Genética del Desarrollo

  octubre 06, 2020    Andre Izaguirre

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 Genética del Desarrollo

La genética del desarrollo estudia cómo a partir de una célula aparece un organismo completo a nivel intracelular, a nivel de los genes y de su expresión o no expresión. El desarrollo de un individuo multicelular ocurre a partir de un cigoto que prolifera mediante mitosis y mediante el proceso de determinación celular. En un principio todas y cada una de las células que constituyen el embrión pueden convertirse en cualquier tipo celular, son células pluripotentes, pero en la mayoría de los individuos tras algunas divisiones del embrión cada célula determina a qué tipo celular corresponderá y ya no podrá volver a formar otro tipo de célula.

Las etapas que engloba el desarrollo temprano en animales son:

Fecundación: por fusión de dos gametos surge el cigoto que acabará constituyendo el organismo. En mamíferos el gameto no es un óvulo propiamente dicho, sino que es un ovocito ya que está detenido en metafase de segundo orden, y pasa a óvulo una vez fecundado. Dentro de la fecundación se distinguen varias fases: aproximación, activación del ovocito, penetración y anfimixis (en mamíferos)

Segmentación: mediante divisiones por mitosis se forman primero blastómeros que a medida que se dividen van bajando por la trompa de Falopio hacia el útero. Divisiones sucesivas originan la mórula y finalmente la blástula. Después de la segmentación ocurre la compactación que consiste en los procesos que comunican los blastómeros entre sí e impedirían su separación si no hubiera zona pelúcida. Ya las células internas forman el embrioblasto que formará más adelante el embrión, y las células externas forman el trofoblasto que dará lugar a la placenta

Gastrulación: menos divisiones mitóticas, comienzan los movimientos morfogenéticos al desplazarse conjuntos de células. Se forman las tres hojas embrionarias: ectodermo, mesodermo y endodermo.

Organogénesis: el embrión experimenta la organización estructural, se delimitan los órganos.

Histogénesis: diferenciación de tejidos: epitelial, conjuntivo, muscular y nervioso.

La genética es muy importante a la hora de estudiar el desarrollo ya que la expresión de los genes regula eventos muy importantes en el mismo, es importante por tanto el estudio del control genético del desarrollo.

Organismos modelo

Artículo principal: Organismo modelo

Para el estudio de procesos biológicos, como es el control genético del desarrollo, se utiliza tan sólo un pequeño número de organismos, llamados organismos modelo. Estos reúnen una serie de características favorables para el trabajo de laboratorio, como son: pequeño tamaño (por lo que se les puede observar cómodamente), ciclos de vida y tiempo de regeneración cortos, capacidad para ser mantenidos a bajo coste, descendencia manejable en cuanto al número y adaptabilidad al ambiente del laboratorio.

Hay seis organismos modelos muy utilizados por genetistas:

• Escherichia coli: bacteria del intestino de algunos mamíferos, incluidos humanos.
• Saccharomyces cerevisiae: levadura de cerveza.
• Caenorhabditis elegans: nematodo.
• Drosophila melanogaster: mosca de la fruta. Véase embriogénesis de Drosophila.
• Arabidopsis thaliana: planta de la familia de la mostaza. Véase desarrollo floral.
• Mus musculus: ratón doméstico.

Otras especies también a menudo utilizadas en estudios genéticos son: Neurospora crassa (moho del pan), Zea mays (maíz) y Danio rerio (pez cebra).

Desarrollo de Drosophila

Artículo principal: Embriogénesis en Drosophila

Drosophila melanogaster es el modelo de control genético del desarrollo más utilizado entre los genetistas. El cuerpo de Drosophila tiene tres partes: cabeza, tórax y abdomen. El tórax se divide en tres segmentos, uno por cada par de patas. El segundo incluye las alas, y el tercero, los ronzales. El desarrollo de este plan corporal sigue una serie de pasos estereotipados. Así, una vez producida la fecundación, el embrión temprano se desarrolla en tres fases:

• Se desarrollan el eje antero posterior y el dorsoventral.
• Se determinan la orientación y el número de segmentos que compondrán el cuerpo
• Se establece la identidad de cada uno de los segmentos

Cada una de estas fases o etapas distintas están controladas por un grupo de genes diferente. El estudio de estos genes se lleva a cabo mediante el análisis de mutantes de Drosophila en diferentes estadios de desarrollo.

Genes maternos

Los primeros genes que actúan en el desarrollo son los genes maternos, también llamados genes de polaridad del huevo. Se transcriben a ARNm durante la ovogénesis, de ahí su primer nombre, y actúan tras la fecundación.

Determinan la constitución de los ejes principales de desarrollo de Drosophila: el eje dorsoventral y el anteroposterior. Según su papel en cada uno, se dividen en cuatro sistemas de genes:

Sistema anterior: determina la formación de la cabeza y del tórax.

Sistema posterior: determina la formación de los segmentos del abdomen.

Sistema terminal: determina la formación del acrón y del telson.

Sistema dorso-ventral: determina la formación de las estructuras dorsales y ventrales, como por ejemplo las alas y las patas.

Genes de segmentación

Patrón bandeado de expresión de los genes even.skipped (parasegmentos impares) y fushi tarazu (parasegmentos pares).,1​

Después de la acción de los genes maternos se activan los genes cigóticos o genes de segmentación que se expresan tras la fertilización. Estos genes se dividen en 3 clases que van actuar secuencialmente:

Genes gap: son los primeros en actuar y dividen mediante la transcripción de estos genes el embrión en 4 regiones ancha. Dentro de estas regiones, las combinaciones diferentes de actividades génicas especificarán tanto el tipo de segmento que se formará como el orden correcto de los segmentos en cada estado del desarrollo, en Drosophila determinará los segmentos del cuerpo de la larva, pupa y del adulto.

Genes de la regla par: son genes que se expresan después de los genes gap y dividen las amplias regiones establecidas por los genes gap en regiones con la anchura aproximada de un segmento, es decir, cada gen se expresa en un patrón de 7 bandas a lo largo del embrión, éstas bandas identifican parasegmentos impares (eve) y parasegmentos pares (Fushi tarazu) Por lo tanto, la expresión de estos genes establece los límites de los segmentos y el destino del desarrollo de las células dentro de cada segmento.

Genes de la polaridad de los segmentos: estos genes se activan en una única banda de células dentro de cada segmento después de la acción de los genes de la regla par y se van a extender alrededor de la circunferencia del embrión. En total en Drosophila se van a expresar en 14 bandas a lo largo del embrión.

Genes homeóticos

Los genes homeóticos o Hox son los últimos genes zigóticos que actúan a lo largo del desarrollo y se activan tras el efecto de los genes de la polaridad de los segmentos, la expresión de estos genes determina las estructuras del adulto que se formarán en cada segmento corporal. En Drosophila se sabe que estos genes se agrupan en dos complejos ubicados en el cromosoma 3:

Complejo Antennapedia: controla la identidad de los segmentos de la cabeza y de los dos primeros segmentos torácicos. Si se fuerza la expresión de Antennapedia en la cabeza, el animal mutante tendrá patas en vez de antenas (de ahí el nombre).

Complejo Bithorax: controla la identidad del tercer segmento torácico y de los segmentos abdominales.

Hay 4 grupos de genes Hox en Humanos; A-B-C y D. Se extienden en regiones de entre 20 y 100Kb y contienen hasta 10 genes. Muchos se corresponden con genes de Drosophila y son las causantes de malformaciones hereditarias de las extremidades.

También se han identificado cierto número de genes que controlan la expresión de los genes Hox, por ese motivo las mutaciones no afectan ni al número ni a la polaridad de los segmentos. Según los resultados de algunos experimentos se cree que los circuitos reguladores de los genes Hox no están ampliamente conservados en los sistemas animales.

Genes conmutadores maestros

Los genes conmutadores maestros son aquellos que controlan la acción de otros genes para disminuir el número de rutas de desarrollo alternativas que puede seguir la célula. Por ejemplo:

El gen ced-9 de C. elegans, relacionado con la apoptosis, controla la acción de los genes ced-3 y ced-4.

El gen eyeless de Drosophila, si se expresa activa a otros genes que controlan el desarrollo y la diferenciación del ojo adulto, mientras que si no se expresa el organismo carecerá de ojo.

Son genes bastantes importantes para el desarrollo, ya que programan la expresión del genoma reduciendo bastante los caminos a seguir del zigoto para llegar al organismo pluricelular.

Interacciones entre células

En el desarrollo de los organismos pluricelulares las interacciones entre células influyen en los patrones de transcripción y en el destino del desarrollo de las células vecinas. Esto se consigue mediante sistemas de señalización en el desarrollo. En el desarrollo temprano, los vertebrados utilizan 5 sistemas de señalización, cuando empieza la organogénesis se añade 5 sistemas más de los ya utilizados. Estos sistemas actúan independientemente como redes coordinadas para enviar y recibir señales en el desarrollo que produce respuestas transcripcionales específicas, las redes establecen la formación de patrones y dirigen la diferenciación de los tejidos y órganos.

