Tema 13. Xenética, meiose e bases moleculares da herdanza.

Transcript

1 Tema 13. Xenética, meiose e bases moleculares da herdanza. 1. OS beneficios da reprodución sexual (páx. 660) No reino animal, algúns vermes poden dividirse en 2 metades e cada unha rexenerar a outra metade. A reprodución asexual é simple e directa e a descendencia idéntica aos proxenitores. A reprodución sexual implica a mistura de xenomas e produce unha descendencia distinta entre si e os seus proxenitores. Esta forma de reprodución é a que presenta máis vantaxes. 1.1 A reprodución sexual implica a existencia de células diploides e haploides A reprodución sexual prodúcese nos organismos diploides. Cada célula ten 2 xogos de cromosomas, ten 2 copias de cada xen (menos os xenes do cromosoma sexual masculino). Cada xen ten moitas variedades e a rep. sexual asegura que se produzan combinacións novas de xenes. As células xerminais/gametos son haploides. Existen 2 tipos de gametos nos animais: un grande e inmóbil (óvulo) e outro pequeno e móbil (espermatozoide). Estas células xéranse por un proceso moi especializado (meiose), os pares de cromosomas sepáranse nunha combinación nova e fórmanse 2 células haploides. Os 2 gametos fusiónanse para formar unha célula diploide (óvulo fecundado/cigoto) cunha combinación nova de cromosomas. descendencia. En case tódolos animais pluricelulares, o ciclo da vida é diploide: as células haploides teñen unha vida moi breve, non se dividen e están especializadas na función sexual. É útil a distinción entre as células da liña xerminal, da cal deriva a próxima xeración de gametos, e as células somáticas, que forman o resto do corpo e non deixan O ciclo da reprodución sexual implica unha alternancia de células haploides e xeracións de células diploides. A mistura do xenoma conséguese pola fusión de 2 células haploides nunha célula diploide. A través de ciclos diploides, meiose, ciclos haploides e fusión de células, interrómpense antigas combinacións de xenes e fórmanse outras novas. 1.2 A reprodución sexual outórgalle aos organismos unha vantaxe competitiva A maquinaria de reprodución sexual é elaborada e invístense nela moitos recursos. A mistura de xenes orixina unha descendencia distinta de xeito impredicíbel, con xenomas combinados que poden presentar cambios (des)favorábeis. Unha vantaxe é que a recombinación dos xenes axuda ás especies a sobrevivir en medios que cambian continuamente, aumente a probabilidade de que polo menos un dos descendentes sobreviva. Ademais acelera a eliminación de xenes degradadores. 2. Meiose (páx. 663)

2 As células que dan orixe aos gametos son diploides, polo tanto, espermatozoides e óvulos teñen que formarse por un tipo especial de división celular na que o número de cromosomas se reduce á metade. Chámase meiose que significa diminución ou redución. 2.1 As células xerminais haploides prodúcense por meiose a partir de células diploides. Antes de dividirse por mitose, a célula diploide duplica os seus dous xogos de cromosomas, o cal permite transmitir a cada filla xogos de cromosomas idénticos. Na meiose (proceso de formación das células xerminais) unha célula diploide forma células haploides. O ADN duplícase unha vez e hai 2 divisións celulares seguidas. A meiose pode concibirse como unha modificación do proceso mitótico, na que se omite a replicación do ADN (fase S). Unha soa división produciría células haploides de forma directa pero é moito máis complexo, e implica 2 divisións celulares. É un proceso longo, no ser humano, 24 días nos varóns e pode chegar a décadas nas mulleres. Comeza nas células diploides especializadas da liña xerminal nos ovarios/testículos. Cada célula contén 2 copias de cada xen, unha herdada do pai (homólogo paterno) e outra da nai (homólogo materno). Ao comezo da meiose, os cromosomas están duplicados e continúan unidos entre si. A próxima fase é exclusiva da meiose, cada cromosoma paterno duplicado aparéase co seu homólogo materno. Isto asegura a correcta segregación durante as divisións celulares seguintes. Despois de 2 divisións celulares sucesivas, meiose I e meiose II, distribúese un xogo completo de cromosomas entre cada unha das 4 células haploides resultantes. Os cromosomas orixinais materno- paterno reordénanse en combinacións diferentes. Na fecundación únense 2 gametos e xeran un cigoto diploide. A través de multiplicacións e divisións celulares repetidas, seguidas dunha especialización celular, o cigoto desenvolve nun organismo pluricelular. A meiose produce 4 células distintas (xeneticamente) que conteñen a metade dos cromosomas da célula nai. A mitose produce 2 células fillas idénticas. 