Ligamiento

LIGAMIENTO Y RECOMBINACION : A medida que se avanzó en la investigación sobre la herencia , se fue descubriendo que existían pares de genes que no se heredaban en las proporciones que habia encontrado Mendel y por lo tanto no se cumple siempre la tercera ley .

La tercera Ley de Mendel : el principio de la transmisión independiente , dicho de otra forma , ley de la segregación independiente , proclama que los miembros de diferentes pares génicos transmiten sus gametos independientemente del otro. Es decir , los alelos de los genes de diferentes loci se segregan de forma independiente . Esta ley se cumple cuando los caracteres elegidos están regulados por genes situados en distintos cromosomas.

Como se aprecia en el esquema los dos caracteres elegidos por Mendel color de la semilla "A" y forma de la semilla "B" se encuentran en distintos cromosomas y por lo tanto el individuo dihíbrido AaBb formará cuatro clase de gametos (AB, Ab, aB, ab ). En cambio si los genes que estamos estudiando se encuentran localizados en el mismo cromosoma , un individuo que tuviera el mismo genotipo dihíbrido AaBb sólo formará dos clases de gametos, en el caso concreto del esquema se formarán los gametos con las combinaciones : AB, ab.

En el caso concreto de las semillas de guisantes, como se ve en el esquema siguiente, en el que se ha utilizado la técnica del retrocruzamientoo cruce de prueba tendría mos estos resultados:

Partiendo de esta ley podemos conocer de antemano las proporciones de cada fenotipo esperadas en un cruce dado ,mientras esto es cierto para los genes de diferentes cromosomas , no siempre es verdad en los genes que se localizan en el mismo cromosoma. Esto significa que cada regla tiene su excepción , que en este caso se expresa mediante desviaciones de las proporciones teóricas esperadas en los diversos cruces .

-

Si los genes fueran independientes, el individuo dihíbrido AaBb formará cuatro posibles gametos que darán origen a cuatro fenotipos posibles : amarillo-liso, amarillo - rugoso, verde - liso, verde - rugoso

-

Si los genes están ligados, el individuo dihíbrido formará solamente dos tipos de gametos y se obtendrán solamente dos fenotipos : amarillo-liso y verde- rugoso .

Hoy en día sabemos que los cromosomas son portadores de un número elevado de genes, por lo tanto, cuando un cromosoma es heredado por un hijo también son heredados todos sus genes, y en este caso su comportamiento no sigue la Tercera Ley de Mendel, es decir, no se segregan independientemente. La causa de que surjan estas desviaciones en las proporciones teóricas definidas en la ley de la segregación independiente , en algunos cruces dihibridos se debe al fenómeno de LIGAMIENTO entre los genes .

Si quisiéramos ejemplificar este concepto haríamos el siguiente cruce: En el guisante existen dos caracteres que son : - Color púrpura de las flores ( A ) , dominante sobre el color rojo de las flores ( a). - Forma de polen alargado ( B ) , dominante sobre la forma del polen redondo ( b).

Si hacemos un cruce prueba entre un individuo doble heterocigótico ( Aa Bb ) y un individuo doble homocigótico recesivo ( aabb) , según la ley de la segregación independiente : Aa Bb

x

aa bb

ab

AB

Ab

AaBb

Aabb

aB

ab

aaBb

aabb

Tendríamos una proporción 1 : 1 : 1 : 1 , es decir si del cruce obtenemos ,como se muestra, 100 descendientes , serian 25 individuos de cada uno de los fenotipos posibles ( flores púrpura y polen alargado , flores rojas y polen alargado , flores púrpura y polen redondo y flores rojas y polen redondo) . En cambio se obtiene el siguiente resultado: -

50 plantas con flores rojas y polen redondo.

-

50 plantas con flores púrpura y polen alargado.