Un ejemplo de estos sistemas es la ruta de señalización Notch, que actúa mediante contacto directo entre células para controlar el destino de desarrollo de las células que interactúan. Así, el gen Notch codifica un receptor de señal transmembranal. Este receptor cuando se une a una proteína delta (formada mediante la expresión del gen delta) experimenta un cambio de conformación y se separa un pequeño trozo proteico que se una a una proteína citoplasmática codificada por el gen su(H), este complejo proteico formada en el citoplasma se dirige al núcleo para unirse a cofactores de transcripción que activan el mecanismo de transcripción de un conjunto de genes que controlan una ruta de desarrollo específica.

Apoptosis

Se llama apoptosis al proceso de muerte celular programada que conlleva la degradación del DNA celular y la fagocitosis de la célula por macrófagos vecinos sin que se salga el contenido de la célula (a diferencia de la necrosis, que conlleva la muerte celular pero con salida del contenido al exterior debido a una lesión). Está mediado por la vía de las caspasas.

El proceso de apoptosis es importante para el desarrollo del organismo, ya que es un mecanismo de sustitución de células viejas y mantenimiento del tamaño del individuo. Por ello, está muy bien regulado tanto a nivel interior como exterior de la célula. En la mayoría de las células este proceso tiene que estar inhibido, ya que muchas de las células están programadas para la muerte celular.

Referencias

https://es.wikipedia.org/wiki/Gen%C3%A9tica_del_desarrollo

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Ingeniería genética

  octubre 06, 2020    Andre Izaguirre

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 Ingeniería genética

La tecnología del ADN recombinante consiste en aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para "re-combinarlo" con el de otro organismo3​

Generalmente se trata el ADN con una endonucleasa de restricción que origina en este caso un corte escalonado en las dos hebras dobles de ADN. Los extremos escalonados de ambas hebras de ADN son complementarios, una condición que deben de tener si se quieren unir. Los dos ADNs así cortados se mezclan, se calientan y se enfrían suavemente. Sus extremos cohesivos se aparearán dando lugar a un nuevo ADN recombinado, con uniones no covalentes. Las uniones covalentes se forman añadiendo ADN ligasa y una fuente energética para formar los enlaces.

Otra enzima clave para unir ADNs es la transferasa terminal, que puede adicionar muchos residuos de desoxirribonucleótidos sucesivos al extremo 3´de las hebras del ADN. De este modo pueden construirse colas de poli Guanina en los extremos 3´ de una de las hebras de ADN y colas de poli Citosina en los extremos de la otra cadena. Como estas colas son complementarias, permitirán que los dos ADNs se unan por complementariedad. Posteriormente, se forman los enlaces covalentes por la ADN ligasa.

El ADN recombinado se inserta en un ADN vector que actúe como vehículo para introducirlo en una célula hospedadora que lo replique, los vectores o transportadores más utilizados son los plásmidos y el ADN del fago lambda.

La secuenciación del ADN

Artículo principal: Secuenciación del ADN

Es un conjunto de técnicas que permiten conocer el orden en que aparecen los nucleótidos en el ADN,4​ que es la base de la información genética de los organismos. Esta técnica tiene aplicaciones médicas, como la búsqueda de algún polimorfismo genético que se asocie con una enfermedad; básicas: comparar la historia evolutiva de un organismo; o forenses.

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

Artículo principal: Reacción en cadena de la polimerasa

La técnica de la PCR aprovecha la actividad enzimática por la que se replica el ADN en las células para conseguir una gran cantidad de copias de ADN a partir de cantidades pequeñas.5​Se utiliza una polimerasa o una mezcla de varias que puedan resistir temperaturas elevadas, siendo la más común la polimerasa taq.

La técnica consiste en realizar varios ciclos de temperaturas elevadas para conseguir la desnaturalización del ADN y temperaturas más bajas para la amplificación del ADN desnaturalizado mediante la polimerasa.

Biotecnología genética

En la década de 1970 se abrieron nuevas perspectivas en el campo de las biotecnologías gracias a la elaboración de nuevas técnicas que permiten llegar directamente al material que está en el origen de todas las características y procesos vitales, es decir, el ADN. Este conjunto de técnicas moleculares de manipulación genética recibe el nombre de ingeniería genética.

Su objetivo es la manipulación in Vitro del ADN, la introducción de este ADN así modificado en células vivas y la incorporación del mismo como parte del material hereditario de dichas células. De este modo, ADN de diversas procedencias, por ejemplo, la fracción de ADN humano que regula la síntesis de insulina, puede introducirse en bacterias de manera que pasa a formar parte de su genoma y lograr así que la bacteria adquiera la capacidad de elaborar insulina.

Terapia genética

La terapia genética consiste en sustituir o añadir, según el caso, una copia normal de la región defectuosa del ADN para poder solucionar y restablecer la función alterada, evitando el desarrollo de enfermedades de origen genético,6​ como por ejemplo la facultad defensiva ante las enfermedades infecciosas. Las enfermedades con las que se ha empezado a trabajar son, entre otras, la deficiencia de la enzima ADA (adenosina desaminasa), conocida como la de los niños burbuja y la DMD o distrofia muscular de Duchenne.

La posibilidad de curar las enfermedades genéticas con un tratamiento específico justifica los esfuerzos que se están realizando en este sentido.

Implicaciones éticas

La ingeniería genética tiene aplicaciones en campos muy diversos; dos de los más importantes son la medicina y la creación de nuevas especies o mejora de las existentes. El progreso en estos ámbitos puede aportar resultados capaces de aliviar algunos problemas de gran importancia, pero no se debe olvidar que la explotación comercial de las tecnologías requeridas sólo está al alcance de unas pocas empresas multinacionales. Como era de esperar, la tradicional dependencia económica de los países subdesarrollados tiene en la ingeniería genética un nuevo elemento de desequilibrio. En otro orden de cosas, la ingeniería genética puede plantear graves problemas éticos. Hay opiniones muy diversas sobre dónde han de situarse los límites de manipulación del material que está en la base de todos los procesos vitales.

Al inicio de los experimentos del ADN recombinante, varios investigadores mostraron su preocupación por los riesgos que se pueden realizar con dichas técnicas. En varios países se crearon comités para discutir el uso y la aplicación de técnicas de ingeniería genética.

Ingeniería genética en seres vivos

Ingeniería genética en bacterias

Son los seres vivos más utilizados en Ingeniería Genética. La más utilizada es la Escherichia coli. Se usa prácticamente en todos los procesos de I.G.7​

Otra de las aplicaciones más actuales que se han hecho, ha sido modificar genéticamente bacterias que vivan en el sistema digestivo del ser humano en un lapso mínimo de 6 meses a 1 año, con el objetivo de disminuir el apetito. Esta investigación se basa en N-acil-fosfatidiletanolamina, y N-acil-etanolamina, encargadas de mandar señales al hipotálamo, que es el encargado de la ingesta de alimentos.

Ingeniería genética en levaduras y hongos

Son junto con las bacterias los sistemas más utilizados. El Saccharomyces cerevisiae fue el primer sistema eucariota secuenciado completamente.8​ Otra levadura importante es P. pastoris, utilizada para conseguir proinsulina en cultivo discontinuo y quitinasa en cultivo continuo. En el campo de los hongos destaca por su labor médica el Penicillium.

Otra aplicación ha sido la levadura P. pastoris se ha usado para producir grandes cantidades de proteínas, gracias a que es capaz de crecer en los reactores hasta alcanzar muy altas densidades celulares. Por ejemplo, se ha utilizado para producir quitinasa humana en cultivo continuo (0,3 g/L/día) o proinsulina humana en un sistema discontinuo (1,5 g/L).

Ratones knockout.

Ingeniería Genética en animales

Producción animal por ingeniería genética:

La manipulación genética de los animales persigue múltiples objetivos: aumentar el rendimiento del ganado, producir animales con enfermedades humanas para la investigación, elaborar fármacos, etc.

Peces transgénicos: las principales aplicaciones en animales se han realizado en peces, debido a que la fecundación es externa, lo cual permite la introducción del gen en el cigoto antes de que se unan el núcleo del espermatozoide y el del óvulo. Se han producido carpas transgénicas que crecen mucho más rápido, debido a la incorporación del gen de la hormona del crecimiento de la trucha, y salmones transgénicos, que resisten mejor las bajas temperaturas.

Mamíferos: se han obtenido ratones transgénicos, con distintos genes modificados.9​ Sin embargo, todavía su aplicación para la mejora de especies es preliminar, enfocándose el estudio desde un punto de vista más bien puramente científico.

Ingeniería Genética en plantas

Actualmente se han desarrollado plantas transgénicas de más de cuarenta especies. Mediante ingeniería genética se han conseguido plantas resistentes a enfermedades producidas por virus, bacterias o insectos.10​Estas plantas son capaces de producir antibióticos, toxinas y otras sustancias que atacan a los microorganismos. También se han conseguido otro tipo de mejoras, como la producción de distintas sustancias en los alimentos que aumentan su calidad nutricional, mejorar las cualidades organolépticas de un producto o que ciertas plantas sean más resistentes a determinados factores ambientales, como el frío.