2.2 A meiose implica un proceso especial de apareamento dos cromosomas Con excepción dos cromosomas sexuais, o núcleo da célula diploide contén 2 copias de cada cromosoma. As dúas versións non son xeneticamente idénticas, teñen distintas variantes dos xenes que portan. Estas formas alternativas dun xen (alelos), difiren un tanto nas secuencias de nucleótidos. A máis común é a substitución dun só par de bases, tamén poden conter delecións, insercións ou duplicacións. Como non son idénticos chámanse cromosomas homólogos. Antes de dividirse a célula (mitose/meiose) duplícanse tódolos seus cromosomas. Ao principio mantéñense unidas en toda a súa lonxitude (cromátidas irmás). O que ocorre con estes cromosomas replicados é diferente na mitose que na meiose. Na mitose alíñanse ao azar na placa metafásica, as 2 cromátidas sepáranse e pasan a cromosomas individuais. As 2 células fillas herdan 1 copia do cromosoma paterno e 1 do materno. Na primeira división meiótica, os fenómenos son iguais que a secuencia da mitose: profase (os cromosomas replicados condénsanse), metafase (alíñanse no ecuador do fuso), anafase (segréganse cara os polos). A necesidade de reducir á metade o número de cromosomas lévanos á primeira diferenza: os cromosomas materno e paterno homólogos replicados aparéanse uníndose en toda a súa lonxitude antes de aliñarse no fuso. Isto é crucial, xa que permite a segregación dos homólogos paterno- materno cara as células fillas. Cada gameto que se forma, ao finalizar o proceso, adquirirá unha copia materna ou paterna, pero non ambas. Non se sabe como os homólogos se recoñecen entre si. Crese que esta asociación inicial (apareamento) é regulada pola interacción de pares de bases de ADN complementarias. A estrutura que se forma cando se aparean os cromosomas chámase bivalente e ten 4 cromátidas. 2.3 Entre os cromosomas maternos e paternos prodúcense recombinacións extensas.

3 Profase prolongada da primeira división meiótica: unha vez que se aparean os homólogos duplicados, comeza a recombinación/entrecruzamento e intercámbianse entre si pares de cromosomas homólogos. A dobre hélice do ADN rómpese e vólvese unir na cromátida homóloga, intercámbianse fragmentos de 2 cromátidas non irmás reciprocamente. espazar os entrecruzamentos ao longo do cromosoma. As proteínas que levan a cabo o proceso de recombinación aproveitan que os cromosomas homólogos no bivalente de 4 febras mantéñense unidos durante a profase meiótica I e alíñanse estreitamente no complexo sinaptonémico. Esta estrutura aliña aos bivalentes para que se produza a recombinación entre cromátidas non irmás e serve para Cada unha das dúas cromátidas dun cromosoma pode recombinarse con calquera das 2 cromátidas do outro cromosoma no bivalente. Ao final da profase, cada par de homólogos duplicados mantéñense unidos por un quiasma (conexión que corresponde ao cruzamento entre 2 cromátidas non irmás). A media de quiasmas nos cromosomas humanos é de 2 ou 3. A recombinación durante a meiose é unha das principais fontes de variación xenética nos organismos que se reproducen sexualmente. Tamén asegura que se segreguen correctamente os homólogos materno- paterno na primeira división meiótica. 2.4 O apareamento e a recombinación dos cromosomas aseguran a segregación correcta dos homólogos A recombinación durante a meiose é necesaria para a correcta segregación dos 2 homólogos duplicados nos núcleos das células fillas. O quiasma é crucial para manter unidos aos homólogos materno- paterno ata que os separe o fuso meiótico na anafase I. Antes, os polos exercían unha forza de sentido oposto que o quiasma resiste. Ademais, o quiasma, axuda a posicionar e estabilizar aos bivalentes na placa metafásica. Os brazos das cromátidas irmás adhírense en toda a súa lonxitude por acción das cohesinas, estas despéganse ao comezo da anafase I e permiten que os homólogos vaian aos polos opostos do fuso. 2.5 A segunda división meiótica dá lugar a células fillas haploides Na primeira división meiótica non se producen células haploides, para iso é necesaria unha segunda división: meiose II, que transcorre sen replicacións de ADN e sen un período de interfase. Fórmase o fuso, os cromosomas alíñanse no ecuador e as cromátidas irmás sepáranse para dar lugar as células fillas haploides. Na segunda división, os cinetocoros de cada cromátida teñen microtúbulos que se orientan en direccións opostas. Na anafase II degrádanse as cohesinas que mantiñan unidas as cromátidas polo centrómero. 2.6 As células haploides conteñen información xenética redistribuída en forma extensa Menos os xemelgos idénticos, que se orixinan dun só cigoto, os irmáns non son iguais. Débese a que a meiose produciu 2 tipos de reordenamentos xenéticos ao azar. Primeiro lugar, na meiose os cromosomas materno e paterno mestúranse e distribúense entre os gametos. Divídense de forma que cada gameto recibe só 1 copia de cada cromosoma pero, ao mesmo tempo, recibe unha mestura aleatoria de cromosomas materno- paterno. Este tipo de reordenamentos depende do modo en que se sitúe cada bivalente no fuso

