Bases celulares y moleculares de la herencia

Hasta que a finales del siglo XIX Gregorio Mendel (1822‑1884) publicó sus estudios, nadie supo explicar de forma plausible la herencia biológica. Sus trabajos pasaron desapercibidos al principio; el descubrimiento de los cromosomas y de su comportamiento durante la división celular, junto con el mayor uso de las Matemáticas en Biología, hizo que sus leyes salieran de nuevo a la luz. Poco después se formuló la teoría cromosómica de la herencia: los genes están en los cromosomas, los «vehículos de la herencia».

El capítulo sigue el viaje de la información genética: cómo se transmite (Mendel, meiosis, patrones de herencia), qué es (el ADN), cómo se copia (duplicación), cómo se expresa (transcripción, código genético, traducción), cómo cambia (mutación), cómo se empaqueta (el cromosoma eucariótico) y cómo se regula.

El éxito de Mendel se debió a su paciencia y a decisiones afortunadas: eligió una planta concreta, el guisante (pea, Pisum sativum), y siete caracteres discretos —rasgos de variación discontinua, cualitativa, como el color de la flor o la textura de la semilla—, fáciles de seguir de generación en generación.

Se aseguró de trabajar con líneas puras (true‑breeding lines): por autofecundación (self‑fertilization) —el polen de los estambres fecunda el óvulo de la misma planta— siempre daban descendientes iguales a los progenitores. Después realizó fecundación cruzada (cross‑fertilization) entre líneas puras, colocando sobre el estigma de una el polen de otra.

Mendel cruzó una generación parental (P) de flores violetas con otra de flores blancas. Toda la primera generación filial (F1) salió violeta: el blanco «había desaparecido». A estos descendientes de dos líneas puras los llamó híbridos. Al fenotipo que se manifiesta en la F1 lo llamó dominante (dominant), y al que no se manifiesta, recesivo (recessive). Estos términos no implican una valoración: solo indican si el fenotipo aparece o no en el híbrido.

Hizo además un cruzamiento recíproco (reciprocal cross) —invirtiendo qué planta ponía el polen— para comprobar que el resultado no dependía del sexo del progenitor. Después dejó que la F1 se autofecundara: en la F2 obtuvo 705 plantas violetas y 224 blancas. Con perspicacia, no trabajó con los datos en bruto sino con proporciones: ≈ 3:1.

Interpretó que el carácter recesivo no había desaparecido en la F1, solo estaba oculto. Cada carácter se debe a un factor hereditario —el gen— que existe en variantes llamadas alelos (alleles). Cada planta porta dos alelos por carácter, uno de cada progenitor: A (dominante, violeta) y a (recesivo, blanco).

El cuadrado o tablero de Punnett (Punnett square), ideado por el británico Reginald C. Punnett (1875‑1967), coloca los gametos de cada progenitor en las entradas de la tabla y rellena las intersecciones. Elige los genotipos de los progenitores o usa los cruces clásicos.

Mendel cruzó una línea pura de semillas amarillas y lisas (AABB) con otra verdes y rugosas (aabb). La F1 (AaBb) fue toda amarilla y lisa: amarillo y liso son dominantes. Al autofecundar la F1 aparecieron las cuatro combinaciones, incluidas dos nuevas (amarillas‑rugosas y verdes‑lisas) que no estaban ni en P ni en F1: color y textura se habían transmitido de forma independiente. Cada carácter por separado seguía dando 3:1. Toca una casilla para resaltar su fenotipo.

Hay cuatro fenotipos (A, B, AB y O), según la presencia de uno, otro, ambos o ningún antígeno (antigen) en la membrana de los eritrocitos o glóbulos rojos (red blood cells). Además, cada persona tiene en su plasma anticuerpos (antibodies) contra el antígeno que no posee: A → anti‑B; B → anti‑A; O → ambos; AB → ninguno.

Según el libro, el austríaco Karl Landsteiner (1868‑1943) descubrió en 1940 que el ABO lo regulan tres alelos: A y B son codominantes entre sí, y O es recesivo respecto a ambos. Por eso: AA y AO → grupo A; BB y BO → grupo B; AB → grupo AB; OO → grupo O.

