Herdanza mendeliana

A herdanza mendeliana, tamén chamada xenética mendeliana, mendelismo ou herdanza monoxenética é unha teoría que explica como se herdan os caracteres xenéticos de pais a fillos. A teoría está baseada nos traballos realizados por Gregor Johann Mendel publicados en 1865 e 1866, que foron redescubertos en 1900, e resumidos nas leis de Mendel. Inicialmente a teoría foi controvertida, pero gañou aceptación cando se integrou coa teoría cromosómica da herdanza de Thomas Hunt Morgan en 1915, e hoxe forma a base da xenética clásica.

Historia

Artigos principais: Historia da xenética e Gregor Mendel.

Gregor Mendel.

As leis da herdanza derivan dos traballos de Gregor Mendel, un monxe agostiño que viviu no Imperio Austro-Húngaro no século XIX, que realizou experimentos de hibridación con distintas razas de chícharos de xardín (Pisum sativum). Entre 1856 e 1863, cultivou e probou unhas 29.000 plantas de chícharo. Destes experimentos deduciu dúas xeneralizacións, que máis tarde se coñecerían como principios da herdanza de Mendel ou leis de Mendel. Mendel describiu estes principios nun artigo que tiña dúas partes, títulado Experimentos sobre a hibridación de plantas, que leu na Sociedade de Historia Natural de Brno (hoxe na República Checa) en 1865, e que foron publicados en 1866.

As conclusións de Mendel non tiveron moita repercusión na comunidade científica e foron ignoradas durante moito tempo. Aínda que non foron completamente descoñecidas polos biólogos do seu tempo, non parecía que fosen aplicables xeneralizadamente, e mesmo o propio Mendel, pensaba que só se aplicaban a certos tipos de especies ou caracteres. O principal obstáculo para comprender a súa importancia foi a relevancia que se lle daba no século XIX á aparente mestura dos caracteres herdados que se comprobara en certos casos (caracteres cuantitativos), que agora sabemos que se debe a interaccións multixénicas, en comparación cos caracteres binarios específicos dun órgano que estudou Mendel. Porén, en 1900, o seu trabsallo foi "redescuberto" polos científicos, Hugo de Vries, Carl Correns, e Erich von Tschermak. A natureza exacta deste "redescubrimento" foi debatida: De Vries publicou primeiro sobre este asunto, mencionando a Mendel nunha nota a rodapé, e Correns indicou a prioridade de Mendel despois de ler a publicación de De Vries. Pode ser que De Vries non recoñecese verdadeiramente cantos dos seus coñecementos sobre as leis procedían do seu propio traballo e cantos procedían da lectura dos artigos de Mendel. Algúns estudosos posteriores acusaron a Von Tschermak de non ter comprendido os resultados en absoluto.

De todos os xeitos, o "redescubrimento" converteu ao mendelismo nunha teoría importante pero controvertida. O seu promotor máis vigoroso en Europa foi William Bateson, que acuñou os termos "xenética", "xene" e "alelo" para describir moitos dos seus principios. O modelo da herdanza foi moi contestado por outros biólogos porque implicaba que a herdanza era descontinua, en oposición á variación aparentemente continua observable en moitos caracteres. Moitos biólogos tamén desbotaban a teoría porque non estaban seguros de que se puidese aplicar a todas as especies. Porén, os traballos posteriores de biólogos e estatísticos como R. A. Fisher mostraron que en caso de estaren implicados moitos factores mendelianos na expresión dun só carácter, podía producirse toda a diversidade de resultados observados. Posteriormente Thomas Hunt Morgan e os seus colaboradores integraron o modelo teórico de Mendel na teoría cromosomica da herdanza, na cal os cromosomas levaban o material xenético, e crearon o que se coñece como xenética clásica, que tivo un extraordinario éxito e deulle a Mendel un lugar destacado na historia da ciencia.

Os desdcubrimentos de Mendel permitiron a outros científicos predicir a expresión dos caracteres baseándose en probabilidades matemáticas. Unha gran contribución ao éxito de Mendel foi que baseou as súas conclusións en datos obtidos de experimentos de cruzamento de plantas que non se reproduciran por autofecundación, e só mediu características binarias, como cor, forma e posición das flores, en vez de caracteres cuantitativos. Expresou os seus resultados numericamente e someteunos a unha análise estatística. O seu método de análise de datos e os seus tamaños de mostra grandes déronlle credibilidade os seus datos. Estudou tamén as plantas en sucesivas xeracións (F₁, F₂, F₃) e rexistrou as súas variacións. Finalmente, fixo "cruzamentos de comprobación" (retrocruzamentos dos descendentes das hibridacións coas liñas puras iniciais), que revelaban a presenza e proporción dos caracteres recesivos.