Al analizar esta proporción observada y la esperada ,vemos que todos los descendientes de este cruce presentan el miso fenotipo que el de sus padres y que numéricamente existe el doble del numero esperado para ambos fenotipos paternos . La explicación de esta variación numérica la da el fenómeno de ligamiento ,ya que estos genes se encuentran tan juntos en el mismo cromosoma que no se separan en los gametos, por lo que aparecen solo individuos fenotipicamente iguales a sus padres :

A

B

x

a b Progenitores

a A

b

B

a

a b A

B

a

b 1

a

b

:

:

1

b a

a

b

a

b

b

Gametos Descendientes

Proporcion.

Cuando dos o mas pares de genes se encuentran tan cercanos en el mismo cromosoma que se transmiten a los gametos juntos como un bloque , se dice que entre estos existe ligamiento completo o total.

En este caso , los fenotipos de los descendientes son siempre idénticos al de los padres, por lo que se denominan : fenotipos paternos. El ligamiento no es siempre del tipo completo , sino que existen casos de pares de genes que se encuentran cercanos en el cromosoma , pero no lo suficiente para que siempre segreguen juntos en los gametos ; así , en este caso , los gametos de un individuo pueden ser de dos tipos : gametos paternos ( con combinaciones génicas idénticas a las paternas ) y gametos recombinantes o no paternos ( con combinaciones génicas diferentes de las paternas ).

Por ejemplo , en el caso del guisante analizado anteriormente vemos que el mismo cruce que hicimos antes puede tener otra distribución de fenotipos : - 40 plantas con flores púrpura y polen alargado. - 10 plantas con flores púrpura y polen redondo. - 10 plantas con flores rojas y polen alargado. - 40 plantas con flores rojas y polen redondo.

En este ejemplo aparecen desviaciones también respecto a la proporción mendeliana, pues se observa un incremento de 15 plantas en los fenotipos paternos y una disminución de 15 plantas en los fenotipos no paternos o recombinantes.

Los gametos con combinaciones génicas no paternas o recombinantes se producen mediante el entrecruzamiento cromosómico y génico que ocurre en la profase de la meiosis (I) en el estadio en que los cromosomas están formados por 4 cromátidas ( tétrada) . Al proceso a través del cual se produce este intercambio génico que da lugar a nuevas combinaciones en los gametos se le conoce como : recombinación.

En el guisante antes mencionado , los gametos (AB) y ( ab) son gametos paternos y los gametos ( Ab ) y ( aB ) son gametos recombinantes , los fenotipos AaBb y aabb son fenotipos paternos y los fenotipos Aabb y aaBb son fenotipos recombinantes. Cuando en un cruce en que participan dos o mas pares de genes ligados aparezcan en los descendientes , fenotipos recombinantes en proporción numérica siempre menor que los fenotipos paternos , se dice que entre esos pares de genes existe un ligamiento incompleto.

FRACCION DE RECOMBINACION : Un concepto importante al estudiar el ligamiento es el de frecuencia de recombinación , que es la proporción de fenotipos recombinantes de fenotipos recombinantes que aparecen en un cruce respecto al numero total de descendientes obtenidos y se expresa siempre en por ciento ; en el ejemplo del guisante vemos que había 20 plantas con fenotipos recombinantes , por lo que la frecuencia de recombinación en este cruce es del 20 por ciento ( los descendientes son 100). Cuando el ligamiento es completo , la frecuencia de recombinación es 0 + ( no aparecen fenotipos recombinantes) , en el ligamiento incompleto la frecuencia de recombinación es mayor de cero ( aparecen fenotipos recombinan en menor proporción que los fenotipos paternos ) ; una frecuencia de recombinación de 50 % indica ausencia de ligamiento y en este caso se cumplen las proporciones definidas por la Ley de la segregación independiente.

La frecuencia de recombinación también no dice la distancia física que existe entre dos pares de genes ; se mide en unidades de recombinación . En el caso del guisante , la frecuencia de recombinación es de 20 % y la distancia entre los genes del color de las flores y la forma del polen en el guisante es de 0,2 unidades de recombinación . Los símbolos utilizados para representar los cruces de genes ligados son diferentes de los utilizados en los cruces mendelianos , los genes no alelicos ubicados en el mismo cromosoma y que están ligados se colocan en la misma línea de un quebrado:

Por ejemplo:

a)

A B a

b

o

b)

A

b

a

b

La disposición de los genes ligados en los cromosomas puede ser de dos tipos : 1-

Cuando ambos genes dominantes se encuentran en el mismo cromosoma homologo , como la representación que se hace en el a) , se llaman genes en acoplamiento .

