Unidad Temática 8 :

MUTACIONES

O BJETIVOS : Aprender acerca de qué son las mutaciones, cómo se originan, cómo se clasifican, qué efectos provocan a nivel citológico y genético, cuál es su importancia en el origen y evolución de las especies.

T EMAS :

1. MUTACIONES1.1. Concepto1.2. Mutaciones génicas o puntuales y mutaciones cromosómicas1.3. Clasificación de las mutaciones

1.3.1. Cambios en la estructura de los cromosomas 1.3.1.1. Deleciones 1.3.1.2. Duplicaciones 1.3.1.3. Inversiones 1.3.1.4. Translocaciones

1.3.2. Cambios en el número de cromosomas 1.3.2.1. Aneuploidía 1.3.2.2. Euploidía

1.4. Origen de los poliploides1.5. Concepto de número básico, número gamético y número cigótico1.6. Citogenética de autoploides y aloploides1.7. Series poliploides: El ejemplo del trigo1.8. Herencia polisómica

1. Mutaciones1.1. Concepto

Las mutaciones son cambios genéticos heredables que pueden producirse a nivel génico o cromosómico. Una mutación involucra un cambio en la secuencia de bases del ADN o en un cromosoma.

Una célula con una mutación es una célula mutante. Si una mutación sucede en una célula somática (en organismos multicelulares), sólo se ve afectado el individuo en el cual la mutación se ha producido, pero no es transmitida a las sucesivas generaciones. Este tipo de mutación es definida como una mutación somática. Por el contrario, las mutaciones en la línea germinal de organismos que se reproducen sexualmente, pueden ser transmitidas por medio de los gametos a la siguiente generación, produciendo un individuo con la mutación, tanto en células somáticas como en células de la línea germinal. Estas mutaciones son llamadas mutaciones de la línea germinal.

1.2. Mutaciones génicas o puntuales

Las mutaciones pueden dividirse en: 1) génicas o puntuales y 2) cromosómicas.Una mutación génica o puntual es un cambio de una forma alélica por otra como

consecuencia de un cambio a nivel de la secuencia de bases del ADN de un gen. Las mutaciones cromosómicas involucran cambios en la estructura o el número cromosómico.

Las mutaciones puntuales a su vez pueden ser divididas en dos categorías generales: I) substitución de pares de bases e II) inserción o deleción de pares de bases.

Una substitución de pares de bases involucra un cambio en el ADN de un par de bases por otro par de bases diferente. Hay dos tipos generales de mutaciones por substitución de pares de bases: a) mutación de transición (Fig. 1a) es un cambio de un par de bases purina-pirimidina por otro par de bases purina-pirimidina. Los cuatro tipos de mutaciones de transición son:

AT a GCGC a ATTA a CGCG a TA

b) mutación de transversión (Fig. 1b) es un cambio de un par de bases purina-pirimidina por otro par de bases pirimidina-purina. Los ocho tipos de mutaciones de transversión son:

AT a TA AT a CGTA a AT CG a ATGC a CG GC a TACG a GC CG a AT

La substitución de pares de bases en genes que codifican proteínas puede también ser definida de acuerdo a sus efectos sobre la secuencia de aminoácidos en la proteína. Dependiendo de cómo una substitución en un par de bases es traducida vía el código genético, la mutación puede resultar en ningún cambio en la proteína, un cambio insignificante, o un cambio notable.

Una mutación con cambio de sentido (Fig. 1c) es una mutación génica en el cual un cambio en un par de bases en el ADN causa un cambio en un codón de un ARNm de tal manera que un aminoácido diferente es insertado en el polipéptido. Un cambio fenotípico puede o no resultar, dependiendo del aminoácido que cambie. En la Fig. 1c, una mutación de transición AT a GC cambia el ADN de 5´-AAA-3´ a 5´-GAA-3´ alterando el codón del ARNm desde: 3´-TTT-5´ 3´-CTT-5´ 5´-AAA-3´ (lisina) a 5´-GAA-3´ (ácido glutámico).

Una mutación sin sentido (Fig. 1d) es una mutación génica en la cual un cambio de un par de bases en el ADN cambia un codón de ARNm de un aminoácido a un codón de

terminación (UAG, UAA o UGA). Por ejemplo, en la Fig. 1d, una mutación de transversión AT a TA cambia el ADN de 5´-AAA-3´ a 5´-TAA-3´ y esto a su vez cambia el codón:

3´-TTT-5´ 3´-ATT-3´ 5´-AAA-3´ (lisina) a 5´-UAA-3´, el cual es un codón de terminación. Una mutación sin sentido, provoca la terminación prematura de la cadena peptídica, y en lugar de formarse un polipéptido completo, se forman polipéptidos más cortos de lo normal (Fig. 2).

Una mutación neutral (Fig. 1e) es un cambio de un par de base en un gen que cambia un codón en el ARNm de tal manera que la substitución de un aminoácido no produce cambios en la función de la proteína que se forma. Una mutación neutral es un subgrupo dentro de las mutaciones con cambio de sentido en la cual el nuevo codón codifica para un aminoácido diferente que es químicamente equivalente al aminoácido original y por lo tanto no afecta la función de la proteína. Consecuentemente, el fenotipo no cambia. En la Fig. 1e, una mutación de transición cambia el codón de 5´-AAA-3´ a 5´-AGA-3´, el cual cambia el aminoácido arginina por el aminoácido lisina. Como arginina y lisina tiene propiedades similares, las funciones de la proteína no se alteran significativamente.

Una mutación silenciosa (Fig. 1f) es también un subgrupo de mutación con cambio de sentido que ocurre cuando el cambio de un par de base en un gen altera un codón en el ARNm, de tal forma que el mismo aminoácido es insertado en la proteína. Por ejemplo, en la Fig. 1f, una mutación silenciosa generada como consecuencia de una mutación de transición AT a GC que cambia el codón de 5´-AAA-3´ a 5´-AAG-3´, donde ambos codifican para lisina.

