Tema 16: Genética cuantitativa

Presentación del tema: "Tema 16: Genética cuantitativa"— Transcripción de la presentación:

1 Tema 16: Genética cuantitativa
Herencia cuantitativa Tema 16: Genética cuantitativa

2 Tema 16: Herencia cuantitativa
Puntos principales a tratar: ¿Qué es la variación fenotípica cuantitativa? Naturaleza de la variación continua Poligenes y loci de caracteres cuantitativos Métodos estadísticos para la descripción de la variación continua Heredabilidad y familiaridad Componentes genético y ambiental de la varianza fenotípica de una carácter cuantitativo Heredabilidad en sentido amplio y restringido Métodos para el recuento y cartografía de loci que actúan sobre caracteres cuantitativos Herencia cuantitativa en el hombre: la frontera de la genética en el siglo XXI Tema 16: Genética cuantitativa

3 Variación fenotípica cuantitativa
Tema 16: Genética cuantitativa

4 ¿Qué es la variación fenotípica cuantitativa?
Cualquier carácter fenotípico (morfológico, fisiológico, conductual) que toma distintos valores cuantificables en diferentes individuos y no sigue una patrón de herencia mendeliana simple es un carácter cuantitativo variación continua (altura, peso, temperamento, C.I., tasa metabólica, producción lechera,...) variación discreta (número de quetas o facetas en Drosophila, vértebras en serpientes, bandas en caracoles, plumas en aves, escamas en peces...) Para describir su variación se utilizan métodos estadísticos tales com la media y la varianza Son caracteres de gran importancia Agrícola y ganadera Médica y social El estudio de la herencia de estos caracteres son el objeto de la Genética Cuantitativa Tema 16: Genética cuantitativa

5 Variación cuantitativa vs mendeliana (o cualitativa)
Distribución de la altura de varones adultos de Boston Caracteres cualitativos mendelianos Tema 16: Genética cuantitativa

6 Variación cuantitativa:
continua o discreta Carácter cuantitativo continuo Caracteres cuantitativos discreto Tema 16: Genética cuantitativa

7 Variación cuantitativa en el maíz (Emerson and East, 1913)
Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. Tema 16: Genética cuantitativa

8 Variación mendeliana vs cuantitativa
Planta guisante Maíz Enanas X altas Cortas X largas P Frecuencia Altura planta Longitud de la mazorca F1 X F1 F1 X F1 = Altas X altas Frecuencia F1 Longitud de la mazorca Altura planta Altas 3/4 Gama completa Frecuencia F2 Enanas 1/4 Altura planta Longitud de la mazorca Tema 16: Genética cuantitativa

9 Preguntas qué trata de responder la genética cuantitativa
¿Qué parte de la variación fenotípica de un carácter cuantitativo se debe a diferencias genética entre los individuos y qué parte a diferencias en el ambiente? ¿Qué parte de la variación fenotípica puede ser seleccionada por un mejorador o por la selección natural? ¿Cuántos genes o loci influyen sobre el carácter? ¿Cómo se distribuyen los loci por el genoma? ¿Qué efecto tienen los loci y como interactúan entre sí? Tema 16: Genética cuantitativa

10 Variación ambiental aa AA aa AA aa AA
aa Plantas enanas AA Plantas altas Sin variación ambiental Alguna variación ambiental Mucha variación ambiental aa AA aa AA aa AA Frecuencia Altura planta Altura planta Altura planta Tema 16: Genética cuantitativa

11 La disputa histórica entre Biométricos vs mendelianos
Darwin (1859) y Mendel (1865 -> 1900) Se creyó por mucho tiempo que los caracteres cuantitativos y los mendelianos obedecen a leyes distintas. Naturaleza variación importante para la evolución: Biométricos (caracteres cuantitativos) y mendelianos (caracteres cualitativos). 1918: Sir Ronald Fisher integra el mendelismo con la biometría. Demuestra que la variación cuantitativa es una consecuencia natural de la herencia mendeliana. Tema 16: Genética cuantitativa

