Modificaciones de los principios Mendelianos Archivo

Unidad 11. MODIFICACION DE LOS PRINCIPIOS MENDELIANOS
Documento elaborado con fines docentes por:
GUSTAVO LOZANO CASABIANCA
Biólogo M. Sc.
Profesor asociado Escuela de Nutrición y Dietética
Universidad de Antioquia
YOENIS GARCÍA HERRERA
Biólogo M. Sc.
Profesor de cátedra Escuela de Nutrición y Dietética
Universidad de Antioquia
SEBASTIAN GARCÍA RESTREPO
Estudiante Instituto de Biología
Universidad de Antioquia
CLARA I. ORTIZ RAMIREZ
Bióloga
Estudiante de maestría en Biología
Universidad de Antioquia
En el siglo XX, luego del redescubrimiento del trabajo de Mendel, las investigaciones
fijaron su atención en las muchas formas en que los genes influyen en el fenotipo.
Los tipos de herencia descritos en éste apartado se investigaron cuando los datos
observados no se adecuaban con las proporciones mendelianas esperadas. Esto
llevó a proponer hipótesis que modificaban y ampliaban los principios mendelianos
y fueron comprobadas con cruces especiales (1).
Dominancia incompleta y codominancia
De manera contraria a los cruces mendelianos introducidos en la unidad anterior,
un cruce entre padres con caracteres alternativos algunas veces pueden dar lugar
a descendientes con fenotipo intermedio. Por ejemplo al realizar cruces de plantas
de “boca de dragón” (Antirrhinum majus) con parentales de flores rojas y parentales
de flores blancas, los descendientes expresan flores rosadas. Dado que ni el color
rojo, ni el blanco es dominante, dicha situación suele denominase dominancia
incompleta (Tabla 12) (1).
Tabla 12. Dominancia incompleta.
Ejemplo para el color de las flores de “boca de dragón”
Genotipo
Cruce
(Fenotipo)
R1R1x R2R2
P1
(roja) x (blanca)
R1R2
F1
(rosa)
F1 x F1
R1R2x R1R2
¼ R1R1
(roja)
½ R1R2
F2
(rosa)
¼ R2R2
(blanca)
Los casos bien definidos de dominancia incompleta, son relativamente raros. Sin
embargo, aun cuando la dominancia completa sea aparente, un examen cuidadoso
de los niveles del producto génico revela a menudo un nivel intermedio de la
expresión génica (1).
Por otra parte, si dos alelos de un único gen son responsables ambos de la
expresión de determinado genotipo o fenotipo, puede surgir una situación diferente
tanto de la dominancia/recesividad de alelos como de la dominancia incompleta. Tal
es el caso de la expresión conjunta e independiente de ambos alelos en el
heterocigoto la cual se denomina codominancia (1).
Un ejemplo de codominancia está dado por el grupo sanguíneo MN. Se caracteriza
por una glicoproteína de membrana de los eritrocitos que proporcionan inmunidad
a los individuos. Hay dos formas de ésta glicoproteína: M y N.
Un individuo puede presentar una de ella o las dos (Tabla 13).
Tabla 13. Codominancia en el grupo sanguíneo MN
Los alelos se denominan LM y LN
Genotipo
Fenotipo
LMLM
M
LMLN
MN
LNLN
N
Alelos múltiples
Si consideramos que un gen almacena mucha información, podemos entender que
las mutaciones pueden afectar dicho gen de muchas maneras. Un solo cambio tiene
el potencial de dar lugar a un alelo diferente al original. Por esto, para cualquier gen,
el número de alelos presentes en los individuos de una población no
necesariamente está limitado a dos. En ocasiones de en un mismo gen se
encuentran tres o más alelos alternativos en la población, y por lo tanto se habla de
la presencia de alelos múltiples, los cuáles dan lugar a un modo de herencia
característico.
Estos alelos múltiples solo pueden estudiarse en poblaciones. Cualquier individuo
de un organismo diploide tiene, como mucho, dos loci génicos homólogos, que
pueden estar ocupados por alelos diferentes del mismo gen. Sin embargo, en los
miembros de una especie, puede haber muchas formas alternativas del mismo gen
(1).
