Heredabilidad

Una célula diploide (2n) posee dos conjuntos completos de cromosomas — un conjunto de cada progenitor. Una célula haploide (n) tiene solo un conjunto.

Los cromosomas se presentan en pares de cromosomas homólogos: los dos cromosomas de un par tienen la misma longitud y portan los mismos genes (aunque pueden tener diferentes versiones de ellos).

Los gametos (células sexuales) deben ser haploides. Si fueran diploides, el número de cromosomas se duplicaría en cada generación. Por lo tanto, los gametos se forman mediante una división especial llamada meiosis, que reduce a la mitad el número de cromosomas.

La meiosis tiene dos divisiones, una tras otra, por lo que hay ocho etapas nombradas: profase I, metafase I, anafase I y telofase I, seguidas de profase II, metafase II, anafase II y telofase II. Al igual que en la mitosis, la envoltura nuclear se desintegra, se forma un hilo espindular y los cromosomas son movidos por este hilo.

Las etapas de la meiosis, paso a paso

Antes de que comience la meiosis, cada cromosoma se copia durante la interfase, por lo que está formado por dos cromátidas hermanas idénticas unidas en el centrómero.

Por lo tanto, la meiosis I separa los cromosomas homólogos (aquí es donde el número se reduce a la mitad), y la meiosis II separa las cromátidas, al igual que en la mitosis.

Ejemplo resuelto. Una célula tiene un número diploide de 8 ($2n = 8$). ¿Cuántos cromosomas y cromátidas hay en cada célula en (a) metafase I, (b) metafase II, (c) el final de la telofase II?

(a) Metafase I: nada se ha separado aún, por lo que hay 8 cromosomas, cada uno con dos cromátidas: 16 cromátidas. (b) Metafase II: la meiosis I ha enviado un cromosoma de cada par a cada célula, por lo que hay 4 cromosomas, aún con dos cromátidas cada uno: 8 cromátidas. (c) Después de la telofase II, las cromátidas se han separado, por lo que cada célula tiene 4 cromosomas con una cromátida cada uno.

La meiosis produce gametos genéticamente diferentes entre sí de dos maneras:

• entrecruzamiento — los cromosomas homólogos intercambian fragmentos equivalentes, mezclando los alelos.

• asortamiento independiente — los pares se alinean en un orden aleatorio, por lo que cada gameto recibe una mezcla aleatoria de los cromosomas del progenitor.

Entonces, en la fertilización, cualquier gameto puede fusionarse con cualquier otro. Esta fusión aleatoria hace que cada nuevo individuo sea genéticamente diferente.

¿Cuántas combinaciones? Con $n$ pares de cromosomas homólogos, solo la distribución independiente puede producir $2^n$ combinaciones diferentes en los gametos. Un ser humano tiene 23 pares, por lo que una persona puede producir $2^{23}$ (aproximadamente 8 millones) tipos de gametos, antes de que el entrecruzamiento añada aún más. Dos progenitores pueden entonces producir $2^{23} \times 2^{23}$ (aproximadamente 70 millones de millones) combinaciones diferentes de cromosomas en sus hijos.

Debes conocer estos términos exactamente:

• un gen es un fragmento de ADN que codifica para una proteína. Su posición en un cromosoma es su locus.
• un alelo es una versión de un gen.
• un alelo dominante muestra su efecto incluso cuando solo está presente una copia; un alelo recesivo solo se manifiesta cuando hay dos copias presentes.
• los alelos codominantes muestran ambos sus efectos conjuntamente.
• el genotipo son los alelos que tiene un organismo; el fenotipo son las características visibles.
• homocigoto significa que los dos alelos son iguales; heterocigoto significa que son diferentes.
• un cruce de prueba cruza un organismo con el homocigoto recesivo para determinar su genotipo desconocido.

Se representa un cruce mediante un diagrama genético, a menudo usando un cuadro de Punnett: una cuadrícula que muestra todas las formas en que los gametos pueden combinarse.

