Qué significa que los genes estén ligados. Cómo determinar la frecuencia de recombinación para un par de genes.

Puntos más importantes:

  • Cuando los genes se encuentran en diferentes cromosomas o muy separados en el mismo cromosoma, se segregan independientemente y se dice que son independientes.
  • Cuando los genes están cerca en el mismo cromosoma se dice que están ligados. Eso significa que los alelos, o versiones de genes, que están juntos en un cromosoma, frecuentemente se heredarán como una unidad.
  • Podemos ver si dos genes están ligados, y con qué magnitud, mediante los datos de los cruzamientos genéticos para calcular la frecuencia de recombinación.
  • Al encontrar las frecuencias de recombinación para muchos pares de genes, podemos hacer mapas de ligamiento que muestran el orden y las distancias relativas de los genes en el cromosoma.

Introducción

En general, los organismos tienen muchos más genes que cromosomas. Por ejemplo, nosotros los humanos tenemos alrededor de 1919 000000 genes en 2323 cromosomas (presentes en dos conjuntos)1^1. De forma similar, la humilde mosca de la fruta —un sujeto de estudio favorito entre los genetistas— tiene unos 1313 000000 genes en 44 cromosomas (también presentes en dos conjuntos)2^2.
¿La consecuencia? Cada gen no tiene su propio cromosoma. De hecho, ¡ni de lejos! Muchos genes se alinean en una fila en cada cromosoma y algunos están muy pegaditos.
¿Afecta esto cómo se heredan los genes? En algunos casos, la respuesta es sí. Los genes que están lo suficientemente juntos en un cromosoma tenderán a "mantenerse juntos" y las versiones (alelos) de esos genes que están juntos en un cromosoma tenderán a ser heredados frecuentemente como un par.
Este fenómeno es llamado ligamiento genético. Cuando los genes están ligados, los cruzamientos genéticos que involucran esos genes darán lugar a proporciones de gametos (óvulo y espermatozoide) y tipos de descendientes que no son lo que predeciríamos por la ley de segregación independiente de Mendel. Miremos más de cerca por qué ocurre esto.

¿Qué es el ligamiento genético?

Cuando los genes están en cromosomas separados o muy lejos en el mismo cromosoma se segregan independientemente. Es decir, cuando los genes van hacia los gametos, el alelo que se recibe para un gen no afecta al alelo que se recibe para el otro. En un organismo heterocigoto doble (AaBb), esto resulta en la formación de los 44 tipos posibles de gametos con igual frecuencia, 25%25\%.
¿Por qué pasa esto? Los genes en cromosomas separados se segregan independientemente debido a la orientación aleatoria de los pares de cromosomas homólogos durante la meiosis. Los cromosomas homólogos son cromosomas apareados que portan los mismos genes, pero pueden tener alelos diferentes de esos genes. Un miembro de cada par homólogo viene de la madre de un organismo, el otro viene de su padre.
Como se ilustra en el diagrama siguiente, los homólogos de cada par se separan en la primera etapa de la meiosis. En este proceso, el lugar a donde van los cromosomas de la "madre" y del "padre" de cada par es aleatorio. Cuando estamos siguiendo dos genes, esto resulta en cuatro tipos de gametos que se producen con la misma frecuencia.
Cuando los genes están en el mismo cromosoma pero muy separados, se segregan independientemente debido al entrecruzamiento (recombinación homóloga). Este es un proceso que sucede al principio de la meiosis, en el cual los cromosomas homólogos intercambian fragmentos equivalentes de forma aleatoria. El entrecruzamiento puede poner combinar nuevos alelos en el mismo cromosoma, lo que causa que vayan hacia el mismo gameto. Cuando los genes están muy separados, el entrecruzamiento sucede con la frecuencia suficiente para que todos los tipos de gametos se produzcan con 25%25\% de frecuencia.
Cuando los genes están muy juntos en el mismo cromosoma, aún sucede el entrecruzamiento, pero el resultado (en términos de tipos de gametos producidos) es diferente. En lugar de segregarse independientemente, los genes tienden a "mantenerse juntos" durante la meiosis. Es decir, los alelos de los genes que ya están juntos en un cromosoma tenderán a transmitirse como una unidad a los gametos. En este caso, los genes están ligados. Por ejemplo, dos genes ligados pueden comportarse así:
Ahora bien, vemos tipos de gametos que se presentan en proporciones muy desiguales. Los tipos comunes de gametos contienen configuraciones parentales de alelos, es decir, los que ya estaban juntos en el cromosoma en el organismo antes de la meiosis (o sea, en el cromosoma que obtuvo de sus padres). Los tipos raros de gametos contienen configuraciones recombinantes de alelos: los que solo pueden formarse si ocurre recombinación (entrecruzamiento) entre los genes.
¿Por qué los tipos de gametos recombinantes son raros? La razón básica es que los entrecruzamientos entre dos genes que están muy juntos no son muy comunes. Los entrecruzamientos durante la meiosis ocurren en posiciones más o menos aleatorias a lo largo del cromosoma, entonces la frecuencia de entrecruzamientos entre dos genes depende de la distancia entre ellos. Una distancia muy corta, efectivamente, es un "blanco" muy pequeño para los sucesos de entrecruzamiento, lo que significa que ocurrirán pocos de estos sucesos (comparado con el número de sucesos entre dos genes más separados).
Gracias a esta relación, podemos usar la frecuencia de sucesos de recombinación entre dos genes (es decir, su grado de ligamiento genético) para estimar su distancia relativa en el cromosoma. Dos genes muy juntos tendrán muy pocos sucesos de recombinación y estarán fuertemente ligados, mientras que dos genes que están ligeramente más separados tendrán más sucesos de recombinación y estarán ligados con menor frecuencia. En la siguiente sección veremos cómo calcular la frecuencia de recombinación entre dos genes con la información de los entrecruzamientos genéticos.

