La teoría cromosómica de la herencia

[Genética clásica 2]

La teoría cromosómica de la herencia sostiene que los genes se encuentran en los cromosomas y que su comportamiento durante la meiosis ayuda a explicar cómo se transmiten los caracteres de padres a descendientes. Como los cromosomas homólogos se separan al formarse los gametos y vuelven a reunirse en la fecundación, también lo hacen los alelos que contienen. Esta teoría conecta los patrones hereditarios observados en los cruces con procesos que ocurren dentro de las células.

La relación entre los cromosomas y las unidades hereditarias que hoy llamamos genes se propuso a comienzos del siglo XX, cuando varios investigadores compararon los resultados de los cruces con lo que observaban en las células. Las leyes de Mendel describían cómo se transmitían ciertos caracteres entre generaciones, pero no explicaban qué estructuras celulares hacían posible esa transmisión. En 1903, el biólogo estadounidense Walter Sutton publicó un estudio que conectó los patrones de la herencia mendeliana con el comportamiento de los cromosomas durante la formación de células reproductoras (Sutton, 1903).

Figura 1. [Walter Stanborough Sutton] (1877–1916), biólogo y médico estadounidense, estudió los cromosomas del saltamontes Brachystola magna. Observó que durante la meiosis los cromosomas homólogos se separan, conducta semejante a la segregación mendeliana. En 1903 propuso que los factores hereditarios se asociaban con cromosomas, formulando, junto con aportes de Theodor Boveri, la teoría cromosómica de la herencia (Sutton, 1903).

Figura 2. [Recombinación meiótica]. Durante la profase I, el complejo sinaptonémico alinea los cromosomas homólogos y facilita el intercambio de segmentos entre cromátidas no hermanas. Estos entrecruzamientos generan quiasmas y nuevas combinaciones de alelos. La distribución independiente ocurre cuando pares cromosómicos se orientan al azar; genes cercanos en el mismo cromosoma pueden heredarse juntos a menudo, aunque la recombinación puede separarlos.

Sutton examinó células del saltamontes Brachystola magna. Sus observaciones y las de otros investigadores, entre ellos Theodor Boveri, contribuyeron a formular la teoría cromosómica de la herencia: la propuesta de que los factores hereditarios se encuentran asociados con los cromosomas. La explicación no surgió de una sola observación. Se construyó al relacionar resultados de microscopía, experimentos de cruzamiento e ideas sobre la división celular. Esa combinación permitió plantear predicciones que podían compararse con nuevas observaciones (Martins, 1999; Sutton, 1903).

Relación mitosis y meiosis

Para entender la propuesta de Sutton, es necesario distinguir dos formas de división celular. En la mitosis, una célula produce dos células hijas que, por lo general, conservan el mismo número de cromosomas que la célula inicial. En cambio, la meiosis produce células reproductoras —como los óvulos y los espermatozoides— con la mitad del número de cromosomas. La meiosis incluye dos divisiones sucesivas: primero se separan los cromosomas homólogos, y luego las cromátidas hermanas.

Los cromosomas homólogos forman pares: uno procede de la madre y el otro del padre. Tienen los mismos tipos de genes en posiciones correspondientes, aunque sus versiones de esos genes —los alelos— pueden diferir. Al inicio de la primera división meiótica, los homólogos se emparejan. El conjunto de los dos cromosomas se llama bivalente. Como cada cromosoma ya se ha duplicado y está formado por dos cromátidas, el conjunto también puede describirse como una tétrada. En las observaciones históricas de Sutton, la resolución de los microscopios limitaba la distinción entre cromátidas, por lo que “bivalente” resulta apropiado al describir los pares de cromosomas que estudió.

Figura 3. [Brachystola magna]. Este saltamontes norteamericano vive en praderas y zonas abiertas. Su cuerpo posee cabeza, tórax y abdomen, antenas, ojos compuestos, patas saltadoras y tegminas cortas; no vuela. Walter Sutton estudió sus células reproductoras y observó cromosomas homólogos separándose durante la meiosis, relacionando este proceso con la segregación mendeliana y aportando evidencia para la teoría cromosómica de la herencia.

En Brachystola magna, Sutton describió once cromosomas en las células reproductoras y veintidós en las células con el número completo. Durante la primera división meiótica, los miembros de cada par homólogo se separan y pasan a células distintas. Así, cada célula reproductora recibe uno de los dos cromosomas de cada par. La fecundación, cuando se unen dos células reproductoras, restaura el número de cromosomas característico de la especie. En términos generales, este comportamiento celular ofrecía una explicación física para la segregación observada por Mendel: los dos alelos de un gen se separan al formarse los gametos, y cada gameto recibe uno.

Figura 4. [Distancia entre loci]. Cuando dos genes están próximos en un cromosoma, suelen heredarse juntos porque es menos probable que un entrecruzamiento los separe. Al aumentar la distancia, crece la recombinación, aunque su frecuencia observable alcanza como máximo 50 %. Los genes en cromosomas distintos suelen distribuirse independientemente; loci muy distantes del mismo cromosoma pueden parecer independientes para fines prácticos.

