a uno de ambos polos. Como se observa en la Figura 16-14, tres tipos de segregaciones se pueden dar con la misma frecuencia. Estas segregaciones resultan en una razón gamética conjunta que se muestra en los seis compartimentos de la Figura 1614; y es la siguiente:

1/6 2/6 2/6 1/6

A a A/a a/a

Si se dispusiera de un grupo de líneas en las que cada una lleva un cromosoma trisómico diferente, se podría localizar una mutación génica en un cromosoma particular viendo que líneas presentan una proporción genética trisómica como la precedente. Hay varios ejemplos de trisomías viables en los humanos. Diversos tipos de trisómicos de los cromosomas sexuales pueden sobrevivir hasta la edad adulta. Cada uno de esos tipos se encuentra en una frecuencia de 1 de cada 1000 nacimientos del sexo en cuestión (recuérdese que la determinación del sexo en los mamíferos se determina por la presencia o ausencia del cromosoma Y). El Síndrome de Klinefelter

17

está provocado por la combinación cromosómica XXY. Las personas con este síndrome son hombres que presentan una constitución longilínea, (Fin de página 567) (Principio de página 568) un coeficiente intelectual disminuido, además de ser estériles (Figura 16-15). Otra combinación anormal de cromosomas sexuales es la XYY, cuya historia es controvertida. Se ha intentado asociar la condición XYY con una predisposición a la violencia. Sin embargo, ahora está claro que esta condición no garantiza en absoluto dicha conducta. La mayoría de los hombres XYY son fértiles. La meiosis presenta el apareamiento del cromosoma X con uno de los Ys de forma normal, mientras que el otro Y no se empareja y no se transmite a los gametos. Por lo tanto los gametos serán X ó Y, nunca serán XY ó YY. Los trisómicos triple X (XXX) son mujeres de fenotipos normales y fértiles. En la meiosis se observa el apareamiento de dos cromosomas X, mientras que el tercero no aparea. Por lo tanto, los óvulos sólo son X, y como en el caso de los hombres XYY, la condición de trisómico no pasa a la descendencia. De las trisomías humanas, el tipo más familiar es el síndrome de Down (Figura 16-16), que ya se ha discutido brevemente al inicio del capítulo. La frecuencia del síndrome de Down es cercana al 0.15 por ciento de los nacimientos vivos. La mayoría de las personas afectadas tienen una copia extra del cromosoma 21 que suele estar causada por la no disyunción del cromosoma 21 en uno de los progenitores cuya dotación cromosómica es normal. En éste tipo esporádico de síndrome de Down, no hay historia familiar de aneuploides. Algunos casos raros de este síndrome surgen por translocaciones (un tipo de reordenación cromosómico que será discutido luego); en estos casos, el síndrome de Down reaparece en la genealogía porque las translocaciones pueden ser heredadas de padres a hijos. La combinación fenotípica que presentan los individuos con síndrome de Down incluye retardo mental, con un CI entre el 20 y 50 por ciento del rango normal; una cara ancha y plana; ojos con pliegue epicántico, baja estatura; manos pequeñas con un pliegue en la región media; y una lengua larga y rugosa. Las mujeres pueden ser fértiles y dar descendencia normal o trisómica, pero los hombres son estériles con muy pocas excepciones. La esperanza de vida media es de 17 años, y sólo el 8 por ciento de las personas con síndrome de Down sobreviven pasados los 40. 18

La incidencia de este síndrome está relacionada con la edad materna. Las madres de edad avanzada corren un riesgo elevado de tener niños con síndrome de Down (Figura 16-17). Por esta razón, el análisis cromosómico fetal (por amniocentesis o por muestreo de la vellosidad coriónica) se recomienda actualmente en madres de edad avanzada. Se ha demostrado que también hay un efecto de la edad paterna, aunque éste es menos pronunciado. A pesar de que el efecto de la edad materna se conoce desde hace muchos años, su causa aún no está esclarecida. No obstante, hay algunas correlaciones de interés biológico. Con la edad disminuye la probabilidad que los bivalentes permanezcan juntos durante la profase I de la meiosis. La detención de la meisis en los oocitos (los meiocitos femeninos) en la profase I tardía es un fenómeno común en muchos animales. En las hembras humanas, todos los oocitos están detenidos en diploteno antes del nacimiento. La meiosis se reanuda en cada ciclo menstrual, de manera que los cromosomas que se encuentran formando bivalentes pueden permanecer asociados así hasta cinco o más décadas. Si se especula que estas asociaciones tienen mayor probabilidad de disociarse por accidente con el paso del tiempo, se podría vislumbrar un mecanismo que contribuya a impedir la no disyunción materna con la edad. Consistente con esta especulación es el hecho que la mayoría de los casos de no disyunción relacionados con el efecto de la edad materna se producen durante la anafase I y no durante la anafase II. Los otros casos de trisomía humana que sobreviven hasta el nacimiento son el síndrome de Patau producido por una trisomía en el cromosoma 13, y el síndrome de Edwards producido por una trisomía del cromosoma 18. Ambos síndromes presentan diversas anormalidades físicas y mentales. El síndrome fenotípico de la trisomía del cromosoma 13 incluye labio leporino; una cabeza pequeña y deforme; pie zambo; y una esperanza de vida media de 130 días. La trisomía del cromosoma 18 incluye orejas “tipo fauno”, una mandíbula pequeña, la pelvis estrecha y los pies zambos. Casi todos los niños con este síndrome mueren durante las primeras semanas después del nacimiento. El resto de embriones que presentan trisomías mueren el útero. (Fin de página 568) (Principio de página 569) El concepto de equilibrio génico

19

Cuando se habló de la euploidía aberrante, vimos que un incremento en el número completo de la dotación cromosómica se correlaciona con un aumento en el tamaño del organismo, pero se mantienen la forma y proporciones generales del individuo normal. Por el contrario, las aneuploidías autosómicas alteran típicamente la forma y las proporciones del organismo de modo característico. Las plantas tienden a ser más tolerantes a la aneuploidía que los animales. Los estudios realizados en las plantas de estramonio (Datura stramonium) suministran el ejemplo clásico de los efectos de la aneuplodía y la poliploidía. En el estramonio, el número cromosómico haploide es 12. Como se espera, las plantas poliploides de estramonio tienen un tamaño mayor que las normales, pero son proporcionadas. Por el contrario, cada uno de los 12 posibles trisómicos es desproporcionado, aunque de modos distintos entre sí. Como ejemplo considerese los cambios en la forma de las cápsulas de la semilla (Figura 16-18). Las 12 trisomías diferentes conducen a 12 cambios de forma diferentes y característicos de la cápsula. De hecho, éstas y otras características de los individuos trisómicos son tan fiables que el síndrome fenotípico puede emplearse para identificar plantas que llevan una trisomía particular. De manera similar, los 12 monosómicos son en sí mismos diferentes unos de los otros, y a su vez de cada tipo trisómico. En general, un monosómico para un cromosoma en particular es más severamente anormal que su correspondiente trisómico. Se pueden observar tendencias similares en los aneuploides animales. En la mosca de la fruta Drosophila, los únicos aneuploides autosómicos que sobreviven hasta adulto son los trisómicos y los monosómicos del cromosoma 4, que es el más pequeño del complemento cromosómico en Drosophila, y representa sólo el 1 ó 2 por ciento del genoma. Los trisómicos del cromosoma 4 están afectados sólo ligeramente y son mucho menos anormales que los monosómicos para el mismo cromosoma. En los humanos, ningún monosómico autonómico sobrevive hasta el nacimiento, pero como ya se puntualizó anteriormente, sí que sobreviven tres tipos de trisómicos. Igual que ocurre en el estramonio, cada uno de estos trisómicos muestran rasgos fenotípicos únicos producidos por los efectos especiales de las dosis génicas alteradas de cada uno de estos cromosomas. (Fin de página 569) (Principio de página 570)

20

¿Por qué los aneuploides son más anormales que los poliploides? ¿Por qué los aneuploides para cada cromosoma tienen sus propios efectos fenotípicos característicos? ¿Por qué los monosómicos están más afectados que los correspondientes trisómicos? Las respuestas a estas preguntas parecen estar relacionadas con el concepto de equilibrio génico. En un euploide, la proporción de un gen en cualquier cromosoma respecto de los genes que se encuentran en otros cromosomas es siempre 1:1; sin reparar en si estamos considerando un monoploide, diploide, triploide, o tetraploide. Por ejemplo, en un tetraploide, para el gen A en el cromosoma 1 y el gen B en el cromosoma 2, la proporción es 4 A:4 B, o lo que es lo mismo 1:1. Por el contrario, en un aneuploide, la proporción de los genes en un cromosoma aneuploide con respecto a los genes en otros cromosomas difiere del salvaje en un 50 por ciento: 50 por ciento para los monosómicos, 150 por ciento para los trisómicos. Si empleamos el mismo ejemplo de antes, en un trisómico para el cromosoma 2 descubriremos que la proporción de genes A y B será de 2 A:3 B. Así, se puede ver que los genes aneuploides no están en equilibrio. ¿Cómo nos puede ayudar este ejemplo a responder las preguntas antes planteadas? En general, la cantidad de transcripto producido por un gen es directamente proporcional al número de copias que hay de ese gen en la célula. De esta forma, para un gen dado, la tasa de transcripción está directamente relacionada con el número de moldes de DNA disponibles. Así, cuantas más copias hay de un gen, mayor es el número de transcriptos que se producen y se obtendrá una mayor cantidad de esa proteína. Esta relación entre el número de copias de un gen y la cantidad de producto génico producido se denomina efecto de la dosis génica. Se podría inferir que la fisiología normal de una célula depende de la proporción correcta de productos génicos en la célula euploide. Esta proporción es el equilibrio génico normal. Si la dosis relativa de ciertos genes cambia, por ejemplo, como consecuencia de la pérdida de una de las copias del par cromosómico (o más aún, de un segmento cromosómico), se puede producir un desequilibrio fisiológico en las rutas celulares en las que participe dicha proteína. En algunos casos, el desequilibrio que produce la aneuploidía resulta de los efectos de unos pocos genes “mayores” cuya dosis ha cambiado, más que por el cambio en la dosis de todos los genes que se encuentran en el cromosoma. Tales genes pueden ser considerados como haploanormales, resultando en un fenotipo anormal si están presente sólo una vez, o triploanormales, resultando en un fenotipo anormal si están 21

presente en tres copias, o ambas cosas a la vez. Esto contribuye significativamente en los distintos fenotipos de los síndromes aneuploides. Por ejemplo, el estudio de personas trisómicas en sólo una parte del cromosoma 21 ha hecho posible localizar genes que contribuyen al síndrome de Down en varias regiones del mencionado cromosoma. (Fin de página 570) (Principio de página 571) Estos resultados insinúan que algunos aspectos del fenotipo podrían ser debidos a una triploanormalidad de un único gen mayor ubicado en esta región cromosómica. Además de los efectos de estos genes mayores, otros aspectos de los síndromes aneuploides probablemente resultan de los efectos acumulativos de la aneuploidía de numerosos genes cuyos productos están en desequilibrio. Es indudable que el fenotipo aneuploide como un todo resulta de una combinación de los efectos del desequilibrio de unos pocos genes mayores junto con el desequilibrio acumulativo de muchos genes menores. Sin embargo, el concepto de equilibrio génico no explica por qué es peor para un organismo tener poco producto génico (monosomía) que tener demasiado (trisomía). De modo paralelo, se podría preguntar por qué hay muchos más genes haplo-anormales que triplo-anormales. La explicación de la extrema anormalidad de los monosómicos es que cualquier alelo deletéreo recesivo presente en un cromosoma aneuploide se expresará automáticamente. ¿Cómo se podría aplicar la idea del equilibrio génico a los casos de aneuploidía de los cromosomas sexuales? El concepto de equilibrio génico es el mismo para los cromosomas sexuales, pero también se debería considerar las propiedades especiales de estos cromosomas. En los organismos con determinación del sexo XY, el cromosoma Y parece haber degenerado del cromosoma X, pues tiene muy pocos genes funcionales entre los que se encuentran los encargados de la determinación del sexo, de la producción de esperma, o de ambas funciones. Por otro lado, el cromosoma X contiene muchos genes involucrados en procesos celulares básicos (“genes de mantenimiento”), que residían en el cromosoma que finalmente evolucionó en el cromosoma X. Es probable que los mecanismos de determinación del sexo XY hayan evolucionado independientemente de 10 a 20 veces en diferentes grupos taxonómicos. Por ejemplo, parece que el mismo mecanismo gobierna la determinación sexual en mamíferos, pero 22

uno completamente distinto gobierna la determinación del sexo en las moscas de la fruta. En cierto modo, el cromosoma X es naturalmente aneuploide. En especies con determinación del sexo XY, las hembras tienen dos cromosomas X, mientras que los machos sólo tienen uno. No obstante, los genes de mantenimiento se expresan aproximadamente en el mismo grado en machos que en hembras. En otras palabras, existe compensación de dosis. ¿Cómo se cumple dicha compensación? La respuesta depende del organismo. En las moscas de la fruta, los cromosomas X de los machos parecen estar hiperactivados, permitiendo que se transcriban al doble de la tasa en que se transcriben cualquiera de los X femeninos. Como resultado, el macho XY de Drosophila tiene una dosis génica equivalente a la de la hembra XX. En mamíferos, por el contrario, la regla es que no importa cuántos cromosomas X haya presentes, sólo uno se transcribirá activamente en cada célula somática. Esta regla permite que las hembras XX de mamíferos tengan una dosis génica equivalente a la del macho XY. La compensación de dosis en mamíferos se logra por la inactivación del X. Una hembra con dos cromosomas X, por ejemplo, es un mosaico de dos tipos celulares en los que uno u otro cromosoma X está activo. Se ha examinado ya este fenómeno en el capítulo 11. De esta manera, los individuos XY y XX producen la misma cantidad de producto de los genes de mantenimiento. La inactivación del X también explica por qué los triple X humanos son fenotípicamente normales, ya que sólo uno de los tres cromosomas se transcribe activamente en una célula dada. De forma similar, un macho XXY está afectado moderadamente porque sólo uno de los X está activo en cada célula. ¿Por qué los individuos XXY son anormales, dado que los triple X son fenotípicamente normales? Resulta que unos pocos genes dispersos en el “X inactivo” persisten transcripcionalmente activos. En los machos XXY, estos genes se transcriben al doble nivel que se transcriben en los machos XY. En las hembras XXX, por otro lado, los pocos genes que se transcriben lo hacen a un nivel del 1,5 veces más del nivel en que se transcriben en la hembra XX normal. Este nivel inferior de “aneuploidía funcional” en los XXX respecto de los XXY, más el hecho que los genes activos del X lleven a la feminización, podrían explicar el fenotipo afeminado de los machos XXY. La severidad del síndrome de Turner (XO) puede deberse a los efectos deletéreos de la monosomía, así como a la baja actividad de los genes que se encuentran siempre activos (Fin de página 571)

23

(Principio de página 572) en el X, comparados con las hembras XX. Como se observa generalmente en los aneuploides, la monosomía del cromosoma X produce un fenotipo más anormal que aquellos que presentan una copia extra del mismo cromosoma (hembras triple X o machos XXY). La dosis génica también es importante en los fenotipos de los poliploides. Los cigotos poliploides humanos surgen a través de varias clases de errores en la división celular. La mayoría muere en el útero. Ocasionalmente, los bebes triploides pueden nacer, pero no sobreviven. Este hecho parece violar el principio que los poliploides son más normales que los aneuploides. La explicación para esta contradicción parece estar relacionada con la compensación de dosis del cromosoma X. Parte de la regla del equilibrio génico en los organismos que tienen un solo cromosoma X activo es que debe estar sólo un X activo por cada dos copias del complemento cromosómico autosómico. Así, se ha descubierto que algunas células en mamíferos triploides tienen un sólo X activo, en cambio otras células tienen sorprendentemente dos. Ninguna de estas dos situaciones está en equilibrio con los genes autosómicos. Mensaje: La aneuploidía es casi siempre deletérea por el desequilibrio génico: la proporción entre genes es diferente que en la de los euploides, y esta diferencia interfiere con el funcionamiento normal del genoma.