Si uno o más pares de bases son adicionados o delecionados de un gen que codifica una proteína, el marco de lectura de un ARNm puede cambiar río abajo de la mutación. Una adición o deleción de un par de bases, por ejemplo, cambia el marco de lectura río abajo del ARNm por una base, de tal forma que aminoácidos incorrectos son agregados a la cadena polipeptídica después del sitio de la mutación. Este tipo de mutación se denomina mutación con cambio de marco de lectura (Fig. 1g) y generalmente produce una proteína no-funcional. Las mutaciones con cambios de marcos de lectura pueden generar nuevos codones de terminación, resultando en una proteína más corta; y ellos pueden resultar en una lectura, a través del codón de terminación normal, resultando en una proteína más larga de la normal; o puede resultar en una alteración completa de la secuencia de aminoácidos de una proteína. En la Fig. 1g, una inserción de un par de bases GC codifica el mensaje después del codón que especifica glutamina. Ya que cada codón consiste de tres bases, una mutación con cambio de marco de lectura es producida por la inserción o deleción de cualquier número de pares de bases en el ADN que no es divisible por tres. Las mutaciones con cambios de marco de lectura fueron instrumentos de los científicos para determinar que el código genético es un código de tres letras (triplete).

Figura 1. Tipos de mutaciones de substitución de pares de bases. Transcripción del segmento mostrado produce un ARNm con la secuencia 5´…UCUCAAAAAUUUACG…3´, el cual codifica …-Ser-Gln-Lys-Phe-Thr-…

Figura 2. Una mutación sin sentido y su efecto sobre la traducción.

1.3. Clasificación de las mutaciones

Mutaciones visibles: son mutaciones que afectan la morfología o apariencia física de un organismo. Ejemplo: mutación para el color de los ojos y la forma de las alas de Drosophila, mutantes para el color del pelaje de animales (albinos), mutantes para el tamaño de las colonias de levadura, y mutantes para la morfología de las placas de los bacteriófagos.

Mutaciones nutricionales: una mutación auxotrófica (nutricional) afecta la capacidad de un organismo para sintetizar una molécula particular que es esencial para su crecimiento. Las mutaciones auxotróficas son más rápidamente detectadas en microorganismos tales como E. coli y levaduras que crecen en un medio de crecimiento simple y definido, en el cual ellos sintetizan las moléculas esenciales para su crecimiento.

Mutaciones condicionales: Los productos de muchos genes, por ejemplo las ADN polimerasas y ARN polimerasas, son importantes para el crecimiento y división celular, y muchas mutaciones en estos genes son letales. La estructura y función de tales genes puede ser estudiada por inducir mutaciones condicionales, los cuales reducen la actividad de los productos génicos solamente bajo determinadas condiciones. Un tipo común de mutación condicional es una mutación sensitiva a temperatura. Por ejemplo, en levaduras, muchos mutantes sensitivos a temperatura que crecen normalmente a 23 ºC, solo pueden crecer lentamente o no lo hacen a 36 ºC. La sensibilidad a temperatura se produce como resultado

de una mutación con cambio de sentido que causa un cambio en la secuencia de aminoácidos de una proteína que, a altas temperaturas, la proteína adquiere una forma que es no-funcional.

Mutaciones de resistencia: En microorganismos como E. coli y levaduras, las mutaciones pueden ser inducidas por resistencia a virus, químicos o drogas. Por ejemplo, en E. coli, mutantes resistentes al fago T1 han sido inducidos, y hay mutantes que son resistentes a antibióticos como la estreptomicina. En levadura, algunos mutantes son resistentes a antibióticos como la nistatina.

1.3.1. Cambios en la estructura cromosómica

Hay cuatro tipos de mutaciones cromosómicas que involucran cambios en la estructura cromosómica: Deleciones, Duplicaciones, Inversiones y Translocaciones. Las deleciones significan pérdida de segmentos cromosómicos; mientras las duplicaciones involucran ganancias de segmentos cromosómicos (ambos involucran cambios en la cantidad de ADN de un cromosoma). Las inversiones involucran cambios en la orientación de un segmento cromosómico; mientras las translocaciones involucran cambios en la localización de un segmento cromosómico.

Las cuatro clases de mutaciones cromosómicas estructurales comienzan con una o más rupturas en los cromosomas. Si una ruptura ocurre dentro de un gen, la función del mismo puede perderse. Si la ruptura se produce, los extremos rotos permanecen sin las secuencias especializadas encontradas en los extremos de los cromosomas (los telómeros) que previenen su degradación. Los extremos rotos de un cromosoma son “pegajosos” y pueden adherirse a otro extremo cromosómico roto.

1.3.1.1. Deleciones

Es una mutación cromosómica donde se pierde un segmento de un cromosoma (Fig. 3). Una deleción comienza donde se produce la ruptura del cromosoma. La ruptura puede ser inducida por agentes tales como el calor, radiación (principalmente la radiación ionizante), virus, químicos, y elementos transponibles (transposones), o por errores en la recombinación. Las deleciones no pueden revertirse ya que se perdió un segmento cromosómico.

Figura 3. Deleción de un segmento cromosómico (D)

Las consecuencias de las deleciones dependen de los genes o parte de los genes que se han perdido. En organismos diploides, un individuo heterocigoto para una deleción puede ser normal. En cambio, si el cromosoma homólogo contiene genes recesivos con efectos deletéreos, las consecuencias pueden ser severas. Si la deleción involucra la pérdida del centrómero, el resultado es un cromosoma acéntrico, el cual usualmente se pierde durante la meiosis. La deleción de un cromosoma entero de un genoma puede tener muy serios o aún letales consecuencias, dependiendo del cromosoma particular delecionado y el organismo. Por ejemplo, en humanos no se conoce un individuo vivo que haya perdido un cromosoma entero de un par de cromosomas autosómicos de un genoma. En el caso de las mujeres XO que han perdido un cromosoma sexual X, su efecto no es deletéreo, porque se produce un mecanismo de compensación de dosaje cromosómico.

En organismos en los cuales el análisis cariotípico (complemento cromosómico) puede ser realizado, las deleciones pueden ser detectadas si las pérdidas son lo suficientemente grandes. En dichos casos, se puede observar un par de cromosomas homólogos mal apareados, con uno más corto que el otro. En individuos heterocigotos para una deleción, lazos (loops) sin aparear son observados cuando dos cromosomas homólogos se asocian en la meiosis.

Las deleciones pueden ser usadas para determinar la localización física de un gen sobre un cromosoma. En Drosophila, los patrones de bandeo de los cromosomas politénicos son útiles como marcas visibles para el mapeo de genes por deleciones. El principio se basa en que la deleción de un alelo dominante de un heterocigota provoca la manifestación del fenotipo correspondiente al carácter recesivo, provocado por la ausencia del alelo dominante que se perdió. Esto se llama seudodominancia.

