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Tema 4
Análisis genético mendeliano
2º Bloque. Fundamentos de Análisis Genético
Destino del ADN en mitosis y meiosis
Replicación y compactación
Apareamiento de cromosomas
homólogos duplicados y
entrecruzamientos
meiótica I División
meiótica II
Cromosomas duplicados alineados
individualmente
mitótica
mitosis meiosis
Segregación de homólogos
apareados
Segregación de cromátidas
Homólogo Homólogo paterno materno
Homólogo Homólogo paterno materno
4.1
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Alternancia haploide diploide
Ciclo de vida de Saccharomyces cerevisiae
a/α diploide
gemación
conjugación meiosis
a haploide
α haploide
gemación
tétrada (4 productos meióticos o esporas, dos de cada sexo)
4.2
Predominancia haploide
Ciclo de Neurospora crassa
4.2
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Predominancia diploide
Ciclo de un animal (Drosophila melanogaster) Hembra macho
Haploide
Diploide
meiosis singamia
gametos
4.2
Predominancia diploide
Ciclo de una planta (angiosperma)
Haploide
Diploide
meiosis singamia
gametos
4.2
(pistilo)
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Tipos de organismos según la distribución del sexo
(1) Organismos monoicos y hermafroditas - Sexos en un mismo individuo
(2) Organismos dioicos y unisexuales
- Sexos separados - A veces, dimorfismo sexual acentuado
El sexo en los ciclos de vida 4.2
(1) Determinación ambiental - Lugar de desarrollo (ej. Bonellia) - Condiciones de desarrollo
(ej. temperatura en reptiles, edad en el molusco Crepidula)
(2) Determinación genética - Determinación génica - Determinación cromosómica Ploidía (haploide / diploide) Cromosomas sexuales: sistemas XX/XY y WZ/ZZ (Tema 1)
El sexo como resultado de un plan de desarrollo y de interacción con el ambiente
El sexo en los ciclos de vida
Crepidula fornicata
Bonellia viridis
4.2
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Determinación génica del sexo
Efecto de un locus
(1) Organismos haplontes
(2) Organismos diplontes
Ecballium elaterium (AD > A+ > Ad )
Saccharomyces (MAT a / MAT α) Chlamydomonas (mt+ / mt-)
AD masculina A+ monoico Ad femenina
a
α Saccharomyces cerevisiae
Chlamydomonas reinhardtii
Ecballium elaterium
4.2
Determinación del sexo en animales
Aves
Mamíferos
Ofidios
Quelonios
Lagartos
Cocodrilos
WZ / ZZ
DAT (determinación
ambiental por temperatura)
Gráfico: Yoichii Matsuda (www.bio.nagoya-u.ac.jp/gcoe/english/member/matsuday.html)
DAT
WZ / ZZ
XX / XY
WZ / ZZ
WZ / ZZ
XX / XY
XX / XY
4.2
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Haplo-diploidía
Partenogénesis
Reina (2n)
Zángano (n)
óvulos (n)
espermatozoides (n) cigotos (2n)
Reina (2n)
Obrera (2n)
Alimentación 1
Alimentación 2
+ componente ambiental: reina/obrera
Determinación del sexo en insectos sociales
Meiosis
Obrera (2n) Zángano (n) Reina (2n)
Ejemplo en la abeja milífera
4.2
Gregor Mendel (1822-1884)
1862 (foto en un grupo en la exposición mundial de Londres)
4.3
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Diseño experimental de Mendel (1865)
Guisante de jardín (Pisum sativum) - Cultivo fácil y rápido. - Generación por estación. - Alto número de semillas.
