1. Les lleis de Mendel.
2. Modificacions de la genètica mendeliana.
3. La teoria cromosòmica de l’herència.
4. El lligament i els mapes cromosòmics.
5. L’herència lligada al sexe.
6. Terminologia genètica

UN POC D’HISTÒRIA: MENDEL PARE DE LA GENÈTICA (Tot i que ell no ho va saber)

Una vida dedicada a la investigació

Gregor Johann Mendel (1822-1884) va néixer a Àustria i el 1843 va ingressar a l’orde dels agustins. Interessat a descobrir com es transmetien els caràcters entre una generació i una altra, va iniciar, el 1856, uns experiments amb la planta del pèsol als jardins del convent de Brünn (avui Brno, República Txeca), on va arribar a fer milers d’encreuaments. Va escollir dues races pures, és a dir, dues varietats en les quals els descendents sempre eren idèntics als progenitors.

Mendel va publicar els seus descobriments el 1866, en una revista de poca difusió i en un moment en què l’interès científic estava polaritzat cap a altres temes com ara la identificació de les espècies procedents del Nou Món, els experiments de Pasteur sobre la no-existència de la generació espontània o la controvèrsia, d’un gran impacte social, entre les teories evolucionistes del francès Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829) i les de l’anglès Charles Darwin (1809-1882).

El món científic de la seva època no estava preparat per admetre l’existència de determinades estructures cel·lulars invisibles, basant-se, simplement, en les proporcions matemàtiques trobades entre els descendents de les plantes del pèsol, i encara menys per comprendre que aquestes eren les responsables dels caràcters biològics dels organismes. Darwin havia basat la seva teoria de l’evolució en la selecció natural i en la variabilitat de la descendència. Com que no coneixia els treballs de Mendel, tot i que en aquella època ja estaven publicats, mai no va saber quin era l’origen d’aquesta variabilitat. Els seus primers seguidors tampoc no van valorar prou el mendelisme, perquè en aquella època es desconeixia el concepte de mutació.

El que en realitat constituïa l’explicació científica de la variabilitat de la descendència paradoxalment va ser ignorat.

El redescobriment de Mendel

El 1900, després de trenta-quatre anys, en una de les coincidències més sorprenents de la investigació científica, tres autors, l’holandès De Vries, l’alemany Correns i l’austríac Tschermak, per separat i sense conèixer els treballs de Mendel, van arribar a les mateixes conclusions que ell. Els tres autors, quan revisaven la bibliografia per tal de preparar una publicació conjunta, van descobrir els treballs d’aquest, a qui van reconèixer la prioritat, per això van publicar les seves conclusions com a meres confirmacions de les lleis de Mendel. Des d’aleshores, Mendel va obtenir el reconeixement de la comunitat científica.

1. Les lleis de Mendel.

L’HERÈNCIA D’UN SOL CARÀCTER

• Gregor Mendel va començar encreuant varietats pures, cadascuna de les quals presentava una de les dues formes alternatives del caracter en estudi.

Primera llei: Llei de la uniformitat de la F1

• Mendel va encreuar la raça pura de pèsols de color groc amb pèsols de color verd, dues manifestacions diferents del mateix caràcter (el color de la llavor), és a dir, de diferent fenotip (o són grocs o són verds).
  • Va obtenir una generació anomenada filial primera (F1), tota ella igual, uniforme, de color groc.

Llei de la uniformitat: Quan s’encreuen dues races pures, tots els descendents són iguals entre si.

Segona llei. Llei de la segregació

• Quan va encreuar les plantes F1 entre si, va obtenir una generació anomenada filial segona (F2), que presentava tres individus de color groc per cada individu de color verd, és a dir en una proporció 3:1.
• D’això va deduir que la informació biològica que determina un caràcter s’ha de trobar per duplicat.
  • Mendel va arribar a la conclusió que hi havia dos “factors hereditaris” (que actualment anomenam gens) per caràcter i que durant la reproducció se separaven (segregaven) i es combinaven a l’atzar.