Experimentos de Mendel

Os sete caracteres que estudou Mendel nos seus experimentos.

Mendel elixiu o Pisum sativum como organismo modelo porque tiña as seguintes vantaxes: baixo prezo, tempo de xeración curto, elevado índice de descendencia, diversas variedades dentro da mesma especie (cor, forma, tamaño etc.) e posesión de caracteres diferenciais constantes.

Pisum sativum é unha planta autógama, é dicir, que se autofecunda, o cal pode alterar os experimentos. Mendel evitou as autofecundacións cortándolles as anteras. Así puido cruzar exclusivamente as variedades que el desexaba. Tamén cubriu con bolsas as flores para protexer aos híbridos do pole non controlado durante a floración. Levou a cabo un experimento control realizando cruzamentos durante dúas xeracións sucesivas por autofecundación para obter liñas puras (homocigotas) para cada carácter.

Mendel levou a cabo a mesma serie de cruzamentos en todos os seus experimentos. Cruzou dúas variedades ou liñas puras diferentes respecto dun ou máis caracteres. Como resultado obtiña a primeira xeración filial (F₁), na cal observou a uniformidade fenotípica dos híbridos. Posteriormente, a autofecundación dos híbridos da F₁ deu lugar á segunda xeración filial (F₂), e así sucesivamente. Tamén realizou cruzamentos recíprocos, é dicir, alternaba os fenotipos das plantas parentais (a que proporcionaba o pole e a que proporcionaba a ovocélula):

♀P₁ x ♂P₂ ♀P₂ x ♂P₁ (sendo P a xeración parental e os subíndices 1 e 2 os diferentes fenotipos desta).

Ademais, realizou retrocruzamentos, que consisten no cruzamento dos híbridos da primeira xeración filial (F₁) coas liñas puras parentais utilizadas, nas dúas direccións posibles: ♀F₁ x ♂P₂ e ♀P₂ x ♂F₁ (cruzamentos recíprocos) ♀F₁ x ♂P₁ e ♀P₁ x ♂F₁ (cruzamentos recíprocos)

Os experimentos demostraron que:

• A herdanza transmítese por elementos particulados (refutando así a herdanza das mesturas).
• Os seus experimentos seguen normas estatísticas sinxelas, resumidas nos seus dous principios: segregación dos caracteres e distribución independente.

As leis de Mendel

Mendel descubriu que cando se cruzan chícharos de flores brancas e púrpuras, o resultado non é unha mestura, senón que a descendencia ten flores púrpuras. Concibiu entón a idea da existencia de unidades hereditarias, que denominou "factores", un dos cales é unha característica recesiva e a outra dominante. Mendel dixo que os factores, despois chamados xenes, normalmente aparecen en pares nas células somáticas ordinarias, pero que segregan (sepáranse) durante a formación das células sexuais. Cada membro do par acaba situado en células sexuais (gametos) separadas. O xene dominante, como o púrpura da flor do chícharo, oculta a presenza do xene recesivo, o de flor branca. Unha vez que Mendel autofecundou a xeración F₁ e obtivo a proporción 3:1 na descendencia, teorizou correctamente que os xenes poden emparellarse de tres maneiras para cada carácter: AA, aa, e Aa. A letra "A" maiúscula representa o factor dominante e a minúscula o recesivo, "a". A combinación Aa aparece con dobre frecuencia ca calquera das outras dúas, xa que pode orixinarse de dúas formas: Aa ou aA.

Mendel afirmou que cada individuo ten dous factores para cada carácter, un procedente de cada proxenitor. Os dous factores poden conter ou non a mesma información. Se os dous factores son idénticos, o individuo dise que é homocigoto para ese carácter. Se os dous factores levan diferente información, o individuo denomínase heterocigoto. As formas alternativas de cada factor denomínanse hoxe alelos. O xenotipo dun individuo está constituído por todos os alelos que posúe. A aparencia física dun individuo ou fenotipo, está determinada polos seus alelos e pola influencia ambiental. Un individuo posúe dous alelos para cada carácter; un alelo recibiuno da nai e o outro do pai. Os alelos pasan á seguinte xeración través dos gametos: óvulos e espermatozoides. Cando se forman os gametos, os alelos sepáranse de forma aleatoria e cada gameto recibe só unha copia de ditos alelos. A presenza dun alelo non significa que o carácter se exprese no individuo que o posúe, xa que nos heterocigotos só se expresa o alelo dominante. O alelo recesivo está presente tamén no heterocigoto, pero non se expresa, aínda que pode transmitirse á descendencia (hai tamén excepcións como a codominancia).

