genética

Número diploide de diferentes especies animales y vegetales
Organismo	Nº Cromosomas (2n)	Organismo	Nº Cromosomas (2n)
Hombre, Homo sapiens	46	Roble blanco, Quercus alba	24
Chimpancé, Pan troglodytes	48	Pino amarillo, Pinus ponderosa	24
Mono rhesus, Macaca mulata	48	Cerezo ácido, Prunus cerasus	32
Caballo, Equus caballus	64	Col (repollo), Brassica oleracea	18
Asno, Equus asinus	62	Rábano, Raphanus sativus	18
Perro, Canis familiaris	78	Guisante de jardín, Pisum sativum	14
Gato, Felis domesticus	38	Guisante, Lathyrus odoratus	14
Ratón domestico, Mus musculus	40	Frijol, Phaseolus vulgaris	22
Rata, Ratus norvegicus	42	Pepino, Cucumis sativus	14
Zarigüeya, Didephys virginiana	22	Algodón, Gossypium hirsutum	52
Pollo, Gallus domesticus	78	Patata, Solanum tuberosum	48
Pavo, Meleagris gallopavo	82	Tomate, Solanum lycopersicum	24
Rana, Rana pipiens	26	Tabaco, Nicotiana tabacum	48
Platypoecilus maculatus	48	Trigo candeal, Triticum aestivum	42
Estrella de mar, Asterias forbesi	36	Trigo duro, Triticum durum	28
Gusano de seda, Bombix mori	56	Cebada, Hordeum vulgare	14
Mosca domestica, Musca domestica	12	Centeno, Secale cereale	14
Mosca fruta, Drosophila melanogaster	8	Arroz, Oryza sativa	24
Mosquito, Culex pipiens	6	Boca de dragón, Anthirrinum majus	16
Cucaracha, Blatta germanica	23, 24	Levadura, Saccharomyces cerevisiae	18
Cangrejo ermitaño, Eupagurus ochotensis	254	Alga verde, Acetabularia mediterranea	20

Tabla tomada del libro de Genética Moderna (F. J. Ayala y J. A. Kiger). Ed. Omega. 1984.

EL CARIOTIPO

El cariotipo de una especie se obtiene cuando a partir de varias células en metafase mitótica de muchos individuos distintos de la especie se determina el número, forma y tamaño de los cromosomas. En las especies diploides, como la especie humana, el número de cromosomas normal (el más frecuente) es 2n=46, de manera que existen 22 pares de autosomas y un par de cromosomas sexuales. Como se trata de una especie diploide, con dos juegos de cromosomas (dos genomios), uno de origen materno (23 cromosomas) y otro de origen paterno (23 cromosomas), todos los cromosomas están por parejas de homólogos.

Genomio: el conjunto de los n cromosomas distintos de una especie. 

Una vez fijado el número cromosómico normal, se procede a elegir la mejor célula disponible de una metafase mitótica en la que todos los cromosomas estén bien definidos y separados. Seguidamente se realiza una foto de dicha célula y después se recortan todos los cromosomas. Una vez recortados todos los cromosomas, se ordenan por parejas con el brazo corto hacia arriba, posteriormente se ordenan por tamaños (de mayor a menor) y dentro de un tamaño semejante por la posición del centrómero ( de metacéntricos a submetacéntricos, acrocéntricos y telocentricos). En el caso de existir cromosomas sexuales diferenciados, como sucede en la especie humana, los cromosomas sexuales ( X e Y) pueden colocarse en el grupo que les corresponde por tamaños o bien pueden colocarse formando el par sexual separados de los autosomas (cromosomas no sexuales).

Cuando no existían las técnicas de bandeo cromosómico era muy difícil diferenciar unas parejas cromosómicas de otras en algunas especies, ya que el único criterio para ordenarlos era el tamaño y la posición relativa del centrómero (longitudes relativas de cada brazo). 

Metafase mitótica de un varón sin bandear	Metafase mitótica de un varón con bandas G

Sin embargo, con las técnicas de bandeo cromosómico que se desarrollaron posteriormente fue mucho más fácil identificar los diferentes pares de cromosomas.

Cariotipo de un varón normal (Bandas G)	Idiograma humano (bandas G)

Caritipo: Ordenación de los cromosomas por parejas, tamaño y posición del centrómero.

Idiograma: Representación esquemática mediante un dibujo  a escala, que incluya las bandas e interbandas,  del cariotipo de una especie.

