GENETICA POBLACIONAL

MATERIAL COMPLEMENTARIO TEMA 5: GENETICA POBLACIONAL

Por: Prof. Dra. Araceli Lantigua Cruz

GENES EN LAS POBLACIONES HUMANAS

La gentica poblacional es el estudio de la distribucin de los genes en las poblaciones y de cmo las frecuencias de los genes y de los genotipos se mantienen constantes o cambian.

La gentica poblacional tiene mucho en comn con la epidemiologa, el estudio de factores genticos y ambientales que determinan la frecuencia y distribucin de enfermedades en las comunidades humanas.

Estas dos especialidades, la gentica poblacional y la epidemiologa, se fusionan en la gentica epidemiolgica que estudia, principalmente, a aquellas enfermedades, en las que predomina la combinacin de factores genticos y ambientales y que generalmente presentan patrones complejos de herencia entre los que se incluyen las enfermedades comunes del adulto.

En esta leccin nos referiremos a los principios que rigen la GENTICA POBLACIONAL:

Ley de Hardy Weinberg

Los factores principales que rompen este equilibrio.

Las categorias en las que se basa el manejo del estudio de las poblaciones genticas.

Aunque la divulgacin de la secuenciacin de las bases que componen al Genoma Humano, no permiten identificar diferencias biolgicas entre la especie humana, que justifiquen diferenciaciones y marginaciones sociales, si existen diferencias relacionadas con las frecuencias de alelos, que permiten establecer diferencias basadas en las frecuencias diferentes de alelos que expresando el mismo carcter, difieren en las cualidades de ste.

As se definen las razas o grupos raciales mayores en caucsicos, negros y asiticos, cada uno de los cuales tienen a su vez subgrupos.

Como ya hemos estudiado las bases de las diferencias entre los alelos surgen de las mutaciones..

La seleccin de mutaciones favorables, en respuesta a condiciones ambientales o a la probabilidad de sobrevivir de mutaciones neutrales o beneficiosas, junto con un grado de aislamiento reproductivo entre los grupos, marcan las diferencias genticas entre las poblaciones.

A esto se aade el paso de los diferentes periodos vividos, como el glacial de hace 100 000 aos, que impusieron grandes barreras naturales entre los grupos humanos existentes sobre la Tierra.

Con el tiempo cada grupo se subdividi en numerosas subpoblaciones a las que se les denomina grupos tnicos con sus propias peculiaridades genticas y ambientales. De ah que existan tantas diferencias entre las frecuencias de los genes, al comparar, desde este punto de vista, a las poblaciones.

Por ejemplo, el alelo que expresa el grupo sanguneo B, es comn en asiticos, pero esta ausente en la poblacin aborigen americana; la enzima alcohol deshidrogenasa tiene tres loci: ADH1, ADH2, ADH3 , la variante de la ADH2 es mucho mas frecuente entre los japoneses (90%) que entre los europeos (15%).

Ley de Hardy- Weinberg.

En 1908 un matemtico ingles nombrado George Hardy y el mdico alemn Wilhm Weinberg, formularon de forma independiente, la tesis que hoy se conoce como Ley de Hardy-Weinberg. Esta ley enuncia que los genotipos generados por dos o ms alelos de un locus, se distribuyen en las poblaciones, en correspondencia con sus frecuencias, y que tanto las frecuencias de los alelos como las frecuencias de los genotipos generados por estos, se mantienen constantes de generacin en generacin. Esta constancia en dichas frecuencias, de generacin en generacin, se conoce como Ley de Hardy-Weinberg.

La Ley de Hardy-Weinberg se mantiene:

en poblaciones muy grandes,

que se caractericen porque los matrimonios sean al azar,

donde la tasa de mutaciones sea constante,

y no existan factores de seleccin, ni de migracin.

Para conocer las frecuencias de los alelos de un locus especfico, as como las frecuencias de los genotipos que estos generan, es necesario realizar estudios que permitan llegar a este anlisis. El primer paso es conocer la frecuencia con la que estos alelos se expresan, a travs de la identificacin del fenotipo en cuestin, el tipo de herencia y la relacin de expresin que existe entre estos alelos.

FRECUENCIA FENOTIPICA.

Determinar el nmero de individuos que expresan una cualidad del fenotpica en estudio, en relacin con el total de individuos de la poblacin problema, recibe el nombre de frecuencia fenotpica. Este dato se expresa, generalmente en porcentaje.

