Genética I. Genes. CIENCIA

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Ciencia

Concepto y naturaleza. Los individuos pluricelulares se desarrollan a partir de un cigoto formado por la unión de células germinales producidas por sus progenitores. Las células (v.) resultantes de las sucesivas divisiones del cigoto se van diferenciando durante la ontogenia por interacción de sus factores hereditarios, y de éstos con el ambiente, hasta formar un nuevo organismo, con las características propias de la especie a que pertenece, expresadas con peculiaridades individuales.

El conjunto de estos caracteres constituye el fenotipo del nuevo individuo, y el de factores hereditarios que las células germinales trasmiten de padres a hijos, su idiotipo. El idiotipo de un individuo fija su norma de reacción a los factores ambientales: un mismo idiotipo puede determinar distintos fenotipos, según las condiciones ambientales en que tenga lugar el desarrollo, pero el número de fenotipos posibles está limitado por el idiotipo. Sólo en éste reside la potencialidad del cigoto para desarrollarse y convertirse en una unidad funcional organizada.

Los factores mejor conocidos del idiotipo son las partículas, postuladas por primera vez por Mendel (v. ii), que luego Johanssen, en 1909, llamó genes. Estos genes residen en los cromosomas (v.) y su conjunto recibe el nombre de genotipo. Cada cromosoma lleva siempre los mismos genes en la misma secuencia lineal y en la misma posición.

Químicamente, los genes son macromoléculas constituidas (Avery, 1945) por ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN posee una estructura helicoidal (Watson y Crick, 1953) con una secuencia específica de desoxirribonucleótidos, y esta secuencia constituye la información necesaria para la realización de la herencia biológica. En el hombre, el peso total del ADN trasmitido entre individuos de generaciones sucesivas no supera unas milésimas de gramo.

El número de genes de una planta o animal es muy grande. En Drosophila melanogaster (mosca de las frutas), uno de los organismos más intensamente estudiados desde el punto de vista genético, se han encontrado más de 500 genes, y en Zea’Tays (maíz) más de 400, pero éstos solamente son una fracción de los que poseen. Se estima que D. melanogaster puede tener al menos 10.000 genes.

Mutaciones génicas. Los genes se reconocen porque algunos individuos experimentan mutaciones (v.), cambios trasmisibles a su descendencia de algunos de sus caracteres biológicos. P. ej., en las plantas, cambios de la longitud del tallo, de la longitud de los internodos, de la forma y tamaño de las hojas, del color de las flores, de la forma de los frutos, etc.; en los animales, cambios del color de los ojos, de los pelos o de las plumas, de la forma y tamaño de los órganos, de la clase de grupos sanguíneos, etc.; y en unos y otros incapacidad de realizar alguna de las reacciones químicas integrantes del metabolismo, aparición de alguna enfermedad, etc. Las distintas formas de un gen producidas por mutación se denominan alelos. La mutación de un gen suele producir efectos sobre más de un carácter.

En los organismos diploides, los cromosomas se presentan en parejas, por lo que poseen dos alelos de cada gen. Si éstos son iguales, se dice que el organismo es Homocigótico para ese par de alelos, y si son distintos, que es heterocigótico. Si en éstos uno sólo de los alelos se expresa en la realización del carácter se dice que es dominante sobre el otro, y que éste es recesivo respecto a aquél.

Se acostumbra designar la mutación de un gen con el nombre del efecto principal que haya producido sobre el fenotipo y se representa por una abreviatura de ese nombre, con mayúscula, si el alelo resultante de la mutación es dominante sobre el original, y con minúscula, si es recesivo respecto al mismo. El alelo que produce el fenotipo silvestre también se puede representar por la misma abreviatura que la mutación, pero acompañada del signo + como exponente. T. H. Morgan (1910; v.) llamó white (blanco) y representó por w, la mutación recesiva cuyo efecto principal es determinar un color blanco de los ojos de D. melanogaster, que normalmente son rojos. Si de un gen se conocen varias mutaciones se representan todas con el mismo símbolo, pero con un exponente o subíndice para distinguirlas: Del gen w se han encontrado más de quince alelos, entre ellos w°° wb, wa. El color rojo de los ojos de las moscas naturales es producido por el alelo w+ (W), que es dominante sobre los otros (wc°, wb, wa, w), y los individuos homocigóticos para éstos tienen ojos color coral (coral), sangre (blood), albaricoque (apricot) y blanco (white), respectivamente. La primera mutación encontrada en esta serie alélica fue la que producía ojos blancos, y por eso todos los alelos se representan con w (white). Las denominaciones están en inglés, porque los investigadores que encontraron estas mutaciones eran norteamericanos.