Técnicas de Bandeo cromosómico: Existen diferentes sistemas de tratamiento y de tinción de los cromosomas que permiten obtener una secuencia característica de bandas e interbandas transversales sobre los cromosomas. Las técnicas de bandeo más frecuentes suelen ser las bandas G (Giemsa) bandas C, Bandas R, Bandas Q, etc. El desarrollo de estas técnicas ha permitido identificar cromosomas que no era posible distinguir con los métodos convencionales de tinción (no producen bandas transversales). Inclusive permiten distinguir anomalías cromosómicas, como translocaiones (intercambios de segmentos entre cromosomas), deleciones (pérdidas de segmentos, etc). También es posible utilizar técnicas de hibridación "in situ" mediante fluorescencia (FISH) para identificar cromosomas. 

FISH de Aegilops speltoides (clon Gc-1R)	Translocaciones con bandas C

ESTRUCTURA INTERNA DE LOS CROMOSOMAS: CROMATIDIO,  CENTRÓMEROS, TELÓMEROS Y ORGANIZADOR NUCLEOLAR

Cromatidio: El cromatidio es una doble hélice de ADN lineal. Existen experimentos, realizados en Vicia faba,  en los que se demuestra que en la replicación el cromatidio se comporta como una doble hélice de ADN (Taylor y col. 1957). Los cromosomas pueden estar en estado de un solo cromatidio (período G₁, anafase y telofase) o bien en estado de dos cromatidos después de haber pasado por el preíodo de Síntesis (S) como sucede en el periodo G2, profase y metafase.

Molécula de ADN de Drosophila melanogaster (1,5 cm longitud). Cromosoma 1

Telómero: Son los extremos de los brazos cromosómicos y tienen una estructura especial (formación de ADN cuadruplexo) que protege al cromosoma de su degradación por los extremos y que además permite la replicación de los extremos cromosómicos mediante la actuación de encimas específicas como las telomerasas. Los telómeros poseen extremos 3' monocatenarios (de una sola hélice) constituidos por una secuencia corta rica en Guanina que está repetida en tándem cientos de veces. En la siguiente tabla se indican algunas secuencias teloméricas encontradas en humanos, protozoos, algas y vegetales:

Organismo	Secuencia repetida
Tetrahymena	5' TTGGG 3'
Paramecium	5' TTGGGG 3'
Tripanosoma	5'TTAGGG 3'
Arabidopsis	5' TTTAGGG 3'
Homo	5' TTAGGG 3'

Modelo de estructura de los telómeros

Centrómero: Zona por la que el cromosoma interacciona con las fibras del huso acromático en las anafases mitóticas y meióticas y que es responsable de los movimientos cromosómicos que tienen lugar durante estas fases. Las estructuras centroméricas que interaccionan con las fibras del huso se denominan cinetocoros. En la estructura del centrómero también intervienen proteínas centróméricas.  Es la constricción primaria y aparece menos teñida que el resto del cromosoma. Los análisis llevados a cabo en Saccharomyces cerevisiae(levadura) han permitido aislar el ADN centromérico (ADN CEN) de todos sus cromosomas, habiéndose encontrado que en todos los centrómeros estudiados existen tres regiones muy conservadas, en la siguiente tabla se indican dichas regiones:

Región I (8 pb)	Región II (76-86 pb)	Región III (25 pb)
PuTCACPuTG	rica en pares AT (87-95%)	TGTTT(T/A)TGNTTTCCGAAANNNAAAA Palíndromo

El centrómero tiene un comportamiento diferentes durante la Anafase mitótica y la Anafase-I de la meiosis, de manera que durante la Anafase mitótica los cromatidios hermanos se separan a polos opuestos (Segregación Anfitélica) mientras que en la Anafase-I de la meiosis lo que se separa a polos opuestos son los cromosomas homólogos completos, cada uno constituido por dos cromatidios (Segregación Sintélica).

Segregación Anfitélica	Segregación Sintélica

Cromómero: son regiones más condensadas de los cromosomas que se observan al microscopio como partículas discretas y que suelen verse con mayor claridad en determinados estados celulares, como por ejemplo, en paquitena de la Profase-I meiótica en algunas especies.

ORGANIZACIÓN DEL MATERIAL HEREDITARIO EN SECUENCIAS: ÚNICAS, REPETIDAS, MODERADAMENTE REPETIDAS Y ALTAMENTE REPETIDAS

Los virus y las bacterias presentan secuencias que en su inmensa mayoría están una sola vez en el genoma. Las bacterias poseen algunos genes que están repetidos muy pocas veces, entre 5 y 10, como los genes que llevan información para el ARN ribosómico (ARN-r).