El grupo sanguíneo ABO
El caso más simple de alelos múltiples es aquel en el que hay tres alelos alternativos
de un gen. Esta situación se presenta en la herencia del grupo sanguíneo ABO de
la especie humana. El sistema ABO, como el grupo MN, se caracteriza por la
presencia de antígenos en la superficie de los glóbulos rojos. Sin embargo, los
antígenos A y B son distintos de los antígenos MN y se encuentran bajo el control
de un gen diferente, localizado en el cromosoma 9 (1).
El fenotipo ABO de cualquier individuo se averigua mezclando una muestra de
sangre con antisuero que tenga los anticuerpos A o B, si hay antígeno en la
superficie de los glóbulos rojos de dicha persona, reaccionará con el
correspondiente anticuerpo se producirá la coagulación o aglutinación de los
glóbulos rojos. Cuando se examinan los glóbulos rojos de un individuo de este
modo, puede aparecer uno de los cuatro fenotipos. Cada individuo tiene o el
antígeno A (fenotipo A), el antígeno B (fenotipo B), los antígenos A y B (fenotipo AB)
o ninguno de ellos (fenotipo O) (1).
En 1924 se propuso que la herencia de estos fenotipos dependía de tres alelos de
un mismo gen. Esta hipótesis se basó en estudios de los grupos sanguíneos de
muchas familias distintas. Aunque se pueden utilizar notaciones diversas, se
utilizarán los símbolos: IA, IB, e IO para los tres alelos. La letra I se refiere a
Isoaglutinógeno (otro término para antígeno) (1).
Si se asume que los alelos IA y IB son responsables de la producción de los
antígenos A y B respectivamente, y que el IO es un alelo que no produce ningún
antígeno A o B detectable, se puede hacer una lista de los distintos genotipos
posibles y de sus correspondientes fenotipos (Tabla 14).
Tabla 14. Genotipos correspondientes a los fenotipos expresados en seres
humanos.
Genotipo
Antígeno
IA IA
A
IA IO
A
IB IB
B
Fenotipo
A
B
IB IO
B
IA IB
A, B
AB
IO IO
Ninguno
O
Nótese en la tabla que los alelos IAeIB son dominantes sobre el alelo IO, pero
codominantes entre sí.
En la actualidad se acepta totalmente la hipótesis de que los grupos sanguíneos
ABO en las poblaciones humanas están controlados por tres alelos (1).
Herencia Poligénica
Luego del redescubrimiento del trabajo de Mendel, diversos experimentos revelaron
que muchos caracteres fenotípicos se encuentran, a menudo, bajo el control de más
de un gen. Esto permitió entender que la influencia de los genes sobre el fenotipo
es mucho más compleja que la sugerida por Mendel a partir de sus experimentos
(1).
En lugar de que un único gen controle el desarrollo de características concretas del
organismo, quedó claro que caracteres como, por ejemplo, el color de los ojos, el
color del pelo o la forma del fruto están influidos por muchos genes, lo que ahora es
conocido como poligenia (1).
Para describir éste, y otros fenómenos, se utiliza el término interacción génica (1).
Este término se usa a menudo para describir la idea de que varios genes influyen
sobre una característica concreta. Sin embargo, esto no significa que dos o más
genes, o sus productos, interactúen necesariamente de manera directa para dar
lugar a un fenotipo concreto, más bien, la función celular de numerosos productos
génicos contribuyen al desarrollo de un fenotipo común. Por ejemplo, el desarrollo
de un órgano como el ojo de un insecto es extraordinariamente complejo y da lugar
a una estructura con manifestaciones fenotípicas múltiples, descritos de la manera
más sencilla como una forma, tamaño, textura y color específicos (1).
Epistasis
Algunos de los ejemplos de interacción génica son los que presentan el fenómeno
de la epistasia, la cual se presenta cuando la expresión de un gen enmascara o
modifica la expresión de otro gen (1).