16.2 Cambios en la estructura cromosómica Los cambios en la estructura cromosómica, llamados reordenaciones, abarcan varias clases principales de acontecimientos. Se puede perder un segmento cromosómico, constituyendo una deleción, o se puede duplicar, para formar una duplicación. Se puede revertir la orientación de un segmento dentro del cromosoma, constituyendo una inversión. Se puede mover un segmento de un cromosoma a otro diferente, produciendo una translocación. La rotura del DNA es una causa importante de cada uno de estos sucesos. Para producir un nueva reordenación cromosómica, se deben romper ambas hebras de DNA en dos lugares distintos, y seguidamente se deben reunir por los extremos rotos (Figura 16-19, lado izquierdo). Las reordenaciones

24

cromosómicas por rotura pueden inducirse artificialmente usando radiación ionizante. Esta clase de radiación, particularmente los rayos X y gamma, es de alta energía y causa numerosas roturas en la doble hélice de DNA. Para entender cómo se producen las reordenaciones cromosómicas por rotura, se deben tener en cuenta varios puntos: 1. Cada cromosoma es una sola molécula de DNA de doble cadena. 2. El primer suceso en la producción de una reordenación cromosómica es la generación de dos o más roturas en la doble cadena en los cromosomas de una célula (ver Figura 16-19, fila superior izquierda) 3. Las roturas en la doble hélice son potencialmente letales, a menos que sean reparadas. 4. El sistema de reparación de la célula corrige las roturas de la doble cadena reuniendo los extremos rotos (véase el Capítulo 15 para una discusión detallada de la reparación del DNA). 5. Si se reúnen los dos extremos de la misma rotura, se reestablece el orden original. Sin embargo, si se reúnen dos extremos distintos, el resultado será algún tipo de reordenación cromosómica. 6. Los únicos tipos de reordenaciones que sobreviven a la meiosis son aquellos que producen moléculas de DNA que tienen un centrómero y dos telómeros. Si una reordenación produce un cromosoma que carece de centrómero, el cromosoma acéntrico no será arrastrado a ningún polo en la anafase de la mitosis o la meiosis y no se incorporará en ningún núcleo de la progenie celular. Por lo tanto, el cromosoma acéntrico no se hereda. Si una reordenación produce un cromosoma con dos centrómeros (dicéntrico), a menudo será arrastrado a ambos polos simultáneamente durante la anafase, formando un puente anafásico. Los cromosomas que forman el puente anafásico generalmente no se incorporan a ninguna de las células resultantes. Si la rotura cromosómica produce la pérdida de un telómero, el cromosoma resultante no puede replicarse apropiadamente. (Fin de página 572) (Principio de página 573) Se sugiere revisar en el Capítulo 7 la explicación sobre la necesidad de los telómeros para realizar la replicación adecuada del DNA (Véase la Figura 7-25). 25

7. Si una reordenación produce una duplicación o una deleción de un segmento de un cromosoma, el equilibrio génico puede verse afectado. Cuanto mayor es el segmento que se pierde o se duplica, mayor es la probabilidad que el desequilibrio génico cause anomalías fenotípicas. Otra causa importante de las reordenaciones es el entrecruzamiento entre segmentos repetitivos o duplicados de DNA. Este tipo de entrecruzamiento se denomina recombinación homóloga no alélica (NAHR, del inglés, Non Allelic Homologous Recombination). En los organismos que llevan secuencias repetitivas en un cromosoma o en diferentes cromosomas, existe una ambigüedad respecto a que repeticiones se aparearán en la meiosis. Si las repeticiones que se aparean no están en la misma posición relativa en los homólogos, el entrecruzamiento dará lugar a cromosomas aberrantes. Las deleciones, las duplicaciones, las inversiones y las translocaciones se pueden producir por recombinación homóloga no alélica (véase la Figura 16-19, lado derecho). Hay dos tipos generales de reordenaciones: desequilibradas y equilibradas. Las reordenaciones desequilibradas cambian la dosis génica de un segmento cromosómico. La pérdida de una copia de un segmento o la adición de una copia extra puede alterar el equilibrio génico normal, de igual forma que con las aneuploidías para cromosomas enteros. Las dos clases básicas de reordenaciones desequilibradas son las deleciones y las duplicaciones. Una deleción es la pérdida de un segmento dentro de un brazo cromosómico y la yuxtaposición de los dos segmentos que se encuentran a ambos lados del segmento delecionado. En el siguiente ejemplo, se muestra la pérdida del segmento C-D:

A

B

A

B

C

D E

(Fin de página 573) (Principio de página 574)

26

E

Una duplicación es la repetición de un segmento de un brazo cromosómico. En el caso más simple de una duplicación, los dos segmentos están adyacentes (duplicación en tándem), como en el caso de la duplicación del segmento C: A

B

C

A

B

C

D C

E D

E

Sin embargo, el segmento duplicado se puede insertar en una posición diferente a la original en el mismo cromosoma o inclusive en un cromosoma distinto. Las reordenaciones equilibradas cambian el orden génico pero no eliminan ni duplican ninguna porción de DNA. Los casos básicos de reordenaciones equilibradas son las inversiones y las translocaciones recíprocas. Una inversión es una reordenación en la que un segmento interno de un cromosoma se ha roto dos veces, se ha girado 180º, y finalmente se reúne.

A

B

C

D

E

A

C

B

D

E

Una translocación recíproca es una reordenación en la que dos cromosomas que no son homólogos se rompen formando fragmentos acéntricos, y luego éstos se intercambian: Rotura Rotura Translocación Recíproca

Algunas veces, la rotura del DNA que precede a la formación de reordenaciones ocurre dentro de los genes. Cuando esto sucede, se altera la función génica porque parte del gen se mueve a una nueva posición y la transcripción no se completa. Además, las secuencias de DNA que se encuentran a un lado y a otro de los extremos reunidos de un cromosoma reordenado son secuencias que normalmente no se yuxtaponen. Algunas

27

veces la reunión ocurre de forma tal que la fusión produce un gen híbrido no funcional que está compuesto por partes de otros dos genes. En

las

siguientes

secciones

consideraremos

las

propiedades

de

las

reordenaciones equilibradas y desequilibradas.

Deleciones Una deleción es simplemente la pérdida de una parte de un brazo cromosómico. El proceso de deleción requiere dos roturas del cromosoma para cortar el segmento que interviene. El fragmento delecionado no tiene centrómero, y en consecuencia no puede ser arrastrado hacia ninguno de los polos por el huso acromático en la división celular, por lo que se pierde. Los efectos de la deleciones dependen de su tamaño. Se denomina deleción intragénica a una pequeña deleción dentro de un gen, que ocasiona la inactividad del mismo y tiene el mismo efecto que tendría una mutación nula de este gen. Si el fenotipo del homocigoto para la mutación nula es viable, como en el caso del albinismo humano, la deleción en homocigosis también será viable. Las deleciones intragénicas se pueden distinguir de las mutaciones causadas por el cambio de un único nucleótido, ya que los genes con tales deleciones nunca revierten al fenotipo salvaje. (Fin de página 574) (Principio de página 575) Llamaremos deleciones multigénicas a aquellas en las que se han perdido muchos genes. Las consecuencias de estas reordenaciones son más severas que las producidas por las deleciones intragénicas. Si una deleción multigénica se lleva al estado de homocigosis por endogamia, de manera que ambos homólogos llevan la misma deleción, la combinación es letal siempre. Este hecho sugiere que todas las regiones de los cromosomas son esenciales para la viabilidad normal y que la eliminación completa de cualquier segmento del genoma es deletérea. Incluso un individuo heterocigótico para una deleción multigénica, que tiene un homólogo normal y uno portador de la deleción, podría no sobrevivir. Generalmente, este resultado letal se debe a la interrupción del equilibrio génico normal. De manera alternativa, la deleción permitiría “descubrir” alelos recesivos deletéreos, pues pueden expresarse al hallarse en una única copia.

28

Mensaje: La letalidad de las deleciones heterocigóticas grandes puede explicarse por el desequilibrio génico y por la expresión de los alelos recesivos deletéreos. A menudo, las deleciones pequeñas son viables en combinación con un cromosoma homólogo normal. Tales deleciones pueden identificarse al examinar los cromosomas meióticos bajo el microscopio. La ausencia de apareamiento en el cromosoma delecionado con el segmento correspondiente de su homólogo crea un bucle de deleción visible (Figura 16-20a). En Drosophila, los bucles de deleción también son visibles en los cromosomas politénicos. Estos cromosomas se pueden observar en las células de las glándulas salivares y en otros tejidos específicos de ciertos insectos. En estas células, los cromosomas homólogos se encuentran apareados y replican muchas veces sin separarse, así que cada cromosoma es un “manojo” grueso formado por miles de réplicas. Los cromosomas politénicos son fácilmente visibles, y cada uno presenta un patrón de bandas claras y oscuras cuya posición y número es fijo. Estas bandas actúan como puntos de referencia cromosómicos muy útiles. En la Figura 16-20b se observa un ejemplo de cromosoma politénico en el que un cromosoma homólogo porta una deleción y el otro cromosoma es normal. La deleción puede asignarse a una lugas específico si examinamos microscópicamente los cromosomas politénicos y determinamos la posición del bucle de deleción. Otra pista de la presencia de una deleción es que la pérdida de un segmento en un homólogo, a veces desenmascara a los alelos recesivos que están presentes en el otro homólogo, lo que permite su expresión inesperada. Considere, por ejemplo, la deleción que se muestra en el diagrama siguiente: abcdefg +

++++

Fenotipo: +bc++++ Si no hubiera deleción, no se esperaría que en ninguno de los siete alelos recesivos se observara en el fenotipo. Sin embargo, si b y c se expresan, eso quiere decir que probablemente ha ocurrido una deleción que se expande sobre los genes b+ y c+. Se denomina pseudodominancia a la expresión de los alelos recesivos debido a los efectos de la deleción. En el caso inverso, si se pudiera conocer el lugar de la deleción, se podría aplicar el efecto de la pseudodominancia en la dirección opuesta para situar la posición 29

de los alelos mutantes. Este procedimiento se denomina cartografía por deleción, por el cual se emparejan mutaciones junto con un grupo definido de deleciones solapantes. Se puede observar un ejemplo en Drosophila en la Figura 16-21. En el diagrama, el mapa de recombinación se muestra en la parte superior, donde se señalan las distancias en unidades de mapa desde el extremo izquierdo. Las barras horizontales rojas debajo de los cromosomas muestran la extensión de cada deleción enumerada a la izquierda. Cada deleción se empareja con la mutación bajo estudio, y se observa el fenotipo para ver si la mutación es pseudodominante. Por ejemplo, la mutación pn (prune), muestra pseudodominancia sólo con la deleción 264-38, y este resultado determina su situación en la región comprendida entre 2D-4 y 3A-2. Sin embargo, fa (facet) muestra pseudodominancia (Fin de página 575) (Principio de página 576) con todas las deleciones excepto con dos (258-11 y 258-14); lo que determina su posición en la banda 3C-7, que es la región que todas tienen en común. Mensaje: Las deleciones se pueden reconocer por los bucles de deleción y por la pseudodominancia. Los médicos encuentran mutaciones en los cromosomas humanos con cierta regularidad. Las deleciones son generalmente pequeñas, pero tienen efectos adversos, incluso cuando se encuentran en estado heterocigótico. Las deleciones de regiones específicas de los cromosomas humanos causan síndromes únicos de anormalidades fenotípicas. Un ejemplo es el síndrome del “grito de gato” (cri du Chat), causado por una deleción en estado heterocigótico de la punta del brazo corto del cromosoma 5 (Figura 16-22). Las bandas específicas que se pierden en este síndrome son las 5p15.2 y 5p15.3, las dos bandas identificables más distales en el cromosoma 5. Los brazos cortos y largos de los cromosomas humanos se denominan tradicionalmente p y q, respectivamente. El fenotipo más característico de este síndrome es el que le da su nombre, los infantes afectados lloran como si emitiesen un maullido parecido al de un gato. Otras manifestaciones del síndrome son la microcefalia (cabeza anormalmente pequeña) y la cara como de luna llena. Igual que otros síndromes causados por

30

deleciones, el grito de gato incluye retardo mental. La tasa de letalidad es baja, y muchas personas con esta deleción alcanzan la edad adulta. Otro ejemplo instructivo es el síndrome de Williams. Esta afección es autosómica dominante y está caracterizada por un desarrollo inusual del sistema nervioso junto con ciertos rasgos externos. El síndrome de Williams se encuentra en una proporción de cerca de 1 en 10 000 personas. Los pacientes a menudo tienen una habilidad remarcada por la música o el canto. El síndrome está causado casi siempre por la deleción de 1.5 Mb de uno de los homólogos del cromosoma 7. El análisis de la secuencia reveló que este segmento contiene 17 genes, algunos de ellos con función conocida. El fenotipo anormal está causado por insuficiencia haploide de uno o más de estos 17 genes. El análisis de la secuencia también reveló que el origen de la deleción se debe a que en la secuencia normal hay copias repetidas del gen llamado PMS, el cual codifica para una proteína de reparación del DNA. Como ya se ha visto, las secuencias repetidas pueden actuar como sustrato para el entrecruzamiento desigual. (Fin de página 576) (Principio de página 577) Un entrecruzamiento desigual entre dos copias del gen PMS, que flanquean los extremos del segmento que contiene 17 genes, lleva a una duplicación (que no se observa nunca) y a la deleción que origina el síndrome de Williams, como se puede ver en la Figura 16-23. La mayoría de las deleciones en los humanos, como las que acabamos de considerar, surgen de manera espontánea en las gónadas de un progenitor normal de la persona afectada, así que en la mayoría de los casos no se observan señales de deleción en los cromosomas de ninguno de los progenitores. De forma menos frecuente, entre los descendientes de un individuo que lleva una reordenación cromosómica equilibrada que no ha sido detectada con anterioridad, surgen individuos que llevan una deleción. Por ejemplo, el síndrome del grito de gato puede resultar de un progenitor heterocigótico para una translocación recíproca, ya que la segregación de estas reordenaciones produce deleciones. Las deleciones también pueden resultar de la recombinación producida dentro de una inversión pericéntrica (una inversión que arrastra el centrómero) en estado heterocigótico. Ambos mecanismos se detallarán más tarde en este capítulo. Los animales y las plantas muestran diferencias en la supervivencia de los gametos y de la descendencia que portan deleciones. Un animal macho con una deleción en uno de 31

sus cromosomas produce esperma que lleva uno u otro cromosoma en un número aproximadamente igual. Este esperma parece tener cierto grado de funcionalidad a pesar de su contenido genético. Por otro lado, en las plantas diploides, el polen producido por un heterocigoto portador de una deleción es de dos tipos: el polen funcional que lleva el complemento normal y el polen no funcional (abortivo) que lleva el homólogo deficiente. De esta manera, los granos de polen parecen ser sensibles a los cambios en la cantidad de material cromosómico, pudiendo actuar para eliminar las deleciones. Este efecto es análogo a la sensibilidad del polen a la aneuploidía de cromosomas enteros, descrita previamente en este capítulo. A diferencia de las células espermáticas animales, cuya actividad metabólica depende de las enzimas que ya han sido previamente depositadas durante su formación, los granos de polen deben germinar y producir un tubo polínico largo que crece para fecundar el óvulo. Este crecimiento requiere que el polen fabrique gran cantidad de enzimas y proteínas, (Fin de página 577) (Principio de página 578) lo que hace que sea sensible a las anormalidades genéticas de su propio núcleo. Los óvulos de las plantas, por el contrario, son bastante tolerantes a las deleciones, debido probablemente a que reciben su alimentación del tejido materno que lo envuelve. Duplicaciones Los procesos de mutación cromosómica producen algunas veces una copia extra de alguna región cromosómica. Las regiones duplicadas pueden estar ubicadas de manera adyacente, lo que se llama duplicaciones en tándem, o la copia extra puede estar localizada en cualquier otra parte del genoma, lo que se denomina duplicación insercional. Una célula diploide que contiene una duplicación llevará tres copias de la región cromosómica en cuestión: dos en un complemento cromosómico y una en el otro; este es un ejemplo de un heterocigoto para una duplicación. En la profase meiótica, los heterocigotos para duplicaciones en tándem muestran un bucle que abarca la región extra que no se encuentra apareada. Las duplicaciones sintéticas que cubren regiones conocidas pueden emplearse en la cartografía génica. En los haploides, por ejemplo, una cepa con un complemento cromosómico normal que porta una nueva mutación recesiva m puede cruzarse con distintas cepas que llevan un número de reordenaciones que generan duplicaciones (por 32