Os descubrimentos de Mendel resúmense en dous principios básicos: lei da segregación e lei da distribución independente.

Numeración das leis de Mendel

Hai dúas formas de numerar as leis de Mendel, unha que considera só dúas leis e outra que considera tres. En realidade, as leis que explican a transmisión dos caracteres son só dúas: lei da segregación (ou 1ª lei de Mendel) e lei da distribución independente (ou 2ª lei de Mendel). Estas dúas son as que xeralmente se consideran como leis nos libros de nivel avanzado de Xenética.

Porén, é frecuente, sobre todo en cursos e libros máis elementais, explicar as leis de Mendel engadindo tamén a lei da uniformidade, que é moi útil para explicar a dominancia e recesividade dos caracteres, pero que non é propiamente unha lei de transmisión. Se engadimos esta lei, a numeración habitual é esta: Lei da uniformidade ou 1ª lei de Mendel, lei da segegación ou 2ª lei de Mendel e lei da distribución independente dos caracteres ou 3ª lei de Mendel.

Como se ve, segundo se utilice a numeración con tres leis ou con dúas o ordinal varía, xa que a lei da segregación sería a 1ª lei no sistema de dúas leis e a 2ª lei no sistema de tres leis, e a lei da distribución independente sería a 2ª lei no sistema de dúas leis e a 3ª lei no sistema de tres leis.

Tendo en conta esta importante advertencia, neste artigo explicarase tamén a lei da uniformidade para que a información estea máis completa.

Lei da uniformidade dos caracteres

Lei da uniformidade dos caracteres.

Esta lei utilízase para explicar a dominancia e non é propiamente unha lei de transmisión dos caracteres, senón da expresión do fenotipo, polo que non se enuncia nin numera en moitas exposicións das leis de Medel. Di así: Se cruzamos dúas razas puras (homocigotas) distintas para un determinado carácter, todos os fillos serán fenotipicamente iguais (uniformidade da F₁) e todos heterocigotos. Se no carácter hai dominancia dun dos alelos, o fenotipo de todos os fillos será o fenotipo dominante (tamén hai casos, nalgúns caracteres, de herdanza intermedia, na que todos os fillos sairían de fenotipo intermedio).

Por exemplo, nos chícharos no carácter "cor da flor" hai dous aleos, o A (púrpura e dominante) e o a (branco e recesivo). Se cruzamos chícharos de flores púrpuras (AA) e brancas (aa), obteremos fillos que serán todos do fenotipo dominante púrpura e todos Aa (heterocigotos).

En palabras de Mendel :

"A partir de agora nesta publicación os caracteres que se tansmiten enteiros ou case sen cambio na hibridación, e, por tanto, constitúen os caracteres do híbrido, denominaranse dominantes, e os que quedan latentes no proceso, recesivos. A expresión recesivo escolleuse porque os caracteres así designados se retiran ou desaparecen totalmente nos híbridos, aínda que reaparecen sen cambio na súa proxenie, como se demostrará máis adiante". Gregor Mendel

Lei da segregación dos caracteres

Lei da segregación dos caracteres.

Os dous alelos dun xene que posúe un organismo diploide segregan (sepáranse) durante a formación dos gametos haploides na meiose, de modo que os gametos só levan aleatoriamente un dos alelos, pero estes volven a unirse durante a fecundación aleatoria dos gametos, na que se volve a formar un cigoto diploide.

Deste modo, se cruzamos, por exemplo, dous heterocigotos Aa, formaránse gametos A e a, que se unirán na fecundación formando tres individuos fillos posibles: aa, Aa e AA. As proporcións en que aparecen (proporcións xenotípicas) serán 1 aa : 2 Aa : 1 AA. Se o alelo A é o dominante, as proporcións fenotípicas serán de 3:1 a favor do fenotipo de A. Por tanto, a dominancia do alelo determinará a expresión do fenotipo na descendencia.

A proba directa de que os gametos reciben un alelo veu co estudo da meiose feita polo botánico alemán Oscar Hertwig en 1876, e o zoólogo belga Edouard Van Beneden en 1883. Na meiose, os cromosomas materno e paterno sepáranse e acaban (xunto co alelo que levan) en distintos gametos.