Algunas enfermedades humanas son causadas por deleciones de segmentos cromosómicos. En muchos casos, las anormalidades son encontradas en individuos heterocigóticos, ya que los individuos con deleciones homocigóticas normalmente mueren si la deleción es grande. Esto significa que en humanos, el número de copias de los genes es

importante para el normal desarrollo y funcionamiento. Generalmente, varios a muchos genes son perdidos en una deleción, entonces el síndrome que resulta es debido a la pérdida de la funcionalidad combinada de aquellos genes, más que a la pérdida de un solo gen.

Un desorden humano causado por una deleción heterocigótica es el síndrome de cri-du-chat, el cual resulta de una deleción de parte del brazo corto del cromosoma 5, uno de los cromosomas humanos más grandes. Los chicos con síndrome de cri-du-chat tienen severo retardo mental, un número de anormalidades físicas, y lloran con el sonido similar al maullido de un gato (por eso el nombre en francés de “llanto del gato”). Aproximadamente 1 cada 50.000 nacimientos vivos tiene síndrome de cri-du-chat.

1.3.1.2. Duplicaciones

Una duplicación es una mutación cromosómica que resulta en la duplicación de un segmento de un cromosoma (Fig. 4). El tamaño del segmento duplicado varía enormemente, y el segmento duplicado puede ocurrir en lugar diferentes en el genoma o en una configuración en tándem (adyacente una de otra). Cuando el orden de los genes en el segmento duplicado es opuesto al orden en el segmento original, la mutación es una duplicación inversa en tándem. Cuando los segmentos duplicados están ordenados en tándem en el extremo de un cromosoma, la mutación es una duplicación terminal en tándem (Fig. 4). Las duplicaciones heterocigóticas resultan en lazos sin aparear similares a los de las deleciones y por lo tanto pueden detectarse citológicamente.

Figura 4. Duplicaciones cromosómicas en tándem, tándem inversa y tándem terminal.

Las duplicaciones de regiones genéticas particulares pueden tener efectos fenotípicos únicos, como en el mutante Bar sobre el cromosoma X de Drosophila melanogaster, estudiado por Alfred Sturtevant y Thomas H. Morgan en la década de 1920. En razas homocigotas para la mutación Bar, el número de facetas del ojo compuesto es menor que el

del ojo normal (Fig. 5a), con la apariencia de un ojo estrecho, más que en forma oval. El fenotipo Bar se parece a una mutación incompletamente dominante, debido a que las hembras heterocigotas para Bar tiene más facetas, y por lo tanto un ojo en forma de barra más alargado, que las hembras homocigóticas para Bar. Los machos hemicigóticos para Bar tienen ojos mucho más pequeño que las hembras homicigóticas para Bar. El carácter Bar es el resultado de una duplicación de un pequeño segmento (16A) del cromosoma X (Fig. 5b).

Figura 5. Constitución cromosómica de razas de Drosophila melanogaster mostrando la relación entre duplicaciones de la región 16A del cromosoma X y la producción de fenotipos con tamaño de ojo reducido. (a) wild type. (b) mutante homocigoto para Bar.

Las duplicaciones han jugado un rol importante en la evolución de múltiples genes con funciones relacionadas (una familia multigénica). Por ejemplo, la molécula de hemoglobina contiene dos copias de cada una de las dos subunidades: el polipéptido α-globina y el β-globina. En estados diferentes de desarrollo, desde embrión a adulto, un humano tiene diferentes moléculas de diferentes tipos de α-globina y β-globina. Los genes para cada uno de los tipos de polipéptido α-globina están agrupados juntos sobre un cromosoma, mientras que los genes para cada uno de los tipo de polipéptido β-globina están agrupados juntos sobre otro cromosoma. La secuencia de los genes α-globina son todas similares, como lo son las secuencias de los genes β-globina. Se cree que cada ensamblaje de genes evolucionó de diferentes genes ancestrales por duplicación y posterior divergencia en la secuencia de los genes duplicados.

1.3.1.3. Inversiones

Una inversión es una mutación cromosómica que se produce cuando un segmento de un cromosoma es cortado y reintegrado en una orientación a 180° de la orientación original (Fig. 6). Hay dos tipos de inversiones: inversión paracéntrica que no incluye el centrómero (Fig. 6a), y una inversión pericéntrica que sí incluye el centrómero (Fig. 6b).

Figura 6. Inversiones. (a) Inversión paracéntrica. (b) Inversión pericéntrica

Generalmente, no hay pérdida de material genético cuando se produce una inversión, aunque puede haber consecuencias fenotípicas cuando el punto de ruptura (extremos de la inversión) ocurre dentro de genes o dentro de regiones que controlan la expresión génica. Inversiones homocigóticas pueden ser identificadas a través de la relación de ligamiento no-silvestre que resulta entre los genes dentro del segmento invertido y los genes que flanquean el segmento invertido. Por ejemplo, si el orden de los genes sobre el cromosoma normal es ABCDEFGH y el segmento BCD es invertido, el orden génico será ADCBEFGH, con D ahora más ligado a A que a E y B ahora más estrechamente ligado a E que a A (Fig. 6a).

Las consecuencias meióticas de una inversión cromosómica dependen si la inversión ocurrió en un homocigoto o heterocigoto. Si la inversión es homocigota, la meiosis es normal y no hay problemas relacionados a deleciones o duplicaciones génicas. Tampoco hay problemas meióticos si en la inversión heterocigota no ocurre crossing-over. Sin embargo, si se produce crossing-over, se producen consecuencias genéticas serias.

