Loci genéticos y alelos



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BQ 14 medicina molecular I Dr. Glez Castaño

Pedro A.V.




APLICACIONES DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

LOCI GENÉTICOS Y ALELOS





  • Locus genético: Una posición o localización específica en un cromosoma

  • Alelo: Cada una de las versiones alternativas de una secuencia de nucleótidos del DNA (gen) que puede estar en una determinada localización cromosómica. Es decir las diferentes formas de un gen.

  • Diploide: Que tiene cromosomas homólogos, uno del padre y otro de la madre

  • Haploide: Que tiene uno solo de los cromosomas homólogos (presenta en sus células un solo juego de cromosomas)

  • Homocigotos: Tiene los mismos alelos en un determinado locus genético

  • Heterocigotos: Tiene diferentes alelos en un determinado locus genético

  • Dominante: Fenotipo que se expresa en heterocigotos

  • Recesivo: Fenotipo que se expresa solamente en homocigotos (o en heterocigotos compuestos con dos alelos mutados distintos)



MITOSIS Y MEIOSIS





  1. MITOSIS (Fig. 1)

Antes de que empiece la división nuclear o mitosis, cada cromosoma ha sido replicado y consta de dos cromátidas idénticas (llamadas cromátidas hermanas), las cuales están unidas entre sí a lo largo de toda su longitud por medio de interacciones entre proteínas de superficie de ambas. Durante la mitosis, estas proteínas se separan y las cromátidas hermanas se escinden transformándose en cromosomas hijos independientes que son arrastrados hacia los polos opuestos de la célula por el huso mitótico.


La mitosis se produce como una secuencia continua de procesos, pero es tradicional dividirla en cinco estadios:


  • Durante la profase, los cromosomas replicados se condensan y fuera del núcleo empieza a formarse el huso mitótico

  • Durante la prometafase se rompe la envoltura nuclear, permitiendo a los microtúbulos entrar en contacto con los cromosomas y unirse a ellos

  • Durante la metafase, el huso mitótico reúne todos los cromosomas en el centro (ecuador) del huso

  • Durante la anafase, las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma replicado se separan sincrónicamente y el huso tira de ellas hacia los polos opuestos de la célula

  • Durante la telofase, alrededor de cada uno de los dos conjuntos de cromosomas separados se reorganiza una envoltura nuclear, que forma dos núcleos.



  1. MEIOSIS (Fig. 2)

La meiosis es el proceso mediante el que se forman las células germinales.


Los puntos de partida de la meiosis son células diploides especializadas de los testículos y ovarios. Cada una de ellas contiene dos copias de cromosoma, uno heredado del padre y otro de la madre. La primera etapa de la meiosis, como ocurre en la mitosis, es la duplicación de los cromosomas de la célula diploide: su DNA se replica y las dos moléculas de DNA hijas se empaquetan por la acción de una proteínas especializadas, formando los nuevos cromosomas. Como en la mitosis, al principio los nuevos cromosomas permanecen unidos entre sí.
En la siguiente fase del proceso, cada cromosoma paterno duplicado se aparea con su homólogo materno duplicado, un proceso característico de la meiosis. En estas circunstancias se producen fenómenos de recombinación homóloga que, en el contexto de la meiosis, se denominan entrecruzamiento de cromosomas o quiasmas, produciendo cromosomas que son híbridos de los cromosomas paterno y materno.
Posteriormente, dos divisiones celulares sucesivas reparten un juego completo de cromosomas a cada gameto.
RECOMBINACIÓN HOMÓLOGA
La recombinación homóloga ocurre en todos los organismos. En los mamíferos sólo ocurre durante la meiosis, convirtiéndose en una de las mayores fuentes de variabilidad genética.
Las moléculas de DNA de doble cadena que tienen regiones de secuencia muy similares (homólogas) se alinean de manera que las secuencias homólogas se aparean. Entonces pueden “entrecruzarse”. El primer paso es la rotura de una de las cadenas de DNA de una de las dobles hélices alineadas. La cadena que se ha roto se desenrolla de su doble hélice e invade la otra molécula de DNA, que se desenrolla localmente de modo que la cadena entrante puede aparearse con su cadena complementaria (Fig. 3B). Ésta es la primera etapa del entrecruzamiento. La cadena de DNA desplazada se rompe y se entrecruza apareándose con su cadena complementaria en la otra molécula de DNA (Fig. 3C). Las discontinuidades del as cadenas de DNA se reparan, de forma que las dos moléculas de DNA quedan unidas físicamente por un entrecruzamiento de una de sus cadenas (Fig. 3D). Este intermediario crucial de la recombinación homóloga se denomina intercambio en cruz o unión de Holliday.
Para regenerar las dos moléculas de DNA separadas, las dos cadenas que se cruzan se han de cortar. Pero si se cortan cuando la estructura todavía es como la representada en la figura 3D, las dos nuevas moléculas de DNA resultantes serían muy parecidas a como eran antes del entrecruzamiento. Sin embargo, la estructura puede sufrir una serie de movimientos de rotación de modo que las dos cadena originalmente no cruzadas se convierten en cadenas cruzada, y viceversa (Fig. 4, etapas B y C). Si las cadenas cruzadas se cortan después de la rotación (Fig. 4D), una sección de una hélice de DNA original se unirá con otra sección de la otra hélice de DNA; en otras palabras, las dos moléculas de DNA se habrán entrecruzado, y se habrán producido dos nuevas secuencias de DNA (Fig. 4E).

