CLASE LIGAMIENTO GÉNICO Y MAPEO DE GENES Prof. Lucía Cifuentes

Recordemos las clases anteriores:

La Teoría cromosómica de la herencia postula (y demuestra) que los genes se ubican físicamente

en los cromosomas. Al poco tiempo de haberse demostrado esto, los biólogos de la época se

dieron cuenta que el número de genes es mucho mayor que el número de cromosomas que

tenemos, por lo que en cada gen hay muchos cromosomas (miiich).Entonces ¿cómo se puede

cumplir la segunda ley de Mendel para genes que están cerca en un mismo cromosoma?

Conceptualmente esto es imposible, porque durante la meiosis los cromosomas no se fragmentan

¿Cómo se combinan al azar genes que están cerca de un mismo segmento?

Surge la idea de que no todos los genes respetan la segunda ley de Mendel por su proximidad

física, a esto de le llamó Ligamiento de Genes.En el año 1906 dos genetistas, Bateson y

Punnetdemostraron el ligamiento génico en guisantes.

Ellos querían identificar el modo de herencia de estas plantas de la misma forma en que lo hizo

Mendel, usando monohibridismo. Determinaron que había un gen en la planta del guisante que

determinaba el color de la flor y para este gen había dos alelos, uno dominante que daba flores

púrpuras (AA), y uno recesivo que daba las flores rojas (aa). En esta misma especie indagaron la

forma del polen, que también tenía dos alelos: el dominante daba polen alargado (BB)y el recesivo

era redondo (bb). De estos dos caracteres tenían el modo de herencia bien deducida, pero querían

sabercómo se daba la herencia conjunta de estos dos caracteres:

Hicieron un cruzamientodihíbrido igual que Mendel. Cruzaron una de color púrpura y polen

alargado(AABB) con una roja y polen redondo(aabb).El fenotipo de la F1 fue todas púrpuras y

polen alargado (AaBb).

Luego cruzaron entre si las plantas de la F1, esperando encontrar 4 fenotipos distintos: flores

púrpuras con polen alargado y otras redondo, luego plantas de flores rojas y polen tanto alargado

como redondo.Encontraron efectivamente los 4 fenotipos, pero los números fueron distintos:

Esto es lo que esperamos encontrar

en un cruce dihíbrido tipo

mendeliano, en proporciones

fenotípicas de 9:3:3:1

296 Ambos dominantes9

19flores purpuras polen redondo3

27 flores rojas, alargado3

87 con ambas recesivas1

Se parece esto a 9:3:3:1? NO! Por lo tanto esta herencia no fue mendeliana. Los fenotipos

dominantes deberían estar en 9/16 de la F2, pero aquí están en 296 de un total de 400, o sea más

de lo esperado. El segundo fenotipo aparece muchas menos veces de lo que se esperaba, y la

condición doble recesiva aparece más; esperábamos 1/16 y obtuvieron 1/4 aprox.

Entonces compararon estos valores y plantearon una explicación para este resultado tan

diferente: seguramente el doble heterocigoto no produjo 4 gametos con igual frecuencia (lo

quese espera en la segunda ley de Mendel), sino que tuvo preferencia de transmitir las

combinaciones que recibió de sus progenitores (AByab). Esto sería porque estos genes están

ubicados en el mismo cromosoma y tienen tendencia a transmitirse juntos.

Por lo tanto, el ligamiento de genes sería la tendencia que tienen genes no alelos a transmitirse

juntos en los gametos, contradiciendo la segunda ley de Mendel. Esto ocurre porque estos genes

están físicamente cerca dentro de un mismo cromosoma.

Mendel demostró su segunda ley con 7 pares de características, estos 7 están en cromosomas

distintos (sólo dos de ellos están en el mismo cromosoma pero físicamente lejos)por lo que

efectivamente los estudios de Mendel corroboraban su segunda ley, ya que no están ligados.

Nadie sabe si Mendel encontró otros caracteres que no cumplían esta ley y que estaban ligados,

pero al no poder interpretarlos los omitió (CHAN.)

