martes, 30 de diciembre de 2014

(Un poco) más allá de las leyes de Mendel

Dicen las malas lenguas que Mendel envió una larga carta a la máxima autoridad biológica de la época, Charles Darwin, explicándole sus trabajos y los resultados que había obtenido, pero que Darwin fue incapaz de aceptarlos e integrarlos con su teoría de la evolución.

Lo cierto es que Darwin tenía su propia teoría acerca de la herencia genética, bastante diferente de la de Mendel. Mientras que los caracteres mendelianos son "discretos", están "cuantizados" (es decir, responden a leyes de todo o nada), Darwin necesitaba para explicar su teoría evolutiva rasgos con variación continua, que él comparaba con líquidos que se mezclaban en proporciones variables.

También es cierto que, para ser los únicos enunciados a los que se atribuye el rango de "ley" biológica, los postulados de Mendel están llenos de excepciones, que empezaron a encontrarse al poco de su descubrimiento y que, curiosamente, no las invalidan sino que dan más mérito a la intuición del buen monje centroeuropeo. Entre esas excepciones hay algunas que podrían dar una parte de razón a Darwin y a su idea de los caracteres de varación continua.

Codominancia y dominancia incompleta

 Tanto la herencia intermedia como la codominancia se refieren a alteraciones en la dominancia clásica que Mendel reflejó en sus trabajos. Según sus resultados, uno de los alelos "domina" sobre el otro, tiene más fuerza, por lo que es el que da lugar al fenotipo del individuo aunque éste sea heterocigoto, es decir, aunque el individuo tenga los dos alelos. Pero, ¿qué pasaría si los dos alelos de un gen tuvieran la misma fuerza?

En algunos casos esto se traduce en que los individuos heterocigóticos tienen un fenotipo diferente a los individuos homocigóticos, tal y como ocurre en las flores del rododendro. En esta planta, el color de la flor está determinado por un gen que tiene un alelo que determina que los pétalos sean de color rojo, y otro que hace que sean blancos. Los individuos heterocigóticos expresan ambos alelos, de modo que sus flores son en parte rojas y en parte blancas. Otro ejemplo de codominancia, Uno de los mejor conocidos se presenta en el sistema de grupos sanguíneos AB0, en el que los alelos que determinan el grupo A y el grupo B tienen la misma fuerza, de modo que cuando un individuo posee los dos alelos no presenta ni el grupo A ni el B, sino el grupo AB, un grupo sanguíneo que no es intermedio entre los otros dos, sino que más bien recoge las características de ambos.

También puede ocurrir que un alelo no llegue a dominar por completo al otro. Por ejemplo, ahora sabemos que cuando Mendel estudió la heredabilidad del carácter "color de la semilla" de los guisantes se encontró con que la presencia de una sustancia coloreada amarilla daba a estas semillas ese color, mientras que su falta hacía que fueran de color verde. Pero, ¿qué pasaría si en lugar de que un alelo permitiera la formación de un pigmento y el otro no los dos alelos dieran lugar a pigmentos de colores diferentes?

Esto, precisamente, es lo que ocurre en las flores del dondiego de noche. El gen que determina el color de la flor tiene dos alelos, uno de los cuales hace que la flor produzca una sustancia de color rojo, mientras que el otro hace que produzca una sustancia de color blanco. Todos sabemos qué es lo que ocurre cuando mezclamos pintura roja y blanca: conseguimos un color rosa. Lo mismo le pasa a los dondiegos, es decir, las flores heterocigóticas no son ni rojas ni blancas, sino rosas.

El caso de los dondiegos es uno de los mejores ejemplos conocidos de herencia intermedia. El resultado que obtenemos es que los individuos heterocigóticos tienen un fenotipo diferente a los dos individuos homocigóticos, que resulta intermedio entre ambos. La única diferencia entre este caso y el estudiado por Mendel es que los fenotipos en la F1 son diferentes a los individuos parentales. Sin embargo, el mecanismo de transmisión es exactamente el mismo que el de los genes con alelos dominantes y recesivos, y las proporciones genotípicas de los individuos responden exactamente a las leyes de Mendel.

La herencia incompleta puede darse en diferentes "grados": si el individuo heterocigoto es exactamente intermedio entre los dos parentales se considera que no hay dominancia, mientras que si se parece más a uno de los dos parentales que al otro se dice que ese alelo tiene una dominancia parcial o incompleta.


En su momento estos casos se vieron como objeciones a las leyes de Mendel; la codominancia pudo interpretarse como la "aparición" de un nuevo carácter, mientras que los casos de dominancia incompleta daban la impresión de responder a un mecanismo de herencia "por mezcla", parecido al que en su día propuso Darwin. Sin embargo, actualmente sabemos que son solo casos particulares, que pueden explicarse perfectamente mediante el mecanismo general de transmisión de los caracteres hereditarios.

