13.1: Teoría cromosómica y vinculación genética

Habilidades para Desarrollar

• Discutir la teoría cromosómica de Sutton de la herencia
• Describir el vínculo genético
• Explicar el proceso de recombinación homóloga, o cruce
• Describir cómo se crean los mapas cromosómicos
• Calcular las distancias entre tres genes en un cromosoma mediante un cruce de prueba de tres puntos

Mucho antes de que los cromosomas fueran visualizados bajo un microscopio, el padre de la genética moderna, Gregor Mendel, comenzó a estudiar la herencia en 1843. Con la mejora de las técnicas microscópicas a finales del siglo XIX, los biólogos celulares pudieron teñir y visualizar estructuras subcelulares con tintes y observar sus acciones durante la división celular y la meiosis. Con cada división mitótica, los cromosomas se replicaron, se condensaron a partir de una masa nuclear amorfa (sin forma constante) en distintos cuerpos en forma de X (pares de cromátidas hermanas idénticas) y migraron a polos celulares separados.

Teoría cromosómica de la herencia

La especulación de que los cromosomas podrían ser la clave para comprender la herencia llevó a varios científicos a examinar las publicaciones de Mendel y reevaluar su modelo en términos del comportamiento de los cromosomas durante la mitosis y la meiosis. En 1902, Theodor Boveri observó que el desarrollo embrionario adecuado de los erizos de mar no ocurre a menos que los cromosomas estén presentes. Ese mismo año, Walter Sutton observó la separación de cromosomas en células hijas durante la meiosis (Figura\(\PageIndex{1}\)). En conjunto, estas observaciones condujeron al desarrollo de la Teoría Cromosómica de la Herencia, que identificó a los cromosomas como el material genético responsable de la herencia mendeliana.

Figura\(\PageIndex{1}\): a) Walter Sutton y (b) Theodor Boveri se les atribuye el desarrollo de la Teoría Cromosómica de la Herencia, la cual establece que los cromosomas portan la unidad de herencia (genes).

La Teoría Cromosómica de la Herencia fue consistente con las leyes de Mendel y se sustentó en las siguientes observaciones:

• Durante la meiosis, los pares de cromosomas homólogos migran como estructuras discretas que son independientes de otros pares de cromosomas.
• La clasificación de cromosomas de cada par homólogo en pregametos parece ser aleatoria.
• Cada progenitor sintetiza gametos que contienen sólo la mitad de su complemento cromosómico.
• Aunque los gametos masculinos y femeninos (espermatozoides y óvulos) difieren en tamaño y morfología, tienen el mismo número de cromosomas, lo que sugiere contribuciones genéticas iguales de cada progenitor.
• Los cromosomas gameticos se combinan durante la fecundación para producir crías con el mismo número de cromosomas que sus padres.

A pesar de las correlaciones convincentes entre el comportamiento de los cromosomas durante la meiosis y las leyes abstractas de Mendel, la Teoría Cromosómica de la Herencia se propuso mucho antes de que existiera evidencia directa de que los rasgos se llevaban en los cromosomas. Los críticos señalaron que los individuos tenían rasgos de segregación mucho más independiente que los cromosomas. Fue sólo después de varios años de realizar cruces con la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, que Thomas Hunt Morgan aportó evidencias experimentales para apoyar la Teoría Cromosómica de la Herencia.

Vinculación genética y distancias

El trabajo de Mendel sugirió que los rasgos se heredan independientemente unos de otros. Morgan identificó una correspondencia 1:1 entre un rasgo segregante y el cromosoma X, sugiriendo que la segregación aleatoria de cromosomas fue la base física del modelo de Mendel. Esto también demostró que los genes vinculados interrumpen los resultados predichos de Mendel. El hecho de que cada cromosoma pueda portar muchos genes vinculados explica cómo los individuos pueden tener muchos más rasgos de los que tienen cromosomas. Sin embargo, las observaciones de investigadores en el laboratorio de Morgan sugirieron que los alelos posicionados en el mismo cromosoma no siempre se heredaban juntos. Durante la meiosis, los genes vinculados de alguna manera se desvincularon.