La meiosis produce una enorme variabilidad genética

Antes de que se produzca la fecundación la meiosis produce dos tipos de reorganizaciones genéticas aleatorias.




  1. Durante la meiosis, los cromosomas paterno y materno se mezclan y reparten (redistribución aleatoria) a los gametos. Aunque los cromosomas son cuidadosamente repartidos de modo que cada gameto recibe una y sólo una copia de cada cromosoma, cada gameto recibe una mezcla aleatoria de cromosomas paternos y maternos (Fig. 5). Gracias a este tipo de redistribución , en principio cada individuo podría producir 2n gametos genéticamente diferentes, siendo n el número haploide de cromosomas. Por ejemplo, cada ser humano puede, en teoría, producir 223 = 8,4x106 gametos diferentes sencillamente mediante la distribución aleatoria de cromosomas que se produce durante la meiosis.

  2. El número real de gametos diferentes que cualquier persona puede producir es muy superior a éste, debido a la reorganización genética producida por la recombinación homóloga durante la meiosis, en la que se producen, por término medio, entre dos y tres entrecruzamientos en cada pareja de cromosomas. Este proceso coloca en el mismo cromosoma genes maternos y paternos que antes estaban en cromosomas distintos, como se ve en la Fig. 2. Dado que la recombinación se produce en sitios más o menos aleatorios a lo largo de todo de todo el cromosoma, cada meiosis producirá gametos con un contenido genético diferente.

Ambos procesos, por tanto, aportan una fuente casi ilimitada de variabilidad genética en los gameto producidos por cada individuo. De este modo, en una familia, el nieto acabará teniendo genes procedentes de sus 4 abuelos.



LIGAMIENTO (Fig. 6)

El ligamiento se define como la tendencia de loci próximos en el mismo cromosoma a ser transmitidos juntos durante la meiosis (es decir, de no sufrir recombinación).


El grado de ligamiento depende de la distancia:

  • Distancia genética: Se emplea como unidad de recombinación el Morgan, que es la distancia genética sobre la cual se da un fenómeno recombinatorio por meiosis. Se define centiMorgan (cM) como la distancia genética donde la probabilidad de recombinación es de un 1% (es decir, de cada 100 veces que el cromosoma que los contiene entre en meiosis, solo sufrirían recombinación en una ocasión). Evidentemente, a menor distancia mayor ligamiento y menor probabilidad de recombinación.

  • Distancia física: Depende de la especie (según el tamaño de su genoma). En el ser humano, un cM equivale aproximadamente a 106 pares de bases de DNA.



POLIMORFISMOS Y RFLPs





  1. Polimorfismos

Se define polimorfismo como la variación de la secuencia de nucleótidos en sitios alélicos producida por mutación puntual, delección o inserción. Para que un locus sea polimórfico debe haber en la población dos o más genotipos alternativos que presenten, al menos, una prevalencia del 2% en la población general.