ejemplo, translocaciones e inversiones pericéntricas). En un cruzamiento cualquiera, si la progenie que porta la duplicación tiene un fenotipo recesivo, querría decir que la duplicación no se expande en la región que comprende al gen m, ya que si lo hiciera, este segmento extra podría enmascarar al alelo recesivo m. El análisis de las secuencias de DNA del genoma ha revelado un alto nivel de duplicaciones en los humanos así como en otros organismos modelo. Las repeticiones de secuencias simples se encuentran extendidas en todo el genoma y son marcadores moleculares útiles para la cartografía, como ya fue discutido en capítulos anteriores. Sin embrago, existe otra clase de duplicaciones basadas en unidades duplicadas que son mucho más grandes que simples secuencias repetidas. A este tipo de duplicaciones se las denominan duplicaciones segmentales. Las unidades duplicadas en las duplicaciones segmentales tienen un tamaño que se extiende desde 10 a 50 kilobases y llevan genes enteros así como las regiones intergénicas. La extensión de las duplicaciones segmentales se muestra en la Figura 16-24, en la que se puede observar que la mayoría de las duplicaciones están dispersas, aunque existen algunos casos de duplicaciones en tándem. Otra propiedad que se muestra en la Figura 16-24 es que la dispersión de las unidades duplicadas se da mayoritariamente dentro de un mismo cromosoma, no entre cromosomas. El origen de las duplicaciones segmentales todavía se desconoce. Se piensa que las duplicaciones segmentales tienen un rol importante como sustrato para la recombinación homóloga no alélica, como se muestra en la Figura 1619. El entrecruzamiento entre duplicaciones segmentales puede llevar a diversas reordenaciones cromosómicas. Estas reordenaciones parecen haber tenido una gran importancia en la evolución, puesto que algunas de las inversiones mayores que constituyen las diferencias claves entre las secuencias de los humanos y los monos provienen de la recombinación homóloga no alélica. También parece probable que este fenómeno de recombinación haya sido el responsable de reordenaciones que causan algunas enfermedades humanas. Los loci de tales enfermedades se encuentran en “sitios calientes” de duplicaciones segmentales; como se puede observar en los ejemplos de la Figura 16-24. Se ha visto que en algunos organismos tales como los poliploides, el genoma actual evolucionó como resultado de la duplicación de un genoma ancestral completo. Cuando se duplica el genoma completo, cada gen se duplica también. Estos genes duplicados son el origen de algunas de las duplicaciones segmentales descubiertas en los genomas. Un caso bien estudiado es el de la levadura del pan, Saccharomyces 33

cerevisiae. La evolución de este genoma ha sido analizada comparando la secuencia del genoma completo de S. cerevisiae con el de otra levadura, Kluyveromyces, cuyo genoma es similar al del ancestro de las levaduras. Aparentemente, en el curso de la evolución de Saccharomyces, el genoma ancestral, que era similar al de Kluyveromyces, se duplicó, creándose dos juegos completos del genoma. Luego que ocurriera la duplicación, muchas copias génicas se fueron perdiendo en uno u otro de los juegos, y los juegos remanentes se reordenaron, resultando en el actual genoma de Saccharomyces. Este proceso está reconstruido en la Figura 16-25. (Fin de página 578) (Principio de página 580) Inversiones Como ya se ha visto, para crear una inversión, se corta un segmento de un cromosoma, se gira y se reinserta. Las inversiones son de dos clases básicas. Si el centrómero se encuentra fuera de la inversión, se la denomina paracéntrica. Si la inversión involucra al centrómero se denomina pericéntrica.

Secuencia normal

A B

C

D

E

F

Paracéntrica

A B

C

E

D

F

Pericéntrica

A D

C

B

E

F

Debido a que las inversiones son reordenaciones equilibradas, la cantidad total de material genético no cambia, y por lo tanto no resulta en desequilibrio génico. Los individuos con inversiones son generalmente normales, si no se ha roto ningún gen al producirse la inversión. Una rotura que interrumpe un gen produce una mutación que puede ser detectada como un fenotipo anormal. Si el gen tiene una función esencial, entonces el punto de rotura actúa como una mutación letal ligada a la inversión. En tal caso, la inversión no llegará a estar en estado homocigótico. Sin embargo, muchas inversiones pueden encontrarse en estado homocigótico, (Fin de página 580) (Principio de página 581) 34

es más, las inversiones pueden detectarse en organismos haploides. En estos casos, los puntos de rotura de la inversión no se encuentran en regiones esenciales. En la Figura 16-26 se puede observar algunas de las posibles consecuencias de las inversiones en el nivel del DNA. La mayoría de los análisis de las inversiones son llevados a cabo en células diploides que llevan un complemento normal y un complemento portador de una inversión. A este tipo de células se las denomina heterocigóticas para la inversión, pero se debe apuntar que esta designación no implica que algún locus génico sea heterocigoto, sino que lleva un complemento formado por un cromosoma normal y otro anormal. A menudo, la localización del segmento invertido puede observarse al microscopio. En la meiosis, un cromosoma se retuerce en los extremos de la inversión para emparejarse con el homólogo no invertido; de este modo, los homólogos apareados forman un bucle de inversión visible (Figura 16-27). En una inversión paracéntrica, el entrecruzamiento producido en la meiosis dentro del bucle de inversión conecta a los centrómeros homólogos formando un puente dicéntrico y un fragmento acéntrico (Figura 16-28). Así, cuando los cromosomas se separan en anafase I, los centrómeros permanecen ligados por el puente. El fragmento acéntrico no se puede alinear consigo mismo ni desplazarse, y en consecuencia se pierde. La tensión en el puente dicéntrico ocasionalmente produce una rotura que da origen a dos cromosomas con deleciones terminales. Los gametos que contienen dichos cromosomas o los cigotos que ellos forman, serán inviables. Por lo tanto, un suceso de entrecruzamiento, que normalmente genera las clases recombinantes de los productos meióticos, es letal para estos productos. El resultado neto es una disminución drástica de la frecuencia de recombinantes viables. De hecho, (Fin de página 581) (Principio de página 582) para los genes que se sitúan dentro de la inversión, la frecuencia de recombinación es próxima a cero. No es exactamente cero, debido a que se dan algunos dobles entrecruzamientos dentro de la inversión que produce recombinantes viables. Para los genes que flanquean la inversión, la frecuencia de recombinación, FR, se reduce en proporción al tamaño de la inversión. Para una inversión mayor, hay una gran probabilidad de que ocurra un entrecruzamiento dentro y produzca gametos inviables en la meiosis. 35

En un heterocigoto para una inversión pericéntrica, el efecto genético neto es el mismo que para la inversión paracéntrica, no se recuperan los productos de recombinación, aunque las razones aquí son diferentes. En una inversión pericéntrica, los centrómeros están contenidos dentro de la inversión. En consecuencia, los cromosomas que están implicados en un entrecruzamiento se separan de una manera normal, sin formar un puente (Figura 16-29). Sin embargo, el entrecruzamiento produce cromátidas que contienen una duplicación y una deleción en distintas partes del cromosoma. En este caso, si un gameto que porta alguna de estas anomalías es fecundado, el cigoto morirá a causa del desequilibrio génico. De nuevo, el resultado es que sólo las cromátidas que no han sufrido entrecruzamiento estarán presentes en la progenie viable. De esta forma, el valor de FR en los genes que están dentro de una inversión pericéntrica será cero. Las inversiones también afectan de otras formas a la recombinación. Los heterocigotos para una inversión a menudo tienen problemas mecánicos para aparearse en la región de la inversión. El bucle de inversión causa una gran distorsión que puede extenderse más allá del bucle en sí. Esta distorsión reduce la probabilidad de un entrecruzamiento en las regiones colindantes. A continuación, considere un ejemplo de los efectos de una inversión sobre la frecuencia de recombinación. Un espécimen salvaje de Drosophila proveniente de una población natural se cruza con un homocigoto recesivo de una línea de laboratorio dp cn/dp cn. El alelo dp codifica para alas dumpy (rechonchas) y el alelo cn codifica para ojos cinabrio (cinnabar). Se sabe que los dos genes se encuentran en el cromosoma 2, a una distancia de 45 unidades de mapa. La generación F1 es de fenotipo salvaje. Cuando se cruza una hembra F1 con un parental recesivo, la progenie es 250 salvaje + +/dp cn 246 dumpy cinnabar dp cn/dp cn 5 dumpy dp +/dp cn 7 cinnabar + cn/dp cn En este cruzamiento prueba dihíbrido se espera que el 45% de la progenie sea dumpy o cinnabar (pues constituyen las clases recombinantes), pero sólo se obtienen 12 de 508, casi un 2%. Algunas veces se observa reducido el entrecruzamiento de esta región, y una posible explicación es una inversión que se extiende sobre la región donde se encuentran los alelos dp-cn. Debido a que la frecuencia de recombinación esperada estaba basada en medidas hechas en líneas del laboratorio, la mosca salvaje de la

36

naturaleza fue la fuente más probable del cromosoma invertido. Por lo tanto, el cromosoma 2 en la F1 podría representarse como el siguiente: dp

dp

cn

cn

+ (Inversión) + +

Inversión

+

(Fin de página 582) (Principio de página 583) Las inversiones pericéntricas también pueden ser detectadas microscópicamente a través de una nueva proporción de brazos cromosómicos:

Normal

Proporción de brazo, largo:corto 4:1

Inversión

Proporción de brazo, largo:corto 1:1

Observe que la proporción de tamaño del brazo largo respecto del corto cambia de casi 4:1 a casi 1:1 por la inversión. Las inversiones paracéntricas en cambio, no alteran la proporción de brazo cromosómico, pero pueden detectarse al microscopio observando los cambios en el patrón de bandas u otras marcas cromosómicas que estén disponibles. Mensaje: La principal característica diagnóstica de los heterocigotos para inversiones son los bucles de inversión, la frecuencia reducida de recombinación y la fertilidad disminuida por el desequilibrio o la deleción en los productos meióticos. En algunos modelos experimentales, principalmente en Drosophila y el nematodo Caenorhabditis elegans, las inversiones se emplean como balanceadores. Un cromosoma balanceador contiene múltiples inversiones; de manera que cuando se

37

combina con el cromosoma salvaje correspondiente puede ocurrir que los productos de la recombinación no sean viables. Para algunos análisis es importante mantener una cepa que porte todos los alelos juntos en un cromosoma. Con este fin, los genetistas construyen individuos con genomas que combinan un cromosoma portador de múltiples alelos con un cromosoma balanceador. Esta combinación elimina el entrecruzamiento, de manera que sólo se heredan las combinaciones parentales en la progenie. Por conveniencia, los cromosomas balanceadores están marcados con una mutación morfológica dominante. El marcador permite al genetista seguir la segregación del cromosoma balanceador o de su homólogo normal simplemente por la presencia o la ausencia del marcador.

Translocaciones recíprocas Hay diversos tipos de translocaciones, pero aquí se considerará sólo las translocaciones recíprocas, que es el tipo más simple. Recuerde que para formar una translocación recíproca dos cromosomas deben intercambian fragmentos acéntricos generados por dos roturas cromosómicas simultáneas. Como ocurre en otras reordenaciones, la meiosis en los heterocigotos que tienen dos cromosomas translocados junto a sus dos homólogos normales produce configuraciones características. La Figura 16-30 ilustra la meiosis de un individuo que es heterocigoto para una translocación recíproca. Se puede observar la configuración del apareamiento en forma de cruz. Debido a que la ley de segregación independiente es válida en estos casos, hay dos tipos comunes de patrones de segregación. A partir de ahora se empleará N1 y N2 para representar los cromosomas normales, y T1 y T2 para representar los cromosomas translocados. La segregación de cada cromosoma estructuralmente normal con uno de los translocados (T1 + N2 y T2 + N1) se denomina segregación adyacente-1. Cada uno de los dos productos meióticos es deficiente para un brazo diferente de la cruz y tiene duplicado el otro brazo, generando así productos que son inviables. Por otro lado, la segregación conjunta de los dos cromosomas normales hacia un polo, y los dos translocados hacia el otro polo, generará productos N1 + N2, y T1 y T2. Este patrón se denomina segregación alternante, y genera productos que están equilibrados y por tanto viables. Las segregaciones adyacente-1 y alternante se producen en igual número, de manera que la mitad de la población total de gametos será inviable, una condición conocida como semiesterilidad o “mitad estéril”. La semiesterilidad es una herramienta 38

diagnóstica importante para identificar heterocigotos para una translocación. Sin embargo, la semiesterilidad se define de forma diferente (Fin de página 583) (Principio de página 584) en plantas y animales. En las plantas, el 50% de los productos meióticos que provienen de la segregación adyacente-1 abortan generalmente en el estado de gameto (Figura 1631). En los animales, estos productos son viables como gametos, pero letales para los cigotos producidos tras la fecundación. Recuerde que los heterocigotos para las inversiones también pueden mostrar alguna reducción en la fertilidad, pero la cantidad depende del tamaño de la región afectada. Una reducción exacta del 50% en los gametos viables o en los cigotos es una pista diagnóstica fiable para una translocación. Los genes que se encuentran en los cromosomas translocados actúan como si estuvieran genéticamente ligados si sus loci están cerca del punto de rotura de la translocación. La Figura 16-32 muestra un heterocigoto para una translocación que se ha establecido a partir de un cruzamiento entre un individuo a/a ; b/b con un homocigoto para la translocación que porta los alelos salvajes. Cuando el heterocigoto se emplea en un cruzamiento prueba, se crean recombinantes que no sobreviven, ya que llevan genomas desequilibrados, con duplicaciones y deleciones. La única progenie viable es la que porta los genotipos de los progenitores, por lo que se observa ligamiento entre loci que se encontraban originalmente en cromosomas distintos. El ligamiento aparente de genes que se sabe que están en cromosomas separados no homólogos (llamado algunas veces pseudoligamiento) es una pista genética clave para diagnosticar la presencia de translocaciones. Mensaje

Los

heterocigotos

para

translocaciones

recíprocas

se

diagnostican

genéticamente por la semiesterilidad y por el aparente ligamiento de genes cuyos loci se encuentran en cromosomas separados.

Translocaciones robertsonianas

39

Volvamos a la familia del hijo con Síndrome de Down, presentada al inicio del capítulo. El nacimiento puede ser verdaderamente una coincidencia, ya que después de todo, las coincidencias ocurren. (Fin de página 584) (Principio de página 585) Sin embargo, el aborto nos da una pista que indica que algo más podría estar ocurriendo. Una gran proporción de abortos espontáneos llevan anormalidades cromosómicas, así que quizás ésto podría ser el caso del ejemplo. De ser así, la pareja podría haber tenido dos concepciones con mutaciones cromosómicas, un fenómeno muy improbable si no hay una causa común. Sin embargo, una pequeña proporción de casos de síndrome de Down son el resultado de una translocación en uno de sus padres. Se ha visto que las translocaciones pueden producir progenie que tiene material extra de parte del genoma; y así, una translocación que implique al cromosoma 21 puede producir progenie que tenga material extra de este cromosoma. En el síndrome de Down, la translocación responsable es del tipo llamado translocación robertsoniana. La translocación y su segregación se ilustran en la Figura 16-33. Observe que (Fin de Página 585) (Principio de Página 586) además de los complementos que causan el síndrome de Down, se producen otros complementos cromosómicos aberrantes, la mayoría de los cuales terminan en aborto. En nuestro ejemplo, el hombre podría tener esta translocación, que podría haber heredado de su abuela. Para confirmar esta posibilidad, se deberían analizar sus cromosomas. El hijo que no esté afectado podría tener cromosomas normales o podría haber heredado también la translocación. Aplicación de las inversiones y translocaciones Las inversiones y las translocaciones son herramientas genéticas útiles, como se verá a continuación en algunos ejemplos. Mapas génicos: Las inversiones y las translocaciones son útiles para hacer un mapa de genes específicos y su aislamiento posterior. El gen de la neurofibromatosis humana fue aislado de esta manera. La información crítica proviene de personas que no solo tienen 40

la enfermedad, sino que también llevan translocaciones cromosómicas. Todas las translocaciones parecían tener un punto de rotura en común, en una banda cercana al centrómero del cromosoma 17. Por lo tanto, en esta banda debería encontrarse el gen de la neurofibromatosis, que ha sido interrumpido por el punto de rotura de la translocación. El análisis posterior demostró que la posición exacta de los puntos de rotura de la translocación variaba de localización. Sin embargo, puesto que debían estar dentro del gen, el recorrido abarcado por estas posiciones reveló el segmento del cromosoma que contenía el gen de la neurofibromatosis. El aislamiento de fragmentos de DNA de esta región llevó finalmente a la recuperación del mismo gen. Síntesis de duplicaciones o deleciones específicas Las translocaciones y las inversiones se emplean de manera rutinaria para duplicar o delecionar un segmento específico de un cromosoma. Recordemos, por ejemplo, que tanto las inversiones pericéntricas como las translocaciones generan productos meióticos que contienen una duplicación y una deleción (véase Figuras 16-29 y 16-30). Si el segmento involucrado es muy pequeño, entonces los productos meióticos duplicados y delecionados son equivalentes a una duplicación o una deleción, respectivamente. Las duplicaciones y las deleciones son útiles para una variedad de aplicaciones experimentales, incluyendo la cartografía génica y la variación de la dosis génica para los estudios de regulación, como se ha visto en las secciones precedentes. Otra aproximación para la creación de duplicaciones utiliza las translocaciones insercionales unidireccionales, donde se remueve un segmento de un cromosoma y se inserta en otro. En un heterocigoto para una translocación insercional se producirá una duplicación si el cromosoma con la inserción segrega junto con la copia normal. Variegación por efecto de posición: Como se ha visto en el Capítulo 11, la acción de un gen puede ser bloqueada en la proximidad a una región del cromosoma densamente teñida llamada heterocromatina. Las translocaciones y las inversiones pueden emplearse para estudiar este efecto. Por ejemplo, el locus para el color del ojo blanco en Drosophila está cerca del extremo del cromosoma X. Considere una translocación en la que el extremo de un cromosoma X que tiene el alelo w+ es recolocado cerca de la región heterocromática del cromosoma 4 (Figura 16-34a, sección superior). La variegación por efecto de posición se observa en moscas que son heterocigotas para

41

dicha translocación. El cromosoma X normal en uno de estos heterocigotos lleva el alelo recesivo w. El fenotipo del ojo que se espera es rojo porque (Fin de página 586) (Principio de página 587) el alelo salvaje es dominante sobre w. Sin embargo, el fenotipo observado en estos casos es una mezcla variegada de facetas rojas y blancas (Figura 16-34b). ¿Cómo se puede explicar las de áreas blancas? El alelo w+ no se expresa en todas las facetas, porque la heterocromatina circundante es variable: en algunas células, se “traga” e inactiva al gen w+, permitiendo así la expresión de w. Si la posición de w+ y w se intercambiaran por entrecruzamiento, entonces la variegación por efecto de posición no se detectaría (véase la Figura 16-34a, en la sección inferior).