En palabras de Mendel:

"Está agora claro que os híbridos forman sementes que teñen un ou outro dos dous caracteres diferenciais, e destes a metade volven a desenvolver a forma híbrida, entanto que a outra metade produce plantas que permanecen constantes e reciben o carácter dominante ou o recesivo en igual número". Gregor Mendel

Lei da distribución independente dos caracteres

Cando cruzamos razas puras para dous caracteres á vez os fillos son todos iguais en fenotipo (os fenotipos dominantes) e iguais en xenotipo (todos heterocigotos).

Cando cruzamos dous dihíbridos da F₁ obtemos na F₂ as proporcións 9:3:3:1. Os dous caracteres A e B distribuíronse independentemente un do outro, porque a proporción amarelo:verde é 3:1 e a liso:rugoso tamén.

Os alelos de xenes diferentes distribúense con total independencia un do outro durante a formación dos gametos. Dito doutro modo, os xenes separados que determinan dous caracteres distintos hérdanse de forma independente un do outro. Esta lei cúmprese cando os xenes non teñen "ligamento xenético" entre si, é dicir, cando están en distintos cromosomas, pero se están no mesmo cromosoma non se cumpre. Esta lei indica que se estamos estudando dous caracteres á vez, por exemplo a cor dos chícharos e o tipo de superficie dos chícharos, a cor vaise herdar de forma totalmente independente do tipo de superficie, sen que se inflúan un no outro.

Deste modo, se estudamos á vez a herdanza dos caracteres A e B, e cruzamos dous dihíbridos (heterocigotos para os dous caracteres), é dicir, dous individuos que son ambos os dous AaBb, vanse formar os gametos haploides AB, Ab, aB e ab, que se fecundarán aleatoriamente orixinando fillos que estarán na proporción fenotípica 9:3:3:1, é dicir, hai 9 que teñen fenotipo dominante para os dous caracteres, 3 que teñen fenotipo dominante para o primeiro carácter e recesivo para o segundo, 3 que teñen fenotipo recesivo para o primeiro carácter e dominante para o segundo, e só 1 que ten fenotipo recesivo para os dous caracteres. Pero a distribución independente ponse de manifesto cando contamos os fenotipos de cada carácter por separado e vemos que hai unha proporción de 3:1 nos dous casos, tal como se esperaba segundo a lei da segregación. Por exemplo, se estudamos o carácter "cor dos chícharos" (pode ser amarelo ou verde, co amarelo dominante) e á vez o carácter "tipo de superficie" (pode ser lisa ou rugosa, co liso dominante), e cruzamos chícharos dihíbridos amarelos lisos (AaBb x AaBb) obteremos 9 amarelos e lisos (os caracteres dominantes), 3 amarelos e rugosos, 3 verdes e lisos e 1 verde e rugoso (proporción 9:3:3:1). Pero isto fai unha proporción de 3 lisos por cada 1 rugoso (3:1) e de 3 amarelos por cada 1 verde (3:1).

A distribución independente ocorre nos organismos eucariotas durante a segunda división meiótica, e produce gametos cunha mestura dos cromosomas do organismo. A base física desta distribución independente é a orientación aleatoria de cada bivalente cromosómico na placa metafásica da segunda división meiótica con respecto aos outros bivalentes. Xunto co sobrecruzamento, a distribución independente incrementa a diversidade xenética ao producir novas combinacións xenéticas.

As células diploides humanas teñen 23 pares de cromosomas, en cada par un cromosoma é de orixe materna e outro paterna. Os gametos son haploides e só teñen 23 cromosomas, un de cada par. Nos gametos orixínanse todas as posibles combinacións de cromosomas maternos e paternos (e, por tanto, dos alelos que levan), e todas as combinacións aparecerán coa mesma frecuencia. Como os humanos temos 23 pares de cromosomas, os gametos humanos terán un número de posibles combinacións igual a 2²³ ou 8 388 608. Por exemplo, un gameto humano determindo terá 23 cromosomas pero puideron cadrarlle 16 de orixe materna e 7 de orixe paterna (e nos demais gametos todas as outras combinacións posibles). Isto contribúe á variabilidade xenética da proxenie.

En palabras do propio Mendel:

"Por tanto, non hai dúbida de que a todos os caracteres que interviñeron nos experimentos se lles aplica o principio de que a descendencia dos híbridos na que se combinan varios caracteres esenciais diferentes, presenta os termos dunha serie de combinacións, que se orixina pola reunión das series de desenvolvemento de cada parella de caracteres diferenciais".

