La gentica es variacin. Pero .qu genera esa variacin?

Principalmente la mutacin . Y otros factores

Expresin fenotpicaCaracteres cualitativos:

Aquellos cuyos rasgos son fcilmente clasificables en distintas categoras fenotpicas.

Gen Fenotipo

Otros caracteres

Fenotipo

Mas de un gen Fenotipo

La expresin de un gen para manifestar un fenotipo puede verse modificada por diversos factores.

QU FACTORES PUEDEN INTERVENIR EN EL FENOTIPO?

PROPIOS DEL GEN: Fondo gentico: Supresin y efectos de posicin. **

ORIGEN PATERNO O MATERNO (Impronta genmica). **

EFECTO MATERNO. **

AMBIENTALES: ambiente interno y externo en el que se desarrolla el individuo, temperatura, luz, nutricin.

Factores ambientales que pueden cambiar (modular) el fenotipo.

La enzima silvestre responsable de la formacin de pigmento es funcional a bajas temperaturas y pierde su funcin a temperaturas superiores.

Temperatura. Mutantes sensibles a la temperatura

Factores ambientales que pueden cambiar (modular) el fenotipo.Luz.

En algunos casos se manifiesta un fenotipo que no corresponde con el genotipo del individuo debido al efecto de la luz.

Ej. Aunque en plantas el genotipo albino puede estar determinado genticamente (aa), sin embargo, plantas de genotipo AA o Aa pueden manifestar el fenotipo albino si carecen de luz.

Nutricin.

En microorganismos determinadas mutaciones hacen que no se pueda sintetizar un determinado producto de una ruta metablica (auxtrofos) frente a los normales (prottrofos). Si el producto est en el medio, el defecto se superar.

En humanos existen determinados sndromes cuyo fenotipo puede enmascararse nutricionalmente.

Ej. Fenilcetonuria (no se puede metabolizar la fenilalanina por carecer de la fenilalaninahidroxilasa)

Galactosemia (no se metaboliza la galactosa).

Intolerancia a la lactosa (producida por la baja produccin de lactasa en edad adulta)

Diabetes (deficiencia de insulina).

Factores ambientales que pueden cambiar (modular) el fenotipo.

FENOCOPIASModificacin fenotpica NO HEREDABLE, provocada por un cambio ambiental, que mimetiza a otro genotipo.

Ej. Diabticos con suministro de insulina: fenocopias de individuos sanos.

Ej. Extraccin, lesin, infeccin pancretica: fenocopias de individuos enfermos.

Ej. Fenocopias de focomelia: droga Talidomida (1960).

Su efecto teratognico se produce tanto por va materna como paterna ya que los espermatozoides se ven afectados.

S (teratognico: genera malformaciones)

R (sedante)

Talidomida

Indemnizacin para las vctimas de la talidomida 40 aos despus

El Gobierno reserva 1,6 millones para 24supervivientes del frmaco teratognicoprohibido en 1963 Se administr a miles de embarazadascontra las nuseas C. M. / R. M. - Madrid - 23/03/2010

Las vctimas de la talidomida, al menos las pocasque quedan vivas en Espaa, sern indemnizadascasi 40 aos despus de que el frmacoteratognico fuese prohibido. El Gobiernoprepara un real decreto para indemnizar a los 24supervivientes que tiene identificados y ha reservado alrededor de 1,59 millones en lospresupuestos de este ao para tal fin, segnfuentes del Ejecutivo.

COMO PODEMOS ESTUDIAR LA INTERACCIN GENOTIPO AMBIENTE?

*Estudio de la norma de reaccin.

* Estudio con gemelos:

Gemelos dicigticos (mellizos), dos vulos son fecundados por dos espermatozoides distintos. Cigotos diferentes.

Gemelos monocigticos (gemelos univitelinos), un vulo es fecundado por un espermatozoide y se divide en una etapa temprana del desarrollo para producir dos embriones. Cigotos idnticos

La norma de reaccin de un genotipo dado es su rango de respuestas fenotpicas a lo largo de un gradiente ambiental (Woltereck 1909).