Si consideramos una inversión heterocigótica paracéntrica con genotipo ○ABCDEFGH/○ADCBEFGH, con el centrómero (○) en la izquierda del gen, en la meiosis, los cromosomas homólogos intentarán aparearse de tal forma que el mejor apareamiento se produzca (Fig. 7). Debido al segmento invertido sobre un cromosoma, el apareamiento de los cromosomas homólogos requerirá de la formación de lazos (loops) en el segmento invertido, llamado lazo de inversión. La inversión heterocigota puede ser identificada por la presencia de los lazos. Si no ocurre crossing-over en el lazo de inversión, de una inversión paracéntrica heterocigótica, todos los gametos que se formen recibirán un juego completo de genes (dos gametos con un orden génico normal, ○ABCDEFGH, y dos gametos con el segmento invertido ○ADCBEFGH). En este caso, todos los gametos serán viables. En la Fig. 7 se muestra los efectos de un simple crossing-over en el lazo de inversión, entre los genes B y C. Durante la primer anafase meiótica, los dos centrómeros migran a polos

opuestos de la célula. Debido al crossing-over, una cromátide recombinante se estira a través de la célula cuando los dos centrómeros comienzan a migrar en anafase, formándose un puente dicéntrico, es decir un cromosoma con dos centrómeros. A medida que la migración continúa, el puente dicéntrico se rompe debido a la tensión que se produce. El otro producto recombinante del evento del crossing-over termina sin un centrómero (un fragmento acéntrico). Este fragmento acéntrico es incapaz de continuar a través de la meiosis y generalmente se pierde (no se encuentra en los gametos).

Figura 7. Consecuencias de una inversión paracéntrica. Productos meióticos resultantes de un crossing-over simple dentro del lazo de la inversión heterocigótica.

En la segunda división meiótica, cada célula hija recibe una copia de cada cromosoma. Dos de los gametos, el gameto con el orden normal de los genes (○ABCDEFGH) y el gameto con el segmento invertido de los genes (○ADCBEFGH) tienen el juego completo de genes y son viables. Los otros dos gametos son inviables porque están desbalanceados. Muchos genes están delecionados. Por lo tanto, los únicos gametos que pueden dar origen a

productos viables son aquellos que contienen cromosomas donde no se produjo crossing-over.

Las consecuencias de un simple crossing-over en un lazo de inversión de un individuo heterocigótico para una inversión pericéntrica es mostrado en la Fig. 8. El cromosoma normal es ABC○DEFGH y el cromosoma invertido AD○CBEFGH; el centrómero está entre C y D. El crossing-over y las posteriores divisiones meióticas producen dos gametos viables con los cromosomas no recombinantes ABC○DEFGH (normal) y AD○CBEFGH (invertido) y dos gametos recombinantes que son inviables, como consecuencia de deleciones de algunos genes y duplicaciones de otros.

Figura 8. Consecuencias de una inversión paricéntrica. Productos meióticos resultantes de un crossing-over simple dentro del lazo de la inversión heterocigótica.

Algunos eventos de crossing-over dentro de un lazo de inversión no afectan la viabilidad de los gametos. Por ejemplo, un doble crossing-over estrechamente juntos e involucrando las mismas cromátides produce cuatro gametos viables. Otra excepción ocurre cuando segmentos duplicados y delecionados de las cromátides recombinantes no afectan la expresión génica y por lo tanto la viabilidad, o cuando los segmentos cromosómicos involucrados son pequeños. Un estudio reciente con mamíferos demostró que segmentos invertidos pueden permanecer sin aparearse, con lo cual no puede ocurrir crossing-over, de tal forma que se forman gametos viables.

1.3.4. Translocaciones

Una translocación es una mutación cromosómica en la cual hay un cambio en la posición de un segmento cromosómico en un lugar diferente en el genoma (Fig. 9). No se produce ganancia o pérdida de material genético. Si un segmento cromosómico cambia de posición dentro del mismo cromosoma, se produce una translocación intracromsomal no-recíproca (Fig. 9a). Si un segmento cromosómico es transferido de un cromosoma a otro, en una transferencia de una vía, se llama translocación intercromosomal no-recíproca (entre cromosomas) (Fig. 9b) y si se produce un intercambio mutuo de segmentos entre dos cromosomas, translocación intercromosomal recíproca (Fig. 9c).

Figura 9. Translocaciones. (a) Intracromosomal no-recíproca. (b) Intercromosomal no-recíproca. (c) Itercromosomal recíproca.

En organismos homocigotos para translocaciones (ambas copias del genoma diploide tienen la translocación), la consecuencia genética es una alteración en la relación de ligamiento entre los genes. Por ejemplo, en la translocación intracromosomal no-recíproca mostrada en la Fig. 9a, el segmento BC se ha movido a otro brazo cromosómico y se ha insertado entre los segmentos F y G. Como resultado de ello, los genes en los segmentos F y G ahora están más alejado que en las razas normales, y los genes en los segmentos A y D ahora están más estrechamente ligados. Lo mismo se produce en las translocaciones recíprocas.

Las translocaciones afectan los productos de la meiosis. En muchos casos, algunos de los gametos producidos están desbalanceados, con deleciones o duplicaciones, y por lo tanto son inviables. En otros casos, tales como el Síndrome de Down familiar, resultante de una duplicación derivada de una translocación, los gametos son viables.

En razas homocigotas para una translocación recíproca, la miosis ocurre normalmente, porque todos los pares de cromosomas pueden aparearse adecuadamente y los crossing-overs no producen ninguna cromátide anormal. Sin embargo, en razas heterocigotas para

una translocación recíproca, todas las partes de los cromosomas homólogos se aparean como mejor pueden. Por lo tanto, un juego de cromosomas normales (N) y un juego de cromosomas translocados (T) forman una configuración en forma de cruz en la profase I de la meiosis (Fig. 10). Esta figura en forma de cruz consiste de cromosomas asociados de a cuatro, cada uno parcialmente homólogo a los otros dos cromosomas del grupo.

Figura 10. Meiosis en una trasnlocación heterocigótica en la cual no ocurre crossing-over.

La segregación en anafase I puede ocurrir de tres maneras (se ignora las complicaciones de un crossing-over). En la segregación alternada, los centrómeros alternados migran al mismo polo (Fig. 10, izquierda: N1 y N2 migran a un polo, T1 y T2 al otro polo). Esto produce dos gametos, cada uno de los cuales es viable, porque éstos contienen un juego completo de genes, ni más ni menos. Uno de estos gametos tiene dos cromosomas normales, y los otros tiene dos cromosomas translocados. En la segunda segregación,

llamada segregación adyacente 1, centrómeros no-homólogos adyacentes migran al mismo polo (Fig. 10, medio: N1 y T2 migran a un polo, N2 y T1 al otro polo). Ambos gametos producidos contienen deleciones y duplicaciones y son inviables. La segregación adyacente 1 ocurre tan frecuentemente como la segregación alternada. En la segregación adyacente 2, diferentes pares de centrómeros homólogos adyacentes migran al mismo polo (Fig. 10, derecha: N1 y T1 migran a un polo, N2 y T2 al otro polo). Ambos productos tienen deleciones y duplicaciones y son inviables. La segregación adyacente 2 ocurre muy rara vez.