- Uso de características fenotípicas bien definidas - Caracteres alternativos - Selección de líneas puras
- Cruces controlados
Líneas puras: mantienen constante un fenotipo a lo largo de las generaciones
Método científico seguido por Mendel
- Análisis estadístico de los resultados
4.3
Caracteres (fenotipos) mendelianos
Caracteres discretos alternativos
4.3
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Elección del cruce; cruces recíprocos
Cruzamientos de Mendel
Generación parental (P): Líneas parentales elegidas Primera generación (F1): Resultado del cruce de P
Segunda generación (F2): Resultado de cruces al azar de la F1
x x
4.3
Homocigosos y heterocigosis
A a
x P
F1
Aa
A a
Dos lineas puras diferentes para un carácter poseen información genética diferente para dicho carácter
El híbrido posee necesariamente copias distintas para cada gen:
Heterocigosis
Homocigosis
4.4
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Análisis de proporciones en la F2
P F1 F2 Proporción F2
Semillas lisas x rugosas Lisa 5474 lisas
1850 rugosas 2,96 : 1
Semillas amarillas x verdes Amarilla 6022 amarillas 2001 verdes 3,01 : 1
Flores violetas x blancas Violeta 705 violetas 224 blancas 3,15 : 1
Vainas lisas x hendidas Lisa 882 lisas
299 hendidas 2,95 : 1
Vainas verdes x amarillas Verde 428 verdes
152 amarillas 2,82 : 1
Flores axiales x terminales Axiales 651 axiales
207 terminales 3,14 : 1
Plantas altas x enanas Altas 787 altas
277 enanas 2,84 : 1
4.4
x P
F1
Aa
A A a a
Aa
x
a A a A
AA Aa aA aa
F2 3:1
Interpretación de las segregaciones 4.4
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Factores hereditarios discretos (genes) gen "color de la flor"
Existen variantes de los factores (alelos) A: color violeta; a: color blanco
En los individuos aparecen por parejas (diploidía) AA; Aa; aa
Una variante enmascara a la otra (dominante/recesivo) AA y Aa color violeta; sólo aa color blanco
Líneas puras: las dos variantes son idénticas (homocigotos)
Líneas híbridas: las dos variantes son distintas (heterocigotos)
AA aa
Aa
Conclusiones de los experimentos de Mendel 4.4
Cada gameto contiene un solo elemento de la pareja (haploidía) Individuo Aa: gametos A y a
Segregación igualitaria durante la formación de gametos Individuo Aa: 1/2 gametos A 1/2 gametos a
Resultados independientes del sexo: Los cruces recíprocos dan el mismo resultado
Interpretación de Mendel: principio de segregación 4.5
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Esquemático Diagramático o cuadro de Punnet Probabilístico
AA x aa
Aa Aa
Aa Aa
Aa Aa
Polen A A
a
a Óvu
los 1 A
Polen Óvulos
1 a = 1 Aa
100 % Aa 100 % Aa 100 % Aa
Monohíbrido: análisis de proporciones en la F1 4.5
Métodos de representación
Métodos de representación
Aa x Aa
AA Aa aa
1 : 2 : 1
3 : 1
AA Aa
Aa aa
A a
a Óvu
los
AA Aa aa
1 : 2 : 1
3 : 1
1/2 A
Polen Óvulos
1/2 A = 1/4 AA 1
1/2 a = 1/4 Aa
1/2 a
1/2 A = 1/4 Aa
1/2 a = 1/4 aa 1
2
3
Polen
A
Monohíbrido: análisis de proporciones en la F2
Esquemático Diagramático o cuadro de Punnet Probabilístico
4.5
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Genética mendeliana y cromosomas 1900 Sutton
1/2 r
1/2 R
AA
Aa
aa
S
RII
RI
RII
Walter Sutton, 1877-1916
4.5
ADN
ARNm
Proteína
Proteína
ARNm
ADN
AA Aa aa
Genética mendeliana y molecular
locus
4.5
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P Aa x Aa Gametos A a A a F1 AA Aa aA aa
3:1
Cruzamiento de prueba o retrocruzamiento
Aa
aa A a
a
AA
aA A a
A
Aa
aa
a
Cruzamiento de un híbrido
