Neurospora crassa

Breve guía de los organismos modelo
Escherichia coli · Saccharomyces cerevisiae · Neurospora crassa · Arabidopsis thaliana
· Caenorhabditis elegans · Drosophila melanogaster · Mus musculus
Esta breve guía recoge en un único sitio las principales características de los organismos
modelo que tienen relación con la genética. A cada uno de los siete organismos modelo
se le da una extensión de dos páginas. El formato es consistente, lo que permite
comparar y contrastar las características de los organismos modelo. Cada uno de los
casos se centra en las características especiales del organismo que le han hecho útil
como modelo; las técnicas especiales que se han desarrollado para su estudio, y las
principales contribuciones que los estudios del organismo han hecho a nuestra
comprensión de la genética. Aunque aparentemente hay muchas diferencias, las
aproximaciones generales de los análisis genéticos son similares; pero se deben adaptar
teniendo en cuenta el ciclo de vida del individuo, el nivel de ploidía, el tamaño y la
forma, y propiedades genómicas, como la presencia de plásmidos y transposones
naturales.
Los organismos modelo siempre han estado en el primer plano de la genética. En el
desarrollo histórico de un organismo modelo, un investigador selecciona inicialmente
un organismo por alguna característica que lo hace especialmente adecuado para el
estudio de algún proceso genético en el que el investigador está interesado. El consejo
de los últimos cien años ha sido “Elige bien tu organismo”. Por ejemplo, los hongos
ascomicetos, como Saccharomyces cerevisiae y Neurospora crassa, son adecuados para
el estudio de los procesos meióticos, como el entrecruzamiento, ya que su característica
distintiva, el asca, mantiene juntos los productos de una única meiosis.
Especies distintas tienden a mostrar procesos notablemente similares, incluso a través
de los miembros de grandes grupos como los eucariotas. Por lo tanto, podemos esperar
razonablemente que lo que se aprende de una especie pueda ser, al menos parcialmente,
aplicado a otras. En particular, los genetistas han estado alerta sobre nuevos
descubrimientos científicos que puedan aplicarse a nuestra propia especie. Comparados
con otras especies, los humanos son relativamente difíciles de estudiar a nivel genético,
así que en realidad, los avances en genética humana se deben en gran parte al trabajo de
más de un siglo en organismos modelo.
Todos los organismos modelo tienen muchas más de una característica útil para estudios
genéticos o para otros estudios biológicos. Por lo tanto, una vez que un organismo
modelo ha sido desarrollado por unas pocas personas con intereses específicos, éste
sirve de núcleo para el desarrollo de una comunidad investigadora – un grupo de
investigadores con intereses en varias de las características de un organismo modelo
particular. Hay comunidades investigadoras organizadas para todos los organismos
modelo mencionados en este resumen. Las personas de estas comunidades están en
contacto unos con otros frecuentemente; comparten sus cepas mutantes, y normalmente
se encuentran, al menos una vez al año, en conferencias que atraen a miles de personas.
Tales comunidades hacen posible el suministro de servicios importantes, como bases de
datos con la información de las investigaciones, técnicas, stocks genéticos, clones,
librerías de DNA y secuencias genómicas.
Otra ventaja para un investigador de pertenecer a tales comunidades es que él o ella
desarrollará “un sentimiento hacia el organismo” (una frase de la genetista del maíz y
ganadora del premio Nobel, Barbara McClintock). Esta idea es difícil de transmitir, pero
implica la comprensión de las diferentes formas de ser del organismo. Los procesos
vivos no se dan aisladamente; así que, normalmente, conocer las diferentes formas de
ser de un organismo resulta beneficioso al intentar comprender un proceso e
interpretarlo en su propio contexto.
A medida que la base de datos de cada organismo modelo se expande (hecho que
actualmente está ocurriendo a grandes pasos gracias a la genómica), los genetistas son
cada vez más capaces de obtener una visión holística que engloba los trabajos
integrados de todas las partes que constituyen un organismo. De este modo, los
organismos modelo no sólo llegan a ser modelos para procesos aislados, sino que lo son
para los procesos integrados de la vida. El término biología de sistemas se utiliza para
describir esta aproximación general.
(pág. 759)
(pág. 760)
Escherichia coli
Organismo clave para el estudio de:




Trascripción, traducción, replicación, recombinación
Mutación
Regulación génica
Tecnología del DNA recombinante
Estadísticas genéticas
Tamaño del genoma:
Cromosomas:
Número de genes:
Porcentaje de homólogos
con humanos:
Tamaño promedio del gen:
Transposones:
Genoma secuenciado en:
4,6 Mb
1, circular
4000
8%
1 kb, sin intrones
Específicos de cepa, ~60 copias por genoma
1997
La bacteria unicelular Escherichia coli es ampliamente conocida como un patógeno
causante de enfermedades, una fuente de veneno de la comida y de enfermedades
intestinales. Sin embargo, esta reputación negativa no es merecida. Aunque algunas
cepas de E. coli son dañinas, otras son residentes naturales y esenciales del intestino
humano. Como organismo modelo, las cepas de E. coli juegan un papel indispensable
en los análisis genéticos. En la década de los 40, varios grupos empezaron a investigar
la genética de E. coli. Se necesitaba un organismo sencillo que pudiera ser cultivado
económicamente para producir grandes números de bacterias individuales con las que
poder encontrar y analizar sucesos genéticos raros. El que E. coli se pudiera obtener del
intestino humano junto con el hecho que fuera pequeña y fácil de cultivar, la convirtió
en una elección natural. Los trabajos en E. coli definieron el inicio del razonamiento de
“caja negra” en genética; a través de la selección y análisis de mutantes, el
funcionamiento de los procesos celulares se podía deducir aunque una célula individual
fuera demasiado pequeña para poder verla.
Características especiales
Gran parte del éxito de E. coli como organismo modelo se puede atribuir a dos datos
estadísticos: su tamaño celular de 1 μm y su tiempo de generación de 20 minutos. (La
replicación del cromosoma dura 40 minutos, pero la múltiples horquillas de replicación
permiten a la célula dividirse en 20 minutos). Por consiguiente, este procariota puede
crecer en cantidades sorprendentes, y esta característica permite a los genetistas
identificar mutaciones y otros sucesos genéticos raros como la recombinación
intragénica. E. coli también es particularmente sencilla de cultivar. Cuando las células
se extienden en placas de cultivo, cada célula se divide in situ y forma una colonia
visible. Por otro lado, las agrupaciones de células también pueden crecer en cultivo
líquido en agitación. Fenotipos como el tamaño de la colonia, la resistencia a fármacos,
la capacidad de obtener energía de determinadas fuentes de carbono, o la producción de
colorantes son el equivalente de los fenotipos morfológicos de la genética de eucariotas.
Ciclo de vida
Escherichia coli se reproduce asexualmente por simple fisión celular, su genoma
haploide se replica y se reparte entre las células en división. En los 40, Joshua
Lederberg y Edward Tatum descubrieron que E. coli también tiene un tipo de ciclo
sexual en el que células de sexos genéticamente diferenciados se fusionan e
intercambian algunos o todos sus genomas, a veces llegando a recombinar (véase
Capítulo 5). Los “machos” pueden convertir a las “hembras” en machos mediante la
transmisión de un plásmido particular. Este plásmido circular de DNA
extragenómico de 100 kb, llamado F, determina un tipo de “masculinidad”. Las
células F+ actúan como machos “donadores” transmitiendo una copia del plásmido F
a una célula receptora. El plásmido F se puede integrar en el cromosoma para formar
una célula de tipo Hfr, la cual transmite el cromosoma linealmente a receptoras F-.
En la naturaleza, hay otros plásmidos en E. coli. Algunos llevan genes cuyas
funciones equipan a la célula para vivir en ambientes específicos; como, por ejemplo,
los plásmidos R que llevan genes de resistencia a fármacos.
Duración del ciclo de vida: 20 minutos
(pág. 760)
(pág. 761)
Los genetistas también han aprovechado algunos de los elementos genéticos únicos
asociados a E. coli. Los plásmidos bacterianos y los fagos se usan como vectores para
clonar los genes de otros organismos dentro de E. coli. Los elementos transponibles de
E. coli se utilizan para interrumpir los genes en el DNA eucariota clonado. Estos
elementos bacterianos son fundamentales en la tecnología del DNA recombinante.
Análisis genético
Los mutantes espontáneos de E. coli muestran una variedad de cambios en el DNA que
van desde simples cambios de base hasta la inserción de elementos transponibles. En E.
coli se pueden estudiar mutaciones espontáneas muy infrecuentes porque se pueden
examinar grandes poblaciones. Sin embargo, también se utilizan mutágenos para
aumentar las frecuencias de mutación.
Para obtener fenotipos mutantes específicos que producen defectos en un proceso bajo
estudio, se deben diseñar procedimientos de rastreo o selección. Por ejemplo, las
mutaciones nutricionales y las mutaciones que confieren resistencia a fármacos o a
fagos se pueden obtener de placas suplementadas con compuestos químicos, fármacos o
fagos específicos. Por otro lado, las mutaciones nulas de cualquier gen esencial darán
como resultado la falta de crecimiento. Estas mutaciones se pueden seleccionar
añadiendo penicilina (un fármaco antibacteriano obtenido de un hongo), ya que mata las
células en división pero no afecta a los mutantes que no crecen. Para las mutaciones de
letales condicionales, se puede utilizar la réplica de placas: las colonias mutadas de una
placa original se transfieren con un terciopelo a otras placas que serán sometidas a algún
ambiente tóxico. Las mutaciones que afectan a la expresión de un gen específico de
interés se pueden rastrear si se fusiona el gen con otro gen informador como el gen lacZ,
cuyo producto proteico puede crear una coloración azul; o el gen GFP, cuyo producto
produce fluorescencia cuando se expone a luz de una determinada longitud de onda.
Tras obtener un conjunto de mutantes que afectan al proceso de interés, las mutaciones
se asignan a sus correspondientes genes por recombinación y complementación. Estos
genes se clonan y se secuencian para obtener pistas sobre su función. Se puede utilizar
la mutagénesis dirigida para provocar cambios mutacionales en posiciones específicas
de la proteína (véase página 479).
En E. coli, los cruces se realizan para cartografiar las mutaciones y para producir
genotipos celulares específicos (véase Capítulo 5). Los recombinantes se obtienen tras
mezclar células Hfr (con un plásmido F integrado) con células F-. Generalmente, una
célula Hfr donadora transmite parte del genoma bacteriano formando un merocigoto
temporal donde tienen lugar la recombinación. Los cruces Hfr se pueden utilizar para
cartografiar midiendo el tiempo de entrada del marcador o la frecuencia de
recombinación. Si se transfieren los derivados de F’ que llevan los genes donadores a F, es posible crear diploides parciales estables para estudiar la interacción génica o la
dominancia.
Técnicas de manipulación genética
Mutagénesis estándar:
Productos químicos y radiación
Transposones
Mutaciones somáticas aleatorias
Mutaciones somáticas aleatorias
Transgénesis:
En vector plásmido
En vector fago
Transformación
Libre o integrado
Libre o integrado
Integrado
Noqueo génico dirigido:
Alelo nulo en el vector
Alelo diseñado en el vector
Reemplazamiento del gen por recombinación
Mutagénesis dirigida por reemplazamiento
génico
Ingeniería genética
Transgénesis. E. coli juega un papel clave cuando se quieren introducir transgenes en
otros organismos (véase Capítulo 20). Es el organismo estándar utilizado para clonar
genes de cualquier otra especie. Los plásmidos o los bacteriófagos de E. coli se utilizan
como vectores que llevan la secuencia de DNA que se va a clonar. Estos vectores se
introducen en una célula bacteriana por transformación si es un plásmido, o
transducción si es un fago. En la nueva célula se replican en el citoplasma. Los vectores
se modifican específicamente para incluir sitios de clonación únicos que se pueden
cortar por un gran número de enzimas de restricción. Se han diseñado otros vectores
“lanzadera” para mover fragmentos de DNA desde la levadura (“el E. coli eucariota”)
hasta E. coli, ya que es mucho más fácil manipularla genéticamente, y después se
devuelven a la levadura para su valoración fenotípica.
Noqueo génico dirigido. Se está acumulando un conjunto completo de genes
noqueados. En uno de los procedimientos, un transposón con resistencia a la
kanamicina se introduce en un gen clonado in vitro (utilizando una transposasa). La
construcción se transforma y las colonias resistentes son las colonias noqueadas que se
han producido por recombinación homóloga.
Contribuciones principales
Estudios pioneros de muchos aspectos fundamentales de la genética se han llevado a
cabo en E. coli. Puede que el mayor triunfo sea el desciframiento del código genético
universal de 64 codones, pero este logro está lejos de ser el único en la lista de
realizaciones atribuibles a este organismo. Otros fundamentos de la genética que se
demostraron primero en E. coli son: la naturaleza espontánea de la mutación (el test de
fluctuación, página 518); los diferentes tipos de cambios de base que causan mutación,
y la replicación semiconservativa del DNA (el experimento de Meselson y Stahl, página
276). Esta bacteria ha ayudado a abrir áreas totalmente nuevas en genética, como la
regulación génica (el operón lac, páginas 355 y siguientes) y la transposición del DNA
(los elementos IS, página 492). Y por último, pero no menos importante, la tecnología
del DNA recombinante se inventó en E. coli, y este organismo todavía juega un papel
central en esta tecnología.
Otras áreas de contribución






Metabolismo celular
Supresores sin sentido
Colinearidad del gen y el polipéptido
El operón
Resistencia a fármacos basada en plásmidos
Transporte activo
(pág. 761)
(pág. 762)
Saccharomyces cerevisiae
Organismo clave para el estudio de:








Genómica
Biología de sistemas
Control genético del ciclo celular
Transducción de señales
Recombinación
Tipo de apareamiento
Herencia mitocondrial
Interacción génica; doble híbrido
Estadísticas genéticas
Tamaño del genoma:
Cromosomas:
Número de genes:
Porcentaje de homólogos
con humanos:
Tamaño promedio del gen:
Transposones:
Genoma secuenciado en:
12 Mb
n = 16
6000
25%
1.5 kb, 0.03 intrones/gen
Proporción pequeña del DNA
1996
El ascomiceto S. cerevisiae, alias “la levadura del pan”, “la levadura de gemación” o
simplemente “levadura”, ha sido la base de las industrias de la panadería y de la
elaboración de la cerveza desde la antigüedad. En la naturaleza probablemente crezca en
las superficies de las plantas, utilizando los exudados como nutrientes; aunque su nicho
preciso todavía es un misterio. Aunque las cepas de laboratorio son mayoritariamente
haploides, en la naturaleza las células pueden ser diploides o poliploides. En
aproximadamente 70 años de investigación genética, la levadura ha llegado a ser “la E.
coli de los eucariotas”. Al ser haploide, unicelular y formar colonias compactas en las
placas, puede ser tratada en muchos aspectos de la misma manera que una bacteria. Sin
embargo, presenta características eucariotas como la meiosis, el ciclo celular y las
mitocondrias, y estas características han sido la clave de la historia de éxito de la
levadura.
Características especiales
Como organismo modelo, la levadura combina lo mejor de dos mundos: tiene muchas
de las ventajas de una bacteria, pero con las características clave de un eucariota. Las
células de la levadura son pequeñas (10 μm) y completan su ciclo celular en tan sólo 90
minutos, permitiéndoles producirse en grandes números en un tiempo corto. Al igual
que las bacterias, la levadura puede crecer en grandes hornadas en un medio líquido en
continuo movimiento. Y, también como las bacterias, la levadura produce colonias
visibles cuando crece en placas de medio con agar que se pueden examinar en busca de
mutaciones, y las placas se pueden replicar. Del lado típicamente eucariota, la levadura
tiene un ciclo de división celular mitótico, realiza la meiosis, y contiene mitocondrias
con un pequeño genoma. Las células de la levadura pueden respirar anaeróbicamente
mediante el ciclo de fermentación y por lo tanto, pueden hacerlo sin mitocondrias,
permitiendo que los mutantes mitocondriales sean viables.
Análisis genético
Efectuar cruces en la levadura es bastante sencillo. Cepas de tipo de apareamiento
opuesto se mezclan simplemente en el medio apropiado. Los diploides a/α resultantes
son inducidos a sufrir meiosis utilizando un medio especial de esporulación. Los
investigadores pueden aislar las ascoesporas de una única tétrada utilizando una
máquina llamada micromanipulador. También tienen la opción de sintetizar diploides
a/a o α/α para propósitos especiales o crear diploides parciales utilizando plásmidos
diseñados especialmente.
La comunidad investigadora tiene a su disposición una gran cantidad de levaduras
mutantes y de construcciones. A partir de ellas se pueden construir cepas con propósitos
especiales para el rastreo y selección mediante el cruzamiento de varios tipos de
levaduras. Además, se pueden cartografiar nuevos alelos mutantes gracias al
cruzamiento con cepas que contienen un conjunto de marcadores fenotípicos o de DNA
con posición conocida en el mapa.
La disponibilidad tanto de células haploides como diploides proporciona flexibilidad
para los estudios mutacionales. Las células haploides son adecuadas para las selecciones
o rastreos a gran escala porque los fenotipos mutantes se expresan directamente. Las
células diploides son adecuadas para obtener mutaciones dominantes, para salvaguardar
mutaciones letales, para realizar estudios de complementación y para explorar la
interacción génica.
Ciclo de vida
La levadura es una especie unicelular con un ciclo de vida muy sencillo que consta
de una fase sexual y otra asexual. La fase asexual puede ser haploide o diploide. Una
célula se divide asexualmente por gemación: una célula madre crea una yema donde
pasa uno de los núcleos resultantes de la mitosis. Para la reproducción sexual, hay
dos tipos de apareamiento determinados por los alelos MATα y MATa. Cuando las
células haploides de distinto tipo de apareamiento se unen, forman una célula
diploide que se puede dividir por mitosis o realizar división meiótica. Los productos
de la meiosis están en una tétrada no lineal con cuatro ascoesporas.
Duración total del ciclo de vida: 90 minutos para completar el ciclo celular.
(pág. 762)
(pág. 763)
Técnicas de manipulación genética
Mutagénesis estándar:
Productos químicos y radiación
Transposones
Transgénesis:
Plásmido integrativo
Plásmido replicativo
Cromosoma artificial de levadura
Vector lanzadera
Noqueo génico dirigido:
Reemplazo génico
Mutaciones somáticas aleatorias
Inserciones somáticas aleatorias
Inserción por recombinación homóloga
Puede replicarse autónomamente (origen de
replicación 2μ o ARS)
Se replica y segrega como un cromosoma
Puede replicarse en levadura o en E. coli
La recombinación homóloga reemplaza el alelo
tipo salvaje por una copia nula
Ingeniería genética
Transgénesis. La levadura proporciona más oportunidades para la manipulación
genética que cualquier otro eucariota (véase Capítulo 20). Las células a las que se les ha
extraído parcialmente la pared celular con enzimas de restricción o por abrasión,
absorben fácilmente el DNA exógeno. Hay varios tipos de vectores disponibles (véase
Técnicas de manipulación genética). Para que un plásmido se replique
independientemente de los cromosomas debe contener un origen de replicación de
levadura normal (ARS) o un origen de replicación de un plásmido de 2 μm que se
encuentra en algunos aislados de levadura. El vector más elaborado, el cromosoma
artificial de levadura (YAC, del inglés, Yeast Artificial Chromosome), está compuesto
por un ARS, un centrómero de levadura y dos telómeros. Un YAC puede llevar grandes
inserciones transgénicas que se heredarán de la misma manera que los cromosomas
mendelianos. Los YACs han sido vectores importantes en la clonación y secuenciación
de grandes genomas como el genoma humano.
Noqueo dirigido. La mutagénesis por transposón (marcaje de transposón) se puede
realizar introduciendo DNA de levadura en E. coli a través de un vector lanzadera. El
transposón bacteriano se integra en el DNA de la levadura noqueando la función del
gen. El vector lanzadera se vuelve a transferir a la levadura y los mutantes marcados
reemplazan las copias tipo salvaje por recombinación homóloga. El noqueo génico
también se puede realizar reemplazando los alelos de tipo salvaje por una copia nula
diseñada mediante recombinación homóloga. Utilizando estas técnicas, los
investigadores han construido sistemáticamente un conjunto completo de cepas
noqueadas de levadura (cada una con un noqueo diferente) para evaluar la función nula
de cada gen a nivel fenotípico.
Contribuciones principales
Gracias a la combinación de una buena genética y una buena bioquímica, los estudios
de levadura han hecho contribuciones sustanciales a nuestra comprensión del control
genético de los procesos celulares.
Ciclo celular. La identificación de los genes de división celular a través de sus mutantes
sensibles a la temperatura (mutantes cdc) ha conducido a un modelo robusto del control
genético de la división celular. Los diferentes fenotipos Cdc revelan los componentes de
la maquinaria requerida para ejecutar pasos específicos en la progresión del ciclo
celular. Este trabajo ha sido útil para comprender los controles de una división celular
anormal que pueden producir cáncer en humanos.
Recombinación. Muchas de las ideas clave de los modelos moleculares actuales del
entrecruzamiento (como el modelo de rotura de doble cadena) están basados en el
análisis de tétradas con conversión génica en levadura (véase página 547). La
conversión génica (proporciones alélicas aberrantes tales como 3:1) es bastante común
en los genes de la levadura, proporcionando un gran conjunto de datos apropiado para
cuantificar las características clave de este proceso.
Interacción génica. La levadura ha marcado el camino en el estudio de las
interacciones génicas. Las técnicas de genética tradicional se han utilizado para revelar
los patrones de epistasis y de supresión asociadas a las interacciones génicas (véase
Capítulo 6). El sistema del plásmido doble híbrido utilizado para encontrar
interacciones entre proteínas fue desarrollado en la levadura y ha generado mapas de
interacción complejos que representan los inicios de la biología de sistemas (véase
página 477). Los letales sintéticos –los letales doble mutantes creados mediante el
entrecruzamiento de dos mutantes sencillos viables– también se utilizan para trazar
redes de interacciones (véase página 246).
Genética mitocondrial. Los mutantes con mitocondrias defectivas se reconocen por sus
colonias muy pequeñas denominadas “petites”. La disponibilidad de estos petites y de
otros mutantes mitocondriales permitieron el primer análisis detallado de la estructura y
de la función del genoma mitocondrial de un organismo.
Genética del tipo de apareamiento. Los alelos MAT de la levadura fueron los primeros
genes “tipo de apareamiento” que se caracterizaron en el nivel molecular.
Curiosamente, la levadura cambia espontáneamente de un tipo de apareamiento al otro.
Una copia silenciosa “de reserva” del alelo MAT opuesto, que puede residir en cualquier
lugar del genoma, puede situarse en el locus “tipo de apareamiento” y reemplazar el
alelo residente mediante recombinación homóloga. La levadura ha proporcionado uno
de los modelos centrales para la transducción de señales durante la detección y la
respuesta a las hormonas de apareamiento del tipo de apareamiento opuesto.
Otras áreas de contribución


Genética del cambio entre crecimiento filamentoso y levaduriforme
Genética de la senescencia
(pág. 763)
(pág. 764)
Neurospora crassa
Organismo clave para el estudio de:






Genética del metabolismo y la absorción
Genética del entrecruzamiento y la meiosis
Citogenética de hongos
Crecimiento polar
Ritmos circadianos
Interacciones entre el núcleo y la mitocondria
Estadísticas genéticas
Tamaño del genoma:
Cromosomas:
Número de genes:
Porcentaje de homólogos
con humanos:
Tamaño promedio del gen:
Transposones:
Genoma secuenciado en:
43 Mb
7 autosomas (n = 7)
10 000
6%
1.7 kb, 1.7 intrones/gen
raros
2003
Neurospora crassa, el moho rojo del pan, fue unos de los primeros microbios eucariotas
que los genetistas adoptaron como organismo modelo. Al igual que la levadura,
originalmente fue escogido por su haploidía, su ciclo de vida rápido y sencillo, y por la
facilidad con la que se puede cultivar. Un hecho particularmente significativo fue que
pudiera crecer en un medio con un conjunto definido de nutrientes, ya que permite
estudiar el control genético de la química celular. En la naturaleza, se encuentra en
muchos lugares del mundo creciendo sobre vegetación muerta. Como el fuego activa
sus ascoesporas inactivas, se recoge más fácilmente tras incendios – por ejemplo, debajo
de la corteza de árboles quemados y en campos de cosecha como la caña de azúcar, ya
que se queman rutinariamente antes de ser cosechados.
Características especiales
Neurospora posee el récord de velocidad entre los hongos ya que cada hifa crece más de
10 cm al día. Este rápido crecimiento, junto con su ciclo de vida haploide y su
capacidad para crecer en un medio definido, han hecho que sea el organismo elegido
para el estudio de la genética bioquímica de la nutrición y de la absorción de nutrientes.
Existe otra característica única de Neurospora (y de los hongos relacionados) que
permite a los genetistas seguir los pasos de las meiosis individualmente. Los cuatro
productos haploides de una meiosis permanecen juntos en un saco denominado asca.
Cada uno de los cuatro productos de la meiosis sufre otra división mitótica, originando
una octada lineal de ocho ascoesporas (véase páginas 103-105). Esta característica hace
de Neurospora un sistema ideal para estudiar el entrecruzamiento, la conversión génica,
las reorganizaciones cromosómicas, la no disyunción meiótica y el propio control de la
meiosis. Los cromosomas, aunque pequeños, son fácilmente visibles, así que los
procesos meióticos se pueden estudiar tanto en el nivel genético como en el nivel
cromosómico. Por consiguiente, se han llevado a cabo estudios fundamentales sobre los
mecanismos esenciales de estos procesos en Neurospora (véase página 135).
Análisis genético
Su análisis genético es sencillo (véase página 105). Los centros de stocks proporcionan
una amplia gama de mutantes que afectan a todos los aspectos de la biología del hongo.
Los genes de Neurospora se pueden cartografiar fácilmente cruzándolos con un banco
de cepas con loci mutantes conocidos o con alelos RFLP conocidos. Las cepas de tipo
de apareamiento opuesto se cruzan simplemente haciéndolas crecer juntas. Un genetista
con una aguja manual puede coger una única ascoespora para estudiarla. Así pues, los
análisis en los que
Ciclo de vida
N. crassa tiene un ciclo de vida eucariota haploide. Una espora asexual haploide
(llamada conidio) germina para producir un tubo germinal que se extiende por su
extremidad. El crecimiento progresivo de la extremidad y la ramificación producen
una masa de hebras ramificadas (llamadas hifas) que forma una colonia compacta en
el medio de cultivo. Como las hifas no tienen paredes celulares divisorias, una
colonia es básicamente una célula que contiene muchos núcleos haploides. La
colonia expulsa millones de esporas asexuales que se pueden dispersar en el aire y
repetir el ciclo asexual.
En el ciclo sexual de N. crassa hay dos tipos de apareamiento de apariencia idéntica,
MAT-A y MAT-a, que se pueden ver como simples “sexos”. Como en la levadura,
los dos tipos de apareamiento están determinados por los dos alelos de un gen.
Cuando las colonias de distinto tipo de apareamiento se ponen en contacto, sus
paredes celulares y sus núcleos se fusionan. Surgen muchos núcleos diploides
transitorios y cada uno de ellos sufre meiosis, produciendo una octada de
ascoesporas. Las ascoesporas germinan y producen colonias exactamente como las
producidas por las esporas asexuales.
Duración del ciclo de vida: 4 semanas para el ciclo sexual.
(pág. 764)
(pág. 765)
se utilizan tanto ascas completas como ascoesporas al azar son rápidos y sencillos.
Como Neurospora es haploide, los nuevos fenotipos mutantes obtenidos se detectan
fácilmente con el uso de varios tipos de rastreos y selecciones. Un sistema preferido
para estudiar el mecanismo de la mutación es el gen ad-3, porque los mutantes ad-3 son
morados y se detectan fácilmente.
Aunque no es fácil obtener diploides vegetativos de Neurospora, los genetistas son
capaces de crear “imitaciones de diploides” que son útiles para los estudios de
complementación y para otros análisis que requieren la presencia de las dos copias de
un gen (véase página 238). En concreto, la fusión de dos cepas diferentes produce un
heterocarionte, un individuo que contiene dos tipos nucleares diferentes en el mismo
citoplasma. Los heterocariontes también permiten realizar una versión del test
específico de locus, una manera de recuperar mutaciones en un alelo recesivo
específico. (Las células de un heterocarionte +/m se siembran en placa y se buscan las
colonias m/m).
Técnicas de manipulación genética
Mutagénesis estándar:
Productos químicos y radiación
Mutagénesis por transposón
Mutaciones somáticas aleatorias
No disponible
Transgénesis:
Transformación mediada por plásmido
Noqueo génico dirigido:
RIP
Extinción (Quelling)
Inserción aleatoria
Mutaciones GC  AT en segmentos
transgénicos duplicados antes de un
cruce
Inactivación somática posttranscripcional de los
transgenes
Ingeniería genética
Transgénesis. La primera transformación en eucariotas se realizó en Neurospora. Hoy
en día, Neurospora se transforma fácilmente utilizando plásmidos bacterianos
portadores del transgén deseado más un marcador seleccionable como el de la
resistencia a la higromicina que muestra que el plásmido ha entrado. Los plásmidos no
se replican en Neurospora, así que un transgén sólo se hereda si se integra en un
cromosoma.
Noqueo dirigido. En cepas especiales de Neurospora, los transgenes se integran
frecuentemente por recombinación homóloga. Por lo tanto, una cepa transgénica
normalmente tiene el gen residente más el transgén homólogo insertado en una posición
ectópica aleatoria. A causa de esta duplicación del material, si la cepa se cruza, está
sujeta a RIP, un proceso genético que es único de Neurospora. RIP es un mecanismo
premeiótico que introduce muchas transiciones GCAT en ambas copias duplicadas,
interrumpiendo eficazmente el gen. Por lo tanto, se puede aprovechar RIP como una
manera adecuada para noquear deliberadamente un gen específico.
Contribuciones principales
George Beadle y Edward Tatum utilizaron Neurospora como organismo modelo en sus
estudios pioneros sobre las relaciones gen-enzima, en los que fueron capaces de
determinar los pasos enzimáticos en la síntesis de arginina (véase página 230). Su
trabajo con Neurospora estableció el inicio de la genética molecular. A éste, le
siguieron muchos estudios comparables en la genética del metabolismo celular con el
uso de Neurospora.
Se han realizado trabajos pioneros en la genética de los procesos meióticos, como el
entrecruzamiento y la disyunción, y de los ritmos de la conidiación. Los cultivos en
crecimiento continuo muestran un ritmo diario en la formación de la conidioespora. Los
resultados de los estudios pioneros que utilizan mutaciones que alteran este ritmo han
contribuido al modelo general para la genética de los ritmos circadianos.
Neurospora sirve como modelo para la multitud de hongos filamentosos patógenos que
afectan a las cosechas y a los humanos, porque estos hongos normalmente son difíciles
de cultivar y manipular genéticamente. Incluso se utiliza como un sencillo sistema de
estudio eucariota para los compuestos químicos mutagénicos y carcinogénicos del
ambiente humano.
Como los cruces se pueden realizar utilizando un progenitor como hembra, el ciclo es
adecuado para el estudio de la genética mitocondrial y de la interacción núcleomitocondria. En las muestras de la naturaleza se ha descubierto un amplio abanico de
plásmidos mitocondriales lineales y circulares. Algunos de ellos son retroelementos que
se cree que son intermediarios en la evolución de los virus.
Otras áreas de contribución




Diversidad de hongos y adaptación
Citogenética (base cromosómica de la genética)
Genes de tipo de apareamiento
Genes de compatibilidad de heterocariontes (un modelo para la genética del
reconocimiento propio y ajeno)
(pág. 765)
(pág. 766)
Arabidopsis thaliana
Organismo clave para el estudio de:



Desarrollo
Expresión génica y regulación
Genómica de plantas
Estadísticas genéticas
Tamaño del genoma:
Cromosomas:
Número de genes:
Porcentaje de homólogos
con humanos:
Tamaño promedio del gen:
Transposones:
Genoma secuenciado en:
125 Mb
diploide, 5 autosomas (2n = 10)
25 000
18%
2 kb, 4 intrones/gen
10% del genoma
2000
Arabidopsis thaliana, un miembro de la familia de plantas Brassicaceae (coles), es un
incorporación relativamente tardía a los organismos modelo genéticos. La mayor parte
del trabajo se ha realizado en los últimos 20 años. No tiene importancia económica:
crece prolíficamente como una mala hierba en muchos lugares temperados del mundo.
Sin embargo, gracias a su pequeño tamaño, su ciclo de vida corto, y su pequeño
genoma, ha alcanzado a los modelos genéticos de planta más tradicionales como el maíz
y el trigo, y ha llegado a ser el modelo dominante para la genética molecular de plantas.
Características especiales
En comparación con otras plantas, Arabidopsis es pequeña tanto en cuanto a su tamaño
físico como al tamaño de su genoma – características ventajosas para un organismo
modelo. Arabidopsis crece hasta una altura inferior a los 10 cm bajo las condiciones
apropiadas; por consiguiente, puede crecer en grandes cantidades permitiendo el rastreo
de mutantes y los análisis de progenie a gran escala. Su tamaño de genoma total de 125
Mb hace que el genoma sea relativamente fácil de secuenciar comparado con otros
genomas de organismos modelo de planta, como el genoma del maíz (2500 Mb) y el
genoma del trigo (16 000 Mb).
Análisis genético
El análisis de mutaciones en Arabidopsis mediante cruzamientos depende de métodos
probados y correctos –esencialmente los métodos que utilizó Mendel. Los stocks de
plantas con mutaciones de interés para el experimento que se esté llevando a cabo se
obtienen de centros de stocks públicos. Las líneas se pueden cruzar manualmente unas
con otras o autofecundarse. Aunque las flores son pequeñas, la polinización cruzada se
consigue fácilmente quitando las anteras indehiscentes (que a veces se las come el
experimentador como un método cómodo de eliminación). Entonces, cada flor
polinizada produce una larga vaina que contiene un gran número de semillas. Esta
producción abundante de descendientes (miles de semillas por planta) es beneficiosa
para los genetistas que buscan mutantes u otros sucesos raros. Si una planta lleva una
nueva mutación recesiva en la línea germinal, la autofecundación permite recuperar
progenie homocigótica para la mutación recesiva en los descendientes inmediatos de la
planta.
Ciclo de vida
Arabidopsis tiene el típico ciclo de vida de plantas, con una etapa diploide
dominante. Una planta tiene varias flores, cada una de las cuales produce muchas
semillas. Como muchas malas hierbas anuales, su ciclo de vida es rápido: sólo se
necesitan unas 6 semanas para que una semilla plantada produzca una nueva cosecha
de semillas.
Duración total del ciclo de vida: 6 semanas
(pág. 766)
(pág. 767)
Técnicas de manipulación genética
Mutagénesis estándar:
Productos químicos y radiación
Mutaciones aleatorias, somáticas o en la línea
germinal
T-DNA propio o transposones
Inserciones aleatorias marcadas
Transgénesis:
T-DNA con el transgén
Inserción aleatoria
Noqueo génico dirigido:
Mutagénesis mediada por
por transposón o T-DNA
RNAi
Inserción aleatoria, noqueados seleccionados
PCR
Mimetiza el noqueo dirigido
Ingeniería genética
Transgénesis. El T-DNA de Agrobacterium es un vector adecuado para introducir
transgenes (véase Capítulo 20). La construcción vector-transgén se inserta
aleatoriamente a lo largo del genoma. La transgénesis ofrece una manera efectiva de
estudiar la regulación génica. El transgén se une a un gen informador como el gen GUS,
el cual produce una coloración azul en cualquier lugar de la planta que el gen esté
activo.
Noqueo dirigido. La recombinación homóloga es infrecuente en Arabidopsis, por lo
que es difícil noquear genes específicos por reemplazamiento homólogo con un
transgén. Por lo tanto, los genes de Arabidopsis se noquean por la inserción aleatoria de
vectores de T-DNA o transposones (se utilizan transposones como el Ac-Ds del maíz), y
después se seleccionan los genes específicos noqueados mediante el análisis por PCR
del DNA procedente de grandes muestras de plantas. La PCR utiliza una secuencia del
T-DNA o del transposón como un cebador y una secuencia del gen de interés como el
otro cebador. Así, la PCR sólo amplifica copias del gen de interés que llevan una
inserción. Subdividiendo la muestra y repitiendo el proceso se llega a la planta
específica que lleva el noqueado. De manera alternativa, el RNAi se puede utilizar para
inactivar un gen específico.
Hay disponibles grandes colecciones de mutantes con inserciones de T-DNA, las
secuencias flanqueantes de la planta están listadas en las bases de datos públicas. Así, si
se está interesado en un gen específico, se puede ver si la colección tiene una planta con
una inserción en ese gen. Una característica apropiada de las poblaciones de plantas
noqueadas es que se pueden mantener fácil y económicamente como colecciones de
semillas por muchos años, incluso durante décadas. Esta característica no es posible
para la mayoría de poblaciones de modelos animales. El gusano Caenorhabditis elegans
se puede preservar como un animal congelado, pero la mosca de la fruta (Drosophila
melanogaster) no se puede congelar y revivir. Así, las líneas mutantes de la mosca de la
fruta se tienen que mantener como organismos vivos.
Contribuciones principales
Al ser el primer genoma de planta secuenciado, Arabidopsis ha sido un modelo
importante para la arquitectura y la evolución del genoma de plantas. Además, los
estudios de Arabidopsis han hecho contribuciones clave en nuestra comprensión del
control genético del desarrollo de las plantas. Los genetistas han aislado mutaciones
homeóticas que afectan, por ejemplo, al desarrollo de la flor. En estos mutantes, un tipo
de parte floral es reemplazado por otro. La integración de la acción de estos mutantes ha
llevado a un modelo elegante para la determinación del verticilo floral basado en
patrones solapantes de la expresión de los genes reguladores en el meristemo floral.
Arabidopsis también ha contribuido ampliamente a establecer las bases genéticas de la
fisiología de plantas, de la regulación génica y de la interacción de las plantas con el
ambiente (incluyendo la genética de la resistencia a enfermedades). Como Arabidopsis
es una planta natural de distribución mundial, tiene un gran potencial para el estudio
evolutivo de la diversificación y adaptación.
Otras áreas de contribución


Respuesta al estrés ambiental
Sistema de control de hormonas
(pág. 767)
(pág. 768)
Caenorhabditis elegans
Organismo clave para el estudio de:




Desarrollo
Comportamiento
Nervios y músculos
Envejecimiento
Estadísticas genéticas
Tamaño del genoma:
Cromosomas:
Número de genes:
Porcentaje de homólogos
con humanos:
Tamaño promedio del gen:
Transposones:
Genoma secuenciado en:
97 Mb
5 autosomas (2n = 10), cromosoma X
19 000
25%
5 kb, 5 exones/gen
Varios tipos, activos en algunas cepas
1998
Caenorhabditis elegans puede parecer poca cosa bajo un microscopio, y, de hecho, este
ascáride (nematodo) de 1 mm de longitud que vive en el suelo es relativamente simple
para ser un animal. Pero esta simplicidad forma parte de lo que hace que C. elegans sea
un buen organismo modelo. Su tamaño pequeño, su crecimiento rápido, su capacidad
para autofecundarse, su transparencia y su bajo número de células corporales hacen que
sea una elección ideal para el estudio de la genética del desarrollo eucariota.
Características especiales
Los genetistas pueden ver a través de C. elegans. Al contrario que otros organismos
modelo multicelulares, como la mosca de la fruta o Arabidopsis, este minúsculo gusano
es transparente, haciendo que sea eficiente examinar grandes poblaciones en busca de
mutaciones interesantes que afecten virtualmente a cualquier aspecto de la anatomía o
del comportamiento. La transparencia también facilita los estudios del desarrollo, los
investigadores pueden observar directamente todas las fases del desarrollo simplemente
mirando los gusanos bajo un microscopio óptico. Los resultados de tales estudios han
demostrado que el desarrollo de C. elegans está firmemente programado y que cada
gusano tiene un número de células sorprendentemente pequeño y constante (959 en
hermafroditas y 1031 en machos). De hecho, los biólogos han seguido los destinos de
células específicas mientras el gusano se desarrolla, y han determinado el patrón exacto
de las divisiones celulares que determinan cada órgano adulto. Este esfuerzo ha
permitido establecer el linaje genealógico de cada célula adulta (véase página 442).
Análisis genético
Como los gusanos son pequeños y se reproducen rápida y prolíficamente (la
autofecundación produce unos 300 individuos de progenie y los cruces,
Ciclo de vida
C. elegans es único entre los principales organismos modelo porque uno de los dos
sexos es hermafrodita (XX) y el otro es macho (XO). Los dos sexos se pueden
diferenciar por el tamaño mayor de los hermafroditas y por diferencias en sus
órganos sexuales. Los hermafroditas producen tanto óvulos como espermatozoides,
así que se pueden autofecundar. La progenie de un hermafrodita autofecundado
también es hermafrodita, excepto cuando ocurre una no disyunción extraña que da
lugar a un macho XO. Si se mezclan hermafroditas y machos, los sexos copulan y
muchos de los cigotos resultantes habrán sido fecundados por los espermatozoides
ameboideos de los machos. La fecundación y la producción del embrión ocurren
dentro del hermafrodita, quien después pone los huevos que finalizarán su desarrollo
externamente.
Duración total del ciclo de vida: 3 días y medio
(pág. 768)
(pág. 769)
unos 1000), producen grandes poblaciones de progenie que pueden ser examinadas en
busca de sucesos genéticos infrecuentes. Además, como el hermafroditismo hace
posible la autofecundación de C. elegans, se pueden obtener rápidamente gusanos
individuales con mutaciones recesivas en homocigosis autofecundando la progenie de
los gusanos individuales tratados. Por contraste, otros modelos animales, como la mosca
de la fruta o el ratón, requieren apareamientos entre hermanos y necesitan más
generaciones para recuperar las mutaciones recesivas.
Técnicas de manipulación genética
Mutagénesis estándar:
Productos químicos (EMS) y
radiación
Transposones
Mutaciones aleatorias en la línea germinal
Inserciones aleatorias en la línea germinal
Transgénesis:
Inyección del transgén en la gónada Ordenación transgénica no integrada;
Integración ocasional
Noqueo génico dirigido:
Mutagénesis mediada por
transposón
RNAi
Ablación por láser
Ingeniería genética
Noqueados seleccionados por PCR
Mimetiza el noqueo génico dirigido
Noqueado de una célula
Transgénesis. La introducción de transgenes en la línea germinal es posible gracias a
una propiedad específica de las gónadas de C. elegans. Las gónadas del gusano son
sincitiales, es decir, hay muchos núcleos en un citoplasma común. Los núcleos no pasan
a formar parte de las células hasta la meiosis, cuando empieza la formación de los
óvulos o los espermatozoides individuales. Así, si se inyecta una solución de DNA con
el transgén en la gónada de un hermafrodita, más de 100 núcleos precursores de células
germinales se exponen al transgén. Por simple azar, algunos de estos núcleos
incorporarán el DNA (véase Capítulo 20).
Los transgenes recombinan para formar ordenaciones multicopias en tándem. En un
huevo, las ordenaciones no se integran en un cromosoma pero los transgenes de éstas
todavía se expresan. Por lo tanto, el gen que va en un clon de DNA tipo salvaje se puede
identificar introduciéndolo en una cepa receptora recesiva específica (complementación
funcional). En algunos casos, aunque no en todos, las ordenaciones transgénicas pasan a
la progenie. Para aumentar la probabilidad de herencia, los gusanos se exponen a
radiación ionizante que puede inducir la integración de una ordenación en una posición
cromosómica ectópica, y, en este sitio, la ordenación se transmite fielmente a la
progenie.
Noqueo dirigido. En las cepas con transposones activos, los propios transposones
llegan a ser agentes de mutación al insertarse en posiciones aleatorias en el genoma,
noqueando los genes interrumpidos. Si se pueden identificar los organismos con
inserciones en los genes específicos de interés, se pueden aislar los genes diana
noqueados. Las inserciones en los genes específicos se pueden detectar utilizando PCR
si un cebador de la PCR procede de la secuencia del transposón y el otro de la secuencia
del gen de interés. De forma alternativa, se puede utilizar RNAi para anular la función
de genes específicos. Como una alternativa a la mutación, se pueden matar células
individuales con un rayo láser para observar el efecto en la función o en el desarrollo del
gusano (ablación por láser).
Contribuciones principales
C. elegans ha llegado a ser el organismo modelo favorito para el estudio de varios
aspectos del desarrollo por su número pequeño e invariable de células. Un ejemplo es la
muerte celular programada, un aspecto crucial del desarrollo normal. Algunas células
están genéticamente programadas para morir en el curso del desarrollo (proceso
denominado apoptosis). Los resultados de estudios de C. elegans han contribuido a la
creación de un modelo general útil para la apoptosis, proceso que se sabe que también
ocurre en el desarrollo humano.
Otro sistema modelo es el desarrollo de la vulva, la abertura al exterior del tracto
reproductivo. Los hermafroditas con vulvas defectivas todavía pueden producir
progenie, que se puede fácilmente ver agrupada dentro del cuerpo. Los resultados de
estudios en hermafroditas sin vulva, o con demasiadas, han revelado como las células
que inicialmente son completamente equivalentes llegan a diferenciarse en distintos
tipos celulares (véase página 442).
El comportamiento también ha sido un objetivo de la disección genética. C. elegans
ofrece como ventaja que los gusanos con comportamiento defectivo normalmente
pueden vivir y reproducirse. El sistema nervioso y muscular del gusano se ha
diseccionado genéticamente, permitiendo relacionar determinados comportamientos con
genes específicos.
Otras áreas de contribución

