LOS PRIMEROS PASOS DE LA GENÉTICA Las experiencias de Gregor Mendel: piedras fundamentales de la genética En el año 1865, el monje austriaco Gregor Mendel(1822−1884) fue quien primero investigó detenidamente las diferencias hereditarias. En definitiva, lo que Mendel investigó es como se transmiten los caracteres hereditarios de generación en generación y, sin proponérselo, creó una nueva rama de la biología. En el año 1909, el biólogo inglés William Bateson (1861−1928) introdujo el término genética para designar la ciencia que estudia la herencia de los caracteres biológicos. Primera ley de Mendel Mendel utilizó 12.000 plantas durante ocho años de investigación. Estudió, de forma independiente unas de otras, siete características de las plantas de arvejas, y cada una de las cuales tenía dos alternativas posibles. Por ejemplo, el color de las flores: púrpura o blanco. El diseño experimental de Mendel fue el siguiente: •
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Primero dejó que las arvejas se autofecundaran durante varias generaciones para constatar que los caracteres elegidos se mantenían en forma estable. Luego, efectuó cruzamientos entre variedades que exhibía caracteres alternativos. Finalmente, permitió que el híbrido obtenido por las cruzas se autofecundara durante varias generaciones. De este modo, estaba permitiendo que las formas alternativas se segregaran entre la progenie.
Sobre la base de las conclusiones de sus experiencias, Mendel enunció su primera ley, también conocida como ley de uniformidad, que dice: `Todos los descendientes de la cruza entre dos razas puras son iguales entre sí'
Segunda ley de Mendel Al analizar los resultados de las cruzas, surge la siguiente duda: ¿qué sucede con el carácter del otro progenitor que no aparece en la descendencia? Para analizar esto Mendel dejó que la F1 se autopolinizara. En la segunda generación filial o F2 aparecían los caracteres del progenitor que habían quedado `ocultos' en la F1. El científico llamó a éstos caracteres recesivos, y a los que aparecieron tanto en la F1 como en la F2, los llamó dominantes. La única explicación posible que se desprendía de estas observaciones era la siguiente: `'Si uno de los caracteres alternativos de los padres no aparece en la primera generación, pero aparece en la segunda, pude deducirse que este carácter persiste, sin modificaciones a lo largo l argo del tiempo, oculto en la primera generación'' La segunda ley de Mendel, también conocida como ley de la segregación, podría enunciarse, entonces, de la siguiente manera: `Cada característica de los individuos es gobernada por un par de factores hereditarios. Los miembros de ese par segregan(se separan) en la formación de las gametas masculinas y femeninas'
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Los factores hereditarios de los que hablaba Mendel reciben el nombre de genes. Un par de genes informa sobre un carácter que tiene dos alternativas. Los genes miembros de un mismo par, que llevan informaciones alternativas sobre un mismo carácter, se llaman alelos. Si los alelos son iguales, es decir que ambos informan lo mismo será homocigota para ese carácter. Si los alelos son distintos, el individuo es heterocigota para ese carácter. Al par de alelos que gobierna un carácter se lo denomina genotipo, y a las características observables que resultan de la interacción entre los alelos se las llama fenotipo. En conclusión, el genotipo determina el fenotipo, que sí puede observarse. El genotipo no puede verse, pero puede inferirse a través del fenotipo, realizando todos los cruzamientos probables. Mendel expresó matemáticamente las proporciones genotípicas y fenotípicas para la F2 de la siguiente manera: • •
Proporción fenotípica: 75% de semillas amarillas; 25% de semillas verdes. Proporción genotípica: 25% AA(homocigota dominante)