2-

Cuando los dos genes dominantes se encuentran en diferentes cromosomas homólogos , como en la representación que se hace en b) , se llaman genes en repulsión .

Es decir , en algunos casos la disposición en acoplamiento corresponderá al fenotipo paterno ( la descendencia con ese fenotipo aparecerá en mayor proporción ) y en otros casos al fenotipo recombinante ( que aparecerá en menor proporción ) , todo esto en dependencia de cómo se encuentren ubicados estos genes en los cromosomas paternos .

Estudio de ligamiento en humanos :

En el hombre , al igual que en los animales y las plantas , existen caracteres que se comportan como ligados , pero el estudio del ligamiento y la recombinación en el hombre se ve limitado por los siguientes factores :

1-

El pequeño numero de descendientes que presenta la familia humana.

2-

Los cruces que se estudian son los realizados al azar en las poblaciones ,ya que no se pueden seleccionar los individuos que formaran las parejas.

3-

Las fases de acoplamiento y repulsión de los genes resultan difíciles de conocer , debido a que al estudiar varias generaciones en la misma familia la

Debido a esto , los estudios de genes ligados en el humano deben tener las siguientes características: 1- Deben realizarse a través de parejas informativas que deben estar formadas por un doble homocigótico recesivo para observar la recombinación en un solo padre y no en ambos. 2- Se deben estudiar varias familias para los mismos caracteres , ya que es el mecanismo fundamental para determinar con certeza el ligamiento entre ellos.

Entre los caracteres ligados en el hombre , los que mas se han estudiado son los que se encuentran en el cromosoma X , por ser los mas fáciles de detectar debido a :

1- En el hombre tiene un solo cromosoma X y se expresa en su fenotipo los caracteres que determinan los genes ubicados en este cromosoma. 2- La recombinación ocurre en las mujeres y no en los hombres , ya que la mujer presenta dos cromosomas X.

Estas dos características nos permiten determinar mediante el estudio de una familia los genotipos de las mujeres , conociendo el genotipo de sus respectivos padres y sobre esta base analizar los resultados.

¿ Como pueden realizarse estos estudios en los humanos ?. Por estudios en numerosas familias se conoce que los genes de la hemofilia (h) , enfermedad producida por un defecto en la coagulación de la sangre , y la ceguera a los colores (c ) , incapacidad en el reconocimiento de algunos colores , ambos son recesivos y se encuentran ubicados en el cromosoma X , y están ligados . ( Ver árbol genealógico ).

Si analizamos el estudio de la familia que aparece en el árbol anterior , observamos la descendencia de un hombre que padece ambas enfermedades , por lo que su genotipo sera ( hc) . En este caso vemos que no aparecen fenotipos recombinantes , que serian los que tendrían solo una de las afecciones , o sea , hemofílico o ciego para los colores ; de los varones estudiados en esta familia , 4 padecen ambas enfermedades , en tanto entre las hembras hay una que es portadora de ambos caracteres , mientras que en la otra no se conoce , pues no presenta descendencia . En este caso se puede definir como uno en que los genes ligados se encuentran en acoplamiento , ya que ambos caracteres los presenta el hombre del primer cruce.

En este estudio se aprecia que el padre es hemofílico y la mujer porta el gen de ceguera a los colores , los genes en este ejemplo se encuentran ubicados en el cromosoma en repulsión , ya que en la descendencia de este matrimonio el varón presenta solo ceguera para los colores , mientras que la hembra presenta dos hijos con ceguera para los colores y un tercero con hemofilia y ciego para los colores , lo que demuestra que hubo recombinación entre estos genes por ser la madre de estos individuos portadora de ambos genes.

Los genes ubicados en los autosomas son mas dificiles de estudiar en el hombre , ya que :

1-

El hombre presenta 22 autosomas y estos se encuentran en los hombres y en las mujeres.

