Title: Unidad 3
Course: Biología Cultiva 3 BGU

Genética y herencia

▲ Cada vez son mayores los retos vencidos cuando se trata de reparar genes.

Una vez que hemos comprendido las bases moleculares y celulares de la herencia, es tiempo de revisar su expresión. ¿Por qué heredamos rasgos de parientes que no conocemos? ¿Cómo se manifiestan de repente enfermedades que no se conocían en la familia? Para ello examinaremos las leyes de la herencia intuidas por Mendel en el siglo XIX; también exploraremos aquellos mecanismos que fueron difíciles de descifrar, y que solo años más tarde, con estudios del ADN, de los genes y de su expresión selectiva, fueron entendidos.

En el camino, recorreremos los grandes hitos de la genética y sus descubrimientos, que tanto a nivel individual como poblacional nos han ayudado a comprender lo que somos, hacia dónde vamos y que hoy, además, han mejorado nuestra calidad de vida.

  Objetivos

- O.CN.B.5.7. Utilizar el lenguaje y la argumentación científica para debatir sobre los conceptos que manejan la tecnología y la sociedad acerca del cuidado del  ambiente, la salud para armonizar lo físico y lo intelectual, las aplicaciones científicas y tecnológicas en diversas áreas del conocimiento, encaminado a las necesidades y potencialidades de nuestro país.
- O.CN.B.5.9. Apreciar el desarrollo del conocimiento científico a lo largo del tiempo, por medio de la indagación sobre la manera en que los científicos utilizan con ética la biología en un amplio rango de aplicaciones, y la forma en que el conocimiento biológico influye en las sociedades a nivel local, regional y global, asumiendo responsabilidad social.
- O.CN.B.5.10. Valorar la ciencia como el conjunto de procesos que permiten evaluar la realidad y las relaciones con otros seres vivos y con el ambiente, de manera objetiva y crítica.

Las leyes de Mendel I

CN.B.5.1.14. Describir las leyes de Mendel, diseñar patrones de cruzamiento y deducir porcentajes genotípicos y fenotípicos en diferentes generaciones.

● Las leyes de Mendel I

Saberes previos

¿Qué rasgos externos has heredado de tu padre y de tu madre?

Desequilibrio cognitivo

¿Cómo te explicarías que un individuo herede una enfermedad de su bisabuelo, sin que nadie más en su familia la padezca?

▲ Los alelos pueden ser iguales o diferentes, y se ubican en el mismo locus.

▲ Algunas características pasan de padres a hijos y otras no. ¿De qué depende esto?

La genética estudia los mecanismos de la herencia, es decir, de qué manera las características de un ser pasan a sus descendientes. La unidad de la herencia es el gen, el cual se encuentra dentro de los cromosomas.

Cada especie tiene un número característico de cromosomas en sus células diploides, es decir, aquellas que contienen un juego de cromosomas provenientes del padre y otro juego de la madre. Los genes heredados del papá y de la mamá se ubican dentro de los cromosomas, en el mismo locus, aunque se trate de alelos diferentes. Por ejemplo, el locus del gen que produce la cadena beta de la hemoglobina está en el cromosoma 11 y este gen tiene dos alelos: uno normal y otro mutante (que produce una enfermedad llamada anemia falciforme). Una persona puede tener el alelo normal heredado de un progenitor y el mutante heredado del otro, y ambos se ubicarán en el mismo lugar del cromosoma 11.

De esto se desprende que para cada característica tenemos dos genes, los cuales pueden ser iguales o diferentes.

▲ Varios países han reconocido el gran aporte de Mendel a la ciencia, y han emitido estampillas con su imagen y sus guisantes.

Los experimentos de Mendel

A mediados del siglo XIX, el monje austriaco Gregor Mendel experimentó con cruces de guisantes para ver qué características se heredaban y de qué manera. La forma metódica y meticulosa con la que registró sus resultados le permitió inferir las leyes básicas de la herencia, aún sin conocer de la existencia de los cromosomas ni de los genes. Logró esto aplicando rigurosamente el método científico y hallándole sentido a los números y proporciones que arrojaban sus resultados.

TIC

Visita el siguiente enlace, observa el video sobre Gregor Mendel y la historia de la genética:

www.mayedu.ec/bio3/p75

Responde. ¿En qué consiste la teoría preformista?

Antes de explicar las leyes de Mendel, es importante tener en cuenta que en genética una cosa es la expresión de los genes, es decir, la característica que se puede notar, por ejemplo si los ojos son azules o cafés (esta expresión se denomina fenotipo). Y otra cosa es la composición genética, es decir, qué alelos están presentes en los cromosomas de un ser. Esto es algo que no se determina a simple vista y que toma el nombre de genotipo.

Dentro de este orden de ideas, los individuos pueden tener alelos iguales, en cuyo caso se llaman homocigotos (AA o aa, por ejemplo); por el contrario, aquellos cuyo alelo heredado del padre difiere del de la madre se llaman heterocigotos (en nuestro ejemplo sería Aa).

Esto es fácil explicar, hoy que conocemos los genes. Pero para Mendel fue complicado comprender. Él intuyó que debía haber algún factor que hacía que individuos de razas puras al cruzarse entre sí (amarillos con amarillos, verdes con verdes) mantenían las características originales de generación en generación.

▲ En mascotas, mantener las razas puras permite reforzar sus características específicas de peso, tamaño, color o carácter.

En contraste, si se cruzaban individuos pertenecientes a razas diferentes, se obtenían hijos híbridos que, al cruzarse entre sí, podrían tener descendencia con las características de los dos padres, en proporciones variadas (algunos de color amarillo, algunos verdes). Después de muchos cruces y no menos análisis, Mendel logró algunas conclusiones que se resumen en las famosas leyes que veremos a continuación.

Primera ley de Mendel

A esta ley también se la conoce como ley de uniformidad de los heterocigotos de la primera generación filial, porque Mendel notó que al cruzar individuos que él sabía eran de razas puras de guisantes con flores color púrpura y otras con flores de color blanco, el 100 % de los descendientes mostró flores púrpuras. De estos resultados, concluyó que, de alguna manera, hay partículas responsables de la herencia que dominan sobre otras llamadas recesivas, enmascarando su expresión.

▲ En sus experimentos, Mendel podía observar el fenotipo, como, por ejemplo, el tamaño de las vainas de los guisantes. El genotipo, sin embargo, fue algo que tuvo que intuir.