Si existe predilección de algunas combinaciones alélicas por sobre otras, y demuestro que hay

genes que están ligados estoy determinando la ubicación física de los genes, por lo que el

ligamiento no es solo importante por el concepto sino que constituye una herramienta de

mapeo de genes.

Pregunta alumno: Cuando usted dice ligamiento, se alude a que están los dos genes en un mismo

cromosoma. Pero qué hace que se transmitan juntos?¿Alguna proteína o algo así?

Profe: Imaginemos los dos genes que están juntos en un mismo cromosoma. Necesito un

mecanismo adicional a su posición física para que se transmitan juntos? No, sólo están juntos y se

transmiten así, a menos que ocurra crossingover.

Ahora, supongamos que tengo dos loci, A y B cualesquiera, cada uno con dos alelos y yo quiero

saber si están ligados. Si demuestro que están ligados podré saber dónde se ubican, siestán en el

mismo cromosoma o en cromosomas diferentes.

Para responder esta pregunta, debemos diseñar un cruzamiento.

a) AaBb X AaBb: Una alternativa es hacer un cruzamiento dondelos dos parentales deberían ser

diheterocigotos. Si hago este cruce y me da 9: 3:3: 1 no están ligados. Si los fenotipos difieren, me

dan dos fenotipos muy abundantes y dos disminuidos, estarían ligados. (Lo que hicieron Bateson y

Punnet).

b) AaBb X aabb: Otra forma; si hago un cruzamiento de prueba, estaría directamente

demostrándome como se están transmitiendo los genes.

Hay dos tipos de ligamiento:

1) Ligamiento completo Cuando siempre (siempre siempre), en todas las meiosis los dos genes

se transmiten juntos. Para que esto pase ambos genes deben ser contiguos.

2)Ligamiento incompleto Los dos genes tienden a transmitirse juntos pero no siempre, puede

ser que ocurra crossingover si los genes están ligados, pero no taaaan cerca.

Entonces, volvemos al experimento para saber si los dos genes están ligados. Si hago un cruce de

prueba(AaBb X aabb), tengo muchas posibilidades:

1. No hay ligamiento se cumple la segunda ley de Mendel, los genes no están ligados por

lo que obtendría 4 fenotipos diferentes en un 25% cada uno.

2. Hay ligamiento completo Entonces cruzo los mismos individuos de antes, un doble

heterocigoto en un cruce de prueba. ¿Cuál esla descendencia que obtengo? Sólo dos

fenotipos distintos: AB o ab (estos son fenotipos, no genotipos).En el caso de no saber el

genotipo de los padres, también podría ser Ab y la otra mitad aB. ¿Dequé depende que es

lo que obtengo? De cómo vienen heredados desde los cromosomas paternos.

Lo que pasa es que un mismo diheterocigoto (en este caso AaBb) para dos locicon ligamiento

completo puede tener 2 combinaciones de padres:

AABB x aabb = AaBbóAAbb x aaBB = AaBb

Entonces, cuando analizamos ligamiento, el que nos responderá la pregunta es el doble

heterocigoto; él es quien nos dará la respuesta. Este individuo puede tener dos posibilidades de

gametos, por lo que se ha inventado una normativa:para escribir el genotipo del heterocigoto

doble se escribe una horizontal, sobre esta se escriben los alelos que recibió de un progenitor, y

bajo la horizontal lo que recibió del otro.

Un heterocigoto Fase cis o de acoplamiento heredó los dos alelos dominantes de un progenitor y

los dos recesivos de otro (En este caso AB están en un cromosoma y ab en el otro) independiente

de si están ligados o no. Fase trans o de Repulsión el heterocigoto heredó un alelo dominante de

un par con el recesivo del otro par de uno de sus padres (En este caso heredó el A de un locus y el

b del otro padre)

Parentales: AABB x aabb Parentales:AAbbxaaBB

Gametos: AB x ab Gametos: Ab x aB

Volviendo:

3. Hay ligamiento incompletoOcurre si en el ligamiento entre los genes A y B obtengo 4

fenotipos distintos, pero las proporciones no son 1:1:1:1, sino que tenemos dos mucho

más frecuentes. Los dos más frecuentes se producen porque provienen de los padres, los

dos menos frecuentes se producen por crossingover. A estos últimos que son productos

del crossingover y aparecen en menor frecuencia, se les llama “fenotipos recombinantes”.

