miércoles, 26 de octubre de 2016

9 EFECTO DEL AMBIENTE EN EL FENOTIPO


La genética clásica es un modo de introducir a los estudiantes a los problemas relacionados con la cuantificación de algunos fenómenos, pero siempre debe tenerse en cuenta que es solo una introducción.

Por lo general la genética clásica crea expectativas falsas sobre cómo debe operar la genética en sistemas biológicos no purificados. Por ejemplo, en una ocasión un amigo que es cristiano y físico me preguntó si podía emplearse las leyes de Mendel para refutar los postulados de la teoría evolutiva moderna, en ese sentido tuve que explicarle que la genética mendeliana es el equivalente a las leyes de Newton, es decir una aproximación matemática válida pero no dejaba ser una sobre-simplificación de los fenómenos observados en la naturaleza.

Poca gente reconoce o recuerda que Mendel antes de proceder a realizar sus cruces tuvo que purificar líneas reduciendo la variabilidad de su población de estudio a un mínimo.

Otra de las tergiversaciones que pueden resultar de la genética clásica es sin duda la de pensar que un solo genotipo puede generar un único fenotipo, o que el genotipo gobierna al fenotipo con independencia de las relaciones celulares, organísmicas o ecológicas, en otras palabras como si los genes operaran a la cabeza de manera aislada y no pudieran retroalimentarse de lo que sucede “fuera”.

La situación al igual que con las leyes de Mendel es mucho más compleja, la mayoría de los genes operan en el interior del medio interno de las células. El ADN debe interactuar con las proteínas regulación, debe interactuar con las necesidades moleculares del interior y exterior de la célula, debe interactuar con los mensajeros de diferentes partes del organismo y finalmente debe interactuar con los fenómenos que ocurren al exterior del organismo.

Esto implica que no existe una relación rígida, unidireccional y lineal entre el genotipo y el fenotipo; en su lugar tenemos un sistema no lineal de múltiples interacciones en el que un genotipo es flexible y puede generar varios fenotipos, lo cual amplia los límites de tolerancia de los seres vivos para que estos puedan adaptarse a los cambios del ambiente.

Esta perspectiva también modifica nuestra percepción de la mutaciones, las cuales no existirán como opuestos antagónicos (deletéreas vs positivas), si no que estas existen en un rango gradual donde si bien existen los opuestos de deletéreas y positivas existe un amplio rango intermedio incluyendo la neutralidad total. 

Las mutaciones positivas incrementan la flexibilidad de los fenotipos y las deletéreas lo limitan siempre teniendo en cuenta la interacción del fenotipo con su medioambiente.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)

9.1 Las interacciones genoma y ambiente

Una forma de interacción entre genes que ha venido generando gran interés entre las comunidades científicas en los últimos años es la que involucra a aquellas interacciones que dependen del ambiente y que afectan al desarrollo embrionario de los seres vivos.

Esta interacción se denomina epigenética (por encima de la genética) y se desarrolla gracias a mecanismos de transducción de fenómenos ambientales, que a su vez transmiten la señal desde las proteínas del exterior del núcleo hasta las delo interior, provocando reorganizaciones del genoma y variación en el fenotipo resultante.

Las interacciones  entre genes así como las interacciones entre genes y el medioambiente pueden ser muy complejas e impredecibles. Un ejemplo de ello es el efecto que pueden tener los alimentos transgénicos en el genoma somático de los animales que los consumen.

La epigenética también posee el potencial de atravesar la barrera de Weismann, haciendo que los cambios ambientales tengan efecto no solo en los fenotipos de los individuos vivos, sino también en su progenie, haciendo que el término de herencia blanda (o Lamarkismo) vuelva a ser tomado en cuenta por varios autores.

Evidentemente la capacidad de la epigenética es mucho más sutil que los fuertes efectos planteados por Lamark y sus jirafas, cuestión que fue evidenciada en el experimento de corte de colas de Weismann; pero sin embargo si debe ser tenida en consideración como mecanismo de variabilidad teórico dentro de las síntesis actuales de la teoría evolutiva, así como por los técnicos y científicos encargados de generar alimentos de nivel transgénico.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)

9.2 Penetrancia

Algunos genotipos mutantes no se manifiestan a sí mismos, sino que por el contrario manifiestan el fenotipo silvestre, lo cual altera las frecuencias esperadas para los fenotipos en base a las leyes de la genética clásica.