El sistema Rh (no es codominante; se explica por su relación clínica con el ABO) se llama así porque el antígeno se descubrió en el mono rhesus (Macacus rhesus). Hay ocho fenotipos descritos, pero el libro se queda con dos alelos: Rh+ (dominante) y Rh−. Rh+Rh+ y Rh+Rh− son Rh+; solo Rh−Rh− es Rh−. A diferencia del ABO, una persona Rh− solo fabrica anticuerpos anti‑Rh tras entrar en contacto con ese antígeno.

Esto explica la enfermedad hemolítica del recién nacido (haemolytic disease of the newborn): feto Rh+ y madre Rh−. Los pequeños intercambios de sangre fetal durante la gestación hacen que la madre cree anticuerpos anti‑Rh que, al atravesar la placenta, pueden causar la hemolisis (rotura de glóbulos rojos) fetal; hoy esas reacciones pueden controlarse.

En el dondiego de noche (four o'clock flower, Mirabilis jalapa), rojo × blanco da una F1 rosa: uniforme (se cumple la 1.ª ley) pero intermedia. La F2 sale 1:2:1, que coincide con la proporción genotípica. No es que fallen las leyes de Mendel, sino que el mecanismo del color es distinto: el alelo A1 produce pigmento rojo y A2 no produce ninguno; la cantidad de color depende de cuántos A1 haya. A1A1 = rojo; A1A2 = mitad de pigmento, rosa; A2A2 = blanco. (Pruébalo con el modo «Dondiego» del laboratorio de Punnett.)

J. C. De Fries (1966) mostró que el alelo recesivo del albinismo en ratones no solo impide la pigmentación: también afecta a la emocionalidad. Se mide con el test de Campo Abierto (Open Field test): se mete al animal en un recinto amplio, generalmente circular y fuertemente iluminado. La emocionalidad se relaciona directamente con el número de defecaciones e inversamente con la actividad. Los albinos se movían poco, se pegaban a las paredes y defecaban mucho: eran más emocionales o reactivos. El efecto parece deberse a la afectación de su sistema visual.

Dos genes (a y b), con dos alelos cada uno. Si cualquiera de los dos aparece en homocigosis recesiva, hay sordera sea cual sea el otro; solo con al menos un alelo dominante de cada gen la sordera no se manifiesta. Compruébalo:

Los cromosomas los descubrió Carl Nägeli (1817‑1891) en 1842. En 1902 —dos años después del redescubrimiento de las leyes de Mendel— el norteamericano Walter Sutton y el alemán Theodor Boveri, de forma independiente, las relacionaron con los movimientos de los cromosomas en la meiosis. Nace así la teoría cromosómica de la herencia: los genes están ordenados de forma lineal sobre los cromosomas, cada uno en un lugar llamado locus (plural: loci).

El conjunto de todos los cromosomas de una célula es el cariotipo (karyotype); ordenado por parejas de homólogos forma un idiograma. El libro propone un símil: cada cromosoma es un libro de una biblioteca con «instrucciones»; de cada libro hay dos ediciones (los homólogos) que pueden diferir en algunos aspectos —una dice «pelo castaño», la otra «rubio»—. El grado de divergencia es el grado de heterocigosis de sus loci.

Salvo las de las gónadas, las células se dividen por mitosis (dos células semejantes). La reproducción sexual exige otra cosa: si los gametos fueran diploides (2n), el hijo sería tetraploide (4n) y la dotación se duplicaría en cada generación, algo inviable. La meiosis resuelve el problema: forma los gametos y reduce la dotación de diploide a haploide. Recórrela fase a fase (ejemplo con 2n = 4):

En la profase I, los homólogos apareados intercambian alelos: es el sobrecruzamiento o entrecruzamiento (crossing over), visible como puntos de cruce en forma de «x» llamados quiasmas (chiasmata). El resultado es la recombinación génica (genetic recombination): en un mismo cromosoma del gameto aparecen alelos de ambos progenitores. Ej.: en el cromosoma 4 del guisante están el gen de la longitud del tallo (A) y el de la forma de la legumbre (B); un homólogo puede llevar A‑b y el otro a‑B, y el sobrecruzamiento produce combinaciones nuevas.

Su gran importancia es la variabilidad: el número de gametos distintos es 2 elevado al número de loci heterocigotos.