Señalización celular
(pág. 769)
(pág. 770)
Drosophila melanogaster
Organismo clave para el estudio de:





Genética de la transmisión
Citogenética
Desarrollo
Genética de poblaciones
Evolución
“Estadísticas vitales” genéticas
Tamaño del genoma:
Cromosomas:
Número de genes:
Porcentaje de homólogos
con humanos:
Tamaño promedio del gen:
Transposones:
Genoma secuenciado en :
180 Mb
Diploide, 3 autosomas, X e Y (2n = 8)
13 000
~50%
3 kb, 4 exones/gen
elemento P, entre otros
2000
La mosca de la fruta Drosophila melanogaster (una traducción literal sería “amante del
rocío con el abdomen negro”) fue uno de los primeros organismos modelo utilizado en
genética. Se elegió en parte porque puede encontrarse fácilmente en la fruta madura,
tiene un ciclo de vida corto de tipo diploide y es fácil de cultivar y cruzar en tarros o
viales que contengan una capa de comida. Los primeros análisis genéticos mostraron
que su mecanismo de herencia tiene grandes similitudes con los de otros eucariotas,
acentuando su papel como organismo modelo. Su popularidad como organismo modelo
disminuyó durante los años en que E. coli, la levadura y otros organismos se estaban
desarrollando como herramientas moleculares. Sin embargo, Drosophila ha
experimentado un renacimiento porque se presta muy bien al estudio de las bases
genéticas del desarrollo, una de las cuestiones centrales en biología. La importancia de
Drosophila como un modelo para la genética humana se hizo patente tras descubrir que
aproximadamente el 60 por ciento de los genes causantes de enfermedades conocidos en
humanos, y el 70 por ciento de genes de cáncer, tienen sus homólogos en Drosophila.
Características especiales
Drosophila se puso de moda como organismo experimental a principios del siglo veinte
gracias a características comunes en la mayoría de organismos modelo. Es pequeña
(3mm de longitud), fácil de criar (originalmente, en botellas de leche), rápida en
reproducirse (sólo 12 días desde el huevo hasta el adulto), y fácil de obtener
(simplemente dejando fruta en descomposición). Resultó fácil amasar una gran variedad
de alelos mutantes interesantes que fueron utilizados para establecer los principios de
base de la genética de la transmisión. Los primeros investigadores también
aprovecharon una característica única de la mosca de la fruta: los cromosomas
politénicos (véase página 575). En las glándulas salivales y algunos otros tejidos, estos
“cromosomas gigantes” se producen por múltiples rondas de replicación del DNA sin
segregación cromosómica. Cada cromosoma politénico forma un patrón de bandas
único, proporcionando a los genetistas señales que se pudieron utilizar para
correlacionar mapas basados en recombinación con cromosomas reales. El ímpetu
proporcionado por estos primeros avances, junto con la gran cantidad de conocimiento
acumulado sobre el organismo, hacen de Drosophila un modelo genético atractivo.
Análisis genético
Los cruces en Drosophila se pueden realizar de manera bastante sencilla. Los padres
pueden ser de stocks salvajes o mutantes obtenidos de centros de stocks o de nuevas
líneas mutantes.
Ciclo de vida
Drosophila tiene un ciclo de vida corto, diploide que la presta a los análisis
genéticos. Tras eclosionar del huevo, la mosca se desarrolla a través de varias fases
larvales y una fase de pupa antes de emerger como un adulto, el cual madura pronto
sexualmente. El sexo está determinado por los cromosomas X e Y (XX es hembra y
XY es macho), aunque, al contrario que en humanos, el número de Xs en relación al
número de autosomas es lo que determina el sexo (véase página 62).
Duración total del ciclo de vida: 12 días desde el huevo hasta el adulto
(pág. 770)
(pág. 771)
Para realizar un cruce, los machos y las hembras se ponen juntos en un tarro y las
hembras ponen huevos en la comida semisólida que cubre el fondo del tarro. Tras
emerger de la pupa, la descendencia se puede anestesiar para poder contar los miembros
de las clases fenotípicas y para distinguir los machos y las hembras (por su diferente
patrón de rayas del abdomen). Sin embargo, como las hembras de la progenie solo
permanecen vírgenes durante unas pocas horas tras emerger de la pupa, se deben aislar
inmediatamente si se van a utilizar para realizar cruces controlados. Los cruces
diseñados para crear combinaciones de genes específicas se deben planear
cuidadosamente, porque en los machos de Drosophila no ocurre el entrecruzamiento.
De este modo, en el macho, los alelos ligados no recombinarán para crear nuevas
combinaciones.
Para obtener nuevas mutaciones recesivas, los programas especiales de cruzamiento (de
los cuales, el prototipo es el test C1B de Muller) proporcionan sistemas de rastreo
adecuados. En estos estudios, las moscas mutadas se cruzan con un stock que tiene un
cromosoma balanceador (véase página 583). Las mutaciones recesivas llegan
eventualmente a homocigosis mediante cruces consanguíneos durante una o dos
generaciones, empezando con simples moscas F1.
Técnicas de manipulación genética
Mutagénesis estándar:
Productos químicos (EMS) y
radiación
Mutaciones aleatorias, somáticas y en la línea
germinal
Transgénesis:
Mediada por el elemento P
Inserción aleatoria
Noqueo génico dirigido:
Reemplazo inducido
RNAi
El alelo ectópico nulo sale y recombina con el
alelo tipo salvaje
Mimetiza el noqueo dirigido
Ingeniería genética
Transgénesis. Para la construcción de moscas transgénicas se requiere un transposón de
Drosophila llamado elemento P. Los genetistas construyen un vector que lleva el
transgén flanqueado por repeticiones del elemento P. El vector transgénico se inyecta en
un huevo fecundado junto con un plásmido ayudante que contiene la transposasa. La
transposasa permite que el transgén salte aleatoriamente en el genoma de las células
germinales del embrión (véase Capítulo 20).
Noqueo dirigido. El noqueo génico dirigido se puede realizar primero introduciendo un
alelo nulo transgénicamente en una posición ectópica y segundo, induciendo enzimas
especiales que causan la escisión del alelo nulo. El fragmento escindido (que es lineal)
encuentra y reemplaza por entrecruzamiento homólogo la copia endógena. Sin embargo,
se pueden producir noqueados funcionales de manera más eficiente por RNAi.
Contribuciones principales
Una gran parte del desarrollo inicial de la teoría cromosómica de la herencia se basó en
los resultados de estudios de Drosophila. Los genetistas que trabajan con Drosophila
han hecho avances clave en el desarrollo de técnicas para la cartografía de genes, en la
comprensión del origen y la naturaleza de la mutación génica, y en la documentación de
la naturaleza y el comportamiento de las reordenaciones cromosómicas (véanse páginas
131 y 137).
Sus descubrimientos abrieron la puerta a otros estudios pioneros:
 Los primeros estudios de la cinética de la inducción de la mutación y la medición de
las tasas de mutación se llevaron a cabo utilizando Drosophila. El test C1B de
Muller y otros tests similares proporcionaron métodos de rastreo adecuados para las
mutaciones recesivas.
 Las reordenaciones cromosómicas que mueven genes adyacentes a la
heterocromatina se utilizaron para descubrir y estudiar la variegación debida al
efecto de posición.
 En la última parte del siglo veinte, tras la identificación de algunas clases
mutacionales clave como las mutaciones con efecto homeótico y con efecto
materno, Drosophila asumió un papel central en la genética del desarrollo, un papel
que todavía continúa ejerciendo (véase Capítulo 12). Por ejemplo, las mutaciones
con efecto materno que afectan al desarrollo de los embriones han sido cruciales en
la elucidación de la determinación genética del plan corporal de Drosophila. Estas
mutaciones se identifican examinando fenotipos con desarrollo anormal en los
embriones de hembras específicas. Técnicas como el rastreo para atrapar
intensificadores han permitido el descubrimiento de nuevas regiones reguladoras en
el genoma que afectan al desarrollo. Con éstos y otros métodos, los biólogos de
Drosophila han realizado avances importantes en comprender la determinación de la
segmentación y los ejes corporales. Algunos de los genes clave descubiertos, como
los genes homeóticos, generalmente tienen una gran importancia en animales.
Otras áreas de contribución



