Este documento resume conceptos clave de la genética cuantitativa y la variación continua. Explica que los caracteres cuantitativos como la estatura están controlados por múltiples genes con efectos aditivos pequeños (poligénicos). También describe cómo los estudios con gemelos han demostrado que muchos rasgos en humanos como la inteligencia tienen una heredabilidad del 50-70%. Finalmente, enfatiza la importancia de calcular la heredabilidad para determinar la factibilidad de mejoramiento genético o la necesidad de enfocarse en el ambiente
47. Estudios Con Gemelos Sir Francis Galtón (1822-1911) Inteligencia: 50% en niños y jóvenes 60-70 % en adultos
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Hinweis der Redaktion
Además de la variación genética producida por los procesos de mutación y recombinación, existe otra generada por el ambiente a la que llamamos variación fenotípica, ésta no es hereditaria pero forma parte de la variación poblacional.
E n 1883 el biólogo alemán August Weismann realizó una serie de experimentos cortando las colas a ratones por varias generaciones pero nunca vio nacer un ratón sin cola. A la luz de esta evidencia, concluyó que la herencia de los caracteres adquiridos es contraria a los hechos, desarrollando la T eoría de la herencia del plasma germinal , en la que proponía que el material del cuerpo -o soma- estaba enteramente separado del hereditario, que era denominado plasma germinal .
Los conceptos soma y plasma germinal fueron sustituidos por los de fenotipo y genotipo , propuestos en 1909 por el genetista danés Johannsen,
Johannsen (1909) definió al genotipo como la suma total de la herencia, la constitución genética que recibe un organismo de sus progenitores y al fenotipo como el aspecto del organismo, la suma de todos sus caracteres como color, forma, tamaño, comportamiento, composición química; la estructura interna o externa, macroscópica o microscópica.
Trabajando con el moho del pan Neurospora , Beadle y Tatum (1945) encontraron mutantes bioquímicos incapaces de sintetizar una enzima, por lo que llegaron a la conclusión de que un gen codifica para una enzima dando una relación directa entre genotipo y fenotipo: un gen ( genotipo ) una enzima ( fenotipo )
Sin embargo, la expresión fenotípica no siempre es un reflejo directo del genotipo. Los productos de muchos genes funcionan en varias células e interactúan con otros genes; para complicarlo aún más, la expresión de los genes puede ser inducida o reprimida por el ambiente - interno o externo-.
El genotipo de un individuo se mantiene relativamente constante en el transcurso de su vida, mientras el fenotipo cambia con el tiempo, lo cual se puede observar al mirar una serie de fotografías que abarque desde la infancia hasta la edad adulta de una persona; por tanto, el fenotipo nunca es exactamente el mismo ya que existen cambios fisiológicos. Incluso los gemelos monovitelinos -quienes poseen idéntico genotipo- no presentan el mismo fenotipo, pues parte de éste está determinada por el ambiente, que no es constante.
El ambiente (temperatura, pH, nutrientes) puede alterar la estructura terciaria o cuaternaria de las proteínas e inducir o reprimir la expresión de genes cambiando el fenotipo, más no el genotipo.
Así, podemos concluir que el fenotipo de un individuo es el resultado de la interacción del genotipo con el ambiente, tanto interno (otros genes) como externo (imagen). Aún más, el fenotipo de un organismo con todos sus atributos físicos, fisiológicos y conductuales es resultado de la interacción de su genoma (nuclear y extranuclear) con la sucesión de ambientes que ha experimentado durante su existencia.
Existe variación genotípica (hereditaria) -originada por mutaciones y recombinación del material genético- y fenotípica (no hereditaria) -resultado de la interacción del genotipo con el ambiente -, la cual no afecta directamente a los genes y sólo produce variación en la expresión de la información ya existente.
Por este motivo, aun cuando dos organismos sean genéticamente idénticos, presentarán diferencias fenotípicas achacables al efecto de los sucesivos ambientes o microambientes que se hayan enfrentado a lo largo del desarrollo.
Debido a la acción del ambiente, un mismo genotipo puede manifestarse de diferentes formas; a esto se le conoce como norma de reacción . Otros conceptos relacionados con ésta son fenocopia, penetrancia y expresividad.
Fenocopia: Las normas de reacción de ciertos genotipos pueden ser tan inesperadas que exhiban fenotipos aparentemente no correspondientes con el genotipo, éstos son pasajeros pues no duran más que el periodo vital de la generación que está expuesta al ambiente inductor.