Los estudios de la cinética de renaturalización o reasociación ( curvas Cot) ponen de manifiesto, como ya hemos visto, que los virus y bacterias presentan curvas Cot ideales correspondientes a ADN sin secuencias repetidas. Sin embargo, las curvas Cot de organismos eucariontes revelan a existencia de distintos tipos de secuencias que varían en el grado de repetición.  

Tipos de secuencias de los organismos eucarióticos

Los distintos tipos de secuencias que se observan en el ADN de organismos eucarióticos son los siguientes:

• Genes o secuencias de copia única. En general, la mayor parte de los genes que codifican para polipéptidos, los llamados genes estructurales, se encuentran en una sola copia en el genoma.
•  Secuencias o genes que están repetidas pocas veces. Se trata de genes o secuencias funcionales que codifican para proteínas relacionadas y que se han originado por duplicación de secuencias individuales y una posterior evolución divergente (las mutaciones afectan de forma diferente a las dos copias existentes de la secuencia). Suelen serfamilias de genes y de pseudogenes relacionados. Los pseudogenes (y ) son secuencias de ADN que debido a mutaciones han dejado de ser funcionales y que por tanto no se transcriben. El mejor ejemplo de este tipo de familias de genes son los que llevan información para los polipéptidos o cadenas de globina (a, b, d, g,  y e) que forman las hemoglobinas humanas. En este grupo también se pueden incluir las familias de genes dispersas por el genoma. Algunos tipos de proteínas están codificadas por familias de genes homólogos distribuidas por todo el genoma. Tales familias puede estar formadas por unos pocos o por muchos genes. Algunos ejemplos son: los genes que codifican para la actina (de 5 a 30 copias), las keratinas (más de 20 copias), la cadena pesada de la miosina (de 5 a 10 copias), las tubulinas (de 3 a 15 copias) y  las proteínas de la cubierta del huevo de los insectos (50 copias). Dentro de este grupo también podrían incluirse los genes que llevan información para el ARN transferente (ARN-t), en Saccharomyces existen de 5 a 7 copias de cada uno de los 61 ARN-t diferentes y en D. melanogaster unas 13 copias de cada ARN-t. Los genes de una familia, al igual que los genes para las cadenas de globina, pueden diferir algo en su secuencia y también en su función.

Familias de genes de las globinas humanas

• Secuencias moderadamente repetidas. Familias de secuencias repetidas en tándem. En este caso, se trata de genes que existen en varias copias esencialmente idénticas que derivan por duplicación de secuencias ancestrales. Se trata de genes funcionales y las copias son idénticas tanto en secuencia como en función. La existencia de este tipo de genes permite a los organismos generar una gran cantidad de determinados productos en poco tiempo. Algunos ejemplos de este tipo de secuencias son:

- ADN-r: los genes que llevan información para el ARN-r , que se encuentran localizados en una zona concreta de los cromosomas que es el Organizador nucleolar (NOR). Esta zona aparece menos teñida que el resto del cromosoma (heteropicnosis negativa). En D. melanogaster existen unas 130 copias de estos genes, en Xenopus laevisalrededor de 400 a 500 copias por genoma haploide. En algunos organismos como Neurospora crassa se encuentran dispersos por el genoma en vez de en tándem.

- ADN-5S: los genes que codifican para el ARN-5S que forma parte de la subunidad grande de los ribosomas. En D. melanogaster existen 200 copias, en Xenopus laevis25.000 y en la especie humana 2.000.

- ADN-t: Los genes que codifican para los ARN-transferentes encargados de transportar los aminoácidos durante el proceso de traducción.

- ADN-h: genes para las histonas: aparecen en familias o “cluster” que incluyen los cinco genes (H1, H2A, H2B, H3 y H4) y que están repetidas decenas de veces (Xenopus laevis) o centenas de veces (erizo de mar). 

- ADN-a: genes para anticuerpos o inmunoglobulinas. La región variable de los anticuerpos o inmunoglobulinas (500 secuencias no idénticas entre si). 

• También existen secuencias de ADN que se han originado por duplicación de otras existentes, que derivan de familias multigénicas en tándem (genes de histonas o genes para ARN-r) y que se encuentran aislados (separados de su familia) y dispersos por el genoma. Este tipo de secuencias recibe el nombre de Orfones.