▲ Mendel usaba el polen de un progenitor y lo depositaba en el pistilo del otro, para así controlar los cruces y evitar cruces no deseados.

Para comprender lo que dedujo Mendel, se utiliza la herramienta llamada cuadro de Punnet, que es una forma de organizar mejor los cruces y evidenciar los resultados.

El algoritmo que comúnmente se usa para analizar los problemas de genética es el siguiente:

^ Pasos | ^ Cómo se expresa
1. Se establece el genotipo de los progenitores, asignando una letra mayúscula a la característica que domina sobre la otra, de acuerdo con los resultados de los hijos. En este caso, usaremos la letra P que corresponde al color púrpura de la flor y p para la flor blanca. Si sabemos que ambos padres pertenecen a razas puras, los dos alelos serán iguales. Por lo tanto, el cruce será así:
Característica: color de la flor

Progenitores
         PP        ×      pp

   púrpura        blanco

(dominante) (recesivo)
2. Se identifica cómo serán los gametos que produzca cada progenitor. Se trabaja solo con dos gametos para abreviar los resultados. Como los dos progenitores tienen alelos iguales, la única posibilidad es la siguiente: | Gametos: P; P × p; p
3. Se llena el cuadro de Punnet, colocando los gametos de un progenitor en la primera fila, y los del otro progenitor, en la primera columna. Entonces se realiza el cruce de la siguiente manera:
 | P | P
p | Pp | Pp
p | Pp | Pp
4. Se analizan en porcentajes los genotipos producidos. | Genotipos: Pp 100 %
5. Se analizan en porcentajes los fenotipos producidos: | Fenotipos: Flores púrpuras 100 %

^Maya Ediciones, (2018).

▲ Caracteres dominantes y recesivos de los guisantes, usados por Mendel en sus experimentaciones.

Gracias a esto, Mendel logró determinar una serie de características dominantes en los guisantes que le permitieron llegar a sus famosas conclusiones.

Las leyes de Mendel II

CN.B.5.1.14. Describir las leyes de Mendel, diseñar patrones de cruzamiento y deducir porcentajes genotípicos y fenotípicos en diferentes generaciones.

● Las leyes de Mendel II

Saberes previos

En la naturaleza, ¿hay más razas puras que híbridas?

Desequilibrio cognitivo

Si los padres tienen ojos oscuros y su hijo nace con ojos claros, ¿podría hablarse de infidelidad?

Segunda ley de Mendel: la segregación de caracteres

Mendel permitió que los hijos obtenidos con el cruce entre padres de razas diferentes, es decir, los híbridos (Pp) de flor púrpura, se reprodujeran libremente. Al analizar la filial 2 (F2), los factores que llamaron su atención fueron que aparecían algunos hijos con flores blancas y, en segundo lugar, que su presencia equivalía a la cuarta parte de toda la generación. En otras palabras, que por cada 3 flores de color púrpura, había 1 de color blanco (una proporción de 3:1).

▲ En la diversidad genética, y no en las razas puras, es donde reside la capacidad de una especie de adaptarse a los desafíos del medio.

▲ Cuando individuos de la F1 se cruzan entre sí, el fenotipo dominante se presenta en una proporción 3:1.

▲ El color oscuro de los ojos es dominante sobre el color claro. En la gráfica, algunos ejemplos de cruces entre individuos heterocigotos y homocigotos dominantes y recesivos.

Por su formación matemática, Mendel logró correlacionar estas proporciones con el binomio de Newton, que consiste en lo siguiente:

(a + b)^2 = a^2 +2ab + b^2

Reemplazando las letras por las de nuestro ejemplo:

(Pp) × (Pp) = PP + 2Pp + pp

Si P, al coexistir con p, tiene la capacidad de ocultar su fenotipo, entonces la proporción de 3:1 está explicada. Así fue como este ingenioso y metódico monje logró demostrar la existencia de los genes dominantes y de los recesivos, y que cada individuo lleva una partícula heredada del padre y otra de la madre.

La ley de la segregación de los caracteres se llama así, porque demuestra que los gametos producidos por cada progenitor no tienen una mezcla de los genes, sino que estos se heredan por separado: el padre de nuestro ejemplo produce gametos P y p (al igual que la madre), no gametos que contengan la mitad de P y la mitad de p.

Para practicar nuestro algoritmo, pongamos como ejemplo una de las posibilidades de F3, en la que se cruzan los siguientes progenitores.

Dato curioso

A medida que practiques los cruces, serás capaz de inferir cuáles son los genotipos de los progenitores con solo conocer los resultados fenotípicos.

▲ Resultados de la F1 de un cruce entre un progenitor homocigoto dominante y otro homocigoto recesivo, para dos caracteres.

Tercera ley de Mendel: la distribución independientede los caracteres

Hasta ahora hemos visto cómo Mendel descubrió la herencia de una característica, pero los seres heredamos muchísimas características de nuestros padres. Este monje empezó a fijarse qué sucedía cuando analizaba dos o más caracteres de sus guisantes a la vez, en cada cruce. Por ejemplo, el color de la semilla y su textura.

En los guisantes, el color amarillo de la semilla es dominante sobre el verde, mientras que la textura lisa domina sobre la rugosa; por lo tanto, en un cruce de homocigotos dominantes por homocigotos recesivos, se tendrá lo siguiente:

Obtención de la F1

Autocruzamiento de la F1

▲ Resultado del cruce de dos dihíbridos.

Si se permite el cruzamiento de los dihíbridos obtenidos en la F1 entre sí, se obtiene lo siguiente:

Es importante notar una regla que ayuda a analizar ordenadamente los resultados: las letras mayúsculas (correspondientes a genes dominantes) se escriben antes que las minúsculas.

▲ En este gráfico se observa lo que sucede con genes que están distantes y pueden recombinarse durante la meiosis I.

También se destaca que en el caso del cruce dihíbrido, la proporción resultante es de 9:3:3:1. Si analizáramos los resultados de un cruce de la F3, las proporciones variarían, dependiendo de los progenitores.

La conclusión que Mendel obtuvo con estas observaciones es que características diferentes se heredan independientemente. Ahora comprendemos que eso sucede cuando los genes están en diferentes cromosomas; pero cuando se forman los gametos, los genes que están en el mismo cromosoma (genes ligados) tienden a heredarse juntos, siempre y cuando la distancia entre ellos sea corta (disminuyendo de esta manera la probabilidad de entrecruzarse durante el crossing over).