Alelismo múltiple

En última instancia, los diferentes alelos que puede presentar un gen se deben a las mutaciones que ese gen ha podido sufrir a lo largo de la historia evolutiva de la especie que lo presenta. Evidentemente, un mismo gen puede sufrir más de una mutación a lo largo del tiempo, lo que hace que, en muchos casos, los genes tengan más de dos alelos.

Un ejemplo típico de alelismo múltiple (o serie alélica) lo constituye el gen que determina, en la especie humana, el grupo sanguíneo en el sistema AB0. En este caso, el carácter está determinado por tres alelos, IA, IB e I0.

El mecanismo de transmisión de los alelos de una serie alélica es totalmente mendeliano: cada individuo posee dos alelos del gen en sus células, de los cuales transmite solo uno a sus descendientes a través de sus gametos. Las relaciones de dominancia entre los diferentes alelos también son las que ya conocemos, pudiendo darse dominancia completa (IA > I0, IB > I0, incompleta o codominancia (IA = IB).

Los sistemas genéticos de alelos múltiples pueden dar lugar a una mayor variedad de genotipos y de fenotipos. Por ejemplo, en el sistema de grupos AB0 se pueden dar seis genotipos diferentes que, a su vez, dan lugar a cuatro posibles fenotipos. De este modo, la variabilidad genética de estos genes aumenta, lo que puede mejorar la capacidad de supervivencia de sus portadores.

Es posible apreciar esto siguiendo con el ejemplo de los grupos sanguíneos. En este caso, la función que determina este gen es la formación de una proteína que se presenta en la parte externa de los glóbulos rojos y que permite discriminar, distinguir entre los componentes de nuestro organismo y células procedentes de otros individuos. Desde este punto de vista, resulta evidente que si solo hubiera dos fenotipos posibles la capacidad de discriminación sería bastante baja, ya que todos los individuos con el mismo fenotipo que nosotros mismos serían considerados "inofensivos". A medida que aumenta el número de fenotipos, se incrementa también la proporción de individuos que son identificados como "diferentes", lo que supone una ventaja desde el punto de vista de la defensa inmunológica.

Genes ligados al sexo

En algunos organismos, como en la propia especie humana, la determinación del sexo se debe a la presencia de dos tipos de cromosomas, de modo que hay un sexo que es homocromosómico (posee dos cromosomas iguales) mientras que el otro es heterocromosómico. En el caso de los vertebrados estos cromosomas sexuales se denominan X e Y, y el sexo homocromosómico, las hembras, poseen dos cromosomas X mientras que los machos presentan un cromosoma X y otro Y.

Esto hace que la dotación genética de machos y hembras sea diferente. En general el cromosoma Y es más pequeño, y posee un número reducido de genes, relacionados con la diferenciación hacia el sexo masculino (en el hombre, por ejemplo, se incluyen entre estos genes el de la testosterona, hormona sexual masculina, pero también el de la alopecia androgénica, la forma de calvicie más frecuente, así como otros relacionados con la fertilidad masculina). Los individuos del sexo femenino no poseen estos genes específicos, mientras que los del sexo masculino sí que presentan esos genes, pero también los que se encuentran en el cromosoma X. Sin embargo, los machos solo poseen una copia de cada uno de estos genes que, debido a esto, se dice que actúan en hemicigosis.

Los genes que se encuentran en uno de los cromosomas sexuales se denominan "genes ligados al sexo", y su transmisión se caracteriza porque aparecen con diferente frecuencia en machos y hembras. Si un gen se encuentra en el cromosoma Y va a ser transmitido a todos los hijos de sexo masculino del progenitor que lo presenta, y solo a ellos. Además, como solo hay una copia del mismo en cada individuo el alelo siempre se manifiesta, y no tiene sentido hablar de "dominancia".

La situación es distinta si el gen se encuentra en el cromosoma X, como ocurre, por ejemplo, con el gen que determina el daltonismo en la especie humana. El daltonismo está determinado por un gen situado en el cromosoma X, de modo que su alelo dominante, XD, determina la visión de los colores normal, mientras que el recesivo, Xd produce el daltonismo cuando se encuentra en homocigosis (o en hemicigosis). Esto da lugar a diferentes relaciones entre genotipos y fenotipos en mujeres y varones, como se recoge en la siguiente tabla:

Genotipos Fenotipos
XDXD Mujer con visión normal
XDXd Mujer con visión normal
XdXd Mujer daltónica
XDY Varón con visión normal
XdY Varón daltónico

Las mujeres heterocigóticas no padecen la alteración, pero sí que pueden transmtírsela a sus hijos, por lo que frecuentemente se les denomina "portadoras".

El cuadrado de Punnett de la derecha muestra todas las posibles combinaciones de gametos que pueden darse en relación con la transmisión del daltonismo, con sus respectivas frecuencias en la población. Como se aprecia en la imagen, la proporción de individuos con daltonismo es distinta entre las mujeres (1%) que entre los hombres (9%), debido a que en estos últimos manifiestan el carácter solo con poseer un alelo ya que, al no tener otro que pueda "ocultarlo", siempre actúa como dominante.