En resumen, de los seis gametos teóricamente posibles, los dos gametos de la segregación alternada son funcionales, los dos de la segregación adyacente 1 son inviables (por deleciones o duplicaciones), y los dos gametos de la adyacente 2 ocurre rara vez y son inviables. Como las dos segregaciones más frecuente se producen en igual proporción, se produce un fenómeno de semiesterilidad.

En la práctica, los gametos animales que tiene grandes segmentos cromosómicos delecionados o duplicados pueden funcionar, pero los cigotos formados por tales gametos mueren. Por el contrario, si los segmentos cromosómicos delecionados o duplicados son pequeños, los gametos pueden funcionar normalmente y se producen descendientes viables. En plantas, los granos de polen con segmentos cromosómicos delecionados y duplicados generalmente no se desarrollan y son inviables.

1.3.2. Cambios en el número cromosómico

Cuando una célula u organismo tienen un juego completo de cromosomas o un múltiplo exacto de tales juegos, se denominan Euploides. Los organismos eucariotas que son normalmente diploides y haploides (como las levaduras) son euploides. Las mutaciones cromosómicas que resultan en variaciones en el número de juegos de cromosomas ocurren en la naturaleza, y las células u organismos resultantes también son euploides. Mutaciones cromosómicas resultantes de variación en el número de cromosomas individuales se denominan Aneuploidía. Una célula u organismo aneuploide tiene un número cromosómico que no es un múltiplo exacto del juego haploide de cromosomas. Los cambios en juegos completos de cromosomas se denominan Euploidía aberrante.

1.3.2.1. Aneuploidía

Los cambios en el número cromosómico pueden ocurrir tanto en organismos haploides como diploides. La no-disyunción de uno o más cromosomas durante la meiosis I o II es la responsable de generar gametos con números anormales de cromosomas (Fig. 11).

Figura 11. El origen de gametos aneuploides por no-disyunción en la primera y segunda división meiótica.

En la aneuploidía, uno o más cromosomas son perdidos o adicionados al juego normal de cromosomas (Fig. 11). La aneuploidía puede ocurrir, por ejemplo, por la pérdida de cromosomas individuales en la meiosis, o rara vez por no-disyunción en la mitosis. En animales, la aneuploidía autosomal es letal y en muchos casos, como en mamíferos es detectada fundamentalmente en fetos abortados. La aneuploidía es más tolerada por los vegetales.

En organismos diploides hay cuatro tipos principales de aneuploidía (Fig. 12):

Figura 12. Juego normal (teórico) de cromosomas metafásicos en un organimso diploide (2N) (arriba) y ejemplos de aneuploidía (abajo).

Nulisomía (2n-2): involucra la pérdida de un par de cromosomas homólogos. Se produce por la no-disyunción del mismo cromosoma del par homólogo en la meiosis de ambos padres, produciendo gametos sin ninguna copia de dicho cromosoma y una copia de todos los otros cromosomas del juego.

Monosomía (2n-1): Se produce por la pérdida de un solo cromosoma y se origina por la no-disyunción en la meiosis de un progenitor, donde se producen gametos con ninguna copia de aquel cromosoma y una copia del resto de los cromosomas del juego.

Trisomía (2n+1): Son organismos que tiene un cromosoma extra con respecto al juego completo de cromosomas, por lo tanto hay tres copias para un cromosoma y dos copias para el resto de los cromosomas del complemento. Se originan por no-disyunción en la meiosis de un progenitor, en la cual se producen gametos con dos copias de un cromosoma en particular y una copia para el resto de los cromosomas del juego.

Tetrasomía (2n+2): Se produce por la ganancia de dos cromosomas extras de un par de homólogos, por lo tanto hay 4 copias de un cromosoma en particular y dos copias del resto de los cromosomas del complemento. Se originan por no-disyunción en la meiosis en ambos progenitores, produciendo gametos con dos copias de aquel cromosoma y una copia del resto de los cromosomas del juego.

La aneuploidía puede involucrar la pérdida o ganancia de más de un cromosoma específico o par de cromosomas homólogos. Por ejemplo, un doble monosómico (2n-1-1) tiene dos cromosomas de menos, pero de diferentes pares de homólogos. Un doble tetrasómico (2n+2+2) tiene cuatro cromosomas adicionales, pero correspondiente a dos pares de cromosomas homólogos.

Muchos aneuploides tienen problemas en la meiosis. Los monosómicos, por ejemplo, producen dos clases de gametos haploides: n y n-1. El cromosoma impar sin aparearse, en las células 2n-1 puede ser perdido durante la anafase meiótica y no ser incluido en ningún núcleo hijo, por lo tanto se producen dos gametos n-1. En el caso de los trisómicos hay más posibilidades en la meiosis (Fig. 13).

Figura 13. Posibilidades de segregación meiótica en un individuo trisómico. Se muestra la segregación en un individuo de genotipo +/+/a cuando dos cromosomas migran a un polo y uno al otro polo, asumiendo que no se produce crossing-over entre el locus a y su centrómero.

Si consideramos un trisómico de genotipo +/+/a en un organismo que puede tolerar la trisomía, y asumimos que no se produce crossing-over entre el locus y su centrómero, una segregación al azar de los tres tipos de cromosomas produce 4 clases genotípicas de

gametos: 2(+a):2(+):1(++):1(a) (Fig. 13). En un cruzamiento de un trisómico +/+/a con un individuo a/a, la proporción fenotípica esperada entre la progenie es 5 silvestres (+):1 mutante (a).

En la Tabla 1 se resume varias anormalidades aneuploides para cromosomas autosómicos y sexuales en humanos. En mamíferos, la aneuploidía de cromosomas sexuales (X e Y) es más frecuente encontrarla en adultos que la aneuploidía de los autosomas, debido a un mecanismo de compensación de dosaje (lionización) por el cual excesos de cromosomas X son inactivados.

Tabla 1. Anormalidades aneuploides en la población humana.