Por el contrario, si los genes están distantes, es muy posible que se recombinen durante la gametogénesis.

Interdisciplinariedad

Genética y estadística

Uno de los campos en el que más contribuyen las ramificaciones de las matemáticas a las ciencias de la vida es la genética, pues la herencia depende mucho del cálculo de probabilidades.

Leyes y principios no mendelianos I

CN.B.5.1.15. Experimentar e interpretar las leyes y principios no mendelianos de cruzamientos en insectos y vegetales.

● Leyes y principios no mendelianos I

Saberes previos

¿En qué se fijó Mendel para inferir las leyes de la herencia?

Desequilibrio cognitivo

¿Qué explicación podrías dar al hecho de que un padre con cabello rizado tenga una hija de cabello ondulado?

No todo lo que se hereda puede ser explicado por las tres leyes de Mendel, como veremos a continuación.

Alelos múltiples y codominancia de los genes

Cuando para una misma característica hay varios fenotipos posibles, se habla de alelos múltiples, como con el caso del color de ojos en los humanos; estos pueden ser castaño oscuro, castaño claro, verdes, azules y hasta violetas. Otro ejemplo es el que proviene de la herencia sanguínea en los humanos: los glóbulos rojos de la sangre tienen varios anticuerpos en su membrana plasmática, cuya misión es reconocer antígenos que no pertenecen a su misma sangre y destruirlos. La presencia de estos anticuerpos se origina en alelos múltiples que  hacen que la sangre se clasifique en varios grupos, como el grupo ABO y el factor Rh.

1. Grupo ABO. Los diferentes tipos se determinan de acuerdo con la presencia del anticuerpo y antígeno que posean, los cuales son opuestos. Esto es muy importante conocer porque, si por error se hace una transfusión de sangre tipo B a una persona que tenga los anticuerpos contra ese antígeno (la de sangre A o O), la reacción adversa podría llevarla a la muerte. La sangre tipo O no tiene ningún antígeno en la membrana de sus células rojas, razón por la que no van a ser identificadas por los anticuerpos de otro tipo de sangre. Por su parte, las personas AB, que no tienen anticuerpos, pueden recibir sangre de cualquier otro tipo sanguíneo, pese a que solo podrán donarla a quienes tengan AB. Veamos cómo son los genotipos de estos grupos sanguíneos.

▲ Padres que tienen el tipo de sangre A y B pueden tener hijos A, B, AB y O, por efecto de los alelos múltiples y la codominancia de los genes.

Grupo sanguíneo | Grupo A | Grupo B | Grupo AB | Grupo O
Genotipo | AA; AO | BB; BO | AB | OO

▲ Antígenos y anticuerpos de los diferentes grupos sanguíneos

▲ Otro ejemplo de codominancia es la mezcla de colores amarillo y naranja en esta flor de achira.

1. Esto se explica porque en este tipo de herencia coinciden dos cosas: que el gen O es recesivo cuando coexiste con los genes A o B; y que cuando A y B están juntos, ninguno domina sobre el otro, y ambos fenotipos se manifiestan. A esto último se lo denomina codominancia.
2. Resolución de un ejercicio mediante un algoritmo: determina qué tipo de sangre podrán tener los hijos de una pareja cuyo padre tiene sangre O, y la madre, sangre AB.

TIC

Observa el siguiente reportaje sobre incompatibilidad materno-fetal y explica qué tipo de complicaciones se pueden presentar cuando la madre es Rh negativo.

www.mayedu.ec/bio3/p83

▲ Si la madre es Rh – y el padre es Rh +, es importante tomar medidas en el embarazo para evitar complicaciones por incompatibilidad sanguínea con los hijos.

1. Factor Rh o factor Rhesus. Se determina por la presencia de una proteína específica en la membrana de los glóbulos rojos. Quienes son Rh negativo carecen de esta proteína, pero generan anticuerpos que hacen que no puedan recibir sangre de personas Rh positivas. En este caso, el gen positivo es dominante sobre el negativo. Esto es importante conocer antes de un embarazo, sobre todo si la madre es Rh negativo, pues si el hijo resulta ser Rh positivo hay que tomar medidas preventivas para evitar el contacto directo de los dos tipos de sangre.
Resolución de un ejercicio: un padre de sangre AO+‒ procrea con una mujer BO‒‒. ¿Qué tipo de sangre podrán tener sus hijos? ¿Cuál es la probabilidad de que se presente incompatibilidad del factor Rh?

▲ Los caballos palominos presentan rasgos intermedios, pues son fruto del cruce entre un progenitor castaño oscuro y otro blanco.

Dominancia incompleta

En la naturaleza también se da el caso de seres que heredan un fenotipo intermedio entre los que presentan sus padres. Por ejemplo, flores de color rojo que al cruzarse con flores blancas producen descendencia con flores rosadas. Esto se denomina dominancia incompleta o herencia intermedia.

En este caso, la nomenclatura que se usa en los ejercicios cambia, pues al no haber un gen dominante, las letras mayúsculas y minúsculas no son útiles para expresar este tipo de herencia. Veamos un ejemplo.

En las personas, el cabello lacio y el cabello rizado son características homocigóticas. El individuo heterocigoto muestra cabello ondulado. Determinar las probabilidades de tener cabello lacio, si los dos padres tienen cabello ondulado.

▲ Los animales también pueden tener heterocromía, o sea, ojos de distinto color.

▲ Glóbulos rojos normales, con forma de disco, y glóbulos en forma de hoz, de la anemia falciforme.

Herencia poligénica y pleiotropía

En muchas ocasiones, una misma característica responde a la influencia fenotípica de varios genes y por eso se habla de herencia poligénica. Este es el caso del color de los ojos, del cabello o de la piel en los humanos, así como su peso y altura.

El caso contrario, o pleiotropía, consiste en que un solo gen interviene en la manifestación de varios rasgos a la vez. Un ejemplo de ello es la enfermedad conocida como anemia falciforme, que se produce por la mutación de un solo nucleótido, y produce glóbulos rojos deformes, dolores en el cuerpo, microinfartos y resistencia a contraer malaria.