4 durante a metafase I. A orientación do bivalente no momento de captura do fuso é totalmente aleatoria, a distribución dos cromosomas tamén o é. Un individuo pode producir 2 n gametos diferentes (n= nº de cromosomas). O ser humano: 2 23 =8.4*10 6 gametos diferentes. Porén, o número real é maior pola recombinación que se produce nos entrecruzamentos (uns 2-3 por cromosoma). Por iso un cromosoma ten xenes maternos e paternos. Cada meiose produce 4 xogos de cromosomas totalmente novos. A redistribución de cromosomas xunto a recombinación de xenes por entrecruzamento proporcionan unha fonte case ilimitada de variación xenética. 2.7 A meiose non é perfecta e cada gameto reciba un xogo completo. A distribución de cromosomas durante a meiose é un factor importante na contabilidade celular: require que a célula inicial teña 92 cromosomas (23 pares duplicados) Cando os homólogos non se separan correctamente (non disxunción), nalgunhas células haberá máis dunha copia. Na fecundación, estes gametos forman embrións anormais que morren na maior parte dos casos. Algúns sobreviven. O síndrome de Down é unha enfermidade caracterizada polo retrase mental grave. Consecuencia dunha non disxunción que provoca unha trisomía no par 21. O desequilibrio cromosómico provoca unha elevada cantidade das proteínas codificadas polo par 21 o que interfire no crecemento embrionario. A frecuencia dunha segregación errónea é alta, especialmente na muller. O erro pode producirse no espermatozoide e no óvulo. É unha das causas do aborto espontáneo. 2.8 A fecundación reconstitúe un xenoma completo. Durante o coito exacúlanse 300 millóns de espermatozoides pero só 200 chegan ao oviducto. As células que rodean ao óvulo liberan sinais químicos que atraen ao espermatozoide. Unha vez que atopa o óvulo, o espermatozoide debe migrar a través dunha capa de células protectoras e logo únense e atravesa a zona pelúcida do óvulo. Por último, ten que fusionarse coa membrana plasmática ovular. Tamén se pode lograr a fecundación de forma artificial inxectando o espermatozoide dentro do citoplasma do óvulo. Só un se fusiona e introduce o seu ADN no citoplasma. Isto é moi importante para asegurar que o ovo fecundado teña só 2 xogos de cromosomas. Hai varios mecanismos, un consiste na liberación dunha onde de ións Ca +2 no citoplasma, que provoca un endurecemento da zona pelúcida. Unha vez fecundado o óvulo denomínase cigoto. A fecundación remata cando se fusionan os núcleos haploides (pronucleos) para dar lugar a un núcleo diploide. Isto marca o comezo do proceso de embrioxénese, onde o cigoto se divide e xera grandes cantidades de células diploides que formarán un novo organismo.

5 3. Mendel e as leis da herdanza (páx. 672) Os nosos xenes inflúen en tódolos nosas características, dende a cor do cabelo e a dos ollos, ata a busca de emocións e a predisposición a desenvolver cálculos biliares. Algunhas características son causadas por alteracións nun só xen. A maioría están influídos por múltiples xenes. Outras xorden de interaccións entres os nosos xenes, e de interaccións entre a nosa predisposición xenética e o ambiente. As leis de herdanza foron descifradas por estudos de especies que se reproducen facilmente e teñen numerosos descendentes. Gregor Mendel, o pai da xenética, realizou os seus estudos con chícharos. As leis básicas da herdanza xenética aplícanse a tódolos organismos que teñen rep. sexual. 3.1 Mendel estudou carácteres que se herden de forma separada Ao deseñar un experimento para estudar un tema específico a elección do organismo pode ser crítica. Mendel realizou os seus estudos en plantas de chícharos. Cultívanse con rapidez e en grandes cantidades en espazos pequenos. Podía controlar como se cruzaban as plantas entre si. Cada flor contén órganos masculinos e femininos, autofertílizanse. Mendel descubriu que podía polinizar ás plantas de forma cruzada sacando os órganos masculinos inmaturos dunha flor e fertilizando a planta emasculada con polen (células espermáticas). Asegurábase o parentesco de cada planta que examinaba. O máis importante: os chícharos teñen moitas variedades. Unha ten a flor violeta e a outra branca. Unha produce sementes lisas e outra rugosas. Mendel seguiu características distintas, fáciles de observar e que se herdan de forma separada (as flores son violetas ou brancas, non unha cor intermedia). 