FRECUENCIA GENOTIPICA.

A su vez, las veces en que aparecen cada uno de los genotipos generados por las combinaciones, dos a dos de los alelos involucrados en el locus en estudio, en relacin con el total de genotipos, (que ser igual al total de individuos contemplados en el estudio), recibe la denominacin de frecuencia genotpica. Los resultados de este anlisis, se dan tanto en porcentaje como en proporcin.

FRECUENCIA GENICA.

El trmino frecuencia gnica, se refiere al nmero de veces que un alelo, se encuentra presente en relacin con el nmero total de alelos, de la poblacin en estudio, para ese locus. Los resultados del anlisis de la frecuencia gnica, a diferencia de las anteriores, siempre se expresa en proporciones, y la suma de la frecuencia de cada alelo estudiado para ese locus ser igual a uno.

En trminos algebraicos y teniendo a las letras p y q como equivalentes a dos alelos para un locus especfico, lo aqu expresado significa que:

p + q = 1

Y tambin que las veces con las que sus combinaciones, dos a dos (por ser organismos diploides) o frecuencias genotpicas, se presenten en la poblacin en estudio, tericamente, sern igual al desarrollo de un binomio cuadrado perfecto:

(p + q)2 = p2 + 2pq + q2

Donde p2 y q2 se corresponden con los genotipos homocigticos y 2pq con los genotipos heterocigticos.

La Gentica Poblacional, tiene varios enfoques para su estudio, uno de ellos es de inters mdico, cuando al menos uno de los alelos que se estudia corresponde con una mutacin que produce una enfermedad gentica , y el conocimiento tanto de la incidencia fenotpica del defecto como de la frecuencia gnica del alelo mutado, as como de la frecuencia genotipica 2pq, proporcionar datos de gran importancia y que, tanto las autoridades de Salud, como los mdicos de asistencia y muy en especial para los Genetistas Clnicos, deben tener presente para el manejo preventivo del defecto.

Otro de los enfoques es de inters gentico, antropolgico, biolgico y tambin mdico legal. Este tipo de enfoque est relacionado con los datos que proporcionan, las frecuencias de alelos producidos por mutaciones que no generan en su expresin, consecuencias mdicas, sino ms bien, variaciones genticas representadas por las cualidades alternativas de los caracteres en estudio, y que, contribuyen a la diferenciacin fenotpica de los individuos.

MARCADORES GENETICOS

Para este ltimo enfoque, se utilizan los denominados marcadores genticos. Estos marcadores son el resultado de mutaciones que presentan un fenotipo facilmente identificable, que no cambia, ni con la edad, ni con el sexo, y que presenten un patrn simple de herencia.

Los sistemas de grupos sanguneos son considerados marcadores genticos por excelencia.

DETERMINACION DE FRECUENCIAS FENOTIPICAS GENOTIPICAS Y GENICAS ENTRE DOS ALELOS CON DOMINANCIA COMPLETA.

Para los clculos de las frecuencias fenotpicas genotpicas y gnicas entre alelos con relacin de dominancia completa hemos seleccionado como marcador gentico, al sistema de grupo sanguneo Rh.

Desde el punto de vista gentico el locus Rh, presenta al menos 8 alelos, sin embargo hay un anticuerpo anti Rh que es capaz de detectar solamente la presencia o ausencia del antgeno de la membrana del hemate, y no las variaciones bioqumicas del antgeno. Por lo tanto a los efectos de nuestro ejemplo, para el locus Rh solo tendremos dos alelos definidos por las letras D y d . El alelo D, dominante sobre el alelo d.

Protocolo de estudio:

Poblacin hipottica: Ciego de Avila..

Muestra: 600 habitantes de la Ciudad.

Marcador gentico: Sistema de grupos sanguneos Rh.

Objetivos: calcular las frecuencias fenotpicas, genotpicas y gncas del sistema de grupos sanguneos Rh-

Mtodo de estudio fenotpico, anlisis e interpretacin de los resultados del pesquisaje o tamizaje.