Interdisciplinariedad

Genética y ciencias forenses

Una aplicación de la genética es su contribución a la identificación inequívoca de individuos al momento de investigar un crimen.

¿Dónde se puede estudiar esta carrera?

Leyes y principios no mendelianos II

CN.B.5.1.15. Experimentar e interpretar las leyes y principios no mendelianos de cruzamientos en insectos y vegetales.

● Leyes y principios no mendelianos II

Saberes previos

¿Cuáles son las diferencias cromosómicas entre un hombre y una mujer?

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué hay enfermedades que afectan más a uno de los dos sexos?

▲ El daltonismo consiste en confundir algunos colores. En el mundo, hay tres veces más hombres daltónicos que mujeres.

Particularidades de los cromosomas sexuales

Recordemos que los seres humanos tenemos 22 pares de cromosomas autosomas (cualquier cromosoma no sexual) y un par de cromosomas sexuales. En el caso de las mujeres, esos cromosomas son XX, y en los hombres, son un cromosoma X (que fue heredado de la madre) y un cromosoma Y (que provino del padre). Los cromosomas X y Y difieren en tamaño y en número de genes, pero aun así se reconocen como homólogos, durante la meiosis.

En los humanos, el cromosoma X tiene muchas regiones de eucromatina; este cromosoma casi triplica en tamaño (medido en megabases) al cromosoma Y, y contiene 1 581 genes más. Su función, aparte de unos pocos genes dedicados a las características femeninas, tiene que ver con rasgos generales, tales como la visión del color o la coagulación de la sangre, por lo que cada individuo necesita tener, por lo menos, una copia de este cromosoma.

El Y, por su parte, tiene genes relacionados con la fertilidad y con pocos caracteres  que influyen en  la maduración de los órganos sexuales masculinos. Estos caracteres que pasan de padre a hijo tienen el nombre de rasgos holándricos.

Hay mutaciones que se producen exclusivamente en genes del cromosoma X o del Y, ocasionando enfermedades. Son las “enfermedades ligadas al sexo”. A continuación veremos cómo se las hereda y de qué manera se determinan.

▲ Herencia de los cromosomas sexuales. Es el padre el que determina el sexo del nuevo ser.

▲ En este esquema del cariotipo humano se puede apreciar la diferencia en tamaño y forma de los cromosomas sexuales X y Y.

Enfermedades ligadas a los cromosomas sexuales

Si se analiza lo que sucede con los genes del cromosoma X, se nota que algunos de estos no tienen su alelo correspondiente en el cromosoma Y.

▲ Efecto del golpe en la rodilla de una paciente hemofílica.

Si una mujer es heterocigota para una característica ligada a su cromosoma X, esta se manifestará solamente si es dominante. En el caso de los hombres, todos los genes presentes en el cromosoma X se expresarán, sin importar que sean dominantes o recesivos. Este individuo con un solo alelo se conoce como hemicigoto.

Un ejemplo de enfermedad ligada a un cromosoma sexual es la hemofilia, la cual se produce por la ausencia de un factor de coagulación de la sangre, que es la proteína globulina antihemofílica. Las personas que la padecen deben ser controladas desde pequeñas para evitar que un corte las haga desangrar. Esta enfermedad fue frecuente entre la nobleza europea, debido a su gran endogamia (matrimonios entre parientes o consanguíneos).

Una herramienta particularmente útil para visualizar la procedencia de las enfermedades, y si se relacionan con cromosomas sexuales, es el llamado árbol genealógico, sobre todo en seres humanos. Como resaltan Audesirk et al. (2008), no somos una especie en la que se puedan hacer cruces por experimentación.

▲ En el árbol genealógico del Rey Juan Carlos de España, se aprecia cómo su tío Gonzalo heredó la hemofilia a partir de su bisabuela Beatriz. Nótese, además, que no hay ninguna mujer hemofílica.

¿Cuál es la razón por la que la hemofilia se presentó solamente en hombres? La respuesta es que para que una mujer pueda presentar este mal, se necesita que tenga los dos alelos de hemofilia, pues en este caso funcionan como recesivos. En cambio, basta que un hombre haya heredado el alelo de hemofilia de su madre (portadora sana), para que él manifieste la enfermedad, tal como se muestra a continuación.

▲ Son varios los tests que ayudan a determinar el tipo de daltonismo que una persona padece.

TIC

Visita el siguiente enlace:

​www.mayedu.ec/bio3/p88

Observa el video que se llama “¿Sabes qué es el daltonismo?” y explica cómo actúan los conos para permitirnos ver el color.

Algo parecido sucede con el daltonismo, una enfermedad que impide que las células de las retinas de los ojos, llamadas conos, perciban el color normalmente. Por ello se confunden algunas tonalidades del rojo, verde y azul.

Las personas daltónicas tienen el siguiente genotipo:

X_dY ó X_dX_d

¿En qué casos podría nacer una mujer daltónica? Para ello sería necesario que el genotipo de los padres tuviera una de las siguientes posibilidades:

Progenitores: X_dY x X_dX ó X_dY x X_d X_d

Otro ejemplo de genes que se heredan con el cromosoma X es el que proporciona el color de los ojos de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster). En un cultivo de laboratorio de esta especie, que normalmente tiene ojos rojos, un día apareció un macho de ojos blancos. Al hacer la cruza de este macho con una hembra de raza pura, todos los hijos resultantes tuvieron ojos rojos, pero al cruzar los heterocigotos, la F2 exhibió la mitad de machos con ojos blancos y la otra mitad con ojos rojos, por lo que se hizo evidente que la mutación ocurrió en el cromosoma X.

▲ El experimento con el color de ojos de la mosca de la fruta llevó al genetista T. H. Morgan a descubrir la existencia de los genes ligados a los cromosomas sexuales.

En contraste, hay pocas enfermedades ligadas al cromosoma Y, las cuales tienen que ver con una producción defectuosa de espermatozoides o daños a sus órganos sexuales; por lo tanto, estos rasgos holándricos nunca aparecerán en mujeres.

Interdisciplinariedad

Genealogía e historia

Los árboles genealógicos también ayudan a comprender los efectos de las migraciones y cómo van cambiando las familias, la cultura y tradiciones, e incluso cómo influye el ambiente en esos cambios.

Teoría cromosómica de la herencia

CN.B.5.1.16. Indagar la teoría cromosómica de la herencia, y relacionarla con las leyes de Mendel.