Un gran ejemplo de ello es la bacteria Agrobacterium tumefaciens que tiene la capacidad  de transferir ADN entre reinos diferentes. El impacto de este hallazgo ha tenido grandes aplicaciones en diversos campos de la biología vegetal, agricultura y biotecnología. Así mismo, esta interacción ha dado pie a formular modelos de señalización celular, transporte célula a célula, importe nuclear de proteínas y ADN y mecanismos de integración  genómica (Tzfira y Citovsky, 2000). Durante el proceso de infección A. tumefaciens introduce en la célula vegetal una parte de su ADN (ADN de transferencia) el cual es integrado dentro del genoma de la planta. Los genes del ADN-T son expresados en su hospedero e inducen la formación de tumores y la síntesis de unos derivados de aminoácidos llamados opinas los cuales son aprovechados por la bacteria.11​

Las técnicas de ingeniería genética también permiten el desarrollo de plantas que den frutos de maduración muy lenta. Así, es posible recoger tomates maduros de la tomatera y que lleguen al consumidor conservando intactos su sabor, olor, color y textura. La mejora de la calidad de las semillas es también un objetivo.

Las aplicaciones farmacéuticas son otro gran punto de interés. La biotecnología permite desarrollar plantas transgénicas que producen sustancias de interés farmacológico, como anticuerpos, ciertas proteínas u hormonas, como la hormona del crecimiento.

Aplicaciones de la Ingeniería Genética en medicina e industria farmacéutica

Obtención de proteínas de seres vivos

Una serie de hormonas como la insulina, la hormona del crecimiento, factores de coagulación, etc., tienen un interés médico y comercial muy grande. Antes, la obtención de estas proteínas se realizaba mediante su extracción directa a partir de tejidos o fluidos corporales. En la actualidad, gracias a la tecnología del ADN recombinante, se clonan los genes de ciertas proteínas humanas en microorganismos adecuados para su fabricación comercial. Un ejemplo típico es la producción de insulina12​que se obtiene a partir de la levadura Sacharomyces cerevisae, donde se copia el gen de la insulina en humanos.

Obtención de vacunas recombinantes

El sistema tradicional de obtención de vacunas a partir de microorganismos patógenos inactivos, puede comportar un riesgo potencial. Muchas vacunas, como la de la hepatitis B,13​ se obtienen actualmente por ingeniería genética. Como la mayoría de los factores antigénicos son proteínas lo que se hace es clonar el gen de la proteína correspondiente.

Vacunas atenuadas: Se eliminan los genes de virulencia de un agente infeccioso para provocar una respuesta inmune. El organismo modificado genéticamente puede usarse como lo que es llamado una vacuna “viva” sin que exista riesgo de que se revierta al tipo virulento.

Actualmente se está ensayando una vacuna de cepas estables del Vibrio cholerae, éste se encuentra desprovisto del gen que codifica para su enterotoxina, la cual provoca la enfermedad. Otro ensayo existente ha sido en la Salmonella, donde se le han quitado ciertos genes que aunque no son virulentos, convierten a la cepa en atenuada una vez desaparecidos, es decir que disminuyen su virulencia 1, 000, 000 de veces. Su efectividad ha logrado demostrarse en ovejas, bovinos, pollos y hasta en humanos recientemente

Vacunas de organismos recombinantes vivos: Para estas se utilizan microorganismos no patógenos a los cuales se incorporan genes de agentes patógenos que codifican para los antígenos que desencadenan la respuesta inmune. El virus vacunal tiene un genoma amplio y secuenciado que permite acomodar varios genes foráneos en su interior por lo que es un vector recombinante muy utilizado. A partir de este método se ha logrado desarrollar la vacuna contra la rabia insertando el genoma del virus, provocando la respuesta inmune en el organismo del hospedador. De igual manera se han ensayado las expresiones de genes que codifican para antígenos de virus de la hepatitis B, de la gripe y del herpes simple. Con este método, se podría lograr el desarrollo de vacunas que inmunicen simultáneamente para varias enfermedades, insertando en el virus recombinante varios genes de distintos organismos patógenos a la vez.

Vacunas de subunidades: Para agentes infecciosos que no se pueden mantener en cultivo, se aíslan los genes que codifican para las proteínas causantes de la respuesta. Dichos genes se pueden clonar y expresar en un huésped alternativo tales como bacterias, levaduras o líneas celulares de mamíferos. Luego de insertado el gen de interés, la bacteria o levadura recombinante inicia con la producción de subunidades de proteínas en grandes cantidades, mismas que son recolectadas y purificadas para utilizarlas como vacunas. La vacuna contra la hepatitis B fue la primera puesta en el mercado y siendo producida por este método.

Vacunas de ADN: Consisten en plásmidos en los que se introduce tan sólo una diminuta cantidad del material genético del patógeno contra el que se pretende luchar. Al inyectar el plásmido en el músculo o la piel, éste penetra dentro de la célula y llega al núcleo, comandando entonces la producción de los antígenos del patógeno que desencadenarán la respuesta inmune. Así, se traslada la fábrica de la vacuna a los tejidos del huésped. En la actualidad se realizan ensayos de diversas vacunas de este tipo, algunos ejemplos son la vacuna para la hepatitis B, para la malaria, para la gripe, para el herpes simple y para el SIDA.

Diagnóstico de enfermedades de origen genético

Artículo principal: Diagnóstico genético preimplantacional

Conociendo la secuencia de nucleótidos de un gen responsable de una cierta anomalía, se puede diagnosticar si este gen anómalo está presente en un determinado individuo.

Hasta ahora ha sido posible la localización de los genes responsables de la fibrosis quística, la distrofia muscular, la hemofilia o el Alzheimer.14​ Para identificar estos genes se usan sondas de ADN.

La clonación de genes puede rendir dos tipos de productos: el DNA clonado, útil como reactivo específico en ensayos de diagnóstico por hibridación o bien los productos proteicos de los genes clonados (antígenos purificados para inmunodiagnóstico en producción de vacunas).

Hay descritas cerca de 500 enfermedades hereditarias producidas por mutaciones recesivas. Las técnicas de ingeniería genética han servido para diagnosticar algunas de ellas, por ejemplo, la anemia falciforme.

Obtención de anticuerpos monoclonales

Este proceso abre las puertas para luchar contra enfermedades como el cáncer y diagnosticarlo incluso antes de que aparezcan los primeros síntomas.

El interferón fue el primer medicamento producido por ingeniería genética.15​ Es utilizado como medicamento complementario a la quimioterapia para la cura del cáncer. Su producción era cara hasta 1980, pero genes de interferón fueron introducidos en bacterias usando tecnología de recombinación del ADN permitiendo así el cultivo masivo y purificación de las emisiones bacterianas.

Referencias

https://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_gen%C3%A9tica#:~:text=La%20ingenier%C3%ADa%20gen%C3%A9tica%20es%20la,los%20genes%2C%20eliminarlos%20o%20duplicarlos.

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Genómica

  octubre 06, 2020    Andre Izaguirre

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 Genómica

Definición

La Genómica es una rama de la Genética que se ocupa del mapeo, secuenciación y análisis de las funciones de genomas completos. Es el conjunto de ciencias y técnicas dedicadas al estudio integral del funcionamiento, el contenido, la evolución y el origen de los genomas. Implica el estudio de todos los genes en la DNA, el mRNA, y el nivel del proteoma así como el nivel celular o del tejido.

Surgimiento y desarrollo

La Genómica es un concepto que fue desarrollado en los años 70 y 80 por Fred Sanger quien fuera el primero en ordenar el genoma completo de un virus y de un mitochondrion. El conocimiento sobre genes que se ha recolectado hasta ahora ha llevado a la aparición de la Genómica Funcional, un campo referido a intentar entender el modelo de la expresión génica, especialmente a través de diversas condiciones ambientales. Las ciencias genómicas han tenido un importante auge en los últimos años, sobre todo gracias a las tecnologías avanzadas de secuenciación de ADN, a los avances en Bioinformática, y a las técnicas cada vez más sofisticadas para realizar análisis de genomas completos. 

El desarrollo de la Genómica ha contribuido al avance de distintos campos de la ciencia como la medicina, la agricultura, etc; gracias al descubrimiento de secuencias de genes necesarias para la producción de proteínas de importancia médica y a la comparación de secuencias genómicas de distintos organismos. Por ejemplo en varios países como Estados Unidos, la Unión Europea y Japón se han realizado enormes proyectos para secuenciar el genoma de diversos organismos modelo. Probablemente el más conocido es el Proyecto Genoma Humano.

Objeto de estudio

A diferencia de la Genética clásica que a partir de un fenotipo, generalmente mutante, busca el o los genes responsables de dicho fenotipo, la Genómica tiene como objetivo predecir la función de los genes a partir de su secuencia o de sus interacciones con otros genes. Tiene un enfoque distinto para responder preguntas biológicas cuando se compara con otras ramas de la Biología más tradicionales. En lugar de un enfoque reduccionista más comúnmente usado en otras ramas como son la Biología Molecular o la Bioquímica, la Genómica trata estos problemas de manera global.

Características principales

• Interdisciplinariedad: el gran número de datos generados en un estudio de este tipo requiere combinar tanto conocimientos biológicos como estadísticos e informáticos: usa conocimientos derivados de Biología Molecular, Bioquímica, Informática, Estadística, Matemáticas, Física, etc.

• Utilizan una estrategia Top-down para analizar preguntas en Biología: primero se observa el comportamiento global de muchos genes o biomoléculas en un organismo (ARN mensajero, proteínas, metabolitos, etc.) y eventualmente se llega a conclusiones más particulares que conciernen sólo a algunas biomoléculas.