• Telómeros: secuencias repetidas con función conocida pero que no codifican para ningún ARN o proteína. Los extremos de los cromosomas o telómeros tienen una secuencia de ADN repetida en tándem. Esta secuencia en el caso del ciliado Tetrahymena es TTGGGG y en humanos es TTAGGG. Esta secuencia este repetida varias  veces en el extremo de los cromosomas (telómero) y tiene la propiedad de aparearse consigo misma formando enlaces de hidrógeno entre guaninas (situación inusual). Este autoapareamiento suministra un extremo 3’ libre que permite la replicación de los extremos de las moléculas de ADN doble  hélice lineal. 
• Secuencias altamente repetidas y que carecen de función conocida.  Son secuencias cortas de ADN repetidas entre 1.000 y 1.000.000 de veces y las copias no son totalmente idénticas.               

- Secuencias centroméricas altamente repetidas (1.000.000 de copias) que suelen agruparse en zonas concretas de los cromosomas. El tamaño de estas secuencias es variable, desde menos de 10 pares de bases por repetición hasta 200 ó 300 pb. En Drosophila melanogaster la secuencia AATAACATAG este repetida en tándem en regiones próximas al centrómero. Dado que que estas secuencias cortas de 10 pb no son representativas del genoma de una especie, suele suceder que su contenido en G+C es diferente al contenido en G+C del resto del genoma. Esta causa hace que cuando se centrifuga en gradiente de densidad (ClCs) el ADN de una especie eucarionte, aparezca una banda principal que contiene la mayor parte del ADN de la especie y una banda satélite (minoritaria) que está formada por una secuencia corta de ADN repetida en tándem. El ADN satélite en algunas especies tiene mayor densidad que el ADN principal (mayor contenido en G+C) y en otras especies tiene menor densidad y, por tanto, menor  contenido en G+C que el ADN principal. Cuando el ADN satélite de ratón se marca radiactivamente y se realiza una hibridación “in situ” con el ADN de cromosomas metafásicos mitóticos, se observa que el marcaje radiactivo (hibridación) se produce en regiones próximas al centrómero. Los cromosomas de ratón son telocéntricos.

ADN satélite de ratón localizado en regiones centroméricas

- Secuencias repetidas del orden de miles de veces y dispersas por el genoma entre las secuencias de copia única. Algunos ejemplos de estas secuencias son:

- VNTRs: Secuencias repetidas en tándem un número variable de veces. Se trata de unas secuencias cortas (entre 10 y 100 pb) que pueden estar repetidas por ejemplo 5 veces en un lugar concreto del cromosoma (locus) y estar repetida 4 veces en otro locus distinto y 7 veces en otra posición. El número de veces que esta repetida varía de un lugar a otro del mismo cromosoma y entre cromosomas distintos. También varía de unos individuos a otros. Este tipo de secuencias se llaman también “minisatélites” .En la especie humana, la primera secuencia VNTR fue descrita por A. Jeffries y era una secuencia de 33 pb encontrada en el interior del primer intrón del gen de la mioglobina. Gracias a la existencia de este tipo de secuencias se han desarrollado técnicas que permiten identificar con un gran poder el ADN de dos personas diferentes. Estas técnicas se llaman “huellas dactilares de ADN” y se emplean en estudios de medicina forense. También hay VNTRs en los que el tamaño de la secuencia que se repite es más pequeño (entre 1 y 10 pb) y que se denominan microsatélites, los microsatélites estás distribuidos (dispersos) de manera uniforme sobre los cromosomas, mientras que los minisatélites tienden a concentrarse cerca e los telómeros. 

VNTRs: Secuencias repetidas en tándem en número variable

- Transposones: también es posible encontrar en los genomas de especies eucariontes secuencias o elementos que pueden cambiar de posición dentro del genoma, transposones. Algunos genomas muestran múltiples copias de estos elementos genéticos móviles, o versiones truncadas de ellos dispersas a lo largo del genoma. Algunos ejemplos son:

- Retrotransposones: Secuencias que se han dispersado en el genoma  después de una transcripción inversa a partir de ARN. La transcriptasa inversa es una enzima que produce ADN tomando como molde ARN. Posteriormente estas copias de ADN pueden ingresar en los cromosomas. Un ejemplo son las secuenciasAlu humanas, llamadas así por contener generalmente en su interior una diana para la endonucleasa de restricción Alu. El genoma humano contiene cientos o miles de secuencias completas o parciales Alu que se localizan en el interior de intrones y entre genes. Esta secuencia Alu tiene una longitud de 200 pb y representa el 5% del genoma humano. Tienen un importante parecido con el ARN-7S y se piensa que se han producido a partir de él por transcripción inversa. Las secuencias cortas interpuestas como las Alu se han denominado genéricamente como SINEs (elementos interpuestos cortos).