25% aa(homocigota recesivo) 50% Aa(heterocigota) Tercera ley de Mendel A Mendel no le bastó investigar como se produce la transmisión de un solo carácter (cruzamiento monohíbrido), sino que emprendió un nuevo desafío: averiguar como se transmiten dos caracteres(cruzamiento dihíbrido). Al analizar la segunda generación filial(F2), Mendel formula su tercera ley, también conocida como ley de distribución independiente, que dice: `Los factores hereditarios no antagónicos mantienen su independencia a través de las generaciones, agrupándose al azar en los descendientes'
Como ordenar gráficamente las cruzas: Tablero de Punnett Para trabajar de forma ordenada con las gametas que se producen en la F2, y realizar todas las cruzas posibles, se confecciona un diagrama, llamado Tablero de Punnett, en honor al genetista que lo ideó. En este diagrama se ubican, sobre el borde superior y de forma horizontal, las gametas de uno de los progenitores. Las gametas que origina el otro progenitor se ubican del lado izquierdo y en forma vertical. Cruzamiento prueba o retrocruza Se ha establecido que ciertos genes son dominantes sobre otros y en estos casos que, al ver el fenotipo, no puede asegurarse cuál es el genotipo del individuo. Éste puede ser homocigota o heterocigota para el carácter en estudio. Para saber cuál es el genotipo del individuo y no dejarse llevar por las apariencias, se realiza un cruzamiento prueba o retrocruza. 2
Se denomina retrocruza a la cruza de un individuo que tiene el fenotipo dominante para un carácter dado y un individuo homocigota recesivo para ese mismo carácter. La importancia de la retrocruza radica en que permite conocer la constitución genética de las gametas formadas por un híbrido, analizando su descendencia. NUEVAS EXPERIENCIAS NUEVOS DESCUBRIMIENTOS Durante mucho tiempo, se desconoció en que parte de la célula se encontraban los genes. Unos años después de que Mendel elaborara las leyes fundamentales para la genética, se observó que el núcleo de la célula se tiñe intensamente. En el año 1789, el anatomista alemán Walter Fleming(1843−1905) utilizó el término cromatina para describir a la sustancia que se colorea dentro del núcleo celular durante el período de interfase de la mitosis. En las siguientes etapas de la mitosis, se observó que la cromatina se condensaba, formando unos pequeños corpúsculos a los que el anatomista alemán Wilhelm von Waldeyer(1836−1921) les dio, en el año 1888, el nombre de cromosomas. En el año 1903, el científico norteamericano Walter Sutton supuso que los genes se encontraban en los cromosomas. Su intuición se basaba en el paralelismo que existía entre el comportamiento de los cromosomas y el de los genes. Característica de los cromosomas Los cromosomas son unas estructuras que tienen forma de bastoncillos, constituidos por ADN e histonas(proteínas básicas del contenido celular). Los cromosomas se forman por condensación de la cromatina durante la meiosis o la mitosis. Existen dos tipos de cromosomas: • •
Anafásico(con una cromátida) Metafásico(con dos cromátidas unidas por un centrómero o constricción primaria)
Los extremos de las cromátidas se denominan telómeros, y los segmentos que hay entre el centrómero y los telómeros se llaman brazos. Según la posición del centrómero, se dan cuatro tipos de cromosomas: • • • •
Metacéntricos: el centrómero se sitúa en la mitad de las cromátidas; Submetacéntricos: los brazos originados por el centrómero son desiguales; Acrocéntricos: los brazos son muy desiguales, uno de ellos es prácticamente nulo; Telocéntricos: el centrómero se sitúa en la región del telómero.
Cada pareja de cromosomas se llama par homólogo. Un miembro del par es heredado por el progenitor masculino, y otro por el progenitor femenino. La posición que ocupa cada gen en cada miembro del par homólogo se denomina locus, palabra latina cuyo plural es loci. Los cromosomas homólogos poseen genes homólogos, es decir que el gen que codifica para el color de ojos está ubicado en el mismo locus en cada miembro del par. Cada alelo puede ser igual o distinto: ambos pueden codificar para ojos claros, o uno puede llevar información para ojos claros y el otro para ojos oscuros.
