UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica http://www.uv.es/pascuall/presentacion07.ppt LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación La Genética, que hemos definido como la ciencia que estudia el fenómeno de la herencia y la variación, se tiene que plantear, y así lo hace, el problema de cómo funcionan los genes, de cómo el DNA de un determinado organismo es capaz de utilizar la información que posee para dirigir su desarrollo y controlar las funciones metabólicas de todas y cada una de las células que lo constituyen. Por lo tanto, ampliando la definición de genética, decimos que es la ciencia que estudia la función de los genes, el proceso denominado expresión génica y la manera como las interacciones funcionales entre los diferentes genes posibilitan y controlan (i) el metabolismo celular, (ii) la construcción del organismo dando lugar a la aparición de los fenotipos, y (iii) su perpetuación en el tiempo, entendida como la transmisión de la información hereditaria a la generación siguiente. LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación A. Garrod y los errores congénitos del metabolismo En 1902, Archibald Garrod, estudiando la alcaptonuria, presentó la primera evidencia de la relación específica existente entre genes y enzimas. Analizando la presencia de la alcaptonuria en las familias de personas afectadas por esta enfermedad, Garrod y su colega Bateson concluyeron que se trata de una característica simple recesiva. Por otro lado, Garrod estudió el efecto que presentaba en individuos enfermos y sanos (i) un aumento en el contenido proteico de la dieta y (ii) el hecho de añadir los aminoácidos fenilalanina o tirosina a la misma. El resultado le llevó a proponer que la información hereditaria controla las reacciones químicas del organismo LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación A. Garrod y los errores congénitos del metabolismo Un resumen del metabolismo de la fenilalanina. El funcionamiento incorrecto de diferentes enzimas provoca el bloqueo de diferentes pasos de la vía y los convierte en responsables, en último tér-mino, de toda una serie de síndromes. La alcaptonuria aparece por la carencia de actividad de la ácido homo-gentísico oxidasa, lo que provoca la acumulación del ácido homogentísico (alcapto-na) que, al transformarse en ácido acético benzoquinona y una vez polimerizada, se deposita en el tejido con-juntivo del organismo y es excretada con la orina. LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación G. Beadle, E. Tatum y el inicio de la genética bioquímica Georges Beadle proporcionó, con dos experimentos independientes, las primeras evidencias de que los genes son los responsables de la síntesis de los enzimas. El primero de estos experimentos lo llevó a cabo con la colaboración de Boris Ephrussi y trata sobre los pigmentos oculares de Drosophila. Beadle y Ephrussi llevando a cabo un experimento de trasplante de discos imaginales de Drosophila a mediados de los años 30. LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación G. Beadle, E. Tatum y el inicio de la genética bioquímica Esquema dels experiments de trasplantament de discs imaginals per a la formació de l’ull en Drosophila duts a terme per Beadle i Ephrussi. (A) El desenvolupament autònom presenta un ull trasplantat amb el fenotip que li és propi. (B) El trasplantament d’un disc corresponent a un mutant vermelló en un individu cinabri es comporta de manera no autònoma (ull amb coloració normal). (C) El trasplantament d’un disc corresponent a un mutant cinabri en un individu vermelló es comporta de manera autònoma (ull amb color cinabri). (D) Esquema de la ruta de síntesi del pigment marró xantomatina.

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación G. Beadle, E. Tatum y el inicio de la genética bioquímica Posteriormente, Beadle estudió junto con Edward Tatum los mutantes nutricionales del hongo Neurospora crassa, estudios que han sido considerados el comienzo de la genética bioquímica. Como resultado de estas inves-tigaciones propusieron la que se denominó hipótesis un gen-un enzima. Neurospora crassa E. L. Tatum LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación G. Beadle, E. Tatum y el inicio de la genética bioquímica Beadle y Tatum expusieron a la acción de los rayos X las esporas de origen asexual de este hongo a fin de inducir mutantes gené-ticos. Figura. Procedimiento seguido por Beadle y Tatum para obtener una cepa auxotrófica mutante de Neurospora, en este caso para el aminoácido prolina LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación La disección genética de una ruta bioquímica Una vez aislados e identificados una serie de mutantes nutricionales de Neurospora , Beadle y Tatum empezaron a analizar las vías metabólicas que se encontrarían afectadas por las mutaciones. Ruta metabólica hipotética para la conversión de un precursor (P) en un pro-ducto final (F). Beadle y Tatum denominaron hipótesis un gen-un enzima esta relación entre los genes de un organismo y las enzimas necesarias para llevar a cabo todas las reacciones de las vías metabólicas. LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación La disección genética de una ruta bioquímica Cuando Beadle y Tatum dispusieron de más datos sobre mutantes nutricionales aportados por numerosos autores, descubrieron que las mutaciones que bloquean la síntesis de un compuesto concreto no siempre lo hacen en el mismo paso metabólico. El análisis de la vía en los distintos mutantes permite establecer el orden en que actúan los genes. Trp-8 - + + + + ninguna Trp -2,-4 - - + + + ácido antranílico Trp-3 - - - + + Indol glicerofosfato (IGP) Mutación de genes del triptófano medio suplementado con Mínimo Ac.antranílico IGP Indol Triptófano Sustancia acumulada trp-1,-6,-7, -9, -10,-11 - - - - + Indol glicerofosfato (IGP) y indol Precursor // trp-8 A.antranílico trp-2,-4 IGP trp-3 Indol trp-1,-6,-7 -9,-10,-11 Triptófano LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación La anemia