En humanos, la monosomía autosomal es rara. Presumiblemente, los embriones monosómicos no se desarrollan significativamente y son perdidos al principio de la preñez. Por el contrario, la trisomía autosomal se produce en alrededor de la mitad de las anormalidades cromosomales que producen muerte fetal. En general, muy pocas trisomías autosomales son vistas en nacimientos vivos. La mayoría de éstas (trisomía del par 8, 13 y 18) provocan la muerte temprana. Solamente en la trisomía del par 21 (Síndrome de Down) los individuos sobreviven hasta la adultez.

La trisomía del par 21 ocurre cuando hay tres copias de cromosoma 21 (Fig. 14) producto de una no-disyunción del cromosoma 21 en la meiosis de uno de los padres, el cual es cromosómicamente normal. Se produce con una frecuencia de alrededor de 0,15 % de todos los nacimientos vivos. En este tipo esporádico de Síndrome de Down, no hay historia familiar de aneuploidía, como en el producido por translocaciones (Fig. 15).

Figura 14. Trisomía del par 21 (Síndrome de Down). (a) Cariotipo. (b) Individuo.

Los individuos con síndrome de Down se caracterizan por un bajo coeficiente intelectual (IQ), pliegues epicánticos sobre los ojos, manos cortas y anchas, y una altura más baja que el promedio. Hay una relación entre la edad de la madre y la probabilidad de que tenga un hijo con trisomía del par 21 (Tabla 2).

Tabla 2. Relación entre la edad de la madre y el riesgo de trisomía-21.

Por muchos años se creyó que no había relación con la edad de los padres. Evidencias recientes indican que la edad del padre tiene efecto sobre el Síndrome de Down si la madre tiene 35 o más años de edad. En mujeres jóvenes no hay efecto paternal.

El Síndrome de Down también puede producirse por una mutación cromosómica llamada fusión céntrica o Translocación Robertsoniana, la cual produce tres copias del brazo largo del cromosoma 21. Esta forma de Síndrome de Down es llamada familiar. Una translocación Robertsoniana es un tipo de translocación no-recíproca en la cual dos cromosomas acrocéntricos no-homólogos se rompen en sus centrómeros y los brazos largos de ambos se unen con un simple centrómero (Fig. 15). Los brazos cortos también se unen para formar el producto recíproco, el cual contiene genes no esenciales y generalmente se pierde en unas pocas divisiones celulares. En humanos, cuando una translocación Robertsoniana une los brazos largos de los cromosomas 21 y 14 (o 15), los heterocigotos portadores son fenotípicamente normales, debido a que hay dos copias de todos los brazos cromosómicos y por lo tanto hay dos copias de todos los genes esenciales.

Figura 15. Traslocación Robertsoniana. Producción de una translocación Robertsoniana (fusión céntrica) por ruptura de dos cromosomas acrocéntricos en sus centrómeros (indicado por flechas) y fusión de los dos brazos cromosómicos largos y de los dos brazos cromosómicos cortos.

Hay riesgo de Síndrome de Down entre la descendencia de apareamientos entre heterocigotos portadores e individuos normales (Fig. 16). El padre normal produce gametos con una copia de cada uno de los cromosomas 14 y 21.

El padre heterocigoto portador produce tres pares de gametos recíprocos, cada uno como resultado de diferentes segregaciones de los tres cromosomas involucrados. Como muestra la Fig. 16, los cigotos producidos por la unión de estos gametos con gametos de constitución cromosómica normal son los siguientes: 1/6 tiene cromosomas 14 y 21 normal, 1/6 son heterocigotos portadores como el padre y son fenotípicamente normales, 1/6 son inviables debido a la monosomía para el cromosoma 14, 1/6 son inviables debido a la monosomía para el cromosoma 21, 1/6 son inviables debido a la trisomía para el cromosoma 14, y 1/6 son trisómicos para el par 21 y producen el Síndrome de Down. En resumen, la mitad de los cigotos producidos son inviables, y teóricamente 1/3 de los cigotos viables dan origen a individuos con Síndrome de Down familiar. En este caso, el riesgo de tener hijos con la enfermedad es más alto que en el Síndrome de Down no-familiar.

Figura 16. Los tres patrones de segregación de una translocación Robertsoniana heterocigótica involucrando a los cromosomas humanos 14 y 21. Fusión de los gametos resultantes con gametos de un padre normal produce cigotos con varias combinaciones de cromosomas normales y translocados.

1.4.2. Euploidía aberrante

Los organismos con múltiplos del juego básico de cromosomas (genoma) son denominados euploides. Los organismos que normalmente portan un juego de cromosomas (haploidía) o dos juegos de cromosomas (diploidía) son considerados euploides normales.

Aquellos organismos que tienen un número de juegos cromosómicos de más o menos que los juegos normales son denominados euploides aberrantes.

Los Monoploides son los individuos que tienen un solo juego de cromosomas (Fig. 17a); mientras los organismos que tienen más de dos juegos de cromosomas son denominados Poliploides (Fig. 17b). Los poliploides a su vez se dividen en triploides (3x), tetraploides (4x), pentaploides (5x), hexaploides (6x) y así sucesivamente.

Figura 17. Variaciones en el número de juegos completos de cromosomas. (a) Monoploidía (sólo un juego de cromosomas en lugar de dos). (b) Poliploidía (tres o más juegos de cromosomas).

El cambio en un juego completo de cromosomas puede producirse cuando en la primera o segunda división meiótica no se produce la citocinesis o cuando ocurre no-disyunción para todos los cromosomas. Si la no no-disyunción ocurre en la meiosis I, la mitad de los gametos no tienen juegos cromosómicos, y la otra mitad tendrá dos juegos de cromosomas. Si la no-disyunción ocurre en la meiosis II, la mitad de los gametos tiene un juego normal de cromosomas, ¼ tiene dos juegos de cromosomas, y ¼ no tiene juego de cromosomas. La fusión de un gameto con dos juegos de cromosomas (n=2x) con un gameto normal con un

juego de cromosomas (n=x), produce un cigoto triploide con tres juegos de cromosomas (2n=3x). De igual forma, la fusión de dos gametos con dos juegos de cromosomas (n=2x) produce un cigoto tetraploide (2n=4x). También se pueden producir poliploides de células somáticas si se produce no-disyunción mitótica de juegos completos de cromosomas.

