Universidad Nacional Autónoma de México Colegio de ciencias y Humanidades Plantel Oriente BIOLOGÍA I ¿Cómo se explica la herencia no Mendeliana? Profesor: Pedro Serrato La relación entre el genotipo y el fenotipo es raras veces simple “Mendel formulo sus dos leyes de la herencia. Concluyo que los dos alelos para una misma característica se separan cuando se forman los gametos. Por consiguiente, un padre pasa al azar solamente una alelo para cada característica a cada uno de sus descendientes. Esta conclusión, se llama ley de la segregación. La segunda ley de Mendel establece que los genes para características diferentes, por ejemplo, la forma y el color de la semilla, se heredan de manera independiente entre sí. Esta conclusión se conoce como ley de la segregación independiente”.1 “Las dos leyes de Mendel explican la herencia en términos de factores discretos, genes, que son transmitidos de generación en generación de acuerdo con las reglas de la probabilidad simples. Las leyes de Mendel son válidas para todos los organismos que se reproducen sexualmente, incluyendo los chícharos de jardín, aves y seres humanos. Pero los patrones de herencia que hemos descrito hasta ahora son más simples que la mayoría. Otros patrones de herencia incluyen casos en donde un alelo no es totalmente dominante en relación con el otro alelo; casos en los que hay más de dos alelos alternos para una característica; e inclusive, casos en donde el genotipo no siempre se expresa en el fenotipo en la forma que las leyes de Mendel lo predicen”.2 La Dominancia no siempre es completa “Los estudios sobre la herencia de muchos rasgos en una amplia variedad de organismos han demostrado con claridad que es posible que un miembro de un par de alelos no sea por completo dominante sobre el otro. En tales casos es incorrecto usar los términos dominante y recesivo. 1 BIGGS, Biología la Dinámica de la Vida. 2 CAMPBELL, Neil A., et al. Biología. Conceptos y relaciones, pág. 168. Por ejemplo, rojo y blanco son colores comunes en las flores del dondiego de noche. Cada color es genéticamente puro cuando estas plantas se autopolinizan. ¿Qué color de flores se esperaría de la descendencia de un cruzamiento entre una planta con flores rojas y otra con flores blancas? Sin saber cual alelo es dominante, podría predecirse que toda la descendencia tendrá flores rojas o flores blancas. Este cruzamiento fue realizado por primera vez por el botánico alemán Karl Correns (uno de los descubridores del trabajo de Mendel), quien no sin sorpresa descubrió que toda la descendencia F1) tenía flores color rosa. ¿De alguna manera este resultado demuestra que las suposiciones de Mendel acerca de la herencia estaban equivocadas? ¿Acaso las características parentales se mezclaban de manera inseparable en la descendencia? Todo lo contrario, ya que cuando se cruzan dos de estas flores color rosa, la descendencia tiene flores rojas, rosas y blancas en una proporción 1:2:1. En este caso, como en todos los demás aspectos del proceso científico, los resultados que difieren de los predichos motivan a los científicos a reexaminar y modificar sus suposiciones para explicar los resultados excepcionales. Es claro que las plantas con flores color rosa son los individuos heterocigotos, y ni el alelo rojo ni el blanco son por completo dominantes. Cuando el individuo heterocigoto tiene fenotipo intermedio entre los fenotipos de los dos padres, se dice que los genes presentan dominancia incompleta. En estos cruzamientos las proporciones genotípica y fenotípica son idénticas. La dominancia incompleta no es única del dondiego de noche. Las plantas del guisante de olor con flores rojas y con flores blancas también producen individuos con flores color rosa cuando se cruzan, y se conocen muchos otros ejemplos de dominancia incompleta tanto en plantas como en animales. En bóvidos y équidos, el tono colorado (rojizo) del pelaje no es por completo dominante sobre el color tordillo (blanco). Los individuos heterocigotos tienen una mezcla de pelos rojizos y blancos, o sea pelaje roano (mixto). Si el lector viera una yegua palomina amamantando a un potrillo roano, ¿cuál supondría que es el color del