● Teoría cromosómica de la herencia

Saberes previos

¿Qué información está almacenada en los cromosomas?

Desequilibrio cognitivo

Si los rasgos heredables están dentro de los genes, ¿cuál es la importancia de estudiar los cromosomas?

▲ La facultad de teñirse con tintes básicos reveló la naturaleza ácida del material nuclear.

El descubrimiento de los cromosomas

En 1842, los avances de las técnicas citológicas le permitieron al botánico suizo Karl von Nägel (1817-1891) identificar unas estructuras particulares dentro de los núcleos de las células vegetales que estudiaba. Casi cuatro décadas después, los experimentos mitóticos del alemán Walther Flemming (1843-1905) demostraron que estas estructuras se tinturaban fuertemente con pigmentos. Flemming notó, además, que esta estructura –a la que pasó a llamar cromatina (chromos es color en griego)– lucía diferente en las diversas etapas del ciclo celular.

▲ Sutton y Boveri fueron los primeros en proporcionar datos experimentales para asociar la herencia de caracteres con los cromosomas, a principios del siglo XX.

TIC

Diviértete comprobando qué tan rápido puedes resolver un test de genética. Entra al siguiente enlace y sigue las instrucciones:

www.mayedu.ec/bio3/p90

Posteriormente, el belga Édouard van Beneden (1846-1910) también notó estas estructuras durante experimentos de meiosis realizados con la lombriz parásita del género Ascaris. Al comparar las células germinales con los óvulos y los espermatozoides, se dio cuenta de que los gametos contenían la mitad de estas estructuras nucleares y que la fecundación restablecía su número original.

El término cromosoma ("cuerpo tinturado" en griego) fue acuñado por el alemán Wilhelm von Waldeyer, en 1888; pero su función era desconocida, pese a los intentos fallidos de (el también alemán) August Weismann de relacionarlo con la transmisión hereditaria.

Fue recién en 1902 que el norteamericano Walter Sutton (1877-1916), trabajando en la espermatogénesis de un saltamontes (Brachystola magna), relacionó las leyes de la herencia de Mendel con la separación de los pares de cromosomas durante la meiosis y luego su reencuentro, por medio de la fecundación.

Paralelamente, el alemán Theodor Boveri (1862-1915) concluyó que el desarrollo embrionario en los erizos de mar solo se producía normalmente si todos sus cromosomas estaban presentes en el cigoto, pues cada uno de ellos cumple una función específica. Estos experimentos sirvieron para sustentar la teoría cromosómica de la herencia.

▲ Moscas de la fruta, gusanos nemátodos, saltamontes y erizos de mar son ejemplos de una gran gama de organismos que han ayudado a comprender los mecanismos de la herencia.

El aporte de Sutton y Boveri

En 1900, los trabajos simultáneos de tres botánicos –Hugo de Vries, Carl Correns y Erich von Tschermak– sacaron a la luz nuevamente las leyes de Mendel, tras llegar a los mismos resultados experimentalmente. Sin embargo, tras las conclusiones de Sutton y Boveri, se postuló que las unidades responsables de la herencia vienen en pares (actualmente los conocemos como alelos) y se encuentran en los cromosomas. De esta manera, se sentó la explicación molecular a las propuestas de Mendel.

▲ La comprensión del mecanismo que hace que las cromátidas se separen durante la mitosis permite también explicar el hecho de que las células hijas mantengan las mismas características que la original.

Sutton puntualizó que los cromosomas no son uniformes, como se creía en ese entonces; por el contrario, varían en forma y tamaño. Incluso notó que se encuentran en pares, a excepción de uno que se presenta más o menos en el 50% de los espermatozoides y se lo llamó cromosoma accesorio y que dio pie al descubrimiento del cromosoma sexual Y. Además relacionó los mecanismos de que permiten explicar las leyes de Mendel con la manera en la que se separan los cromosomas durante la meiosis.

Por su parte, los experimentos de Boveri ayudaron a clarificar que los cromosomas siempre están presentes, pero que durante la interfase están laxos y se condensan únicamente para la división celular. Explicó la existencia del centrómero, de los cinetocoros, de los microtúbulos que forman el huso acromático, y detalló el mecanismo que permite que las cromátidas se separen y migren hacia los polos durante la anafase.

La confirmación definitiva

▲ Cultivo de laboratorio de moscas de la fruta (Drosophila), en estadio de larva.

Nota curiosa. Entre las facilidades que presta la mosca de la fruta como objeto de estudio está el hecho de que sus larvas poseen en sus glándulas salivales unos cromosomas  llamados politénicos que son gigantes y repetitivos, lo que permite comparar e identificar rápidamente cualquier anomalía.

La propuesta de Sutton y Boveri fue acogida con poco entusiasmo por la comunidad científica. Aunque estos científicos no tuvieron la misma suerte de Mendel, quien murió sin haber recibido el reconocimiento a su genialidad, fue necesario esperar más de una década para que su propuesta fuese tomada en serio.

El azar fue el motor de uno de los descubrimientos más importantes de la genética, en un caso que ya mencionamos, pero del que ahora analizaremos las implicaciones científicas. En 1910, el genetista estadounidense Thomas H. Morgan estuvo esperando durante varios años que se presentara alguna mutación en las moscas de la fruta con las que trabajaba en su laboratorio. Generación tras generación sus características se mantuvieron constantes, hasta el día en que apareció un macho con ojos blancos. Como analizamos en la página 88, no fue una mutación común, pues se hizo evidente que sucedía en mayor proporción en machos y, al hacer los cruces correspondientes, se vio que debía estar ligada al cromosoma X. Esta fue la primera vez que se logró relacionar una característica específica con un cromosoma en particular.

El análisis de estos nuevos aportes enriqueció la teoría cromosómica de la herencia, la cual, en síntesis, postula lo siguiente:

La trascendencia de la teoría cromosómica radica en que considera al gen como la unidad de la herencia y reconoce el aporte de ambos progenitores en la transmisión de caracteres. Además, destaca la importancia de establecer un mapeo genético de cada cromosoma para poder estudiar su manifestación fenotípica y las anomalías que pudieran presentarse. Esta ha sido la piedra angular de la genética, pues deja atrás una comprensión difusa de la herencia, para irse desarrollando vertiginosamente en las siguientes décadas. Si bien su autoría se atribuye a Sutton, Boveri y su confirmación definitiva, a Morgan, los pequeños pasos dados por sus antecesores allanaron el camino de estos descubrimientos.

