tema16. herencia cuantitativa

Dr. Antonio Barbadilla

Tema 16: Genética cuantitativa 1

Herencia cuantitativa

Tema 16: Herencia cuantitativa

•¿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

Puntos principales a tratar:

Variación fenotípica

cuantitativa

¿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

Variación cuantitativa vs mendeliana (o cualitativa)

Caracteres cualitativos mendelianosDistribución de la altura de varones adultos de Boston

Variación cuantitativa: continua o discreta

Caracteres cuantitativos discretoCarácter cuantitativo continuo

Variación cuantitativa en el maíz (Emerson and East, 1913)

Planta guisante Maíz

Altura planta

Altura plantaAltas 3/4

Enanas 1/4

Enanas X altas

F1 X F1 =Altas X altas

Longitud de la mazorca

Gama completa

Cortas X largas

F1 X F1

Longitud de la mazorca

Variación mendeliana vs cuantitativa

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?

Variación ambiental

Altura planta

aa Plantas enanas AA Plantas altas

Altura planta

aa AA aa AA aa AA

Altura planta

Sin variación ambiental

Alguna variación ambiental

Mucha variación ambiental

•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.

La disputa histórica entre Biométricos vs mendelianos

•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?

Supongamos control del carácter por un gen con dos alelos sin dominancia

Rojo X BlancoAA aa

Color intermedioAa

Rojo : Intermedio : BlancoAA Aa aa

1: 2: 1

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)

Rojo X BlancoAABB aabb

Color intermedio (Rojo medio) AaBb

Rojo oscuro: Rojo medio oscuro : Rojo medio : Rojo claro : Blanco

AABB AaBB AaBb Aabb aabbAABb AAbb aaBb

1: 4 : 6: 4 : 1

Mismo supuesto anterior pero con tres genesRojo X BlancoAABBCC aabbcc

Color intermedio X Color intermedio (autofecundación)

•Fenotipo Rojo -------------> Blanco

•Número alelos que dan color

6 : 5 : 4 : 3 : 2 : 1 : 0•Proporción

1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1

AaBbCc AaBbCc

Supuestos: los genes segregan independientemente y sus

efectos son aditivos

Tema 16: Genética cuantitativa 15ColorRojo Blanco

Un par de genes(A1 A2 X A1 A2 )

Dos pares de genes(A1 A2 B1 B2 X A1 A2 B1 B2 )

Tres pares de genes

Cinco pares de genes

Diez pares de genes

Tres clases fenotípicas

Cinco clases fenotípicas

Siete clases fenotípicas

Once clases fenotípicas

21 clases fenotípicas: desde el genotipo con ningún alelo + hasta el genotipo con

los 20 alelos +Con variación

ambientalo caso límite

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

+ + + + ++ + + + +

+ + + + +0 0 0 0 0

0 0 0 0 00 0 0 0 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.

Generalización del modelo aditivo

Gametos distintos producidos por el multihíbrido en la F1

Número de genotipos distintosen 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

1 locus 2 loci 3 loci n loci2 4 8 2n

(A,a) (AB, Ab, aB, ab) (ABC,Abc,......,abc)

3 9 27 3n

(AA,Aa,aa) (AABB, AABb, (AABBCC,... Aabb,AaBb,...

...,aabb) ...,aabbcc)

3 5 7 2n+1

1/4 1/16 1/64 1/4n

(AA ó aa) (AABB ó aabb) (AABBCC ó aabbcc)

1:2:1 1:4:6:4:1 1:6:15:20:15:6:1 (A+a)2n

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 (-)).

Galton’s apparatus (Galton’s Quincunx)Demostración intuitiva del

Teorema Central del Límite

Ver animación

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).