Penetrancia y expresividad: Se dice que un gen tiene penetrancia o penetración completa cuando se expresa el mismo fenotipo en la totalidad de sus portadores, lo que indica una expresividad baja o única; en cambio, tendrá penetrancia incompleta si sólo algunos de los portadores expresan el fenotipo correspondiente y los otros manifiestan otro u otros fenotipos, lo que indica una expresividad alta. Estos términos se manejan en porcentajes.
El efecto de las mutaciones a escala poblacional está relacionado con los conceptos de penetrancia y expresividad de los genes. Un gen letal es aquel que antes de la etapa reproductora mata al individuo que lo porta o evita su reproducción, impidiendo el aporte de genes a la siguiente generación. Los genes letales no siempre lo son (por ejemplo bajo un tratamiento médico), por lo que algunos individuos de la población -portadores de los genes deletéreos- podrán reproducirse y aportar esos genes a la siguiente generación.
Mutaciones letales . Cuando la penetrancia del gen mutante en la población es muy cercano al 100%. Mutaciones semiletales . Penetrancia de más del 50 %. Ejemplo: en la Epiloia (deficiencia mental, excrecencias anormales en la piel y tumores en órganos internos) la mayoría de los portadores del gen mueren durante la infancia, pero algunos logran sobrevivir, casarse y tener hijos. Al ser un alelo dominante pueden heredar el gen al 50 % de los hijos, pero la mayoría de los que la padecen tienen padres normales (tasa de mutación 1/100,000 gametos).
Mutaciones subvitales . Penetrancia menor del 50%. Mutaciones casi normales . Presentan una penetrancia muy baja, sobrevive más del 80% de los portadores. En homocigosis estos genes presentan una viabilidad próxima a la de los heterocigotos silvestres, pero significativamente inferior al promedio.
En el primer capítulo de El origen de las especies, La variación en estado doméstico, existe un apartado denominado “Variación correlativa; herencia” donde Darwin describe las Leyes de correlaciones para explicar aquellas características que se transmitían unidas. Para apoyarlas mencionó algunos ejemplos, como el hecho de que los gatos blancos con ojos azules eran generalmente sordos (rasgo limitado a los machos); o bien como el de las ovejas y cerdos blancos, que eran dañados por ciertas plantas que no afectaban a los de color; o el de que los perros de poco pelo tenían dientes imperfectos.
En este capítulo también mencionó que dentro de la misma especie -generalmente doméstica- se presentaban variaciones limitadas a algunas regiones anatómicas de los organismos, como consecuencia de la selección dirigida por el hombre. A esto le llamó monstruosidade s.
Las leyes de correlación ahora pueden explicarse con los principios de la herencia ligada al sexo , los genes ligados y el efecto pleiotrópico . Y las monstruosidades con el concepto de norma de reacción.
Para explicar las leyes de la variación (capítulo 5 del O rigen de las E species) Darwin desarrolló las teorías de la herencia combinada, la pangénesis e incluyó la herencia de caracteres adquiridos por uso y desuso. Estas propuestas le costaron grandes críticas a su teoría y fueron invalidadas muy pronto.
A Darwin le gustaba la idea de la herencia con mezcla , ya que concordaba con la hipótesis fundamental de Natura non facit saltum (la naturaleza no da saltos) no sólo propuesta por él, sino común entre los científicos de la época.
Durante el siglo XIX, los estudiosos del origen y la transmisión de las características hereditarias analizaban rasgos que presentaban gradación continua. Por ejemplo, Galton investigaba la herencia del diámetro de los chícharos dulces: Cuando plantas con semillas grandes eran cruzadas con otras de semillas pequeñas, la F 1 presentaba plantas con semillas de diámetro intermedio entre los dos progenitores; cuando la F 1 era cruzada entre sí, la F 2 resultaba en semillas con distinto diámetro, tan grandes o pequeños como los progenitores.
En 1760 Joseph Kölreuter (citado en el trabajo de Mendel) dio a conocer resultados similares al cruzar variedades altas y enanas de tabaco ( Nicotiana longiflora ). Las plantas F 1 fueron de tamaño intermedio y la F 2 presentó una gradación continua desde el tamaño del progenitor enano hasta el del progenitor alto, siendo la mayoría de tamaño intermedio, en una distribución normal. Kölreuter no pudo explicar sus resultados y sólo después del redescubrimiento de los trabajos de Mendel éstos se aclararon; ahora los conocemos como variación continua y son estudiados bajo los principios de la genética cuantitativa, multifactorial o poligénica.
