Genética: definición, genes, herencia y aportes de Mendel

Los seres vivos están formados por millones de diminutos componentes autónomos llamados células. En el interior de cada célula se encuentran unas moléculas largas y complejas llamadas ácido desoxirribonucleico, conocidas de forma abreviada como ADN. Parte del ADN almacena información para fabricar proteínas. Los trozos de ADN que hacen esto se conocen como genes. Las personas tienen un aspecto diferente entre sí principalmente porque tienen diferentes versiones del conjunto de genes humanos.

Sin embargo, una gran parte del ADN (más del 98% en el caso de los humanos) es ADN no codificante. Estas secciones no sirven como patrones para las secuencias de proteínas. Lo que hace es codificar información importante no proteica. Ejemplos de ello son varias moléculas importantes de ARN y trozos de "andamiaje" como los centrómeros y los telómeros.

Todas las células de un mismo ser vivo tienen el mismo ADN, pero sólo una parte se utiliza en cada célula. Por ejemplo, algunos genes que indican cómo fabricar partes del hígado están desactivados en el cerebro. Los genes que se utilizan también pueden cambiar con el tiempo. Por ejemplo, un niño utiliza muchos genes al principio del embarazo que no se utilizan después.

Una persona tiene dos copias de cada gen, una de su madre y otra de su padre. Puede haber varios tipos de un mismo gen, que dan instrucciones diferentes: una versión puede hacer que una persona tenga los ojos azules, otra puede hacer que los tenga marrones. Estas diferentes versiones se conocen como alelos del gen.

Dado que un ser vivo tiene dos copias de cada gen, puede tener dos alelos diferentes del mismo al mismo tiempo. A menudo, un alelo será dominante, lo que significa que el ser vivo se ve y actúa como si sólo tuviera ese alelo. El alelo no expresado se llama recesivo. En otros casos, se acaba teniendo algo entre las dos posibilidades. En ese caso, los dos alelos se llaman codominantes.

La mayoría de las características que se pueden observar en un ser vivo tienen más de un gen que influye en ellas. Y muchos genes tienen efectos múltiples en el organismo, porque su función no tendrá el mismo efecto en cada tejido. Los múltiples efectos de un solo gen se denominan pleiotropismo. El conjunto de genes se llama genotipo, y el efecto total de los genes en el cuerpo se llama fenotipo. Estos son términos clave en genética.

Ideas pre-mendelianas

Sabemos que el hombre comenzó a criar animales domésticos desde épocas tempranas, probablemente antes de la invención de la agricultura. No sabemos cuándo se apreció por primera vez la herencia como un problema científico. Los griegos, y sobre todo Aristóteles, estudiaron los seres vivos y propusieron ideas sobre la reproducción y la herencia.

Imre Festetics, que publicó trabajos en alemán en la primera parte del siglo XIX, estuvo totalmente olvidado hasta hace poco. Describió varias reglas de la herencia genética en su obra Die genetische Gesätze der Natur, 1819 (La ley genética de la naturaleza). Su segunda ley es la misma que la de Mendel. En su tercera ley, desarrolló los principios básicos de la mutación. Ninguna de las historias de la genética publicadas en el siglo XX le menciona.

Probablemente la idea más publicitada antes de Mendel fue la de Charles Darwin, cuya idea de la pangénesis tenía dos partes. La primera, que las unidades hereditarias persistentes se transmitían de una generación a otra, era bastante acertada. La segunda era su idea de que se reponían mediante "gémulas" procedentes de los tejidos somáticos (del cuerpo). Esto era totalmente erróneo, y no juega ningún papel en la ciencia actual. Darwin tenía razón en una cosa: todo lo que ocurre en la evolución debe suceder por medio de la herencia, y por ello una ciencia precisa de la genética es fundamental para la teoría de la evolución. Este "apareamiento" entre la genética y la evolución tardó muchos años en organizarse. Dio lugar a la moderna síntesis evolutiva.

Genética mendeliana

Las reglas básicas de la genética fueron descubiertas por Imre Festetics, un terrateniente (1764-1847), y un monje llamado Gregor Mendel hacia 1865. Durante miles de años la gente había notado cómo algunos rasgos de los padres se transmiten a los hijos. Sin embargo, el trabajo de Mendel fue diferente porque diseñó sus experimentos con mucho cuidado.