Cruzamiento de prueba: cruce del híbrido con el parental recesivo P Aa x aa Gametos A a a F1 Aa aa
1:1
4.6
En un cruzamiento de prueba, los fenotipos de la descendencia corresponden a los genotipos de los gametos producidos por el híbrido
Cruzamiento de prueba o retrocruzamiento 4.6
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Dominancia intermedia
Ejemplo: color de las flores en Antirrhinum
P
F1
F1 x F1
F2
R1 R1 x R2 R2
R1 R2
R1 R2 x R1 R2
1/4 R1 R1
2/4 R1 R2
1/4 R2 R2
Segregación 1:2:1
Adaptación de la nomenclatura
4.7
grupo sanguíneo MN
Genotipo Fenotipo LM LM M LM LN MN LN LN N
LM LN x LM LN
1/4 LM LM
1/4 LN LN
1/2 LM LN
Segregación 1:2:1
Codominancia
Hemoglobina de la anemia falciforme Ejemplos:
4.7
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Letalidad
Enfermedad recesiva no letal Aa x Aa
1/4 AA 1/2 Aa 1/4 aa
1:2:1 genotipos 3:1 sanos : enfermos
Alelo letal recesivo Aa x Aa
1/4 AA 1/2 Aa 1/4 aa
1:2 genotipos Todos sanos
Alelo letal recesivo con fenotipo en homocigosis
(AA ≠ Aa) Aa x Aa
1/4 AA 1/2 Aa 1/4 aa
Ej. color ratón amarillo (Aa)
gris (AA)
1:2 genotipos 1:2 gris : amarillo
4.8
Color del pelo en conejos 1 gen con 4 alelos
Genotipos Fenotipo
c+c+; c+cch; c+ch; c+c Agutí
cchcch; cchch; cchc Chinchilla
chch; chc Himalaya
cc Albino
nº de alelos: n nº de genotipos = n (n+1)
2
Relaciones de dominancia: c+ > cch > ch > c
Multialelismo 4.9
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Grupos sanguíneos AB0 (Landsteiner, 1900) 1 gen con tres alelos: IA = IB > I0
IA IB I0
IA IA IA
GRUPO A IA IB
GRUPO AB IA I0
GRUPO A
IB IA IB
GRUPO AB IB IB
GRUPO B IB I0
GRUPO B
I0 IA I0
GRUPO A IB I0
GRUPO B I0 I0
GRUPO 0 Nobel en Fisiologia y medicina, 1930
Multialelismo
Fuc Gal
Fuc Gal Fuc Gal GlcNAc Fuc Gal
GalNAc Gal
Estructura H Alelo i Alelo IB Alelo IA
GlcNAc GlcNAc
GlcNAc
Fuc: fucosa, Gal: galactosa), GalNAc: N-acetilgalactosamina, GlcNAc: N-acetilglucosamina
4.9
Karl Landsteiner, 1868-1943
Hemaglutinación
Receptor
Donador
O
A
B
AB
Identificación de los grupos sanguíneos AB0 4.9
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Cascada de efectos que produce el cambio de un aminoácido de la hemoglobina en la anemia falciforme
Pleiotropia Un gen puede afectar a más de un carácter
4.10
Variabilidad de la expresión génica
Genotipo X en "situación" 1
Genotipo X en "situación" 2
Fenotipo A
Fenotipo B
Penetrancia y expresividad variables
Fondo genético
Impronta genómica
Efecto del ambiente
Fuentes de variabilidad
4.11
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Penetrancia incompleta
Expresividad variable
Penetrancia incompleta y expresividad variable
Penetrancia: Porcentaje de individuos que exhiben el fenotipo Expresividad: Grado de intensidad en la que se manifiesta el fenotipo
Ejemplo: polidactilia
Penetrancia y expresividad 4.11
En individuos con el mismo genotipo:
Ejemplo en el perro: Todos con genotipo sp- (responsable de las manchas de colores)
Expresividad variable
Causas de la expresividad variable: Ruido de desarrollo Efectos del ambiente (por ej. alimentación) Influencia del resto del genotipo
4.11
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Expresión del grupo sanguíneo AB: dependencia del gen H
Penetrancia variable
Causa habitual: Dependencia de otro genotipo
Fuc Gal
Fuc Gal Fuc Gal GlcNAc Fuc Gal
GalNAc Gal
Estructura H Alelo i Alelo IB Alelo IA
GlcNAc GlcNAc
GlcNAc
Descubrimiento del fenotipo Bombay Padre A, madre AB Tres hijos: AB, B y hembra O (fenotipo Bombay) Descendencia de la hembra 0 con individuo A: Tres hijos: AB, A y B.