El alelo recesivo sólo se manifiesta en estado homocigótico. P. ej., una mosca Vgvg tiene la apariencia de una mosca normal, y una mosca vgvg tiene las alas vestigiales. Si dos alelos se expresan en el fenotipo, se dice que son equipotentes; p. ej., algunas plantas tienen flores rojas, blancas o rosas, según que su genotipo sea RR, rr o Rr, respectivamente.

La secuencia y posición relativa de los genes de un cromosoma pueden deducirse de las frecuencias de las distintas clases de descendientes obtenidos en el cruce de individuos heterocigóticos para esos genes. La representación de esa secuencia se denomina mapa genético.

Trasmisión génica. Los caracteres biológicos no se heredan como tales caracteres, sino que resultan como consecuepcia del proceso de desarrollo iniciado, controlado, y modulado, por el idiotipo recibido por el nuevo individuo. Por tanto, la herencia biológica depende esencialmente de la capacidad de autorreproducción del material hereditario, que es el que garantiza la repetición en los descendientes del mismo proceso específico de desarrollo que configuró a sus progenitores.

Al reproducirse una célula, antes de la mitosis (v.), o división celular, tiene lugar la duplicación exacta de todos los genes que contiene, y su distribución entre las células hijas, de manera que cada una de éstas recibe el mismo material hereditario que poseía la célula madre. Este fenómeno se refleja citológicamente en el movimiento de los cromosomas durante la mitosis.

Los hijos no poseen el doble número de cromosomas que sus padres, porque en el proceso de formación de las células germinales tiene lugar una división celular especial, llamada meiosis (v.), durante la cual el número de cromosomas se reduce a la mitad. En virtud del proceso de la meiosis tiene lugar, además, una recombinación de alelos que hace que los hijos posean distintas combinaciones de genes de las que poseían sus padres, con lo que, si bien la última causa de variación entre distintos individuos de una misma especie es la mutación génica, la reproducción sexual es la causa inmediata más importante de variación entre los individuos de una especie. P. ej., un individuo heterocigótico para sólo 30 genes independientes produce 230 gametos distintos. Así se explica que sea imposible encontrar dos individuos iguales, salvo el caso de los mellizos monocigóticos.

Tenemos, pues, que las mutaciones determinan un cambio en la norma de reacción, es decir, hacen posibles nuevos modos de respuesta al ambiente, y que la reproducción sexual origina en los individuos de generaciones sucesivas la recombinación de los nuevos alelos con los ya existentes en todas las combinaciones posibles. Resulta así una gran variedad de fenotipos, que, a lo largo de las generaciones, se han ido adaptando, y continúan adaptándose, a los distintos ambientes naturales en que la especie viva, determinando, como consecuencia de la selección natural, el fenómeno de la evolución biológica. Los caracteres adquiridos, por el contrario, no se heredan porque no cambian el idiotipo.

Formas de actuación de los genes. Se entiende por función primaria de un gen estructural la serie de procesos que permiten que la información que contiene, es decir, la secuencia específica de sus nucleótidos, sea copiada en la secuencia de nucleótidos de un ácido ribonucleico mensajero ARNm (transcripción genética), y que la secuencia de nucleótidos del ARNm sea copiada, a su vez, en la secuencia de aminoácidos de una proteína (traducción genética). Esta función de los genes estructurales se enunció primeramente como hipótesis un gen-una proteína (Beadle 1955). La secuencia de nucleótidos del gen, y la secuencia de aminoácidos de la proteína resultante -son colineares. Para cada proteína existe un gen que especifica la secuencia de sus aminoácidos.

Las mutaciones génicas a que antes nos hemos referido consisten en cambios de la secuencia específica de los nucleótidos de un gen. Como consecuencia de una mutación de un gen estructural deja de producirse una proteína, o se produce una con distintos aminoácidos, que por eso no puede desempeñar la función de la proteína que producía el gen normal. Según cual fuese esta función, una mutación puede realizar su efecto fenotípico por muy distintos mecanismos. P. ej., las reacciones catabólicas y biosintéticas, incluidas en éstas las que realizan la síntesis de los elementos estructurales de la célula, son catalizadas loor proteínas llamadas enzimas y, por tanto, en último término, dependen de la integridad de los genes que especifican éstas. Una mutación de uno de ellos hace que la enzima sea anormal, y que la reacción que catalizaba no se produzca.

La función primaria de los genes reguladores, sólo bien estudiada en bacterias, consiste en ajustar la concentración de las proteínas celulares como respuesta a los cambios funcionales que tienen lugar en el interior de la célula, o en el medio que las rodea, permitiendo o impidiendo, según que falten o sobren, la transcripción de los correspondientes genes estructurales.

