viernes, 12 de diciembre de 2014

Mendel y la herencia genética

La descripción del modo en el que se transmiten los caracteres hereditarios en los seres vivos está íntimamente relacionada con los trabajos científicos de un monje centroeuropeo, llamado Georg Mendel, un personaje ciertamente curioso dentro de la historia de la ciencia. Sus estudios no fueron los primeros sobre el tema: el el siglo XVII Leeuwenhoek (el inventor del microscopio) y Koelreuter habían tratado de explicar el modo en que los caracteres hereditarios se transmiten en animales y plantas sin conseguirlo. Sus resultados no fueron valorados en su tiempo, pasando totalmente desapercibidos después de ser publicados en una oscura revista científica escrita en alemán, hasta el punto de que se rumorea que Darwin, que los habría conocido mediante una carta escrita por el propio autor, no supo entenderlos ni incorporarlos a su teoría evolutiva. Hubo que esperar más de una década después de su muerte hasta que fueran redescubiertos y puestos en valor independientemente por tres investigadores, Tschermak, Correns y DeVries. Sus procedimientos también se han puesto en duda, porque se sospecha que "eliminó" selectivamente los resultados que no se ajustaban a su hipótesis, y, finalmente, no fue capaz de proponer un soporte biológico para sus descubrimientos. A pesar de todo ello, Mendel ocupa el lugar que le corresponde en la historia de la Biología, como descubridor del mecanismo que permite explicar la transmisión de los caracteres genéticos de una generación a otra, y los tres únicos enunciados biológicos que reciben la consideración de "leyes" llevan su nombre.

A lo largo del siglo XX, las leyes de Mendel se complementaron con la teoría cromosómica de la herencia: la información genética está almacenada en el ADN en forma de "unidades discretas", trozos de información, que llamamos genes. Esos genes equivalen a los "factores" que describió Mendel, y se encuentran alineados, uno tras otro formando los cromosomas. La existencia de cromosomas homólogos, con información para las mismas características, permitió explicar la intuición de Mendel al suponer que esos "factores" van por parejas en cada individuo. Asimismo, el descubrimiento de la relación entre el mensaje genético escrito en los genes y la elaboración de proteínas específicas por parte de la célula hizo posible explicar cómo se plasman las características genéticas de los organismos. Hoy en día es imposible separar las leyes de Mendel de los sucesos que tienen lugar durante la meiosis, por lo que parece lógico tratar de explicar ambos procesos conjuntamente.

Antes de empezar...

La observación de que los hijos se parecen a sus padres se remonta a los principios de la historia de la humanidad, y el uso de esa propiedad también. Al menos desde el Neolítico, el hombre se ha dedicado a cruzar entre sí animales o plantas con características interesantes, para quedarse luego con aquellos descendientes que mostraran las mejores combinaciones. Aun sin una base científica que lo justifique, eso supone la noción de que las características individuales se transmiten de padres a hijos (herencia) y de que esa transmisión ocurre por separado, es decir, que cada característica pasa de padres a hijos independientemente de las demás (al menos en algunos casos).

Esta práctica del cruce selectivo constituye también la primera actividad biotecnológica del hombre, que nos ha permitido contar en la actualidad con todos nuestros alimentos, tanto animales como vegetales, espectacularmente diferentes de sus parientes "naturales" más cercanos.

Mendel trató de analizar el modo en el que se produce esta transmisión, para lo cual utilizó un "organismo modelo", herramienta que sigue siendo muy útil en la Biología actual. Usar un organismo modelo se basa en suponer que las consecuencias que se obtengan de su estudio pueden ser aplicadas a otros organismos diferentes, porque comparte características fundamentales con ellos. En el caso de Mendel ese organismo fue el guisante, que cultivaba en el huerto de su monasterio de Brnö. Al observar esta planta, se fijó en varias de sus características, que iban pasando de generación en generación.