4.11
Expresión variable de un gen
Efecto posicional
X+ Xw
Reordenación de genes (zonas heterocromatínicas)
Ejemplo en Drosophila: Variegación del ojo
4.11
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Impronta materna: gen igf2 de ratón
Alelo normal
Alelo normal
Alelo mutante
Alelo mutante
Macho heterocigótico NORMAL
Hembra heterocigótica NORMAL
Homocigoto NORMAL
Heterocigoto NORMAL
Heterocigoto ENANO
Homocigoto ENANO
Segregación: Genotípica 1:2:1 Fenotípica 1:1
1:1
Expresión variable por impronta genómica
X
4.11
Manifestación de la enfermedad Corea de Huntington (mal de San Vito)
Fenotipo anticipable de forma probabilística
Expresión variable: dependencia de la edad
Causa: alelo autosómico dominante
4.11
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Nutrición: Fenilcetonuria. Intolerancia lactosa Drogas: Talidomida y focomelia. Fenocopias Temperatura: conejos himalaya. Termosensibilidad
30ºC 25ºC <25ºC
Expresión fenotípica dependiente del ambiente
Norma de reacción: respuesta específica de un genotipo al ambiente
4.11
Interpretación de árboles genealógicos
4.12
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Alelo recesivo en un árbol genealógico
Hay individuos afectados con padres normales (ej. II4 de I3 x I4) Todos afectados si los padres están afectados (ej. III5-8 de II3 x II4)
4.12
Todos los individuos afectados tienen padres afectados (ej. II4 de I1 x I2) Ningún individuo afectado con padres sanos (ej. III1-4 de II1 x II2)
Alelo dominante en un árbol genealógico 4.12
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Leyes de la suma y el producto
Suma Probabilidad de que salga
un tres o un cuatro
Producto Probabilidad de que salga
un tres y un cuatro
- Fenómenos excluyentes - Conjunción "o"
1/6 + 1/6 = 1/3
- Fenómenos independientes - Conjunción "y"
1/6 x 1/6 = 1/36
Cálculo de probabilidades
Nº de casos favorables Nº de casos posibles
Probabilidad de un suceso =
4.12
Probabilidad condicional
P suceso condicionado P suceso condicionante
Probabilidad de que salga un 3 si salió número impar
No es 1/6 sino 1/3
1/6 1/2
Cálculo de probabilidades
P suceso condicionado P suceso condicionante
=
4.12
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Ejemplo en un cruzamiento
Probabilidad de que un individuo de fenotipo dominante, hijo de padres heterocigotos, sea heterocigoto
AA Aa Aa aa
A A
a
a
P (heterocigoto) = 1/2 P(dominante) = 3/4 P (heterocigoto siendo dominante) = (1/2)/(3/4) = 2/3
Cálculo de probabilidades
Probabilidad condicional P suceso condicionado P suceso condicionante
4.12
Expansión binomial (a+b)n = 1 (a+b)1 = a + b (a+b)2 = a2 + 2ab + b2 (a+b)3 = a3 + 3a2b + 3ab2 + b3
Cálculo de probabilidades
Triángulo de Pascal
4.12
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5! P = (3/4)3 (1/4)2 3! 2!
Aplicación de la distribución binomial Para ensayos con dos resultados posibles: probabilidad de que al realizar n ensayos se obtenga s veces el resultado cuya probabilidad es a y t veces el resultado cuya probabilidad es b:
n! P = as bt s! t!
Ejemplo: Probabilidad de que una pareja de heterocigotos al tener 5 hijos, tres de ellos sean dominantes y dos recesivos
Aa x Aa
Probabilidades dominante: 1/4 AA + 1/2 Aa recesivo: 1/4 aa
Cálculo de probabilidades 4.12
sucesos: s + t = n probabilidades: a + b = 1
(120/12) (27/64) (1/16) = 0,2637 AA Aa
Aa aa
A A
a
a
Caracteres (fenotipos) mendelianos
Análisis simultáneo de dos caracteres
4.13
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F1 uniforme Rr Yy
Análisis de dos caracteres: dihibridismo 4.13
- Segregación de caracteres antagónicos
- Independencia de alelos de genes distintos
Autofecundación del dihíbrido (F1)
Parentales
Segregación de caracteres antagónicos
Independencia
Autofecundación del dihíbrido 4.13