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Teoría cromosómica de la herencia Fueron fundamentalmente los trabajos del zoólogo norteamericano Thomas Hunt Morgan (1886−1945) los que dieron forma a la teoría cromosómica de la herencia. Los genes (a los que Mendel había denominado `factores hereditarios') están situados en los cromosomas. • Los genes se ordenan de forma lineal dentro del cromosoma. • Los segmentos cromosómicos se intercambian y, junto con ellos, lo hacen también los genes. •
Una pequeña mosca de apenas unos pocos milímetros de largo, llamada Drosophila Melanogaster, fue la responsable de llevar a la práctica los postulados de la teoría cromosómica de la herencia. Thomas Hunt Morgan llevó a cabo estas experiencias en el año 1910. Intentaba encontrar patrones regulares de herencia en estos animales, del mismo modo como lo había hecho Mendel con sus Plantas. El investigador observó que todas las Drosophila tenían los ojos rojos, aunque, ocasionalmente, aparecían moscas cuyos ojos eran de color blanco y que, además, eran machos. Al cruzar estos machos de ojos blancos(carácter recesivo) con una hembra de ojos rojos(carácter dominante), obtuvo una F1 100% de ojos rojos, de los cuales, el 50% eran machos y el 50% eran hembras. Morgan dejó que se cruzaran libremente los individuos de la F1, y obtuvo 75% de moscas de ojos rojos y 25% de ojos blancos, siendo, estos últimos, todos machos. Fue entonces cuando formuló la siguiente hipótesis: ``El gen para el color de ojos es llevado solamente por el cromosoma X''. A este tipo particular de herencia se la denomina herencia ligada al sexo. Entrecruzamiento y variación El último postulado de la teoría cromosómica de la herencia afirma que los cromosomas intercambian segmentos y, por lo tanto, también sus genes. Esta es la explicación que encontró Morgan para justificar los resultados que obtuvo en la siguiente experiencia. Morgan cruzó moscas de cuerpo marrón y alas largas con otras de cuerpo negro y alas cortas, obteniendo, en la F1, 100% de moscas de cuerpo marrón y alas largas. Cuando los individuos de la F1 se cruzaron entre sí, en lugar de encontrarse la proporción esperada de 9.3:3:1, que es la que se da cuando los genes segregan en forma independiente, se observó que algunas moscas tenían el cuerpo marrón y las alas cortas, mientras que otra tenían el cuerpo negro y las alas largas. Esto podría explicarse si los genes, que se creía que estaban en un mismo cromosoma, se hubieran separado, es decir, que los alelos, a veces, se intercambian entre los cromosomas homólogos. Se denomina entrecruzamiento o crossing over, al mecanismo mediante el cual se introduce variación genética, ya que se obtienen fenotipos nuevos. El entrecruzamiento corrobora que los genes ocupan lugares bien determinados en el cromosoma. Mapas genéticos Bridges y Stutervant, dos científicos que trabajaban junto con Morgan en el estudio de la teoría cromosómica de la herencia, relacionaron el porcentaje del crossing over con las diferentes distancias a las que se encuentran los genes dentro de los cromosomas, y llegaron a la conclusión de que la frecuencia de entrecruzamiento es menor cuanto más cerca están los genes entre sí. 4
Pudieron graficar la ubicación de cada gen en uno de los cromosomas de Drosophila. A esta representación gráfica se la llama mapa genético. La realización de un mapa genético de un ser humano es difícil, ya que posee 46 cromosomas. Sin embargo, se encuentra en marcha el denominado `Proyecto Genoma Humano', cuyo objetivo es la confección del mapa de los, aproximadamente, 100.000 genes que contienen toda la información hereditaria del ser humano. BASES MOLECULARES DE LA GENÉTICA En el interior del cromosoma A partir de la teoría cromosómica de la herencia, se sabe que los genes se localizan en los cromosomas y ocupan loci específicos. La sustancia química que forma los genes es el ADN(ácido desoxirribonucleico). El ADN es un polímero de nucleótidos. Cada nucleótido está formado por una molécula de ácido ortofosfórico, una pentosa(desoxirribosa) y una base nitrogenada. Las base nitrogenadas que forman el ADN son cuatro: adenina, citosina, guanina y timina. La secuencia de estas bases y su posición en la cadena de ADN determinan la transmisión de la información genética. Estructura y duplicación de ADN El descubrimiento de la estructura tridimensional del ADN fue uno de los logros científicos más grandes del mundo. En el año 1953, el científico estadounidense James Watson (1928−) y el científico inglés Francis Crick (1916−) interpretaron la estructura de esta molécula; por esto, en el año 1962, recibieron el Premio Nobel de Fisiología y Medicina. El conocimiento de la estructura del ADN es la clave para comprender la función del gen en término bioquímicos o moleculares. Watson y Crick propusieron el siguiente modelo molecular, denominado modelo de la doble hélice: • •
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Hay dos hebras o cadenas helicoidales de polinucleótidos enrolladas entre sí. Las bases nitrogenadas se ubican en el interior de la cadena y se aparean de la siguiente manera: adenina con timina y guanina con citosina. La secuencia de bases a lo largo del polinucleótido no se halla para nada restringida. En esta secuencia precisa de bases está la información genética. Una molécula de ADN puede tener miles de nucleótidos, por lo tanto, existe una gran variedad en la secuencia de bases. La variedad de esta secuencia determina la variabilidad del material genético.