Genética de poblaciones

CN.B.5.5.6. Indagar sobre la genética de poblaciones, analizar e inferir los resultados de binomios genéticos.

● Genética de poblaciones

Saberes previos

¿Todos los individuos dentro de una población tienen los mismos alelos?

Desequilibrio cognitivo

¿Las mutaciones pueden ser un factor para que los organismos evolucionen?

▲ Para que ocurra evolución, la proporción que existe entre los alelos de un gen en una población deben cambiar.

De individuo a población

Ya sabemos que las mutaciones son el mecanismo para producir nuevos alelos. También conocemos cómo se heredan estos alelos de padres a hijos, pero ¿cómo es que estas mutaciones conducen a la evolución de las especies? Tomemos un ejemplo ficticio. El Dr. David Banner se expone a una dosis excesiva de rayos gamma y se transforma en el Hombre Increíble. ¿Es eso evolución? Sigamos con la ficción: el Hombre Increíble tiene muchos hijos, algunos de ellos heredan sus súper poderes, otros no. ¿Es eso evolución?

▲ La mutación que provoca el albinismo es poco frecuente en la población de tigres de Bengala. Si, eventualmente, esta frecuencia aumentara significativamente, podríamos pensar que la especie está evolucionando hacia la pigmentación albina.

La característica que hace que la evolución sea tan difícil de identificar es que no sucede de un momento a otro, ni tampoco en unos cuantos individuos. Para que se hable de evolución, esos cambios fenotípicos (que obviamente responden a nuevos genotipos) tienen que transformar la relación entre los alelos existentes en la población, lo que se conoce como frecuencia alélica. Esto es posible, pero generalmente involucra a muchas generaciones.

La genética de poblaciones es la rama que se encarga de investigar las frecuencias de los alelos en las poblaciones, y es capaz de decirnos si una población está en equilibrio (no está evolucionando) o si, por el contrario, sus frecuencias alélicas están fuera de las proporciones esperadas, según las leyes que conocemos de genética.

Antes de continuar, recordemos que se conoce como población al conjunto de individuos que pertenecen a la misma especie y que habitan en un lugar determinado. Dentro de este conjunto, la sumatoria de todos los alelos que existan es lo que se conoce como pool genético o poza genética.

▲ Posiblemente el pool genético de la población de piqueros de patas azules de Galápagos ya sea diferente a la de la población que colonizó el territorio continental, tras el fenómeno de El Niño de 1982.

El equilibrio de Hardy y Weinberg

En 1908, el matemático norteamericano Godfrey Harold Hardy  (1877-1947) y el médico alemán Wilhelm Weinberg (1862-1937), trabajando por separado, llegaron a la misma conclusión: bajo ciertas circunstancias, una población tiende a permanecer en equilibrio, es decir que sus proporciones fenotípicas y genotípicas se mantienen constantes, de generación en generación. Las condiciones para que este equilibrio se presente se pueden ver en el cuadro adjunto.

Como podrás intuir, en la naturaleza estas condiciones casi no se pueden cumplir; pero esta propuesta hipotética es una excelente herramienta para estudiar el cambio de las frecuencias alélicas de las poblaciones y determinar hacia qué dirección podría ir la evolución. Para poner en práctica esta visualización se utiliza la prueba estadística que se conoce con el nombre del Chi cuadrado (X^2), la cual tiene por objeto verificar si las frecuencias alélicas de una muestra presentan una variación que está dentro del comportamiento esperado, según las leyes de Mendel, o no.

 | Obs. | Esp.
RR | 20 | 10
Rr | 6 | 20
rr | 14 | 10
Total | 40 | 40

Ejemplo: se pide determinar, por el método de X^2, si hay la frecuencia esperada en una población de 40 mariposas descendientes de dos heterocigotas, de las cuales se ha logrado determinar que 20 mariposas son homocigotas de color rojo, 6 mariposas son rojas heterocigotas y 14 mariposas son anaranjadas.

Empezaremos por contrastar las frecuencias observadas con las esperadas, según la ley de Mendel (25 % homocigoto dominante, 50 % heterocigoto y 25 % homocigoto recesivo). Ahora se calcula el X^2, siguiendo la fórmula:

Reemplazando, se obtiene el siguiente valor:

Este valor calculado nos sirve para ver si en la tabla de distribución de X^2 la variación de frecuencia es significativa o no.

_

_▼ _Distribución de X^2

Grados de libertad | Probabilidad
0,95 | 0,90 | 0,80 | 0,70 | 0,50 | 0,30 | 0,20 | 0,10 | 0,05 | 0,01 | 0,001
1 | 0,004 | 0,02 | 0,06 | 0,15 | 0,46 | 1,07 | 1,64 | 2,71 | 3,84 | 6,64 | 10,83
2 | 0,10 | 0,21 | 0,45 | 0,71 | 1,39 | 2,41 | 3,22 | 4,60 | 5,99 | 9,21 | 13,82
3 | 0,35 | 0,58 | 1,01 | 1,42 | 2,37 | 3,66 | 4,64 | 6,25 | 7,82 | 11,34 | 16,27
4 | 0,71 | 1,06 | 1,65 | 2,20 | 3,36 | 4,88 | 5,99 | 7,78 | 9,49 | 13,28 | 18,47
5 | 1,14 | 1,61 | 2,34 | 3,00 | 4,35 | 6,06 | 7,29 | 9,24 | 11,07 | 15,09 | 20,52
 | No significativo | Significativo

^Maya Ediciones, (2018).

▲ Analizar los patrones de variación en las frecuencias alélicas contribuye a conocer el posible estado de conservación de una especie y la situación de su población.

TIC

Entra al siguiente enlace y observa un ejemplo de cómo se aplica la prueba de Chi cuadrado a cruces dihíbridos. En este caso: ¿cuál es el valor de los grados de libertad?

​www.mayedu.ec/bio3/p96

En este caso, con un margen de error de ± 5 % (confiabilidad de 95 %), encontraremos que un valor igual o menor que 3,84, la variabilidad es no significativa. Por el contrario, un valor que supere a 3,84 nos dirá que las variaciones son significativas y, por lo tanto, se ha roto el equilibrio Hardy-Weinberg.