Reordenaciones y cáncer El cáncer es una enfermedad debida a una proliferación anormal de las células. Como resultado de alguna agresión inflingida, una célula del cuerpo se divide fuera de control hasta formar una población celular denominada cáncer. Un grupo localizado de células que han proliferado se denomina tumor, mientras que los cánceres de células móviles, como las células sanguíneas, se dispersan por el cuerpo. El cáncer se produce muy a menudo por una mutación en las secuencias codificadoras o reguladoras de un gen cuya función normal es la regulación de la división celular. Estos genes se denominan protooncogenes. Sin embargo, las reordenaciones cromosómicas, especialmente las translocaciones, también pueden interferir con la función normal de los protooncogenes. Hay dos formas básicas en las cuales las translocaciones pueden alterar la función de los protooncogenes. En el primer mecanismo, la translocación resitúa un protooncogén en la cercanía de un nuevo elemento regulador. Un buen ejemplo de este mecanismo se observa en el linfoma de Burkitt. El protooncogén de este cáncer codifica para la proteína MYC, un factor de transcripción que activa los genes requeridos para la proliferación celular. Normalmente, el gen myc se transcribe solo cuando una célula necesita proliferar, pero en las células cancerosas el protooncogén MYC es resituado cerca de la región reguladora de los genes de las inmunoglobulinas (Ig) (Figura 16-35) Los genes de las inmunoglobulinas se transcriben constitutivamente, es decir, están 42

activos continuamente. En consecuencia, el gen myc se transcribe en todo momento, y la proliferación celular se encuentra activada continuamente. (Fin de página 587) (Principio de página 588) El otro mecanismo por el que las translocaciones pueden causar cáncer es mediante la formación de un gen híbrido. Un ejemplo de este tipo de alteración es la leucemia mieloide crónica (CML, del inglés, Chronic Mieloide Leukaemia), un cáncer de los glóbulos blancos de la sangre. Este cáncer puede resultar de la formación de un gen híbrido entre dos protooncogenes BCR1 y ABL (Figura 16-35b). El protooncogén abl codifica para una proteína quinasa de una ruta de señalización. La proteína quinasa transmite una señal que inicia un factor de crecimiento que lleva a la proliferación celular. La proteína de fusión Bcr1-Abl tiene una actividad permanente de proteína quinasa. La proteína alterada propaga continuamente su señal de crecimiento, independientemente de si la señal de iniciación está presente.

Identificación de mutaciones cromosómicas por genómica: Los microarrays de DNA han hecho posible la detección y cuantificación de duplicaciones o deleciones de un segmento dado de DNA. La técnica se denomina hibridación genómica comparativa. El DNA total de tipo salvaje y el de tipo mutante se marcan con dos colorantes fluorescentes distintos que emiten a diferentes longitudes de onda lumínica. Estos DNAs marcados se añaden simultáneamente en un microarray de cDNA, donde ambos hibridan. El microarray se escanea con un detector ajustado a una longitud de onda y después se vuelve a escanear con la otra longitud de onda. Se calcula las razón de los valores de fluorescencia para cada cDNA. La razones mutante a salvaje que son sustancialmente mayor que uno representan a las regiones que se han amplificado. Una razón de 2 indica una duplicación, y una razón menor de uno revela una deleción. En la Figura 16-36 se muestran algunos ejemplos. 16.3 Incidencia total de las mutaciones cromosómicas en los humanos. Las mutaciones cromosómicas surgen sorprendentemente con mucha frecuencia en la reproducción sexual humana, mostrando que los procesos celulares relevantes tienen un

43

alto nivel de error. La Figura 16-37 muestra la distribución estimada de las mutaciones cromosómicas (Fin de página 588) (Principio de página 589) en aquellas concepciones humanas que se desarrollan lo suficiente como para implantarse en el útero. Del 15% estimado de las concepciones que acaban en aborto espontáneo (embarazos que finalizan naturalmente), la mitad muestra anomalías cromosómicas. Algunos médicos genetistas creen que este alto nivel es incluso una subestima, ya que muchos casos nunca llegan a detectarse. Entre los nacidos vivos, el 0.6% tienen anormalidades cromosómicas, dando lugar tanto a aneuploides como a reordenaciones cromosómicas.

Resumen La poliploidía es una condición anormal en la que hay un mayor número de complementos cromosómicos que el número normal. Los poliploides como los triploides (3n) y los tetraploides (4n) son comunes entre las plantas y también se encuentran representados en animales. Los organismos con un número impar de complementos cromosómicos son estériles porque no todos los cromosomas tienen su pareja en la meiosis. Los cromosomas desapareados se dirigen al azar a los polos de la célula durante la meiosis, llevando a complementos cromosómicos desequilibrados en los gametos resultantes. Los gametos desequilibrados no producen descendencia viable. En los poliploides con un número par de complementos, cada cromosoma tiene una pareja potencial y así pueden producir gametos equilibrados y progenie fértil. (Fin de página 589) (Principio de página 590) La poliploidía puede producir un organismo de mayores dimensiones; este descubrimiento ha permitido importantes avances en horticultura y en cultivos de cereales. En las plantas, los alopoliploides, que son poliploides formados por combinación de diferentes complementos cromosómicos de distintas especies, pueden obtenerse 44

cruzando dos especies relacionadas y luego duplicando los cromosomas en la progenie a través del uso de la colchicina o mediante el método de la fusión de células somáticas. Estas técnicas tienen aplicaciones potenciales para los agrónomos, ya que los alopoliploides combinan las características de las dos especies parentales. Cuando algún accidente celular cambia cualquier parte del complemento cromosómico, se generan los aneuploides. La aneuploidía en sí misma resulta en un genotipo desequilibrado con un fenotipo anormal. Los ejemplos de aneuploides incluyen los monosómicos (2n - 1) y los trisómicos (2n + 1). El síndrome de Down (trisomía del par 21), el síndrome de Klinefelter (XXY) y el síndrome de Turner (X0) son ejemplos bien documentados de condiciones aneuploides en humanos. El nivel espontáneo de aneuploidías en humanos es bastante alto y explica una gran proporción de enfermedades genéticas en las poblaciones humanas. El fenotipo de un organismo aneuploide depende mucho del cromosoma particular que se halle afectado. En algunos casos, tales como la trisomía del par 21, hay una constelación de fenotipos asociados muy característicos. El mayor número de casos de aneuploidías surgen de una segregación anómala accidental de los cromosomas durante la meiosis (no disyunción). El error es espontáneo y puede ocurrir en cualquier meiocito tanto de la primera como de la segunda división. En humanos existe un efecto de la edad materna sobre la no disyunción del cromosoma 21, lo que lleva a una alta incidencia de síndrome de Down en niños de madres de edad avanzada. La otra categoría general de mutaciones cromosómicas comprende las reordenaciones estructurales, que incluyen deleciones, duplicaciones, inversiones y translocaciones. Estos cambios resultan tanto de la rotura y reunión incorrecta como del entrecruzamiento entre elementos repetitivos (recombinación homóloga no alélica). Las reordenaciones cromosómicas son una causa importante de enfermedad en las poblaciones humanas y son una herramienta muy útil para la generación de cepas especiales de organismos para la genética experimental y aplicada. En organismos que llevan un complemento cromosómico normal y otro reordenado (reordenaciones heterocigóticas), hay unas estructuras inusuales en la meiosis que resultan de la gran afinidad hacia el apareamiento entre las regiones cromosómicas homólogas. Por ejemplo, los heterocigotos para una inversión muestran bucles, y los heterocigotos para translocaciones muestran estructuras en forma de cruz. La segregación de estas estructuras da lugar a productos meióticos anormales debido a las reordenaciones. 45

Una deleción es la pérdida de una sección del cromosoma, que puede ser ocasionada tanto por la rotura de un fragmento seguida de su pérdida o por la segregación de una translocación o una inversión heterocigótica. Si la región removida en la deleción es esencial para la vida, la deleción en estado heterocigótico es letal. La deleción en estado heterocigótico también puede ser letal debido al desequilibrio génico, o bien a la expresión de alelos recesivos por la pérdida de una región cromosómica; este fenómeno se denomina pseudodominancia. Las duplicaciones se producen generalmente a partir de otras reordenaciones o por un entrecruzamiento aberrante. También se produce un desequilibrio del material genético, lo que conduce a efectos deletéreos en el fenotipo o a la muerte del organismo. Sin embargo, las duplicaciones pueden ser una fuente de nuevo material para la evolución, porque la función puede mantenerse en una copia, y la otra copia puede adquirir nuevas funciones. Una inversión se debe a que un fragmento cromosómico da un giro de 180º. En estado homocigótico, las inversiones pueden causar pocos problemas para un organismo, a menos que la heterocromatina circundante produzca un efecto de posición o que una de las roturas interrumpa un gen. Por otro lado, los heterocigotos para una inversión muestran bucles en la meiosis, y si ocurre un entrecruzamiento dentro del bucle, se producen gametos inviables. Los productos del entrecruzamiento en una inversión pericéntrica, que abarca el centrómero, difieren de los productos de una inversión paracéntrica, que no involucra el centrómero. Ambos tipos de inversiones reducen la frecuencia de recombinación en la región afectada y a menudo resultan en una fertilidad disminuida. Una translocación mueve un segmento cromosómico a otra posición del genoma. Un ejemplo simple es una translocación recíproca, en la que cromosomas no homólogos intercambian partes. En estado heterocigótico, las translocaciones provocan deleciones y duplicaciones en los productos meióticos, lo que puede causar cigotos desequilibrados. Las translocaciones pueden originar nuevos genes ligados. La segregación al azar de los centrómeros en los heterocigotos para la translocación resulta en un 50% de productos meióticos desequilibrados, y de esta forma, un 50% de esterilidad (semiesterilidad). Términos Clave: Alopoliploidía (pág. 558) 46

Aneuploide (pág. 558) Anfiploidía (pág. 561) Bivalente (pág. 558) Bucle de deleción (pág. 575) Bucle de inversión (pág. 581) Carga genética (pág. 558) Cartografía por deleción (pág. 575) Compensación de dosis (pág. 571) Cromosoma acéntrico (pág. 572) Cromosoma balanceador (pág. 583) Cromosoma dicéntrico (pág. 581) Cromosoma politénico (pág. 575) Cromosomas homeólogos (pág. 558) Deleción (pág. 572) Deleción intragénica (pág. 574) Deleción multigénica (pág. 575) Disómico (pág. 565) Duplicación (pág. 572) Duplicación en tándem (pág. 578 ) Duplicación insercional (pág. 578) Duplicación segmental (pág. 578) Efecto de dosis génica (pág. 570) Embrioide (pág. 563) Equilibrio génico (pág. 570) Euploide (pág. 557) Fragmento acéntrico (pág. 581) Heterocigoto para una inversión (pág. 581) Hexaploide (pág. 557) Inversión (pág. 572 ) Inversión paracéntrica (pág. 580) Inversión pericéntrica (pág. 580) Monoploide (pág. 557) Monosómico (pág. 565) Mutación cromosómica (pág. 556) 47

No disyunción (pág. 565) Nulisómico (pág. 565) Partenogénesis (pág. 558) Pentaploide (pág. 557) Poliploide (pág. 557) Pseudodominancia (pág. 575) Pseudoligamiento (pág. 584) Puente anafásico (pág. 572) Puente dicéntrico (pág. 575) Recombinación homóloga no alélica (NAHR) (pág. 573) Reordenación (pág. 572) Reordenación desequilibrada (pág. 573) Reordenación equilibrada (pág. 574) Segregación adyacente-1 (pág. 583) Segregación alternante (pág. 583) Semiesterilidad (pág.583) Síndrome de Down (pág. 568) Síndrome de Klinefelter (pág. 567) Síndrome de Turner (pág. 566) Tetraploide (pág. 557) Translocación (pág. 572) Triploide (pág. 557) Trisómico (pág. 565) Trivalente (pág.558) Univalente (pág. 558) Página 591 Problemas resueltos del Capítulo 16. Variegación por efecto de posición (p. 586) Problema resuelto 1. Una planta de maíz es heterocigótica para una translocación recíproca y por lo tanto es semiestéril. Se cruza con una línea cromosómicamente normal que es heterocigótica 48

para el alelo recesivo braquítico (b), situado en el cromosoma 2. Se retrocruza una planta F1 semiestéril con una homocigota de la línea braquítica. Se obtiene la progenie con los siguientes fenotipos: No braquítica Semiestéril 334

Braquítica Semiestéril 42

Fértil 27

Fértil 279

a. ¿Qué proporción se esperaría si el cromosoma que lleva el alelo braquítico no participa en la translocación? b. ¿Cree que el cromosoma 2 participa en la translocación? Explique su respuesta, mostrando la configuración de los cromosomas relevantes de la progenie F 1 y la razón por la cual se obtienen éstos números específicos. Solución a. Deberíamos comenzar con una aproximación metodológica y redefinir simplemente los datos en forma de diagrama, donde: = Los dos cromosomas forman parte de la translocación = Cromosoma 2, que lleva el alelo braquítico

Para simplificar el diagrama, no mostraremos los cromosomas divididos en cromátidas (aunque deberían verse en este estadio de la meiosis). Veamos el diagrama del primer cruzamiento: Cepa con la translocación

b+ b+

X Cepa normal

b b Toda la progenie de este cruzamiento será heterocigótica para el cromosoma que lleva el alelo braquitico, pero ¿Qué sucede con los cromosomas que llevan las translocaciones? En este capítulo, se ha visto que sólo sobreviven los productos de la segregación 49

alternante y que la mitad de los supervivientes serán cromosómicamente normales mientras que la otra mitad tendrá los cromosomas reordenados. La combinación reordenada regenerará un heterocigoto para una translocación cuando se combine con el complemento cromosómico normal de un progenitor normal. Estos últimos tipos, los F1 (Fin de página 591) (Principio de página 592) semiestériles, son representados como parte de los retrocruzamientos con el parental de la línea braquítica:

Semiestéril F1

b+ b

X Cepa de prueba

b b En el cálculo de la proporción esperada de fenotipos a partir de este cruzamiento, debemos

considerar

el

comportamiento

de

los

cromosomas

translocados

independientemente del comportamiento del cromosoma 2. Así, podremos predecir que la progenie será:

translocación (semiestériles)

 

1/2 b+/b 1/2 b/b

 

1/4 semiestériles no braquíticos 1/4 semiestériles braquíticos

1/2 normal (fértiles)

 

1/2 b+/b 1/2 b/b

 

1/4 fértiles no braquíticos 1/4 fértiles braquíticos

1/2 heterocigotos para la

La proporción predicha 1 : 1 : 1 : 1 es bastante diferente de la obtenida en el cruzamiento.