• un cruce monohíbrido sigue un solo gen; un cruce dihíbrido sigue dos genes simultáneamente.
• algunos genes tienen múltiples alelos (más de dos versiones en la población), como los alelos de los grupos sanguíneos humanos.
• en el ligamiento sexual, el gen se encuentra en el cromosoma X, por lo que el resultado difiere entre machos y hembras.
• en el ligamiento, los genes en el mismo autosoma (un cromosoma no sexual) tienden a heredarse juntos.
• en la epistasis, un gen afecta la expresión de otro gen.

Cruzamientos resueltos

Codominancia. En una planta, los alelos $\text{C}^\text{R}$ (rojo) y $\text{C}^\text{W}$ (blanco) son codominantes: el heterocigoto $\text{C}^\text{R}\text{C}^\text{W}$ es rosa. Cruza dos plantas rosas. Gametos: $\text{C}^\text{R}$ o $\text{C}^\text{W}$ de cada una. Descendencia: $\text{C}^\text{R}\text{C}^\text{R}$ (roja) : $\text{C}^\text{R}\text{C}^\text{W}$ (rosa) : $\text{C}^\text{W}\text{C}^\text{W}$ (blanca) $= 1:2:1$. Con la codominancia, cada genotipo tiene su propio fenotipo, por lo que la proporción no es 3:1. Los alelos codominantes se escriben como la letra del gen con superíndices, nunca como letras mayúsculas y minúsculas.

Alelos múltiples. El gen del grupo sanguíneo ABO tiene tres alelos: $\text{I}^\text{A}$ y $\text{I}^\text{B}$ son codominantes, y $\text{I}^\text{o}$ es recesivo respecto de ambos. Un hombre del grupo A ($\text{I}^\text{A}\text{I}^\text{o}$) y una mujer del grupo B ($\text{I}^\text{B}\text{I}^\text{o}$) pueden tener hijos de los cuatro grupos: $\text{I}^\text{A}\text{I}^\text{B}$ (AB), $\text{I}^\text{A}\text{I}^\text{o}$ (A), $\text{I}^\text{B}\text{I}^\text{o}$ (B) y $\text{I}^\text{o}\text{I}^\text{o}$ (O), cada uno con una probabilidad de $1/4$.

Herencia ligada al sexo. La hemofilia está causada por un alelo recesivo $\text{X}^\text{h}$ en el cromosoma X; el cromosoma Y no lleva ninguna copia del gen. Una mujer portadora ($\text{X}^\text{H}\text{X}^\text{h}$) y un hombre sin hemofilia ($\text{X}^\text{H}\text{Y}$):

Cada hijo varón tiene una probabilidad de $1/2$ de tener hemofilia; ninguna hija la tiene, pero la mitad son portadoras. Los varones solo necesitan un alelo recesivo para manifestar la afección, porque solo tienen un cromosoma X; por eso las afecciones recesivas ligadas al sexo son mucho más frecuentes en varones. Un padre transmite su cromosoma X a todas sus hijas y a ninguno de sus hijos varones.

Cruzamiento dihíbrido. En los guisantes, la semilla redonda (R) domina sobre la arrugada (r), y la amarilla (Y) domina sobre la verde (y), y los dos genes están en cromosomas diferentes. Cruza dos plantas heterocigotas para ambos caracteres, RrYy × RrYy. Cada progenitor produce cuatro tipos de gametos en igual cantidad, porque los genes se distribuyen de forma independiente: RY, Ry, rY y ry. Un cuadro de Punnett de 4 × 4 da 16 combinaciones:

Por tanto, la proporción es 9:3:3:1. Un cruzamiento de prueba dihíbrido (RrYy × rryy) da 1:1:1:1.

Ligamiento autosómico. Si los dos genes están próximos en el mismo cromosoma, no se distribuyen de forma independiente: los alelos de un cromosoma tienden a entrar en el mismo gameto. Un cruzamiento que daría 9:3:3:1 produce entonces principalmente las dos combinaciones parentales y solo unos pocos descendientes recombinantes: los que se producen cuando ocurre un entrecruzamiento entre los dos loci. Un cruzamiento de prueba que produce mucho más del 25% de cada tipo parental y muchas menos combinaciones nuevas muestra que los genes están ligados.