garañón? Dado que los tonos colorados y palomino se expresan de manera independiente (pelo por pelo) en el individuo heterocigoto roano, algunas veces se dice que éste es un caso de codominancia. Estrictamente hablando, el término dominancia incompleta se refiere a casos en los cuales el individuo heterocigoto es intermedio en fenotipo, y el término codominancia se refiere a los casos en que el heterocigoto expresa de manera simultánea los fenotipos de ambos tipos de homocigotos. El grupo sanguíneo humano ABO constituye un ejemplo clásico de alelos codominantes, así como un ejemplo de locus con alelos múltiples”.3 Los alelos múltiples “Cada una de las características que estudió Mendel estaba bajo el control de una de dos posibles formas de un gene. Por ejemplo, hay dos formas del gene que controla el color de la semilla en los guisantes. Las semillas de los guisantes son de color verde o amarillo, dependiendo de la combinación particular de genes en su genotipo. Las distintas formas de un gene para una característica determinada se llaman alelos. Los alelos de una característica determinada están en el mismo sitio en cromosomas homólogos. Hay muchos casos en los que hay más de dos alelos para una característica particular en una población. Las características para las que hay tres o más alelos se dice que las controlan alelos múltiples. Los alelos múltiples existen cuando hay más de dos alelos para una característica en particular. Los tipos de sangre son un ejemplo de alelos múltiples en los seres humanos. Aunque un individuo puede tener solo dos alelos para tipos de sangre, hay tres alelos para tipos de sangre en los seres humanos. Los tres alelos para el tipo de sangre son IA, IB, i. Tanto IA como IB son dominantes sobre i, pero no uno sobre el otro. Según vemos en la Tabla A, de la combinación de estos alelos pueden resultar seis genotipos y cuatro fenotipos. Una persona con el genotipo IAIA, o con el genotipo IAi, tiene tipo de sangre A. Una persona con tipo de sangre B puede tener el genotipo IBIB, o el IBi. Una persona con el tipo de sangre AB tiene los dos alelos dominantes, IAIB, en su 3 SOLOMON, Eldra P., et al. Biología, págs. 237-238. genotipo. Una persona con tipo de sangre O tiene los dos genes recesivos, ii. El conocer los tipos de sangre humana ha hecho posible las transfusiones de sangre sin riesgo”.4 Tabla A. Tipos de sangre Humana Un solo gen puede afectar muchas GENOTIPO TIPOS DE SANGRE IAIA ó IAi A IBIB ó IBi B IAIB AB ii O características fenotípicas “Hasta este punto, todos nuestros ejemplos genéticos han sido casos en los que cada gen especifica una característica hereditaria. Sin embargo, en muchos casos, un gen influye en varias características. El impacto de un solo gen en mas de una característica es conocido como pleiotropía (del griego pleion, más). Un ejemplo de pleiotropía en humanos es la enfermedad de la anemia falciforme, un trastorno caracterizado por diversos síntomas”.5 Herencia Poligénica “Algunos caracteres, como el tamaño o estatura, forma, peso, color, tasa metabólica y comportamiento no son el resultado de las interacciones de uno, dos o varios genes, sino del resultado acumulativo de muchos genes. Este fenómeno se denomina herencia poligénica. Un carácter afectado por un buen número de genes no muestra una clara diferencia entre los grupos de individuos, como las diferencias tabuladas en los experimentos de Mendel. En lugar de esto, muestra una gradación de pequeñas diferencias que se conoce como variación continua. Si se construye una gráfica de 4 ALEXANDER, Peter, et al. Biología, pág. 102. 