 Genes ligados

Los casos anteriores son, en realidad, casos particulares de la primera ley de Mendel, que se explican perfectamente según ella una vez que se entienden las relaciones entre los alelos que los determinan. Sin embargo, a principios del siglo XX empezaron a encontrarse ejemplos de genes que contravenían la tercera ley de Mendel, la transmisión independiente de los caracteres.

La tercera ley de Mendel afirma que los genes se transmiten independientemente entre sí. Desde el punto de vista citogenético, eso significa que los genes se separan durante la formación de los gametos, de modo que se pueden combinar entre ellos de todas las formas posibles. Sin embargo, al estudiarse la transmisión de ciertos pares de caracteres se empezó a observar que se transmiten siempre (o casi siempre) juntos, sin combinarse entre sí.

De hecho, el propio Mendel pudo haberse encontrado con este mismo fenómeno si hubiera estudiado la transmisión del color y la forma de la vaina de los guisantes, en lugar de hacerlo con las semillas. El resultado de su experimento, en ese caso, habría sido aproximadamente el que se muestra en la figura de al lado, que correspondería más a la transmisión de un solo carácter que a la de dos independientes.

Sin embargo, en este tipo de cruzamientos sí que aparecen los "nuevos" fenotipos (amarillo rugoso y verde liso), aunque con una frecuencia muy baja, mucho más de la que se esperaría según la tercera ley de Mendel.

El estudio genético de distintos organismos dio lugar al concepto de los "grupos de ligamiento", grupos de genes que se transmiten conjuntamente. El fundamento biológico de este fenómeno se encuentra en que los grupos de ligamiento se corresponden con los cromosomas. Es decir, dos genes están ligados entre sí cuando se encuentran localizados en el mismo cromosoma, y por lo tanto se transmiten como un todo a los descendientes del individuo que los lleva. Esto también permite explicar la aparición de nuevas combinaciones entre esos genes, cuando se tiene en cuenta la posibilidad de que se produzca sobrecruzamiento entre los cromosomas homólogos durante la meiosis.

Caracteres poligénicos o cuantitativos

Muchos de los caracteres que se observan en un individuo no se deben a la acción de un único gen, sino al efecto combinado de varios. Este es el caso, por ejemplo, del color de la piel o del pelo o de la altura en los seres humanos. El resultado es que dichos caracteres muestran, en la práctica, una variación continua o casi continua, ya que los diferentes genes contribuyen cuantitativamente (aportan "un poco" de la caracteristica) al resultado final. En la imagen se recoge la variación del color de la piel a partir de un modelo de tres genes.

Genes pleiotrópicos

También puede darse la situación "inversa", es decir, que un único gen afecte a varios caracteres fenotípicos distintos. Es bastante habitual en genes relacionados con ciertas enfermedades, como ocurre por ejemplo en la anemia falciforme, una enfermedad que se debe a una mutación en un único gen, el que determina la estructura de la hemoglobina, la proteína encargada de transportar oxígeno en los glóbulos rojos. Los efectos fenotípicos en los individuos homocigóticos incluyen fallo renal, fallo cardiaco, trombosis y múltiples daños en diferentes tejidos.

Otras excepciones a los mecanismos de herencia simples

Existen otras excepciones a los mecanismos sencillos de transmisión de caracteres geneticos descritos por Mendel, como la existencia de genes deletéreos, que provocan la muerte de los individuos que los presentan. Es el caso, por ejemplo, del gen que determina la hemofilia, ligado al cromosoma X y que es letal cuando se encuentra en homocigosis, por lo que no hay mujeres que padezcan esta enfermedad.

También se dan casos en los que un gen modifica o regula la expresión de otro u otros genes. Un ejemplo es un gen que determina el desarrollo de cataratas en humanos. Aunque se trata de un gen dominante, no llega a expresarse si no se presenta, a la vez, cierto alelo en otro gen distinto.

Hay también genes que no se expresan a no ser que se den ciertos factores ambientales que los desencadenan. Por ejemplo, el gen que determina la diabetes tipo 2 no produce esta enfermedad a no ser que se sufra, además, de sobrepeso, estrés psicológico o grave privación de sueño. También ocurre algo similar con el gen que produce la esclerosis múltiple, cuyo efecto puede ser desencadenado por un virus (el de Epstein Barr) u otras situaciones de estrés ambiental. Se dice que estos genes presentan una penetración incompleta.

Otro caso más de herencia compleja se da en los genes cuya expresión está relacionada con el sexo; los genes limitados por el sexo se transmiten del mismo modo en varones y en mujeres, pero solo se expresan en uno de los dos sexos, como ocurre con la barba. Por su parte, los genes controlados por el sexo se expresan de forma diferente en varones o en mujeres. La gota es un ejemplo de enfermedad controlada por este tipo de genes, ya que presenta una incidencia ocho veces mayor en varones que en mujeres, lo que significa que es dominante en el hombre y recesivo en la mujer.