Recombinación homóloga

En 1909, Frans Janssen observó la quiasmata, el punto en el que las cromátidas están en contacto entre sí y pueden intercambiar segmentos, antes de la primera división de la meiosis. Sugirió que los alelos se desvinculan y los cromosomas intercambian físicamente segmentos. A medida que los cromosomas se condensaban y apareaban con sus homólogos, parecían interactuar en distintos puntos. Janssen sugirió que estos puntos correspondían a regiones en las que se intercambiaban segmentos cromosómicos. Ahora se sabe que el emparejamiento y la interacción entre cromosomas homólogos, conocidos como sinapsis, hace más que simplemente organizar los homólogos para la migración para separar las células hijas. Cuando se sinapsan, los cromosomas homólogos experimentan intercambios físicos recíprocos en sus brazos en un proceso llamado recombinación homóloga, o más simplemente, “cruce”.

Para comprender mejor el tipo de resultados experimentales que los investigadores estaban obteniendo en este momento, considere un individuo heterocigótico que heredó alelos maternos dominantes para dos genes en un mismo cromosoma (como AB) y dos alelos paternos recesivos para esos mismos genes (como ab). Si los genes están enlazados, se esperaría que este individuo produzca gametos que sean AB o ab con una relación 1:1. Si los genes están desligados, el individuo debe producir gametos AB, Ab, AB y ab con frecuencias iguales, de acuerdo con el concepto mendeliano de surtido independiente. Debido a que corresponden a nuevas combinaciones de alelos, los genotipos Ab y aB son tipos no parentales que resultan de la recombinación homóloga durante la meiosis. Los tipos parentales son progenie que exhiben la misma combinación alélica que sus padres. Morgan y sus colegas, sin embargo, encontraron que cuando tales individuos heterocigotos se cruzaron por prueba a un progenitor homocigótico recesivo (aAbB × aabb), se presentaron casos tanto parentales como no parentales. Por ejemplo, se podrían recuperar 950 crías que fueran aAbB o aabb, pero también se obtendrían 50 crías que fueran Aabb o AAbB. Estos resultados sugirieron que el enlace ocurrió con mayor frecuencia, pero una minoría significativa de descendencia fueron los productos de la recombinación.

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{2}\): Se muestran patrones de herencia de genes no enlazados y enlazados. En (a), dos genes se localizan en diferentes cromosomas por lo que se produce un surtido independiente durante la meiosis. Las crías tienen las mismas posibilidades de ser del tipo parental (heredar la misma combinación de rasgos que los padres) o de un tipo no parental (heredar una combinación de rasgos diferente a la de los padres). En (b), dos genes están muy unidos entre sí en un mismo cromosoma de manera que no se produce ningún cruce entre ellos. Por lo tanto, los genes siempre se heredan juntos y todos los descendientes son del tipo parental. En (c), dos genes están muy separados en el cromosoma de tal manera que el cruzamiento ocurre durante cada evento meiótico. La frecuencia de recombinación será la misma que si los genes estuvieran en cromosomas separados. d) La frecuencia real de recombinación de la longitud del ala de la mosca de la fruta y el color corporal que Thomas Morgan observó en 1912 fue del 17 por ciento. Una frecuencia de cruce entre 0 por ciento y 50 por ciento indica que los genes están en el mismo cromosoma y el cruce ocurre algunas veces.

En un cruce de prueba para dos características como la que se muestra aquí, ¿puede la frecuencia predicha de descendencia recombinante ser del 60 por ciento? ¿Por qué o por qué no?

Mapas Genéticos

Janssen no contaba con la tecnología para demostrar el cruce por lo que siguió siendo una idea abstracta que no fue ampliamente aceptada. Los científicos pensaban que los chiasmas eran una variación de la sinapsis y no podían entender cómo los cromosomas podían romperse y reincorporarse. Sin embargo, los datos eran claros de que la vinculación no siempre se producía. En última instancia, tomó un joven estudiante de pregrado y una “noche” para dilucidar matemáticamente el problema de la vinculación y recombinación.

En 1913, Alfred Sturtevant, estudiante del laboratorio de Morgan, reunió resultados de investigadores en el laboratorio, y los llevó a casa una noche para reflexionarlos. A la mañana siguiente, había creado el primer “mapa cromosómico”, una representación lineal del orden génico y la distancia relativa en un cromosoma (Figura 13.1.3).