No todos los genes actúan especificando la estructura primaria de una proteína o regulando la función de otros genes. Algunos llevan la información para la síntesis de ácido ribonucleico transferente (ARNt), o de ácido ribonucleico ribosómico (ARNr), moléculas que intervienen en la síntesis de proteínas.

En un principio, se pensó que cada carácter era debido a la acción de un solo gen, como si un individuo estuviese constituido, a modo de un rompecabezas, por la agregación de una serie de caracteres unitarios independientes. Después se pudo comprobar que cada carácter está producido por la interacción de gran número de genes, e indirectamente, por todos los genes del organismo, y por la influencia de los factores ambientales. Siguiendo con un ejemplo, ya mencionado, la forma de las alas de D. melanogaster está producida, además de por Vg, por los genes Ct, M, Px, j, Cu, etc. Una mosca con alas vestigiales tiene genotipo silvestre de todos estos genes, y es homocigótica para el alelo recesivo vg.

Los genes actúan y se expresan en diferentes momentos durante el desarrollo del organismo, en relación con la diferenciación celular que tiene lugar durante el desarrollo. El análisis de la expresión de un gen más allá de su función primaria resulta enormemente difícil por el gran número de reacciones intermedias que tienen lugar antes de la realización del fenotipo, y por la interconexión existente entre todas las reacciones metabólicas. Está demostrada la existencia de genes que pueden intensificar, suprimir, total o parcialmente, o cambiar de otras mane, ras, los efectos producidos por otros genes, como los llamados genes modificadores, genes supresores, genes inhibidores, etc. Se conocen además genes extracromosómicos, asociados a otros constituyentes normales de la célula (plastos, mitocondrias, quinetosomas, etc.). Los genes cromosómicos y los extracromosómicos están relacionados entre sí, porque ambos pueden interactuar para producir un determinado fenotipo. Por tanto, si antes de Mendel se pensaba que se heredaban caracteres, y después de Mendel se supo que la herencia se realiza a través de las partículas materiales que llamamos genes, actualmente se piensa que se heredan complejos coordinados de genes, o sistemas génicos cuyo conjunto se integra en la dotación cromosómica, y en otras partículas del citoplasma, por lo que, en último término, cabe decir que la más pequeña unidad de la herencia es una célula completa.

En los organismos unicelulares la herencia biológica tiene lugar por un mecanismo esencialmente idéntico al de los pluricelulares, con las peculiaridades, muy variadas, de distribución del material genético entre las células hijas, impuestas por su tipo de reproducción.

Concepto de cistrón. Los trabajos de Benzer (1955) con el bacteriófago T4, y los de otros muchos autores en otros materiales, pusieron de relieve que lo ordinario en hongos, bacterias y virus es que mutantes aislados independientemente, pero con el mismo fenotipo mutado, se hallan originando por mutación en diferentes sitios dentro de un mismo gen, con posibilidad de recombinarse entre ellos, pero sin posibilidad de complementarse en la llamada posición trans. Esto sirvió a Benzer para establecer el concepto de cistrón como unidad funcional del material hereditario.

Apenas establecido, sin embargo, el elegante concepto de cistrón, se planteó el problema de si los segmentos cromosómicos con complementación interalélica encontrados en N. crassa y en otros materiales (Aspergillus, Salmonella, Escherichia coli en el locus r1l del bacteriófago T4, y en Drosophila) pueden ser considerados como un cistrón en sentido estricto. En todo caso el estudio detenido de los mapas de complementación y la comparación entre éstos y los correspondientes mapas genéticos, no permite sostener la idea de que en ellos se puedan distinguir otras regiones más pequeñas con función propia. El término cistrón, a pesar de la gran contribución que ha supuesto para el esclarecimiento de nuestras ideas, no es enteramente satisfactorio, puesto que está unido a una definición específica de la función, basada en la complementación, que ha resultado ambigua. Por otra parte, la unidad funcional del cromosoma, puesta de manifiesto por el asalto combinado de métodos bioquímicos, pruebas de complementación y análisis genético con alto poder de resolución, claramente corresponde a las unidades que los genéticos han llamado genes desde hace tiempo. Que estas unidades puedan resolverse en subunidades capaces de mutación independiente, y de reasociación mediante algún mecanismo de recombinación intragénica, no parece razón suficiente para dejar de llamarles genes, especialmente en una época en que las ideas están experimentando un profundo cambio, pues la palabra gen ha sobrevivido la evolución de tantos conceptos diferentes, que no está asociada con ninguno.

V. t.: CÓDIGO GENÉTICO; CROMOSOMA; MUTACIONES BIOLÓGICAS.

A. GULLÓN MAZARRÓN.

BIBL.: V, la de II.