En sus experimentos, Mendel estudió cómo se transmitían los rasgos en las plantas de guisantes. Comenzó sus cruces con plantas que se reproducían correctamente, y contó los caracteres que eran de naturaleza mixta (altos o bajos). Crió un gran número de plantas y expresó sus resultados numéricamente. Utilizó cruces de prueba para revelar la presencia y la proporción de los caracteres recesivos.

Mendel explicó los resultados de su experimento utilizando dos leyes científicas:

• 1. Los factores, más tarde llamados genes, se presentan normalmente en pares en las células ordinarias del cuerpo, pero se separan durante la formación de las células sexuales. Estos factores determinan los rasgos del organismo y se heredan de sus padres. Cuando los gametos se producen por meiosis, los dos factores se separan. Un gameto sólo recibe uno o el otro. Esto es lo que Mendel llamó la ley de la segregación.
• 2. Los alelos de los diferentes genes se separan independientemente unos de otros cuando se forman los gametos. A esto lo llamó la Ley de la Distribución Independiente. Así pues, Mendel pensaba que los diferentes rasgos se heredan independientemente unos de otros. Ahora sabemos que esto sólo es cierto si los genes no están en el mismo cromosoma, en cuyo caso no están vinculados entre sí.

Las leyes de Mendel ayudaron a explicar los resultados que observó en sus plantas de guisantes. Más tarde, los genetistas descubrieron que sus leyes también eran válidas para otros seres vivos, incluso los humanos. Los descubrimientos de Mendel a partir de su trabajo con las plantas de guisantes de jardín ayudaron a establecer el campo de la genética. Sus contribuciones no se limitaron a las reglas básicas que descubrió. El cuidado de Mendel hacia el control de las condiciones del experimento, junto con su atención a sus resultados numéricos, establecieron una norma para futuros experimentos. A lo largo de los años, los científicos han cambiado y mejorado las ideas de Mendel. Sin embargo, la ciencia de la genética no sería posible hoy en día sin los primeros trabajos de Gregor Mendel.

Entre Mendel y la genética moderna

Entre los trabajos de Mendel y 1900 se desarrollaron los fundamentos de la citología, el estudio de las células. Los hechos descubiertos sobre el núcleo y la división celular fueron esenciales para que el trabajo de Mendel se entendiera correctamente.

1832: Barthélémy Dumortier, el primero en observar la división celular en un organismo multicelular.

1841, 1852: Robert Remak (1815-1865), un fisiólogo judío polaco-alemán, fue la primera persona en afirmar el fundamento de la biología celular: que las células sólo derivan de otras células. Esto fue popularizado posteriormente por el médico alemán Rudolf Virchow (1821-1902), que utilizó la famosa frase omnis cellula e cellula, que significa, todas las células de otras células.

1865: Se publica el trabajo de Gregor Mendel, Experimentos sobre la hibridación de las plantas.

1876: La meiosis fue descubierta y descrita por primera vez en los huevos de erizo de mar, por el biólogo alemán Oscar Hertwig (1849-1922).

1878-1888: Walther Flemming y Eduard Strasburger describen el comportamiento de los cromosomas durante la mitosis.

1883: La meiosis fue descrita a nivel de los cromosomas, por el zoólogo belga Edouard van Beneden (1846-1910), en los huevos de Ascaris (lombriz redonda).

1883: El zoólogo alemán Wilhelm Roux (1850-1924) se dio cuenta de la importancia de la estructura lineal de los cromosomas. Su división en dos mitades longitudinales iguales significaba que cada célula hija recibía el mismo complemento cromosómico. Por tanto, los cromosomas eran los portadores de la herencia.

1889: El botánico holandés Hugo de Vries sugiere que "la herencia de rasgos específicos en los organismos viene en partículas", denominando a dichas partículas (pan)genes.

1890: La importancia de la meiosis para la reproducción y la herencia fue descrita en 1890 por el biólogo alemán August Weismann (1834-1914). Observó que eran necesarias dos divisiones celulares para convertir una célula diploide en cuatro células haploides si se quería mantener el número de cromosomas.

1902-1904: Theodor Boveri (1862-1915), biólogo alemán, en una serie de trabajos, llamó la atención sobre la correspondencia entre el comportamiento de los cromosomas y los resultados obtenidos por Mendel. Dijo que los cromosomas eran "entidades independientes que mantienen su independencia incluso en el núcleo en reposo... Lo que sale del núcleo es lo que entra en él".