Los que aparecen con más frecuencia y son iguales a los de los progenitores son los

“fenotipos parentales” o “no recombinantes” (I’m a genious! :D)

Entonces cuando se tiene ligamiento incompleto la frecuencia de los fenotipos recombinantes es

muy variable de un caso a otro. El genetista Morgan en 1911 postuló que la frecuencia de

individuos con fenotipo recombinante que aparecen en la descendencia, se relaciona

directamente con la distancia que separa los genes dentro del mismo cromosoma. A más

distancia aparecen más fenotipos recombinantes, porque hay más probabilidad de que ocurra

crossingover. Por lo que una manera de medir la distancia entre los genes, es contar cuantos

fenotipos recombinantes tengo. Entonces Morgan determinó una unidad de distancia física entre

los genes,la frecuencia de recombinación:

Se puede expresar como fracción de 1 o como porcentaje. Posee unidades equivalentes:

1% de recombinación = 1 unidad de mapa (um) o 1 centiMorgan (cM).

Sitenemos un ligamiento completo la frecuencia de recombinación es un 0 %

Si tenemos herencia mendeliana (ausencia de ligamiento), y tengo 4 fenotipos (2

recombinantes y dos parentales) me quedaría 2/4 y los recombinantes serian el 50% (0.5).

Entonces este 50% nos daría que los genes no están ligados, la distancia máxima que

puede existir entre dos genes es 50%, ya que tienen su loci en cromosomas diferentes o

si están en el mismo la distancia es muy lejana uno del otro.

si el ligamiento es incompleto, tendremos un valor entre 0 y 50%.

AB

ab

Fase de

acoplamiento

Ab

aB

Fase de repulsión

Fr = Número de individuos con fenotipos recombiantes

Número total de individuos

Si A y B se heredan ligados, el individuo heredó un haplotipo(conjunto de genes que se heredan

ligados), cuando hay ligamiento, recibimos un haplotipo de cada progenitor.

Todo lo que hemos visto es bastante simple cuando podemos realizar los cruces. Pero, como se

hace el mapeo de genes en la especie humana? Obviamente no podemos realizar todos estos

cruces, partiendo porque necesitaríamos mucho tiempo en llegar a la F2 y la progenie sería

mínima.

Imaginen que de nuevo me pregunto: ¿los genes A y B estarán ligados? Esta vez estoy trabajando

en la especie humana; si no puedo fabricar el doble heterocigoto, lo busco. Pongamos un

heterocigoto en fase cis, que haya tenido hijos con una mujer para simular el cruce de prueba. Si

tienen 4 hijos, debemos estudiar el fenotipo que presentan para A y B.

Fenotipos

Analizo esta descendencia para ver si existe la posibilidad de que estén ligados, como es pequeña

la muestra el error estándar sería enorme D: Qué se puede hacer?

Hay muchos métodos, uno de ellos es el método de Odds-Score, el cual se basa en calcular dos

probabilidades solamente:

PL: probabilidad de obtener esta descendencia bajo el supuesto de que los genes están ligados.

PA: probabilidad de obtener esta descendencia suponiendo que los genes no están ligados

Si hago un cuociente entre estos dos valores, obtengo el valor de Odds-score.

Odds-Score = PL :PA

Para calcular PA(bajo las leyes de Mendel de asociación independiente), tendríamos:

Madre: gametos ab

Padre: gametosAB y Ab

Entonces si hago el cruce bajo esta condición de asociación independiente, la probabilidad para

cada fenotipo será:

AB ¼ Ab ¼aB ¼ ab ¼

La probabilidad de todos los hijos juntos, como son independientes uno de otro se obtiene

multiplicando: ¼ * ¼* ¼* ¼ 1/256(son 4 hijos con una probabilidad de un ¼ cada uno de

obtener el fenotipo que obtuvieron). PA= 1/256

Ahora para PL debo calcular la probabilidad a distancia 0, a 1%, a 2%, hasta llegar al 50% (Todo

esto se hace por computador). Daremos distintos ejemplos de cómo se realiza este cálculo.