5 CAMPBELL, Neil A., et al. Biología. Conceptos y relaciones, pág. 170. una característica afectada por un cierto número de genes, como la estatura de un hombre adulto, se obtiene una curva como la de la Figura 1. Hace cien años, la talla media de los hombres en Estados Unidos era inferior a la actual, pero la forma de la curva era la misma: una gran proporción cae dentro de unos valores intermedios de estatura, y unos pocos se encuentran en los extremos. Algunas de estas variaciones de estatura se deben a los factores ambientales, como la dieta, pero incluso si se alimentaran a todos los individuos desde el nacimiento con el mismo tipo de dieta, aparecería la misma distribución continua de fenotipos. Esto se debe a las diferencias genéticamente determinadas en la secreción de hormona del crecimiento, osificación, y muchos otros Fig. 1 Curva de distribución de la estatura del hombre, en Estados Unidos. La estatura es un ejemplo de herencia poligénica, o carácter afectado por muchos genes. Los caracteres poligénicos, o cuantitativos, muestran pequeñas gradaciones de variación, y la curva toma un aspecto típicamente de campana (normal), con la media de los valores centrados. Cuanto mayor es el número de genes implicados, mas suave es la curva. factores. Un sencillo ejemplo de herencia poligénica, el del color de los granos de trigo que esta controlado por dos genes, los cuatro alelos de los cuales muestran un efecto cuantitativo acumulativo. El color de la piel humana, entre otras muchas características, se cree que está controlado genéticamente de forma parecida (aunque implicando más genes)”.6 6 CURTTIS, Helena y N., Sue Barnes. Invitación a la Biología, pág. 22. Herencia ligada a los cromosomas X y Y (La teoría cromosómica de la herencia.) El nacimiento de la teoría “El conocimiento de la meiosis (en la que los cromosomas se reúnen según su forma y tamaño por parejas, para después separarse y distribuirse en cuatro células que quedan con un solo miembro de cada pareja), junto con la aceptación de que el núcleo del espermatozoide y del ovulo (portadores de un solo conjunto de cromosomas) se unen en la fecundación y dan origen a un cigoto diploide permitió valorar el trabajo de Mendel y condujo a postular la teoría cromosómica de la herencia. Si los cromosomas se comportaban igual que los factores hereditarios de Mendel, éstos eran los portadores de los genes. Desde fines del siglo XIX los estudios sobre la célula se habían volcado hacia el núcleo y los cromosomas; se comprobó la constancia de su número y se identificó que cada especie tiene un número característico de parejas de cromosomas (Fig. 2), más uno o dos cromosomas diferentes, sin contraparte, llamados heterocromosomas, relacionados con el sexo del individuo. La teoría cromosómica dio la base física a la de la herencia y estableció que el sexo forma parte del genotipo. Pero sin pruebas experimentales sólidas, el mundo científico no la terminó de aceptar, hasta que Thomas H. Morgan y su equipo, al trabajar con la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster), las establecieron y demostraron que los genes se encuentran ordenados a lo largo de los diferentes cromosomas”.7 Fig. 2 El número de pares de cromosomas es característico de cada especie 7 PALAZÓN, Ana María. Biología, págs. 130-131. HERENCIA LIGADA AL SEXO. En los cromosomas sexuales -en casi todos los casos sobre los cromosomas x- se llaman ligados En genes al sexo. general el término ligado al sexo es usado para designar la presencia genes de en el cromosoma X. La Fig. 3 Un mapa genético parcial de la mosca de la fruta. primera evidencia experimental en apoyo de que ciertos genes son llevados en el cromosoma X fue presentada por Morgan en 1910 como resultado de estudios genéticos con Drosophila. Morgan aisló un mutante natural con ojos blancos de Drosophila de una población de moscas de ojos rojos y estudió la manera de heredar el ojo blanco. Por medio de varios cruzamientos mostró que el gene para los ojos rojos era dominante para el alelo de ojos blancos. Sin embargo, la frecuencia del fenotipo del color de ojo en numerosas progenies fue diferente en machos y hembras. Los datos implicaron la intervención de los cromosomas sexuales. Evidencias posteriores convencieron pronto a Morgan de que la transmisión de los genes para los colores de ojo rojo y blanco en Drosophila podría deberse completamente a que estos genes estuvieron ligados al sexo (por estar en los cromosomas X). La hipótesis de los genes ligados al sexo ha servido para predecir con éxito los resultados de ciertos experimentos y ha sido confirmada por varias pruebas experimentales. Las observaciones originales de Morgan se hicieron a partir de un cruzamiento entre un macho mutante de ojos blancos