1903: Walter Sutton sugirió que los cromosomas, que se segregan de forma mendeliana, son unidades hereditarias. Edmund B. Wilson (1856-1939), profesor de Sutton, fue el autor de uno de los libros de texto más famosos de la biología. Wilson llamó a esta idea la hipótesis de Sutton-Boveri.

En este punto, los descubrimientos en citología se fusionaron con las ideas redescubiertas de Mendel para hacer una fusión llamada citogenética, (cito = célula; genética = herencia) que ha continuado hasta nuestros días.

Redescubrimiento de la obra de Mendel

Durante la década de 1890 varios biólogos empezaron a hacer experimentos sobre la cría. y pronto se duplicaron los resultados de Mendel, incluso antes de que se leyeran sus escritos. Carl Correns y Hugo de Vries fueron los principales redescubridores de los escritos y las leyes de Mendel. Ambos reconocieron la prioridad de Mendel, aunque es probable que de Vries no comprendiera sus propios resultados hasta después de leer a Mendel. Aunque en un principio también se atribuyó a Erich von Tschermak el redescubrimiento, esto ya no se acepta porque no comprendió las leyes de Mendel. Aunque de Vries perdió posteriormente el interés por el mendelismo, otros biólogos convirtieron la genética en una ciencia.

Los resultados de Mendel fueron replicados, y el enlace genético no tardó en ser resuelto. William Bateson fue quizá el que más hizo en los primeros tiempos para dar a conocer la teoría de Mendel. La palabra genética, y otra terminología, se originó con Bateson.

Los resultados experimentales de Mendel fueron posteriormente objeto de cierto debate. Fisher analizó los resultados de la relación F2 (segunda filial) y descubrió que estaban inverosímilmente cerca de la relación exacta de 3 a 1. A veces se sugiere que Mendel pudo haber censurado sus resultados, y que sus siete rasgos ocurren cada uno en un par cromosómico separado, un hecho extremadamente improbable si fueron elegidos al azar. De hecho, los genes que Mendel estudió sólo se encontraban en cuatro grupos de ligamiento, y sólo un par de genes (de los 21 posibles) está lo suficientemente cerca como para mostrar una desviación del surtido independiente; éste no es un par que Mendel estudiara.

Mutaciones

Durante el proceso de replicación del ADN, a veces se producen errores. Estos errores, llamados mutaciones, pueden tener un efecto sobre el fenotipo de un organismo. A su vez, eso suele tener un efecto sobre la aptitud del organismo, su capacidad para vivir y reproducirse con éxito.

Las tasas de error suelen ser muy bajas -un error por cada 10-100 millones de bases- debido a la capacidad de "corrección" de las ADN polimerasas. Las tasas de error son mil veces superiores en muchos virus. Debido a que dependen de las ADN y ARN polimerasas, que carecen de capacidad de corrección, obtienen tasas de mutación más altas.

Los procesos que aumentan la tasa de cambios en el ADN se denominan mutagénicos. Las sustancias químicas mutagénicas aumentan los errores en la replicación del ADN, a menudo interfiriendo en la estructura del emparejamiento de las bases, mientras que la radiación UV induce mutaciones al causar daños en la estructura del ADN. Los daños químicos en el ADN también se producen de forma natural, y las células utilizan mecanismos de reparación del ADN para reparar los desajustes y las roturas en el ADN; sin embargo, la reparación a veces no consigue devolver el ADN a su secuencia original.

En los organismos que utilizan los cruces cromosómicos para intercambiar ADN y recombinar genes, los errores de alineación durante la meiosis también pueden causar mutaciones. Los errores en el cruce son especialmente probables cuando secuencias similares hacen que los cromosomas asociados adopten una alineación errónea; esto hace que algunas regiones de los genomas sean más propensas a mutar de esta manera. Estos errores crean grandes cambios estructurales en la secuencia del ADN: duplicaciones, inversiones o supresiones de regiones enteras, o el intercambio accidental de partes enteras entre cromosomas diferentes (lo que se denomina translocación).

Cuadros de Punnett

Desarrollados por Reginald Punnett, los cuadrados de Punnett son utilizados por los biólogos para determinar la probabilidad de que la descendencia tenga un genotipo determinado.