Anti-RhPoblacin 600FenotipoGenotiposAlelosLocus

450

Rh +DD

DdD y d

1p34-36

150Rh -dd

TOTAL600

La hemoclasificacin del sistema Rh, nos ha permitido identificar dos subgrupos poblacionales: los individuos que presentan el antgeno Rh y que se clasifican como Rh +, y aquellos que no presentan el antgeno y que se clasifican como Rh -.

CALCULO DE LA FRECUENCIA FENOTIPICA:

Frecuencia fenotpica para los individuos Rh + de nuestro estudio: 450 / 600 ( 100 = 75.0 %

Frecuencia fenotpica para los individuos Rh - de nuestro estudio: 150 / 600 ( 100 = 25.0 %

CALCULO DE LA FRECUENCIA GENOTIPICA:

Los fenotipos homocigticos dominantes DD y los genotipos heterocigticos Dd estn todos contemplados entre los 450 individuos Rh+ , sin embargo la frecuencia genotpica de los homocigticos recesivos dd, coinciden con la frecuencia fenotpica de Rh -, entonces para conocer la frecuencia de los genotipos DD y Dd, ya que hay relacin de dominancia completa necesitamos conocer antes las frecuencias de gnicas de los alelos D y d.

CALCULO DE LAS FRECUENCIAS GENICAS

Ya que la distribucin de los alelos D y d en la poblacin que estudiamos deben combinarse segn el binomio cuadrado perfecto (p + q) 2 = p2 + 2pq + q2 , entonces en nuestro estudio p = D y

q = d y a su vez las frecuencias de los genotipos sern equivalentes a:

p2 + 2pq a los genotipos DD y Dd segn la distribucion de los gametos D y d en la poblacion:

GAMETOSDd

DDDDd

ddDdd

DD + 2Dd = Rh +

Entonces, q2 ser igual a la frecuencia fenotpica y genotpica de los individuos Rh que representan el 25 %, por lo tanto la frecuencia del alelo d puede ser determinada hallando la raz cuadrada de la frecuencia fenotpica pero en proporcin o sea dividiendo entre 100 (0.25)

q2 = ( 0.25 = q = 0. 5 y esta ser la frecuencia gnica del alelo d,

entonces si las frecuencias de p + q = 1

la frecuencia de p = 1 q y finalmente la frecuencia gnica del alelo D ser igual a 0. 5

y las frecuencias de los genotipos DD y Dd se pueden calcular sustituyendo los valores de p=D= 0. 5 y los de q=d = 0. 5 en:

p2 + 2pq siendo el valor de los homocigticos dominantes (DD) igual a (0. 5)2 = 0. 25 25 % y los heterocigticos (Dd) igual a 2 (p.q) = 2 ( 0. 5 ( 0. 5 ) = 0. 5 50 %.

DETERMINACION DE FRECUENCIAS FENOTIPICAS GENOTIPICAS Y GENICAS ENTRE DOS ALELOS CODOMINANTES.

Para este caso utilizaremos otro grupo sanguneo. Se trata del grupo M;N y del locus con igual denominacin. Los antgenos presentes, son tambin denominados M y N y sus correspondientes anticuerpos, anti M y anti N.

Los fenotipos que se identifican en este caso, son tres: M, MN y N.

Un ejemplo de ello utilizando una poblacin de 1419 persona sera:

Anti MAnti NFenotipos y No.Genotipos y No.Alelos y locus

M (392)MM (392) M y N

Locus 4q28-31

MN (707)MN (707)

N (320)NN (320)

14191419

El fenotipo MN se presenta por que los alelos M y N son codominantes o sea ambos alelos de un par se expresan en el estado heterocigtico igual que cuando estn en el estado homocigtico. Este concepto gentico recibe el nombre de codominancia.

La frecuencia fenotpica y genotca. Cuando los alelos que se estudian son codominantes coinciden. En este caso seran:

FenotiposGenotiposFrecuencias

M = 392 / 1419 ( 100 = 27.6 MM = 392 / 1419 ( 100 = 27.6 27.6 %

NM = 707 / 1419 ( 100 = 49.8NM = 707 / 1419 ( 100 = 49.8 49.8%

N =320 / 1419 ( 100 = 22.6NN =320 / 1419 ( 100 = 22.6 22.6 %

Las frecuencias gnicas sern, de acuerdo con el concepto:

Todos los genes M = 392 x 2 + 707 / 1419 x 2 = 0.53

Todos los genes N = 320 x 2 + 707 / 1419 x 2 = 0.47

( Se tiene en cuenta que cada individuo posee dos alelos)

Se cumple que la frecuencia gnica de dos alelos en la poblacin es igual a 1.