Es el rango de variantes fenotpicas atribuibles a un genotipo determinado que estn motivadas por variaciones ambientales

INTERACCION ENTRE GENES Y AMBIENTE: Norma de reaccin

La plasticidad fenotpica es la capacidad de un organismo de producir fenotipos diferentes en respuesta a cambios en el ambiente (Schmalhausen 1949)

Idntico genotipo en distintos ambientes puede reaccionar de forma diferente.

Genotipo A

Genotipo B

Ambiente 1

Ambiente 2

Ambiente 3

Ambiente 4

Ambiente 1

Fenotipo A1Fenotipo A2

Fenotipo A3

Fenotipo A4

Fenotipo B1Ambiente 2 Fenotipo B1

Norma de reaccin amplia

Norma de reaccin estrecha

Norma de reaccin estrecha: grupos sanguneos

Norma de reaccin amplia: facetas de los ojos de Drosophila

Los estudios de la norma de reaccin requieren partir del mismo genotipo para someterlo a distintos ambientes.

En la planta Achillea millefolum podemos estudiar la Norma de reaccin.

Podemos someter diferentes esquejes a ambientes distintos.

Se puede conocer el mejor ambiente para el desarrollo de un determinado individuo.

Podemos realizar una seleccin de las mejores plantas en los ambientes ptimos.

En humanos los estudios de la Norma de reaccin se realizan con gemelos.

Gemelos monocigticos: genticamente idnticos (GI). Sus diferencias son debidas al ambiente.

Gemelos dicigticos (fraternos, F): no son idnticos genticamente. Sus diferencias se deben a los genes y al ambiente.

Par concordante: Si ambos miembros presentan o carecen de un determinado carcter.

Par discordante: Slo un miembro del par presenta el carcter.

Concordancia: porcentaje de pares de gemelos que son concordantes en un rasgo.

Concordancia de gemelos monocigticos y dicigticos en algunos caracteres

Si la similitud fenotpica de los GI > que la similitud de los F: Fuerte base gentica

Si la similitud fenotpica de los GI > que la similitud de los F: Fuerte base gentica

Concordancia ente los Gemelos idnticos (GI) y los Fraternos (F)

Por qu la concordancia en los GI no es del 100%

El ambiente en el que se desarrollan los gemelos idnticos no es el mismo.

A nivel de ADN los gemelos monocigticosson iguales.

Sin embargo, al estudiar un determinado carcter (fenotipo) puede no existir una concordancia completa.

Ej. Dermatoglifos. Ni siquiera los tenemos iguales entre los dedos de una mano y otra.

Handbook of Epigenetics The New Molecular and Medical Genetics, 2011, Pages 405422 Axel Schumacher

CARACTERES CUANTITATIVOS vs CUALITATIVOS

Los caracteres cuantitativos presentan una variacin continua frente a los caracteres cualitativos cuya variacin es discontinua.

Cualitativos

Cuantitativos

Se crey durante mucho tiempo que los caracteres cuantitativos y los mendelianos obedecen a leyes distintas: Biomtricos (caracteres cuantitativos) y mendelianos (caracteres cualitativos).

En 1918, Ronald Fisher integra el mendelismo con la biometra. Demuestra que la variacin continua es una consecuencia natural de la herencia mendeliana

Los caracteres cuantitativos presentan una distribucin normal.

Las meninas. La familia de Felipe IV (1656)

Dos distribuciones normales distintas pueden presentar la misma media.

X= X1 + X2 + X3 + .+ Xn/N; X= 1/N Xi

En una distribucin normal es muy importante la varianza y la desviacin estndar.La varianza es una medida de la variabilidad de la distribucin.

Varianza

Desviacin estndard

CARACTERES CUANTITATIVOS Y CUALITATIVOS

El anlisis es por medio de clculos deproporciones y relaciones.