2-

El ligamiento de genes autosomicos solo puede estudiarse en rasgos con patron de herencia mendeliana simple.

3-

Los rasgos deben ser dominante.

4-

Uno de los rasgos por estudiar debe ser frecuente en la población para que los padres doble heterocigoticos puedan ser descubiertos con facilidad.

La magnitud del ligamiento se mide por las frecuencias de recombinación , frecuencia que depende de la distancia física entre los loci ligados al cromosoma . La unidad de medición del ligamiento genético se conoce como unidad de mapa o centiMorgan ( cM ) . Si dos loci están separados por 1 cM , entonces se producirá un sobrecruzamiento entre ambos , como media , en solo una de cada 100 meiosis , es decir , 0= 0,01 . El centiMorgan es una medición de la distancia genética o ligamiento entre dos loci , que no es lo mismo que la distancia física , que se mide en pares de bases.

Se ha estimado , mediante estudios de recombinación que el genoma humano tiene unos 3.000 cM de longitud . Como la longitud física del genoma humano haploide es de , aproximadamente , 3x 109 pb , 1 cM corresponde a unos 106 pb ( o 1.000 kilobases). No obstante , la relación entre las unidades del ligamiento y la longitud física no es lineal . Algunas regiones cromosomicas parece que son particularmente propensas a la recombinación , son los llamados puntos calientes , y por razones que no son co mpletamente conocidas , la recombinación durante la meiosis es mas frecuente en las mujeres que en los hombres . Los análisis del ligamiento han demostrado ser una herramienta extremadamente valiosa para el mapeo de los loci genéticos . La metodología básica incluye el estudio de la segregación de la enfermedad en grandes familias con marcadores polimorficos de cada cromosoma.

Eventualmente , un marcador sera identificado cuando se consegregue con la enfermedad mas a menudo de lo que seria esperable por el azar , es decir , cuando los loci estén ligados. El análisis matemático tiende a ser muy complejo , particularmente si se utilizan muchos marcadores adyacentes , en un análisis del ligamiento multipunto . No obstante , el principio subyacente es relativamente sencillo e implica el uso de razones de probabilidad , cuyos logaritmos se conocen como Lod Scores . El análisis del ligamiento de dos puntos , se utiliza , a menudo , para “dibujar” el locus de una enfermedad en una región cromosomica especifica . Esto proporciona una indicación aproximada o “ basta” de la localización del locus de la enfermedad .

El desequilibrio del ligamiento se define oficialmente como la asociación de dos alelos en un loci ligado con mas frecuencia de la que se espera por azar . La demostración del desequilibrio del ligamiento en una enfermedad particular sugiere que la mutación que ha causado la enfermedad ha ocurrido en una fecha relativamente reciente y que el locus marcador que esta siendo estudiado esta muy ligado al locus de la enfermedad. Por ejemplo: una de entre las muy pocas mutaciones originales de la enfermedad de células falciformes apareció en un gen de la ß – globina que estaba muy cercano a un RFLP sinténico muy raro. La selección de esta mutación de células falciformes , en la que se ha producido únicamente una rara recombinación entre esta y el locus adyacente íntimamente ligado , ha resultado hoy día , en una proporción muy alta de alelos de células falciformes acoplados a este raro RFLP. Otras enfermedades en las que se ha identificado un desequilibrio del ligamiento incluyen la enfermedad de Huntington , la distrofia miotónica , la fibrosis quística , la fenilcetonuria y el síndrome de Frágil X .