Si B representa el alelo para tener el pelo negro y b representa el alelo para tener el pelo blanco, la descendencia de dos padres Bb tendría un 25% de probabilidad de tener dos alelos de pelo blanco (bb), un 50% de tener uno de cada uno (Bb) y un 25% de tener sólo alelos de pelo negro (BB).

Tabla de pedigrí

Los genetistas (biólogos que estudian la genética) utilizan gráficos de pedigrí para registrar los rasgos de las personas de una familia. Con estos gráficos, los genetistas pueden estudiar cómo se hereda un rasgo de una persona a otra.

Los genetistas también pueden utilizar gráficos de pedigrí para predecir cómo se transmitirán los rasgos a los futuros hijos de una familia. Por ejemplo, los asesores genéticos son profesionales que trabajan con familias que podrían estar afectadas por enfermedades genéticas. Como parte de su trabajo, crean gráficos de pedigrí para la familia, que pueden utilizarse para estudiar cómo podría heredarse la enfermedad.

Estudios de gemelos

Como los seres humanos no se crían experimentalmente, la genética humana debe estudiarse por otros medios. Una forma reciente es el estudio del genoma humano. Otra forma, más antigua por muchos años, es el estudio de los gemelos. Los gemelos idénticos son clones naturales. Son portadores de los mismos genes, por lo que pueden utilizarse para investigar en qué medida contribuye la herencia a las personas individuales. Los estudios con gemelos han sido bastante interesantes. Si hacemos una lista de rasgos característicos, encontramos que varían en cuanto a lo que deben a la herencia. Por ejemplo:

• Color de ojos: totalmente heredado
• Peso, altura: en parte heredado, en parte ambiental
• La lengua que habla una persona: totalmente ambiental.

La forma en que se realizan los estudios es la siguiente. Tome un grupo de gemelos idénticos y un grupo de gemelos fraternos. Mídales varios rasgos. Haga un análisis estadístico (como el análisis de la varianza). Esto le indica hasta qué punto el rasgo es heredado. Los rasgos que se heredan en parte serán significativamente más similares en los gemelos idénticos. Los estudios de este tipo pueden ir más allá, comparando gemelos idénticos criados juntos con gemelos idénticos criados en circunstancias diferentes. Eso da una idea de hasta qué punto las circunstancias pueden alterar los resultados de personas genéticamente idénticas.

La persona que primero hizo estudios de gemelos fue Francis Galton, medio primo de Darwin, que fue el fundador de la estadística. Su método consistía en rastrear a los gemelos a lo largo de su historia vital, realizando muchos tipos de mediciones. Desgraciadamente, aunque conocía los gemelos mono y dicigóticos, no apreciaba la verdadera diferencia genética. Los estudios de gemelos del tipo moderno no aparecieron hasta la década de 1920.

La genética de las bacterias, las arqueas y los virus es un importante campo de investigación. Las bacterias se dividen principalmente por división celular asexual, pero tienen una especie de sexo por transferencia horizontal de genes. La conjugación, la transducción y la transformación bacteriana son sus métodos. Además, ahora se conoce la secuencia completa del ADN de muchas bacterias, arqueas y virus.

Aunque muchas bacterias recibieron nombres genéricos y específicos, como el Staphylococcus aureus, la idea de una especie carece de sentido para un organismo que no tiene sexos ni cruce de cromosomas. En su lugar, estos organismos tienen cepas, y así es como se identifican en el laboratorio.

Expresión genética

La expresión génica es el proceso por el que la información heredable de un gen, la secuencia de pares de bases de ADN, se convierte en un producto génico funcional, como una proteína o ARN. La idea básica es que el ADN se transcribe en ARN, que luego se traduce en proteínas. Las proteínas forman muchas de las estructuras y todas las enzimas de una célula u organismo.

Varias etapas del proceso de expresión génica pueden ser moduladas (afinadas). Esto incluye tanto la transcripción como las traducciones de DeepL, y el estado plegado final de una proteína. La regulación génica activa y desactiva los genes y controla así la diferenciación celular y la morfogénesis. La regulación génica también puede servir de base para el cambio evolutivo: el control del momento, la ubicación y la cantidad de la expresión génica puede tener un profundo efecto en el desarrollo del organismo. La expresión de un gen puede variar mucho en diferentes tejidos. Esto se llama pleiotropismo, un fenómeno muy extendido en genética.