Clasificación según el área del conocimiento que abarque

• Genómica Funcional

• Genómica Estructural

• Genómica Comparativa

Aplicaciones

Las aplicaciones biotecnológicas, no sólo contribuirán en forma muy significativa a mejorar la calidad de vida de la población, en la medida en que sean empleadas adecuadamente y con justicia, sino que están generando o modificando mercados mundiales que movilizan fondos de enorme dimensión, de allí la participación tan activa de empresas grandes y pequeñas.

En el campo de la Salud, (tanto humana como la sanidad animal y vegetal)

• Para diagnóstico:

- De patologías infecciosas o parasitarias.

- De patologías metabólicas (moleculares).

- De patologías de origen génico.

- Estudio de la susceptibilidad a adquirir o desarrollar patologías.

• Para la prevención y en aplicaciones terapéuticas:

- Desarrollo de vacunas basadas en el conocimiento genómico.

- Desarrollo de nuevos productos bioactivos. (Hormonas, u otros).

- Uso de las antisecuencias y genes “anti”.

- Estrategias en el uso de nuevos anticuerpos.

-Terapias génicas. Estrategias para su desarrollo.

-Transplante de grupos celulares transgenizados.

- Uso de vectores virales inocuos o atenuados.

- Uso de células embrionarias (stem cells), transgénicas o no.

Aplicaciones industriales

La genómica, además de ser sumamente importante en la investigación de enfermedades genéticas, tiene un enorme potencial en diferentes industrias.

a) Alimentos:

A través de la identificación de la secuencia genómica de las plantas cultivadas es posible generar cosechas mucho más resistentes a las sequías, plagas o infecciones. Es posible obtener productos con un mayor valor nutricional. Esto ha permitido desarrollar la llamada ‘alimentación funcional’ referida a alimentos que pueden mejorar parámetros fisiológicos de consumidor. Un ejemplo de ello es el Benecol producido por Johnson y Johnson, que utiliza fitosteroles (grasa de las plantas) para fabricar sustitutos de lácteos que reducen el colesterol sanguíneo de sus consumidores.

b) Farmacopea:

Se han desarrollado nuevos fármacos sin efectos secundarios y se apunta a una notable evolución de la medicina pasando del diagnóstico médico basado en síntomas hacia la medicina por pronóstico utilizando marcadores genéticos.

c) Salud animal:

La tecnología genómica se ha aplicado a modelos experimentales con ratones, ganado, cerdos y pollos. Se han creado animales manipulados genéticamente y se ha logrado, por ejemplo, ganado vacuno u ovino con mayor peso y tamaño. En la Medicina veterinaria se han desarrollado también antibióticos, sedantes y productos para el tratamiento hormonal con alto nivel de eficacia.

d) Higiene personal:

La Genómica permite, por ejemplo, un mejor conocimiento de la anatomía cutánea, lo cual posibilita desarrollar productos adecuados para cada tipo de piel. Se han desarrollado así cremas solares, pastas de dientes, perfumes, champús, etc. acordes con cada necesidad.

e) Agroquímica:

Se trata de la ciencia química que estudia las causas y los efectos de las reacciones bioquímicas que afectan el crecimiento animal y vegetal. La tecnología de la Genómica permite identificar los genes que están en los patógenos o parásitos, pero no en las plantas, para crear toxinas selectivas contra la infección. Por ejemplo, a mediados del 2012, la universidad de La Rioja presentó un estudio sobre la secuencia genómica de la araña roja, que permitió posteriormente desarrollar nuevos plaguicidas más efectivos y menos tóxicos para otros organismos.

f) Energía:

Es posible transformar la energía de las plantas en etanol, sustituto de la gasolina. Si se logra modificar el código genético de las plantas para obtener etanol en forma más eficiente y barata, cambiará el mercado de combustibles. Asimismo, la secuencia completa del genoma del cultivo de camelina sativa ha posibilitado utilizarla como materia prima para producir biodiésel, combustible para aviones. El consumo de este biocombustible puede reducir las emisiones de carbono en 85% Las industrias señaladas, así como muchas otras, textiles, etc., encaran este enorme desafío que explica por qué algunas de las firmas industriales más importantes del mundo están invirtiendo miles de millones de dólares en Genómica.

• En el control de la contaminación ambiental:

El conocimiento de los genes participantes en diferentes cadenas metabólicas y las posibilidades de hacer transgénesis a otras especies, son importantísimas herramientas potenciales para contribuir al control de la contaminación de aguas dulces, de costas oceánicas y atmosféricas, que especialmente la actividad de la especie humana genera en forma creciente.

Perspectivas para el futuro

Los genomas que han sido secuenciados son muy útiles para la humanidad, pero son una mínima parte del total de genomas existentes. La secuenciación de estos genomas aportará una información muy valiosa para el tratamiento de enfermedades, la agricultura y la biotecnología. Las secuencias genómicas completas de mamíferos ayudarán al entendimiento de la evolución y función del Genoma humano. En el futuro, la información sobre la secuencia genómica completa podrá aplicarse en el tratamiento individual de pacientes, incluso en recién nacidos, dando lugar a una medicina más individualizada. El conocimiento de secuencias completas también tiene un aspecto negativo, ya que puede llevar a la discriminación de algunas personas identificadas como portadores de secuencias que determinen enfermedades, trastornos y rasgos físicos.

Importancia del conocimiento genómico

Ya se ha logrado decodificar los genes, de tal forma que hoy es posible conocer a priori qué enfermedades sufrirá una persona en el transcurso de su vida, cómo tratar enfermedades consideradas hasta ahora como incurables, crear nuevos medicamentos y contar con diagnósticos más certeros. El conocimiento del contenido de genes de diversas especies, permite el acceso a una nueva etapa en la Biología y en sus áreas de aplicación, las biotecnologías, pues abre puertas al conocimiento más completo y detallado de las bases moleculares de la vida en las células y sus interrelaciones en órganos e individuos. Esto incluye no sólo el conocimiento del desarrollo embrionario y de la diferenciación celular, sino también la posibilidad de comprender las bases de la actividad del sistema nervioso central, incluyendo el pensamiento, la memoria y la capacidad intelectual.

Referencias

https://www.ecured.cu/Gen%C3%B3mica

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Genética Evolutiva y de Poblaciones

  octubre 06, 2020    Andre Izaguirre

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 Genética Evolutiva y de Poblaciones

La evolución biológica es un hecho histórico establecido, pero ¿qué factores son responsables del cambio evolutivo? La evolución es esencialmente un proceso de cambio genético en el tiempo, y la genética de poblaciones es la disciplina biológica que suministra los principios teóricos de la evolución. En esta ciencia se parte del supuesto de que los cambios evolutivos a pequeña escala, los que se dan en el seno de las poblaciones de las especies, contienen todos los elementos necesarios para explicar toda la evolución, pues la macroevolución, o evolución a gran escala, no sería más que la extrapolación en el espacio y en el tiempo de los procesos básicos que se dan en las poblaciones. Casi todas las especies comprenden una o más poblaciones de individuos que se cruzan entre sí, formando una comunidad de intercambio genético denominada población mendeliana. 

Esta población es el sustrato básico donde se forja la evolución. En el seno de la población se da el hecho inevitable de que algunos individuos dejan más descendientes que otros. Como que el único componente que se transmite de generación en generación es el material genético (los genes), el que un individuo deje más descendientes implica que sus variantes génicas (alelos) estarán más representadas en la siguiente generación. 

De este modo, las frecuencias de los distintos alelos cambiarán de una generación a otra, y este cambio será irreversible cuando se considera el conjunto de los genes de la población, pues es muy improbable que se vuelva a una configuración previa en todas las variantes génicas. Por tanto, desde el punto de vista de la población, la evolución es en último término un cambio acumulativo e irreversible de las proporciones de las diferentes variantes de los genes en las poblaciones. ¿Qué procesos hacen que unos alelos cambien en frecuencia de generación en generación? Los agentes que cambian las frecuencias alélicas (o génicas) de las poblaciones, o sea, los factores de evolución, son: la mutación, la deriva genética, la migración y la selección natural.

Los factores de evolución

La mutación

La variación genética es la materia prima de la evolución, sin la cuál no es posible la evolución. La fuente última de toda variación genética es la mutación. Una mutación es un cambio estable y heredable en el material genético. Las mutaciones alteran la secuencia del ADN y por tanto introducen nuevas variantes. Muchas de estas variantes suelen ser eliminadas de la población, pero ocasionalmente algunas de estas variantes pueden tener éxito y incorporarse en todos los individuos de la especie. La mutación es un factor que aumenta la diversidad genética. La tasa de mutación de un gen o una secuencia de ADN es la proporción de nuevas mutaciones que se producen en ese gen o la secuencia de un individuo en cada generación. 