El anlisis es de tipo estadstico,proporcionado clculos aproximados delos parmetros de las poblaciones.

Se estudian apareamientos individualesy su progenie.

Se estudian poblaciones y todos los tiposde cruzamientos.

Variabilidad discontinua.Variabilidad continua.

Tienen poca o ninguna modificacinambiental que oculte sus efectos.

Tienen componentes ambientales ademsde genticos.

Bajo control gentico de slo uno o unoscuantos genes.

Gobernados por muchos genes, cada unocontribuyendo con una pequea cantidadal fenotipo (poligenes o QTLs).

Son rasgos fcilmente clasificables en distintas categoras fenotpicas.

No pueden clasificarse en clases discretas.

CUALITATIVOSCUANTITATIVOS

QTL (Quantitative Trait Loci)

A principios del siglo s.XX la explicacin mendeliana de la herencia era aceptada completamente pero pareca que la variacin continua no se poda explicar mediante las leyes de Mendel.

Los primeros experimentos que trataron de explicar la variacin continua fueron los de:

- Johannsen (1903)- Bateson y Yule (1906)- Nilsson-Ehle y East (1909)

Estos experimentos sembraron las bases de la gentica cuantitativa y confirmaron que las leyes de Mendel eran tambin vlidas para estos caracteres.

Ya no se estudia el fenotipo sino la variacin fenotpica que puede ser debida al ambiente o debida a la participacin de muchos genes (herencia polignica).

Herencia cuantitativa

Experimentos de Johannsen (judas, Phaseolus vulgaris) (1903)

A partir de semillas comerciales seleccion para el estudio el carcter peso de la semilla. Encontr en la poblacin pesos extremos:

ligeras (15 cgr) --- pesadas (90 cgr)

Mucha variabilidad en la poblacin original

Tras sucesiva autopolinizacin (gran homocigosis) obtuvo 19 lneas puras. Cada lnea tiene un peso medio propio.

Plant semillas de distinto peso pero de la misma lnea y las semillas obtenidas mantenan el peso medio de la lnea a la que pertenecan.

Johannsen supuso que la varianza de cada lnea no era gentica sino debida al ambiente, las medias de cada lnea son el valor gentico.

Esto lo comprob tomando de la lnea 1 (la ms pesada) y de la 19 (la ms ligera) individuos de valores extremos y medios y estudi en ellos los pesos de la descendencia:

Tambin comprob que despus de seleccionar durante 6 generaciones las semillas ms pesadas y las ms ligeras de cada lnea, los pesos medios de ambas selecciones se mantenan iguales.

La conclusin de Johannsen fue que:

Variacin en el fenotipo = variacin en genotipo + variacin ambiental.

64 cg

64 cg

35 cg

35 cg

Variacin debida al ambiente: los pesos medios se mantienen en cada lnea pura.

Diferencias genticas entre distintas lneas puras de Johannsen

Los caracteres cuantitativos se heredan como los cualitativos.

FENOTIPO = GENOTIPO + AMBIENTE

Ya que las lneas puras (homocigotas) tenan un peso medio constante, caracterstico de cada lnea, Johannsen dedujo que:

Existe un valor esperado del carcter que depende de la constitucin gentica de la poblacin.

Las variaciones individuales en una determinada lnea deben ser atribuibles al nico factor variable posible, que es el ambiente en el que se desarrollan los individuos.

Los experimentos de Johannsen permitieron concluir que la variacin continua observada se debe al genotipo y a efectos ambientales.

Sin embargo, no demuestran que las diferencias hereditarias entre las lneas puras se deban a genes mendelianos. Se puede suponer que los caracteres cuantitativos se heredan de forma diferente a la de los caracteres discontinuos, como se vena discutiendo en esa poca.

Los experimentos de Johannsen demuestran que tanto el ambiente como la herencia contribuyen a la variacin continua.