El splicing alternativo es un descubrimiento moderno de gran importancia. Se trata de un proceso en el que a partir de un único gen se puede ensamblar un gran número de proteínas variantes. Un gen concreto de Drosophila (DSCAM) puede empalmarse alternativamente en 38.000 moléculas de ARNm diferentes.

Epigenética y control del desarrollo

La epigenética es el estudio de los cambios en la actividad de los genes que no están causados por cambios en la secuencia del ADN. Es el estudio de la expresión de los genes, la forma en que éstos provocan sus efectos fenotípicos.

Estos cambios en la actividad de los genes pueden permanecer durante el resto de la vida de la célula y también pueden durar muchas generaciones de células, a través de las divisiones celulares. Sin embargo, no hay ningún cambio en la secuencia de ADN subyacente del organismo. En cambio, los factores no hereditarios hacen que los genes del organismo se comporten (se expresen) de forma diferente.

Los genes Hox son un complejo de genes cuyas proteínas se unen a las regiones reguladoras de los genes diana. Los genes diana activan o reprimen entonces los procesos celulares para dirigir el desarrollo final del organismo.

Herencia extranuclear

Hay algunos tipos de herencia que se producen fuera del núcleo celular. La herencia normal procede de ambos padres a través de los cromosomas del núcleo de un óvulo fecundado. Hay algunos tipos de herencia distintos a éste.

Herencia de organelos

Las mitocondrias y los cloroplastos llevan algo de ADN propio. Su composición la deciden los genes de los cromosomas y los genes del orgánulo. Carl Correns descubrió un ejemplo en 1908. La planta de las cuatro, Mirabilis jalapa, tiene hojas que pueden ser blancas, verdes o variegadas. Correns descubrió que el polen no influye en esta herencia. El color lo deciden los genes de los cloroplastos.

Herencia infecciosa

La causa es una relación simbiótica o parasitaria con un microorganismo.

Efecto materno

En este caso se transcriben los genes nucleares del gameto femenino. Los productos se acumulan en el citoplasma del óvulo y tienen un efecto en el desarrollo temprano del óvulo fecundado. El enrollamiento de un caracol, Limnaea peregra, está determinado así. Las conchas derechas son genotipos Dd o dd, mientras que las izquierdas son dd.

El ejemplo más importante de efecto materno se da en la Drosophila melanogaster. El producto proteico de los genes de efecto materno activa otros genes, que a su vez activan aún más genes. Este trabajo obtuvo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1995.

Gran parte de la investigación moderna utiliza una mezcla de genética, biología celular y biología molecular. Entre los temas que han sido objeto de premios Nobel en química o fisiología se encuentran:

• Empalme alternativo, en el que un gen codifica una variedad de productos proteicos relacionados.
• La genómica, la secuencia y el análisis de la función y la estructura de los genomas.
• La ingeniería genética, la modificación del genoma de un organismo mediante la biotecnología.
• Elementos genéticos móviles, tipos de ADN que pueden cambiar de posición en el genoma.
• La transferencia horizontal de genes, en la que un organismo obtiene material genético de otro organismo sin ser la descendencia de éste.
• Epigenética, el estudio de los cambios en la actividad de los genes que no son causados por cambios en la secuencia del ADN.
• CRISPR: En 2012, Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier sugirieron que el CRISPR-Cas9 (enzimas de las bacterias que controlan la inmunidad microbiana) podría utilizarse para editar genomas. Este hecho ha sido calificado como uno de los descubrimientos más importantes de la historia de la biología. Los dos científicos compartieron el Premio Nobel de Química de 2020.

Genética del comportamiento humano

Muchos trastornos conocidos del comportamiento humano tienen un componente genético. Esto significa que su herencia provoca en parte el comportamiento, o hace más probable que se produzca el problema. Algunos ejemplos son:

• Autismo
• TDAH (trastorno por déficit de atención)
• Uso y abuso de drogas
• Asumir riesgos
• Esquizofrenia

Además, el comportamiento normal también está muy influenciado por la herencia:

• Aprendizaje y capacidad cognitiva
• La personalidad.

• ENCODE: el análisis completo del genoma humano
• Terapia génica
• Epigenética