Cada especie tiene un tasa de mutación propia que ha sido modulada por la selección natural para que la especie pueda enfrentarse de un modo más o menos óptimo a los compromisos contrapuestos de estabilidad-cambio que le impone su ambiente. Una alta tasa de mutación implica un mayor potencial de adaptación en el caso de un cambio ambiental, pues permite explorar más variantes genéticas, aumentando la probabilidad de obtener la variante adecuada necesaria para adaptarse al reto ambiental. A su vez, una alta tasa de mutación aumenta el número de mutaciones perjudiciales o deletéreas de los individuos, haciéndolos menos adaptados, y aumentando la probabilidad de extinción de la especie. Las mutaciones no tienen ninguna dirección respecto a la adaptación, son como un cambio al azar de una letra por otra en un texto. Este cambio suele producir una falta de significado, y por eso muchas mutaciones son deletéreas. Pero a veces ciertos cambios pueden introducir nuevos significados, permitiendo nuevas funciones.

La deriva genética

En cada generación se produce un sorteo de genes durante la transmisión de gametos de los padres a los hijos que se conoce como deriva genética. La mayoría de los organismos son diploides, es decir, tienen dos ejemplares de cada gen. Los gametos de estos organismos portan solo uno de las dos ejemplares (alelos) de cada gen. El que un gameto lleve un alelo u otro es una cuestión de azar, análoga a obtener una cara al tirar una moneda, por lo que la formación de gametos y su consiguiente unión para formar los huevos de la siguiente generación solo puede describirse como un proceso probabilístico. Por ejemplo, en una población de una especie diploide de 50 individuos, para un gen con dos alelos, A y a, que estén en la misma frecuencia habrá 50 copias del alelo A y 50 del alelo a. Cuando estos individuos formen la siguiente generación, es tan improbable que la nueva generación tenga los mismos 50 alelos A y 50 a, como tirar una moneda 100 veces y obtener exactamente 50 caras y 50 cruces. Según este razonamiento, cada generación esperamos una fluctuación al azar de las frecuencias alélicas en las poblaciones. Si en algún momento durante esta conducta fluctuante un tipo de los alelos no llega a transmitirse a la siguiente generación, entonces este alelo se habrá perdido para siempre. Como proceso de muestreo que es, las fluctuaciones debidas a deriva genética serán mayores en poblaciones pequeñas que en grandes. El resultado de la deriva suele ser la pérdida de variabilidad genética, siendo un proceso que contrarresta la entrada de variabilidad genética por mutaciones.

La migración

El intercambio de genes entre poblaciones debido a la migración de los individuos entre poblaciones es otro factor importante de cambio genético en las poblaciones. Si dos poblaciones difieren en las frecuencias de los alelos de algunos de sus genes, entonces el intercambio de individuos entre las poblaciones producirá un cambio de las frecuencias de los genes en cada una de las poblaciones. Las migraciones humanas durante la expansión neolítica determinaron significativamente el tipo y la cantidad de variación genética de nuestra especie.

La selección natural
   
Definición de Selección Natural por Ch. Darwin

 

Darwin será siempre admirado por hacer inteligible la vida, por reducir a un único concepto, el de selección natural, la explicación de la diversidad inmensa y fantástica que observamos en la naturaleza. Como ya se ha comentado, la selección natural es tan sólo uno de los factores de evolución. Sin embargo, la selección natural es el único proceso conocido que permite explicar la complejidad inherente a la vida, las adaptaciones de los organismos, y por eso ocupa una posición central en la biología evolutiva. La selección natural es incluso un principio más fundamental que la misma vida, pues como R. Dawkins ha señalado, "la 'supervivencia de los más aptos' de Darwin es un caso especial de una ley general de la supervivencia de lo estable". 

La idea de la selección natural es engañosamente sencilla, pues son muchos los que pensando que la entienden, la han malinterpretado o no la han captado en toda su profundidad. Darwin comentaba acerca de su amigo y entusiasta seguidor, T.H. Huxley, gran divulgador de la visión evolutiva, que no tenía una idea exacta de la selección natural. Aún en la actualidad podemos decir que la selección sigue siendo malentendida frecuentemente.

 

Definición de selección natural

En esencia, la selección natural es reproducción diferencial de unas variantes genéticas respecto de otras. Podemos definirla más rigurosamente como el proceso que resulta del cumplimiento de las tres condiciones siguientes: (1) variación fenotípica entre los individuos de una población, (2) supervivencia o reproducción diferencial asociada a la variación, y (3) herencia de la variación. Si en una población de organismos se dan estas tres condiciones, entonces se sigue necesariamente un cambio en la composición genética de la población por selección natural.  

La selección en acción

Para clarificar nuestra definición de selección natural, supongamos que hay una población de polillas cuyos miembros pueden ser de color oscuro o claro. Tenemos por tanto variación fenotípica, nuestra primera condición. Al seguir a ambos tipos de polilla a lo largo de su vida, vemos que en promedio las formas oscuras dejan más descendientes que las claras. Este es el segundo principio, las formas oscuras tienen una mayor éxito reproductor que las claras. Pero esta ventaja de la forma oscura no tendría ninguna trascendencia si la variante oscura no fuese hereditaria. 

Por lo que es necesario añadir el principio de la herencia. Si el color oscuro esta determinado por un tipo (o alelo) de un gen, mientras que el color claro lo está por otro alelo del mismo gen, el que las formas oscuras dejen más descendientes significa que el alelo oscuro aumentará su representación en la población de la siguiente generación, y por tanto la selección natural aumentará la proporción de formas oscuras. Así es como funciona la selección natural.

La selección natural explica las adaptaciones

Sin duda, el aspecto que más nos fascina cuando estudiamos cualquier especie son sus adaptaciones. La habilidad que muestran las arañas cuando tejen su tela, la conducta rígidamente jerarquizada de un sociedad de hormigas, el camuflaje en forma y color de muchas especies con su medio, la delicada complejidad de un ojo,... Órganos, estructuras, conductas, suelen estar diseñados para la supervivencia y la reproducción. La selección natural produce las adaptaciones. ¿Cómo?

El ejemplo de las polillas que hemos utilizado se corresponde a un caso clásico de selección adaptativa: el del melanismo industrial de la geómetra del abedul Biston betularia. En fecha tan temprana como 1848, durante la revolución industrial en Inglaterra, los naturalistas notaron que en áreas industriales, contrariamente a lo que pasaba en zonas no contaminadas, las formas oscuras predominaban sobre las claras. ¿Por qué las variantes oscuras dejan más descendientes que las claras? El hollín de las fábricas mata los líquenes grisáceos-claros que habitan sobre la corteza de los árboles, donde estas polillas pasan gran parte de su tiempo, y la ennegrece. 

A partir de esta evidencia, H. B. D. Kettlewell llevó a cabo una serie de experimentos que demostraron que las formas oscuras se camuflan mejor de las aves depredadoras que la claras en la corteza de los árboles, siendo favorecidas por la selección. Así, el color oscuro es una adaptación porque sus portadores sobreviven más que los de color claro. Las adaptaciones son, por tanto, aquellas características que aumenta su frecuencia en la población por su efecto directo sobre la supervivencia o el número de descendientes de los individuos que la llevan. Las formas claras, por el contrario, eran miméticas en las zonas no contaminadas, siendo aquí seleccionadas a favor. Este caso ilustra que la adaptación no es una propiedad invariante, absoluta, sino contingente, dependiente de cada contexto ecológico. No existe a priori un fenotipo, una forma clara o oscura, mejor. Tenemos que acudir al contexto ecológico de cada especie para conocer la causa de una adaptación.  

La mutación no puede explicar las adaptaciones

 El ejemplo previo muestra también porqué la selección natural es la única explicación satisfactoria de las adaptaciones. La mutación no puede generar nuevas adaptaciones porque no tiene dirección, es decir, los cambios que produce una mutación en el organismo no tienen ninguna relación directa con el éxito o la eficacia de los organismos que la sufren. La variación por mutación es azarosa. La selección es el proceso ordenador mediante el que se escogerán, de entre todas las variantes existentes en un momento dado, aquellas que sean útiles -en términos de reproducción y supervivencia- para el organismo.

La selección natural es acumulativa

Mucha gente no tiene problemas en aceptar que la selección natural produzca pequeños ajustes adaptativos como el mimetismo del melanismo industrial, pero les cuesta creer que la selección natural pueda crear órganos tan complejos como un ojo. Este es el argumento de la incredulidad personal. Por ejemplo, F. Hoyle, un famoso astrónomo británico, dice que es tan improbable que una proteína de hemoglobina, con sus 141 aminoácidos, sea formada de una sola vez por selección como el que un huracán que arrasara un desguace de chatarra ensamblara un avión Boeing 747. En este razonamiento subyace la idea equivocada de que la selección natural produce las adaptaciones en un solo paso.

La selección natural es un proceso acumulativo que permite incorporar pequeñas mejoras generación tras generación hasta obtener estructuras muy complejas. Considérese la siguiente frase de la obra Hamlet de Shakespeare: "Creo que es como una comadreja". La probabilidad de obtener en un solo paso esta frase tecleando al azar una máquina es una 1 en 1040 (un 1 y 40 ceros) intentos. Pero si se simula el proceso como lo hace la selección natural, es decir, seleccionando en cada intento la frase que más se aproxima a la frase deseada, y generando nuevos cambios al azar en la frase seleccionada, la frase buscada se obtiene en poco más de 30 pasos. Aplicando esta misma lógica, los biólogos suecos D. E. Nilsson y S. Pelger han estimado que el tiempo necesario para la evolución de un ojo como el de los vertebrados es un breve instante comparado con la magnitud del tiempo geológico. La selección natural es verdaderamente la fuerza creativa de la evolución.