y una hembra homocigótica originada en la generación F1 formada en un 100 por ciento por moscas de ojos rojos. La generación F2 dio una proporción conocida de aproximadamente tres moscas de ojos rojos por una de ojos blancos, indicando que el gene (W) para ojos rojos era dominante y el alelo mutante (w) para los ojos blancos era recesivo. Sin embargo, el hecho más significante de la generación F2 fue que todas las hembras fueron de ojos rojos; mientras la mitad de los machos fue de ojos rojos y la otra mitad de blancos. Hasta entonces la herencia de todos los caracteres estudiados en Drosophila y otros organismos había mostrado una distribución desigual entre los dos sexos de la progenie. De Fig. 4 A Color de los ojos en la mosca de la fruta, una característica ligada al sexo (40x) éste y de otros cruzamientos, Morgan concluyó que los resultados podrían explicarse mejor suponiendo que los genes para el color de los ojos los lleva el cromosoma X. Aunque el carácter para el ojo blanco es recesivo, la presencia de un simple gene para esta característica, en el macho, se expresará en el fenotipo, debido a que éste tiene solamente un cromosoma X. A diferencia, el cromosoma Y carece del alelo de este gene. Los genes simples y recesivos ligados al sexo se expresan ellos mismos en ausencia del alelo dominante. Un padre transmite 1) su cromosoma X a todas sus hijas, pero no a sus hijos, y 2) su cromosoma Y es trasmitido a todos sus hijos, pero no a sus hijas. Una hembra tiene un cromosoma X de su madre y uno de su padre, mientras un macho recibe un solo cromosoma X solamente de su madre. Los machos de ojos blancos en la generación F 2 del ejemplo, han recibido el gene para este carácter de su madre de apariencia normal, pero heterocigótica de la generación F1. Como prueba parcial de la hipótesis de los genes ligados al sexo, es posible producir algunas hembras de ojos blancos cruzando una hembra de la generación F1 (heterocigótica para los ojos rojos) con un macho de ojos blancos, efectuándose un cruzamiento retrógrado. Éste es precisamente uno de los experimentos realizados por Morgan, obteniendo los resultados previstos o sea 50 por ciento de machos de ojos blancos y 50 por ciento de hembras de ojos blancos. Han sido descubiertos numerosos genes ligaos al sexo. Casi todos ellos se han encontrado en el cromosoma X. Debido a que los genes simples recesivos ligados al sexo se expresan ellos mismos en ausencia del alelo dominante (es decir, en los machos), los genes ligados al sexo se expresaran con más frecuencia en los machos que en las hembras. En los seres humanos condiciones tales como ceguera para los colores verde y rojo (incapacidad para distinguir estos colores) la hemofilia (enfermedad hemorrágica) y otros caracteres normales y anormales están entre los aproximadamente 30 caracteres ligados al sexo conocidos. Su forma de heredarse es idéntica al ejemplo dado en los experimentos originales de Morgan con la herencia de Drosophila de ojos blancos y rojos”.8 8 NASON, Alvin. Biología, págs. 302-303. Fig. 4B Hembra homocigótica de ojos rojos x macho de ojos blancos Fig. 4C Hembra heterocigótica x macho de ojos rojos Fig. 4D Hembra heterocigótica x macho de ojos blancos “Los descendientes masculinos llevan un solo cromosoma X por lo que los caracteres ligados al sexo proceden de la madre. Los genes humanos que controlan la aparición de la hemofilia y del daltonismo se localizan en el cromosoma X, por lo que la herencia de estos caracteres está ligada al sexo. En el cromosoma "Y" no existen estos genes, por lo que con un solo gen que aparece en el cromosoma "X", es suficiente para que la hemofilia o el daltonismo se hagan presentes fenotípicamente en el sexo masculino. A la imposibilidad de distinguir ciertos colores se le llama daltonismo. Las personas que no pueden diferenciar los colores rojo-verde, los observan con tonos grises. El daltonismo es raro en las mujeres, mientras que cerca de un ocho por ciento de los hombres lo presenta. El hecho de que esta condición aparezca con más frecuencia en los hombres que en las mujeres, indica que está ligada al sexo. La incapacidad para distinguir los colores rojo-verde