SISTEMA ABO VIA GENTICA DE SINTESIS DE LOS ANTIGENOS A, B Y H.

El sistema ABO se caracteriza porque su locus presenta tres alternativas para ese gen representada por los genes denominados A, B, y O. Al fenmeno por el cual hay ms de dos alelos para el mismo locus recibe el nombre de alelos mltiples. Por su inters gentico hacemos un aparte para una breve explicacin sobre la va de accin de los genes A, B Y O en la formacin de los antgenos que identifican a este sistema. En la membrana del glbulo rojo existen sustancias que, como ya hemos visto para los sistemas Rh y MN confieren especificidad antignica a estas clulas. La identificacin fenotpica parte de una simple reaccin antgeno anticuerpo.

Anti AAnti BFenotiposGenotiposAlelos

A, dominante

sobre O

B, dominante sobre O

AB codominantes

O recesivo.Locus

9q34

AAA

AO

BBB

BO

ABAB

OOO

VA DE SNTESIS DEL SISTEMA ABO

Los antgenos ABH son complejos de glucoesfingolpidos que se encuentran formando parte de la membrana del glbulo rojo, esta estructura molecular tiene un core al cual se aaden molculas de distintos azcares. La antigenicidad se confiere por el azcar terminal. Las enzimas que enlazan estos azcares terminales son glicosiltransferasas. Para la formacin de los antgenos del sistema ABO, existe otro locus al que se le denomina H. Este locus tiene dos alelos conocidos como H y h por su relacin de dominancia completa. El alelo H produce la transferasa H que aade al glucoesfingolpido una molcula de L-fucosa, confirindole al globulo rojo especificidad antignica H. Este antgeno H resulta ser un precursor para las transferasas que producen los alelos A y B, ya que el alelo O no produce transferasa funcional.

En el esquema se ilustra la accin de cada uno de los alelos de los loci ABO y H.

Glucoesfingolpido inicialAlelo H (HH,Hh)FenotipoAlelo A (AA, AO)Fenotipo

Transferasa HAtgeno H

Precursor obligado

Transferasa A

N-acetilgalactosamina Antgenos A y H ( Grupo A)

L- fucosa

Alelo B (BB, BO)Antgenos B y H ( Grupo B)

Transferasa B

D-galactosa

Genotipo ABAntgenos A, B y H

Transferasa A

Transferasa B

Alelo O (OO)Antgeno H

No transferasa funcional

Alelo h (hh)No expresin de los alelos A ni B, aunque se encuentren presentesNo antgenos A, B ni H

Falso fenotipo O o fenotipo Bombay.

No transferasa funcionalNo antgeno H

Una delecin simple de una base nitrogenada, da lugar a la presencia del alelo O del sistema de grupos sanguneos ABO:

El alelo A .......leu - Val - Val - Thr - Pro ....

CTC GTG GTG ACC CCT T.

El alelo O...... CTC GTG GT ACC C CT T Corrimiento del marco de lectura.

Leu - Val - Val - Pro - Leu.

GENETICA DEL SISTEMA DE HISTOCOMPATIBILIDAD MAYOR HLA

EL complejo mayor de histocompatibilidad esta compuesto por un gran grupo de loci o genes muy ligados, localizados en 6p.

Sobre las bases de sus caractersticas estructurales y funcionales, estos genes se agrupan en tres clases denominadas I, II y III. Las clases I y II corresponden al sistema HLA.

A su vez en la clase I se encuentran los loci A, B y C ( adems se describen los loci E, F y G) y en la clase II los loci DR, DQ y DP.

Cada uno de estos loci presentan una gran heterogeneidad allica, por ejemplo en el locus A se describen ms de 57 alelos y se les nombra A1, A2, A23, Aw19, Aw74 etc. en el locus B hay ya 111 alelos y en el locus C por lo menos 34alelos, lo mismo ocurre en la clase II que en cada uno de sus loci se describen un gran nmero de alelos.

Una persona puede tener para el sistema HLA un genotipo A1 Bw57 Cw1 DR1 DQw1 DPw6 en un cromosoma y en el cromosoma homlogo A2 B7 Cw2 DR7 DQw9 DPw5 en el otro cromosoma pero sus hijos heredaran uno u otro haplotipo, ntegros.