Ejemplo 1: Si tengo un PL completo, esto significa que está a una distancia del 0% de

recombinación. Esta se calcula igual que antes, con el tablero usando a estos dos individuos bajo la

condición de que los genes están totalmente ligados.

Entonces hacemos el tablero:

La madre sólo produce ab. Bajo el supuesto que es ligamiento completo, este

hombre solo produce 2 gametos: AB y Ab. Hago el cruzamiento,

Fenotipo descendencia: AB 1/2 ab1/2

Si volvemos a la genealogía y miramos la descendencia, los fenotipos que

encontramos son:AB, ab, ab, Ab.

La probabilidad de que haya fenotipos Ab en esta descendencia, bajo el supuesto de que estos

genes poseen ligamiento completo, es 0. Ahora calculamos el PL = ½*½*½*0 PL= 0

Ahora calculamos el Odds Score:

Odds Score= PL : PA= 0 : 1/256 = 0.

Por lo tanto el odd-score es 0. Esto significa que la posibilidad de que esta la descendencia se

explique por ligamiento completo es 0.

Ejemplo 2:Ahora calculemos la probabilidad de ligamiento al 20% de recombinación, ya sabemos

que el ligamiento completo es imposible.PLal 20% quiere decir que al probabilidad de que

aparezcan fenotipos recombinantes es de 0,2 en total (0,1 para cada recombinante), y la

probabilidad de fenotipos parentales es de 0,8 en total (0,4 para cada uno).

La madre sólo podrá producir gametos ab, por lo que la proporción fenotípica de la descendencia

depende sólo de los gametos del padre. El padre producirá 4 gametos:

2 gametosparentales: AB 0,4 ab 0,4

2 gametos recombinantes: Ab 0,1 aB 0,1

Si volvemos a la genealogía y miramos la descendencia, los fenotipos son: AB, ab, ab, Ab.

Ahora calculamos PL= 0,4* 0,4 *0,4 *0,1 = 0,0064

Luego, Odds Score= PL : PA= 0,0064 : 1/256 = 1,63.

Esto se traduce en que es 1,63 veces más probable explicar esta descendencia si los genes están

ligados a una distancia del 20% a que si no estuvieran ligados.

Ojo que esto es solo una probabilidad, para que sea concluyente se necesitan números mucho

más grandes. Si el Odds- score es mayor o igual a 1000, será demostrado el ligamiento.

Si el Odds-score es menor o igual a 0.01 queda demostrado el no ligamiento, por lo que se cumple

la segunda ley de Mendel.

Si obtenemos un Odds-score de 1.63, cómo podemos comprobar si los genes que estoy

estudiando están o no ligados? Estudiando más familias. En cada familia calculo un Odds-score,

como son elementos independientes se multiplican los Odds-score de cada familia y obtengo el

total, que tendrá un valor o mayor de 1000 o menor que 0.01, lo cual sería concluyente (No se

asusten porque el Odds score se saca con computadores súper cachilupis). Para hacer la parte

aritmética más simple se usa el Lod, que es el logaritmo del Odd-score (así queda un número más

chico).

Cuando no se conoce la fase en que el heterocigoto ha heredado sus genes (cis o trans), se

analiza en un escenario tanto de fase cis como de trans y se saca el promedio entre ambas.

El cálculo de la distancia que vimos hace un rato no es perfecto, si la distancia es muy grande

podrían haber dos quiasmas que no estaría tomando en cuenta al determinar la frecuencia de

recombinación. Este se puede corregir utilizando un tercer gen para analizar, lo que se llama

cruzamiento de tres puntos.

En este estudio se quiso saber si el gen que produce el síndrome de uña-rotula se encuentra

cercano al gen determinante de los grupos sanguíneos en el cromosoma 9. Es una enfermedad

caracterizada por hipoplasia de las uñas, glaucomas, etc pero no mayores problemas.