Llei de segregació: Els dos factors hereditaris que informen sobre un mateix caràcter no es fusionen o barregen, sinó que queden diferenciats durant tota la vida de l’individu i se segreguen, és a dir, se separen i es reparteixen, en el moment de la formació dels gàmetes.

• Els individus de la F1, a pesar de presentar el mateix aspecte que la raça pura groga parental, havien de tenir els factors hereditaris diferents:
  • Els va anomenar híbrids (a genètica, als individus raça pura se'ls diu homozigots, i als híbrids heterozigots)
• Mendel no coneixia ni la naturalesa química ni sabia a quina part de la cèl·lula es trobaven aquests factors hereditaris (gens).
• A més, va deduir que hi havia dues categories de factors (gens):
  • Els dominants, que sempre es manifestaven.
  • Els recessius, que tan sols es manifestaven quan no anaven acompanyats d’un factor dominant.
• Actualment el conjunt de gens d’un organisme s’anomena genotip, i el conjunt de les seves característiques, fenotip.
  • El fenotip depèn del genotip i de ha influència de l’ambient.
  • Per exemple, en els humans, el color de la pell depèn de la informació biològica rebuda (gens) i del grau d’insolació (fenotip = genotip + influència ambiental).

L’HERÈNCIA DE DOS CARÀCTERS

• Va escollir dues races pures, una que era de llavors de superfície llisa i de color groc, i una altra que era de llavors rugoses i de color verd.
• Va obtenir una generació filial primera (F1), tota ella igual, uniforme, de llavors de forma llisa i de color groguenc.
• En encreuar aquestes plantes entre si, les proporcions de la descendència de la generació filial segona (F2) era: 9 : 3 : 3: 1.
  • Va deduir d’aquest experiment que els factors per a un caràcter s’hereten independentment dels factors per a un altre.

Llei de la independència dels factors hereditaris: Els factors hereditaris per a diferents caràcters són independents, ja que s’agrupen a l’atzar en els descendents.

• Els individus F1 groscs llisos havien de ser híbrids per als dos caràcters → és a dir eren dihíbrids.

2. Modificacions de la genètica mendeliana.

• Hi ha modalitats d’herència que no s’ajusten a les proporcions mendelianes clàssiques.

Dominància incompleta o intermèdia

• Els individus de la F1 mostren un fenotip intermedi entre els fenotips dels progenitors homozigots.
  • Per exemple si encreuam plantes de boca de dragó homozigotes de flors vermelles amb plantes homozigots de flors blanques, els descendents heterozigots presenten flors rosades.
  • Si les plantes de flors rosades s’encreuen entre sí, obtenim plantes vermelles, rosades i blanques en proporció 1:2:1, de manera que les proporcions genotípiques són iguals que les proporcions fenotípiques.

Codominància

• El terme codominància s’utilitza quan els dos al·lels s’expressen independentment l’un de l’altre a l’heterozigot.
• En aquests casos el fenotip dels heterozigots és diferent dels fenotips dels progenitors homozigots, però no intermedi entre ells.
  • Un exemple de codominància en l’espècie humana és el sistema sanguini MN, determinat pel gen (L) amb dos al·lels, L^M i L^N que codifiquen diferents formes d’una glicoproteïna de la membrana de l’eritròcit.
  • En aquest cas en els individus de genotip L^ML^M expressen la proteïna M, els individus L^NL^N expressen la proteïna N i els individus L^ML^N les expressen totes dues. L’encreuament entre dos individus heterozigots MN pot donar lloc a fils amb els altres tres tipus sanguinis, en proporcions 1:2:1.

Al·lels múltiples

• El nombre d'al·lels d’un gen no està sempre limitat a dos. Quan un gen té tres al.lels o més, parlam d'al·lels múltiples.
  • Un exempleen humans és el sistema AB0 de grups sanguinis
    • Depen del gen I amb tres al·lels I^A,I^B, i i (sense superíndex per al grup 0)
    • Els al·lels I^A i I^B són codominants entre ells i dominants sobre i.
    • Aquest sistema genera sis genotips diferents que donen lloc als fenotips següents: A, B, AB i 0.