La semejanza entre meiosis y herencia mendeliana puede expresarse de forma sencilla. Si una planta tiene dos alelos diferentes para un carácter, sus gametos reciben uno u otro alelo. De manera paralela, cada gameto recibe uno de los dos cromosomas homólogos que contienen las versiones correspondientes de muchos genes. Cuando los gametos se unen, el nuevo organismo vuelve a tener dos copias de cada cromosoma y, por tanto, habitualmente dos alelos de cada gen. Esta correspondencia no significa que Sutton viera genes individuales con el microscopio: los genes eran una explicación de la herencia, mientras que los cromosomas eran estructuras visibles en las células.

Sutton también abordó la distribución independiente, es decir, el patrón por el cual los alelos de distintos genes pueden combinarse en los gametos de varias maneras. Su explicación proponía que los pares de cromosomas se orientan de forma independiente durante la meiosis. Por ello, los cromosomas maternos y paternos de distintos pares podían distribuirse en diferentes combinaciones. Esta interpretación ayuda a explicar por qué los genes ubicados en cromosomas diferentes suelen heredarse de manera independiente. Sin embargo, la regla no se aplica por igual a todos los genes: si dos genes están en el mismo cromosoma, pueden heredarse juntos con mayor frecuencia.

La diferencia entre ambos patrones abrió nuevas preguntas. ¿Cómo se organizan los genes dentro de cada cromosoma? ¿Todos los genes de un cromosoma viajan siempre juntos? Los trabajos posteriores mostraron que la respuesta depende, entre otras cosas, de la distancia entre los genes y de la recombinación, el intercambio de segmentos entre cromosomas homólogos durante la meiosis. Sutton aportó una idea que podía ponerse a prueba; la investigación posterior precisó sus alcances y corrigió detalles de las primeras interpretaciones (Martins, 1999).

Hacia la comunidad

El desarrollo de la teoría cromosómica fue un trabajo colectivo. Antes de que la conexión entre genes y cromosomas se aceptara ampliamente, los investigadores compararon resultados, discutieron explicaciones y diseñaron nuevos experimentos. En 1905, William Bateson, Edith Rebecca Saunders y Reginald Punnett informaron que algunos cruces de guisantes de olor no producían las proporciones esperadas según la distribución independiente. Observaron que ciertas combinaciones de caracteres aparecían más a menudo que otras (Bateson et al., 1905).

Aquellos resultados encajaban con una posibilidad planteada por la teoría cromosómica: si dos genes se encuentran en el mismo cromosoma, sus alelos pueden permanecer asociados durante la formación de gametos. En la actualidad llamamos a este fenómeno ligamiento genético. Sin embargo, Bateson, Saunders y Punnett describieron inicialmente la asociación como “acoplamiento” y no contaban todavía con una explicación cromosómica completa. Su contribución fue identificar un patrón experimental que requería explicación, no demostrar por sí solos la ubicación física de los genes.

La idea de Sutton ayudaba a interpretar por qué ciertos caracteres no se distribuían de manera independiente. Aun así, la comunidad científica necesitaba pruebas adicionales y modelos que conectaran los patrones observados en los cruces con el comportamiento de los cromosomas. Thomas Hunt Morgan y sus colaboradores aportaron evidencias con la mosca de la fruta Drosophila melanogaster. Sus estudios de caracteres heredables, como el color de los ojos, mostraron que algunos patrones de herencia se relacionaban con los cromosomas sexuales y con la ubicación de los genes (Morgan, 1910).

La relación entre los resultados de Sutton, los experimentos de Bateson, Saunders y Punnett, y las investigaciones de Morgan ilustra cómo avanza la ciencia. Una propuesta teórica puede guiar la observación, pero necesita pruebas independientes. A su vez, los resultados experimentales pueden obligar a revisar o ampliar la propuesta inicial. La teoría cromosómica se fortaleció a medida que distintas investigaciones ofrecieron explicaciones compatibles para la segregación, el ligamiento y la herencia ligada al sexo.

Primeras desviaciones de la segregación independiente

En sus experimentos con guisantes de olor, Bateson, Saunders y Punnett estudiaron varios caracteres, entre ellos el color de las flores y la forma del polen. En un cruce dihíbrido, se siguen dos caracteres a la vez. Si los genes correspondientes se distribuyen independientemente y hay dominancia completa, el cruce de dos individuos de la primera generación filial —F1— puede producir en la segunda generación —F2— una proporción fenotípica aproximada de 9:3:3:1. Esa proporción es una expectativa matemática, no una garantía de que cada grupo experimental dé exactamente esos números.