3.2 Mendel logrou refutar as teorías alternativas da herdanza Os experimentos de reprodución que realizou Mendel foron moi diversos. Comezou con cepas de plantas xeneticamente puras. Cando se autopolinizaban, toda a súa descendencia é da mesma variedade. Investigar coa cor das sementes, elexía a plantas con sementes amarelas que sempre daban plantas con sementes amarelas, e o mesmo coas verdes. Experimento típico: Mendel collía 2 variedades puras e polinizábaas de forma cruzada. Rexistraba a herdanza da característica escollida na seguinte xeración. Cruzou plantas de sementes amarelas con plantas de sementes verdes. Descubriu que a descendencia híbrida resultante (xeración filial F1) tiña tódalas sementes amarelas. Para tódalas características observaba os mesmos resultados: os híbridos F1 parecíanse todos a só un dos proxenitores. Estudou unha característica de cada vez. Os seus predecesores estudaran a variación de moitas características e organismos enteiros e concluían que a proxenie non parecía aos proxenitores. Mendel concluíu que a cor das sementes non se transmite de forma mesturada, non había sementes de cor verde amarelenta. Estableceu que era indistinto se empregaba o polen da planta con sementes verdes para fertilizar a flor da planta con sementes amarelas ou viceversa. Descartou a teoría da herdanza uniparental, onde só 1 dos proxenitores determinaba as características da descendencia. Mendel continuou co paso seguinte, cruzou as plantas F Os experimentos de Mendel foron os primeiros en revelar que as características hérdanse de forma separada Mendel seguiu a experimentar para saber que sucedera coas características que desapareceran na xeración F1.

6 Deixou que as plantas F1 se autopolinizaran. Se a característica dos chícharos verdes se perdera só aparecerían chícharos amarelos. Empregou unha mostra grande e levou un rexistro exacto. A característica desaparecida retornou: ¾ eran amarelos e ¼ eran verdes. Os resultados anularon a teoría da herdanza mesturada. A mestura non podía explicar de ningunha maneira como o cruzamento entre unha planta de chícharos amarelos e outra con chícharos verdes pode dar chícharos verdes. A característica do chícharo verde desaparecía na F1 e reaparecía na F2. Polo menos algunhas das plantas F1 tiñan que conter o factor que codifica o chícharo verde. Para o resto de características Mendel viu o mesmo patrón. Mendel propuxo que a herdanza dos carácteres está gobernada por factores herdábeis (xenes), que actúan como partículas que permanecen separadas. Suxeriu que os xenes se presentan en versións alternativas. O xen que rexe a cor das sementes ten dúas versións: a que rexe a cor verde e a da cor amarela (alelos). Razoou que cada planta herdaba 2 alelos (1 da nai e 1 do pai). O aspecto (fenotipo) dependía da versión do alelo que tivera; a constitución xenética real é o xenotipo. Os exemplares puros tiñan a mesma versión nos 2 alelos (homocigotos). Os híbridos F1 recibiran as dúas versións (heterocigotos). Para explicar a desaparición dunha característica na F1, Mendel supuxo que un alelo é dominante e outro é recesivo. O alelo dominante, cando está presente determina o fenotipo. 3.4 Cada gameto é portador dun só alelo para cada carácter. A partir da teoría de Mendel xurdiron algunhas preguntas: se un organismo ten 2 copias do mesmo xen, como é que só transmite 1 a súa descendencia? Mendel aventurou que cando se forma o espermatozoide/óvulo, as 2 copias de cada xen presente sepáranse. Así, na fecundación, restáuranse as 2 copias. Este principio da herdanza enúnciase na primeira lei de Mende, a lei de segregación: ao formarse os gametos, os 2 alelos de cada carácter sepáranse e logo únense aleatoriamente na fecundación. Esta lei permítenos predicir os fenotipos das plantas que se obterán nun cruzamento en particular. As plantas F1 terán a metade dos gametos co alelo que codifica a semente amarela e a outra metade co da verde. Cando se autopolinizan hai 4 combinacións diferentes: ¼ terán 2 alelos para chícharos verdes, ¼ terán 2 alelos para chícharos amarelos e 2/4 terán un alelo para cada un pero como o alelo dos chícharos amarelos é dominante producirán sementes amarelas. ¾ serán amarelos e ¼ serán verdes. 3.5 A lei de segregación de Mendel aplícase a todos os organismos de rep. sexual A lei de segregación explica os datos obtidos para os carácteres que estudou Mendel nos chícharos. Reproduciuna con millo e fabas. O concepto mendeliano de xen e a lei de segregación e xeneralizábel a tódolos organismos de rep. sexual. O albinismo hérdase de forma recesiva en moitos animais. Son homocigotos para o alelo recesivo (a) dun xen concreto. O alelo dominante (A) codifica unha enzima que participa na síntese da melanina, o pigmento responsábel da maior parte da cor marrón e negra do cabelo, pel e retina. O alelo recesivo codifica unha versión desta enzima menos activa ou inactiva. Os albinos teñen o cabelo e a pel brancos. As pupilas rosadas porque a falla de coloración revela a hemoglobina presente nos vasos sanguíneos da retina. Se un home albino (aa) ten fillos cunha albina (aa) serán todos albinos (aa). Se un home non albino (AA) ten fillos cunha albina (aa) os fillos serán non albinos (Aa). Se un home da F1 ten fillos cunha muller co seu mesmo xenotipo, serán 3 non albinos (Aa ou AA) e 1 albino (aa). Cada fillo terá o 25% de ser albino.