Gens amb al·lels letals

• Els al·lels letals són aquells la presència dels quals provoca la mort de l’individu.
• Els al·lels letals poden ser dominants o recessius.
• El moment de la mort varia i pot esdevenir-se durant el desenvolupament embrionari, durant la infantesa o fins i tot en l’adult.
• Al·lels letals recessius
  • Quan causa la mort dels organismes homozigots.
  • Alteren les proporcions fenotípiques mendelianes en la descendència.
  • Els al·lels letals recessius queden emmascarats en els heterozigots i, atès que en permeten la supervivència, es poden transmetre de generació en generació.
• Al·lels letals dominants
  • Els al·lels letals dominants són molt rars, perquè per trobar-ne en la població cal que els individus afectats es reprodueixin abans de morir.
  • Si tots els afectats moren abans d’arribar a l’edat reproductora, l'al·lel no pot passar a la generació següent i, per tant, desapareix de la població.

Interaccions entre gens. Epistasi

• En molts casos, un caràcter és controlat per més d’un gen.
• Un exemple d’interacció gènica és l’epístasi, en la qual l’expressió d’un gen, anomenat gen epistàtic emmascara o modifica l’expressió d’un gen.
• Per tant es demostra que l'epístasi és causa d’una modificació de les proporcions mendelianes clàssiques.

Pleiotròpia

• Es parla de gen pleotròpic quan un sol gen afecta diversos caràcters diferents.
  • Un exemple és el síndrome de Marfan. Els individus afectats, a més de problemes oculars i cardiovasculars presenten una alçada elevada, amb les cames i les mans llargues, a causa de l’allargament dels ossos de les extremitats. Es creu que Abraham Lincoln tenia aquesta síndrome.

Herència poligènica

• Són exemples d’aquest tipus de caràcter l’alçada o la pigmentació de la pell en l’espècie humana.
• Aquesta variació fenotípica és deguda als efectes additius de múltiples gens; per això és anomenada herència quantitativa o poligènica.
  • El color de la pell és degut al manco a tres gens A, B i C, cadascun dels quals té dos al·lels.
  • En cada cas, l'al·lel dominant hi aporta més intensitat de color que el recessiu.
  • Així, els individus aabbcc presentaran el color més pàl·lid, mentre que els individus AABBCC tindran un color de pell més intens.

Interaccions entre els gens i el medi ambient

• L’expressió dels gens sovint és modificada per factors ambientals com ara la temperatura, la nutrició, la llum, etc.
• Un exemple de la influència de la temperatura s’observa en els conills himàlaia. Aquests animals presenten pelatge fosc a les zones del cos on la temperatura corporal és més baixa, com ara les orelles, el nas i les potes.

Herència extranuclear

• Certs caràcters estan controlats per gens situats als cloroplasts i als mitocondris.
• Aquests caràcters presenten un patró d’herència característic, perquè els cloroplasts i els mitocondris només els aporta el citoplasma de l’òvul.
• En l’espècie humana es coneixen algunes malalties relacionades amb l’alteració de gens mitocondrials, com ara l’epilèpsia mioclònica.
  • Només els descendents de mares afectades hereten el trastorn.

3. La teoria cromosòmica de l’herència.

• Els treballs de Mendel havien establert que l’herència de caràcters biològics depenia de factors hereditaris, però encara es desconeixien la naturalesa física d’aquests elements i la seva localització a l’organisme.
• El 1900, el món científic ja estava preparat per entendre aquests aspectes de la biologia i ràpidament es van succeir una sèrie de descobriments importants:
  • El 1902, Sutton i Boveri enunciaren la teoria cromosòmica de l’herència quan van observar que els factors hereditaris de Mendel es devien trobar als cromosomes.
  • El 1909, W. Bateson va introduir el terme genètica per designar la ciència que estudia l’herència dels caràcters biològics.
    • W. Johannsen va proposar el terme gen com a substitutiu del “factor hereditari” de Mendel.
    • Així, un gen és un factor que determina una característica biològica.
    • Els gens que tenen informacions diferents però sobre un mateix caràcter s’anomenen gens al·lels.
  • El 1911 Morgan, amb els seus estudis amb Drosophila melanogaster va confirmar la teoria cromosòmica de l’herència
    • Va trobar que els gens que es troben al mateix cromosoma tendeixen a heretar-se junts.
      • Per a aquests va proposar el terme gens lligats.
      • Va proposar també la idea de recombinació genètica per entrecreuament durant la meiosi
  • Cada gen havia d'estar en un lloc específic del cromosoma anomenat locus (en plural loci). Els gens al·lels ocupen un mateix locus.
  • Els cromosomes homòlegs són els que tenen els meteixos loci.