En este punto, el investigador o investigadora se preocupa ¿por qué hay tanta diferencia? ¿Qué está pasando en la población? Aquí es cuando la genética de poblaciones se apoya en la ecología para hallar interpretaciones: ¿será que hay una enfermedad que afecta a ciertos fenotipos específicos?, ¿hubo alguna migración o algún fenómeno natural que afectó a parte de la población? De esta manera, las leyes de Mendel contribuyen a comprender el estado de una población y su evolución.

Interdisciplinariedad

Genética y antropología

Para Octavio y Ramos (2014), la comprensión de la evolución de enfermedades recesivas puede alcanzarse más fácilmente cuando se estudian grupos humanos en los que hay mucha endogamia. Un ejemplo son los grupos indígenas aislados, en los que se ha visto que a menor variabilidad genética, mayor la presencia de este tipo de afecciones hereditarias.

Desarrollo histórico de la genética

CN.B.5.5.5. Indagar y elaborar una línea de tiempo del desarrollo histórico de la genética, desde las leyes de Mendel hasta el Proyecto Genoma Humano, y explicar su aporte para la salud humana.

● Desarrollo histórico de la genética

Saberes previos

¿Qué descubrimientos de la genética te han maravillado?

Desequilibrio cognitivo

¿Hasta qué punto te parece correcto experimentar con la genética?

Por fines didácticos, dividiremos el siglo y medio que ha transcurrido desde los experimentos de Mendel en tres periodos relacionados con los mayores hitos en el conocimiento de esta ciencia.

El hecho de que los estudios de Mendel hayan pasado desapercibidos varias décadas después de su publicación, en 1865, revela que el mundo científico todavía no estaba listo para comprenderlas. El propio Darwin sabía que cualquier idea que pusiera en tela de juicio el fijismo y el creacionismo, las dos corrientes de pensamiento que predominaban en la época, sería duramente rechazada.

En parte, esa es la razón por la que el padre de la evolución se demoró veinte años en publicar sus teorías. Y después de hacerlo, en 1859, tuvo que soportar burlas y desprecios, antes de que su genialidad fuera reconocida.

▲ En 2003 se logró descifrar el genoma humano y se marcó uno de los hitos más importantes para la genética.

▲ Desde el fijismo, los fósiles se explicaban como animales que desaparecieron por eventos catastróficos, tales como el diluvio bíblico.

Al parecer, ninguno de los dos científicos supo del trabajo del otro, pues, de haberlo querido así el azar, la ciencia hubiera avanzado a pasos agigantados.

No sucedió así, de manera que poco a poco se fue desentrañando la presencia de unas estructuras unitarias en el núcleo de la célula; luego se descubrió la naturaleza química de los ácidos nucleicos, su presencia en los cromosomas, su distribución constante durante la división celular, y finalmente, su relación con la herencia de caracteres, de padres a hijos.

Se desentrañan la composición y función de los genes

▲ Estatua de Darwin en el Museo de Historia Natural de Londres.

Luego de la teoría cromosómica de Sutton y Boveri, las investigaciones científicas sobre la herencia se multiplicaron. En 1909, se difundió el término gen, propuesto por el danés Wilhelm Johannsen para explicar las unidades mendelianas. Al poco tiempo, los trabajos de Morgan comprobaron su disposición dentro de cromosomas específicos.

▲ Representación del experimento de Griffith.

De ahí en adelante, el desarrollo de la biología molecular tomó impulso y produjo importantes hallazgos. Sin embargo, todavía se pensaba que los genes estaban hechos de proteína.

En 1928, el médico inglés Frederick Griffith, al buscar una vacuna contra la neumonía, trabajó con dos cepas (razas) de la bacteria Streptococcus pneumoniae y se dio cuenta de que había un factor “transformante” que hacía que bacterias que no producían esta enfermedad, al estar en contacto con bacterias virulentas muertas por calor, eran capaces de causar neumonía.

El hallazgo de Griffith fue la base para que Oswald Avery (1877-1955), Colin  MacLeod (1909-1972) y Maclyn McCarty (1911- 2005), al tratar de encontrar de qué se trataba ese factor transformador, aislaran moléculas de proteínas, ARN y ADN, y comprobaran que era esta última la única capaz de transmitir la enfermedad. Sus estudios, publicados en 1944, necesitaron la confirmación de un nuevo experimento para que se aceptara el ADN como la molécula portadora de la herencia.

Esa confirmación definitiva llegó en 1952, de la mano de los estadounidenses Alfred Hershey y Martha Chase, quienes marcaron a bacteriófagos con isótopos radioactivos. Primero les aplicaron fósforo 32 (P-32) y observaron que luego de un tiempo, este elemento llegaba al interior de las bacterias; luego usaron azufre 35 (S-35) y vieron que los cápsides estaban marcados, no así las bacterias. Como vimos, el fósforo es un constitutivo importante de los ácidos nucleicos y el azufre es parte de las proteínas. Con esto comprobaron que el bacteriófago inyectó ADN como material genético para su reproducción, y no la proteína de su cápside, que es solamente constitutiva de su envoltura.

Ya para 1941 se sabía que la expresión de los genes se producía por medio de proteínas, pues los genetistas norteamericanos Edward Tatum y George Beadle consiguieron alterar las enzimas que intervenían en las rutas metabólicas del moho Neurospora crassa, tras provocarle mutaciones inducidas por rayos X.

▲ Los aportes de Rosalind Franklin se destacan como una muestra del importante papel femenino en el desarrollo de las ciencias.

En 1953, la química inglesa Rosalind Franklin logró fotografiar por difracción de rayos X la estructura del ADN, trabajo que sirvió de base para que el estadounidense James Watson y el británico Francis Crick propusieran su modelo de doble hélice y lo publicaran ese mismo año.

En 1966, los científicos Severo Ochoa, Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei sentaron las bases para descubrir el código genético, es decir, qué codones codifican para los diferentes aminoácidos que forman las proteínas.

La genética moderna

Tras los descubrimientos fundamentales, lo que quedaba por descifrar eran el genoma y el proteoma (mapa de los genes y de las proteínas de un organismo), y de qué manera estos conocimientos podrían contribuir a una mejor calidad de vida.

▲ Con la electroforesis es posible ver la migración de las bases que conforman el ADN en una placa de gel, y así determinar su cantidad y posición.