Genética de poblaciones
Genética evolutiva
Genética del comportamiento
(pág. 771)
(pág. 772)
Mus musculus
Organismo clave para el estudio de:





Enfermedades humanas
Mutación
Desarrollo
Color del pelo
Inmunología
Estadísticas genéticas
Tamaño del genoma:
Cromosomas:
Número de genes:
Porcentaje de homólogos
con humanos:
Tamaño promedio del gen:
Transposones:
Genoma secuenciado en:
2600 Mb
19 autosomas, X e Y (2n = 40)
30 000
99%
40 kb, 8.3 exones/gen
Fuente del 38% del genoma
2002
Como los humanos y la mayoría de animales domesticados son mamíferos, la genética
de los mamíferos es de gran interés para nosotros. Sin embargo, los mamíferos no son
ideales para la genética: son relativamente grandes de tamaño en comparación con otros
organismos modelo, por lo que se necesitan instalaciones grandes y costosas; sus ciclos
de vida son largos, y sus genomas son grandes y complejos. Sin embargo, comparado
con otros mamíferos, los ratones (Mus musculus) son relativamente pequeños, tienen
ciclos de vida cortos y se obtienen fácilmente, haciendo que sean una elección excelente
como modelo mamífero. Además, los ratones partían con ventaja en la genética porque
los “aficionados” a los ratones ya habían desarrollado muchas líneas interesantes
diferentes de ratón que proporcionaron una fuente de variantes para los análisis
genéticos. La investigación en la genética mendeliana del ratón empezó a principios del
sigo veinte.
Características especiales
Los ratones no son exactamente humanos peludos y pequeños, pero su composición
genética es notablemente similar a la nuestra. Entre los organismos modelo, el ratón es
el que tiene el genoma más cercano al genoma humano. El genoma de ratón es un 14%
más pequeño que el de humanos (el genoma humano tiene 3000 Mb), pero tiene
aproximadamente el mismo número de genes (las estimas actuales están algo por debajo
de 30 000). Sorprendentemente, el 99% de los genes de ratón parecen tener homólogos
en humanos. Además, una gran proporción del genoma es sinténico con el de humanos;
es decir, hay grandes bloques que contienen los mismos genes en la misma posición
relativa (véase páginas 471 y 706). Estas similitudes genéticas son la clave para el éxito
del ratón como organismo modelo, pues permiten que el ratón sea tratado como el
“suplente” para sus homólogo humano en muchos sentidos. Por ejemplo, los mutágenos
y carcinógenos potenciales que se sospecha que causan daño a humanos se prueban en
los ratones, y los modelos de ratón son esenciales para el estudio de una gran variedad
de enfermedades genéticas humanas.
Análisis genético
Los ratones mutantes y “tipo salvaje” (aunque, de hecho, no son salvajes) son fáciles de
obtener, se pueden pedir a grandes centros de stock que proporcionan los ratones
adecuados para los cruces y para otros tipos distintos de experimentos. Muchas de estas
líneas provienen de ratones criados en siglos anteriores por los aficionados a los ratones.
Se pueden realizar cruces controlados sencillamente juntando un macho con una hembra
que no esté embarazada. En la mayoría de casos, el genotipo parental puede ser
proporcionado por el macho o por la hembra.
Ciclo de vida
Los ratones tienen un ciclo de vida diploide típico, con un sistema de determinación
del sexo XY similar al de humanos. Las camadas son de 5 a 10 crías; sin embargo, la
fecundidad de las hembras declina después de unos 9 meses, y por lo tanto,
raramente tienen más de cinco camadas.
Duración total del ciclo de vida: 10 semanas desde el nacimiento hasta la madurez
sexual en la mayoría de las cepas de laboratorio.
(pág. 772)
(pág. 773)
La mayoría de estimas estándar de las tasas de mutación de mamíferos (incluyendo la de
humanos) se han basado en mediciones realizadas en ratón. De hecho, los ratones
proporcionan el test final para los agentes sospechosos de causar mutaciones en
humanos. Las tasas de mutación en la línea germinal se miden mediante la realización
de test específicos de locus: se mutagenizan gónadas +/+, se cruzan con m/m (m es una
mutación recesiva conocida en el locus que se está estudiando), y se busca progenie
m*/m (m* es una nueva mutación). El procedimiento se repite en siete loci de muestra.
La medición de las tasas de mutación somática utiliza un sistema similar, pero el
mutágeno se inyecta en el feto. Los ratones se han utilizado ampliamente para estudiar
el tipo de mutación somática que da lugar al cáncer.
Técnicas de manipulación genética
Mutagénesis estándar:
Productos químicos y radiación
Mutaciones somáticas y en la línea germinal
Transgénesis:
Inyección del transgén en el cigoto Inserción aleatoria y homóloga
Absorción del transgén por las
Inserción aleatoria y homóloga
células madre
Noqueo génico dirigido:
Absorción del transgén nulo por
las células madre
Selección de noqueos dirigidos
Ingeniería genética
Transgénesis. La creación de ratones transgénicos es sencilla pero requiere la
manipulación cuidadosa de los óvulos fecundados (véase Capítulo 20). Primero, el
DNA genómico del ratón se clona en E. coli mediante el uso de vectores bacterianos o
fagos. El DNA se inyecta en un óvulo fecundado, donde se integra en posiciones
ectópicas (aleatorias) del genoma o, menos comúnmente, en el locus normal. La
actividad de la proteína del transgén se puede monitorizar fusionando el transgén con un
gen informador, como el GFP, antes de inyectar el gen. Mediante la utilización de un
método similar, las células somáticas de ratón también pueden modificarse por
inyección de un transgén, los fragmentos específicos de DNA se insertan en células
somáticas individuales y estas células son, a su vez, insertadas en embriones de ratón.
Noqueo dirigido. El noqueo de genes específicos para la disección genética se puede
llevar a cabo introduciendo un transgén con un alelo defectivo y dos marcadores de
resistencia a fármacos en una célula madre embrionaria tipo salvaje (véase Capítulo 20).
Los marcadores se utilizan para seleccionar aquellas células transformadas específicas
en las que el alelo defectivo ha reemplazado el alelo tipo salvaje homólogo. Las células
transgénicas se introducen en embriones de ratón. Se puede utilizar un método similar
para reemplazar alelos tipo salvaje con un transgén funcional (terapia génica).
Contribuciones principales
En los inicios de la carrera del ratón como organismo modelo, los genetistas utilizaban
los ratones para descubrir los genes que controlan el color y el patrón del pelaje,
proporcionando un modelo para todos los mamíferos con pelo, incluyendo los gatos, los
perros, los caballos y el vacuno (véase página 227). Más recientemente, los estudios de
la genética del ratón han hecho un conjunto de aportaciones con repercusión directa
sobre la salud humana:
 Una gran proporción de enfermedades genéticas humanas tiene su homólogo en
ratón –denominado un “modelo de ratón”– útil para el estudio experimental.
 Los ratones sirven como modelos para mecanismos de la mutación en mamíferos.