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Los dos factores se transmiten de forma independiente
Principio de segregación independiente 4.13
Descendencia del dihíbrido: correlación con la teoría cromosómica
1/4 Ab 1/4 aB
1/4 AB 1/4 ab
AaBb
Los alelos de genes situados en cromosomas distintos segregan de forma independiente durante la meiosis
1/2 1/2
1/2 1/2
1/2 1/2
1/2 x 1/2 = 1/4
Principio de segregación independiente
4.13
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Descendencia del dihíbrido
rr RR x
Rr
RR Rr Rr rr
YY x
Yy
YY Yy Yy
3/4 amarillas 1/4 verdes
yy
yy
P
F1
F2
3/4 amarillas
1/4 verdes
3/4 lisas 1/4 rugosas
3/4 lisas
1/4 rugosas
3/4 lisas
1/4 rugosas
3/4 x 3/4 = 9/16 amarillas y lisas
3/4 x 1/4 = 3/16 amarillas y rugosas
1/4 x 3/4 = 3/16 verdes y lisas
1/4 x 1/4 = 1/16 verdes y rugosas
Representación por el método de bifurcación en línea
4.13
6 fenotipos posibles 6/16 A_ Bb largo naranja 3/16 A_ BB largo rojo 3/16 A_ bb largo blanco 2/16 aa Bb corto naranja 1/16 aa BB corto rojo 1/16 aa bb corto blanco
Dominancia incompleta en un locus
A- largo aa corto BB rojo Bb naranja bb blanco
P AA BB x aa bb
Aa Bb
AB ab
aabb aaBb Aabb AaBb ab
aaBb aaBB AaBb AaBB aB
Aabb AaBb AAbb AABb Ab
AaBb AaBB AABb AABB AB
ab aB Ab AB
gametos
F1
gametos
Ejemplo:
4.14
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Dominancia incompleta en los dos loci
AA largo Aa intermedio aa corto BB rojo Bb naranja bb blanco
9 fenotipos posibles 1/16 AA BB largo rojo 2/16 AA Bb largo naranja 1/16 AA bb largo blanco 2/16 Aa BB intermedio rojo 4/16 Aa Bb intermedio naranja 2/16 Aa bb intermedio blanco 1/16 aa BB corto rojo 2/16 aa Bb corto naranja 1/16 aa bb corto blanco
aabb aaBb Aabb AaBb ab
aaBb aaBB AaBb AaBB aB
Aabb AaBb AAbb AABb Ab
AaBb AaBB AABb AABB AB
ab aB Ab AB gametos
Ejemplo:
P AA BB x aa bb
Aa Bb
AB ab gametos
F1
4.14
Alelo letal en cruce dihíbrido
Ejemplo: Aa Bb x Aa Bb bb letal Si BB ≠ Bb Si BB = Bb 6 A- Bb 9 A- B- 3 A- BB 3 aa B- 2 aa Bb 1 aa BB
Gametos AB Ab aB ab
AB AA BB AA Bb Aa BB Aa Bb
Ab AA Bb AA bb Aa Bb Aa bb
aB Aa BB Aa Bb aa BB aa Bb
ab Aa Bb Aa bb aa Bb aa bb
4.14
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30
Trihíbrido 4.15
Descendencia del trihíbrido 4.15
Representación por el método de bifurcación en línea
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31
Nº de pares de genes
para los que existen
diferencias
Tipos diferentes de
gametos producidos
por los heterocigotos
de la F1
Nº de combinaciones
de gametos F1 x F1
Tipos diferentes de genotipos en
la F2
Tipos diferentes de genotipos de la
F2 que son homocigóticos
Tipos diferentes de genotipos de la
F2 que son heterocigóticos
Tipos diferentes
de fenotipos en
la F2
n 2n 4n 3n 2n 3n-2n 2n
1 2 4 3 2 1 2
2 4 16 9 4 5 4
3 8 64 27 8 19 8
4 16 256 81 16 65 16
5 32 1.024 243 32 211 32
10 1.024 1.048.576 59.049 1.024 58.025 1.024
Consecuencias del polihíbrismo 4.15
Binomio fenotípico: (3/4 + 1/4)n = 1
Término general del desarrollo del binomio:
n! (3/4)d (1/4)r d! r!
n! d! r!
indica el número de clases fenotípicas con proporción (3/4)d (1/4)r
n = número de parejas alélicas en heterocigosis d = número de caracteres dominantes r = número de caracteres recesivos
Ejemplos:
n = 1 3/4 + 1/4 = 1 n = 2 9/16 + (3/16 + 3/16) + 1/16 = 1 n = 3 27/64 + (9/64 + 9/64 + 9/64) + (3/64 + 3/64 + 3/64) + 1/64 = 1
Polihíbrido y binomio fenotípico
Cálculos para dominancia completa y genes independientes 4.15
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32
23 pares de cromosomas
Aproximadamente 30.000 genes
Si hubiera un solo gen en heterocigosis en cada cromosoma.
223 2n Nº de gametos posibles: = 8.388.608
Fecundación 8.388.608 Posibles gametos
8.388.608 Posibles gametos
64 x 1012 posibles descendientes
Formación de gametos en humanos 4.15