Los genes implicados en la expresión de una misma característica fenotípica
algunas veces lo hacen de una manera antagonista, como cuando ocurre
enmascaramiento, y en otros casos ejercen su influencia de manera
complementaria o cooperativa (1).
Por ejemplo, la presencia en homocigosis de un alelo recesivo puede evitar, o
anular, la expresión de otro alelo en un segundo locus; en este caso los alelos del
primer locus se denominan epistáticos con respecto a los del segundo locus, que
son enmascarados y se denominan hipostáticos, así por ejemplo los alelos que
determinan el albinismo, los cuales siguen un patrón de herencia mendeliano
recesivo simple son epistáticos respecto a los diferentes alelos que determinan la
cantidad de melanina que produce un individuo en su piel (1).
Pleiotropía
La situación inversa a lo planteado anteriormente, consiste en los fenómenos donde
la expresión de un solo gen tiene múltiples efectos fenotípicos. Para ilustrar éste
caso podemos considerar el siguiente ejemplo:
El Síndrome de Marfan es una enfermedad que se origina por una mutación
autosómica dominante en el gen que codifica la proteína fibrilina del tejido
conjuntivo. Dado que la proteína está ampliamente distribuida en muchos tejidos del
organismo, se esperarían múltiples efectos a causa de dicha mutación (1).
La fibrilina es importante para la integridad del cristalino y de los huesos, y para el
revestimiento de los vasos sanguíneos. Por esto, una persona con el fenotipo
asociado al Síndrome de Marfan puede sufrir dislocación de cristalino, aumento del
riesgo de aneurismas aórticos y alargamientos de los huesos largos de las
extremidades (1), otro ejemplo de pleiotropía es el albinismo en el cual un solo par
de alelos tiene incidencia en la pigmentación de ojos, piel y cabello.
Existen muchos otros ejemplos que podrían citarse. Basta decir que si se analizan
cuidadosamente, la mayoría de las mutaciones presentan más de una
manifestación cuando se expresan (1).
Genes ligados
Investigaciones realizadas a principios del siglo XX revelaron que ciertos genes no
se transmitían de acuerdo con la ley de la transmisión independiente. En lugar de
ello, parecía que dichos genes segregaban como si estuvieran ligados o unidos (1).
Hoy sabemos que la mayoría de los cromosomas albergan un gran número de
genes, y se dice que los genes que hacen parte del mismo cromosoma están
ligados y evidencian ligamiento en los cruces. También, que los genes ligados no
son libres de transmitirse independientemente debido a que la unidad de
transmisión en la meiosis es el cromosoma, y no el gen (1).
Herencia ligada al sexo
En muchas especies animales y vegetales uno de los sexos posee un par de
cromosomas diferentes que están implicados en la determinación del sexo. Por
ejemplo en la especie humana, los varones tienen un cromosoma X y un
cromosoma Y, mientras que las mujeres tienen dos cromosomas X.
Aunque se reconocen ciertos genes específicos en el cromosoma Y humano, éste
carece de copias de la gran mayoría de genes presentes en el cromosoma X. Es
por esto que los genes situados en el cromosoma X presentan patrones únicos de
herencia en comparación con los genes autosómicos, situación que se describe con
el término ligamiento al cromosoma X o herencia ligada al sexo (1).
La diferencia en los patrones de herencia resultantes de los genes presentes en X
pero ausentes en Y, da lugar a una modificación de las proporciones mendelianas
(1).
Ligamiento al X en la especie humana
En la especie humana se han reconocido muchos genes, junto con sus respectivos
fenotipos, que están ligados al cromosoma X. Estos se pueden identificar en las
genealogías debido a su patrón de herencia (1).
Entre algunos genes ligados al cromosoma X que afectan la salud están los que
controlan dos tipos de hemofilia; distrofia muscular, genes reguladores de enzimas
tales como la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa y la hipoxantin-guanosinfosforibosiltransferasa, cuya ausencia en el organismo se presenta en pacientes con
el Síndrome de Lesch-Nyhan (caracterizado por disfunción neurológica, trastornos
cognitivos y de conducta y aumento o sobreproducción de ácido úrico).