En 1975, Frederick Sanger desarrolla métodos para secuenciar el ADN y conocer en qué cromosomas se encuentran los genes, cómo se disponen sus pares de bases y cómo se manifiesta su expresión. Varios científicos experimentan con mutaciones para determinar de qué manera se producen las enfermedades genéticas, de qué genes dependen y cómo pueden ser evitadas o corregidas.

En 1990 empieza el Proyecto Genoma Humano, que reúne a los científicos más prominentes de varios laboratorios y naciones del mundo, quienes hasta el 2003 lograron descifrar nuestro mapa genético. La experimentación con clones y transgénicos que proliferó en la década de los ochenta logró en 1996 la clonación de la oveja Dolly, como muestra de las infinitas posibilidades de la genética. En lecciones posteriores, analizaremos con mayor profundidad estos temas.

Interdisciplinariedad

Radiactividad y biología

El uso de isótopos radiactivos ha facilitado muchos descubrimientos, no solo en el campo de la genética, sino también en la ecología, paleontología, medicina y agricultura, áreas en las que se usan para identificación, esterilización o detección de materiales, y otros.

TIC

Abre el siguiente enlace llamado “Jerôme LeJeune, padre de la genética moderna” y reflexiona sobre lo que él pensaba era el papel del médico con relación a sus pacientes.

www.mayedu.ec/bio3/p100

Laboratorio 3

Laboratorio 3

Genética de poblaciones

Materiales

- 10 palillos de dientes
- 100 semillas de un color oscuro
- 100 semillas de color claro, del mismo tamaño de las semillas oscuras
- Una bolsita de papel
- Un lápiz

Objetivo

Observar en la práctica de qué manera se rompe el equilibrio Hardy-Weinberg, cuando el pool genético se altera.

Introducción

Hardy y Weinberg plantearon que, en condiciones ideales, las poblaciones tienden a estar en equilibrio cuando presentan una frecuencia alélica que equivale a un binomio cuadrado perfecto,

(p + q)^2 = p^2 + 2pq + q^2,

donde p es un alelo y q es otro diferente. En este laboratorio intentaremos demostrar cómo esas condiciones perfectas son muy difíciles de encontrar en la naturaleza y de qué manera los cambios en el pool genético mueven la evolución.

Procedimiento

Primera parte: equilibrio Hardy-Weinberg

▲ Imagen 1. Estudiante contando semillas.

1. Tomen los palillos y distribúyanlos sobre la mesa de trabajo. Cada uno representa un individuo de la población.
2. Tomen 50 semillas de color oscuro y guárdenlas en la funda de papel. Estas representan un alelo A.
3. Ahora cuenten 50 semillas de color claro y del mismo tamaño (serán el alelo a) y guárdenlas en la funda de papel para que se mezclen con las otras (Imagen 1).
4. Saquen 2 semillas de la funda, asegurándose de que sea al azar, es decir, no las escojan ni las vean hasta sacarlas. Colóquenlas al lado de un palillo de dientes.
5. Repitan el procedimiento para el resto de palillos. En total tendrán 20 semillas en la mesa.
6. Ahora vamos a analizar los resultados: cuenten cuántos individuos son AA, cuántos son Aa y cuántos son aa. Anoten sus resultados en la Tabla 1, ubicada en la sección Resultados.
7. Determinen cuántos alelos en total son A (p) y cuántos son a (q). Anoten los resultados en la Tabla 2. ¿Coinciden con los resultados esperados? ¿A qué creen que se deba?
8. Vacíen la funda para hacer la generación F2. Multipliquen la frecuencia de A (p) por 5 y pongan esa cantidad de semillas oscuras en la funda. Multipliquen la frecuencia de a (q) por 5 y pongan esa cantidad de semillas claras en la funda. Tienen su nueva población.
9. Distribuyan nuevamente los palillos en la mesa y repitan el procedimiento desde el paso 4, para 10 generaciones (F1, F2, F3… F10).

Segunda parte: selección natural

1. Vamos a asumir que el alelo a (q) representa una enfermedad letal de característica recesiva, de tal manera que los individuos que sean aa morirán y serán eliminados de la población. Los heterocigotos sobrevivirán.
2. Con esto en mente, coloquen los 10 palillos en la mesa. Coloquen 50 semillas oscuras y 50 semillas claras en la bolsita. Al azar, coloquen dos alelos en cada palillo.
3. Analicen los resultados y anótenlos en una nueva Tabla 1. Retiren los palillos que corresponden a los individuos aa (los que enferman y mueren). Cuenten la frecuencia de cada alelo (p y q) y anoten los resultados en la Tabla 2.
4. Multipliquen cada alelo por 5 y ese será el número de semillas que deberán guardar en la funda vacía a fin de repetir la experiencia para la siguiente generación.
5. Repitan el procedimiento para el resto de generaciones, recordando sacar los palillos que obtengan los alelos aa. ¿Hacia dónde va la evolución?

Tercera parte: deriva genética y tamaño de la población

1. Coloquen 50 semillas de un tipo y 50 semillas de otro tipo dentro de la bolsita. Saquen al azar un puñado de semillas, simulando una catástrofe natural que disminuyó drásticamente el tamaño del pool genético. Realicen el análisis de las 10 generaciones, siguiendo el procedimiento de la primera parte. Recuerden anotar todos los resultados en las tablas correspondientes.

Cuarta parte: migraciones

1. Escojan las 100 semillas iniciales como lo hicieron anteriormente. Tomen un puñado de semillas claras y guárdenlas en la bolsita, simulando un evento de migración. Observen cómo van variando las 10 generaciones y anoten los resultados.

Resultados

Tabla 1. Frecuencia de individuos

Generaciones | Núm. de individuos AA | Núm. de individuos Aa | Núm. de individuos aa
F1 |  |  |
F2 |  |  |
F3 |  |  |
F4 |  |  |
F5 |  |  |
F6 |  |  |
F7 |  |  |
F8 |  |  |
F9 |  |  |
F10 |  |  |

Tabla 2. Frecuencia de alelos

Generaciones | fA = (p) | fa = (q)
F1 |  |
F2 |  |
F3 |  |
F4 |  |
F5 |  |
F6 |  |
F7 |  |
F8 |  |
F9 |  |
F10 |  |

Conclusiones

Expliquen a qué atribuyen los cambios que se fueron presentando. Recuerden poner la bibliografía de las fuentes que consulten.