 Teorías evolutivas actuales

La principal oposición a la teoría de la Evolución ha surgido casi siempre desde posiciones religiosas que interpretan la creación de la vida en la forma literal que se describe en el libro del Génesis de la Biblia. Tras la obra de Darwin, sin embargo, pocos naturalistas, biólogos y pensadores niegan el hecho de la evolución, y toda discusión se centra en los mecanismos de evolución. Darwin creía que la selección era un mecanismo necesario y suficiente para cualquier adaptación, pero tras su muerte hubo un eclipse de la teoría de la selección que duró más de 40 años. 

Muchos autores rechazaban la falta de dirección que postulaba el darwinismo, y propusieron alternativas finalistas. El paleontólogo y jesuita Teilhard de Chardin (1881-1955) creía, por ejemplo, que la evolución tenía una clara direccionalidad en sentido ascendente, y que el destino último de la evolución era el encuentro del espíritu humano con la divinidad, el punto Omega. No hay ninguna evidencia que apoye esta visión mística. Actualmente existe un consenso generalizado de que la teoría sintética o neodarwinista, que integra el proceso de selección natural de Darwin con la genética mendeliana, contiene los elementos básicos de la teoría explicativa de la evolución.

La teoría sintética o neodarwinista de la evolución 

En los años 20 de este siglo la genética de poblaciones se establece como el núcleo teórico, el componente explicativo de la evolución. La integración de la genética de poblaciones con otros programas de investigación evolutiva, tales como la biología de poblaciones experimental, la clasificación, la paleontología, la zoología y la botánica, produjeron durante el periodo de 1937-1950 la teoría sintética o neodarwinista de la evolución. 

En ella se produce la mayor integración de disciplinas, nunca antes alcanzada, de una teoría evolutiva. Desde la teoría neodarwinista, la evolución es un proceso en dos etapas, (1) surgimiento al azar de la variación, y (2) selección direccional de las variantes producidas en la primera etapa. El juego entre el azar de la mutaciones y la necesidad de la selección son el motor de la evolución. La revolución de la biología molecular de los últimos 30 años no ha hecho más que confirmar la importancia general de ambos ingredientes. 

Las críticas al neodarwinismo se han centrado en su pretensión de generalizar sus procesos microevolutivos a toda la macroevolución. Así por ejemplo, el neodarwinismo no considera el papel de las extinciones masivas en sus explicaciones. La teoría neodarwinista debe ampliarse para dar cabida a estos nuevos procesos.

Sociobiología

El comportamiento animal, al igual que cualquier otro carácter fenotípico, es una consecuencia de la selección natural. La sociobiología es una línea de investigación reciente basada en el neodarwinismo que pretende explicar la base evolutiva del comportamiento social de los animales. Este campo ha sido el foco de serias controversias por la extrapolación de algunas de sus consecuencias teóricas a la especie humana. Veamos como se aplica la lógica sociobiológica al caso de la evitación del incesto entre hermano-hermana en humanos. 

Este comportamiento se basa en un alto grado de inhibición sexual desarrollado durante la estrecha asociación doméstica en los primeros seis años de vida. Puesto que es una regla que se da a través de las más diversas culturas y es suficientemente fuerte como para superar las variaciones sociales y culturales, es razonable suponer que la norma tiene una base genética. El incesto da lugar a altas tasas de homocigosis genética, lo que significa más enfermedad hereditaria y muerte temprana de la descendencia. Una regla conductual de este tipo, que conduce a más altas tasas de supervivencia, sería favorecida por la selección natural.

Referencias

http://bioinformatica.uab.cat/base/base3.asp?sitio=geneticapoblaciones&anar=quees&item=&subitem=

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Genética Cuantitativa

  octubre 06, 2020    Andre Izaguirre

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 Genética Cuantitativa

La genética cuantitativa es la rama de la genética que estudia los caracteres controlados por muchos genes, denominados poligénicos, y  de sus propiedades genéticas en las poblaciones.

Tipos de caracteres

Las observaciones que sirvieron de base a las Leyes de la Herencia se realizaron en caracteres cualitativos que expresaban diferencias de clase entre os fenotipos: individuos de color negro o marrón, pelo largo o corto, etc. Sin embargo, se define como fenotipo de un individuo a toda característica visible o medible de dicho individuo. Muchos caracteres de interés económico en producción animal, específicamente los que pueden ser medidos, varían en forma continua, lo que significa que los individuos no pueden ser clasificados en clases discretas.

Básicamente se puede hablar de dos tipos de caracteres:

Cualitativos

Son aquellos que están determinados por uno o muy pocos pares de genes, por eso también son llamados oligogénicos. Presentan una variación cualitativa, discreta o discontinua: en una población se  observan clases de individuos según el genotipo que presenten y el mecanismo de acción génica actuante.

Cuantitativos

Otro tipo de características no pueden ser encuadradas dentro de la una variación discreta, ya que para ellas puede existir un espectro de fenotipos que cambian imperceptiblemente de  un tipo a otro. Son denominados cuantitativos, métricos o continuos, ya que son aquellos que pueden ser medidos en los individuos: peso, altura, tamaño de camada, conversión alimenticia, etc. La mayoría de ellos, en una población, presentan una distribución normal.

La variación continua y normal está dada por dos causas:

la segregación simultánea de muchos pares de genes: son caracteres poligénicos. Están determinados por muchos pares génicos, cada uno de los cuales hace un pequeño aporte a la determinación del carácter. El genotipo de un individuo es la sumatoria de los efectos individuales (efecto aditivo) de cada uno de estos genes.

La acción o efecto del ambiente, que modifica al fenotipo en cierto grado. El peso adulto de un individuo está determinado genéticamente, pero puede verse modificado según la alimentación recibida a lo largo de su vida. Esta influencia ambiental, considerando como ambiente como todo aquello que no sea genético, hace que la simple medición del carácter en el individuo nada haga inferir cual es su genotipo. Un mismo fenotipo puede así, corresponder a distintos genotipos con distinta influencia ambiental.

Modelo genético para caracteres cuantitativos

Un modelo es un esquema teórico, generalmente en forma matemática, de un sistema o de una realidad compleja, que se elabora para facilitar su comprensión y el estudio de su comportamiento.

El valor que se observa cuando un carácter se mide sobre un individuo es el valor fenotípico de ese individuo.

El modelo que se utiliza para estudiar el valor fenotípico (P) es en componentes atribuibles a la influencia del genotipo (G) y del ambiente (E) es la ecuación:

P = G + E

en la que P es el valor fenotípico, G el valor genotípico y E  la desviación ambiental.

Se define como genotipo como al arreglo particular de genes que presenta el individuo, y el ambiente como todas y cada una de las circunstancias no genéticas que afectan al valor fenotípico. Al englobar todas las circunstancias no genéticas dentro del término ambiente es claro que el genotipo y el ambiente son, por definición, los únicos dos determinantes del valor fenotípico, ya que todo lo que no es genotipo, por definición, es ambiente.

Los caracteres cualitativos tienen muy poca o nula influencia ambiental, por lo que el modelo que se aplica a ellos es:

P = G

Genotipo

El Genotipo de un individuo o Valor Genotípico se particiona en componentes atribuibles a diferentes causas:

Valor Genético Aditivo (Ga): como ya se mencionó, para los caracteres cuantitativos, cada gen hace un pequeño aporte individual al genotipo. Ese aporte se denomina valor aditivo del gen. El genotipo aditivo es la sumatoria de dichos efectos de todos los genes que determinan en genotipo de ese individuo para ese carácter. También se lo denomina Valor de Cría, Reproductivo o Mejorante. El valor representa, del valor genotípico, sólo la parte que puede ser transmitida de los padres a su descendencia.

Valor Genético por Dominancia (Gd): o desviación por dominancia que surge de la interacción entre alelos de un locus. Es la sumatoria de los efectos producidos debido a las interacciones alélicas entre todos los pares de genes que determinan el carácter en un individuo.

Valor Genético por Interacciones (Gi): con más de un locus determinando el carácter, se debe tener en cuenta también las interacciones entre loci (no alélicas), que se denominan epístasis. Es la sumatoria de los efectos producidos debido a las interacciones no alélicas entre todos los pares de genes que determinan el carácter en un individuo.

G = Ga + Gd + Gi

Ambiente

Los efectos ambientales son independientes del genotipo del individuo y ocasionan una desviación del valor fenotípico del mismo, con respecto al valor genético, que en muchos casos puede ser considerable. En términos generales, se puede hablar de dos clases de efectos ambientales:

Permanentes (Ep): son todos aquellos que una vez que actuan sobre el individuo lo afectan durante toda su vida. Por ejemplo, una deficiencia nutricional prolongada durante el período de crecimiento puede provocar un efecto, que no es genético, que afecte el peso adulto de un animal.

Temporarios (Et): son los que actúan sobre el genotipo de manera transitoria: alimentación, estado sanitario, condiciones climáticas, etc.

E = Ep + Et

El modelo completo es, entones:

P = Ga + Gd + Gi + Ep + Et

 

Considerando todos los elementos que componen el valor fenotípico de un individuo, sólo el valor genético aditivo es heredable. En rigor, el 50 % del mismo, ya que se hereda el 50 % de los genes y no se heredan ni las interacciones alélicas, ni los efectos ambientales.