12 Rojo : Intermedio : Blanco AA Aa aa 1: 2: 1
Experimento Nilsson-Ehle (1909) cruzó dos variedades de trigo puras que diferían en el color de los granos de trigo, rojo y blanco. La F1 era intermedia en color y al cruzarla entre sí obtuvo al menos 7 clases de color en la F2. ¿Cómo explicarlo? P F1 F2 Rojo X Blanco AA aa Color intermedio Aa Rojo : Intermedio : Blanco AA Aa aa 1: 2: 1 Supongamos control del carácter por un gen con dos alelos sin dominancia Tema 16: Genética cuantitativa

13 Color intermedio (Rojo medio) AaBb
Supongamos control del carácter por dos genes idénticos con dos alelos cada uno, sin dominancia, y donde la intensidad del color rojo depende del número de alelos mayúsculas (que son los que producen el pigmento rojo) P F1 F2 Rojo X Blanco AABB aabb Color intermedio (Rojo medio) AaBb Rojo oscuro: Rojo medio oscuro : Rojo medio : Rojo claro : Blanco AABB AaBB AaBb Aabb aabb AABb AAbb aaBb aaBB 1: 4 : 6: 4 : 1 Tema 16: Genética cuantitativa

14 Mismo supuesto anterior pero con tres genes
Rojo X Blanco AABBCC aabbcc Color intermedio X Color intermedio (autofecundación) P F1 AaBbCc AaBbCc F2 Fenotipo Rojo > Blanco Número alelos que dan color 6 : 5 : 4 : 3 : 2 : 1 : 0 Proporción 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1 Supuestos: los genes segregan independientemente y sus efectos son aditivos Tema 16: Genética cuantitativa

15 Color Rojo Blanco Un par de genes (A1 A2 X A1 A2 ) Dos pares de genes
Tres clases fenotípicas Dos pares de genes (A1 A2 B1 B2 X A1 A2 B1 B2 ) Cinco clases fenotípicas Tres pares de genes Siete clases fenotípicas Cinco pares de genes Once clases fenotípicas 21 clases fenotípicas: desde el genotipo con ningún alelo + hasta el genotipo con los 20 alelos + Diez pares de genes Color Rojo Blanco Con variación ambiental o caso límite Tema 16: Genética cuantitativa

16 Tema 16: Genética cuantitativa
Modelo de poligenes o loci cuantitativos: el valor que toma un carácter cuantitativo en un genotipo depende del número de genes de efecto pequeño (poligenes) que añaden valores + al carácter. Así, en un carácter determinado por 5 loci cuantitativos (poligenes) los genotipos irán de 10 alelos más a 10 alelos 0 Ejemplos: Un gen con dos alelos (A y a) y con acción aditiva del alelo A que añade 5 unidades en promedio al valor del carácter. Hay tres clases fenotípicas para cada genotipo Si el genotipo aa tiene una valor fenotípico de 10 unidades, entonces, el genotipo Aa = 15 unidades fenotípicas y el genotipo AA = 20. Tema 16: Genética cuantitativa

17 Generalización del modelo aditivo
1 locus loci loci n loci Gametos distintos producidos por el multihíbrido en la F1 Número de genotipos distintos en la F2 Número de fenotipos distintos en la F2 Proporción de la F2 con un fenotipo extremo como el de una de las líneas parentales Proporción fenotípica de la F2 n (A,a) (AB, Ab, aB, ab) (ABC,Abc,... ...,abc) n (AA,Aa,aa) (AABB, AABb, (AABBCC,... Aabb,AaBb,... ...,aabb) ,aabbcc) n+1 1/ / / /4n (AA ó aa) (AABB ó aabb) (AABBCC ó aabbcc) 1:2: :4:6:4:1 1:6:15:20:15:6:1 (A+a)2n Tema 16: Genética cuantitativa