50

b. Debido a que observamos un desvío de la proporción esperada basándonos en la independencia del fenotipo braquítico y la semi-esterilidad, el cromosoma 2 probablemente forme parte de la translocación. Asumiremos que el locus braquítico (b) está en el cromosoma amarillo, pero ¿dónde? En el diagrama da igual dónde lo pongamos, pero sí es importante a nivel genético, ya que la posición del locus b afecta a la proporción en la progenie. Si suponemos que el locus b está cerca del extremo de la porción translocada, se puede redibujar el pedigrí:

b

X b+

b

b+

Semiestéril F1

Cepa de prueba

b b

b

b+

Si los cromosomas de la F1 semiestéril segregan como en el diagrama anterior, entonces podríamos predecir: 1/2 Fértil, braquítico 1/2 Semiestéril, no braquítico La mayoría de la progenie es realmente de este tipo, así que debemos estar en la pista correcta. Pero, ¿cómo se producen los dos fenotipos menos frecuentes? De alguna manera, el alelo b+ debe estar en el cromosoma amarillo y el alelo b en el cromosoma translocado. Esta localización debe conseguirse a través de un entrecruzamiento entre el cromosoma amarillo y el translocado, de manera que se intercambien los alelos.

b

b+

51

La recombinación de los cromosomas produce alguna progenie fértil y no braquítica, así como semiestéril y braquítica (estas dos clases juntas suman 69 individuos de la progenie de un total de 682, es decir, una frecuencia del 10%). Se puede ver que esta frecuencia es realmente una medida de la distancia en el mapa (10 u.m.) del locus braquítico al punto de rotura de la translocación. (El mismo resultado básico se podría haber obtenido si hubiéramos dibujado el locus braquítico en la parte del cromosoma que está al otro lado del punto de rotura). Problema resuelto 2. Se dispone de líneas puras de ratones para dos fenotipos alternativos del comportamiento que sabemos que están determinados por dos alelos en un locus simple: v que causa que el ratón se mueva como si “bailara un vals”, mientras que V determina un andar normal. Tras cruzar dos individuos de cada una de las líneas puras (bailarín de vals y normal), observamos que la F 1 es normal, pero inesperadamente hay una hembra bailarina. Se cruza la hembra F 1 bailarina con dos machos bailarines diferentes y se observa sólo descendencia bailarina. Cuando se cruza a la hembra bailarina con ratones normales, la progenie es normal sin ningún bailarín. Luego se cruzan tres hembras de la progenie normal con dos de sus hermanos, y producen una progenie de 60 ratones normales. Sin embargo, cuando se empareja una de estas tres hembras con un tercer hermano, se obtienen 6 ratones normales y dos bailarines de una camada de 8. Al pensar en los progenitores de la F 1 bailarina, se pueden considerar varias posibles explicaciones de estos resultados: a. Un alelo dominante podría haber mutado a un alelo recesivo en alguno de sus progenitores. b. En un padre, podría haber habido una mutación dominante en un segundo gen que creara un alelo epistático que actúa previniendo la expresión de V, llevando a la expresión de los bailarines. c. La no disyunción en la meiosis del cromosoma que lleva el alelo V en un padre normal podría haber dado aneuploides viables. d. Podría haber habido una deleción viable que comprendiera la región del locus V en el meiocito de uno de sus padres normales. (Fin de página 592)

52

(Principio de página 593) ¿Cuál de estas explicaciones es posible, y cuál puede ser eliminada por análisis genéticos? Lo explicaremos en detalle. SOLUCIÓN La mejor forma de responder a estas preguntas es buscar una explicación para cada pregunta y luego ver si los resultados son compatibles con cada una de las respuestas. a. Mutación V a v. Esta hipótesis requiere que la hembra excepcional bailarina sea homocigótica v/v. Esta suposición es compatible con los resultados del apareamiento con sus hermanos bailarines, ya que si ella fuese v/v, produciría toda la descendencia bailarina (v/v), y al cruzarse con sus hermanos normales, debería producir descendencia normal (V/v). Sin embargo, los apareamientos hermanos-hermanas dentro de esta progenie normal deberían haber producido una proporción 3:1 de normales:bailarines. Debido a que alguno de los apareamientos hermanos-hermanas no produjo descendencia bailarina, esta hipótesis no explica los resultados. b. Mutación epistática s a S. Aquí los progenitores deben ser V/V · s/s y v/v · s/s, y una mutación en la línea germinal de uno de ellos debe haber originado a la F1 bailarina con genotipo V/v · S/s. Cuando cruzamos a esta hembra con un macho bailarín, cuyo genotipo debe ser v/v · s/s, debemos esperar alguna progenie V/v · S/s, de fenotipo normal. Sin embargo, no vimos progenie normal entre la descendencia de este cruzamiento, así que esta hipótesis está descartada. El ligamiento podría salvar esta hipótesis temporalmente si suponemos que la mutación fue en el padre normal, que daba gametos V/S. Entonces la hembra F1 bailarina debía ser VS/vs, y, si el ligamiento es lo suficientemente fuerte, no se deberían producir gametos V·s o producirse unos pocos, del tipo que son necesarios para combinar con los gametos v s del macho para dar V s/V s normales. Sin embargo, si la hipótesis del ligamiento fuera cierta, el cruzamiento con machos normales debería ser V S/ v s X V s/V s, y así debería haber dado un alto porcentaje de progenie V S/V s, que debería ser bailarina, y no se obtuvo.

53

c. No disyunción en el progenitor normal. Esta explicación podría dar gametos nulisómicos que deberían combinar con v para dar la F1 bailarina que sería de genotipo hemicigoto v. Los siguientes apareamientos deberían ser: - v X v/v, el cual daría progenie v/v y v, todos bailarines. Esto encaja . - v X V/V, la cual daría progenie V/v y V, todos normales, lo cual también encaja. - El primer cruzamiento de progenie normal: V X V. Este cruzamiento entre hermanos daría V y V/V, los cuales serían todos normales. Esto también encaja. - El segundo cruzamiento entre hermanos de progenie normal: V X V/v. Estos cruzamientos darían un 25 por ciento de cada variante V/V, V/v, V (todos normales), y v (bailarines). Esto también encaja. Esta hipótesis, por lo tanto, es consistente con los resultados observados. d. Deleción de V en el padre normal. La llamaremos deleción D. La progenie F1 bailarina debe haber sido D/v, y así los siguientes apareamientos deberían haber sido: -

D/v X v/v, que da v/v y D /v, que son todos bailarines. Esto encaja.

-

D/v X V/V, que da V/v y D /V, que serían normales. Esto encaja.

-

El primer cruzamiento de progenie normal: D/V X D/V, daría D /V y V/V, todos normales. Esto encaja.

-

El segundo cruzamiento de progenie normal: D/V X V/v, daría un 25% de cada uno de V/V, V/v, D/V (todos normales), y D/v (bailarines). Esto también ajusta.

De nuevo, esta hipótesis encaja con los resultados observados; de manera que estamos en presencia de dos hipótesis que son compatibles con nuestros resultados, de manera que debemos hacer experimentos adicionales para distinguir entre ellas. Una manera de hacerlo sería examinar los cromosomas de la hembra excepcional bajo el microscopio; de manera que la aneuploidía podría distinguirse fácilmente de la deleción.

Problemas

54

PROBLEMAS BÁSICOS. 1. Teniendo en cuenta el estilo de la Tabla 16-1, ¿cómo podría llamar a los organismos que son MM N OO; MM NN OO; MMM NN PP? 2. Una planta grande surge en una población natural. Cualitativamente, se asemeja al resto, excepto en que es mucho mayor. ¿Es más probable que sea un alopoliploide o un autopoliploide? ¿Cómo podría probar que se trata de poliploidía y que no es debido a que haya crecido en un suelo rico? 3. Un trisómico; ¿es un aneuploide o un poliploide? 4. En un tetraploide B/B/b/b, ¿cuántos emparejamientos de cuadrivalentes posibles hay? Dibújelos (observando la Figura 16-5). 5. Si alguien le dice que la coliflor es un anfiploide. ¿Estaría de acuerdo? Explíquelo. 6. ¿Por qué Raphanobrassica es fértil, mientras que sus progenitores no lo son? 7. En la designación de los genomas del trigo, ¿cuántos cromosomas están designados con la letra B? 8. ¿Cómo podría “recrear” el trigo común hexaploide a partir de Triticum tauschii y Emmer? 9. ¿Cómo crearía una plántula monoploide comenzando de una planta diploide? 10. Se obtiene un producto disómico en la meiosis. ¿Cuál es su origen más probable? ¿Qué otros genotipos podría esperar entre los productos de la meiosis bajo esta hipótesis? 11. Un trisómico A/A/a ¿puede producir un gameto de genotipo a? (Fin de página 593)

55

(Principio de página 594) 12. ¿Cuál, si hay alguno, de los siguientes aneuploides para cromosomas sexuales en humanos es fértil: XXX, XXY, XYY, XO? 13. ¿Por qué a una madre de edad avanzada se le suele hacer rutinariamente una amniocentesis o CVS? 14. En una inversión, ¿es el extremo 5’ del DNA el que siempre se une a otro extremo 5’? Explique la respuesta. 15. Si observa un puente dicéntrico en la meiosis, ¿qué reordenación ha tenido lugar? 16. ¿Por qué se pierde un fragmento acéntrico? 17. Dibuje una translocación que surja a partir de DNA repetitivo. Repita el dibujo para una deleción. 18. A partir de un gran stock disponible de reordenaciones en Neurospora de un centro genético de stocks fúngicos, ¿qué tipo de reordenación elegiría para sintetizar una línea que tenga una duplicación del brazo derecho del cromosoma 3 y una deleción del extremo del cromosoma 4? 19. Se observa un bucle de apareamiento muy grande en la meiosis. ¿Es más probable que sea de un heterocigoto para una inversión o de un heterocigoto para una deleción? Explique la respuesta. 20. Un nuevo alelo recesivo mutante no muestra pseudodominancia con ninguna deleción que se localice en el cromosoma 2 de Drosophila. ¿Cuál podría ser la explicación? 21. Compare y contraste el origen del síndrome de Turner, el síndrome de Williams, el síndrome cri du chat y el síndrome de Down. (¿Por qué se llaman síndromes?)

56

22. Enumere las características diagnósticas (genéticas o citológicas) que se emplean para identificar estas alteraciones cromosómicas: a- Deleciones b- Duplicaciones c- Inversiones d- Translocaciones 23. La secuencia normal de nueve genes en un cromosoma de Drosophila es 123·456789, donde el punto representa el centrómero. Algunas moscas de la fruta presentan cromosomas aberrantes con las siguientes estructuras: a- 123·476589 b- 123·46789 c- 1654·32789 d- 123·4566789 Denomine cada tipo de reordenación cromosómica, y dibuje diagramas que muestren para cada caso la sinapsis con un cromosoma normal. 24. Los dos loci P y Bz están normalmente a una distancia de 36 u.m. en el mismo brazo de un cromosoma de una planta. Una inversión paracéntrica abarca un cuarto de esta región, pero no incluye a ninguno de estos loci. Qué frecuencia de recombinación aproximada se podría predecir en esta planta si es: a. heterocigota para una inversión paracéntrica b. homocigótica para una inversión paracéntrica. 25. Como se observó en el Problema resuelto 2, un ratón llamado bailarín tiene una mutación recesiva que causa que el ratón efectúe pasos raros. W.H. Gates cruzó ratones bailarines con ratones normales, y entre centenares de progenie normal, surgió una única hembra bailarina. Cuando se cruzó con un ratón bailarín, produjo una descendencia de bailarines únicamente. Cuando se cruzó con un macho homocigótico normal, produjo descendencia normal. Algunos de estos machos y hembras de la descendencia normal fueron cruzados, y no apareció ningún descendiente bailarín en la progenie. T.S. Painter examinó los cromosomas de los ratones bailarines que derivaron de los cruzamientos de Gates y observó un comportamiento similar al del original, una única hembra bailarina. Descubrió que estos ratones tienen 40 cromosomas, como el 57

ratón normal y el ratón bailarín. Pero en la hembra inusual bailarina, un miembro de un par cromosómico era, sin embargo, anormalmente corto. Interprete estas observaciones completamente, tanto a nivel genético como citológico. (Problema 25 es de A.M. Srb, R.D. Owen, y R.S. Edgar, General genetics, 2nd ed. W.H. Freeman and Company, 1965.) 26. Seis bandas en un cromosoma de glándulas salivares de Drosophila se muestran en la siguiente ilustración, junto con la amplitud de cinco deleciones (Del 1 a Del 5): 1

2 3 4 5 6

Del 1

-------------

Del 2

-------

Del 3

-----------

Del 4

---------

Del 5

-----------

Se sabe que los alelos recesivos a, b, c, d, e y f se encuentran en la región, pero se desconoce su orden. Cuando las deleciones se combinan con cada alelo, se obtienen los siguientes resultados: Del 1 Del 2 Del 3 Del 4 Del 5

a + +

b + + + +

c +

d + + + -

e + + -

f + + + + -

(Fin de página 594) (Principio de página 595) En esta tabla, un signo menos indica que la deleción está en la región correspondiente al alelo salvaje (la deleción descubre al alelo recesivo), y el signo más determina que el alelo salvaje correspondiente se halla presente. Usando estos datos, infiera qué bandas de los cromosomas politénicos contiene cada gen. (El problema 26 está tomado de D.L. Hartl, D. Friefelder, and L.A. Snyder, Basic genetics, Jones and Bartlett, 1988)

58

27. Una mosca de la fruta es heterocigota para una inversión paracéntrica. Sin embargo, fue imposible obtener moscas homocigóticas para la inversión a pesar que se intentó muchas veces. ¿Cuál es la explicación más probable para esta incapacidad de obtener moscas homocigóticas para la inversión? 28. Los orangutanes son una especie protegida en su hábitat natural (las islas de Borneo y Sumatra), y se ha establecido un programa de cría en cautividad usando orangutanes mantenidos en zoológicos de todo el mundo. Un componente de este programa es la investigación citogenética del orangután. Esta investigación ha mostrado que todos los orangutanes de Borneo portan una forma de cromosoma 2, como se muestra en el diagrama que acompaña, y todos los orangutanes de Sumatra llevan otra forma. Antes de que se detectaran estas diferencias citogenéticas, se llevaron a cabo algunos cruzamientos entre animales de diferentes islas, y se obtuvieron 14 híbridos entre la progenie que ahora están siendo criados en cautividad. a. ¿Qué término o términos describirían las diferencias entre estos cromosomas? b. Dibuje el cromosoma 2, apareado en la primera profase meiótica, en uno de los híbridos del orangután. Asegúrese de mostrar las bandas marcadoras indicadas en el diagrama que acompaña al ejercicio, además de rotular todas las partes del dibujo. c. En el 30% de la meiosis, habrá un entrecruzamiento en la región comprendida entre las bandas p1.1 y q1.2. Dibuje el cromosoma 2 en los gametos que resultarían de una meiosis en la que ha ocurrido un único entrecruzamiento dentro de la banda q1.1. d. ¿Qué fracción de los gametos producidos por un orangután híbrido dará origen a una progenie viable, si estos cromosomas son los únicos en los que difieren los progenitores? (El Problema 28 fue tomado de Rosmary Redfield) 29. En el maíz, los genes de tamaño del penacho (alelos T y t) y de resistencia a la roya (alelos R y r) se encuentran en cromosomas separados. Mientras se realizaban cruzamientos de rutina, un agricultor observó que una planta T/t; R/r produjo un resultado inusual en un cruzamiento prueba con polen progenitor doble recesivo t/t; r/r. Los resultados fueron: Progenie: T/t; R/r 98 59

t/t; r/r 104 T/t; r/r 3 t/t¸ R/r 5 Mazorcas de maíz: Sólo la mitad produjo semillas en la cantidad normal. a. ¿Qué características importantes de los datos son distintas de los resultados esperados? b. Desarrolle una hipótesis concisa que explique los resultados. c. Describa los genotipos de los progenitores y la progenie. d. Dibuje un diagrama que muestre el orden de los alelos en los cromosomas. e. Explique el origen de las dos clases de la progenie que tienen tres y cinco miembros.

Problema 29 paso a paso: 1. ¿Qué significa “gen para tamaño del penacho” y “gen de resistencia a la roya”? 2. ¿Es relevante que no se haya dado el significado preciso de los símbolos alélicos T, t, R, r? ¿Por qué? o ¿por qué no? 3. ¿Cómo se relacionan los términos gen y alelo aquí empleado con los conceptos de locus y par génico? 4. ¿Cuál es la evidencia experimental previa que sugirió a los genetistas del maíz que los dos genes se encuentran en cromosomas separados? 5. ¿Qué se imagina que son los “cruzamientos de rutina” para un agricultor del maíz? 6. ¿Qué término se emplea para describir los genotipos del tipo T/t; R/r? 7. ¿Qué es el “polen parental”? 8. ¿Qué son los cruzamientos prueba, y por qué los genetistas los consideran tan útiles? 9. Una vez el agricultor ha realizado el cruzamiento prueba ¿Qué tipo de descendientes y que frecuencias respectivas obtendrían los mejoradores del cruzamiento prueba? 10. Describa cómo difiere la progenie esperada de la observada.