Encontraron diversas familias, calculando el odds-score desde el ligamiento completo (frecuencia

de recombinación 0), pero los valores obtenidos no fueron determinantes. En la familia 2 aparecen

valores de recombinación “0.36”, menores de 1, por lo que aparecen individuos con fenotipo

dominante. Estos valores siguen sin ser determinantes, al usar muuuuchas familias, finalmente

obtuvieron un total que se ve en la diapo. Podemos concluir que hay ligamiento entre el gen AB0 y

el gen Uña rotula, ya que tenemos valores mayores de 1000, y la distancia es de un 10%. Así se

han mapeado la mayoría de los genes de nuestra especie.

Resumiendo:

El gen AB0 y el Rh son muy buenos marcadores genéticos. Un genotipo polimórfico en la población

es el que se encuentra al menos dos alelos diferentes, por ejemplo el color de pelo.

Hoy en día el marcador estrella son las variantes del DNA.

La variación de estas regiones está dada por el número de veces que se repite una secuencia única

de bases. La flecha muestra que la frecuencia característica se repite: en el alelo 1 se repite 6

veces y el alelo 2 sólo se repite 4 veces.

Entonces estas son secuencias de bases nitogenadas que se repiten un variado número de veces.

Los alelos para estos mini o microsatelites se determinan mediante la cantidad de repeticiones

que tiene de la secuencia. Un ejemplo el Locus TH01:

El locus TH01 es una variante del ADN caracterizado por las repeticiones, es un micro satélite

porque tiene máximo 5 pares de bases. En uno de los homólogos heredó 4 repeticiones y en el

otro 5 repeticiones de la misma secuencia.

Electroforesis.El individuo 1 presenta alelos 4/6, el alelo más pesado de su ADN migra más cerca

del origen.

Los locus más polimórficos son más útiles, ya que busco los heterocigotos para saber si están

ligados o no. Al ser muchas variables, la gran mayoría serán heterocigotos.

Un ejemplo de mapeo, una herencia de tipo dominante donde el color más oscuro es el enfermo.

Sabemos que hay un microsatelite en el cromosoma 2, los números que aparecen son los que

surgen del ADN al analizar al cromosoma 2. Por ejemplo, la primera progenitora que es 4/5 tiene

ese fenotipo y genotipo para el microsatélite estudiado. Genotípicamente es doble recesiva (ee),

ya que está sana y dijimos que es una herencia dominante.

Para hacer un análisis de ligamiento en esta familia necesitamos un doble heterocigoto, un gen de

ubicación conocida (el microsatélite del cromosoma 2), la enfermedad no sabemos en qué gen

está codificada, pero si descubrimos que está ligada al microsatélite sabremos que está en el

cromosoma 2. Debe ser heterocigoto doble, ya que uno es el gen que se está analizando y el otro

es el marcador genético. La elegida está marcada con la flecha roja. Su genotipo sería:

Genes heredados de su madre 4e__

Genes heredados del padre 6E

Ahora analicemos a los hijos. Si la herencia es mendeliana con genes no ligados, sus gametos

serían: 4e, 4E, 6e y 6E.

Sus hijos reciben las siguientes herencias: 4e, 6E, 4e, 4e, 6E y 6E (recuerden que la enfermedad es

dominante). No se comportó mendelianamente, es sugerente de ligamiento ya que tiene

predilección de transmitir las mismas combinaciones que heredó de sus progenitores. Para

demostrarlonos debería dar 1000 el odds-score; Si da menos de 0.01 no hay ligamiento; Si da

“500” (valor intermedio), buscamos en otras familias.

Además del Odds Score hay otros métodos de

mapeo de genes, uno de ellos es el mapeo por hibridación in situ. Estos cromosomas denaturados

están sin sus puentes de hidrógeno por lo que sus hebras están separadas. Se añade una

monohebra marcada complementaria al gen (de secuencia identificada), y se hibrida con esta.

Luego al mirar los cromosomas veo los que están marcados y por bandeo conozco a que

cromosoma corresponde; así identifico en qué cromosoma está el gen que estoy buscando.

Desventaja del método: Se debe conocer la secuencia del gen.

FIN. Transcripción by Constanza Charangos.

Agradecimientos a Cristian León por las correcciones