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{3}\): Este mapa genético ordena los genes de Drosophila sobre la base de la frecuencia de recombinación.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?

1. La recombinación del color corporal y los alelos rojo/ojo cinabrio ocurrirá con mayor frecuencia que la recombinación de los alelos para la longitud del ala y la longitud de las aristas.
2. La recombinación del color corporal y los alelos de longitud de aristae ocurrirá con mayor frecuencia que la recombinación de alelos de ojos rojos/marrones y los alelos de longitud de aristae.
3. No se producirá la recombinación del color del cuerpo gris/negro y los alelos aristae largos/cortos.
4. La recombinación del ojo rojo/marrón y los alelos de Aristae largo/corto ocurrirá con mayor frecuencia que la recombinación de los alelos para la longitud del ala y el color del cuerpo.

Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\), mediante el uso de la frecuencia de recombinación para predecir la distancia genética, se pudo inferir el orden relativo de los genes en el cromosoma 2. Los valores mostrados representan distancias de mapa en centimorgans (cM), que corresponden a frecuencias de recombinación (en porcentaje). Por lo tanto, los genes para el color corporal y el tamaño del ala fueron 65.5 − 48.5 = 17 cM de diferencia, lo que indica que los alelos maternos y paternos para estos genes se recombinan en 17 por ciento de las crías, en promedio.

Para construir un mapa cromosómico, Sturtevant asumió que los genes se ordenaron en serie en cromosomas filiformes. También asumió que la incidencia de recombinación entre dos cromosomas homólogos podría ocurrir con igual probabilidad en cualquier lugar a lo largo de la longitud del cromosoma. Operando bajo estos supuestos, Sturtevant postuló que los alelos que estaban muy separados en un cromosoma tenían más probabilidades de disociarse durante la meiosis simplemente porque había una región más grande sobre la cual podría ocurrir la recombinación. Por el contrario, los alelos que estaban cerca uno del otro en el cromosoma probablemente se heredaran juntos. El número promedio de cruces entre dos alelos, es decir, su frecuencia de recombinación, se correlacionó con su distancia genética entre sí, en relación con la ubicación de otros genes en ese cromosoma. Considerando el ejemplo cruzado entre aAbB y aabb anterior, la frecuencia de recombinación podría calcularse como 50/1000 = 0.05. Es decir, la probabilidad de un cruce entre los genes a/a y b/b fue de 0.05, o 5 por ciento. Tal resultado indicaría que los genes estaban definitivamente vinculados, pero que estaban lo suficientemente separados para que ocasionalmente se produjeran cruces. Sturtevant dividió su mapa genético en unidades cartográficas, o centimorgans (cM), en las que una frecuencia de recombinación de 0.01 corresponde a 1 cM.

Al representar alelos en un mapa lineal, Sturtevant sugirió que los genes pueden variar desde estar perfectamente unidos (frecuencia de recombinación = 0) hasta estar perfectamente desenlazados (frecuencia de recombinación = 0.5) cuando los genes están en diferentes cromosomas o los genes están separados muy lejos en el mismo cromosoma. Los genes perfectamente desenlazados corresponden a las frecuencias predichas por Mendel para agruparse independientemente en un cruce dihíbrido. Una frecuencia de recombinación de 0.5 indica que el 50 por ciento de las crías son recombinantes y el otro 50 por ciento son de tipo parental. Es decir, cada tipo de combinación de alelos se representa con igual frecuencia. Esta representación permitió a Sturtevant calcular aditivamente distancias entre varios genes en un mismo cromosoma. Sin embargo, a medida que las distancias genéticas se acercaban a 0.50, sus predicciones se volvieron menos precisas porque no estaba claro si los genes estaban muy separados en el mismo cromosoma o en diferentes cromosomas.