Epistasis. En ratones, el gen A controla si se produce pigmento: A (se produce pigmento) domina sobre a (sin pigmento, blanco). El gen B controla el color del pigmento: B (agutí, pelo gris parduzco) domina sobre b (negro). Los ratones aa son blancos independientemente de sus alelos del gen B: el gen A es epistático respecto del gen B. AaBb × AaBb da 9 A_B_ (agutí), 3 A_bb (negro) y 4 aa (blanco, independientemente de sus alelos B), por lo que la proporción es 9:3:4 en lugar de 9:3:3:1. Otras formas de epistasis dan 9:7, 12:3:1 o 15:1. Una proporción dihíbrida de 16 partes que no sea 9:3:3:1 sugiere epistasis.

La prueba chi-cuadrado compara los resultados que realmente contaste (los números observados, $O$) con los resultados esperados según el diagrama genético (los números esperados, $E$). Indica si la diferencia es lo suficientemente pequeña como para deberse al azar, o lo suficientemente grande como para indicar que ocurre algo más.

Sumas, para cada grupo, la diferencia al cuadrado entre observado y esperado, dividida por el esperado:

Luego comparas este valor $\chi^2$ con un valor crítico de una tabla. La fila que usas está determinada por los grados de libertad (el número de grupos menos 1). Si $\chi^2$ es menor que el valor crítico, la diferencia no es significativa: los resultados se ajustan a la proporción esperada y cualquier diferencia es solo azar. Si $\chi^2$ es mayor que el valor crítico, la diferencia es significativa, por lo que algún otro factor está involucrado.

Ejemplo resuelto. Un cruce $\text{Tt} \times \text{Tt}$ produce $160$ descendientes: $114$ altos y $46$ cortos. Prueba si esto se ajusta a la proporción esperada $3:1$.

Los números esperados son $\tfrac{3}{4} \times 160 = 120$ altos y $\tfrac{1}{4} \times 160 = 40$ cortos. Luego:

Hay $2$ grupos, por lo que los grados de libertad son $= 2 - 1 = 1$. El valor crítico en $p = 0.05$ es $3.84$. Dado que $1.20 < 3.84$, la diferencia no es significativa: los resultados se ajustan a una proporción $3:1$ y la pequeña diferencia se debe al azar.

Ejemplo resuelto (un cruzamiento dihíbrido). Se espera que un cruzamiento dihíbrido dé 9:3:3:1. De 320 descendientes, los recuentos son 196, 52, 58 y 14. ¿Se ajusta bien el resultado?

$\chi^2 = 1.42 + 1.07 + 0.07 + 1.80 = 4.36$. Hay 4 clases, por lo que hay 3 grados de libertad; el valor crítico para $p = 0.05$ es 7.82. Como $4.36 < 7.82$, la diferencia no es significativa: los resultados se ajustan a 9:3:3:1, por lo que los genes probablemente se distribuyen de forma independiente. Si $\chi^2$ hubiera sido mayor que 7.82, la diferencia sería significativa, lo que indicaría que los genes están ligados o que interviene la epistasis.

Un gen codifica una proteína y esa proteína afecta el fenotipo. Si el gen es defectuoso, la proteína es defectuosa y el fenotipo cambia:

Giberelina y altura del tallo

En las plantas de guisante, el alelo dominante Le codifica para una enzima funcional que produce giberelina, por lo que la planta crece alta mediante la elongación del tallo. El alelo recesivo le codifica para una enzima defectuosa, por lo que se produce poca giberelina y la planta es baja.

No todos los genes están encendidos todo el tiempo. Las células controlan qué proteínas producen.

• los genes estructurales codifican proteínas útiles como enzimas; los genes reguladores controlan si otros genes están activados.
• una enzima inducible se produce solo cuando es necesaria; una enzima reprimible se produce normalmente pero puede desactivarse.

El operón lac

En un procariota como una bacteria, un grupo de genes llamado operón lac controla la digestión de la lactosa:

• cuando no hay lactosa, una proteína represora se une al operador (una secuencia de control corta dentro del operón) y bloquea la transcripción, por lo que no se producen las enzimas digestoras de lactosa.
• cuando la lactosa está presente, se une al represor y lo desplaza. Ahora puede ocurrir la transcripción y se producen las enzimas. Por tanto, las enzimas son inducibles.