7 O ser humano non ten familias tan numerosas como para garantir as proporcións mendelianas exactas. Mendel reproduzo a miles de chícharos. Os xenetistas que estudan a herdanza en seres humanos traballan cun gran número de familias ou con varias xeracións dunhas poucas familias grandes. Confeccionan cadros do fenotipo de cada membro para un carácter, este diagrama chámase pedigree. 3.6 Os alelos de características diferentes segréganse en forma independente. Mendel simplificou o problema da herdanza ao realizar cruzas monohíbridas. Pero despois estudou a herdanza simultánea. O caso máis sinxelo, cruzamento dihíbrido: cor e forma da semente. Chícharos amarelos dominantes (Y) e semente lisa dominante (R). comezou con cepas puras: chícharos amarelos e lisos (YYRR) e chícharos verdes e rugosos (yyrr). Unha posibilidade é que ambos carácteres se herden de forma independente, o cal significa que nalgún momento haberá chícharos amarelos rugosos e verdes e lisos. A xeración F1 mostrou só 1 fenotipo: chícharos amarelos e lisos. Autopoliniráronse e a F2 demostrou que os carácteres se herdan de forma independente. 4 fenotipos: amarelos e lisos, amarelos e rugosos, verdes e lisos e verdes e rugosos. Nas 7 características estudadas, sempre obtivo a proporción 9:3:3:1. A segregación independente de cada par de alelos durante a formación dos gametos coñécese como segunda lei de Mendel: lai da segregación independente. 3.7 O comportamento dos cromosomas durante a meiose responde ás leis da herdanza de Mendel. Mendel supuxo que os xenes se localizan nas células, pero non sabía como estaban formados nin onde se atopaban. Hoxe sabemos que se atopan nos cromosomas e se distribúen durante a formación dos gametos e únense na fecundación en novas combinacións no cigoto. Os cromosomas son a base física das leis de Mendel. Durante a meiose os homólogos materno- paterno (e os xenes que hai neles) aparéanse e logo sepáranse para distribuírse nos gametos. Estes cromosomas terán diferentes variantes (alelos) dos xenes que portan. Por exemplo, unha planta de chícharos heterocigota para sementes amarelas (Yy). Durante a meiose os cromosomas que conteñen os alelos Y e y sepáranse e producen 2 tipos de gametos haploides. Na autofecundación, recombínanse de forma aleatoria e producen individuos diploides que poden ser Yy, YY ou yy. Os mecanismos da meiose que conducen a separación dos alelos nos gametos e a recombinación ao azar na fecundación seguen as leis de Mendel. Cada xogo de homólogos apareados fíxase ao fuso de forma independente. Esta disposición aleatoria refléxase na lei de segregación independente. Cada gameto recibe unha copia de cada cromosoma que ten unha mestura aleatoria de homólogos maternos e paternos. Nunha planta de chícharos heterocigota (YyRr). O par de cromosomas portadores dos alelos da cor pegaranse ao fuso meiótico con certa orientación. A captura do homólogo Y ou y polos microtúbulos dependerá do lado cara o cal de oriente o bivalente. O mesmo ocorre co par de cromosomas que portan os alelos que codifican a forma da semente. O gameto final reciba a combinación dos alelos YR, Yr, yr ou yr dependendo de cara onde se dirixan os dous pares de cromosoma ao ser capturados polo fuso. 3.8 A frecuencia da recombinación pode empregarse para ordenar aos xenes nos cromosomas. Mendel estudou 7 características e cada unha delas segregouse de forma independente. Hoxe sabemos que a maioría destes xenes estaban situados en xenes diferentes. Pero cando os xenes están o suficientemente lonxe de si no mesmo cromosoma tamén se segregan de forma independente. Cando os homólogos duplicados no bivalente se aliñan no fuso metafásico, prodúcense varios de recombinación e intercambio de material xenético. Isto pode separar aos alelos que estaban no mesmo cromosoma.

