Cruces genéticos
Un cruce genético es el apareamiento intencional de dos individuos que resulta en la combinación de material genético en la descendencia. Los cruces se pueden realizar en muchos sistemas modelo, incluidas plantas, levaduras, moscas y ratones, y se pueden usar para diseccionar procesos genéticos o crear organismos con rasgos novedosos.
Este video cubrirá algunos de los principios de los cruces genéticos, examinará un método para realizar cruces conocido como análisis de tetradas y discutirá varias aplicaciones de esta técnica.
En primer lugar, vamos a presentar los principios básicos de la herencia que hacen posibles los cruces genéticos.
El fenotipo de un organismo, o composición de rasgos, está influenciado por su composición genética o genotipo. En la mayoría de los organismos que se reproducen sexualmente, la generación parental produce células de gametos haploides, que tienen una copia de cada cromosoma distinto. Estos se fusionan durante el apareamiento para producir una descendencia diploide con dos copias homólogas de cada cromosoma. Si ambos cromosomas contienen el mismo alelo, o forma variante de un gen, entonces el organismo es » homocigoto «en ese locus genético; de lo contrario, es «heterocigoto».»
Para comenzar de nuevo el ciclo, el organismo diploide genera de nuevo gametos haploides a través de la meiosis. Durante este proceso, los dos cromosomas homólogos se someten a» recombinación», donde se intercambian bits de secuencias equivalentes entre el par. Este proceso baraja los alelos parentales heredados por cada descendencia, aumentando así su diversidad genética.
Una de las primeras personas en realizar cruces genéticos sistemáticos fue el «padre de la genética», Gregor Mendel. Mediante el uso de la planta de guisantes fácilmente manipulada, y el examen de una serie de rasgos con patrones consistentes de herencia, Mendel fue capaz de derivar tres leyes básicas de herencia que formarían la base de la genética.
La primera ley de Mendel es la Ley de Uniformidad, que establece que la descendencia heterocigota de la primera generación, o F1, de dos individuos homocigotos tendrá el fenotipo de un solo progenitor. El alelo que establece este fenotipo se llama «dominante», mientras que el alelo » oculto «es» recesivo.»Ahora sabemos que las relaciones de dominancia son a menudo menos claras, con casos como la dominancia incompleta, donde los heterocigotos expresan un fenotipo mezclado; y la codominancia, donde se muestran ambos fenotipos.
La Ley de Segregación establece que un alelo se asigna aleatoriamente a cada gameto. Al observar que la descendencia F2 de la autofecundación de individuos heterocigotos F1 mostró un 3:1 relación fenotípica, pero que dos de los individuos fenotípicamente dominantes son en realidad heterocigotos, Mendel dedujo que los dos alelos parentales deben heredarse por separado. Hoy en día, sabemos que la segregación ocurre durante la meiosis, cuando los dos cromosomas homólogos del padre diploide se dividen aleatoriamente en células hijas haploides, cada una heredando uno de los dos alelos.
La tercera ley de Mendel es la Ley del Surtido Independiente, que establece que los rasgos individuales se heredan de forma independiente. Ahora sabemos que la independencia absoluta solo existe para los rasgos controlados por genes en cromosomas separados en el conjunto haploide, que se distribuyen de forma independiente a las células hijas durante la meiosis. Para dos genes en el mismo cromosoma, la distancia entre ellos es inversamente proporcional a la probabilidad de que se recombinen en diferentes cromosomas homólogos y, por extensión, a la probabilidad de que se hereden juntos en la misma descendencia. Por lo tanto, el análisis de los cuatro productos meióticos de un organismo diploide proporciona una forma para que los científicos mapeen la ubicación de los genes.
Después de revisar los principios detrás de los cruces genéticos, echemos un vistazo a un protocolo para el análisis de tetrad.
Esta técnica se aplica típicamente a ciertas algas u hongos unicelulares, como la levadura, para diseccionar los cuatro productos meióticos haploides, o esporas, que en estas especies permanecen juntas como una «tétrada» dentro de un cuerpo unicelular.
Para realizar análisis de tetradas en levadura, las cepas deseadas se cultivan primero en medios apropiados. Se permite que las células de levadura de colonias individuales se apareen, por ejemplo, rayando cada cepa en un patrón cruzado en una placa nueva. Esta placa se replica en un medio selectivo para aislar solo el producto diploide de la cruz.
Las células diploides seleccionadas se cultivan en medios pobres en nutrientes para inducir la esporulación y la formación de tétradas. Los asci, que son las estructuras que sostienen las tétradas de esporas, se digieren en soluciones que contienen la enzima zimoliasa. Después de la digestión, el asci individual se manipula utilizando un microscopio de disección tetrádica. Están dispuestas en lugares específicos en una placa de crecimiento, y se interrumpen para liberar las esporas individuales. Estos se pueden colocar en un patrón similar a una rejilla, donde cada espora generaría una colonia individual que se puede analizar más a fondo.
Ahora que sabe cómo se realiza el análisis de tetrad, examinemos algunas de las muchas aplicaciones o modificaciones de esta técnica.
La disección manual de tetrads lleva mucho tiempo, y los investigadores han ideado alternativas de alto rendimiento, como la secuenciación de tetrads con códigos de barras. En este método, la progenie diploide de un cruce de levaduras se transformó con una biblioteca de plásmidos, cada uno de los cuales contiene una secuencia corta y única conocida como «código de barras» que actúa como un identificador para cada progenie. Los plásmidos también expresan GFP, lo que permite seleccionar asci de levadura a través de citometría de flujo y clasificarlos en placas de agar. Los ascos se lisaban en masa en las placas, y se permitía que las esporas crecieran en pequeñas colonias. Las colonias se distribuyeron aleatoriamente a placas de 96 pocillos para el genotipado. El código de barras de secuencia único permite a los investigadores agrupar las cuatro colonias que surgieron de las esporas de cada tétrada.
Los cruces genéticos también se pueden utilizar para generar células de levadura con un gran número de eliminaciones de genes. En el proceso del monstruo verde, la levadura mutante haploide que lleva diferentes deleciones de genes marcadas por GFP se aparean y esporulan. Estas progenie haploide, algunas de las cuales llevan deleciones heredadas de ambos padres, se clasifican mediante citometría de flujo activada por fluorescencia, donde se demostró que la intensidad de GFP se correlaciona con el número de deleciones presentes en una cepa de levadura en particular. Estas células seleccionadas se cultivaron y se volvieron a cruzar. La repetición de este ciclo generó cepas de levadura que contenían numerosas eliminaciones.
Finalmente, los cruces genéticos se han adaptado para su uso en muchos sistemas modelo, como el parásito intracelular Plasmodium, causante de malaria. Debido a que el parásito solo puede reproducirse dentro de otras células, todos los pasos de cruce deben realizarse en ratones o mosquitos, el huésped natural y el vector del parásito, respectivamente. Aquí, los ratones fueron infectados con dos cepas únicas de Plasmodium en la etapa de parásito sanguíneo. Los parásitos se transfirieron a los mosquitos a través de la alimentación de sangre, y una vez dentro maduraron en gametos que fertilizarían para formar cigotos diploides. Los esporozoitos maduros se recolectaron del mosquito y se usaron para infectar ratones naïve, donde los parásitos se propagaron para aislar a la progenie cruzada de interés.
Acabas de ver el vídeo de JoVE sobre cruces genéticos. En este video, presentamos los principios de la herencia, cómo se pueden analizar los cruces genéticos en algunos organismos con disección tetrádica y algunas aplicaciones actuales. Como siempre, ¡gracias por mirar!