La frecuencia de polimorfismos existentes en el genoma humano es de 1 por cada 500 pb aproximadamente. Si tenemos 3x109 pb en el genoma humano haploide resulta en alrededor de 5,8x106 diferencias. El resultado de esas diferencias en la expresión génica es menor en número (muchas bases no sintetizan proteínas) dando como resultado:

  • Alelos mutados: Son los polimorfismos más obvios: normal vs. Anormal

  • Variantes raros: Alelos presentes en la población con una frecuencia inferior a 1%. La mayor parte de las mutaciones deletéreas que dan lugar a enfermedades genéticas son variantes raras

  • Heterogeneidad alélica: Alelos mutantes en el mismo locus que producen cada uno distintos fenotipos

  • Mutaciones silentes: Polimorfismos que no dan fenotipo

Un ejemplo de polimorfismo sería la galactosemia, enfermedad recesiva producida por un defecto cuantitativo de la galactosa-1P uridiltransferasa. Existen varios alelos distintos al propio del gen que codifica para dicha enzima (g). Como vemos en la tabla, los individuos “normales” (sin clínica) no presentan los mismos alelos ni la misma actividad enzimática. Sólo los pacientes g/g sufren la enfermedad.



Genotipo

Frecuencia (%)

Actividad enzimática (%)

Fenotipo


G/G

87,4

100

Normal

G/D

7,5

75

Normal

G/LA

3,7

120

Normal

G/g

0,9

50

Normal

D/D

0,16

50

Normal

D/LA

0,16

95

Normal

LA/LA

0,04

140

Normal

D/g

0,04

25

Borderline

LA/g

0,02

70

Normal

g/g

0,0025

Menor de 5

Galactosemia

Como podéis ver, es un gen polimórfico porque hay más de 2 genotipos con una prevalencia superior al 2%. La mutación que da como resultado la galactosemia sería una variante rara (frecuencia inferior a 1%)




  1. RESTRICTION FRAGMENT LENTH POLYMORPHISM (RFLP) Polimorfismo EN LA LONGITUD DE LOS FRAGMENTOS DE RESTRICCIÓN

En los organismos de experimentación más comunes en estudios genéticos se dispone con facilidad de muchos marcadores fenotípicos para determinar el mapa genético de las mutaciones. No ocurre así con la determinación de los sitios del mapa asociados con enfermedades de transmisión genética en seres humanos. Sin embargo, mediante la tecnología del DNA recombinante, en la actualidad se dispone de muchos marcadores moleculares de DNA. Uno de los primeros tipos de marcadores de DNA de uso común se denomina longitud de polimorfismo de fragmento de restricción. Los RFLP son variaciones entre los individuos de la longitud de los fragmentos de restricción producidos a partir de regiones idénticas del genoma.


Debido al polimorfismo, el patrón de longitudes de fragmentos de restricción provenientes de una región del genoma puede diferir entre cromosomas homólogos y entre dos individuos (Fig. 7). La pérdida de un sitio dará como resultado la aparición de un fragmento más grande y la desaparición de dos más pequeños. La formación de un nuevo sitio dará como resultado la pérdida de un fragmento más grande y su reemplazo por dos más pequeños. Estas modificaciones de la estructura del DNA se utilizan como marcadores moleculares. Los RFLP son también útiles para la predicción del riesgo de padecer una enfermedad (consejo genético) y nos serán de ayuda en el aislamiento de genes por clonaje posicional (tema que trataré en la siguiente clase).
Los polimorfismos pueden ser debidos a:

  • Ausencia o presencia de un único sitio de corte (Fig.8)

  • Numero variable de repeticiones o variable number of tandem repeats (VNTR) (Fig. 9)




  1. SIGNIFICACIÓN DE LOS POLIMORFISMOS

Los polimorfismos suponen la presencia de una variación genética considerable en la población general. De este modo, existen miles de polimorfismos que se heredan de forma independiente. Esto hace enorme el número de posibles genotipos, implicando que cada individuo presente una composición química única resultante de una secuencia única de bases, determinada genéticamente.


Todo ello implica una gran significación médica de los polimorfismos
Cada persona responderá de forma diferente al medio, a la dieta y a los tratamientos farmacológicos.


Comentarios para el estudio del tema

El profesor, mientras daba la clase y al terminar, hizo hincapié en la importancia de determinados conceptos:



  1. Ligamiento

  2. Recombinación (recordad que sólo se da en meiosis en mamíferos-citó como excepción algún tipo de cáncer, pero dijo que no era “preguntable” dicha excepción)

  3. Polimorfismo

  4. RFLP

Son, digamos, los 4 puntos clave del tema. El resto son conceptos previos para una mejor comprensión.








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