 

Parámetros poblacionales para caracteres cuantitativos

El hecho de que exista gran cantidad de genes que determinan un carácter cuantitativo y la influencia del ambiente, hace que sea imposible la estimación de las frecuencias génicas de cada uno de ellos. Para estos caracteres la  caracterización de la estructura poblacional se realiza en base a otros elementos que, en definitiva, dependen de las frecuencias génicas.

Media Poblacional

Uno de los elementos que definen a una distribución normal es su media. La media fenotípica para una población, para un carácter cuantitativo, está dada por la suma del valor genético promedio de todos los individuos que la componen y el promedio de las desviaciones ambientales que los afectan.

Varianza Fenotípica

El estudio genético de un carácter métrico se centra en el estudio de su variación, cuya medida matemática  más comúnmente usada es la varianza. Para estudiar esta variación es necesario desglosarla en componentes atribuibles a diferentes causas. La magnitud relativa de estos componentes es la que determina las propiedades genéticas de una población

Por tanto, la varianza fenotípica se puede descomponer en varianza genotípica (VG) y varianza ambiental (VE). La varianza genotípica es la varianza de los valores genotípicos y la varianza ambiental es la varianza de las desviaciones ambientales:

VP = VG + VE

 

Si se consideran todos los componentes del modelo genético, puede desglosarse como:

VP = VGa + VGd + VGi +VEp +VEt

 

Es decir, existe en la población distintas fuentes de variación debidas a cada uno de los componentes: varianza genética aditiva (VGa), varianza genética por dominancia (VGd), varianza genética por interacciones (VGi), varianza ambiental permanente (VEp) y varianza ambiental temporaria (VEt)

El grado de variabilidad genotípica de un carácter en una población tiene relación directa con las frecuancuias génicas de la misma. Con frecuencias extremas (p = 0, p= 1) la varianza genética aditiva es cero, ya que los individuos no presentan diferencias genéticas entre ellos, son todos homocigotos. Cuando toman valores intermedios (p = q = 0.5) la variabilidad aditiva es máxima.

Heredabilidad

La heredabilidad es la proporción de la varianza fenotípica total que es debida a causas genéticas; en otras palabras, la heredabilidad mide la importancia relativa de la varianza genética como determinante de la varianza fenotípica. Se pueden distinguir dos tipos de heredabilidad: la heredabilidad en sentido amplio y la heredabilidad en sentido estricto.

La heredabilidad en sentido amplio (H) se basa en la varianza genotípica:

 

H = VG / VP

 

y, por tanto, mide en qué medida la varianza fenotípica está determinada por la varianza genotípica; es decir,  incluye los efectos de la varianza por dominancia y de la varianza epistática.

La heredabilidad en sentido estricto (h2) mide la proporción de la varianza fenotípica total que está determinada por la varianza genética aditiva:

 

h2 = VA / VP

 

y, por tanto, excluye la contribución debida a la varianza dominante y epistática. La heredabilidad en sentido estricto es la causa principal del parecido fenotípico entre parientes, es el determinante principal de las propiedades genéticas de una población y determina la tasa de cambio del carácter en la población como  respuesta a la selección, así como el grado depresión endogámica y de vigor híbrido esperable. Cuando nos referimos a heredabilidad sin más, sin adjetivos, nos referimos a la heredabilidad en sentido estricto.

Referencias

https://geneticabioterio.wordpress.com/genetica-cuantitativa/

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Genética Mendeliana

  octubre 06, 2020    Andre Izaguirre

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 Genética Mendeliana

La genética mendeliana es la parte de la genética que sigue la metodología que ideó Mendel. Se basa en el estudio de las proporciones en las que se heredan las características de los individuos.

Se considera a Mendel como fundador de la genética, aunque la comunidad cien- tífica no tuvo en cuenta su obra hasta 40 años más tarde, cuando sus trabajos fueron redescubiertos independientemente por De Vries, Correns y Von Tschermak.

Durante las dos terceras partes del siglo xx, se ha podido descubrir la función de muchos genes, las leyes que rigen su transmisión hereditaria, se ha evaluado matemáticamente la probabilidad de heredar una determinada característica, se ha mejorado el rendimiento de muchos cultivos, en épocas en las que la naturaleza íntima de los genes no era aún accesible al investigador.

A la luz de los conocimientos actuales, podemos analizar las posibilidades que nos brinda el estudio de las características hereditarias de la descendencia de un cruza- miento.

            El éxito de los trabajos de Mendel se debe a varios factores:

-  La selección adecuada del material de partida: la planta del guisante.

- El riguroso estudio estadístico de la descendencia, aspecto que no tuvieron en cuenta los biólogos anteriores.

- La simplificación del problema, al analizar un solo carácter de los muchos que se podían encontrar alterados.

Genotipo y fenotipo.

Los caracteres que manifiesta un individuo es indudable que reconocen como causa inicial el factor hereditario, pero a medida que dicho individuo se desarrolla, también los factores del medio ambiente (clima, alimentación, higiene, etc.) dejan sentir su influencia. En consecuencia, todo carácter depende de dos tipos de factores:

a) Heredables o genéricos, recibidos de los progenitores a través de las células reproductoras de estos y, por tanto, internos.

b) No heredables, procedentes del medio ambiente y, por tanto, externos, que pueden influir a lo largo de la vida del individuo imprimiendo modificaciones a los caracteres heredados.

En conclusión, todo carácter depende de la acción combinada y recíproca entre los factores hereditarios y los ambientales.

Como consecuencia es lógico pensar, que los caracteres no siempre son un fiel reflejo de los factores hereditarios, es decir, que la imagen que observamos en un individuo es el resultado de los factores heredados y de la acción que recibe del medio ambiente.

Para poder establecer esta distinción se han introducido los términos genotipo y fenotipo .

El genotipo es el conjunto de factores hereditarios que posee un individuo por haberlos recibido de sus progenitores. El fenotipo es el aspecto observable cuyo aspecto ha sido adquirido como consecuencia del genotipo que posee y de la acción del medio ambiente, o dicho de otro modo, el fenotipo es la manera de manifestarse el genotipo después de haber actuado sobre él los factores ambientales. Además, como veremos más adelante, existen factores heredables que no llegan a manifestarse (los llamados factores recesivos) y, por tanto, no pueden ser apreciados, lo que también influye en que el fenotipo no refleje fielmente al genotipo.

Mientras el genotipo es estable durante toda la vida, el fenotipo va cambiando. Así, cualquier ser vivo posee siempre los mismos factores hereditarios, pero su aspecto exterior varía profundamente de la edad joven a la adulta o en la vejez.

De todo lo dicho resulta, que lo único heredable es el genotipo, ya que la influencia que ejercen los factores ambientales sobre los caracteres, sólo afectan al individuo sobre el que actúan, perdiéndose con él sin transmitirse a sucesivas generaciones.

Las leyes de Mendel.

Los descubrimientos de Mendel pueden resumirse en tres leyes, que constituyen los fundamentos básicos de transmisión genética. La terminología que empleo Mendel es de difícil comprensión; por ello vamos a utilizar la terminología actual.

Primera ley de Mendel.

Llamada también ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación, dice que: cuando se realiza el cruzamiento entre dos individuos de la misma especie pertenecientes a dos variedades o razas puras (homocigóticos) todos los híbridos de la primera generación filial son iguales.

En la actualidad esta ley expresa así. “El cruce de dos razas puras da un descendencia híbrida uniforme tanto fenotipica como genotipicamente.”

Esta uniformidad de todos los individuos de la F1 puede manifestarse, bien por parecerse a uno de los padres (herencia dominante), bien porque aparezca un fenotipo con aspecto intermedio (herencia intermedia). Veamos seguidamente un ejemplo de cada caso.

Empecemos por la herencia dominante

Esquema de la primera ley de Mendel en dominancia.

Si cruzamos un cobayo (conejillo de Indias) homocigótico para el color negro del pelo (NN ) con otro también homocigótico para el color blanco (nn), todos los cobayos que se obtengan de este cruzamiento serán de color negro (Nn), ya que este domina sobre el blanco.

La explicación de este resultado queda claramente expresada en el esquema. Cuando los individuos homocigóticos que se cruzan (generación P ) forman sus células reproductoras (espermatozoides en el macho y óvulos en la hembra), en virtud del fenómeno de la meiosis los genes que forman la pareja de alelomorfos y que se hallan situados en los respectivos cromosomas homólogos, se separan, yendo a parar cada uno de ellos a una célula reproductora. Como los dos genes que forman la pareja son iguales (NN o bien nn) es lógico que todos los gametos posean el mismo gen (por ejemplo, N si el macho era NN) y lo mismo ocurre con los óvulos (por ejemplo, n si la hembra era nn).

Como consecuencia, al fecundar un espermatozoide a un óvulo solamente podrá formarse la pareja de alelos Nn , de ahí que todos los hijos que forman la F1sean idénticos y heterocigóticos o híbridos. Como el color negro (N) domina sobre el blanco (n), todos presentarán coloración negra.

Veamos ahora un caso de herencia intermedia.

Esquema de la primera ley de Mendel en herencia intermedia.