Debido al modo en que se transmiten los genes ligados al X, patrones de herencia
inusuales pueden ir asociadas con anomalías recesivas ligadas al X, cuando se las
compara con anomalías autosómicas. Por ejemplo, si una anomalía ligada al X
debilita o es letal para el individuo afectado antes de que se reproduzca, la anomalía
se da mayoritariamente en los varones. Esto es así porque los alelos letales o
deletereos permanecen en la población gracias a las mujeres heterocigóticas que
son “portadoras” y que no manifiesta el rasgo. Ellas pasan el alelo a la mitad de sus
hijos varones, que desarrollan la enfermedad debido a que son hemicigotos. Las
mujeres heterocigotas también pasan el alelo a la mitad de sus hijas que, como sus
madres, se convierten en portadoras, pero no desarrollan la enfermedad (1).
Herencia limitada e influenciada por el sexo (el sexo del individuo influye en
el fenotipo)
En algunos casos, la expresión de un fenotipo concreto se encuentra estrictamente
limitada a un sexo; en otros, el sexo de un individuo influye en la expresión de un
fenotipo que no está limitado a uno u otro sexo. Esta distinción diferencia la
herencia limitada por el sexo de la herencia influenciada por el sexo (1).
En ambos tipos de herencia, los genes autosómicos son responsables de la
existencia de fenotipos alternativos, pero la expresión de estos genes depende de
la constitución hormonal del individuo. Así, el genotipo heterocigoto puede
manifestar un fenotipo en los machos y el alternativo en las hembras. Por ejemplo,
en aves de corral, la cola y las plumas del cuello son a menudo muy diferentes en
hembras y en machos, demostrando herencia limitada por el sexo. El plumaje del
gallo es más largo, curvado y puntiagudo que el de la gallina (1).
Otro caso de herencia limitada por el sexo se refiere a los genes autosómicos
responsables de la producción de leche en el ganado vacuno. Independientemente
del genotipo que influye en la cantidad de leche producida, estos genes obviamente
se expresan sólo en las vacas (1).
Entre los casos de herencia influenciada por el sexo se encuentra el patrón de
calvicie en la especie humana, la formación de los cuernos en ciertas razas de
ovejas, y ciertos patrones de pelaje en el ganado vacuno. En tales casos, son genes
autosómicos los responsables de los fenotipos alternativos manifestados por
hembras y machos, pero la expresión de estos genes depende de la constitución
hormonal de los individuos. Así, el genotipo heterocigoto puede manifestar un
fenotipo en un sexo y el fenotipo alternativo en el otro (1).
Por ejemplo, la calvicie en la especie humana, en donde el pelo es muy fino, o no
hay, en la parte superior de la cabeza se hereda como se ilustra en la Tabla 15:
Tabla 15. Influencia del sexo en la heredabilidad de la calvicie
Fenotipo
Genotipo
hembra
macho
BB
Calvo
Calvo
Bb
No calvo
Calvo
bb
No calvo
No calvo
Aun cuando las mujeres pueden presentar calvicie, este fenotipo es mucho más
prevalente en los varones. Cuando las mujeres heredan el genotipo BB, el fenotipo
es mucho menos pronunciado que en los varones y se expresa más tarde (1).
Influencia del ambiente en el fenotipo
La expresión fenotípica no siempre es el reflejo directo del genotipo. Hasta ahora
se ha asumido que el genotipo de un organismo se expresa siempre directamente
en su fenotipo, por ejemplo que los guisantes homocigotos para el alelo recesivo
siempre serán cortos. Se ha tratado el tema de la expresión del gen como si los
genes actuasen en un sistema cerrado en el que la presencia o ausencia de
productos funcionales determina directamente el fenotipo global de un individuo (2).
La situación es realmente mucho más compleja. La mayoría de los productos
génicos actúan en el medio interno de la célula y las células interactúan unas con
otras de varios modos. Además, el organismo debe sobrevivir ante diversas
influencias ambientales. Así, la expresión del gen y el fenotipo resultante son
modificados a menudo por la interacción entre el genotipo concreto del individuo y
el ambiente interno y externo (2).