En 1931, Barbara McClintock y Harriet Creighton demostraron el cruce de cromosomas homólogos en plantas de maíz. Semanas después, Curt Stern demostró microscópicamente recombinación homóloga en Drosophila. Stern observó varios fenotipos ligados al X que se asociaron con un par de cromosomas X estructuralmente inusual y disímiles en el que a una X le faltaba un segmento terminal pequeño y a la otra X se fusionó con una pieza del cromosoma Y. Al cruzar moscas, observar a sus crías y luego visualizar los cromosomas de la descendencia, Stern demostró que cada vez que la combinación de alelos de descendencia se desvía de cualquiera de las combinaciones parentales, hubo un intercambio correspondiente de un segmento cromosómico X. El uso de moscas mutantes con cromosomas X estructuralmente distintos fue la clave para observar los productos de recombinación debido a que la secuenciación del ADN y otras herramientas moleculares aún no estaban disponibles. Ahora se sabe que los cromosomas homólogos intercambian regularmente segmentos en la meiosis al romper recíprocamente y volver a unir su ADN en ubicaciones precisas.

Enlace al aprendizaje

Revise aquí el proceso de Sturtevant para crear un mapa genético a partir de frecuencias de recombinación.

Rasgos mapeados de Mendel

La recombinación homóloga es un proceso genético común, pero Mendel nunca lo observó. Si hubiera investigado tanto genes vinculados como no vinculados, le habría sido mucho más difícil crear un modelo unificado de sus datos sobre la base de cálculos probabilísticos. Investigadores que desde entonces mapearon los siete rasgos investigados por Mendel en los siete cromosomas del genoma de la planta de guisante han confirmado que todos los genes que examinó están en cromosomas separados o están lo suficientemente separados como para estar estadísticamente desvinculados. Algunos han sugerido que Mendel tuvo una enorme suerte de seleccionar solo genes no enlazados, mientras que otros cuestionan si Mendel descartó algún dato que sugiera vinculación. En cualquier caso, Mendel observó consistentemente un surtido independiente porque examinó genes que estaban efectivamente desligados.

Resumen

La Teoría Cromosómica de la herencia, propuesta por Sutton y Boveri, establece que los cromosomas son los vehículos de la herencia genética. Ni la genética mendeliana ni la vinculación génica son perfectamente precisos; en cambio, el comportamiento cromosómico implica segregación, surtido independiente y ocasionalmente, vinculación. Sturtevant ideó un método para evaluar la frecuencia de recombinación e inferir las posiciones y distancias relativas de genes enlazados en un cromosoma sobre la base del número promedio de cruces en la región intermedia entre los genes. Sturtevant presumió correctamente que los genes están dispuestos en orden serial en los cromosomas y que la recombinación entre homólogos puede ocurrir en cualquier lugar de un cromosoma con igual probabilidad. Mientras que el enlace hace que los alelos en el mismo cromosoma se hereden juntos, la recombinación homóloga sesga a los alelos hacia un patrón de herencia de surtido independiente.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{2}\): In a test cross for two characteristics such as the one shown here, can the predicted frequency of recombinant offspring be 60 percent? Why or why not?

Answer

No. The predicted frequency of recombinant offspring ranges from 0% (for linked traits) to 50% (for unlinked traits).

Figure \(\PageIndex{3}\): Which of the following statements is true?

1. Recombination of the body color and red/cinnabar eye alleles will occur more frequently than recombination of the alleles for wing length and aristae length.
2. Recombination of the body color and aristae length alleles will occur more frequently than recombination of red/brown eye alleles and the aristae length alleles.
3. Recombination of the gray/black body color and long/short aristae alleles will not occur.
4. Recombination of the red/brown eye and long/short aristae alleles will occur more frequently than recombination of the alleles for wing length and body color.

Answer

D

Glossary

centimorgan (cM)

(also, map unit) relative distance that corresponds to a recombination frequency of 0.01

Chromosomal Theory of Inheritance

theory proposing that chromosomes are the vehicles of genes and that their behavior during meiosis is the physical basis of the inheritance patterns that Mendel observed

homologous recombination

process by which homologous chromosomes undergo reciprocal physical exchanges at their arms, also known as crossing over

nonparental (recombinant) type

progeny resulting from homologous recombination that exhibits a different allele combination compared with its parents

parental types

progeny that exhibits the same allelic combination as its parents

recombination frequency

average number of crossovers between two alleles; observed as the number of nonparental types in a population of progeny