18 Galton’s apparatus (Galton’s Quincunx)
Demostración intuitiva del Teorema Central del Límite Galton’s apparatus (Galton’s Quincunx) Cuando una bola topa con un palito tiene una probabilidad ½ de ir hacia la derecha o hacia la izquierda (sería análogo a la segregación de uno u otro alelo en un gen heterocigoto. Así cada palito que se encuentra la bola al caer es un gen cuantitativo que segrega con igual probabilidad hacia un alelo (+) ó (-)). Ver animación aquí Tema 16: Genética cuantitativa

19 Tema 16: Genética cuantitativa
La distribución aproximadamente normal de muchos caracteres cuantitativos puede fundamentarse en el teorema central del límite, que dice que la distribución de la suma aleatoria de muchos pequeños efectos se aproxima asintóticamente a una distribución normal, “a singularly beautiful law” (F. Galton). Tema 16: Genética cuantitativa

20 Tema 16: Genética cuantitativa
¡Sólo existe la estadística! El hombre racional es el hombre estadístico. ¿Será un niño guapo o feo? ¿Sentirá amor por la música? Sobre todo esto decide un juego de dados. La estadística está presente en el momento de nuestra concepción, es ella quien sortea los conglomerados de genes que crean nuestros cuerpos, ella rifa nuestra muerte. De un encuentro con la mujer que amaré, de mi longevidad, de todo decide la distribución estadística normal... La Historia, a su vez, es el cumplimiento de unos movimientos brownianos, una danza estadística de fragmentos que no dejan de soñar en un mundo temporal diferente. Stanislav Lem Tema 16: Genética cuantitativa

21 Tema 16: Genética cuantitativa
P F1 F2 AABBCC aabbcc ABC abc AaBbCc Gametos masculinos Gametos femeninos 20 15 15 Frecuencia en % 6 6 1 1 Tema 16: Genética cuantitativa

22 Distribución de la altura de varones adultos de Boston
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23 La distribución normal
Dos parámetros determinan la forma de la distribución: la media,  y la desviación típica  (raíz cuadrada de la varianza 2 = [(x-)2]/n) Función de densidad A y B difieren en sus medias (4 y 8) B y C difieren en sus desviaciones típicas (1 y 0,5) Tema 16: Genética cuantitativa

24 Muestreo de una distribución normal
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25 Relación entre dos variables cuantitativas: correlación
Longitud de cola y el cuerpo de 18 individuos de la serpiente Lampropeltis polyzona Longitud del 1er y 2o molar inferior de un mamífero extinto Número de escalas caudales y longitud de la cola en las mismas 18 serpientes de arriba Tema 16: Genética cuantitativa

26 Relación entre dos variables cuantitativas: regresión
Regresión entre la longitud alar de individuos de Drosophila y la media de la misma longitud en sus padres. Los valores se han normalizado como desviaciones de los valores medios Tema 16: Genética cuantitativa

27 Heredabilidad de un carácter
Distribución fenotípica de la población en su conjunto aa Aa AA Maa MAA Valor fenotípico MAa Si distintos genotipos de una población presentan distintas distribuciones para un carácter, decimos que el carácter es heredable Tema 16: Genética cuantitativa

28 Tema 16: Genética cuantitativa
Experimentos de selección artificial para la determinación de la heredabilidad de un carácter cuantitativo Generación parental Media Cruce entre individuos con valores fenotípicos extremos (mismo ambiente) Heredable No heredable Tema 16: Genética cuantitativa

29 Componente genético y ambiental de la heredabilidad de un carácter
El valor fenotípico de un carácter en un individuo de la población depende de su genotipo y de su ambiente Maa MAA MAa aa Aa AA z: valor fenotípico de un indivudo g: efecto medio del genotipo e: efecto del ambiente z = g + e Varianza fenotípica en la población: Var (z) = Var (g + e) = Var (g) + Var (e) + 2 Cov (g,e) Si 2 Cov (g,e) = 0, entonces Var (z) = Var (g) + Var (e) ó 2z = 2g + 2e Tema 16: Genética cuantitativa