Existen dos variedades de la planta «dondiego de noche» (Mirábilis jalapa) que se diferencian por el color de sus flores: en unas, rojo; en otras, blanco. Si cruzamos una planta homocigótica para el color rojo (RR ), con otra también homocigótica para el color blanco (rr) todas las plantas que se obtengan de este cruzamiento serán de color rosa (Rr).

Como puede observarse en el esquema, la interpretación de los resultados es la misma que en el caso anterior, con la única diferencia que el fenotipo de las flores de la F1 no corresponde a ninguno de los de las plantas progenitoras porque no hay dominancia, y en consecuencia se manifiestan con la misma eficacia el color rojo y el blanco, resultando de ello un color rosa intermedio entre ambos.

Segunda ley de Mendel.

Así como la primera ley hace referencia a lo que ocurre en la Fl, esta segunda trata de interpretar los resultados que se obtienen en la F2 (segunda generación filial) al cruzar los individuos híbridos de la Fl.

La segunda ley es llamada ley de la separación o disyunción de los genes que forman la pareja de alelomorfos, es decir, que los dos genes que han formado pareja en los individuos de la Fl, se separan nuevamente al formarse las células reproductoras de éstos, lo que demuestra que dicho emparejamiento no es definitivo. Esto conduce a que en los individuos de la F2 aparezcan parejas de alelos distintos de los de la Fly, en consecuencia, dicha generación ya no es de genotipo uniforme.

Así, puede formularse esta ley actualmente: “Al cruzar entre sí los híbridos obtenidos en la primera generación, los caracteres antagónicos que poseen se separan y se reparten entre los distintos gametos, apareciendo así varios fenotipos en la descendencia”

Para comprender mejor el alcance de esta ley, seguiremos con los ejemplos expuestos en la primera.

 En el caso de la herencia dominante del color del pelo del cobaya, veamos qué ocurre cuando sometemos a cruzamiento dos individuos de la Fl. Al formarse sus gametos, sean óvulos o espermatozoides, en virtud de la meiosis, la mitad poseerán el gen N y la otra mitad el n.

Representación esquemática de la segunda ley de Mendel en dominancia.

Cuando un espermatozoide (que puede por lo dicho poseer N , o bien n) fecunde a un óvulo (que también puede poseer N, o bien n) las posibles combinaciones para formar la pareja de alelos (genotipo) en los individuos de la F2 serán NN, Nn, Nn y nn,según se expresa en el esquema. Así pues, en la segunda generación filial (F2) se presentará una proporción genotípica de 1 : 2 : 1, es decir, que de 100 individuos, el 25 por 100 serán de genotipo NN; el 50 por 100, de genotipo Nn, y el 25 por 100, de genotipo nn. Pero como se trata de un caso de herencia dominante, el fenotipo de los individuos NN y Nn será igual, de ahí que la proporción fenotípica será 3: 1, es decir, el 75 por 100 de cobayos negros y el 25 por 100 de blancos.

Como vemos, los genes N y n que estaban reunidos en los individuos de la Fl se separan para dar nuevas combinaciones, concretamente NN y nn iguales a las de sus abuelos (generación P) que habían desaparecido en la Fl, lo que indica, como dice la ley, que los alelomorfos de los individuos de la Flpueden separarse.

Si ahora examinamos lo que ocurre en los casos de herencia intermedia , tal como la que presenta el dondiego de noche, los resultados serán los siguientes:

Representación esquemática de la segunda ley de Mendel en herencia intermedia.

 En la F2 los genotipos se hallarán también en la proporción 1 RR : 2 Rr: 1 rr, pero como aquí no hay herencia dominante, la proporción de fenotipos será la misma que la de genotipos, es decir, un 25 por 100 de flores rojas, un 50 por 100 de flores rosas y un 25 por 100 de flores blancas.

Cruzamiento prueba y retro cruzamiento.

Recibe el nombre de retro cruzamiento el cruzamiento entre un individuo y uno de sus parentales. Cuando el parental utilizado es el homocigótico recesivo, se denomina cruzamiento prueba, ya que con este método se puede averiguar si un individuo es homocigótico dominante o heterocigótico. (Muchos autores no distinguen entre retro cruzamiento y cruzamiento prueba)

Si todos los descendientes del cruzamiento prueba son del fenotipo dominante; el individuo problema debe ser, necesariamente, homocigótico.

Por el contrario, si la mitad de la descendencia presenta el fenotipo dominante y la otra mitad es recesivo, el individuo problema es heterocigótico.

 Si al cruzar un cobayo de fenotipo negro (individuo problema) con otro de fenotipo blanco (cruzamiento prueba), toda la descendencia es de color negro, es que el cobayo probado era de genotipo puro para el color negro del pelo (NN ); pero si la mitad de la descendencia manifiesta pelaje negro y la otra mitad blanco, es que el cobayo probado (individuo problema) era heterocigótico o híbrido para el pelo negro (Nn).

Tercera ley de Mendel.

Llamada ley de la herencia independiente   de los caracteres, porque expresa el hecho de que cada uno de los caracteres hereditarios se transmite a la descendencia con absoluta independencia de los demás.

Hoy se enuncia esta ley así: “Los distintos caracteres no antagónicos se heredan independientemente unos de otros, combinándose al azar en la descendencia”

En las dos leyes anteriores se ha estudiado la forma como se transmite un carácter (color del pelo en cobayas o color de las flores en el dondiego); pero esta tercera ley se ocupa de averiguar el comportamiento en la herencia de dos caracteres que se presentan juntos en el mismo individuo, de suerte que entran en juego no uno, sino dos pares de genes o alelomorfos (dihibridismo ).

Vamos a tomar como ejemplo la experiencia realizada por el propio Mendel sobre los guisantes:

Esquema de la tercera ley de Mendel.

Se parte de una generación paterna, en la que se cruzan plantas de guisantes de dos razas puras, una de las cuales tiene sus semillas de color amarillo y además de superficie lisa (AALL ), mientras que en la otra, las semillas son de color verde y superficie rugosa (aall). Como resultado se obtiene una Fl formada por plantas que producen semillas lisas y amarillas y cuyo genotipo es un dihíbrido (AaLl), o sea, que vendrá representado por dos parejas de genes, de los cuales sólo el amarillo y el liso se manifiestan en el fenotipo por ser dominantes sobre el verde y el rugoso.

Al reproducirse entre sí las plantas de la Flse formarán cuatro clases de gametos, tanto masculinos como femeninos: AL, Al, aL y al. Para conocer el resultado de la F2 basta tener en cuenta que cada clase de gameto masculino puede unirse durante la fecundación a cada una de las clases de gametos femeninos, lo que da lugar a dieciséis combinaciones diferentes. Con el fin de facilitar la escritura de estos dieciséis genotipos, se puede construir el llamado tablero de Punnett, colocando en la línea horizontal superior los cuatro tipos de gametos de un sexo y en la columna de la izquierda los cuatro de otro sexo, y como una tabla de doble entrada anotar en las casillas las letras de los gametos que coinciden en cada caso.

Observemos ahora los dieciséis genotipos obtenidos. Teniendo en cuenta los genes dominantes, veremos que existen cuatro fenotipos diferentes:

Nueve de semillas amarillas lisas , es decir, los dos fenotipos dominantes (cuando haya por lo menos un gen A y uno L, como ocurre en las casillas 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10 y 13).

Tres de semillas amarillas y rugosas , es decir, con el dominante del color y el recesivo del otro carácter (cuando haya uno o dos genes A, pero ninguno L, como ocurre en las casillas 6, 8 y 14).

Tres de semillas verdes y lisas , es decir, con el otro dominante (cuando haya uno o dos genes L, pero ninguno A, como ocurre en las casillas 11, 12 y 15).

Una de semillas verdes y rugosas , porque no hay ningún gen dominante para ninguno de los dos caracteres. Es el caso del genotipo de la casilla 16.

Como consecuencia, la proporción numérica entre los cuatro fenotipos será 9:3:3:1.

Si en el esquema  consideramos las casillas diagonales 1, 6, 11 y 16, veremos que corresponden a los individuos homocigóticos o puros. De ellos el 1 y el 16 repiten el genotipo de los abuelos (AALL y aall), pero la 6 y la 11 representan nuevas combinaciones homocigóticas. De todo ello se deduce que en la herencia los caracteres liso-amarillo no permanecen siempre unidos, y lo mismo ocurre con los caracteres rugoso-verde, lo cual demuestra que «existe una independencia» entre ellos, ya que pueden formar combinaciones liso-verde y rugoso-amarillo.

Las excepciones a la tercera ley

La transmisión independiente de los caracteres no siempre se cumple, es decir, que muchos de ellos se transmiten juntos en la herencia. La explicación a esta excepción de la tercera ley de Mendel, se comprende fácilmente considerando que al estar localizados los genes en los cromosomas puede ocurrir que dos alelomorfos que rigen sendos caracteres se hallen situados en la misma pareja de cromosomas homólogos. Esto es muy fácil que ocurra si se tiene en cuenta que las parejas de genes son bastante más numerosas que los pares de cromosomas homólogos, por lo que cada una de estas parejas forzosamente debe contener un gran número de alelos.

Referencias

https://www.biologiasur.org/index.php/herencia/genetica-mendeliana

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