60

11. ¿Qué se puede decir de la igualdad aproximada de las dos primeras clases de progenie? 12. ¿Qué se puede decir de la igualdad aproximada de las dos últimas clases de progenie? 13. ¿Cuáles fueron los gametos de la planta inusual y cuáles fueron sus proporciones? 14. ¿Qué gametos son mayoritarios? 15. ¿Qué gametos son minoritarios? 16. ¿Qué clases de descendientes parecen ser recombinantes? (Fin de página 595) (Principio de página 596) 17. ¿Qué combinaciones alélicas parecen estar ligadas? 18. ¿Cómo pueden estar ligados genes que supuestamente están en cromosomas separados? 19. ¿Qué nos dicen las clases mayoritarias y minoritarias sobre el genotipo de la planta inusual? 20. ¿Qué es una mazorca? 21. ¿Cómo es una mazorca normal? (Esboce una y rotúlela). 22. ¿Cómo son las mazorcas de este cruzamiento? (Esboce una). 23. ¿Qué es exactamente un grano de maíz? 24. ¿Qué efecto podría llevar a la ausencia de la mitad de los granos? 25. ¿Ha muerto la mitad de los granos de la mazorca? Si es así, ¿fue la madre o el padre la causa de la muerte? Ahora intente resolver el problema. 30. El color amarillo en Drosophila está causado por un alelo mutante, y, de un gen situado en el extremo del cromosoma X (el alelo salvaje causa el color de cuerpo gris). En un experimento de radiación, se irradió un macho salvaje con rayos X y se cruzó con una hembra de color amarillo. La mayoría de los descendientes macho eran amarillos, como se esperaba, pero el conteo de cientos de descendientes reveló que había dos machos de color gris (fenotípicamente salvajes). Estos machos de color salvaje fueron cruzados con hembras amarillas, y se obtuvieron los siguientes resultados: 61

Macho gris 1 x hembra amarilla

hembras amarillas/machos grises

Macho gris 2 x hembra amarilla

½ hembras amarillas/ ½ hembras grises/ ½ machos amarillos/ ½ machos grises.

a. Explique el origen y el comportamiento del cruzamiento del macho gris 1. b. Explique el origen y el comportamiento del cruzamiento del macho gris 2.

31. En el maíz, el alelo Pr codifica el color de semilla verde, mientras que el alelo pr el color de semilla púrpura. Se cruza una planta de maíz pr/pr de cromosomas normales  con una planta Pr/Pr homocigótica para una translocación recíproca entre los  cromosomas 2 y 5. La F1 es semiestéril y de fenotipo Pr (color de la semilla). El  cruzamiento prueba con el parental de cromosomas normales dio como resultado 764 Pr semiestériles, 145 pr semiestériles, 186 Pr normales y 727 pr normales. ¿Cuál es la  distancia entre el locus Pr y el punto de la translocación? 32. Distinga entre síndrome de Klinefelter, Down y Turner. ¿Qué síndrome se encuentra en ambos sexos? 33. Demuestre cómo se podría obtener un alotetraploide entre dos especies relacionadas de plantas diploides, ambas con una dotación cromosómica 2n = 28. 34. En Drosophila los monosómicos y trisómicos para el diminuto cromosoma 4 son viables, pero los nulisómicos y tetrasómicos no lo son. El locus b está situado en este cromosoma. Deduzca las proporciones fenotípicas en la descendencia de los siguientes cruzamientos de trisómicos. a. b+/b/b x b/b b. b+/b+/b x b/b c. b+/b+/b x b+/b

62

35.  Una paciente afectada por el síndrome de Turner presenta también ceguera para los colores (un fenotipo  recesivo ligado al cromosoma  X).  Tanto su  padre como su madre tienen una visión normal. a.   Explique   el   origen   simultáneo   del   síndrome   de   Turner   y   la   ceguera   a   través   del comportamiento anormal de los cromosomas en la meiosis. b. ¿Podría explicar si el comportamiento cromosómico anormal ocurrió en el padre o en la madre?  c. ¿Podría explicar si el comportamiento cromosómico anormal ocurrió en la primera o en la segunda división meiótica?  d. Ahora suponga que un hombre ciego para los colores con síndrome de Klinefelter tiene padres con visión normal, y responda las preguntas a, b y c.

36. ¿Cómo construiría un pentaploide?

b. ¿Cómo construiría un triploide de genotipo A/a/a? c. Acaba de obtener una mutación recesiva a* poco común en una planta diploide que  por análisis mendeliano deducimos que es A/a*. ¿Cómo sintetizaría un tetraploide (4n)  A/A/a*/a*? d. ¿Cómo sintetizaría un tetraploide de genotipo A/a/a/a?

37. Suponga que tiene una línea de ratones que presenta distintas formas citológicas del  cromosoma 4. El extremo del cromosoma puede tener un engrosamiento (denominado  4K), un satélite (denominado 4S) o no presentar ninguna de estas estructuras (4). A  continuación se representan esquemas de los tres tipos: (Fin de página 596) (Principio de página 597) Al realizar un cruzamiento entre una hembra 4K/4S y un macho 4/4, se observa que  aparecen los descendientes 4K/4 y 4S/4 esperados. Sin embargo, ocasionalmente  aparecen algunos individuos raros, como se indica a continuación (todos los otros  63

cromosomas son normales): a. 4K/4K 4  b. 4K/4S/4  c. 4K

Dé una explicación a los fenotipos raros obtenidos. Indique, con tanta precisión como le sea posible, los estudios en los que se basaron, e indique también si los fenómenos  ocurrieron en el parental macho, en el parental hembra o en el cigoto. (Razone  brevemente sus respuestas.)

38. Se realiza un cruzamiento en el tomate entre una planta hembra trisómica para el  cromosoma 6 y una planta diploide normal y homocigótica para un alelo recesivo que  produce hojas tipo patata (p/p). Se realiza un cruzamiento prueba entre una planta  trisómica de la F1 y una planta macho de hojas tipo patata.  a. Si suponemos que p está situado en el cromosoma 6, ¿qué proporción esperaría de  plantas normales y plantas con hojas semejantes a las de la patata? b. Si suponemos que p no está en el cromosoma 6, ¿cuál es la proporción esperada de  plantas normales y plantas con hojas tipo patata?

39. Una genetista que trabaja con el tomate intentó asignar cinco alelos recesivos a  cromosomas concretos utilizando trisómicos. Cada mutante homocigótico (2n) se cruzó  con tres trisómicos para los cromosomas 1, 7 y 10. De estos cruzamientos, se seleccionó la descendencia trisómica (menos vigorosa). Esta descendencia trisómica se retrocruzó  con el homocigoto recesivo adecuado. Se examinó la descendencia diploide de estos  cruzamientos, observándose los siguientes resultados, donde las proporciones  silvestre:mutante fueron 

64

                                                           Mutación

Cromosoma trisómico                     d y c h cot 1 48:55 72:29 56:50 53:54 32:28 7 52:56 52:48 52:51 58:56 81:40 10 45:42 36:33 28:32 96:50 20:17 ¿Qué mutantes pueden asignarse a sus cromosomas respectivos? (Dé una explicación  detallada de su respuesta).

40.  Una petunia es heterocigota para los siguientes homólogos autosómicos: A ∙ B C D E F G H I a ∙ b c d h g f e i  a. Dibuje la configuración del apareamiento que vería en metafase I, e identifique todas las partes de su diagrama. Numere las cromátidas secuencialmente desde el extremo  superior al inferior de la página. b. Se produce un doble entrecruzamiento donde están implicados tres hebras, un  entrecruzamiento entre los loci C y D de las cromátidas 1 y 3, y el segundo  entrecruzamiento entre los loci G y H de las cromátidas 2 y 3. Esquematice los  resultados los sucesos de recombinación tal como se verían en anafase I, e identifique  todas las partes de su diagrama. c. Dibuje el patrón cromosómico que observaría en la anafase II después de los  entrecruzamientos descritos en la parte b.  d. Diga que genotipos de los gametos de esta meiosis producirán descendientes viables.  Suponga que todos los gametos se fecundan con polen que tiene el orden de genes A B  C D E F G H I. 

41. Dos grupos de genetistas, en California y en Chile, inician un trabajo para construir un  mapa de ligamiento de la mosca Mediterránea de la fruta. Ambos han identificado de forma 

65

independiente los loci que determinan el color del cuerpo (B = negro, b = gris) y la forma  del ojo (R = circular, r = estrellado), que están separados 28 u.m. Se intercambiaron la cepas y efectuaron cruces, de los que se obtuvieron los resultados que se muestran a continuación: (Tabla pagina 597 segunda columna) Cruce F1        Progenie de F1 x cualquier b r / b r a. Proponga una hipótesis genética que explique los resultados de los tres cruzamientos  prueba. b. Dibuje los rasgos cromosómicos característicos de la meiosis en la F1 de un cruzamiento  entre las estirpes de California y Chile.

(Fin de página 597) (Principio de página 598) 42. En un cruzamiento prueba, una planta de maíz aberrante da los siguientes valores de  RF: Intervalo d­f f­b b­x x­y y­p Control 5 18 23 12 6 Planta aberrante 5 2 2 0 6 (El orden de los loci es centrómero­d­f­b­x­y­p). La planta aberrante es una planta sana,  pero produce bastantes menos óvulos y polen que la planta control. a. proponga una hipótesis para explicar los valores de recombinación anormal y la fertilidad reducida en la planta aberrante. b. Emplee diagramas para explicar el origen de los recombinantes de acuerdo a su hipótesis.

43. Los siguientes loci de maíz se encuentran en un brazo del cromosoma 9 en el orden que  se indica a continuación (las distancias entre ellos se muestran en unidades de mapa): c——bz—wx——sh——d——centrómero 12 8 10 20 10 C da lugar a aleurona coloreada; c a aleurona blanca.

66

Bz da lugar a hojas verdes; bz a hojas de color bronce. Wx da lugar a semillas almidonadas; wx a semillas cerosas. Sh da lugar a semillas lisas; sh a semillas rugosas. D da lugar a plantas altas; d a plantas enanas. Una planta de una estirpe homocigótica para los cinco alelos recesivos se cruza con otra  planta silvestre procedente de México que es homocigótica para los cinco alelos  dominantes. Los individuos de la generación F1 expresan todos los alelos dominantes, y  cuando se realiza un cruzamiento prueba con el parental recesivo, encontramos en la  descendencia los siguientes fenotipos: Coloreada, verde, almidonadas, lisa, alta 360 Blanca, bronce, cerosas, rugosa, enana 355 Coloreada, bronce, cerosas, rugosa, enana 40 Blanca, verde, almidonadas, lisa, alta 46 Coloreada, verde, almidonadas, lisa, enana 85 Blanca, bronce, cerosas, rugosa, alta 84 Coloreada, bronce, cerosas, rugosa, alta 8 Blanca, verde, almidonadas, lisa, enana 9 Coloreada, verde, cerosas, lisa, alta 7 Blanca, bronce, almidonadas, rugosa, enana 6 Proponga una hipótesis que explique los resultados. Incluya los siguientes datos: a. una exposición general de su hipótesis, dibujando diagramas si es necesario. b. el por qué aparecen 10 clases fenotípicas. c. una explicación del origen de cada clase, incluyendo su frecuencia. d. una forma, al menos, de comprobar su hipótesis.

44. Plantas del maíz cromosómicamente normales presentan un locus p en el cromosoma 1  y un locus s en el cromosoma 5. P da lugar a hojas de color verde oscuro; p, verde claro. S produce espigas grandes; s, espigas pequeñas.

67

Una planta original de genotipo P/p; S/s muestra el fenotipo esperado (hojas de color verde  oscuras y mazorcas grandes), pero da resultados inesperados en los cruzamientos que se  detallan a continuación: 

Cuando se autofecunda, la fertilidad es normal, pero la frecuencia del tipo p/p ; s/s  es 1/4 (en lugar del 1/16 esperado).



Cuando se hace un cruzamiento prueba con una planta normal de genotipo p/p ; s/s,  la generación F1 resultante es 1/2 P/p ; S/s y 1/2 p/p ; s/s, siendo la fertilidad normal.



Cuando se lleva a cabo el cruzamiento entre una planta P/p ; S/s de la F1 y una  planta normal p/p ; s/s, se produce semiesterilidad, pero la descendencia sigue  siendo 1/2 P/p ; S/s y 1/2 p/p ; s/s.

Explique estos resultados, mostrando los genotipos completos de la planta original, de la  utilizada en los cruzamientos prueba y de las plantas F 1. ¿Cómo comprobaría su hipótesis?

45. Una rata macho, que es fenotípicamente normal, presenta determinadas anomalías  reproductivas cuando se compara con machos normales, tal como se muestra en la tabla de  abajo. Proponga una explicación genética a estos resultados inusuales, e indique cómo  podría comprobarse su idea. (Tabla página 598 sección inferior) Embriones (número promedio) Cruzamiento Implantados en la pared uterina Degenerados luego de la implantación  Normales  Degeneración (%) Macho excepcional x hembra normal  8.7 5.0 3.7 57.5 Macho normal x hembra normal  9.5 0.6 8.9 6.5

(Fin de página 598) (Principio de página 599) 46. Una genetista investigadora del tomate centra sus estudios en Fr, un alelo mutante  dominante que provoca la maduración rápida del fruto. Decide encontrar qué cromosoma  contiene este gen utilizando un número de líneas que son trisómicas para un único 

68

cromosoma. Para ello, cruza un mutante diploide homocigótico con cada una de las líneas  trisómicas silvestres. a. Se cruza una planta F1 trisómica con una planta diploide silvestre. ¿Cuál es la proporción  de plantas de maduración rápida y lenta en la descendencia diploide de este segundo cruce  si Fr está en el cromosoma trisómico? Utilice diagramas para explicarlo. b. ¿Cuál es la proporción de plantas de maduración rápida y lenta en la descendencia  diploide de este segundo cruce si Fr no está en el cromosoma trisómico? Utilice diagramas  para explicarlo. c. A continuación, se detallan los resultados de los cruzamientos. ¿En qué cromosoma está  Fr y por qué? 

Cromosoma triploide         maduración rápida : maduración lenta en la progenie diploide 1 45:47 2 33:34 3 55:52 4 26:30 5 31:32 6 37:41 7 44:79 8 49:53 9 34:34 10 37:39

PROBLEMAS PARA PENSAR

47. En Neurospora, el locus un­3 está situado cerca del centrómero del cromosoma 1,  y los  entrecruzamientos entre un­3 y el centrómero son muy raros. El locus ad­3 está al otro lado 

69

del centrómero del mismo cromosoma, y los entrecruzamientos entre ad­3 y el centrómero  ocurren en el 20% de las meiosis (no ocurren múltiples entrecruzamientos). a. En un cruzamiento normal de un­3 ad­3 x salvaje ¿cuál es su predicción sobre los tipos  de ascas lineales que se producen y sus frecuencias respectivas (ver Capítulo 4)?  (Especifique los genotipos de las ascosporas en las ascas) b. La mayoría de las veces estos cruzamientos se comportan como se esperaría, pero en una  ocasión se cruzó una cepa normal un3 ad3 con una cepa silvestre procedente de un campo  de caña de azúcar de Hawai. Los resultados fueron los siguientes: un­3 ad­3                un­3 ad­3           un­3 ad­3                un­3 ad­3 un­3 ad­3                abortivas un­3 ad­3                abortivas un­3+ ad­3+          abortivas un­3+ ad­3+          abortivas un­3+ ad­3+          un­3+ ad­3+ un­3+ ad­3+          un­3+ ad­3+ (y su versión superior­inferior)  (y el otro orden de pares de esporas) 80%                       20%

Busque una explicación a estos resultados y comente cómo podría probarla. (Nota: En  Neurospora, las ascosporas com material cromosómico extra sobreviven y son de color  negro normal, mientras que las ascosporas que han perdido alguna región cromosómica son  blancas e inviables).

48. Dos mutaciones en Neurospora, ad­3 y pan­2, se localizan en los cromosomas 1 y 6,  respectivamente. En el laboratorio, se aísla una cepa ad­3 inusual que muestra los  resultados de la siguiente Tabla.                                                           Aspecto de ascospora                    RF entre ad­3 y pan­2

70

1. ad­3 normal pan­2 × normal              Todas negras                                                 50% 2. ad­3 anormal × pan­2 normal      Alrededor de 1 /2  negras y                                     1%                                                                                              1/ 2

 blancas (inviables)    

3. De las ascosporas negras del cruzamiento 2, alrededor de la mitad fueron completamente  normales, mientras que en la otra mitad se repetía el comportamiento anormal de la cepa  ad­3 original.

Explique los resultados obtenidos con la ayuda de esquemas claros. (Nota: En Neurospora,  las ascosporas con material cromosómico extra sobreviven y son de color negro normal,  mientras que las ascosporas que han perdido alguna región cromosómica son blancas e  inviables).

