1.4: Complementación y Recombinación

¿Qué es la Complementación?

Una definición general de complementación es la capacidad de dos mutantes en combinación para restaurar un fenotipo normal. La dominancia observada en heterocigotos refleja la capacidad de los alelos de tipo silvestre para complementar los alelos de pérdida de función. Se sabe que un alelo dominante determinará el fenotipo de un heterocigoto compuesto por un alelo dominante y uno recesivo. A menudo, los alelos recesivos son mutaciones de pérdida de función, mientras que el alelo dominante es el tipo salvaje, codificando una enzima funcional. Usando el ejemplo que condujo a la Primera Ley de Mendel, un cruce entre guisantes YY (amarillos) y guisantes yy (verdes) produjo guisantes amarillos en el heterocigoto F1 (Yy). En este caso el cromosoma portador del alelo Y codifica la función enzimática que falta en el producto del alelo y recesivo, y la vía para la biosíntesis pigmentaria continúa para hacer un producto amarillo. Así se podría decir que el alelo Y dominante complementa al alelo y recesivo - proporciona la función faltante.

Podemos continuar la analogía con la cruz clásica para la Segunda Ley de Mendel. Veamos los mismos genes, pero un arreglo diferente de alelos. Considera un cruce entre guisantes redondos verdes (rRyY) y amarillos arrugados (rRyY); en este caso cada progenitor está proporcionando un alelo dominante de un gen y un alelo recesivo del otro. El heterocigoto F1 es amarillo redondo (RRyY), es decir, se observan los fenotipos de los alelos dominantes. Pero también se podría describir esta situación como los cromosomas de los guisantes RRyY que complementan la deficiencia en los cromosomas RRyY, y viceversa. En particular, el alelo Y del padre rRyY proporciona la función que falta en el alelo y del padre rRyY, y el alelo R del padre rRyY proporciona la función que falta en el alelo r del RRyY padre. Si el fenotipo que buscas es un guisante amarillo redondo, podrías concluir que los mutantes en el gen R complementan a los mutantes en el gen Y. Dado que en un heterocigoto, el alelo funcional proporcionará la actividad que falta en el alelo mutante (si la mutación es una pérdida de función), se podría decir que los alelos dominantes complementan alelos recesivos. Así, los alelos dominantes determinan el fenotipo en un heterocigoto con alelos tanto dominantes como recesivos.

La complementación distingue entre mutaciones en el mismo gen o en diferentes genes

La capacidad del análisis de complementación para determinar si las mutaciones están en los mismos o diferentes genes es la base de la disección genética. En este proceso, se encuentran los genes cuyos productos se requieren en una vía. En los ejemplos de los guisantes, la vía metabólica a los pigmentos amarillos es claramente diferente de la ruta a los guisantes redondos, que es la vía de biosíntesis del almidón. El análisis de complementación es útil para diseccionar los pasos en una ruta, comenzando con muchos mutantes que generan el mismo fenotipo. Este es un ejemplo más convencional de complementación.

Muchos hongos pueden propagarse como haploides pero también pueden aparearse para formar diploides antes de la esporulación. Así, se puede seleccionar mutantes en haploides y obtener mutantes recesivos, y luego probar su comportamiento en combinación con otros mutantes en estado diploide. Digamos que una cepa haploide de un hongo fue mutagenizada y tamizada en busca de auxótrofos de arginina, es decir, mutantes que requieren arginina para crecer. Seis de los mutantes se aparearon para formar todas las combinaciones diploides posibles, y se ensayó la capacidad de los diploides para crecer en ausencia de arginina (prototrofia). Los resultados se tabulan a continuación, con un + designando crecimiento en ausencia de arginina, y a - designando no crecimiento.

Cuadro 1.1. Crecimiento de los diploides en ausencia de arginina

Número mutante	1	2	3	4	5	6
1	-	+	+	-	+	+
2		-	-	+	+	+
3			-	+	+	+
4				-	+	+
5					-	+
6						-

Como cabría esperar, cuando el mutante 1 se aparea consigo mismo, el diploide resultante sigue siendo un auxótrofo; esto es lo mismo que ser homocigótico para el alelo defectuoso de un gen. Pero cuando el mutante 1 se aparea con el mutante 2 (por lo que se combinan sus cromosomas), el diploide resultante tiene restaurada la prototrofia, es decir, puede hacer su propia arginina. Esto es cierto para toda la progenie. Concluimos que el mutante 1 complementará al mutante 2. Si decimos que el mutante 1 tiene una mutación en el gen 1 de la vía para la biosíntesis de arginina, y el mutante 2 tiene una mutación en el gen 2 de esta vía, entonces el diagrama de la Figura 1.6 describe la situación en los haploides y el diploide. (Tenga en cuenta que si el organismo tiene más de un cromosoma, entonces los genes 1 y 2 no necesitan estar en el mismo cromosoma). Dado que las enzimas codificadas por los genes 1 y 2 son necesarias para la biosíntesis de arginina, ninguno de los mutantes en estado haploide puede producir arginina. Pero cuando estos cromosomas se combinan en estado diploide, el cromosoma del mutante 1 proporcionará un producto normal del gen 2, y el cromosoma del mutante 2 proporcionará un producto normal del gen 1. Ya que cada uno proporciona lo que falta en el otro, se complementan. El mutante 1 también complementará al mutante 3, y se concluye que estas cepas están portando mutaciones en diferentes genes requeridos para la biosíntesis de arginina.