8 Dous xenes que están próximos entre si case sempre se segregan xuntos e dous xenes situados en extremos opostos teñen as mesmas posibilidades de rematar xuntos que os xenes de cromosomas diferentes. Non tódolos xenes se herdan en forma independente de acordo coa segunda lei de Mendel. Os xenes que están moi próximos actúan como se fosen unha unidade. Medindo a frecuencia coa que 2 xenes se herdan xuntos podemos saber se están no mesmo cromosoma e a que distancia se atopan. Esta información empregouse para facer un mapeo das posicións relativas dos xenes en cada cromosoma. Os mapas xenéticos foron cruciais para clonar os xenes de enfermidades humanas como o xen da fibrose quística. 3.9 O fenotipo dun heterocigoto revela se un alelo é dominante ou recesivo As observacións de Mendel poden explicarse seguindo o movemento dos cromosoma durante a meiose. Os alelos segréganse nos gametos e estes únense para formar unha nova proxenie con novas combinacións de alelos. O tipo de alelos ditamina o seu fenotipo. Os alelos rugosos, xen que ditamina a forma da semente codifica unha enzima que axuda a converter os azucres en amidón. O alelo recesivo (r) é un xen mutante que non codifica a enzima activa. As plantas homocigotas (rr) teñen máis azucre e menos amidón e isto fai que teñan ese aspecto rugoso. As mutacións que reducen/eliminan a actividade dun xen chámanse mutacións de perda de función. Un organismo homocigoto para un alelo con esta mutación terá un fenotipo mutante. Un heterocigoto (alelo mutante + alelo salvaxe) produce a suficiente enzima activa para o seu normal funcionamento. As mutacións con perda de función soen ser recesivas. Outra clase de alelos mutantes producen enzimas hiperactivas ou activas en circunstancias inadecuadas (mutacións de ganancia de función). Certas mutacións que codifican a Ras, unha proteína que participa no crecemento e proliferación celular, xera unha forma de proteína sempre activa. As proteínas Ras pode estimular a división celular inapropiada, o 30% de tódolos cancros conteñen este tipo de mutacións. A clave para determinar se un alelo en particular é dominante ou recesivo reside no fenotipo do heterocigoto. Os 2 alelos miden as súas forzas nunha especie de competencia. Se o fenotipo do heterocigoto é como o do organismo do salvaxe, ese é o alelo dominante e o mutante o recesivo (e viceversa) Os alelos mutantes confiren ás veces unha vantaxe selectiva As mutacións son a base da evolución. Alteran a saúde dun organismo e fan que lles sexa mais/menos probábel sobrevivir. Incluso as mutacións degradadoras poden beneficiar a un organismo porque cada xen pode ter efectos múltiples sobre o organismo. Exemplo, a anemia drepanocítica: prodúcese por unha mutación no xen que codifica á β-globina. A hemoglobina está contida nos eritrocitos e funciona como transportadora de osíxeno dende os pulmóns cara a células e tecidos. A mutación codifica a formación dun polipéptido anormal e os eritrocitos adquiren forma de fouce polo que obstrúen os vasos de pequeno calibre e reducen a cantidade de osíxeno que chega. Prodúcense síntomas de dor, fatiga, cambras musculares, dificultade respiratoria e insuficiencia cardíaca. As células defectuosas son moi fráxiles e rachan con facilidade. Os fagocitos destrúen a estas células danadas polo que hai escaseza de eritrocitos.