Monoploidía: Un individuo monoploide tiene un solo juego de cromosoma en lugar de dos juegos (Fig. 17a). La monoploidía es a veces denominada haploidía, aunque este último término es correcto usarlo para describir el complemento cromosómico de los gametos. Algunos hongos y machos de especies haploides/diploides (hormigas, avispas, abejas) son monoploides.

La monoploidía es rara encontrarla en organismos adultos debido a que todos los organismos diploides portan un número de mutaciones recesivas deletéreas (carga genética), las cuales generalmente son enmascaradas por alelos dominantes, en individuos heterocigotas, pero en un monoploide se expresan automáticamente y por lo tanto no sobreviven. Si el organismo llegase a la adultez, no se podría producir la meiosis, porque los cromosomas no tiene sus correspondientes homólogos con quien aparearse, y por lo tanto estos monoploides son estériles. En los machos de las avispas, abejas y hormigas los gametos se producen por mitosis.

Las células de los individuos monoploides son muy útiles para producir mutantes, debido a que poseen una sola dosis de cada uno de los genes.

Poliploidía: son las células u organismos que contienen 3 o más juegos de cromosomas (Fig. 17b). Los poliploides pueden originarse espontáneamente o ser inducidos experimentalmente. Se originan como resultado de la ruptura del huso acromático en una o más divisiones meióticas o en divisiones mitóticas. La poliploidía es más común entre las plantas que entre los animales. La poliploidía ha jugado un rol muy importante en el origen y evolución de muchas especies vegetales.

En euploides aberrantes, hay a menudo una correlación entre el número de copias de los juegos cromosómicos y el tamaño del organismo. Un organismo tetraploide, generalmente es muy similar en sus proporciones a su contraparte diploide, excepto que el tetraploide es más grande, tanto en un todo como en sus partes componentes.

Hay dos clases generales de poliploides: aquellos con un número par de juegos de cromosomas y aquellos con un número impar. Los que tienen un número par de juegos de cromosomas tienen más chances de ser por lo menos parcialmente fértiles, debido a que hay el potencial para que los homólogos segreguen igualitariamente durante la meiosis. Los poliploides con un número impar de juegos cromosómicos siempre tienen los cromosomas de un juego sin aparearse, entonces la probabilidad de producir un gameto balanceado es extremadamente baja, por lo cual estos organismos generalmente son estériles o tiene un aumento en la incidencia de cigotos abortados.

En los triploides, el núcleo de una célula tiene tres juegos de cromosomas. Debido a ello, los triploides son altamente inestables en la meiosis, debido a que igual que los trisómicos, dos de los tres cromosomas homólogos irán a un polo y el otro al polo opuesto. La segregación de cada cromosoma de su homólogo es al azar, entonces la probabilidad de

producir gametos balanceados que contiene juegos de cromosomas haploides o diploides es pequeña, y muchos gametos están desbalanceados, con una copia de un cromosoma, dos copias de otro, y así sucesivamente. En general, la probabilidad que un triploide produzca un gameto haploide es (1/2)n, donde n es el número de cromosomas.

En humanos, el tipo más común de poliploidía es la triploidía, y siempre es letal. La triploidía es vista en 15 a 20 % de los abortos espontáneos y alrededor del 1 en 10.000 nacimientos vivos, y la mayoría de los bebes afectados mueren dentro del primer mes de vida. Los bebes triploides tienen muchas anormalidades, incluyendo una cabeza característicamente alargada. La tetraploidía en humanos es casi siempre letal antes del nacimiento. Es encontrada en alrededor del 5 % de los abortos espontáneos. Muy rara vez un humano tetraploide llega a nacer y no sobreviven mucho tiempo.

La poliploidía tiene menos consecuencias en los vegetales. Una razón es que muchas plantas se autofertilizan, entonces si una planta es producida con un número de ploidía par de juegos cromosómicos (ej. 4x), esta puede producir gametos fértiles y reproducirse.

1.4. Origen de los poliploides

Los poliploides pueden clasificarse de acuerdo al origen de sus juegos cromosómicos en: autopoliploides y alopoliploides. En los autopoliploides, todos los juegos cromosómicos se originaron de una misma especie; mientras que en los alopoliploides poseen juegos cromosómicos de dos o más especies diferentes. Los alopoliploides sólo pueden originarse entre especies estrechamente relacionadas y los diferentes juegos cromosómicos son homeólogos (parcialmente homólogos) y no totalmente homólogos como en los autotetraploides.

Autopoliploides: Los triploides son generalmente autopoliploides. Se originan espontáneamente en la naturaleza o pueden ser creados al cruzar una planta tetraploide (2n=4x) con una diploide (2n=2x). El tetraploide producirá gametos diploides (n=2x) y el diploide gametos haploides (n=x) que al fusionarse formarán el triploide (n + n = 2x + x = 2n = 3x). Los triploides en general son estériles y se debe al problema que existe en el apareamiento de los cromosomas en la meiosis.

Los autotetraploides se originan por la duplicación del complemento cromosómico de un diploide. La duplicación puede ocurrir espontáneamente, pero también puede ser inducida artificialmente por aplicar agentes químicos impidan la polimerización de los microtúbulos, lo cual bloquea la segregación de los cromosomas. El agente químico utilizado es la colchicina, la cual normalmente se aplica a tejido somático durante la formación de las fibras del huso acromático durante la división celular. En el tratamiento con colchicina, se produce la fase S del ciclo celular, pero no hay segregación cromosómica ni división celular. Cuando la célula entra en telofase, se forma una membrana nuclear alrededor del juego duplicado de cromosomas. Las células diploides (2x) tratadas con colchicina, después de un ciclo celular se convierten en tetraploides (4x), con cuatro copias

de cada uno de los juegos de cromosomas. Si el tratamiento continua un ciclo más, se producirán células octoploides (8x), y así sucesivamente.

Ejemplos de especies autoploides que se utilizan comercialmente son: la banana es un autotriploide con 2n = 3x = 33, es decir cuenta con 11 cromosomas por cada juego cromosómico. Las bananas triploides no producen semillas. Otro ejemplo son las sandias triploides sin semillas.

Alopoliploides: Los alopoliploides son plantas de origen híbrido entre dos o más especies, conteniendo dos o más copias de cada uno de los juegos de cromosomas.