Gregor Mendel

Figura 2: Os fenotipos de dous caracteres independentes mostran a proporción 9:3:3:1 na F₂. Neste exemplo, os caracteres son "cor do pelo", que ten os alelos B (castaño, dominante) ou b (branco) e "lonxitude do rabo", cos alelos S (curto, dominante) ou s (longo). Cando cruzamos dous dobres homocigotos (SSbb x ssBB), os fillos da F₁ son todos heterocigotos SsBb castaños e de rabo curto. Se cruzamos dous individuos dihíbridos da F₁ obteremos unha F₂ con todas as combinacións posibles de cor e lonxitude da rabo na proporción 9:3:3:1 (9 castaños/curto (en fondo púrpura no gráfico), 3 brancos/curto (en fondo rosa), 3 castaños/longo (fondo azul) e 1 branco/longo (fondo verde)), tal como predí a lei da distribución independente.

Carácter mendeliano

Un carácter mendeliano é un carácter xenético que está controlado por un só locus xenético e mostra un patrón de herdanza mendeliano. Nestes caracteres, unha mutación nun só xene pode causar, se é prexudicial, unha enfermidade que será herdada segundo as leis de Mendel. Son exemplos a anemia falciforme, a enfermidade de Tay-Sachs, a fibrose quística e o xeroderma pigmentoso. As enfermidades que dependen dun só xene contrastan coas enfermidades multifactoriais, como a artrite, que están afectadas por varios loci (e polo ambiente) e coas enfermidades que se herdan de modo non mendeliano. A base de datos Mendelian Inheritance in Man contén, entre outras cousas, un catálogo dos xenes nos que os caracteres mendelianos poden causar enfermidades.

Padróns de herdanza mendeliana

Mendel describiu dous tipos de "factores" (xenes) de acordo coa súa expresión fenotípica na descendencia, os dominantes e os recesivos, pero existe outro factor a ter en conta en organismos dioicos e é o feito de que os individuos de sexo feminino teñen dous cromosomas X (XX) mentres que os masculinos teñen un cromosoma X e un Y (XY), de tal xeito que se poden distinguir catro modos ou "padróns" segundo os cales se pode trasmitir unha mutación simple:

• Herdanza autosómica dominante (o alelo está situado nun autosoma).
• Herdanza autosómica recesiva (situado nun autosoma).
• Herdanza dominante ligada ao cromosoma X (situado na porción diferencial do cromosoma X).
• Herdanza recesiva ligada ao cromosoma X (situado na porción diferencial do cromosoma X).

Fenómenos que alteran as segregacións mendelianas

As segregacións esperadas segundo as leis de Mendel poden verse alteradas polos seguintes fenómenos: herdanza ligada, influída ou limitada polo sexo, inactivación dun dos cromosomas X, penetrancia, expresividade, pleiotropismo, heteroxeneidade xenética, letalidade de xenes, e aparición de novas mutacións nos gametos dos proxenitores.

Ademais destes factores, hai outros que non cumpren as leis de Mendel debido ao ligamento de xenes (xenes situados no mesmo cromosoma que se herdan xuntos) e a herdanza non mendeliana.

Notas

• Peter J. Bowler (1989). The Mendelian Revolution: The Emergence of Hereditarian Concepts in Modern Science and Society. Johns Hopkins University Press. 
• Atics, Jean. Genetics: The life of DNA. ANDRNA press. 
• Griffiths, A.J.F.; S.R. Wessler; R.C. Lewontin & S.B. Carrol (2008). Introducción al análisis genético. 9th edición. McGraw-Hill Interamericana.

Véxase tamén

Outros artigos

• Gregor Mendel
• Herdanza non mendeliana
• Cadro de Punnett

Ligazóns externas

• Khan Academy, conferencia en vídeo
• Mendel Web
• Historia da Xenética Arquivado 31 de agosto de 2012 en Wayback Machine.
• Xenética-Primeira Lei
• Bioloxía Animal
• Primeira Lei
• Biblioteca dixital
• Bioloxía - Xenética
• Ligamento de xenes Arquivado 16 de abril de 2012 en Wayback Machine.
• Simulador das leis de Mendel:
  • Simulador da primeira e segunda lei Arquivado 01 de xuño de 2012 en Wayback Machine.
  • Simulador da terceira lei Arquivado 01 de xuño de 2012 en Wayback Machine.