49. Deduzca las proporciones fenotípicas en la progenie de los siguientes cruzamientos de  autotetraploides en los cuales el locus a+/a está muy cerca del centrómero. (Suponga que  los cuatro cromosomas homólogos de un tipo se aparean al azar formando bivalentes y que  sólo la copia del alelo a+ es necesaria para obtener el fenotipo salvaje). a. a+/a+/a/a x a/a/a/a b. a+/a/a/a x a/a/a/a c. a+/a/a/a x a+/a/a/a d. a+/a+/a/a x a+/a/a/a

50. La especie de algodón del Nuevo Mundo Gossypium hirsutum tiene un número 

cromosómico 2n de 52. Las especies del Viejo Mundo G. thurberi y G. herbaceum  tienen cada una un número 2n de 26. Los híbridos entre estas especies muestran las  siguientes configuraciones durante el emparejamiento meiótico: Híbrido                                          Configuración de los emparejamientos G. hirsutum                                    13 bivalentes pequeños

71

x G. thurberi                                  + 13 univalentes largos

G. hirsutum                                    13 univalentes largos  x G. herbaceum                           + 13 bivalentes largos

G. thurberi                                   13 univalentes largos  x G. herbaceum                           + 13 univalentes pequeños

Dibuje diagramas que permitan interpretar filogenéticamente estas observaciones,  indicando claramente la relación entre las especies. ¿Cómo demostraría que su  interpretación es correcta? (El problema 50 esta adaptado de A. M. Srb, R. D. Owen y  R. S. Edgar, General Genetics, 2nd. Ed. de W. H. Freeman and Company, 1965).

51. Existen seis especies principales del género Brassica: B. carinata, B. campestris, B.  nigra, B. oleracea, B. juncea y B. napus. Las relaciones entre las seis especies pueden  deducirse a partir de la siguiente tabla: Especies o Híbridos F1     Nº cromosómico      Nº de bivalentes   Nº de univalentes B. juncea                                 36                        18                          0 B. carinata                             34                         17                          0 B. napus                                 38                          19                         0 B. juncea x B. nigra               26                           8                         10 B. napus x B. campestris         29                        10                         9 B. carinata x B. oleracea        26                          9                         8 B. juncea x B. oleracea           27                         0                         27  B. carinata x B. campestres    27                        0                         27 B. napus x B. nigra                  27                        0                         27

a. Deduzca el número de cromosomas de B. campestris, B. nigra y B. oleracea. 72

b. Indique claramente cualquier relación evolutiva entre las seis especies que pueda  deducir en el nivel cromosómico.

52. En la especie humana existen varios tipos de mosaicos sexuales bien documentados. Aporte sugerencias sobre cómo podrían haberse producido los siguientes ejemplos: a. XX/XO (es decir, hay dos tipos celulares en el cuerpo, XX y XO). b. XX/XXYY  c. XO/XXX d. XX/XY  e. XO/XX/XXX

53. En Drosophila, se realizó un cruzamiento entre dos moscas mutantes, una es  homocigótica para el alelo recesivo alas curvadas (b del inglés, bent) y la otra es  homocigótica para el alelo recesivo del mutante eyeless (e, sin ojos). Las mutaciones e y b son alelos de dos genes diferentes que se encuentran muy estrechamente ligados al  diminuto cromosoma 4 autosómico. Toda la progenie presentó el fenotipo salvaje. Se  cruzó una hembra de la progenie con un macho de genotipo b e/b e. Llamaremos a este  cruzamiento cruce 2.  La mayor parte de los descendientes del cruce 2 fueron de los  tipos esperados, pero hubo una hembra rara de fenotipo salvaje. a. Explique cómo es la progenie esperada del cruce 2. b. Si considera la hembra salvaje rara, ¿podría haber surgido por 1) entrecruzamiento o  por 2) no­disyunción? Explique la respuesta. c. La hembra rara salvaje se empleó en un cruzamiento prueba con un macho de  genotipo b e/b e (cruce 3). La progenie fue la siguiente: 1/6 salvaje 1/6 ala curvada, sin ojos 1/3 ala curvada

73

1/3 sin ojos ¿Cuál de las dos explicaciones de la pregunta b es compatible con este resultado?  Explique los genotipos y fenotipos de la progenie del cruce 3 y sus proporciones.

Problema 53 paso a paso 1­ Defina homocigoto, mutación, alelo, estrechamente ligado, recesivo, salvaje,  entrecruzamiento, no­disyunción, cruzamiento prueba, fenotipo y genotipo. 2­ ¿Este problema está relacionado con el ligamiento al sexo? Explique. 3­ ¿Cuántos cromosomas tiene Drosophila? 4­ Esquematice claramente un pedigrí que resuma los resultados de los cruces 1, 2 y 3. 5­ Esquematice los gametos producidos por ambos padres del cruce 1. 6­ Esquematice la constitución del cromosoma 4 en la progenie del cruce 1. 7­ ¿Le resulta sorprendente que la progenie del cruce 1 sea completamente de fenotipo  salvaje? ¿Qué le dice este resultado? 8­ Esquematice la constitución del cromosoma 4 del macho control empleado en el  cruce 2 y los gametos que puede producir este macho. 9­ Teniendo en cuenta el cromosoma 4, ¿qué gametos puede producir la hembra  parental del cruce 2 en ausencia de no­disyunción? ¿Cuál sería común y cuál raro? 10­ Esquematice la no­disyunción en primera y segunda división meiótica de la hembra  parental del cruce 2, así como los gametos resultantes. 11­ ¿Hay algún gameto de la pregunta 10 que sea aneuploide? 12­ ¿Podría esperar gametos aneuploides que dieran origen a una progenie viable?  ¿Podría ser la progenie nulisómica, monosómica, disómicas o trisómicas? 13­ ¿Qué fenotipos de la progenie podrían producir los distintos gametos considerados  en las preguntas 9 y 10? 14­ Considere la proporción fenotípica de la progenie del cruce 3. Muchas proporciones  genéticas están expresadas en mitades y cuartos, pero esta proporción está expresada en  tercios y sextos. ¿Qué es lo que podría significar esta proporción?

74

15­ ¿Podría tener algún significado el hecho que los cruces se siguen a través de genes  que se encuentran en un cromosoma muy pequeño? ¿Cuándo el tamaño cromosómico es relevante en genética? 16­ Esquematice la progenie esperada del cruce 3 bajo las dos hipótesis, y proponga una idea de las proporciones relativas.

54. En el hongo Ascobolus (similar a Neurospora), las ascosporas son normalmente  negras. La mutación f, que produce ascosporas color marrón claro (del inglés, fawn),  está en un gen justo a la derecha del centrómero del cromosoma 6, mientras que la  mutación b, que produce ascosporas color beige, está justo a la izquierda del mismo  centrómero. En un cruzamiento de parentales marrón claro y beige (+f  x +b), la  mayoría de las octadas mostró cuatro ascosporas marrones claras y cuatro color beige,  como se muestra en la siguiente ilustración. En el esquema, los círculos de color negro  representan el fenotipo salvaje; el fenotipo marrón se representa con una línea vertical;  con una línea horizontal se representa al fenotipo beige; y con un círculo vacío se  representan las ascosporas abortivas o muertas. a. Dé una explicación razonable para estas tres octadas excepcionales.  b. Esquematice la meiosis que dio origen a la octada 2.

55. El ciclo de vida de Ascobolus es similar al de Neurospora. Un tratamiento  mutagénico produjo dos líneas mutantes, 1 y 2, las cuales al ser cruzadas con el fenotipo salvaje produjeron tetradas desordenadas, del siguiente tipo (fawn es un color marrón  claro, y normalmente los cruzamientos producen ascosporas de color negro): Par de esporas 1 negro Par de esporas 2 negro Par de esporas 3 fawn Par de esporas 4 fawn a. ¿Qué le sugiere este resultado? Explique. 75

Las dos líneas mutantes fueron cruzadas. La mayoría de las tetradas desordenadas  fueron de los siguientes tipos: Par de esporas 1 fawn Par de esporas 2 fawn Par de esporas 3 fawn Par de esporas 4 fawn b. ¿Qué le sugiere este resultado? Explique su respuesta.

Cuando se observó un gran número de tetradas desordenadas bajo el microscopio, se  hallaron algunas raras que contenían esporas negras. Las cuatro clases se muestran en la siguiente tabla                                Clase A         Clase B              Clase C              Clase D Par de esporas 1      negras           negras                 negras               negras Par de esporas 2      negras           fawn                    negras              abortivas Par de esporas 3      fawn              fawn                    abortivas         fawn Par de esporas 4      fawn              fawn                    abortivas         fawn

(Nota: Las ascosporas con material cromosómico extra sobreviven, pero aquellas que  contienen menos que un genoma haploide son abortivas) c. Proponga una explicación genética razonable para cada uno de estos cuatro  casos raros. d. ¿Piensa que las mutaciones en las dos líneas mutantes originales se produjeron  en un único gen? Explique su respuesta.

76

Figuras: Pie de Figura, pág. 555: Translocación recíproca demostrada por la técnica denominada pintado cromosómico. Una suspensión de cromosomas obtenidos a partir de muchas células se pasan a través de un dispositivo electrónico que separa los cromosomas por tamaño. Se extrae el DNA de los cromosomas individuales, se desnaturaliza, se une a un colorante fluorescente, y se añade a una placa con cromosomas parcialmente desnaturalizados. El DNA fluorescente “encuentra” su propio cromosoma y se une a él por complementariedad de bases, “pintándolo”. En este ejemplo, se ha utilizado un colorante rojo y otro verde para pintar diferentes cromosomas. La Figura superior muestra cromosomas con bandeo G y la Figura inferior muestra cromosomas pintados. La preparación con cromosomas pintados muestra un cromosoma normal verde, un cromosoma normal rojo, y dos que tienen segmentos intercambiados. [Addenbrookes Hospital/Photo Researches.] Pág. 556 Niño con síndrome de Down FIGURA 16-1 El síndrome de Down es el resultado de tener una copia extra del cromosoma 21. [Bob Daemmrich/The Image works] FIGURA 16-2 La ilustración está dividida en tres regiones coloreadas para resaltar los tipos principales de mutaciones cromosómicas que pueden ocurrir: la pérdida, la ganancia o la relocalización de cromosomas enteros o de segmentos cromosómicos. El cromosoma salvaje se muestra en el centro de la Figura. Tipos de mutaciones cromosómicas 1: Relocalización de material genético 2: Translocación 3. Segmento de otro cromosoma 4. Inversión 5. Deleción 6. Secuencia salvaje 7. Duplicación 8. Pérdida de material génico 9. Pérdida de cromosomas 10. Cromosomas extras 11. Ganancia de material génico. Página 558 El nivel de ploidía mayor produce un mayor tamaño FIGURA 16-3 Células epidérmicas de la hoja de la planta del tabaco con un aumento del nivel de ploidía. El tamaño celular incrementa con el incremento en el nivel de ploidía, y es particularmente evidente en el tamaño del estoma. (a) Diploide; (b) Tetraploide; (c) Octoploide. [Tomado de W. Williams, Genetics priciples and Plant Breeding. Blackwell scientific Publications, Ldt., 1964] 1. Estoma 2. 2n 3. (a) 77

4. 5. 6. 7.

4n (b) 8n (c)

Página 559 Apareamiento meiótico en triploides FIGURA 16-4 En la meiosis, los tres cromosomas homólogos de un triploide pueden emparejarse de dos maneras, como un trivalente o como un bivalente más un univalente. 1. Posibilidades de emparejamiento 2. Trivalente 3. o 4. Bivalente 5. Univalente La colchicina induce poliploidía FIGURA 16-5 La colchicina puede aplicarse para generar un tetraploide a partir de un diploide. La colchicina añadida a células mitóticas durante la metafase y la anafase interrumpe la formación de las fibras del huso acromático, previniendo la migración de las cromátidas una vez que el centrómero se ha dividido. Una sola célula contiene pares de cromosomas idénticos que son homocigóticos para todos los loci. 1. Mitosis en un diplode, 2n = 4 2. Normal 3. Con colchicina 4. Dos células diploides 5. Una célula tetraploide, 4n = 8 Página 560 Emparejamiento cromosómico en un autotetraploide FIGURA 16-6 En la meiosis de un tetraploide, hay tres posibilidades diferentes de emparejamiento. Los cuatro cromosomas homólogos pueden emparejarse formando dos bivalentes o formando un cuadrivalente, y cada uno puede producir gametos funcionales. Una tercera posibilidad, es un trivalente más un univalente, que produce gametos que no son funcionales. 1. Posibilidades de emparejamiento 2. Dos bivalentes 3. Un cuadrivalente 4. Univalente + trivalente Página 561 Orígen del anfiploide Raphanobrassica FIGURA 16-7 En la progenie de un cruzamiento entre un repollo (Brassica) y un rábano (Raphanus), el anfiploide fértil surge de una duplicación espontánea en el híbrido estéril 2n = 18. [Tomado de A.M. Srb, R.D. Owen, and R.S. Edgar, General Genetics, 2d ed. Copyright 1965 by W.H. freeman and Company. After G. Karpechenko, Z. Indukt. Abst. Vereb. 48, 1928, 27.]

78

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

n=9 Gametos n=9 Raphanus 2n = 18 Duplicación espontánea Parentales Brassica 2n = 18 Híbrido F1 estéril n+n=9+9 2n = 18 10. Raphanobrassica 11. Anfiploide fértil 2n + 2n = 18 + 18 4n = 36 Página 562 Origen de tres especies alopoliploides de Brassica FIGURA 16-8 La alopoliploidía es importante en la producción de nuevas especies. En el ejemplo se observan tres especies diploides de Brassica (cajas azules) que fueron cruzadas en diferentes combinaciones para producir sus alopoliploides (cajas rosas). En las cajas se muestran algunos derivados agronómicos de estas especies. 1. B. oleracea, 2n = 18 Repollo Coliflor Brócoli Col Colza Coles de Bruselas 2. n = 9 3. n = 9 4. B. carinata, 2n = 34 Mostaza de Abisinia 5. B. napus Colinabo Aciete de colza 6. n = 8 7. B. nigra 2n = 16 Mostaza negra 8. n = 8 9. B. juncea, 2n = 36 Mostaza de hoja 10. n = 10 11. B. campestris, 2n = 20

79

Nabo Colza de Nabo Página 263 Origen propuesto del trigo común por anfiploidía ancestral FIGURA 16-9 Los anfiploides surgen en dos puntos a lo largo de la historia evolutiva del trigo hexaploide moderno. A, B y D son diferentes complementos cromosómicos. 1. Cultivado como trigo Einkorn AA 2. Trigo diploide salvaje T. monococcum AA 3. Trigo diploide salvaje posiblemente T. searsii BB 4. AB 5. (x2) 6. Trigo tetraploide salvaje T. turgidum AA BB 7. Trigo diploide salvaje T. tauschii DD 8. Cultivado hace 10 000 años como Trigo Emmer AA BB 9. A B D 10. (x2; ~ 8 000 años atrás) 11. Trigo hexaploide T. aestivum AA BB DD Página 564 Las plantas monoploides pueden generarse por cultivo de tejidos. FIGURA 16-10 Las plantas monoploides pueden crearse artificialmente a partir de células destinadas a transformarse en granos de polen, exponiéndolas a un tratamiento de frío en cultivos tisulares. 1. Anteras 2. Planta diploide 3. Células de polen inmaduro en cultivo 4. Crecimiento de embrioides monoploides 5. Plántula monoploide 6. Planta monoploide. Las uvas tetraploides son más grandes que las uvas diploides. FIGURA 16-11 Uvas diploides (izquierda) y uvas tetraploides (derecha). [Copyright Leonard Lessin/Peter Arnold Inc.] Página 566 La no disyunción meiótica genera productos aneuploides FIGURA 16-12 Los productos aneuploides de la meiosis (los gametos) se producen por no-disyunción de la primera a la segunda división meiótica. Tenga en cuenta que todos los otros cromosomas presentan el número normal, incluyendo las células en las que no se muestra ningún cromosoma. 1. No-disyunción en la primera división 2. Segunda división 3. n + 1 4. n + 1 5. n - 1