POLIMORFISMOS DE LONGITUD DE FRAGMENTOS DE RESTRICCIN DEL ADN (RFLP).

Despus de la aplicacin del Southern blot, se descubri que todas las personas no tenan los mismos sitios de corte utilizando la misma enzima de restriccin y que las secuencias de cambio se deban a la herencia de mutaciones por creacin de un nuevo sitio o por la desaparicin del ya existente. Teniendo en cuenta los cientos de enzimas de restriccin que pueden utilizarse se puede comprender la gran cantidad de secuencias de ADN que pueden obtenerse por lo que basado en la posibilidad que este anlisis del ADN brinda se ha nombrado a los diferentes segmentos que pueden ser obtenidos, longitud de fragmentos de restriccin (RFL) de ADN.

Una vez introducido el trmino POLIMORFISMO GENETICO, explicar el trmino RFLP.

CONCEPTO DE POLIMORFISMO GENTICO.

Se define como la ocurrencia de mltiples alelos para un locus, donde al menos dos de ellos aparecen con una frecuencia mayor de un uno porciento y por tanto un dos porciento de la poblacin podr ser heterocigtica.

Cuando un locus tiene muchos alelos y uno o varios de ellos tiene una frecuencia menor del uno por ciento, entonces a ese alelo se le denomina variante rara, la mayora de las mutaciones que ocasionan enfermedades genticas son variantes raras.

EJERCICIOS

SOBRE LA HERENCIA DE LOS SISTEMAS DE GRUPOS SANGUNEOS ABO, Rh Y MN.

1.- Identifique los genotipos de los miembros de la familia I, conociendo el fenotipos de su sistema de grupos sanguneos ABO.

2.- Explique la segregacin de los alelos del sistema ABO en esta familia.

3.- Explique la segregacin de los sistemas ABO y Rh en la familia. Identifique los genotipos para cada miembro de la familia.

4.- Cmo sern los genotipos de los hijos de una pareja que presenta fenotipo M l y N ella ?

5.- Diga la probabilidad de que dos hermanos de la siguiente pareja, tengan igual genotipo para el sistema HLA.

Genotipo HLA del Padre:

A1 B5 Cw6 DR2 DQ w1 DP w6 / A1 Bw23 Cw3 DR3 DQw5 DP w6.

Genotipo de la madre:

A3 B7 Cw3 DR9 DQ w7 DP w3 / A7 B3 Cw9 DRw13 DQw6 DPw5

SOBRE GENETICA POBLACIONAL

6.- Calcule las frecuencias fenotipicas y genotpicas en relacin con el sistema de grupo sanguneo Rh de una poblacin de 1150 personas de las cuales 990 son Rh+.

7.- Las frecuencias gnicas estimadas en una poblacin A en relacin con el sistema de grupo sanguneo MN, hace 20 aos, fueron para el alelo M 0.55 y para el alelo N 0.45. Cual ser el nmero de personas con los fenotipos M, MN y N que se pueden esperar en 600 descendientes de esa poblacin, en ausencia de factores de seleccin, mutacin y migracin?}

8.- Determine la frecuencia de heterocigticos que se espera en una poblacin en la cual se ha estimado que una enfermedad autosmica recesiva B, tiene una incidencia de 3 por cada 1000 recin nacidos.

9.-Al realizar un estudio por Southern blot de un locus con dos alelos polimrficos de fragmentos de restriccin de ADN recombinante (RFLP) en una poblacin de 500 personas se encuentra que 350 personas tienen el alelo A1, 100 personas el alelo A2 y 50 persona tienen ambos alelos A1A2. Determine las frecuencias gnicas de estos alelos?.

10.- Estime la frecuencia gnica de una mutacin que produce una enfermedad gentica que aparece con una incidencia de 1 por 100000 habitantes. Puede considerar esta mutacin como polimrfica? Por

A1 Bw57 Cw1 DR1 DQw1 DPw6

A2 B7 Cw2 DR7 DQw9 DPw5

A

A

B

B

O

A

B

B

A

O

A

AB

B

B

B Rh+

O Rh+

B Rh+

B Rh-

O Rh+

A Rh+

A Rh+

O Rh- +

A Rh+ _-

I

II

III