En 1909, Nilsson-Ehle mostr que la variacin continua ocurre cuando un rasgo est determinado por varios genes, con un pequeo efecto cada uno, que se comportan de acuerdo con las leyes mendelianas.

El material utilizado para los experimentos fue lneas puras de trigo con granos que oscilaban en el color.

Se puede encontrar una gama de color que abarca desde el blanco hasta el rojo oscuro pasando por varios tonos de rojo.

EXPERIMENTO DE NILSSON-EHLE.

Material utilizado: distintas lneas puras de trigo.

El color de los granos abarca desde el blanco al rojo oscuro

1.- blanco x rojo claro

F1 color intermedio

F2 rojo claro, intermedio, blanco (proporcin )

2.- blanco x rojo

F1 rojo claro

F2 5 clases fenotpicas de rojo a blanco (proporcin 1/16)

3.- blanco x rojo oscuro

F1 intermedio

F2 7 clases fenotpicas de rojo oscuro a blanco (1/64)

HIPOTESIS DE NILSSON-EHLE

1.- Existen tres genes implicados en el color. Los alelos A, B, C dominan sobre los a, b, c.

2.- Cada par de alelos segrega de forma mendeliana.

3.- Cada alelo dominante aporta un grado de color.

4.- Los alelos recesivos no influyen en la pigmentacin.

Estas hiptesis dieron pie a la Teora de los factores mltiples o polmeros.

En este caso, el fenotipo esta determinado por poligenes.

Representacin de los experimentos de Nilsson-Elhe

Genes con efecto aditivo

Herencia polignica: color de los ojos, color de la piel. Alelos con efecto aditivo.

La proporcin de fenotipos extremos nos indica el nmero de genes que intervienen en la determinacin de un carcter.

Planteado el experimento correctamente y analizadas las clases fenotpicas de los individuos de la F2, debemos obtener las proporciones de los fenotipos extremos.

Proporcin de los fenotipos extremos: 1/22n

Siendo n= n de genes

Efecto del genotipo + ambienteSlo efecto del genotipo

Proporcin de los fenotipos extremos: 1/22n

Siendo n= n de genes

El patrn de variacin continua generalmente es producto del efecto del ambiente sobre la expresin de los genotipos.

Variacin continua en el maz (Emerson and East, 1913)

Experimento de East (1909)

Media= 40,5 mm Media= 93,3 mmVariacin debida al ambiente

Variacin debida a los genes y al ambiente.

De 444 individuos de la F2 ninguno tiene fenotipo parental.

La Variacin en P y F1 es debida al ambiente

Podemos calcular la varianza ambiental a partir de los individuos P y F1 que tienen genotipos iguales s2= 8,76

La varianza de la F2 es gentica y ambiental. s2=40,96

De 444 individuos de la F2 ninguno tiene fenotipo parental.

Cuntos genes estn implicados en este carcter

Si estuvieran implicados 4 genes esperaramos que una proporcin de 1/28= 1/256 de la F2 fuera de clase parental.

Sin embargo, de 444 plantas obtenidas en la F2 ninguna pertenece a las clases parentales, por lo tanto deben existir mas de 4 loci implicados en el carcter.

Cunto de la variacin fenotpica observada en una poblacin se debe a las diferencias genticas entre los individuos y cunto se debe a diferencias ambientales?

Heredabilidad: Proporcin de variacin fenotpica total que es atribuible al componente gentico (Lush, 1941).

H2= Vg/Vp= Vg/Vt

Vt= Vg+Ve.

Vt= Varianza fenotpica total

Vg= Fraccin de la varianza fenotpica debida a diferencias genticas entre distintos individuos.

Ve= Fraccin de la varianza fenotpica debida a las diferencias en las condiciones ambientales.

HEREDABILIDAD= Varianza gentica/Varianza fenotpica= Vg/Vg+Ve

La heredabilidad de un carcter es una estimacin especfica de lapoblacin y del ambiente que uno est analizando.