En el ratón se realizan estudios de los mecanismos genéticos del cáncer.
Se prueban muchos carcinógenos potenciales en el ratón.
Los ratones han sido modelos importantes para el estudio de la genética del
desarrollo en mamíferos (véase página 425). Por ejemplo, proporcionan un sistema
modelo par el estudio de genes que afectan al labio leporino y a la fisura palatina, un
desorden del desarrollo común en humanos.
Las líneas celulares híbridas de genomas de ratón y humano jugaron un papel
importante en la asignación de los genes humanos a los cromosomas específicos.
Hay una tendencia de los cromosomas humanos a perderse en estos híbridos, y así,
la pérdida de cromosomas específicos se puede correlacionar con la pérdida de los
alelos humanos específicos.
Otras áreas de contribución



Genética del comportamiento
Genética cuantitativa
Los genes del sistema inmune
(pág. 773)
PIES DE FIGURAS
Página 760
Genoma de E. coli. Micrografía electrónica del genoma de la bacteria E. coli, extraído
de la célula mediante un choque osmótico. (Dr. Gopal Murti/Science Photo
Library/Photo Researchers).
Colonias de bacterias. (Biophoto Associates/Science Source/ Photo Researchers).
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Plásmido diseñado como vector para clonar DNA. La inserción correcta de un gen
foráneo en un plásmido se detecta por la inactivación de cualquiera de los genes de
resistencia a fármacos (tetR o ampR). Se identifican los sitios de restricción.
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Células de levadura, Saccharomyces cerevisiae
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Un vector de levadura sencillo. Este tipo de vector se denomina plásmido integrativo
de levaduras (YIp, del inglés, Yeast Integrative plasmid).
Mutantes de ciclo celular. (a) Mutantes que se alargan sin dividirse. (b) Mutantes que
detienen su crecimiento sin efectuar la gemación.
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Neurospora crassa creciendo en una caña de azúcar.
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Tipo salvaje (izquierda) y mutante (derecha) de Neurospora creciendo en una placa
de Petri.
Vía de síntesis del pigmento naranja carotenoides en Neurospora.
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Arabidopsis thaliana creciendo en la naturaleza. Las versiones que crecen en el
laboratorio son más pequeñas. (Dan Tenaglia, www.missouriplants.com).
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Mutantes de Arabidopsis. (Izquierda) Flor salvaje de Arabidopsis. (Medio) La
mutación agamous (ag), que da flores únicamente con pétalos y sépalos (sin estructuras
reproductoras). (Derecha) Un doble mutante ap1, cal, que produce una flor parecida a
una coliflor. (Mutaciones similares en la col son la probable causa de las coliflores
reales). (Fotos de George Haughn).
Determinación del destino del verticilo. (a) Patrones de expresión génica
correspondientes a los distintos destinos del verticilo. Del exterior al interior, los
destinos son sépalo (se), pétalo (pe), estambre (es) y carpelo (ca). (b) Las regiones
sombreadas de los diagramas de un corte horizontal de la flor en desarrollo indican los
patrones de expresión génica para los genes de las clases A, B y C.
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Fotomicrografía y dibujo de Caenorhabditis elegans adulto.
Representación simbólica del linaje de 11 células. Las células que padecen muerte
celular programada se indican con una X azul en el extremo de la rama del linaje.
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Creación de transgenes de C. elegans. (a) Método de inyección. (b) Agrupación de
transgenes extracromosómicos que se han integrado.
Producción de la vulva de C. elegans. (a) El tejido diferenciado final. (b) Método de
diferenciación. Las células empiezan siendo completamente equivalentes. Una célula
ancla detrás de las células equivalentes envía una señal a las células más cercanas que se
convierten en vulva. Las células primarias de la vulva envían una señal lateral a sus
vecinas previniéndolas de que se transformen a células primarias, incluso aunque ellas
también han recibido la señal de la célula ancla.
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Cromosomas politénicos.
Dos mutantes morfológicos de Drosophila, con el tipo salvaje para comparar.
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Los segmentos torácicos y abdominales normales de Drosophila.
Fotomicrografías que muestran gradientes de los determinantes del eje corporal.
(a) El mRNA del gen bcd se ve localizado en la extremidad anterior (izquierda) del
embrión. (b) El mRNA del gen nos se localiza en la extremidad posterior (derecha) del
embrión. La distribución de las proteínas codificadas por estos genes y otros genes
determina el eje corporal.
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Un ratón adulto y su camada.
Mapa de sintenia ratón-humano de 12 cromosomas del genoma humano. La
codificación por color se utiliza para representar las concordancias regionales de cada
bloque del genoma humano con las secciones correspondientes del genoma de ratón.
Cada color representa un cromosoma del ratón diferente.
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Producción de un ratón transgénico. El transgén, un gen de la hormona del
crecimiento de rata unido a un promotor de ratón, se inyecta en un óvulo de ratón
homocigoto para el enanismo (lit/lit).
Producción de un gen noqueado. Se inserta un gen de resistencia a fármacos (neoR) en
el transgén, tanto para utilizarlo como marcador como para interrumpir el gen,
produciendo un noqueo. (El gen tk es un marcador secundario). La construcción con el
transgén se inyecta en las células embrionarias del ratón.
PARCHEADOS
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1. Conjugación y transferencia del factor F.
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1. Vector pBR322
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1. Fusión
2. Asca
3. Cultivo de colonias
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Marcador de levadura seleccionable
Origen de replicación bacteriano
Región clonada de interés
Marcador de bacteria seleccionable
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Esporas sexuales crecen hasta ser adultos
Ascas
División y fusión sincrónica para formar los meiocitos diploides
Fecundación cruzada
Núcleo materno
Tipo de apareamiento A
6. Núcleo materno
Tipo de apareamiento a
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Mutante para el gen 1
Mutante para el gen 2
Tipo salvaje
Precursor sin pigmento
gen 1  enzima 1
Precursor amarillo
gen 2  enzima 2
Pigmento naranja carotenoide normal
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Esporofito adulto 2n
Esporas haploides
Muchas mitosis
Gametofito adulto n
Gametos n
Cigoto 2n
Muchas mitosis
Esporofito adulto 2n
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1. es
2. Patrón de expresión génica de la flor
3. Clase génica
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1. Faringe
2. Ovarios
3. Intestino
4. Huevos
5. Recto
6. Oviducto
7. Ovocitos
8. Útero
9. Vulva
10. Ano
1. Adulto
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1. Región sincitial
2. Gónada
3. Núcleos
4. Micropipeta con una solución de DNA
5. Huevo
6. C. elegans
7. Unidad del DNA recombinante inyectado
8. Agrupación de transgenes extracromosómico
9. Agrupación de transgenes integrado
10. Cromosoma
1. (a) Tejido derivado de 1ª, 2ª y 3ª célula
2.
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9.
Útero
Hipodermis
Vulva
Hipodermis
(b) Señalización posterior
Célula ancla
Señal inductiva
Señales laterales inhibidoras
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1. Tipo salvaje
2. Ojos Bar
3. Alas vestigiales
1. Adulto
2. 1 día
3. Huevo
4. 1 día
5. Primer estadio
6. 1 día
7. Segundo estadio
8. 1 día
9. Tercer estadio
10. 2 1/2-3 días
11. Pupa
12. 3 1/2-4 1/2 días
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1. Notum
2. Ala
3. Halterio (ala rudimentaria)
1. (a) mRNA bicoid
2. (b) mRNA nos
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Adulto 2n
Meiosis
Gametos
Cigoto 2n
Muchas mitosis
Adulto 2n
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Plásmido
Promotor de la metalotioneína de ratón (MP)
Gen de la hormona del crecimiento de rata (RGH)
Cigoto lit/lit
Madre adoptiva
Hijo transgénico
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9.
Producción de células madre embrionarias con un gen noqueado
Gen clonado
Exón 2
Adición del gen tk+
Inserción de neoR dentro del exón 2
Exón 1
Vector dirigido
Adición del vector dirigido.
Cultivo de células madre embrionarias de ratón