MAPAS DE TRES PUNTOS O CROMOSOMICOS : En primer lugar es necesario demostrar la existencia de ligamiento entre los tres loci analizados. Suponiendo que se trata de un cruzamiento prueba entre un triheterocigoto (AaBbCc) y un homocigoto recesivo (aabbcc) los pasos que son necesarios realizar , es en primer orden , demostrar la existencia de ligamiento . Una vez demostrada la existencia de ligamiento entre los tres loci , el objetivo del problema de los tres puntos es deducir a partir de los datos de una descendencia: 1- El orden relativo de los tres loci, es decir, determinar el locus que ocupa la posición central. 2- Calcular los valores de la fracción de recombinación (r1 y r2) entre el locus

La construcción de los mapas cromosómicos se hace representando los loci conocidos por puntos de una línea donde la distancia entre estos genes es directamente proporcional a la frecuencia de recombinación hallada entre ellos. Los métodos para la detección de ligamiento en humanos se aplican habitualmente en los estudios de mas de un locus . Entre los caracteres mas estudiados en sus relaciones de ligamiento están los grupos sanguíneos , por lo fácil de su detección . Entre los grupos de ligamiento conocidos en el humano , se encuentran grupos de ligamiento autosómico , uno de ellos es el locus del sistema de grupos sanguíneos ABO y el locus del síndrome onico-rotula ( deformaciones de las uñas y la rotula) , el segundo es entre el sistema de grupos sanguíneos Lutheran y el loci Secreter , el tercero en el cromosoma X entre los loci de la hemofilia y la ceguera para los colores.

De estos estudios y los análisis de las frecuencias de recombinación en estos tres grupos de ligamiento se han construido mapas cromosómicos : X

X 9

Entre el locus del sistema de grupos sanguineos Lutheran y el locus Secretor existen 9 unidades de mapa.

Realmente , un mapa cromosómico de dos o tres puntos no es un mapa representativo de un verdadero cromosoma ,pero partiendo de un numero tan pequeño de genes localizados cada día se incrementan nuevos loci ligados a los iniciales que permiten avanzar en los conocimientos sobre los mapas cromosómicos humanos.

Por ejemplo , es posible que los loci nuevos estén ubicados entre los puntos ya es tablecidos en un mapa conocido . Si nosotros halláramos un nuevo locus , llamémosle X , ligado al locus del sistema de grupos sanguíneos ABO y el locus del síndrome onico-rotula , podríamos , determinando la frecuencia de recombinación , conocer la distancia entre este gen y el del sistema de grupos sanguíneos ABO , y entre el gen onico-rotula , así como saber la localización de los 3 en el cromosoma. En la actualidad se hacen esfuerzos en la realización de mapas cromosómicos de los autosomas con el auxilio de nuevas técnicas como es la formación de híbridos celulares , con la cual se ha logrado en los últimos años esclarecer la situación de numerosos genes en los cromosomas.

INTERCAMBIO DE CROMATIDAS HERMANAS : La demostración de un numero incrementado de intercambios entre cromátidas hermanas en las células cultivadas proporciona una fuerte evidencia de una mayor inestabilidad cromosomica . El intercambio entre cromátidas hermanas ( ICH) consiste en un sobrecruzamiento de material genético entre las dos cromátidas de un crmosoma en la mitosis, al contrario de la recombinación que sucede en la meiosis I , que ocurre entre cromátidas homologas. El ( ICH) se puede demostrar por las diferencias en la adquisicion de ciertas tinciones por parte de las dos cromatidas de cada cromosoma en metafase despues de dos rondas de division celular en presencia del analogo de timidina 5-bromodeoxiuridina ( BudR ) , que se incorpora al ADN de nueva sintesis .

Normalmente aparecen alrededor de 10 (ICH) por celula , pero este numero se incrementa mucho en las celulas de los pacientes con el sindrome de Bloom y el xeroderma pigmentoso. En esta ultima alteracion solo se hace aparente despues de que las celulas se hayan expuesto a la luz ultravioleta. En el momento actual no esta claro como los ICH se relacionan con el incremento de roturas cromosomicas observadas en estas dos enfermedades , pero se piensa que la explicacion podria estar relacionada con uno de los pasos de la replicacion del ADN . También es interesante advertir que el numero de ICH en las células normales se incrementa tras la exposición a ciertos mutágenos químicos y carcinógenos . Por esta razón , se ha sugerido que la frecuencia de ICH en las células en cultivo puede constituir un test útil in vitro para evaluar la mutagenicidad y carcinogenicidad de los compuestos químicos.