El valor de la heredabilidad oscila entre 0 y 1. Si no existe variacin ambiental es 1 mientras que si no existe variacin gentica es 0.

Heredabilidad, H2 = Vg/Vg +Ve

Esta estimacin es un parmetro de una poblacin y no de un individuo.

La heredabilidad no indica en qu grado un carcter es gentico, midesolamente la proporcin de la Varianza Fenotpica que es el resultadode factores genticos.

Ej. La estima de la variabilidad en la produccin de huevos de una granja de gallinas que se mantienen en jaulas puede ser alta. Esto indica que las diferencias en la produccin de huevos entre las gallinas son en gran parte debida a los genes puesto que el ambiente podemos considerarlo igual.

En una granja con gallinas libres la heredabilidad de la produccin podra ser ms baja ya que la variacin en la produccin puede ser debida a diferentes genotipos de las gallinas y al ambiente que cada una se procura.

En una determinada poblacin humana, una estima de la heredabilidad del 0,65 para la estatura no significa que la estatura sea debida a los genes en un 65%.

Lo que realmente significa es que, en la poblacin muestreada, el 65% de toda la variacin observada en la estatura puede explicarse por diferencias genticas entre los individuos

La Variacin en P y F1 es debida al ambiente

Podemos calcular la varianza ambiental a partir de los individuos P y F1 que tienen genotipos iguales s2= 8,76

La varianza de la F2 es gentica y ambiental. s2=40,96

Calculo de la Heredabilidad (en sentido amplio) en Nicotiana longiflora

Varianza ambiental (media entre parentales y F1)= 8,76= Ve

Varianza total (individuos de la F2) = 40,96 = Vt

Aplicando la frmula Vp=Vg+Ve

40,96 = Vg + 8,76. Vg = 32,20

Heredabilidad= Vg/Vt = 32.20/40.96= 0,79

Problema.

Una poblacin de trigo genticamente heterognea tiene una varianza en el nmero de das para la maduracin igual a 40, mientras que dos poblaciones endocriadasderivadas de sta tienen una varianza de 10. a) Cul es la varianza genotpica Vg , la varianza ambiental Ve y la heredabilidad en sentido amplio (H2) de los das para la maduracin en sta poblacin? b) Si las lneas endocriadas fueran cruzadas, qu varianza se podra predecir para el carcter das para la maduracin en la generacin F1 .

Solucin: a) La varianza fenotpica Vp = en la poblacin genticamente heterognea es la suma de la

varianza gentica + la varianza ambiental, y sta es 40. Vp=Vg +VeLa varianza en las lneas endocriadas es igual a la varianza ambiental, ya que la varianza

gentica es igual a 0, en una poblacin genticamente homognea. Ve=10Entonces la varianza gentica Vg en la poblacin heterognea es Vp-Ve =40 10 = 30. La heredabilidad en sentido amplio

H2 = Vg /Vg+ VeH2 = 30/40 = 0,75

b) Si las lneas endocriadas se cruzaran, la generacin F1 sera genticamente uniforme y en consecuencia la varianza gentica sera 0. Se podra predecir la varianza ambiental que sera 10.

Podemos calcular la heredabilidad a partir de los estudios con gemelos?

Si la similitud fenotpica de los GI > que la similitud de los F: Fuerte base gentica

Podemos calcular el valor de la heredabilidad a partir de los datos de la concordancia en los tipos de gemelos

Frmula de Holzinger

Heredabilidad= CGI-CGF/100-CGF

Si suponemos que la concordancia de los GI=100 y la de GF=0

Heredabilidad=100-0/100-0=1

Si suponemos que los GI y los GF presentan la misma concordancia por ej. 30%

Heredabilidad=30-30/100-30=0

Existe una modificacin de la frmula de Holzinger para calcular la heredabilidad a partir de los gemelos.

Heredabilidad=Varianza GF-Varianza GI/Varianza GF