4. El lligament i els mapes cromosòmics.

• El lligament és la tendència que tenen els gens situats en un mateix cromosoma a heretar-se junts.
• Els casos de lligament es detecten quan, en estudiar les proporcions fenotípiques de la descendència, s’observa que determinats caràcters es presenten junts amb més freqüència que la que s’espera per una herència independent.
• El lligament de gens pot ser:
  • Lligament complet.
    • Els gens lligats s’hereten sempre junts.
  • Lligament parcial.
    • Els gens lligats poden heretar-se algunes vegades de manera independent.
    • Es dedueix que hi ha hagut un encreuament durant la meiosi, just al segment d’ADN que separava aquests gens.
    • Això vol dir que hi ha hagut una recombinació genètica.
    • Els fenotips i els genotips no recombinants són més freqüents.

Ordenació de gens als cromosomes

• La freqüència de recombinació entre dos gens lligats serà proporcional a la distància física que hi ha entre els gens en el cromosoma.
  • A més distància més gran és la freqüència de recombinació.
  • Alternativament, si dos gens estan molt pròxims, la freqüència de recombinació és molt petita.
• Els percentatges de recombinació entre els gens situats en un cromosoma són dades que es poden utilitzar per situar aquests gens al llarg del cromosoma.
• Per convenció, una unitat de distància en un cromosoma és la distància en què hi ha un 1% de recombinació.
• El percentatge de recombinació es pot determinar utilitzar aquesta fórmula:

% de recombinació = Nombre de recombinants / nombre total de la descendència x 100

• Com més alta és la freqüència d’individus recombinats o freqüència de recombinació, més distància cal sospitar entre els gens.
• Això ha permès anar deduint en molts organismes, per mitjà de nombrosos encreuaments, l’ordre dels gens en els cromosomes i les distàncies relatives que hi ha entre ells, és a dir, el mapa dels cromosomes.

5. L’herència lligada al sexe.

L'herència dels sexe

• És segons el tipus d’organismes:
  • Majoritariament és per una parella de cromosomes, anomenats cromosomes sexuals o heterocromosomes:
  • Trobem:
    • Mascles heterogamètics:
      • És el cas de l’espècie humana: Home XY i dona XX,
      • Alguns insectes (llagostes): mascle és X0 i la femella XX.
    • Mascles homogamètics:
      • A les aus, en les quals el mascle és XX i al femella XY (per no confondre aquesta situació amb l’anterior es simbolitza ZZ i ZW)
      • Alguns insectes (p.e. papallones): femella és Z0 i el mascle ZZ.
    • Múltiples mecanismes menys usuals:
      • A les abelles els mascles són haploides i les famelles diploides.
      • A alguns insectes el sexe ve determinat per una parella de gens, sense existència d'heterocromosomes.
      • Per qüestions ambientals: El sexe de molts rèptils depés de la temperatura d'incubació.
      • Algunes especies canvien de sexe amb l'edat (habitual a alguns peixos).
      • etc.