El nivel de expresión de un rasgo particular puede ser estudiado de forma cuantitativa mediante la determinación de su penetrancia y su expresividad. El porcentaje de individuos que muestran algún grado de expresión del fenotipo mutante define la penetrancia de la mutación.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)


9.3 Expresividad

Si la penetrancia es un valor cuantitativo fácil de obtener, la expresividad es su contraparte cualitativa y continua difícil de definir. La Expresividad hace referencia al impacto con que una mutación se manifiesta en el fenotipo.

La expresividad puede variar desde completa en la que los fenotipos silvestre y mutante se distinguen a simple vista cualitativamente; pero su opuesto es que la expresividad sea continua, en la que el genotipo mutante manifiesta diferentes rangos.

Un ejemplo de ello es el mutante “sin ojos” de la mosca de la fruta, más allá de lo que podría esperarse en su variación (con ojos/sin ojos) la expresividad de esta mutación puede generar variantes con ojos de tamaños intermedios entre “sin ojos y con ojos”.

Como se mencionó anteriormente la variación continua tiende a deberse a que el carácter en cuestión está determinado por más de un gen con más de un alelo. Sin embargo específicamente hablando del mutante “sin ojos” de la mosca de la fruta también se ha determinado que los factores físicos del medioambiente pueden alterar la expresividad de un genotipo.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)

9.4 Supresión genética

El contexto genético hace referencia al efecto del resto del genoma sobre una mutación puntual. Debido a las limitaciones tecnológicas los genetistas se han visto obligados a estudiar casos muy puntuales donde la genética se desenvuelve de manera jerárquica y lineal, sin embargo no toda la variación se desarrolla de este modo.

En este caso hablaremos de un caso específico de epistasis en la cual el efecto es antagónico “obstrucción de la manifestación de un fenotipo”.

En este fenómeno una mutación causa un fenotipo recesivo que luego es bloqueado por una segunda mutación que genera una reversión al fenotipo silvestre. Sin embargo este es un caso muy simple en el que hay una relación de dos genes y dos fenotipos.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)

9.5 Efecto de la posición genética

La posición física de un gen “llamado locus” afecta la posibilidad de que este pueda ser expresado. Recuérdese que una célula en fase de producción de proteínas “G1, S1, G2” posee su material genético en forma de cromatina, la cual está compuesta por fibras dinámicas de material genético.

Para que los genes al interior de la cromatina puedan ser usados esta debe posicionarse adecuadamente gracias a las proteínas del genoma y desenvolverse al punto en que el ADN puede ser leído.

Cuando la célula va a reproducirse  se forman los cromosomas algunos genes pueden cambiar de posición en el cromosoma, lo cual afectará su posición posterior en la cromatina cuando la célula esté en funcionamiento.

Por ejemplo una translocación a la región llamada heterocromatina hará que todos los loci translocados queden inertes, como si se hubiese producido una mutación recesiva no funcional.

Un ejemplo en las moscas de la fruta, el efecto de posición puede generar que el mutante “ojos blancos” genere un fenotipo intermedio con parches blancos y rojos.

En la imagen anterior tenemos un fenotipo silvestre y abajo un fenotipo de ojos blancos provocado por el cambio de posición del gen responsable por los ojos rojos hacia la región de heterocromatina donde la cromatina no se leerá en las células activas.

En conclusión, la posición de un gen altera la posibilidad que tiene este de manifestarse en el fenotipo, algunas especies de parásitos como la Trypanosoma brucei gambiense pueden cambiar constantemente sus antígenos de superficie por reposicionamiento de los genes que codifican para las proteínas de superficie, de modo tal que el sistema inmune no puede adaptarse con la suficiente velocidad para poder atacarles.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)


9.6 El genoma, una leve introducción

El genoma no debe percibirse únicamente en términos de los ácidos nucleicos, esta es una visión lineal en la que percibimos que la información fluye desde los ácidos nucleicos hacia las proteínas sin ninguna otra posibilidad.

Si bien es cierto que la información de los polímeros de proteína no puede transcribirse al ADN “lo cual forma parte del dogma central de Crick”, si es cierto que las  proteínas afectan el modo en que el genoma expresa dicha información.

Las proteínas en este caso sirven como un mecanismo de retroalimentación, que permite al genoma obtener información del medioambiente y responder a él en base a las capacidades que posee.