¡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

AABBCC aabbcc

n % 20

AaBbCc

Tema 16: Genética cuantitativa 22Distribución de la altura de varones adultos de Boston

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)

•A y B difieren en sus medias (4 y 8)•B y C difieren en sus desviaciones típicas (1 y 0,5)

Función de densidad

http://www.evotutor.org/Statistics/St1A.html

Muestreo de una distribución normal

Relación entre dos variables cuantitativas: correlación

Longitud del 1er y 2o molar

inferior de un mamífero extinto

Longitud de cola y el cuerpo de 18 individuos de la

serpiente Lampropeltis

polyzona

Número de escalas caudales y longitud de la cola en las mismas 18 serpientes de arriba

)var()var(

))((),(,

yyxxyxCorrelr yx

http://www.evotutor.org/Statisti

cs/St2A.html

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

Heredabilidad de un carácter

Maa MAAMAa

aa Aa AA

•Si distintos genotipos de una población presentan distintas distribuciones para un carácter, decimos que el carácter es heredable

Distribución fenotípica

de la población en su conjunto

Valor fenotípico

Experimentos de selección artificial para la determinación de la heredabilidad de un

carácter cuantitativo

Cruce entre individuos

con valores fenotípicos extremos

(mismo ambiente)

No heredable

Heredable

Generaciónparental

Maa MAAMAa

aa Aa AA

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

z: valor fenotípico de un indivudog: efecto medio del genotipoe: 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, entoncesVar (z) = Var (g) + Var (e)

2g + 2

Definiciones de heredabilidad para un carácter cuantitativo

•Heredabilidad en sentido amplio

•Heredabilidad en sentido restringido

H2 = Var (g) / Var (z) = 2g / 2

0 H2 1

h2 = Var (a) / Var (z) = 2a / 2

z0 h2 1

g = a + d

x: efecto medio del genotipoa: efecto aditivo de los alelos que forman el genotipod: efecto no aditivo (o dominante) de los alelos que forman el genotipo

•Respuesta a la selección artifical

Métodos de estimación (medida) de la heredabilidad en poblaciones experimentales

Experimento de selección para aumentar o disminuir la longitud del ala en diversas poblaciones de Drosophia subobscura. (Datos de Prevosti 1967)

Respuesta

Diferencialde selección

Respuesta a la selección artifical

h2r = heredabilidad realizada

y = Media fenotípica en la población parentaly0 = Media fenotípica en la descendenciayp = Media fenotípica de los individuos seleccionados

Y0 - Y

Yp - Y=

•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).

PoblaciónVarianza Apareamiento al azar (F2) Genotipos uniformes (F1)

Teórica Var(z)=Var(g) + Var(e) Var(e)Observada 0,366 0,186

Var(g) = Var(z) - Var(e) = 0,366 - 0,186 = 0,180

•Ambiental: Crecimiento bajo las mismas condiciones ambientalesSe obtiene Var(g) directamente

Métodos de estimación (medida) de la heredabilidad en poblaciones experimentales (2)

•Estima de componentes genéticos por correlación o regresión fenotípica entre parientes

Métodos de estimación (medida) de la heredabilidad en poblaciones experimentales (3)

Correlación fenotípica observada

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 = 0,48rgenética esperada en gemelos dicigóticos = 0,50

HN = 0,48 / 0,50 = 0,96. La heredabilidad es muy alta, del 96%

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)

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

Concordancia de caracteres en estudios de gemelos

Gemelos idénticos

(monocigóticos)

Gemelos fraternos

(dicigóticos)Color del pelo 89 22Color de los ojos 99,6 28Presión sanguínea 63 36Lateralidad

(diestro o zurdo)79 77

Sarampión 95 7Pie zambo 23 2Tuberculosis 53 22Cáncer de mama 6 3Esquizofrenia 80 13Síndrome de Down 89 7Espina bífida 72 33Psicosis maniaco-

depresiva80 20

Estimas de heredabilidad (H2) en algunos caracteres y transtornos humanos

Carácter HeredabilidadEsquizofrenia 0,85

Diabetes mellitus

Aparición temprana

Aparición tardía

Asma 0,80

Labio leporino 0,76

Cardiopatía

(congénita)

Úlcera péptica 0,37

Depresión 0,45

Estatura 1,00

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