9 O carácter drepanóico tamén ten as súas vantaxes. Os que posúen esta mutación son resistentes ao paludismo. O microorganismo que causa esta enfermidade é incapaz de reproducirse nos eritrocitos drepanóicos xa que rachan antes de que poida propagarse. Isto é moi importante en zonas como África, onde se pensa que apareceu por primeira vez esta mutación recesiva. 4. A xenética como ferramenta de experimentación (páx. 686) O descubrimento de que os cromosomas son as estruturas encargadas de transportar os nosos xenes de xeración en xeración, unificou a ciencia da xenética con outras disciplinas: bioloxía celular, bioquímica, fisioloxía e medicina. Permítenos empregar a xenética como ferramenta para novos descubrimentos. Examinando e manipulando o noso ADN podemos aprender como funcionan os xenes no seu conxunto para crear o noso fenotipo. 4.1 O enfoque clásico comeza coa mutaxénese aleatoria Antes para identificar un xen observábase que procesos se interrompían cando este xen mudaba. O proceso comeza co illamento dos mutantes que teñen aspecto interesante. A partir deste fenotipo, investíganse cara atrás para determinar o xenotipo do organismo. Este enfoque clásico é máis fácil de realizar en organismos que se reproduzan con rapidez e nos que son pasíbeis de manipulacións xenética (bacterias, fermentos, vermes ) Podemos atopar mutantes espontáneos en poboacións moi grandes, o proceso de identificación pode ser moito máis eficiente se xeramos mutacións con axentes que danan o ADN (mutáxenos). Pódese crear un número elevado de mutantes en pouco tempo e despois é factíbel estudar un defecto en particular. A mutaxénese é adecuada para analizar os procesos biolóxicos nos vermes e moscas. Os seres humanos non se reproducen con rapidez e non os podemos tratar con mutáxenos. Un defecto grave nun proceso crítico (replicación do ADN) provocaría a morte antes de nacer. Hai 2 respostas para o problema de como estudar aos seres humanos. 1) Primeira: xa que os xenes e as súas funcións se conservaron ao longo da evolución, o estudo de organismo menos complexos permitiu revelar información crítica acerca de xenes e procesos similares no ser humano. Os xenes humanos correspondentes poden estudarse en cultivos de células. 2) Segunda: moitas mutacións non son letais (anemia drepanóica). A análise dos fenotipos dos individuos afectados proporcionaron información sobre xenes humanos. Se ben estas mutacións son raras poden descubrirse grazas a unha característica propiamente humana: os individuos mutantes buscan atención médica. 4.2 O cribado xenético permite identificar mutantes con deficiencias en procesos celulares. Unha vez que se produce un grupo de mutantes nun organismo, débense examinar miles de individuos para atopar o fenotipo alterado (cribado xenético). A obtención dunha mutación dun xen de interese depende da probabilidade de que este poida inactivarse ou ben mudar na mutaxénese. Canto máis grande sexa o xenoma, menor será a probabilidade de haxa unha mutación. Os fenotipos simples son máis fáciles de detectar. Os defectos nos xenes necesarios para os procesos fundamentais da célula (síntese e procesamento do ARN ou control do ciclo celular) son letais. As funcións destes xenes estúdanse en mutantes sensíbeis á temperatura. A proteína produto do xen é defectuosa só en forma condicional: funciona normalmente a

10 temperatura media e pode inactivarse por un pequeno aumento/descenso da temperatura. A normalidade pode (des)activarse de forma experimental. Illáronse moitos mutantes sensíbeis á temperatura co fin de identificar os xenes que codifican as proteínas bacterianas necesarias para a replicación do ADN. Estudáronse por cribado grandes poboacións tratadas con mutáxenos, na busca de células que deixan de sintetizar ADN a temperaturas de 30ºC a 42ºC. Empregáronse mutantes sensíbeis á temperatura para identificar proteínas que participan na regulación do ciclo celular. Os fenotipos complexos (cambios no aprendizaxe ou na conduta) tamén se poden estudar por cribado xenético en organismos modelo. Illaron un xen que afecta ao comportamento social de vermes por medio da detención sistemática de animais que se alimentan sós. 4.3 Unha proba complementación revela se 2 mutacións están no mesmo xen. O cribado xenético a gran escala revela diferentes mutacións co mesmo fenotipo. Poden acharse en distintos xenes que funcionan no mesmo proceso ou poden ser mutacións distintas no mesmo xen. Se as mutacións son recesivas é posíbel empregar unha proba de complementación para determinar se se atopan no mesmo xen ou distintos. Na forma máis simple da proba, crúzase un homocigoto para unha mutación con outro homocigoto para a outra mutación. Se ambas están no mesmo xen, a descendencia terá un fenotipo mutante (só ten copias mutantes do xen). Se están en xenes diferentes, a descendencia terá un fenotipo normal porque ten unha copia normal de cada xen. As mutacións compleméntanse entre si e restauran o fenotipo normal. Descubriuse que os fermentos requiren 5 xenes para dixerir o azucre galactosa e que E.Coli require de 20 xenes para formar un flaxelo. 4.4 Os xenes humanos hérdanse en bloques haplotipo, o cal pode axudar na busca de mutacións que producen enfermidades.