Las características mendelianas como forma o color de la semilla del chícharo; el color rojo o blanco de los ojos de Drosophila y la capacidad o incapacidad de doblar la lengua en “taquito”, son ejemplos de variación discontinua o cualitativa .
Si preguntásemos a un grupo de estudiantes sobre su capacidad de doblar la lengua en forma de “taquito”, sólo tendríamos dos respuestas cualitativas y discretas: Sí o no. Sabemos que este rasgo está determinado por un gen de herencia mendeliana y que dicha capacidad es dominante sobre la incapacidad de hacerlo; por tanto, si contáramos con algunos datos familiares podríamos hacer inferencias sobre el genotipo de los estudiantes.
No obstante, muchos fenotipos tienen variación continua o cuantitativa , como la estatura, el peso o el color de la piel en humanos; o la producción de huevos, carne y leche.
Sin embargo, si preguntáramos al grupo sobre su estatura tendríamos muchos datos diferentes -cuantitativos y continuos- y si graficáramos la frecuencia de cada una de estas referencias, seguramente encontraríamos una curva con distribución normal , donde la mayoría de los estudiantes se agruparía cerca de la media y uno que otro estaría en los extremos; al trabajar con características con fenotipos de variación continua o cuantitativa este tipo de comportamiento es común. En este caso sería difícil determinar los genotipos correspondientes a dichos fenotipos .
Nilsson-Ehle (1913) demostró que los rasgos que exhiben variación continua están controlados por 2 ó más genes con efecto aditivo (poligénico). Este trabajo se basó en tres experimentos en los que cruzó cuatro variedades de trigo que producían granos de color rojo claro, rojo, rojo oscuro y blanco respectivamente.
Experimento 1. P Plantas con semillas rojo claro X plantas con semillas blancas. F 1 Todas de color intermedio entre los parentales. F 2 Semillas de color rojo claro, rosa y blanco en proporción 1:2:1, lo que indicaba la segregación de un par de alelos semidominantes.
Experimento 2. P Plantas con semillas rojas X plantas con semillas blancas. F 1 Todas de color intermedio entre los parentales. F 2 Semillas de varios tonos que abarcaban del rojo al blanco, en proporciones de 1:4:6:4:1. Estas proporciones sugerían que dos pares de alelos con efecto aditivo segregaban de manera independiente.
Experimento 3. P Plantas con semillas rojo oscuro X semillas blancas. F 1 Todas de color intermedio entre los parentales. F 2 Se obtuvo un abanico de tonos más amplio, que cubría desde el rojo oscuro hasta el blanco en proporciones 1:6:15:20:15:6:1, indicando la segregación independiente de tres pares de genes.
Así se explicó la variación continua postulada como hipótesis de genes múltiples o poligénica
La genética cuantitativa, poligénica o multifactorial estudia la herencia de características fenotípicas que presentan variación continua o cuantitativa , de ahí su nombre.
Éstas dependen de la acción de muchos genes que ejercen un ligero efecto en un fenotipo determinado ( poligénica ). Difiere del clásico patrón mendeliano pues una serie graduada de fenotipos se extiende de un extremo -representado por uno de los progenitores- al otro -representado por el otro progenitor-. Para su estudio se consideran medias y varianzas de las poblaciones y no valores discretos.
Ciertos factores como la epistásis, las influencias citoplasmáticas, las interacciones entre genes y productos génicos y las interacciones con el ambiente se ven reflejados en los promedios y las varianzas, de ahí que también se le conozca como multifactorial .
Algunas veces se puede calcular el número de genes que intervienen en la expresión de un carácter cuantitativo, como en el caso del color del grano de trigo, e incluso calcular el grado de contribución de cada gen al fenotipo. No siempre es posible calcular el número de genes que intervienen en la expresión de un carácter cuantitativo. El tamaño de la corola en la flor del tabaco ( Nicotiana logiflora ) es un ejemplo de esto: Al cruzar variedades con corola pequeña y grande respectivamente, la F 1 presenta todas las corolas de las flores de tamaño intermedio y aunque en la F 2 se ha encontrado gran variación de tamaños, nunca se han hallado representantes con los tamaños de corola de los progenitores, aun cuando se han revisado cientos de descendientes en diversos experimentos; debido a esto se cree que en la determinación de éste carácter participan muchos pares de genes.