El grado de influencia ambiental puede variar desde inapreciable hasta débil o muy
elevado. Las interacciones débiles son mucho más difíciles de detectar y
documentar, y conducen al conflicto “naturaleza-crianza” no resuelto, en el que los
científicos debaten la importancia relativa de los genes frente al ambiente (2).
Efectos de la temperatura
Debido a que la actividad química depende de la energía cinética de las sustancias
que reaccionan (que a su vez depende de la temperatura circundante), podemos
esperar que la temperatura influya en los fenotipos. Así por ejemplo hay plantas,
que produce flores rojas cuando se cultiva a 23°C y flores blancas a 18°C.
Se dice que las mutaciones que están afectadas por la temperatura son
condicionales y se denominan sensibles a la temperatura. Se conocen ejemplos
en los virus y en una serie de organismos, como bacterias, hongos y Drosophila sp.
En casos extremos, un organismo portador de un alelo mutante puede expresar un
fenotipo mutante cuando se cultiva a una temperatura, pero expresan el fenotipo
silvestre cuando se cultiva a otra temperatura. Este tipo de efecto es útil para
estudiar mutaciones que interrumpen procesos esenciales en el desarrollo y por ello
son normalmente perjudiciales para el organismo (2).
Efectos de la nutrición
Otro ejemplo en donde el fenotipo no es el reflejo directo del genotipo del organismo
es el de las mutaciones nutricionales. En los microorganismos, son muy
frecuentes las mutaciones que evitan la síntesis de moléculas nutritivas, como
cuando se inactiva una enzima esencial de una ruta metabólica. Un microorganismo
que lleve tal mutación se denomina auxótrofo. Si no se puede sintetizar el producto
final de una ruta bioquímica, y si dicha molécula es esencial para el crecimiento y el
desarrollo normales, la mutación impedirá el crecimiento y puede ser incluso letal
(2).
En la especie humana se conocen una serie de circunstancias ligeramente
diferentes. La presencia o ausencia de ciertas sustancias en la dieta, que los
individuos normales pueden consumir sin perjuicios, pueden afectar gravemente a
individuos con constituciones genéticas anormales. A menudo, una mutación puede
evitar que un individuo metabolice una sustancia que normalmente se encuentra en
la dieta. Por ejemplo, los afectados por el trastorno genético fenilcetonuria no
pueden metabolizar el aminoácido fenilalanina. Aquellos con galactosemia no
pueden metabolizar la galactosa. Sin embargo, si se reduce drásticamente, o se
elimina, la ingestión de la molécula correspondiente en la dieta, el fenotipo asociado
puede mejorarse (2).
El caso, bastante corriente, de la intolerancia a la lactosa, por el que los individuos
no toleran el azúcar lactosa de la leche, es un ejemplo de los principios generales
implicados. La lactosa es un disacárido que representa el 7% en la leche humana y
4% en la leche de la vaca. Para metabolizar lactosa, la especie humana necesita la
enzima lactasa, que escinde el disacárido. En los primeros años de vida se
producen cantidades adecuadas de lactasa. Sin embargo, en muchas personas, el
nivel de ésta enzima cae pronto drásticamente. Estos individuos, cuando llegan a
adulto, no pueden tolerar la leche (2).
Esta situación es particularmente prevalente en esquimales, africanos, asiáticos y
nativos americanos, aunque no se limita sólo a estos. En algunas de estas culturas
la leche normalmente se convierte en queso, mantequilla y yogur, en donde la
cantidad de lactosa se reduce significativamente y casi se pueden eliminar sus
efectos adversos.
En muchos lugares se dispone comercialmente de leche baja en lactosa y, para
ayudar la digestión de otros alimentos que contienen lactosa, la lactasa es ahora un
producto comercial que se puede ingerir (2).
REFERENCIAS
1. Klug WS, Cummings MR, Spencer CA. Conceptos de Genética. 8a ed. Madrid:
Pearson Educación; 2006.
2. Audesirk T, Audesirk G, Byers BE. Biología, la vida en la tierra, con fisiología.
9a ed. México: Pearson Educación de México, S.S de C.V; 2012.