Caràcters lligats al sexe

• Són caràcters que, sense ser caràcters sexuals primaris ni secundaris, que depenen de gens situats als heterocromosomes.
• El cromosoma X i el cromosoma Y són molt diferents. S'hi distingeixen:
  • Un segment homòleg és a dir, amb gens per a uns mateixos caràcters (molt pocs).
  • Un segment diferencial.
    • Els caràcters definits pel segment diferencial del cromosoma X s'anomenen caràcters ginàndrics
    • Els que depenen del segment diferencial del cromosoma Y s'anomenen caràcters holàndrics.
• EN ELS HUMANS:
  • El cromosoma Y és molt petit i genèticament molt poc significatiu.
    • Els gens ubicats en la porció no homòloga del cromosoma Y s’anomenen gens holàndrics.
    • Aquests gens es transmeten només de pares a fills mascles.
    • S'ha apuntat que la hipertricosi auricular (molts pèls a les orelles) podria ser un caràcter holàndric.
    • Una gran part dels gens del cromosoma Y estan relacionats amb la diferenciació sexual i la fertilitat.
      • Per exemple, el gen SRY localitzat al braç curt del cromosoma Y controla el desenvolupament sexual masculí.
      • Aquest gen determina la inducció del desenvolupament dels testicles. Els mascles que no tenen aquest gren del cromosoma Y, malgrat que posseixen cromosomes XY, es desenvolupen com a femelles.
  • El cromosoma X és un cromosoma més gran.
    • En el seu segment ginàndric s'han localitzat més de 120 gens entre els quals cal destacar els responsables de determinades malalties com el daltonisme i l’hemofília.
      • Les femelles tenen dues còpies de cadascun dels gens lligats al cromosoma X (un de cada progenitor), mentre que els mascles només tenen una còpia d’aquests gens que procedeixen del cromosoma X de la mare.
      • Per tant, en els mascles tots els caràcters que depenen dels gens lligats al cromosoma X s’hereten de la mare i, a més, com que només tenen una còpia d’aquests gens, els gens recessius no queden emmascarats i s’expressen fenotípicament.
      • EL DALTONISME
        • El daltonisme és la incapacitat de distingir els color verds i vermells.
        • Està regit per tres gens ginàndrics recessius, que provoquen diferents alteracions en la percepció dels colors.
        • En la població actual hi ha un 8 % d'homes daltonians , i tan sols un 0,4% de dones daltonianes.
      • L’HEMOFILIA
        • L'hemofília és una malaltia hereditària que es caracteritza perquè la sang no coagula.
        • Segueix el mateix tipus d'herència que el daltonisme.
        • Des de fa pocs anys, l'administració per via intravenosa dels factors de coagulació als hemofílics permet que aquests malalts tinguin una vida gairebé normal, i és possible l'existència de dones hemofíliques.
  • També existeixen caràcters influits pel sexe: per exemple, la calvície humana pot estar determinada per un gen dominant als homes i recessiu a les dones.