En ciertos resultados que se observaron en generaciones F 2, los valores extremos obtenidos excedieron a los valores presentes en los progenitores. Este patrón se denomina variación transgresiva y su explicación se basa en que los progenitores no representaban los extremos posibles en las combinaciones de sus genotipos.
Como es muy difícil identificar poligenes y su contribución al fenotipo, es necesario manejar los sistemas poligénicos en términos estadísticos, tales como media , varianza y error estándar de la media.
La variación continua se caracteriza por presentar una gradación continua que al ser graficada da como resultado una curva de distribución normal con valores que representan la media y una varianza total determinada por un componente genético y un componente ambiental. De tal forma que, en un carácter con variación continua, la varianza total será igual a la varianza genética más la ambiental. S 2 T = S 2 G + S 2 A Si quisiéramos conocer el componente genético de una característica, tendríamos que controlar lo más posible el componente ambiental (S 2 A =0), de tal forma que la varianza total sería igual a la genética. De igual manera, si deseáramos saber cuánto de la varianza es ambiental, tendríamos que controlar el componente genético (S 2 G =0) para que la varianza total fuera igual a la ambiental.
En el caso de los humanos, las mejores pruebas para determinar la influencia de la herencia o del ambiente en determinado carácter, provienen de los estudios con gemelos idénticos (S 2 G =0) separados al nacer, o gemelos fraternos que han compartido idéntico ambiente (S 2 A =0).
Los estudios con gemelos univitelinos o monocigóticos y con gemelos fraternos o dicigóticos han proporcionado información sobre características de variación continua que se han discutido desde el siglo XIX, tales como si la inteligencia es ambiental o hereditaria.
Las medidas de semejanza entre los dos tipos de gemelos aportan información útil sobre las contribuciones de la herencia y el medio ambiente. Si ambos miembros de un determinado tipo de gemelos poseen determinada característica o carecen de ella, son fenotípicamente similares o concordantes ; el grado relativo de concordancia en los gemelos indica la importancia del ambiente o de los genes en dicho carácter. Por ejemplo, el color de ojos tiene 99.6% de concordancia en gemelos idénticos y 28% en gemelos fraternos. La debilidad mental tiene 94% de concordancia en gemelos idénticos y 47% entre gemelos no-idénticos.
Los mejoradores de animales y vegetales que desean aumentar el rendimiento de sus producciones, deben elegir los progenitores de la siguiente generación basándose en el provecho de la generación actual; así pues están llevando a cabo un experimento de selección. Los mejoradores tienen que cuidar que los progenitores de la siguiente generación posean las características de interés y que las transmitan a las siguientes generaciones; para ello es importante calcular la heredabilidad del carácter.
El cálculo de la heredabilidad informa la cantidad de variación en la distribución de un carácter que puede ser atribuida a causas genéticas. Es la proporción de la varianza que se debe a todos los componentes genéticos, incluyendo dominancia, epistásis, interacciones génicas y efectos citoplasmáticos.
La heredabilidad se puede calcular a través de la respuesta que tiene una población a la selección; se puede estimar directamente eliminando uno de los componentes de la varianza total o calcularse a través de la semejanza genética entre parientes. Hay varias formas de eliminar componentes de la varianza. Si usamos organismos genéticamente idénticos (clones o gemelos monocigóticos), la varianza genética será cero y la restante será ambiental.
Es muy difícil calcular la heredabilidad en el hombre, debido a que no pueden obtenerse líneas puras ni manipular a los seres humanos en diversos ambientes o llevar a cabo experimentos de selección, por lo que los métodos para calcular la heredabilidad se limitan a estudios de concordancia y discordancia entre gemelos idénticos y fraternos, además de investigaciones realizadas con gemelos criados en diferentes ambientes y estudios de correlación entre parientes.
Si se conoce la heredabilidad del carácter es posible determinar si conviene implementar un programa de mejoramiento genético o simplemente dar a nuestros organismos las condiciones ambientales adecuadas para incrementar la productividad.
En el caso de las enfermedades con herencia multifactorial como la diabetes, es importante definir el grado de heradabilidad, pues éste indica el grado de propensión según el parentesco .
![Variación fenotípica ,[object Object]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)