Mendel preparó sus experimentos cruzando entre sí plantas con semilla verde hasta conseguir que todos sus descendientes fueran verdes, y plantas con semillas amarillas hasta conseguir que todos sus descendientes tuvieran semillas amarillas. A esos grupos de individuos los denominó "razas puras"

La primera ley

La primera ley de Mendel se deduce del primer cruzamiento que realizó, entre plantas con semillas amarillas (de raza pura para ese carácter) y plantas con semilla verde (de raza pura para el carácter). Al hacerlo, obtuvo un conjunto de plantas cuyos guisantes eran todos iguales, de color amarillo. Este resultado constituye la "Primera ley de Mendel":

Al cruzar entre sí individuos de dos razas puras para un carácter todos los individuos que se obtienen son iguales entre sí, e iguales a uno de los individuos parentales (uniformidad de la primera generación filial).

El carácter que se puede observar en la generación filial recibió el nombre de dominante, mientras que el que no puede observarse se denominó recesivo.

La segunda ley

¿Qué había pasado con el caracter verde? Para averiguarlo, cruzó entre sí los guisantes obtenidos en el primer experimento. Al hacerlo se obtuvo un conjunto de plantas de dos tipos: la mayoría, tres cuartas partes, correspondían al carácter dominante, mientras que el resto, una cuarta parte, presentaban el carácter recesivo.

En la segunda generación filial, los caracteres se segregan (se separan), volviendo a observarse el carácter recesivo de uno de los abuelos.

Base biológica de las dos primeras leyes de Mendel

En la actualidad sabemos que el fundamento biológico de las dos primeras leyes de Mendel está en la composición genética de los individuos y en los procesos que tienen lugar durante la meiosis y la formación de los gametos.

Cada característica "mendeliana" como el color de la semilla o el aspecto de la vaina está determinada por un único gen, es decir, por un fragmento de ADN dentro de un cromosoma concreto. Este trozo de ADN ha podido sufrir cambios en su secuencia (mutaciones), lo que da lugar a la aparición de diferentes alelos, cada uno de los cuales contiene la información para una de las modalidades de ese gen. En el caso estudiado por Mendel para formular sus dos primeras leyes, hay un solo gen, el color del guisante, que puede tener dos alelos distintos, amarillo y verde.

Los organismos con reproducción sexual son diploides, es decir, presentan una pareja de cada tipo de cromosoma. Los dos cromosomas de cada pareja son homólogos entre sí, lo que significa que tienen información para las mismas características o, dicho de otra forma, los mismos genes. Sin embargo, esto no significa que tengan la misma información. Utilizando el ejemplo de Mendel, los dos cromosomas incluirían el gen para el color de la semilla, pero uno de ellos podría tener la información para que la semilla fuera verde, y el otro para que fuera amarilla. Es decir, los dos cromosomas de cada pareja de homólogos tienen los mismos genes, pero pueden tener alelos iguales o diferentes. Si los dos alelos que posee un individuo para un determinado gen son iguales se dice que el organismo es homocigótico para ese carácter, mientras que si son diferentes se dice que es heterocigótico.

La razón de que un alelo "domine" sobre otro está en la naturaleza del producto codificado por el gen. Por ejemplo, en el caso del color del guisante el alelo amarillo determina la producción de un pigmento que se acumula en los plastos, mientras que el alelo verde supone que la semilla no puede producir ese pigmento. Así pues, basta con que las células tengan un solo alelo amarillo para que puedan producir el pigmento y, por tanto, tengan el color amarillo. Estas relaciones de dominancia entre los alelos hacen que pueda haber una diferencia entre las características que posee el individuo en su material genético y las que finalmente manifiesta. Por esta razón se habla de genotipo para indicar el conjunto de alelos que posee un individuo y de fenotipo para señalar la característica, determinada por el genotipo, que realmente se manifiesta.