No siempre hay intercambio. Como ocurre a través de quiasmas, cuanto más juntos están dos loci, menos probable es que se recombinen (impedimento físico). Cuando dos genes tienen una tasa de recombinación nula o muy baja, están ligados (linked; linkage): no hay combinación independiente y la 3.ª ley queda enmascarada —como con la epistasia, pero aquí tanto fenotípica como genotípicamente—. El porcentaje de recombinación es proporcional a la distancia física entre loci. Esto demostró que cada gen tiene una posición fija (ej.: el gen de la β‑globina está siempre en el brazo corto del cromosoma 11) y permitió cartografiar los genomas.

Un rasgo puede depender de un único gen —herencia monogénica; son los rasgos mendelianos— o de varios, como la altura o la inteligencia —herencia poligénica, en el capítulo 3—. En humanos se analiza el patrón de transmisión del carácter mediante una genealogía o pedigrí (pedigree). Ese patrón depende de dos factores: dónde está el locus (autosoma o cromosoma sexual) y cómo se expresa (aquí, relación de dominancia/recesividad).

¿Por qué alternan las generaciones en lo ligado al X? Hijos e hijas heredan un X de la madre; pero el padre da su X solo a las hijas y su Y a los hijos. Un varón nunca hereda de su padre un rasgo ligado al X. Su hija recibe ese X y, si la madre no lo aporta, será portadora sana; y el hijo de ella podrá manifestarlo: abuelo y nieto afectados, generación intermedia no (siempre que la abuela no lo presentara ni fuera portadora).

A principios del siglo XX ya se sabía que los cromosomas estaban formados por proteínas y ácidos nucleicos. El material de la herencia debía cumplir tres propiedades:

Durante un tiempo se pensó en las proteínas (por las muchas combinaciones posibles de aminoácidos). Pero fue el ácido desoxirribonucleico, aislado en 1869 por el suizo Friedrich Miescher (1844‑1895), la molécula con todas las características. En 1953, James D. Watson (1928‑) y Francis Crick (1916‑2004) propusieron su estructura en Nature, un trabajo equiparado a las aportaciones de Mendel y Darwin, que impulsó la Genética molecular: la disciplina que busca establecer los nexos entre genotipo y fenotipo.

Los ácidos nucleicos son secuencias de nucleótidos (nucleotides), cada uno con: una molécula de ácido fosfórico + un hidrato de carbono (ribosa o desoxirribosa) + una base nitrogenada (púrica o pirimidínica). En el ADN hay dos cadenas en espiral, enroscadas en una doble hélice (double helix), como una escalera de cuerda retorcida sobre su eje. El esqueleto de la espiral lo forman la desoxirribosa y el fosfato; las bases quedan dentro, unidas por puentes de hidrógeno (hydrogen bonds).

Complementariedad (base pairing): la adenina solo se aparea con la timina (2 puentes de hidrógeno) y la citosina solo con la guanina (3 puentes). Las dos cadenas son complementarias y además antiparalelas (antiparallel): una va 5'→3' y la otra 3'→5' (un extremo acaba en fosfato en 5', el otro en hidroxilo en 3'). Consecuencia: hay una relación 1:1 entre púricas y pirimidínicas: A + G = T + C, o A/T = C/G.

En 1958, Matthew Meselson (1930‑) y Franklin W. Stahl (1929‑) demostraron con un elegante experimento que la replicación (replication) es semiconservativa: de una molécula se obtienen dos, y cada una conserva una hebra de la original. Cultivaron Escherichia coli en un medio con nitrógeno pesado, ¹⁵N, y luego las pasaron a nitrógeno normal, ¹⁴N; el ADN extraído se centrifugaba en un gradiente de densidad de cloruro de cesio (CsCl). Compara las dos hipótesis:

La lleva a cabo un complejo enzimático en el que cada enzima tiene su tarea. Toca cada pieza:

Al terminar, las dos moléculas se separan: cada una lleva una hebra antigua y otra nueva, pero son idénticas. Una vez empaquetadas, cada una será una de las cromátidas (chromatids) del cromosoma metafásico.

Hoy un gen es la secuencia de nucleótidos del ADN que codifica la naturaleza y el orden de los aminoácidos de cualquier polipéptido (no solo enzimas): son los genes estructurales (structural genes), distintos de las secuencias que codifican los distintos ARN.