Un ejemplo de alotetraploide sintetizado fue el de Karpechenko en 1928 (Fig. 18). El quería formar un híbrido fértil entre el repollo (Brassica oleracea) y el rabanito (Raphanus sativus) de tal forma que posea las hojas del repollo y la raíz del rabanito. Las dos especies tienen 18 cromosomas y están muy relacionadas entre sí, de tal manera que es posible intercruzarlas. Sin embargo, los híbridos obtenidos fueron estériles, debido a que los 9 cromosomas aportados por el repollo fueron suficientemente diferentes de los cromosomas del rabanito que no se apareaban en la meiosis, con lo cual no producía gametos funcionales.

Algunas semillas fueron producidas por el híbrido y al plantarlas produjeron individuos fértiles con 2n=36 cromosomas. Estos individuos fueron alotetraploides y se formaron por duplicación espontánea. Esta clase de alopoliploides es denominada amphidiploides o diploides duplicados. Desafortunadamente para Karpechenko, el alotetraploide tenía las hojas del rabanito y la raíz del repollo. A esta nueva especie la denominó Raphanobrassica (Fig. 18).

Figura 18. El origen del amfidiploide (Raphanobrassica) del repollo (Brassica) y el rabanito (Raphanus). El amfidiploide fértil se originó de la duplicación espontánea del híbrido estéril 2n = 18.

La alopoliploidía ha sido importante en la producción de cultivos modernos. El algodón es un alopoliploide que se formó espontáneamente como lo fue el trigo. Los alopoliploides también son sintetizados artificialmente para combinar las características útiles de dos o más especies parentales en una sola. Solamente un amphidiploide sintético ha sido comercialmente utilizado y es el Triticale, el cual es un híbrido entre el trigo (2n=6x=42) y el centeno (2n=2x=14). El Triticale tiene 2n= 2x (21 + 7) = 56. Esta planta combina la alta producción del trigo con la rusticidad del centeno.

1.5. Concepto de número básico, número gamético y número cigótico

Se entiende por número básico (x) a cada juego de cromosomas; mientras que número gamético (n) es el número cromosómico que portan los gametos. El número cigótico (2n) hace referencia al número cromosómico que posee el cigoto. El término genomio o genoma hace referencia a los juegos de cromosomas de un mismo origen genético. Ej. El trigo común es hexaploide (6x) y tiene 3 genomas distintos (A, B y D), es decir 6 juegos de cromosomas (AABBDD) de tres orígenes diferentes (ejemplo de alopoliploide).

1.6. Citogenética de autoploides y aloploides

En un autoploide, por ejemplo un triploide, el mecanismo molecular de la sinapsis, establece que el apareamiento solo pueda tener lugar entre dos de los tres cromosomas de cada juego (Fig. 19). Los homólogos apareados (bivalentes) segregan a polos opuestos, pero el homólogo sin aparearse (univalente) pasa tanto a un polo como al otro en forma al azar. En el caso que se apareen de a tres (trivalente), los centrómeros apareados segregan como un bivalente y el sin aparearse como un univalente. Los gametos pueden recibir tanto uno como dos cromosomas de los tres homólogos. Por lo tanto, existe la probabilidad que los gametos tengan un número cromosómico intermedio entre el número haploide y diploide. A estos gametos se los denomina aneuploides.

Figura 19. Apareamientos de tres cromosomas homólogos. Los tres cromosomas homólogos de un triploide pueden aparearse de dos maneras en la meiosis, como un trivalente o como un bivalente más un univalente.

Los gametos aneuploides generalmente no dan origen a descendientes viables. En plantas, los granos de polen aneuploides son generalmente inviables y por lo tanto son incapaces de fertilizar a un gameto femenino.

Los autotetraploides pueden tener una meiosis regular, aunque no siempre es el caso, debido a que tiene un número par de juegos de cromosomas homólogos. El factor crucial es cómo los 4 cromosomas de cada juego se aparean y segregan en la meiosis. Hay varias posibilidades como se observa en la Fig. 20.

Si los cromosomas se aparean como bivalentes o cuadrivalentes, los cromosomas segregan normalmente, produciendo gametos diploides. La fusión de gametos en la fertilización regenera el estado tetraploide. Si se forman trivalentes, la segregación conduce a la formación de gametos aneuploides no-funcionales y por lo tanto a esterilidad.

Figura 20. Tres posibilidades de apareamientos meióticos en un tetraploide. Los 4 cromosomas homólogos pueden aparearse como dos bivalentes o un cuadrivalente, y cada uno producir gametos funcionales. Una tercer posibilidad, un trivalente más un univalente, los cuales producen gametos no-funcionales.

En los aloploides con número par de juegos cromosómicos, los cromosomas se asocian en la meiosis formando bivalentes, al igual que organismos diploides, con lo cual la segregación sería normal. Por ejemplo, en el trigo, Triticum turgidum (2n = 4x = 28) tenemos dos genomios duplicados (AABB), por lo tanto los cromosomas del genomio A se van a asociar formando bivalentes con los homólogos del otro genomio A; mientras que lo

mismo ocurre con los cromosomas del genomio B. En total se observarán 14 bivalente, 7 de los cuales corresponden al genomio A y 7 al genomio B.

1.7. Series poliploides: El ejemplo del trigo

Un alopoliploide natural interesante es el trigo panadero, Triticum aestivum (2n = 6x =42) (Fig. 21). Estudiando sus parientes silvestres, los genetistas reconstruyeron su historia evolutiva más probable. La Fig. 21 muestra que el trigo panadero está compuesto de tres genomas duplicados (AABBDD). En la meiosis, el apareamiento es siempre entre los homólogos del mismo genoma ancestral. Por lo tanto, en la meiosis de T. aestivum siempre se observan 21 bivalentes.

Figura 21. La historia evolutiva propuesta para el origen del trigo hexaploide moderno. Amfidiploides fueron producidos en dos momentos de la historia. A, B, y D son juegos cromosómicos diferentes.

1.8. Herencia polisómica

Es el tipo se herencia que ocurre principalmente en organismos autopoliploides. En los organismos diploides, al igual que en los alopoliploides, el tipo de herencia que se produce se denomina disómica. La herencia polisómica se produce como consecuencia de la formación de asociaciones multivalentes durante la meiosis (Ej. trivalentes, cuadrivalentes, etc.). Las segregaciones meióticas en herencia polisómica difieren de las disómicas y dependen del número y posición de los entrecruzamientos en los multivalentes, de la distancia del locus considerado y el centrómero, del tipo de coorientación, etc.