falciforme: cada gen codifica un polipéptido Pronto fueron modificados dos factores de la hipótesis un gen-un enzima. Se pasó a la frase un gen-una proteína y posteriormente a enunciarse como un gen-una cadena polipeptídica. Estas dos precisiones de la hipótesis original se hicieron patentes merced al estudio bioquímico de la anemia falciforme. En el año 1949, James Neel y E. A. Beet demostraron que esta enfermedad tiene un fundamento genético que es heredado siguiendo un patrón de herencia mendeliana basado en un solo par génico constituido por los alelos HA y HS. El mismo año, el grupo de Linus Pauling encontró la primera pista sobre la base molecular de esta anemia y concluyeron que los dos tipos de hemoglobina son química-mente diferentes. LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación La anemia falciforme: cada gen codifica un polipéptido Vernon Ingram resolvió cuál de los dos era el componente modificado al demostrar que el cambio químico tenía lugar en la estructura primaria de la parte proteica de la hemoglobina: el sexto aminoácido de la cadena  de la hemoglobina —el ácido glutámico en la hemoglobina A- es una valina en la hemoglobina S. Con esta explicación bioquímica para la causa de la anemia falciforme, se estableció firmemente el concepto de enfermedad molecular y llevó a un amplio análisis de las he-moglobinas humanas. (A) Secuencia de aparición de las diferentes hemoglobinas humanas desde la concepción hasta el nacimiento. (B) Algunas sustituciones de aminoácidos encontradas en los polipéptidos  o  de diferentes hemoglobinas hu-manas LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación La anemia falciforme: cada gen codifica un polipéptido Las agrupaciones de genes de la α-globina en el cromosoma 16 y de la β-globina en el cromosoma 11. Las flechas verticales indican la localización de sitios hipersensibles a la DNAsaI que se piensa están involucrados en la regulación del gen. Los productos de los genes Gγ- y Aγ-son cadenas gamma (γ) con glicina (Gγ) o alanina (Aγ) en la posición 136. La gráfica situada entre las agrupaciones génicas muestra la activación secuencial de las globinas embrionaria, fetal y adulta. Un megaloblasto es un precursor de células rojas de gran tamaño, un macrocito es una célula roja de gran tamaño y un normocito es una célula roja de tamaño normal. (LCR, región de control del locus.) LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación La complementación génica. Las características hereditarias pueden encontrarse deter-minadas por la acción de varios genes. Por ejemplo una cincuentena de genes tienen alelos mutantes que provocan sordera en humanos. Podemos decir que la sordera es una característica heterogénea: la mutación de uno cualquiera de estos genes puede dar lugar a la aparición del mismo fenotipo. Heterogeneidad genética en humanos: mutaciones en muchos genes pueden causar sordera. Una correcta audición requiere de la presencia de muchas estructuras complejas en el oído las cuales son el resultado de la expresión de un buen número de genes. Dos padres sordos pueden tener una des-cendencia normal: se trata de un ejemplo de complementación genética, se da porque los padres son homocigotos para genes diferentes. Por otro lado, dos padres sordos pueden tener una descendencia toda sorda cuando no se produce complementación debido a que los dos presentan mutado el mismo gen.

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación La complementación génica. Cuando nos encontramos frente a individuos que presentan el mismo efecto fenotípico mutante podemos sospechar que es debido a la acción de alelos de un mismo par génico. Pero también podría darse el caso de que se tratara de muta-ciones que afectan a genes diferentes los productos de los cuales estén involucrados en la misma función. Para resolver este dilema podemos llevar a cabo un test de complementación, también denominado prueba cis-trans o prueba de alelismo. Este test consiste en cruzar individuos con dicho fenotipo parecido y observar el fenotipo de la descendencia (producto de la acción génica en trans de los genes involucrados) LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación La complementación génica. Test de complementación Prueba cis-trans Prueba de alelismo Cuando dos mutaciones no complementan en trans podemos concluir que afectan a la misma función y, en consecuencia, las asignamos a un mismo grupo de complementación, termino equi-valente a gen y cistrón. En el ejemplo, se cruzan dos mutantes con el mismo fenotipo (cuerpo amarillo) descubiertos en lugares diferentes. Si la descendencia presenta fenotipo mutante habrá que considerarlos alelos del mismo gen. Si la descendencia se presenta normal, podremos halar de dos pares génicos diferentes: los genes pale y yellow. Las mutaciones ye y pa son recesivas! LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación La complementación génica. Comparación de los resultados fenotípicos obtenidos cuando dos mutaciones se presentan en heterozigosis tanto en cis como trans (signos + y – del cuadro central de la figura). En la parte de la izquierda se supone que las dos mutaciones pertenecen al mismo cistrón. A la derecha, resultado fenotípico obtenido si las mutaciones no son alélicas (pertenecen a cistrones –genes- diferentes). Las barras horizontales indican cistrones (genes) y los cuadraditos que aparecen en ellas los puntos de mutación. LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA Departament de Genètica Tema 7-Función génica y complementación El flujo de la información hereditaria. Flujos de información posibles entre los tres tipos de moléculas biológicas capacitadas para contenerla. Las flechas continuas indican las posibles direcciones de transferencia de información en los organismos vivos. Las flechas discontinuas hacen referencia a posibles direcciones de transferencia de información todavía no demostradas en los organismos vivos y muy probablemente inexistentes. LLUÍS PASCUAL UNIVERSITAT DE VALÈNCIA 2003