11 Partindo da secuencia do xenoma humano, é posíbel comezar a identificar as diferenzas no ADN que distinguen a un individuo doutro. Non existen 2 seres humanos (menos os xemelgos idénticos) que teñan o mesmo xenoma. Lavamos no nosos xenoma un grupo de polimorfismos que nos fai únicos. Estes poden empregarse como marcadores para construír mapas xenéticos ou análise xenética que permita vincular un polimorfismo determinado cunha enfermidade específica ou predisposición a enfermidades. Entre dúas persoas hai cerca de 3 millóns de diferenzas. En teoría, necesitaríanse mirar os 3 millóns para atopar 1 ou 2 cambios responsábeis dunha enfermidade hereditaria. Para diminuír esta cifra os investigadores aproveitaron o descubrimento de que os xenes humanos tenden a herdarse en bloques. A especie humana é relativamente nova e só nos separan algúns centos de xeracións. Grandes segmentos de cromosomas humanos transmitíronse inalterados de pais a fillos. Estes segmentos cromosómicos ancestrais (conxuntos de alelos e marcadores que se herdaron en grupos con pouco reordenamento xenético a través das xeracións) chámanse bloques haplotipo. Os bloques haplotipo tamén teñen un número limitado de variacións na poboación humana, representan unha combinación de alelos transmitida dun antepasado común moito tempo atrás. Os investigadores están a reconstruír un mapa distinto do xenoma humano baseado nos bloques haplotipo. Agardan que lles permita atopar con maior facilidade os xenes responsábeis da susceptibilidade a unha enfermidade. Só sería necesario pescudar nun grupo moito máis pequeno de SNP seleccionados para identificar o bloque haplotipo que herdan as persoas con esa enfermidade. Se un bloque haplotipo específico é máis frecuentes en persoas que padecen certa enfermidade, é probábel que a mutación asociada se atope nese segmento de ADN. Os investigadores poden partir desa rexión na busca de 1 ou máis xenes ou variantes asociadas a esa enfermidade. Un exame detallado dos bloques pode dicirnos se un alelo favoreceu a selección natural. Cando xorde nun xen unha variación neutra leva moito tempo que se faga frecuente na poboación. Canto máis frecuente (máis antigo) sexa un alelo, menor será o bloque que o circunda porque tivo máis posibilidades de separarse pola recombinación. Se un alelo novo lle confire unha vantaxe ao individuo, farase frecuente con maior rapidez (as mutacións ou variacións que o tornen resistente a unha infección). Traballando con mapas haplotipos de xenes individuais detectáronse 2 xenes que outorgan resistencia ao paludismo. Están estendidos pola poboación, áchanse en bloques moi grandes (o que indica que son novos). O mapa haplotipo proporciona unha nova perspectiva do noso pasado (revela as vías de evolución do ser humano) e unha guía aproximada do noso futuro. 4.5 Os carácteres complexos están influídos por múltiples xenes. Algúns carácteres ou enfermidades preséntanse nunha mesma familia pero só nuns poucos membros ou sen un patrón fácil de discernir. As características que non seguen as leis de Mendel pero teñen unha compoñente herdada xeneticamente chámanse carácteres complexos. Por norma son polixénicos, están controlados por xenes múltiples. Os efectos destes xenes son aditivos, xuntos producen unha gradación de características na poboación. Individualmente seguen as leis de Mendel, pero como todos eles inflúen no fenotipo o patrón de carácteres herdados é moi complexo. A cor dos ollos é un carácter polixénico simple, está determinado por enzimas que controlan a distribución e produción do pigmento melanina. Canta máis melanina, máis escuro. Numerosos xenes contribúen a formación da melanina por iso a cor dos ollos humanos abarca un espectro tan amplo (dende o gris até o pardo escuro). As primeiras enfermidades recoñecidas débense u mutacións nun só xen. Porén, a maioría de fenotipos obvios (altura, peso ) xorden da interacción de moitos xenes. Son xenes múltiples os que determinan a predisposición a padecer á

12 maioría das enfermidades. Os investigadores exploran novas estratexias (mapas haplotipos) para comprender a reciprocidade entre xenes que actúan xuntos. 4.6 O ADN codifica o noso destino? Os xemelgos idénticos teñen o mesmo xogo de xenes pero nin son nin se comportan exactamente igual. O noso fenotipo non depende só dos xenes. Un factor importante é o ambiente. A maioría dos xenes son afectados polo ambiente: os xenes da altura dependen da nutrición, o exercicio altera a constitución corporal O medio inflúe nas enfermidades que podemos sufrir: a probabilidade de que unha persoa sufra unha cardiopatía depende, en parte, da dieta e o exercicio. Para diferenciar a contribución dos xenes da do medio nun carácter compárase o modo no que se herda en xemelgos idénticos e xemelgos fraternais. Os xemelgos idénticos comparten o 100% do seu ADN e os xemelgos fraternais teñen a mesma relación xenética que 2 irmáns. Se a característica aparece con maior frecuencia nos xemelgos idénticos que en xemelgos fraternais, dedúcese que é controlada polos xenes. Os estudos de xemelgos brindaron moita información acerca das contribucións dos xenes e do ambiente a moitas características. Os estudos de fillos adoptivos e as súas familias poden axudar. As persoas adoptadas comparten xenes cos seus pais biolóxicos e ambiente coa familia adoptiva. As similitudes entre as persoas adoptadas e os pais biolóxicos reflexan as influencias xenéticas.