El ADN eucariota está en el núcleo, pero la maquinaria de síntesis de proteínas está en el citoplasma. Por su tamaño y la importancia de su información, el ADN no viaja: la secuencia del gen se copia a un ARN, el ARN mensajero (ARNm = mRNA), que lleva el mensaje. Lo cataliza una ARN polimerasa (RNA polymerase) siguiendo la complementariedad, pero añadiendo uracilo donde el molde tiene adenina. Se une al promotor (promoter), avanza 5'→3' y se suelta al llegar a la secuencia de fin (señal de parada). Otros genes se transcriben a ARNr (rRNA), que forma el ribosoma, y ARNt (tRNA), que transporta los aminoácidos.

El ARNm recién hecho, el transcrito primario (primary transcript), tiene la secuencia codificante troceada: los exones (exons), «los que se expresan», están separados por segmentos no codificantes, los intrones (introns), «secuencias intercaladas». En eucariotas los intrones son mayor porcentaje del gen que los exones. Un proceso de corte y empalme (splicing) elimina intrones y une los exones: el ARNm maduro, que además lleva pequeñas modificaciones en sus extremos 5' y 3' (fijación al ribosoma y protección frente a la degradación).

Un mismo transcrito puede madurar de varias formas según la célula o la etapa del desarrollo. En la rata, un gen da en el tiroides la hormona calcitonina, y en la hipófisis otra hormona distinta: el CGRP (Calcitonin Gene‑Related Peptide). También maduran los ARNr: en eucariotas, los ARNr 18S, 28S y 5,8S proceden de un solo transcrito.

El código genético (genetic code) relaciona la secuencia lineal de nucleótidos del ADN con la de aminoácidos de los polipéptidos. Como con las letras a, b, l, o, r formamos árbol, borla, labro o labor, el orden de las «letras» guarda información. El problema: el ADN tiene 4 letras y los polipéptidos usan 20 aminoácidos. ¿Cuántas letras por «palabra» hacen falta?

A principios de los sesenta, los grupos de Marshall Nirenberg, Severo Ochoa y H. Gobind Khorana lo confirmaron: la base del código es el triplete (en el ADN) o codón (codon; en el ARNm). Un triplete especifica un aminoácido. Propiedades:

La traducción (translation) convierte el mensaje del ARNm, en un alfabeto de 4 letras, al alfabeto de 20 de los polipéptidos. Ocurre en los ribosomas, donde los ARNt van incorporando los aminoácidos según la secuencia de codones. Cada ARNt —una hebra monocatenaria de unos 80 nucleótidos plegada en forma de hoja de trébol (cloverleaf)— tiene en un bucle el anticodón (anticodon), complementario del codón, y en su extremo 3' el aminoácido correspondiente. Hay al menos un ARNt por aminoácido; E. coli, por ejemplo, tiene 50 ARNt distintos.

Hay un complicado sistema que repara la mayoría de alteraciones del ADN, pero aproximadamente uno de cada mil errores no se corrige. El término mutación lo introdujo Hugo De Vries (1848‑1935) en 1901:

Se producen al azar y suelen ser perjudiciales, aunque a veces son beneficiosas. En cualquier caso, generan la variabilidad sobre la que actúa la selección natural. La replicación misma inserta un nucleótido erróneo una vez cada 10¹⁰ pares de bases: en nuestra especie, aproximadamente una mutación nueva por división celular. Además están los mutágenos (mutagens), que aumentan la tasa normal:

Las mutaciones puntuales y su mantenimiento explican el 90 % de la variabilidad genética entre individuos de una misma raza (según el libro). Se han identificado numerosos SNP (Single Nucleotide Polymorphisms), polimorfismos de un único nucleótido: un cambio cuenta como polimorfismo si aparece en al menos el 1 % de la población; dos tercios consisten en sustituir una citosina por una timina. Los grupos sanguíneos son un ejemplo. Localizarlos y asociarlos con fenotipos conductuales es un campo en plena expansión.

Hoy, cromosoma («cuerpo coloreado») es la molécula de ácido nucleico portadora de la información hereditaria: el ARN de algunos virus, el ADN de los procariotas y cada molécula del núcleo eucariota. En eucariotas el material va de la estructura nítida del cromosoma metafásico a la masa amorfa de la interfase, la cromatina (chromatin). Lo que distingue un nivel de otro es el grado de condensación, logrado gracias a las histonas (histones). Sube por la escalera:

La cromatina tampoco es homogénea: la eucromatina (euchromatin) está menos empaquetada y la heterocromatina (heterochromatin) es la más condensada. El grado de condensación se relaciona con el de expresión génica.