80

6. n - 1 7. Primera división 8. No-disyunción en la segunda división 9. n + 1 10. n - 1 11. n 12. n Página 267 Características del síndrome de Turner (XO) FIGURA 16-13 El síndrome de Turner resulta de la presencia de un único cromosoma X (XO) [Tomado de F. Vogel y A.G. Motulsky, Human genetics. Springer-Verlag, 1982] 1. Baja estatura 2. Línea del cabello corto 3. Tórax con forma de escudo 4. Pezones ampliamente espaciados 5. IV metacarpiano acortado 6. Uñas pequeñas 7. Manchas marrones (nevi) 8. Rasgos faciales característicos 9. Pliegue de la piel 10. Constricción de la aorta 11. Pobre desarrollo de los pechos 12. Deformidad del codo 13. Ovarios rudimentarios Raya gonadal (estructuras gonadales subdesarrolladas) 14. Sin menstruación Productos meióticos de un trisómico FIGURA 16-14 Tres segregaciones igualmente probables pueden tener lugar en la meiosis de un trisómico A/a/a, produciendo los genotipos que se muestran. 1. Un polo 2. Otro polo Página 268 Características del síndrome de Klinefelter (XXY) FIGURA 16-15 El síndrome de Klinefelter resulta de la presencia de dos cromosomas X y un cromosoma Y. [Tomado de F. Vogel y A.G. Motulsky, Human genetics. SpringerVerlag, 1982.] 1. Estatura alta 2. Físico levemente feminizado 3. CI moderadamente afectado (15 puntos menos del promedio) 4. Tendencia a perder el vello torácico 5. Patrón de vello púbico tipo femenino 6. Calvicie frontal ausente 7. Pobre crecimiento de la barba 8. Desarrollo de pechos (en el 30% de los casos) 9. Osteoporosis

81

10. Testículos pequeños Página 569 Características del síndrome de Down (trisomía 21) FIGURA 16-16 El síndrome de Down resulta de la presencia de una copia extra del cromosoma 21. [Tomado de F. Vogel y A.G. Motulsky, Human genetics. Springer-Verlag, 1982] 1. Fallo del crecimiento Retardo mental 2. Forma plana del lado posterior de la cabeza 3. Orejas anormales 4. Muchos “bucles” en las huellas dactilares 5. Pliegue de la palma 6. Patrones especiales de las líneas de la mano 7. Ausencia unilateral o bilateral de una costilla 8. Bloqueo intestinal 9. Hernia umbilical 10. Pelvis anormal 11. Tono muscular disminuido 12. Cara ancha y plana, Ojos inclinados, Pliegue epicántico del ojo, Nariz corta 13. Manos cortas y anchas 14. Paladar pequeño y arqueado, Lengua grande y rugosa, Anomalías dentales 15. Enfermedad congénita del corazón 16. Dedos de los pies ampliamente espaciados Efecto de la edad materna en el síndrome de Down FIGURA 16-17 Las madres de edad avanzada tienen una mayor proporción de hijos con síndrome de Down que las madres más jóvenes. [Tomado de L.S. penrose y G.F. Smith, Down’s Anomaly. Little, Brown and Company, 1966.] 1. Edad de la madre (años) 2. Incidencia de síndrome de Down por número de nacimientos Página 570 Los trisómicos de Datura FIGURA 16-18 Cada uno de los 12 posibles trisómicos de Datura presentan desproporciones de formas distintas. (a) Fruto de Datura. (b) Cada dibujo es de un fruto trisómico diferente. Se ha nombrado cada uno de ellos. [(a) Dr. G.W.M. Barendse/Nijimen University Botanical Garden; (b) Tomado de E.W. Sinnott, L.C. Dunn, y T. Dobzhansky, Principles of Genetics, 5th ed. McGraw-Hill Book Company, 1958] Página 573 Origen de las reordenaciones cromosómicas FIGURA 16-19 Cada uno de los cuatros tipos de reordenaciones cromosómicas pueden producirse por cualquiera de dos mecanismos básicos: ruptura cromosómica y reunión o entrecruzamiento entre DNA repetitivo. Las regiones cromosómicas están numeradas del 1 al 10. Los cromosomas homólogos tienen el mismo color. 1. Ruptura y reunión

82

2. Entrecruzamiento entre DNA repetitivo 3. Deleción 4. Deleción y duplicación 5. Inversión 6. Translocación 7. Pérdida 8. Pérdida 9. Ruptura cromosómica 10. Reunión de los extremos rotos 11. Segmentos de DNA repetitivo 12. Entrecruzamiento Página 575 Bucle de deleción en Drosophila FIGURA 16-20 En la meiosis, los cromosomas de un heterocigoto para una deleción adquieren una configuración en forma de bucle. (a) En el aperamiento meiótico, el homólogo normal forma un bucle. Los genes de este bucle no tienen alelos para hacer sinapsis. (b) Debido a que los cromosomas politénicos de Drosophila (descubiertos en glándulas salivares y otras localizaciones específicas) tienen un patrón de bandas específico, se puede inferir cuál es la banda que se ha perdido en el homólogo delecionado observando las bandas que aparecen en el bucle del homólogo normal. [(b) Tomado de William M. Gelbart] 1. (a) Cromosomas meióticos 2. (b) Cromosomas politénicos Página 576 Cartografía de alelos mutantes por pseudodominancia FIGURA 16-21 Una cepa de Drosophila heterocigótica para una deleción y con cromosomas normales puede emplearse para cartografiar alelos mutantes. Las barras rojas muestran la longitud del segmento delecionado en 13 deleciones. Todos los alelos recesivos que se encuentran en la región delecionada se expresarán. 1. Mapa de ligamiento (u.m.) 2. Región de cromosoma politénico 3. Extensión de las 13 deleciones Página 577 Deleción que causa el síndrome del cri du chat FIGURA 16-22 El síndrome cri du chat está causado por la pérdida del extremo del brazo corto de uno de los homólogos del cromosoma 5. 1. Deleción 2. 5 normal 3. 5 delecionado Origen probable de la deleción del síndrome de Williams FIGURA 16-23

83

Un entrecruzamiento entre las copias del gen PMS que se encuentran en los extremos opuestos de un segmento de 17 genes, da lugar a dos reordenaciones cromosómicas, una de las cuales corresponde a la deleción del síndrome de Williams. 1. Secuencia normal 2. PMS 3. PMS 4. 17 genes 5. Entrecruzamiento desigual 6. PMS 7. PMS 8. PMS 9. PMS 10. Deleción del síndrome de Williams 11. PMS 12. más 13. Duplicación. Página 579 Mapa de duplicaciones segmentales en el genoma humano FIGURA 16-24 El mapa de los cromosomas humanos 1, 2, y 3 muestra la posición de las duplicaciones mayores de 10 kilobases. Las líneas azules muestran las duplicaciones intracromosómicas (la gran mayoría). Las duplicaciones intercromosómicas se muestran con barras rojas. Las letras A y B indican puntos calientes (hotspots), donde la recombinación de las duplicaciones ha dado origen a desórdenes genéticos. [Tomado de J. A. Bailey et al., “Recent segmental duplication in the Human Genome”, Science 297, 2002, 1003-1007] Las duplicaciones surgieron en el genoma de Saccharomyces por poliploidía ancestral FIGURA 16-25 Un ancestro común similar a la actual levadura Kluyveromyces duplicó su genoma (1). Algunos genes se perdieron (2). Genes duplicados como el 3 y el 13 están en el mismo orden relativo. En el panel inferior se comparan los dos genomas modernos. [Tomado de la Figura 1, Manolis Kellis, Bruce W. Birren, y Eric S. Lander, “Proof and evolutionary Analysis of Ancient Genome duplication in the yeast Saccharomyces cerevisiae”, Nature, vol 428, April 8, 2004, copyright Nature Publishing Group] 1. Ancestro común 2. Linaje de Saccharomyces 3. Linaje de Kluyveromyces 4. 1. El genoma duplicado 5. 2. Algunos genes se perdieron 6. Una comparación de dos genomas de levaduras 7. S. cereviciae copia 1 8. K. waltii 9. S. cereviciae copia 2 Página 580

84

Las inversiones pueden causar diversos cambios estructurales en el DNA FIGURA 16-26 Una inversión puede no tener ningún efecto sobre los genes, o puede interrumpirlos, o puede fusionar partes de dos genes, dependiendo de la localización del punto de rotura. Los genes están representados por A, B, C y D. La hebra molde está en verde oscuro, la hebra alterada en verde claro; la línea zigzag roja indica el lugar donde la rotura produjo la fusión génica (A con D), después de la inversión y la reunión. La letra P simboliza el promotor; y las flechas indican la posición de los puntos de rotura. 1. Puntos de rotura entre genes Secuencia normal 2. Roturas en el DNA 3. Alineamiento invertido 4. Reunión de los extremos para completar la inversión 5. Una rotura entre genes 6. Una rotura dentro del gen C (C interrumpido) 7. Rotura en los genes A y D 8. Creación de fusión génica 9. 10. 11. Inversión Página 581 Bucles de inversión en la meiosis FIGURA 16-27 Los cromosomas de los heterocigotos para una inversión se emparejan formando un bucle en la meiosis. (a) Representación esquemática. (b) Micrografía electrónica de los complejos sinaptonémicos en profase I de la meiosis de un ratón heterocigótico para una inversión paracéntrica. Se muestran tres meiocitos diferentes. [(b) Tomado de M.J.Moses, Department of Anatomy, Duke Medical Center] 1. Normal 2. Inversión 3. Bucle de inversión 4. WWW.animated art Reordenaciones cromosómicas: formación de inversiones paracéntricas. Página 582 Las inversiones paracéntricas pueden dar productos con deleciones FIGURA 16-28 Un entrecruzamiento en el bucle de inversión de un heterocigoto para una inversión paracéntrica da origen a cromosomas que contienen deleciones. 1. Heterocigoto para una inversión paracéntrica 2. Emparejamiento 3. Entrecruzamiento en el bucle 4. Segregación 5. Fragmento acéntrico (pérdida) 6. Puente dicéntrico que se rompe al azar 7. Producto normal 8. Producto con deleción 9. Producto con deleción 10. Producto con inversión

85

11. WWW.animated art Reordenaciones cromosómicas: comportamiento meiótico de las inversiones paracéntricas. Página 583 Las inversiones pericéntricas pueden originar productos de duplicación y deleción. FIGURA 16-29 Un entrecruzamiento dentro del bucle de una inversión pericéntrica de un heterocigoto da origen a cromosomas que contienen duplicaciones y deleciones. 1. Heterocigoto para una inversión pericéntrica 2. Emparejamiento 3. Entrecruzamiento en el bucle 4. Segregación 5. Final de la meiosis I 6. Final de la meiosis II 7. Producto normal 8. Duplicación del brazo A Deleción del brazo D 9. Duplicación del brazo D Deleción del brazo A 11. Producto con inversión Página 584 Los dos principales patrones de segregación cromosómica en un heterocigoto para una translocación recíproca. FIGURA 16-30 Los cromosomas segregantes de un heterocigoto para una translocación recíproca adquieren una configuración de los emparejamientos en forma de cruz. Los dos patrones más comunes de segregación son el “adyacente-1”, a menudo inviable, y el viable “alternante”. N1 y N2 son los cromosomas no homólogos normales; T1 y T2 son los cromosomas translocados. Arriba y abajo designa los polos opuestos a los que migran los homólogos en la anafase I. 1. Heterocigoto para una translocación 2. Posición original de los segmentos translocados 3. N1 4. N2 5. Normal 6. Translocados 7. T1 8. T2 9. Configuración del emparejamiento 10. T1 11. N2 12. N1 13. T2 14. Dos tipos de segregación: Adyacente-1 Productos finales de la meiosis Arriba T1+N2 Duplicación del segmento translocado púrpura, y deleción de naranja A menudo inviable Alternante

86

Arriba T1+T2 Genotipo de translocación Abajo N1+N2 Normal www.animated art

Ambos completos y viables

Reordenaciones cromosómicas: translocaciones recíprocas

Polen normal y abortivo de un heterocigoto para una translocación FIGURA 16-31 Polen de una planta semiestéril del maíz. Los granos de polen claros contienen los productos meióticos cromosómicamente desequilibrados de un heterocigoto para una translocación recíproca. Los granos de polen opacos, que contienen cromosomas translocados o normales, son funcionales en la fecundación y el desarrollo. [William Sheridan.] Página 585 Pseudoligamiento de genes en un heterocigoto para una translocación FIGURA 16-32 Cuando un fragmento translocado lleva un gen marcador, éste puede mostrarse ligado a genes que se localizan en el otro cromosoma. 1. Heterocigoto para la translocación Secuencia normal de prueba 2. Progenie viable 3. Fenotipo a+ b+ Fenotipo ab www.animated art Reordenaciones cromosómicas: pseudoligamiento de genes Síndrome de Down en la progenie de un heterocigoto para una translocación FIGURA 16-33 En una pequeña minoría de casos, el origen del síndrome de Down es un heterocigoto parental para una translocación robertsoniana que involucra al cromosoma 21. La segregación meiótica da lugar a algunos gametos que llevan un cromosoma con un segmento adicional del cromosoma 21. En combinación con el cromosoma 21 normal procedente del gameto del sexo opuesto, los síntomas del síndrome de Down se producen a pesar de que no haya una trisomía completa del par 21. Progenitor normal Portador de la translocación robertsoniana Apareamiento meiótico 21 21 Rotura 14 14 Pérdida Gametos del portador de la translocación Gametos del parental sano Síndrome de Down Portador de la translocación Normal Letal Página 586 La variegación puede resultar de la proximidad inusual de un gen a la heterocromatina en un heterocigoto para una translocación. FIGURA 16-34 (a) la translocación de w+ a una posición cercana a la heterocromatina hace que la función w+ falle en algunas células, lo que produce el efecto de posición denominado variegado. (b) Ojo de Drosophila que muestra el efecto de posición variegado. [(b) Tomado de Randy Mottus.]

87

=eucromatina =heterocromatina Cromosomas normales Cromosomas translocados w+ y w- cambian sus posiciones por entrecruzamiento w+ cerca de la heterocromatina y por lo tanto no se expresa en algunas células w+ lejos de la heterocromatina y por lo tanto se expresa en todas las células Variegación Fenotipo salvaje Página 587 Cáncer por translocación somática FIGURA 16-35 Las dos maneras principales en las que una translocación puede causar cáncer en una célula corporal (somática) se ilustran para los cánceres del Linfoma de Burkitt (a) y la leucemia mieloide crónica (b). Los genes MYC, BCR1 y ABL son protooncogenes. (a) Relocalización de un oncogén a un sitio próximo a un nuevo elemento regulador: Linfoma de Burkitt. Reg MYC MYC Cr. 8 Punto de rotura de la translocación RegIG IG Cr. 14 Translocación RegIG MYC (b) Formación de un oncogén híbrido: Leucemia mieloide crónica ABL Cr. 9 Punto de rotura de la translocación Cr.22 BCR1 Oncogén híbrido Translocación Página 588 Detección de reordenaciones por sus señales de hibridación alteradas FIGURA 16-36 Para detectar reordenaciones cromosómicas, el DNA mutante y el salvaje se marcan con colorantes fluorescentes para distintas longitudes de onda. Estos DNA marcados son añadidos a clones de cDNA dispuestos regularmente en microarrays y ordenados por cromosoma. En cada clon se calcula la razón de fluorescencias asociadas a cada una de las longitudes de onda. Se ilustran los resultados esperados para un genoma normal y para tres tipos de mutantes. Eje de las X: Posiciones del mapa de los clones de cDNA en el microarray cromosómico Eje de las Y: Razón de la fluorescencia asociada a cada sonda (mutante/salvaje) Cromosoma normal Duplicación Deleción Amplificación en tándem

88

Página 589 El destino de un millón de cigotos humanos implantados. FIGURA 16-37 La proporción de mutaciones cromosómicas es mucho mayor en los abortos espontáneos. [Tomado de K. Sankaranarayanan, Mutat. Res. 61, 1979, 249-257]. 1) 1 000 000 concepciones 2) 850 000 nacimientos 3) 150 000 abortos espontáneos 4) 833 000 niños 5)17 000 muertes perinatales 6) 75 000 anormalidades cromosómicas 7) 5165 anormalidades cromosómicas 8)1849 aneuploides de cromosomas sexuales 1427 machos 422 hembras 9) 1183 trisómicos autosómicos 42 trisomía 13 100 trisomía 18 1041 trisomía 21 10) 758 translocaciones robertsonianas equilibradas 11) 758 translocaciones recíprocas equilibradas 12)117 inversiones 13) 500 aberraciones estructurales desequilibradas 14) 39 000 trisómicos (3510 trisomía 21) 15) 13 500 XO 16) 12 750 triploides 17) 4500 tetraploides 18) 5250 otros

89

TABLAS CAPÍTULO 16 TABLA 16-1 Constituciones cromosómicas en un organismo diploide normal con tres cromosomas (identificados como A, B, y C) en el complemento básico. Nombre Designación Constitución Número de cromosomas Euploides Monoploide n ABC 3 Diploide 2n AA BB CC 6 Triploide 3n AAA BBB CCC 9 Tetraploide 4n AAAA BBBB CCCC 12 Aneuploides Monosómico 2n - 1 A BB CC AA B CC AA BB C Trisómico 2n + 1 AAA BB CC AA BBB CC AA BB CCC

5 5 5 7 7 7

90