La estructura del ADN en forma de doble hélice permite comprender como dicha molécula puede dar lugar a copias de sí misma, sin perder su conformación. La duplicación del ADN tiene lugar antes de iniciarse la mitosis o la meiosis. Para explicar este proceso, se propusieron varias hipótesis, pero una de ellas fue confirmada y es actualmente aceptada por los científicos: la hipótesis semiconservativa, propuesta por Watson y Crick. Según la hipótesis semiconservativa, el proceso que se sigue es el siguiente:
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En el interior del núcleo celular comienzan a separarse las dos hebras de ADN. Cada hebra es utilizada como molde para la construcción de una nueva hebra complementaria Al final de la duplicación quedan dos hebras dobles. Cada una de ellas está constituida por una hebra antigua y una hebra nueva.
Como la molécula de ADN es muy grande y posee una gran cantidad de genes, la información genética se traduce en el ARN mensajero, otro tipo de ácido nucleico mucho más pequeño, capaz de pasar del núcleo al citoplasma celular. Mediante procesos bioquímicos altamente complicados, el ARN mensajero transmite su mensaje y da lugar a la formación de proteínas. Las proteínas son la expresión del mensaje genético, y de ellas depende la totalidad de los caracteres de un ser vivo. Se llama código genético a la relación entre la secuencia de bases en el ADN y la correspondiente secuencia de aminoácidos en las proteínas. Luego de varias experiencias, se llegó a la conclusión de que un grupo de tres bases nitrogenadas(llamado codón) codifica un aminoácido. Ahora se puede dar una definición bioquímica de gen: Un gen es una porción de secuencia de bases del ADN que tiene la información para un determinado carácter, es decir, que codifica una proteína.
Las mutaciones Se denomina mutación al cambio de un gen de una forma alélica a otra, o al cambio heredable de la secuencia del ADN en una cromosoma. Las mutaciones no solo pueden producirse de manera espontánea, sino que también pueden ser incluidas por determinados agentes, denominados mutágenos, como las radiaciones(rayos X y rayos ultravioletas) y ciertas sustancias químicas(las drogas, como el LSD, la nicotina, el gas mostaza, el formaldehído, etc.). Los efectos de algunas mutaciones pasan inadvertidas, pero otras pueden llegar a ser letales. Todo depende de la zona el ADN que se vea afectada. Existen tres tipos de mutaciones: genómicas, cromosómicas y moleculares o génicas. Mutaciones genómicas: Son las mutaciones que afectan el número de cromosomas. •
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Las mutaciones que consisten en el aumento del número normal de `juegos de cromosomas' se denominan poliploidías. Las mutaciones que provocan un descenso en el número de `juegos de cromosomas' se llaman haploidías.