Encontrar la frecuencia recombinante

Supongamos que estamos interesados en ver si dos genes en la mosca de la fruta (Drosophila) están ligados entre ellos y, si es así, qué tan fuertemente ligados están. En nuestro ejemplo, los genes son3^3:
  • El gen púrpura, con un alelo dominante pr+^+ que especifica ojos rojos normales y un alelo recesivo pr que especifica ojos púrpura.
  • El gen vestigial con un alelo dominante vg+^+ que especifica alas largas normales y un alelo recesivo vg que especifica alas cortas "vestigiales".
Si queremos medir la frecuencia de recombinación entre estos genes, primero necesitamos crear una mosca en la cual podamos observar la recombinación. Es decir, necesitamos hacer una mosca que no solo sea heterocigota para ambos genes, sino donde sepamos exactamente cuáles genes están juntos en el cromosoma. Para hacerlo, podemos empezar cruzando dos moscas homocigotas como se muestra a continuación:
Estos términos describen si dos alelos (versiones) de un gen portado por un organismo, como una mosca, son los mismos o son diferentes.
  • Homocigoto significa que el organismo tiene dos alelos iguales. Por ejemplo: una mosca b b sería homocigota.
  • Heterocigoto significa que un organismo tiene dos alelos diferentes. Por ejemplo: una mosca b b+^+ sería heterocigota.
_Imagen modificada de "Drosophila melanogaster", de Madboy74 (CC0/dominio público)._
Este cruzamiento nos da exactamente lo que necesitamos para observar la recombinación: una mosca que es heterocigota para los genes púrpura y vestigial, en la cual sabemos claramente qué alelos están juntos en un solo cromosoma.
Ahora necesitamos una forma de "ver" los sucesos de recombinación. La estrategia más directa sería mirar dentro de los gametos hechos por la mosca heterocigota y ver qué alelos tiene en sus cromosomas. Sin embargo, en la práctica, es mucho más simple usar esos gametos en un cruzamiento y ¡observar cómo se ven los descendientes!
Para hacerlo, podemos cruzar una mosca heterocigota doble con un sujeto de prueba, una mosca que es homocigota recesiva para todos los genes de interés (en este caso, los alelos pr y vg). El propósito de usar un sujeto de prueba es asegurar que los alelos proporcionados por un padre no probador determinen completamente el fenotipo, o apariencia, de la descendencia. Cuando cruzamos nuestra mosca de interés con una de prueba, podemos "leer" directamente el genotipo de cada gameto de la apariencia física de la descendencia.
_Imagen modificada de "Drosophila melanogaster", de Madboy74 (CC0/dominio público)._
Abajo, podemos ver un cuadro de Punnet modificado que muestra los resultados del cruzamiento entre nuestra mosca heterocigota doble y la mosca de prueba. Una mosca hembra heterocigota doble produce cuatro tipos diferentes de óvulos, cada uno de los cuales se combina con un espermatozoide de la mosca de prueba masculina. En este cruzamiento se producen cuatro clases fenotípicas (basadas en la apariencia) diferentes de descendientes, y cada una corresponde a un gameto particular de la madre:
_Imagen modificada de "Drosophila melanogaster", de Madboy74 (CC0/dominio público)._
Las cuatro clases de descendientes no se producen en cantidades iguales, lo que nos dice que los genes púrpura y vestigial están ligados. Como esperamos para los genes ligados, las configuraciones de cromosomas parentales están sobrerepresentadas en la descendencia, mientras que las configuraciones de cromosomas recombinantes están subrepresentadas. Para medir el ligamiento cuantitativamente, podemos calcular la frecuencia de recombinación (FR) entre los genes púrpura y vestigial:
Frecuencia de recombinacin (RF)oˊ=RecombinantesDescendencia total×100%\text{Frecuencia de recombinación (RF)} = \dfrac{\text {Recombinantes}}{\text{Descendencia total}} \times 100\%
En nuestro caso, las clases de progenie recombinante son las moscas de ojos rojos con alas vestigiales y las moscas de ojos púrpuras con alas largas. Podemos identificar estas moscas como clases recombinantes por dos razones: una, sabemos por la serie de cruzamientos que realizamos que deben haber heredado un cromosoma de su madre que haya experimentado un suceso de recombinación; y dos, son las clases subrepresentadas (relativo a las clases sobrerepresentadas parentales).
Así, para el cruzamiento anterior, podemos escribir la ecuación como sigue:
RF=151+1541339+1195+151+154×100%=10.7%\text{RF} = \dfrac{151 + 154}{1339+1195+151+154} \times 100\% = 10.7\%
La frecuencia de recombinación entre los genes púrpura y vestigial es de 10.7%10.7\%.