Con esos conocimientos citogenéticos se puede reformular el planteamiento de los trabajos de Mendel, para relacionarlos con el funcionamiento celular.
Obtención de razas puras para un carácter: para que un individuo transmita solo una característica a sus descendientes, su genotipo debe coincidir con su fenotipo. Es decir, solo debe poseer un tipo de alelos para esa característica. Dicho de otro modo, una "raza pura" es, simplemente, un conjunto de individuos homocigóticos para el carácter o caracteres que se están considerando.
Formación de gametos en el primer cruzamiento experimental: para que los individuos que participan en el cruzamiento puedan reproducirse deben formar gametos mediante una meiosis, de modo que cada uno de esos gametos solo lleva un alelo para el carácter "color de la semilla". En el caso de la primera ley de Mendel, como los individuos que participan en el cruzamiento son homocigóticos, todos los gametos que forma cada individuo son idénticos entre sí.
Cruzamiento: en el caso de la primera ley, no hay más que una posible combinación de gametos entre los dos tipos de individuos que participan en el cruzamiento, por lo que todos los individuos resultantes serán idénticos entre sí. Aunque en este caso resulta evidente, se pueden representar todos los emparejamientos posibles de gametos, es decir, todos los posibles casos de fecundación, mediante un gráfico denominado "cuadrado de Punnett", en el que se recogen los genotipos de los gametos y de los individuos resultantes de cada emparejamiento.

Por lo tanto, el resultado del primer experimento de Mendel fue que todos los individuos de la generación filial eran heterocigotos, es decir, poseían los dos alelos para el carácter "color de la semilla", tanto el que determina que se pueda formar el pigmento (A) como el que no da lugar a la pigmentación (a). Como la presencia de un alelo A es suficiente para que se forme el pigmento amarillo, todos los guisantes de esta generación poseen el pigmento y en consecuencia son de color amarillo.

Formación de gametos en la F1: en su segundo experimento Mendel cruzó entre sí individuos obtenidos en el primer experimento. En este caso todos los individuos eran heterocigotos, por lo que durante la meiosis dan lugar a gametos diferentes: la mitad de los gametos de cada individuo llevarán el alelo para la formación del pigmento (A) mientras que la otra mitad llevarán el que no da lugar al pigmento (a).

Segundo cruzamiento: del mismo modo, ahora existen nuevas posibilidades de emparejamiento entre los diferentes gametos, como se recoge en el nuevo cuadro de Punnett:


La tercera ley de Mendel
Una vez que había entendido el modo en que se transmitía una característica hereditaria, Mendel trató de comprobar cómo se transmiten dos características simultáneamente, para lo que utilizó el color de la semilla y su textura, que puede ser lisa o rugosa. Al estudiar las dos características encontró que el color amarillo dominaba sobre el verde, y que la textura lisa lo hacía sobre la rugosa. Después empezó su siguiente experimento seleccionando razas puras (homocigotos) para los dos caracteres, de forma que obtuvo guisantes amarillos y lisos y otros verdes y rugosos.


Al cruzar entre sí estos guisantes obtuvo una primera generación filial en la que todos los individuos eran iguales entre sí y mostraban el fenotipo totalmente dominante: color amarillo y textura lisa. De nuevo, cruzó entre sí los guisantes de esta primera generación filial, con lo que en la segunda aparecieron nuevas combinaciones de características: además de los guisantes amarillos lisos y verdes rugosos, semejantes a los de la generación parental, se desarrollaron también guisantes amarillos rugosos y verdes lisos. Además, al repetir este cruzamiento observó que la proporción en la que aparecían los cuatro fenotipos era siempre la misma: 9:3:3:1, siendo el más frecuente el doble dominante (amarillo liso) y el menos abundante el doble recesivo (verde rugoso).

Los factores hereditarios (genes) se separan al formarse los gametos, de forma que se transmiten por separado a la descendencia.


Interpretación citogenética de la tercera ley

Para poder explicar los resultados que obtuvo Mendel en sus experimentos de la tercera ley debemos suponer que los dos genes que estudió, el color y la textura, se encuentran en distintos cromosomas. Si esto no es así, se dice que los genes están "ligados" y no se cumple el principio de segregación independiente, como descubrió Morgan años más tarde.