Mutaciones cromosómicas: La alteración se produce en una parte del cromosoma, es decir, que afecta a un grupo de genes. Mutaciones moleculares o génicas: Son cambios que se producen en la secuencia de bases del ADN. HERENCIA Y GENÉTICA HUMANAS 6
El cariotipo humano Se denomina cariotipo a la representación gráfica de los cromosomas presentes en el núcleo de la célula. Mediante el cariotipo es posible observar, con facilidad, el número, el tamaño y la forma de los cromosomas. De este modo, se logra la identificación de las aberraciones. También se observan los pares de cromosomas homólogos. Cualquiera puede concurrir a un laboratorio genético y pedir la determinación de su propio cariotipo. Solo basta con la extracción de una gota de sangre. Para preparar el cariotipo se inhibe, mediante drogas especiales, el movimiento de los cromosomas de las células sanguíneas durante la fase mitótica. Luego, se tiñen y se fotografían. Posteriormente, se los recorta y se los ordena según su tamaño. Anomalías cromosómicas en el ser humano Las alteraciones observadas, tanto en el número como en la estructura de los cromosomas, provocan ciertos síndromes y enfermedades en el ser humano. Algunos ejemplos son: Síndrome de Down: esta patología aparece cuando en el cromosoma 21 se encuentran tres cromosomas en lugar de dos. Los individuos con este mal tienen un cromosoma de más, es decir, tienen 47 cromosomas en lugar de 46. Se caracterizan por tener deficiencia mental, anormalidades cardíacas y alteraciones en el sistema nervioso. Fenilcetonuria: trastorno del metabolismo provocado por un gen defectuoso, incapaz de codificar la enzima fenilalanilhidroxilasa, que descompone el aminoácido fenilalanina en otro aminoácido llamado tirosina. Esta incapacidad hace que se acumulen en el organismo excesos de fenilalanina y de sus subproductos, altamente tóxicos, los que deterioran el sistema nervioso, provocan retardo mental en edad temprana y deficiencia de la pigmentación por melanina, entre otras cosas. Síndrome de klinefelter: Poseen un cromosoma X de más, es decir, que en lugar de ser XY, son XXY. El cromosoma X de más que poseen les otorga ciertas características femeninas. En su mayoría, los individuos afectados son varones: tienen testículos pequeños, las glándulas mamarias son más grandes que lo normal y tienen un menor desarrollo de los caracteres sexuales secundarios. Herencia ligada al sexo Todas las características de los organismos son el resultado de la expresión de sus genes, y esto mismo ocurre con el sexo. Todos los cromosomas son iguales en ambos sexos, a excepción del par que gobierna las características sexuales(heterocromosomas). En los seres humanos, los 23 pares de autosomas son iguales tanto en el hombre como en la mujer, a excepción del par sexual. El cromosoma X es más grande que el cromosoma Y; esto hace que tenga mayor cantidad de genes. A 7
pesar de esto, en los hombres, el cromosoma X y el cromosoma Y se aparean en forma parcial y se comportan como homólogos. En los heterocromosomas X e Y de los humanos, se distinguen un segmento homólogo y un segmento heterólogo. Los segmentos heterólogos no pueden intercambiarse genes entre ellos. Son, por lo tanto, genes completamente ligados al sexo. A la herencia que determinan estos genes se la denomina herencia ligada al sexo. Las enfermedades típicas ligadas al sexo son el daltonismo, la hemofilia y la ictiosis. Daltonismo: se caracteriza por una anormalidad en la retina que impide una visión correcta de colores. Comúnmente, es muy difícil de distinguir el rojo del verde. Hemofilia: los individuos hemofílicos carecen de una proteína que interviene en la coagulación de la sangre; por lo tanto, ante cualquier herida, se produce una hemorragia que no coagula. Ictiosis: es una afección de la piel que se caracteriza por la formación de escamas y cerdas. El primer caso estudiado fue el de Edward Lambert, nacido en Inglaterra en 1716. Sus seis hijos varones heredaron la ictiosis y la transmitieron a su descendencia, y ninguna de sus hijas heredó esta afección. Caracteres que se deben a un solo par de alelos Un carácter que depende de un solo par de alelos es el albinismo. Consiste en la falta del pigmento melanina en la piel, el cabello y los ojos. Los individuos mm son albinos. Los albinos presentan la piel y el pelo blancos, y el iris de los ojos azul o, incluso, rojo. Suelen tener miopía y otras anomalías de la vista. Otros caracteres que se deben también a un solo alelo recesivo son el rutilismo(pelo rojo y denso) y la alcaptonuria(ennegrecimiento de la orina y endurecimiento de los cartílagos). Caracteres que se deben a un solo alelo dominante son la sindactilia(dedos soldados o en menor número), la polidactilia(más de cinco dedos) y la braquidactilia(dedos muy cortos). Alelos múltiples La mayoría de los organismos posee dos alelos para un mismo gen pero, en algunos casos, puede que un gen tenga más alternativas. Éste es el caso de los grupos sanguíneos en los seres humanos, que son cuatro. Herencia poligénica Muchas veces, un carácter es afectado por dos o más genes. En este tipo de herencia, conocida con el nombre de herencia poligénica, no se notan diferencias bien marcadas entre los caracteres resultantes, sino más bien, diferencias pequeñas y graduales. Algunos caracteres hereditarios, que dependen de varios genes en los seres humanos, son la estatura, la longevidad, y la resistencia a las enfermedades.
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