Con más detalle. El operón es un tramo de ADN con un promotor (donde se une la ARN polimerasa), el operador y tres genes estructurales que se transcriben juntos en un solo ARNm:

• lacZ codifica la β-galactosidasa, que hidroliza la lactosa en glucosa y galactosa;
• lacY codifica la permeasa de lactosa, una proteína transportadora que introduce lactosa en la célula;
• lacA codifica la transacetilasa.

Un gen regulador independiente, lacI, situado fuera del operón, codifica la proteína represora. El represor tiene dos sitios de unión: uno se ajusta al operador y otro a la lactosa. Cuando la lactosa se une, el represor cambia de forma y ya no puede unirse al operador, por lo que la ARN polimerasa puede avanzar a lo largo de los genes estructurales. Así, la bacteria produce las enzimas solo cuando hay lactosa disponible para utilizar y no desperdicia energía ni aminoácidos produciéndolas en otros momentos. Cuando se ha utilizado toda la lactosa, el represor vuelve a unirse al operador.

Una mutación en el operador que impide la unión del represor, o en lacI que produce un represor incapaz de unirse al operador, hace que las enzimas se produzcan continuamente, con o sin lactosa.

Control en eucariotas

En eucariotas, los factores de transcripción son proteínas que se unen al ADN y controlan la expresión génica, aumentando o disminuyendo la tasa de transcripción.

La giberelina activa los genes de esta manera: provoca la degradación de los represores proteicos DELLA. Estas proteínas DELLA bloquean normalmente a los factores que activan la transcripción, por lo que su eliminación permite la expresión de esos genes.

Un factor de transcripción actúa uniéndose a la región promotora de un gen. Algunos ayudan a que se una la ARN polimerasa (activando el gen); otros la bloquean. Las hormonas suelen actuar mediante factores de transcripción: una hormona esteroidea como el estrógeno atraviesa la membrana celular y se une a una proteína receptora en el citoplasma, y el complejo hormona–receptor entra en el núcleo y actúa como factor de transcripción. Así es como un tipo de célula puede expresar un conjunto de genes diferente al de otro, aunque tengan el mismo ADN.

Errores comunes.

• Decir que el número de cromosomas se reduce a la mitad en la meiosis II. Se reduce a la mitad en la meiosis I, cuando se separan los pares homólogos; la meiosis II separa las cromátidas hermanas.
• Confundir cromosomas homólogos y cromátidas hermanas. Los cromosomas homólogos provienen de diferentes padres y pueden llevar alelos distintos; las cromátidas hermanas son copias idénticas unidas en un centrómero.
• Decir que el entrecruzamiento ocurre entre cromátidas hermanas. Ocurre entre cromátidas de los dos homólogos en un bivalente; intercambiar piezas idénticas no cambiaría nada.
• Escribir un gen y un alelo como lo mismo. El gen corresponde a una característica (color de ojos); los alelos son sus versiones (azul, marrón).
• En una prueba de chi-cuadrado, usar porcentajes o proporciones en lugar de los números de descendientes, o comparar con 3.84 cuando hay más de un grado de libertad.

• Establecer un cruce completo: genotipos parentales → gametos (en círculos) → cuadro de Punnett → proporción de descendencia y fenotipos.
• Utilizar la prueba de chi-cuadrado para comparar lo observado con lo esperado; grados de libertad $=$ clases $- 1$, comparar con $3.84$ en $p = 0.05$.
• Reconocer la codominancia, los alelos múltiples, el ligamiento al sexo, la epistasis y el ligamiento — cada uno altera la proporción esperada.
• La meiosis crea variación mediante el entrecruzamiento y la distribución independiente — indicar ambos.
• Escribe los alelos codominantes y ligados al sexo con superíndices ($\text{C}^\text{R}\text{C}^\text{W}$, $\text{X}^\text{H}\text{X}^\text{h}$) y muestra el cromosoma Y sin alelo.
• Aprende las proporciones esperadas: 3:1, 1:2:1 (codominancia), 1:1 (cruzamiento de prueba), 9:3:3:1 y 1:1:1:1 (dihíbrido), 9:3:4 (epistasis).
• Muchos tipos parentales y pocos recombinantes en un cruzamiento de prueba dihíbrido significan que los genes están ligados.
• Operón lac: gen regulador → represor; la lactosa se une al represor y cambia su forma para que se desprenda del operador.