- Secuencias que muestran homología con retrovirus, virus ARN que se replican produciendo ADN que se integra en los cromosomas. Un ejemplo son los elementos “copia” de Drosophila  (secuencia de 5 Kb repetida 50 veces) y los elementos Ty  (secuencia de 6 Kb repetida 30 veces) de levaduras. En mamíferos se han descrito secuencias de 1 a 5 Kb repetidas de 20.000 a 40.000 veces por genoma humano y que se han denominado LINEs (elementos interpuestos largos). 

• ADN espaciador: la función de este tipo de secuencias no es conocida, posiblemente sea simplemente separar a los genes. Se encuentran por ejemplo entre los genes de histonas y son en este caso secuencias ricas en pares A-T.

ADN DE MITOCONDRIAS Y CLOROPLASTOS

Los organismos eucariontes además de poseer ADN en el núcleo, también tienen ADN en orgánulos citoplásmicos. Las especies vegetales contienen en el citoplasma de sus células cloroplastos y mitocondrias, mientras que las células de especies animales contienen mitocondrias en su citoplasma. Al igual que el ADN nuclear está organizado en cromosomas, también el ADN de los orgánulos citoplásmicos está organizado en cromosomas.

ADN Mitocondrial: El ADN mitocondrial (ADNmt) es una molécula doble hélice circular cuyo tamaño varía de unas especies a otras. El tamaño del ADN miotocondrial es las especies animales es inferior al de las especies vegetales y oscila entre 15 y 18 Kpb. En los hongos oscila entre 18 y 78 Kpb y en las plantas varía entre 250 y 2.500 Kpb. El ADNmt humano tienen 16.800 pb.

Una célula típica de levadura  puede tener de 1 a 45 mitocondrias en su citoplasma, cada mitocondria posee entre 10 y 30 nucleoides, y a su vez cada nucleoide está constituido pos 4 ó 5 moléculas de ADNmt doble hélice circular. Por tanto, una célula de levadura puede llegar a tener en su interior 45 x 30 x 5 = 6750 moléculas de ADNmt doble hélice. El número de mitocondrias de las células humanas varia de unos tejidos a otros y dentro de cada mitocondria hay un nucleoide que contiene 5 moléculas ADNmt doble hélice circular.

Mitocondria	Organismo unicelular: Euglena gracilis

El ADN mitocondrial de mamíferos se replica de forma semiconservativa pero de manera particular, ya que existen dos orígenes de replicación diferentes, uno para la hélice H (pesada) y otro para la hélice L (ligera). La síntesis de ambas hélices no  se lleva a cabo al mismo tiempo, primero comienza replicándose de forma unidireccional la hélice H y más adelante y con un origen de replicación distinto se inicia la replica unidireccional de la hélice L en sentido opuesto al de la hélice H. La replicación del ADNmt sigue lo que se denomina mecanismo de replicación de lazo D o lazo de desplazamiento.

ADN de cloroplastos: El ADN de cloroplastos (ADNcp) de las células de plantas es una molécula doble hélice circular que posee un tamaño que varía entre 120 y 160 Kpb. En algas verdes el rango de variación es mayor, oscila entre 85 y 292 Kpb, con la excepción de Acetabularia cuyo ADNcp tiene 2.000 Kpb.

Cloroplasto

Los cloroplastos presentan regiones que se tiñen intensamente con colorantes de ADN, dichas regiones se denominan nucleoides. El número de cloroplastos varía de unas células a otras dentro de la misma especie y de unas especies a otras. Las células de hojas de la remolacha contienen en su citoplasma alrededor de 40 cloroplastos, cada cloroplasto posee entre 14 y 18nucleoides y cada nucleoide puede estar constituido por  4 a 8 moléculas de DNcp. Por tanto, una célula de remolacha puede llegar a contener 40 x 18 x 8 = 5760 moléculas de ADNcp doble hélice circular. En  maíz se estime que existen entre 20 y 40 móleculas de ADNcp doble hélice circular por cada cloroplasto.

En Chlamydomonas reindardii existe un solo cloroplasto por célula que contiene entre 500 y 1500 móleculas de ADNcp doble hélice circular empaquetadas en varios nucleoides.

Teoría endosimbionte: los antepasados de las mitocondrias y los cloroplastos serían organismos procarióticos unicelulares. Los antepasados de las mitocondrias serían las bacterias y los de los cloroplastos serían por ejemplo las cianobacterias. Tanto las mitocondrias como los cloroplastos poseen un cromosoma mucho más pequeño que el de sus antepasados procariontes, de manera que durante la evolución se ha reducido drásticamente el tamaño del genoma de los orgánulos citoplasmas en un período relativamente breve a partir de su origen endosimbionte.