30 H2 = Var (g) / Var (z) = 2g / 2z
Definiciones de heredabilidad para un carácter cuantitativo Heredabilidad en sentido amplio H2 = Var (g) / Var (z) = 2g / 2z 0  H2  1 Heredabilidad en sentido restringido x: efecto medio del genotipo a: efecto aditivo de los alelos que forman el genotipo d: efecto no aditivo (o dominante) de los alelos que forman el genotipo g = a + d 0  h2  1 h2 = Var (a) / Var (z) = 2a / 2z h2  H2 Tema 16: Genética cuantitativa

31 Tema 16: Genética cuantitativa
Métodos de estimación (medida) de la heredabilidad en poblaciones experimentales Respuesta a la selección artifical Experimento de selección para aumentar o disminuir la longitud del ala en diversas poblaciones de Drosophia subobscura. (Datos de Prevosti 1967) Tema 16: Genética cuantitativa

32 Tema 16: Genética cuantitativa
Respuesta a la selección artifical h2r = heredabilidad realizada y = Media fenotípica en la población parental y0 = Media fenotípica en la descendencia yp = Media fenotípica de los individuos seleccionados h2r = Y0 - Y Yp - Y = Respuesta Diferencial de selección Tema 16: Genética cuantitativa

33 Tema 16: Genética cuantitativa
Métodos de estimación (medida) de la heredabilidad en poblaciones experimentales (2) Eliminación de uno de los dos componenentes de la varianza fenotípica Genético: se usan genotipos idénticos Ejemplo longitud tórax en Drosophila melanogaster (Datos de Robertson 1957). Población Varianza Apareamiento al azar (F2) Genotipos uniformes (F1) Teórica Var(z)=Var(g) + Var(e) Var(e) Observada , ,186 Var(g) = Var(z) - Var(e) = 0, ,186 = 0,180 Ambiental: Crecimiento bajo las mismas condiciones ambientales Se obtiene Var(g) directamente Tema 16: Genética cuantitativa

34 Métodos de estimación (medida) de la heredabilidad en poblaciones experimentales (3)
Estima de componentes genéticos por correlación o regresión fenotípica entre parientes Correlación fenotípica observada HN = Correlación genética esperada Ejemplo: Se estudia la correlación de los valores que toma el carácter número de crestas de las huellas digitales en gemelos dicigóticos. rfenotípica observada en gemelos dicigóticos = 0,48 rgenética esperada en gemelos dicigóticos = 0,50 HN = 0,48 / 0,50 = 0,96. La heredabilidad es muy alta, del 96% Tema 16: Genética cuantitativa

35 Métodos para el recuento y cartografía de loci cuantitativos (QTLs)
Cruce de líneas seleccionadas artificialmente Ejemplo: resistencia al DDT en Drosophila melanogaster. Se demuestra que hay genes que contribuyen a la resistencia en todos los cromosomas Estudios de asociación genotipo-fenotipo (nueva frontera genética) Líneas divergentes para distintos marcadores moleculares. Si hay muchos marcadores polimórficos (como secuencias microsatélites o SNPs), se incrementa la probabilidad de detectar QTLs ligados. Estudios asociación a lo largo del genoma (Genome Wide Association Studies) Tema 16: Genética cuantitativa

36 Heredabilidad en humanos
Distribución de la F2 de cruzamientos que se dan de forma natural Ejemplo, color de la piel Estudio de gemelos Limitaciones: Muestras pequeñas Aleatoriedad ambiente (ambiente intrauterino común,...) Estudio de adopciones Tema 16: Genética cuantitativa

37 Concordancia de caracteres en estudios de gemelos
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38 Tema 16: Genética cuantitativa
Estimas de heredabilidad (H2) en algunos caracteres y transtornos humanos Tema 16: Genética cuantitativa

39 Tema 16: Genética cuantitativa
Links de interés Introduction to Quantitative Genetics Recursos de Genética cuantitiva - Quantitative Genetics Resources EvoTutor: Learning through interactive simulation (on line y off line) Sitio excelente para aprender los procesos genético poblacionales mediante simulación Program in Statistical Genetics Quincunx (simulación) El teorema central del límite en acción Genome Wide Association (GWA) Studies Tema 16: Genética cuantitativa