Las interacciones ambiente ↔ proteínas ↔ ácidos nucleicos conforman los fundamentos de la genética moderna e integran a la genética clásica, la genética post-mendeliana y a la nueva rama de la genética llamada epigenética.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)


9.7 Efectos de factores abióticos sobre la genética, el caso de la temperatura

El genotipo genera el fenotipo, esta es una de las frases más arraigadas en la genética clásica, la cual omite ciertos niveles de complejidad, especialmente el de las proteínas quienes son los agentes químicos que realmente generan el fenotipo.

En este sentido podemos emplear una afirmación igual de reduccionista pero más acertada para el problema que nos convoca en esta serie de artículos relacionado con el efecto del ambiente en el fenotipo.

El genotipo genera el proteoma que genera a su vez el fenotipo. El proteoma son el conjunto de proteínas necesarias para formar al organismo y como tal son moléculas que pueden afectarse por medio de las condiciones externas como el cambio de pH o más importante aún la temperatura.

Todas las proteínas son dependientes de la temperatura, es decir funcionan en ciertos rangos de temperatura, por debajo o por encima de estos rangos de tolerancia pierden sus funciones. La temperatura de tolerancia de las proteínas cambia no solo dependiendo del tipo de proteína, sino también del tipo de alelo que la crea.

Los genes crean proteínas de un tipo, pero los alelos generan subtipos de esa proteína, unas funcionales, otras no funcionales, pero en el caso presente se tienen proteínas dependientes de cambios de temperatura muy leves.

Un ejemplo son ciertas flores del género Oenothera las cuales producen flores rojas cuando crecen a 23°C y flores blancas cuando crecen a 18°C.

Otro ejemplo son los gatos Siameses y los conejos del Himalaya los cuales exhiben determinados colores en su pelaje dependiendo de las temperaturas corporales particularmente en la nariz, las patas y las orejas. Aparentemente al disminuir la temperatura se genera una coloración negra.

En estos casos la razón se da debido a que las proteínas responsables de cierto color se activan/inactivan al alcanzar el cuerpo una determinada temperatura la cual está influenciada por la temperatura del medio externo.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)


9.7.1 Uso de las mutaciones sensibles a la temperatura en investigación viral

Las mutaciones cuya expresión depende de la temperatura se denominan mutaciones sensibles a la temperatura, las cuales a su vez hacen parte de un grupo más general de mutaciones denominadas mutaciones condicionales.

Una mutación condicional es aquella que solo se expresa cuando se cumplen ciertos requerimientos ambientales como la desnutrición o la temperatura.

En casos extremos se trata de mutaciones letales, el mutante carga su mutación de manera suprimida hasta que se cambian las condiciones y se muere. En estos casos las condiciones se las clasifica como restrictivas o permisivas. Ejemplos de esto se encuentra en virus, bacterias, moscas de la fruta y hongos.

En estudios virales este tipo de mutaciones puede emplearse para manipular el modo en que los virus infectan a las bacterias, por ejemplo haciendo que un retrovirus tenga que permanecer en el genoma de la bacteria por varias generaciones. Este tipo de estudios ha ayudado a mejorar el conocimiento de la genética viral.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)


9.7.2 Regulación termogenética

Existen genes que regulan a otros, por medio de la asociación de proteínas que regulan la expresión, a estas proteínas se las denomina factores de trascripción. Relacionando el tema con el primer texto de esta sección obtenemos que ciertas mutaciones puedan hacer que algunos factores de trascripción sean operativos en ciertas temperaturas y no en otras.

Esto provoca que los genes que están bloqueando solo sean expresados cuando la temperatura cambia. Por lo general esto sirve como mecanismo de control semejante a un Operón. Algunos genes que generan proteínas protectoras contra choques térmicos solo se encienden cuando se alcanza una temperatura mínima crítica. A estos genes se lo denomina genes de choque térmico

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)

9.7.3 Determinación del sexo por la temperatura del ambiente

Los factores de transcripción también pueden activar genes relacionados con el control del sexo. En los mamíferos que son nuestra referencia más cercana esto no sucede, esto es debido a que los mamíferos determinan su sexo de forma cromosomal, por ausencia, presencia o combinación de cromosomas.

Algunos reptiles sin embargo, determinan su sexo por medio de la temperatura del ambiente que experimenta el huevo.