Frecuencia de recombinación y mapas de ligamiento

¿Cuál es el beneficio de calcular la frecuencia de recombinación? Una forma en que las frecuencias de recombinación se han usado históricamente es para construir mapas de ligamiento, mapas cromosómicos basados en las frecuencias de recombinación. De hecho, el estudio del ligamiento ayudó a los primeros genetistas a establecer que los cromosomas eran realmente lineales y que cada gen tenía su lugar específico en un cromosoma.
La frecuencia de recombinación no es una medida directa de qué tan separados físicamente están los genes en los cromosomas. Sin embargo, proporciona una estimación o aproximación de la distancia física. Así, podemos decir que los genes en un par con una frecuencia de recombinación más grande están probablemente más separados, mientras que los de un par con una frecuencia de recombinación más pequeña probablemente están más juntos.
Es importante notar que la frecuencia de recombinación es como máximo 50%50\% (que corresponde a los genes no ligados o que se segregan independientemente). Es decir, 50%50\% es la frecuencia de recombinación más grande que mediremos directamente entre los genes. Entonces, si queremos averiguar la distancia entre genes más separados que esto, debemos sumar las frecuencias de recombinación de varios pares de genes, "elaborando" un mapa que se extiende entre los dos genes distantes.
También se puede comparar las frecuencias de recombinación para averiguar el orden de los genes en un cromosoma. Por ejemplo, supongamos que tenemos tres genes A, B y C, y queremos conocer su orden en el cromosoma (¿ABC? ¿ACB? ¿CAB?). Si observamos las frecuencias de recombinación entres los tres pares posibles de genes (AC, AB, BC), podemos saber qué genes se encuentran más separados y qué otro gen se encuentra en medio. Específicamente, el par de genes con la frecuencia de recombinación más grande debe flanquear el tercer gen:
Las frecuencias de recombinación se basan en las de los genes de mosca v, cv y ct, como se dan en D. C Bergmann4^4.
¡Buena pregunta! La frecuencia de recombinación medida directamente para la mayoría de los pares de genes es una ligera subestimación porque no toma en cuenta los entrecruzamientos dobles (los casos donde hay dos sucesos de recombinación que ocurren entre los genes y así, restauran la configuración original de alelos, pero con un intercambio en medio). Miraremos más de cerca los entrecruzamientos dobles más adelante en este artículo.
Al hacer este tipo de análisis con más y más genes (por ejemplo, agregando los genes D, E y F y averiguando sus relaciones con A, B y C) podemos elaborar mapas de ligamiento de cromosomas enteros. En los mapas de ligamiento, puedes ver las distancias expresadas como centimorgan o unidades de mapa, en lugar de frecuencias de recombinación. Por suerte, hay una relación directa entre estos valores: una frecuencia de recombinación de 1%1\% es equivalente a 11 centimorgan o 11 unidad de mapa.
¿La distancia en un mapa siempre es igual que la frecuencia de recombinación? A veces, la frecuencia de recombinación medida directamente entre dos genes no es la medida más exacta de su distancia en un mapa. Eso es porque, además de los entrecruzamientos sencillos que discutimos en este artículo, también pueden ocurrir entrecruzamientos dobles (dos entrecruzamientos separados entre los dos genes):
Los entrecruzamientos dobles son "invisibles" si solo estamos vigilando dos genes, pues colocan los dos genes originales en el mismo cromosoma (pero con un intercambio en medio). Por ejemplo, el entrecruzamiento doble mostrado anteriormente no sería detectable si solo estuviéramos observando a los genes A y C, ya que estos genes terminan en su configuración original.
Debido a esto, los entrecruzamientos dobles no se cuentan en la frecuencia de recombinación medida directamente, lo que resulta en una ligera subestimación del número real de sucesos de recombinación. Por esto, en el ejemplo siguiente, la frecuencia de recombinación medida directamente entre A y C es un poco más pequeña que la suma de las frecuencias de recombinación entre A-B y B-C. Cuando se incluye B, los entrecruzamientos dobles entre A y C pueden detectarse y considerarse.
Al medir las frecuencias de recombinación para los pares de genes más cercanos y sumarlas, podemos minimizar los entrecruzamientos dobles "invisibles" y obtener distancias de mapa más exactas.
Este artículo está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas

  1. Jyoti Madhusoodanan, "Human Gene Set Shrinks Again," (El grupo de genes humanos se encoge de nuevo), The Scientist, modificado por última vez el 8 de julio de 2014, consultado en http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/40441/title/Human-Gene-Set-Shrinks-Again/.
  2. "Genomic DNA Sequencing Project FAQ," (Proyecto de secuenciación del ADN genómico FAQ) en Berkeley Drosophila Genome Project, modificado por última vez el 8 de octubre de 2015, consultado en http://www.fruitfly.org/sequence/faq.html.
  3. Dominique C. Bergmann, Genetics Lecture Notes (Notas de la conferencia sobre genética), (Stanford: BioSci 41, 2011), 27.
  4. Dominique C. Bergmann, Genetics Lecture Notes (Notas de la conferencia sobre genética), (Stanford: BioSci 41, 2011), 34

Referencias

Bergmann, Dominique C. Genetics Lecture Notes (Notas de la conferencia sobre genética). Stanford: BioSci 41, 2011.
Campbell, Neil A., Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, and Robert B. Jackson. "Linked Genes Tend to be Inherited Together Because They Are Located Near Each Other on the Same Chromosome." (Los genes ligados tienden a heredarse justos porque están localizados cerca unos de los otros en el mismo cromosoma), En Campbell Biology, 292-296. 8th ed. San Francisco: Benjamin Cummings, 2008.
"Genomic DNA Sequencing Project FAQ." (Proyecto de la secuenciación del ADN genómico FAQ) en Berkeley Drosophila Genome Project. Última modificación el 8 de octubre de 2015. Consultado en http://www.fruitfly.org/sequence/faq.html#seq-01.
Kimball, John W. "Genetic Linkage and Genetic Maps." (Ligamiento genético y mapas genéticos) en Kimball's Biology Pages. Última modificación el 24 de abril de 2014. Consultado en http://www.biology-pages.info/L/Linkage.html.
Madhusoodanan, Jyoti. "Human Gene Set Shrinks Again." (El grupo de genes humanos se encoge de nuevo) en The Scientist. Última modificación el 8 de julio de 2014. Consultado en http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/40441/title/Human-Gene-Set-Shrinks-Again/.
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Purves, William K., David Sadava, Gordon H. Orians y H. Craig Heller. "Genes and Chromosomes." (Genes y cromosomas) en Life: The Science of Biology, 202-205. 7a ed. Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2003.
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Reece, Jane B., Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky y Robert B. Jackson. En Campbell Biology, 10a ed. San Francisco: Pearson, 2011.
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