La meiosis de estos individuos da lugar a un solo tipo de gametos en cada caso, por lo que las plantas de la primera generación filial serán todas idénticas entre sí. 

Las plantas de esta nueva generación producen cuatro tipos de gametos diferentes cuando sufren la meisis, al combinarse entre sí los cromosomas de todas las formas posibles: amarillo liso y verde rugoso (combinaciones originales), pero tambien amarillo rugoso y verde liso.

Son estos cuatro tipos de gametos los que pueden unirse, de todas las formas posibles, durante la fecundación para dar lugar a una nueva generación (F2), lo que explica la aparición de combinaciones de características que no estaban presentes en la F1 ni en los individuos originales de la generación parental. Así pues, la tercera ley de Mendel es una consecuencia directa de la reordenación de los cromosomas durante la primera división de la meiosis.

Los resultados del cruzamiento entre individuos de la primera generación filial pueden observarse en el siguiente cuadrado de Punnett:


El diseño experimental y las leyes de Mendel

El experimento es el elemento central de las ciencias empíricas o naturales (Física, Química, Geología y Biología), porque es la herramienta que se utiliza para comprobar las hipótesis científicas y, por lo tanto, para desarrollar nuevo conocimiento. 

Un experimento es una reproducción controlada de un fenómeno natural. El adjetivo "controlado" es lo que diferencia al experimento de la observación, y lo que permite extraer conclusiones válidas de lo que se observa en el proceso. Controlar significa, en este contexto, eliminar cualquier aspecto que pueda influir en el desarrollo del fenómeno que estamos reproduciendo. Una vez que se ha controlado el fenómeno, el experimento trata de analizar el comportamiento de una sola característica "variable" cuando se dan ciertas condiciones o de la interacción entre diferentes variables.

En el experimento de la primera ley Mendel utilizó como característica el color de la semilla del guisante. Para empezar, se trata de una característica variable, porque puede tomar dos modalidades: verde y amarillo. Al dejar de observar el resto de las características de la planta "eliminó" esas variables de su estudio, lo que hace de su análisis un auténtico experimento.

El control se consigue mediante la selección de las razas puras. En primer lugar, esto permite establecer un aspecto previo, que damos por sentado pero que hay que comprobar: la característica se transmite de padres a hijos, lo que se demuestra al cruzar entre sí los guisantes y observar que dan lugar a otros con el mismo color de semilla. Otro aspecto que se controla al seleccionar las razas puras es el hecho de que las características no se "pierden" ni desaparecen con el paso de las generaciones.

Queda una última variable que, potencialmente, puede influir en la transmisión de caracteres genéticos en la reproducción sexual: la direccionalidad del cruzamiento. ¿Se obtienen los mismos resultados cuando los individuos que poseen un determinado carácter (por ejemplo el color amarillo) son machos que cuando son hembras? La mejor forma de "neutralizar" esa posible fuente de diferencias en las conclusiones es introduciéndola en el diseño del experimento, es decir, haciendo cruzamientos en las dos direcciones, considerando los resultados por separado y comparándolos entre sí.

Finalmente, queda la cuestión de la "validez" de los resultados obtenidos. La reproducción es un proceso aleatorio y probabilístico, en el que los gametos se encuentran al azar en la fecundación. Un ejemplo lo explicará mejor: la probabilidad de que nazca un niño o una ñina es la misma, del 50%. Sin embargo, esto no significa que cada familia con dos hijos tenga exactamente un varón y una mujer. Los resultados de este tipo se van acercando a la probabilidad teórica a medida que el número de individuos crece, es decir, tienen una validez estadística. Por ese motivo, uno de los aciertos de Mendel, que le permitió superar los problemas que en su momento tuvo Leeuwenhoek, fue utilizar un organismo que produce una gran cantidad de descendientes por generación. En la actualidad, además, habríamos utilizado pruebas de comprobación estadística de los resultados, como la prueba de χ2 ("Chi cuadrado").