está controlada por dos alelos en el mismo gen o por dos pares en el cromosoma "X", aunque no se sabe con certeza cuál es el caso. Un hombre es daltónico cuando su cromosoma contiene el alelo recesivo. Para que una mujer sea daltónica deberá tener genes recesivos en sus cromosomas (XX). Incluso puede llevar su gen recesivo en uno de sus cromosomas XX y no tener dificultad para distinguir los colores, pero sí transmitirla a su descendencia. En este caso ella será portadora. La hemofilia (hemo-sangre, philia-tendencia) o enfermedad hemorrágica, es otro carácter ligado al sexo y se transmite en forma semejante al daltonismo. La hemofilia es causada por un gen que se localiza en el cromosoma X. El gen normal controla la producción de sustancias necesarias para la coagulación de la sangre. En las personas hemofílicas el gen con defecto no puede producir las sustancias coagulantes, por lo cual sangran gravemente aún por la más leve herida. No hay cura para la hemofilia; sin embargo, por medio de transfusiones de sangre se puede ayudar a quienes la padecen por algún tiempo. Otro tratamiento es la toma de extractos que producen las sustancias coagulantes en la sangre”.9 “El cromosoma X humano lleva miles de genes. Los alelos en estos loci siguen el mismo patrón de herencia que los de los ojos blancos de Drosophila. Un gen sobre el cromosoma X humano, por ejemplo, tiene alelos mutantes recesivos que conducen a la ceguera para el color rojo-verde, una alteración hereditaria. La ceguera para el color rojo-verde aparece en los individuos que son homocigotos o hemicigotos para el alelo mutante. El análisis de linaje de los fenotipos recesivos ligados al X revela los siguientes patrones: ✔ El fenotipo aparece mucho más frecuentemente en machos que en hembras, porque sólo una copia del alelo raro es necesaria para su expresión en los machos mientras que dos copias deben estar presentes en las hembras. ✔ Un macho con la mutación puede pasarla sólo a sus hijas; todos sus hijos obtienen el cromosoma Y. 9 MEJÍA, Núñez Jesús. Biología, págs. 214-215. ✔ Las hijas que reciben un cromosoma X mutante son portadoras heterocigotas. Son fenotípicamente normales, pero pueden pasar el mutante X tanto a los hijos como a las hijas (sólo la mitad del tiempo, la mitad de sus cromosomas X llevan al alelo normal). ✔ El fenotipo mutante puede saltear una generación si la mutación pasa de un macho a su hija (fenotípicamente normal) y luego al hijo de ésta. Fig. 5 Prueba para la detección del daltonismo Esta imagen forma parte de las pruebas habituales para la ceguera a los colores (daltonismo). Las personas con visión normal de los colores ven el número 57, mientras que aquellas con alteraciones para el rojo y el verde visualizarán el 35. La ceguera para los colores, una incapacidad de distinguir entre el rojo y el verde, y a veces entre el azul y el amarillo, se debe a un defecto en una de las tres células sensibles a los colores de la retina. El daltonismo afecta a una persona de cada treinta. Enciclopedia Encarta Photo Researchers, Inc. /Adam Hart-Davis /Science Source. Existen muchas enfermedades humanas importantes heredadas como recesivas ligadas al X, incluidas las formas más comunes de distrofia muscular y hemofilia. La reina Victoria de Inglaterra fue una portadora heterocigota de hemofilia A, el trastorno hemorrágico mencionado al principio del capítulo. Se lo pasó a varios de sus descendientes masculinos y, por lo tanto, a varias familias reales de Europa. Las mutaciones humanas heredadas como dominantes ligadas al X son más raras que las recesivas, porque las dominantes aparecen en cada generación y porque las personas que portan mutaciones dañinas aun como heterocigotas no sobreviven o no se reproducen. (Observe los cuatro puntos mencionados antes y trate de determinar qué pasaría si la mutación fuera dominante.) El pequeño cromosoma Y humano sólo lleva 20 genes conocidos. Entre ellos están los determinantes de la masculinidad, cuya existencia fue sugerida por los fenotipos de los individuos XO y XXY descritos antes. Los alelos ligados al Y pasan de padre a hijo (es posible verificarlo en el cuadro de Punnett)”.10 “En los seres humanos