Uno de los casos más conocidos es el de las torturas de Europa Emys orbicularis (Imagen principal).En estudios de laboratorio se ha encontrado que los huevos que crecen a temperaturas superiores a 30° generan hembras, mientras que los que son incubados a una temperatura inferior generan machos.

Los nidos no proveen una temperatura regular, los huevos localizados próximos a la arena están incubados a mayores temperaturas y tienden a generar hembras, mientras que los que se encuentran en el fondo producirán machos.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)


9.8 La nutrición y la genética, auxotrofia

La nutrición puede afectar el fenotipo esperado a partir de un genotipo particular. La nutrición puede describirse como la obtención del medio externo de sustancias que el cuerpo no puede sintetizar por sí mismo debido a que las proteínas (enzimas) esenciales para su creación se encuentran inactivas al ser generadas por alelos recesivos.

Si el producto de la síntesis era vital entonces el organismo no podrá crecer e incluso puede morir por malnutrición. Organismos que portan este tipo de mutaciones se denominan auxotrofos.

Un ejemplo se puede notar en el moho del pan Neurospora la cual no puede sintetizar por si misma el aminoácido leucina, lo cual impediría la posibilidad de sintetizar proteínas. El problema se resuelve si el medio del cual se alimenta Neurospora contiene leucina, lo cual permitirá su crecimiento.


Este tipo de mutantes nutricionales fueron la base por las cuales George Beadle y Edward Tatum propusieron la afirmación clásica de un gen → una proteína.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)


9.8.1 Control dietario de la auxotrofía

Los humanos al igual que la neurospora también es un auxótrofo, pero en nuestro caso somos incapaces de sintetizar una gran variedad de productos, por ejemplo: Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, Fenilalanina, Treonina, Triptófano,Valina, Histidina.

El problema no se reduce a los aminoácidos, algunas vitaminas por ejemplo el ácido ascórbico sin el cual se produce la patología llamada escorbuto.

El fenotipo esperado para este tipo de mutaciones es patológico pero limitado por la nutrición, con una dieta adecuada los organismos auxótrofos pueden presentar fenotipos normales.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)

9.8.2 El caso de la lactosa

Un caso particularmente común es la incapacidad para la síntesis de la enzima lactasa, necesaria para poder metabolizar la lactosa. Sin esta enzima se desarrolla la patología llamada intolerancia a la lactosa. La lactosa es un disacárido compuesto por un anillo de galactosa y otro de glucosa y representa el 7% de la leche humana y el 4% de la leche de vaca.

En ciertas poblaciones o individuos la producción de lactasa declina a medida que envejecen haciéndose intolerantes a la leche. La intolerancia puede manifestarse de múltiples formas como diarrea, flatulencias y dolores abdominales.

Esta condición es particularmente frecuente en poblaciones humanas que no tuvieron una tradición ganadera fuerte como los esquimales, los africanos o los asiáticos, sin embargo como toda mutación recesiva puede presentarse en individuos de cualquier población humana.

En algunas culturas la leche es convertida en queso, kumis y otras formas fermentadas que reducen drásticamente el contenido de lactosa. Antes de la introducción de la leche deslactosada los individuos que sufrían de intolerancia debían tomar una astilla que contenía la enzima lactasa.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010)

9.9 La genética y la historia personal

La retroalimentación entre ambiente y genética crea una disyuntiva clásica, ¿Qué es más influyente? ¿La genética o el ambiente?

Aun cuando un ser vivo posea una serie de potenciales genéticos para demostrar un fenotipo determinado, su formación depende de variables del medioambiente, la historia individual de cada individuo forja su fenotipo hasta cierto grado permitido por su fenotipo.

Responder a la pregunta es difícil, especialmente en los seres humanos ya que esto alteraría muchos programas de asistencia social como la educación. Si se demostrara que lo que más impacta es la genética y que el ambiente no afecta, la educación pública recibiría un duro impacto por ejemplo.

Muchos estudios se han realizado con respecto al problema de esta disyuntiva, pero tal vez los más reveladores sean los que se llevan a cabo en gemelos idénticos.

Referencias bibliográficas generales: (Griffiths et al., 2007; Karp, 2013; Klug et al., 2009, 2012; Nussbaum et al., 2007; Pierce, 2005; Sadava et al., 2014; Stracham & Read, 2010) 


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