Figura 1.6. Complementación entre dos mutantes haploides cuando se combinan en un diploide.

En contraste, el diploide resultante del apareamiento del mutante 1 con el mutante 4 sigue siendo un auxótrofo; no crecerá en ausencia de arginina. Suponiendo que ambos mutantes son recesivos (es decir, contienen alelos de pérdida de función), entonces concluimos que las mutaciones están en el mismo gen (gen 1 en el diagrama anterior). Colocamos a estos mutantes en el mismo grupo de complementación. Asimismo, los mutantes 2 y 3 no logran complementar, y están en el mismo grupo de complementación. Así, el mutante 2 y el mutante 3 portan diferentes alelos mutantes del mismo gen (gen 2).

El mutante 5 complementará a todos los demás mutantes, por lo que está en un gen diferente, y lo mismo es cierto para el mutante 6. Así, este análisis de mutación y complementación muestra que este hongo tiene al menos 4 genes involucrados en la biosíntesis de arginina: el gen 1 (definido por los alelos mutantes en las cepas 1 y 4), el gen 2 (definido por los alelos mutantes en las cepas 2 y 3), y otros dos genes, uno mutado en la cepa 5 y el otro mutado en cepa 6.

La disección genética por complementación es muy poderosa. Un investigador puede comenzar con una gran cantidad de mutantes, todos los cuales tienen el mismo fenotipo, para luego agruparlos en conjuntos de alelos mutantes de diferentes genes. Los grupos de mutaciones que no se complementan entre sí constituyen un grupo de complementación, que es equivalente a un gen. Cada mutación en un grupo de complementación dado es un alelo mutante del gen. El producto de cada gen, ya sea un polipéptido o ARN, es necesario para la función celular que, al alterarse, genera el fenotipo que fue la base para el tamizado inicial. El número de diferentes grupos de complementación, o genes, da una aproximación del número de polipéptidos o moléculas de ARN utilizados en la generación de la función celular.

Pregunta 1.2. Considera el siguiente análisis de complementación. Cinco mutaciones en una vía biosintética (produciendo auxótrofos en estado haploide) se colocaron por pares en una célula en trans (análisis diploide). Luego, las células diploides se ensayaron para la reconstitución de la vía biosintética; las mutaciones de complementación pudieron crecer en ausencia del producto final de la ruta (es decir, ahora tenían una ruta biosintética funcional). A + indica un par complementario de mutaciones; a - significa que las dos mutaciones no se complementaron.

Número de mutación

1 2 3 4 5

1 - + - + -

2 - + + +

3 - + -

4 - +

5 -

a) ¿Qué mutaciones están en el mismo grupo de complementación (representando alelos mutantes del mismo gen)?

b) ¿Cuál es el número mínimo de etapas enzimáticas en la vía biosintética?

Recombinación

Obsérvese que todos los hongos de la progenie diploide del apareamiento de las cepas mutantes 1 y 2 tienen la capacidad de crecer sobre arginina, y esta complementación no requiere ningún cambio en los dos cromosomas (Figura 1.6.). Lo único que está sucediendo es que los alelos funcionales de cada gen están aportando enzimas activas. Si los genes 1 y 2 están en el mismo cromosoma, a baja frecuencia, las recombinaciones entre los dos cromosomas en el diploide pueden conducir a cruces, dando como resultado un cromosoma con alelos de tipo silvestre de cada gen y otro cromosoma con los alelos mutantes de cada gen (Figura 1.7). Esto se puede observar en hongos induciendo la esporulación del diploide. Cada espora es haploide, y la gran mayoría portará uno de los dos cromosomas parentales, y por lo tanto será defectuosa en el gen 1 o en el gen 2. Pero los recombinantes de tipo silvestre se pueden observar a baja frecuencia; estos serán prototrofos. Los recombinantes de doble mutante serán auxótrofos, por supuesto, pero estos pueden distinguirse de los mutantes individuales parentales por la incapacidad de los mutantes dobles para complementar la cepa mutante 1 o la cepa 2.

Figura 1.7. Recombinación entre cromosomas homólogos en un diploide

Obsérvese que esta recombinación es una alteración física en los cromosomas. La frecuencia de su aparición es directamente proporcional a la distancia que están separados los genes, que es la base para mapear genes por sus distancias de recombinación. La recombinación ocurre en una pequeña fracción de la progenie, mientras que toda la progenie de un diploide complementario tiene restaurada la función previamente perdida.

Colaboradores y Atribuciones

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