la proporción sexual en los nacimientos no es exactamente de 1:1; los niños exceden a las niñas en un 2 por ciento. Por razones oscuras, la relación es aparentemente más desproporcionada en el promedio inicial de infantes nonatos. De hecho, se ha estimado que probablemente poco tiempo después de la fecundación, la proporción es mayor, 3 niños por 2 niñas, en vista de la mayor frecuencia de niños nacidos muertos que de niñas. La gran mortalidad prenatal de varones puede deberse en parte al predominio de defectos ligados al sexo, los cuales afectan en la mayor parte a los varones. En especies (aves, polillas y ciertos peces) en las que el macho tiene dos cromosomas X y la hembra X y Y, los genes ligados al sexo se expresan más frecuentemente en las hembras que en los machos. Una madre transmite su cromosoma X a todos los hijos, pero no a sus hijas, y su cromosoma Y a todas sus hijas y no a sus hijos. 10 PURVES, K. William. Vida. La ciencia de la Biología, pág. 193. En un número comparativamente pequeño de organismos, el cromosoma Y lleva también varios genes. En Drosophila, por ejemplo, se ha identificado un número de genes o determinantes hereditarios ligados a los cromosomas Y y que se transmiten directamente de padre a hijo. De hecho, varios se han encontrado solamente en el cromosoma Y, tal como el que afecta la fertilidad de los machos. La ausencia del cromosoma Y está asociada con los machos estériles. En el hombre, se ha postulado cierto número de genes sobre una porción de cromosoma Y que puede ser homóloga con una sección del cromosoma X”.11 HERENCIA NO NUCLEAR. “El núcleo no es la única organela en la célula eucarionte que transporta material genético. Como se describió en el capítulo 4, la mitocondria y los plástidos, que pueden haber surgido de una bacteria que colonizó otras células, contienen un número pequeño de genes. Por ejemplo, en los seres humanos existen cerca de 60 000 genes en el núcleo y 37 en la mitocondria. Los genomas de los plástidos son cerca de cinco veces mayores que los de la mitocondria. En cualquier caso, los genes de la organela incluyen varios que son importantes para el ensamblaje de la organela y su funcionamiento, por esto no es sorprendente que las mutaciones de estos genes tengan un profundo efecto sobre el organismo. La herencia de los genes de las organelas difiere de los genes nucleares por varias razones. En primer lugar, las mitocondrias y los plástidos son pasados sólo por la madre. Como se verá más adelante, los óvulos contienen abundante citoplasma y organelas, pero la única parte del espermatozoide que sobrevive para formar parte en la unión de gametos haploides es el núcleo. Por lo tanto usted ha heredado las mitocondrias de su madre (con sus genes), pero no las de su padre. En segundo lugar puede haber cientos de mitocondrias y/o plástidos en una célula. Por consiguiente, una célula no es diploide para los genes de las 11 NASON, Alvin. Biología, págs. 303-304. organelas; más bien, es altamente poliploide. Un tercer factor es que los genes de la organela tienden a mutar a velocidades mucho mayores que las de los genes nucleares, por lo que hay múltiples alelos de genes de organelas. Los fenotipos de las mutaciones en el DNA de las organelas reflejan la función de éstas. Por ejemplo, algunas mutaciones en los plástidos afectan proteínas que ensamblan las moléculas de clorofila en los centros de reacción del fotosistema (véase fig. 8-11) y el resultado es un fenotipo que es esencialmente blanco en vez de verde. Las mutaciones mitocondriales que afectan uno de los complejos en la cadena de transporte de electrones determinan una menor producción de ATP. Tienen efectos especialmente notables en los tejidos con alto requerimiento energético, como el nervioso, los músculos y el riñón. En 1995 Greg Lemond, un ciclista profesional que había ganado la famosa Tour de France tres veces, fue forzado a retirarse por la debilidad muscular que se sospecha fue causada por una mutación mitocondrial”.12 12 PURVES, K. William. Vida. La ciencia de la Biología, pág. 193-194. 13 Figuras 3, 4A, 4B, 4C Y 4D: CAMPBELL, Neil A., et al. Biología. Conceptos y relaciones, págs. 176 y 178.