6. Terminologia genètica

• GEN: Unitat del material hereditari. És un fragment d'àcid nucleic, generalment ADN (tret d'alguns virus, en els quals és ARN), que duu informació per a caràcter. Correspon a allò que Mendel va anomena factor hereditari.
• CARÀCTER. Cadascuna de les particularitats morfològiques o fisiològiques que es poden establir en espècie, per exemple el color dels ulls, la forma pèls, el nombre de dits, etc. Els diferents tipus hi ha dins d'un caràcter s'anomenen manifestacions; per exemple, ulls blaus, pèls arrissats, quatre etc.
• HAPLOIDE . Ésser que per a cada caràcter tan sols posseeix un gen o informació.
• DIPLOIDE. Ésser que té dos gens o informacions a cada caràcter. Aquests gens poden ser iguals o diferents. Pot passar que es manifestin els dos gens o que impedeixi l’expressió de l’altre.
• LOCUS. Lloc que ocupa un gen al cromosoma. En un locus qualsevol d'un ésser haploide hi ha un sol gen, en el d'un de diploide n'hi ha dos, en el d'un de triploide n'hi ha tres, etc.
• CROMOSOMES HOMÒLEGS. Són els cromosomes que tenen els mateixos locus. En un ésser diploide hi ha aparella de cromosomes homòlegs, en un de tetraploide n'hi ha quatre, etc.
• AL.LEL. Cadascun dels diferents gens o informacions que hi pot haver en un mateix locus. Si n'hi ha molts, es diu que formen una sèrie al·lèlica. Els diferents al·lels també nomenen factors antagònics. Per exemple, en el pèsol, per al caràcter color de la llavor hi ha dos tipus d'al·lels, l'al·lel G (groc) i l'al·lel g (verd).
• GENOTIP. Conjunt de gens presents en un organisme.
• FENOTIP. Conjunt de manifestacions de caràcters d'un organisme. Depèn del genotip i de l' acció ambiental: Fenotip = genotip + acció ambiental. Per exemple, el grau de color de la pell està determinat pel genotip, però també depèn del grau d'insolació.
• HOMOZIGOT O RAÇA PURA. Individu que per a un caràcter posseeix els al·lels iguals; per exemple, per al color de la llavor del pèsol són homozigots el GG i el gg.
• HETEROZIGOT O HÍBRID. Individu que posseeix els al·lels diferents; per exemple, per al cas anterior, són heterozigots els individus Gg.
• HERÈNCIA DOMINANT. Herència en la qual hi ha un al·lel, l' anomenat dominant, que no deixa que l' altre es manifesti, l'anomenat al·lel recessiu; per exemple, en l'herència del color de les llavors del pèsol (Pisum sativum), els individus Gg són grocs, ja que l'al.lel G és dominant sobre l'al.lel g.
• HERÈNCIA INTERMÈDIA. Herència en la qual un dels al·lels mostra una dominància incompleta sobre l'altre. Així doncs, els híbrids tenen un “fenotip intermedi” entre les dues races pures; per exemple en l'herència del color de les flors de nit (Mirabilis jalapa), els individus VV tenen flors vermelles (V és l'al·lel que informa color vermell), els BB tenen flors blanques (B informa color blanc), i els VB tenen flors roses.
• HERÈNCIA CODOMINANT. Herència en la qual els dos al·lels són equipotents i, per tant, no hi ha dominància. Els híbrids presenten les característiques de les dues races pures alhora. Un exemple d'aquesta situació és l'herència dels grups sanguinis humans M-N. Els grups s'estableixen segons la presència o l'absència dels antígens M o N a la superfície dels glòbuls vermells.
• DIHÍBRIDS. Individus amb heterozigosi en dos parelIs de gens; per exemple, les plantes dels pèsols GgLI, en què G és l'al·lel que indica el color groc; g, l'al.lel que indica color verd; L, l'al·lel que indica llavors llises, i l'al·lel que indica llavors rugoses.
• POLIHÍBRIDS. Éssers amb heterozigosi per a molts parells de gens; per exemple, Aa, Bb, Dd, Ee, etc.
• AL.LELS LETALS. Al·lels que tenen una informació deficient un caràcter tan important que l'ésser mor. Els al·lels letals poden produir la mort del gàmeta o del zigot, i aleshores pot succeir que l'individu no arribi a néixer, o bé que mori abans d'assolir la capacitat reproductora. Els al·lels letals solen ser recessius, per la qual cosa necessiten donar-se en homozigosi per manifestar-se.
• PLEOTROPIA. És quan un sol parell de gens homòlegs és responsable de diversos trets. Exemple: la fenilcetonuria
• INTERACCIÓ GENÈTICA. És el cas contrari de la pleotropia, quan uns quants parells de gens interactuen per definir un sol caràcter. Exemple: El color de la pell.
• CARÀCTER QUALITATIU. És el caràcter que es té, o no es té. Per exemple el color de la llavor del pèsol.
• CARÀCTER QUANTITATIU. És el caràcter que presenta una variació contínua de la població. Per exemple: l’alçària, el pes, etc. El caràcter quantitatiu depèn d’uns quants gens que hi contribueixen en una proporció determinada.
• RETROENCREUAMENT O ENCREUAMENT PROVA. Encreuament de l'individu problema amb un individu homozigòtic recessiu. S'utilitza en els casos d'herència dominant per esbrinar si un individu és híbrid o de raça pura.
• GENÈTICA. És la ciència que estudia l'herència biològica, és a dir, la transmissió dels caràcters morfològics i fisiològics que passen d'un ésser viu als seus descendents.
• GENÈTICA MENDELIANA. És l'estudi de l'herència biológica per mitjà d'experiments de reproducció. Intenta esbrinar quina és la informació biològica dels individus a partir de les proporcions matemàtiques en què s'hereta cada caràcter.
• GENÈTICA MOLECULAR. És l'estudi de les molècules que contenen la informació biològica i dels processos bioquímics de la transmissió i manifestació.