El conjunto de todos los genes de los cromosomas de un individuo es su genoma (genome). Parte de los segmentos no codificantes que no son intrones son secuencias reguladoras (regulatory sequences): marcan el comienzo de la replicación y los puntos de inicio de la recombinación, señalan inicio y final de los genes estructurales para la transcripción, o sirven de sustrato a las proteínas reguladoras.

Centrómeros (centromeres): implicados en el movimiento de los cromosomas en la división. Telómeros (telomeres): secuencias repetidas en los extremos que estabilizan y protegen el cromosoma de pegarse y de las exonucleasas (enzimas que degradan el ADN desde un extremo; las endonucleasas lo hacen desde el interior). Los añade la telomerasa, relacionada con el envejecimiento celular: si falta o falla, los telómeros se acortan.

Todas las células proceden por mitosis del cigoto y tienen idénticos genes. Aun así se diferencian (cell differentiation) y forman tejidos y órganos (organogénesis y morfogénesis); y dentro de una célula, el anabolismo (síntesis) y el catabolismo (degradación) se activan o desactivan según las necesidades. La economía celular obliga a que un gen se exprese solo cuando su polipéptido hace falta. El libro se centra en la regulación de la transcripción:

Los genes reguladores codifican proteínas reguladoras o factores de transcripción (transcription factors) que se unen a una secuencia reguladora al inicio del gen estructural e impiden que se una la ARN polimerasa. Encajan como una llave en una cerradura, porque sus estructuras tridimensionales son complementarias. Su forma depende a veces de otras moléculas:

Propuesto en 1961 por François Jacob y Jacques Monod. E. coli puede usar la lactosa como fuente de energía; la β‑galactosidasa la rompe en glucosa y galactosa (directamente o pasando por alolactosa). Activa o quita la lactosa:

Los homeogenes (homeobox genes) son clave en la diferenciación de las estructuras corporales, están en todos los animales —de la mosca de la fruta al hombre— y de ellos depende el desarrollo del sistema nervioso humano. Además:

Dos enigmas: las hembras de mamífero, con dos X, no producen más proteínas de genes del X que los machos; y solo en ellas aparecía en la interfase una masa de cromatina, el corpúsculo de Barr (Barr body). Mary Lyon lo explicó en 1961: en las células somáticas de las hembras solo un X está activo; el otro está condensado e inactivo, y su expresión citológica es el corpúsculo de Barr o cromatina sexual (sex chromatin). La inactivación empieza en la fase de mórula y es al azar (materno en unas células, paterno en otras).

Consecuencia: una mujer heterocigota para un locus del X tiene dos poblaciones celulares, unas con el alelo A activo y otras con el a: es el mosaicismo (mosaicism). En la distrofia muscular de Duchenne (recesiva ligada al X), las portadoras no enferman, pero sus fibras musculares están en mosaico: unas afectadas y otras no. Y en las gatas barcinas o tricolor (calico / tortoiseshell cats), el gen del color naranja está en el X: según qué X quede activo en cada zona, el pelaje sale manchado de naranja.

El bloqueo es permanente pero no irreversible: los núcleos son totipotentes (totipotent). Si se mete el núcleo de una célula diferenciada en un ovocito sin núcleo, proteínas del óvulo desbloquean sus instrucciones y se obtiene un clon genéticamente idéntico al donante. Los científicos son cautos: no hay control exhaustivo de que se desbloquee todo el ADN, ni se sabe si el núcleo adulto conserva intacta toda su información. El libro deja dos reflexiones:

Hoy la investigación se centra en las células madre (stem cells), presentes en los tejidos adultos sin diferenciar y con gran parte de su totipotencialidad. El Proyecto Genoma Humano (Human Genome Project) duró 10 años (1990‑2000) y secuenció las 46 moléculas de ADN de nuestro cariotipo, «el libro de instrucciones para hacer un ser humano»: una sopa de seis mil millones de letras de la que solo conocemos unos pocos miles de componentes.