En el caso descrito en sus informes, las combinaciones parentales de color y forma del polen aparecieron con mayor frecuencia de la esperada, mientras que algunas combinaciones nuevas fueron menos comunes. En una serie de 2.132 plantas, por ejemplo, se esperaban 1.199 plantas con flores púrpuras y polen largo, pero se contaron 1.528. También se observaron 381 plantas con flores rojas y polen redondo, frente a 133 esperadas bajo la proporción 9:3:3:1. La diferencia indicaba que el modelo de distribución independiente no describía adecuadamente esos datos (Bateson et al., 1905).

Al interpretar los resultados, los investigadores consideraron varias explicaciones. Una posibilidad era la epistasis, interacción en la que un gen modifica o enmascara el efecto de otro sobre un carácter. Pero la epistasis no explicaba por sí sola el patrón observado en esos cruces: el color de la flor y la forma del polen eran caracteres distintos, y el exceso de ciertas combinaciones sugería que sus factores hereditarios podían estar asociados. Bateson y Punnett llamaron acoplamiento a la tendencia de algunos alelos parentales a aparecer juntos en los gametos. Usaron “repulsión” para describir la asociación menos frecuente entre alelos de combinaciones distintas.

Hoy entendemos que estos patrones pueden resultar del ligamiento: genes próximos en un mismo cromosoma tienden a heredarse juntos. No siempre permanecen unidos, porque durante la meiosis puede ocurrir recombinación entre los cromosomas homólogos. Cuanto más cerca se encuentran dos genes, menor suele ser la probabilidad de que un intercambio los separe. Esta explicación cromosómica se desarrolló a partir de investigaciones posteriores; no debe atribuirse completa a los primeros informes de Bateson, Saunders y Punnett.

Los datos también muestran por qué es útil comparar resultados observados con resultados esperados. Una desviación puede deberse al azar, a una muestra pequeña, a diferencias de supervivencia entre genotipos o a que el modelo de herencia no describe el caso estudiado. En el ejemplo, la gran diferencia entre las proporciones previstas y las observadas llevó a los investigadores a buscar una explicación biológica adicional. La estadística ayuda a valorar si la discrepancia es compatible con el azar, pero por sí sola no identifica el mecanismo. Para ello hacen falta hipótesis y nuevos experimentos.

Figura 5. [Rechazo de la distribución independiente]. El rechazo estadístico del modelo 9:3:3:1 indica que los genes no se distribuyen independientemente. En el cuadro de Punnett, los gametos parentales son más frecuentes y los recombinantes menos frecuentes, aunque pueden aparecer. Algebraicamente, no se multiplican dos cruces monohíbridos: se analizan juntos los haplotipos, porque ambos loci viajan asociados en cromosomas del mismo par.

Morgan investigó la herencia del color de ojos en Drosophila melanogaster. En 1910 describió una mosca macho de ojos blancos, mientras que las moscas habituales de su laboratorio tenían ojos rojos. Al cruzar la mosca de ojos blancos con hembras de ojos rojos, obtuvo descendientes cuyos patrones dependían del sexo. En una generación observó 2.459 hembras de ojos rojos, 1.011 machos de ojos rojos y 782 machos de ojos blancos; no aparecieron hembras de ojos blancos en ese cruce particular (Morgan, 1910).

El resultado no significaba que el carácter solo pudiera presentarse en los machos. Indicaba que el patrón de transmisión dependía de cómo se heredaban los cromosomas sexuales. La interpretación actual es que el alelo estudiado estaba en el cromosoma X y era recesivo. Los machos, que normalmente tienen un cromosoma X y uno Y, expresan el alelo recesivo ligado al X si lo heredan en su único X. Las hembras, que normalmente tienen dos cromosomas X, suelen necesitar dos copias del alelo para mostrar el fenotipo. Así, el cruce de Morgan ofreció evidencia de herencia ligada al sexo y fortaleció la relación entre los genes y los cromosomas.

Reglas de ligamiento de genotipo a cariotipo

Los experimentos de Morgan ayudaron a mostrar que la herencia podía relacionarse con cromosomas concretos. Un genotipo describe las variantes genéticas de un organismo para uno o varios genes; el cariotipo describe el número y la forma de sus cromosomas. Al comparar cruces y patrones de herencia con los cromosomas, los investigadores pudieron inferir qué caracteres estaban asociados con determinados cromosomas.

El ligamiento genético significa que dos genes del mismo cromosoma pueden transmitirse juntos con más frecuencia que si se distribuyeran independientemente. Si están muy próximos, la recombinación entre ellos es menos probable; si están más separados, es más probable que un intercambio los separe. Por eso, el ligamiento no es necesariamente absoluto. La frecuencia de recombinación puede utilizarse para estimar la distancia relativa entre genes, aunque esos mapas genéticos no miden directamente una distancia física en unidades de longitud.

En 1913, Alfred H. Sturtevant, estudiante del laboratorio de Morgan, utilizó frecuencias de recombinación entre caracteres ligados para proponer un orden lineal de genes en un cromosoma. Su trabajo produjo uno de los primeros mapas genéticos. Esto amplió la teoría cromosómica: los genes no solo se asociaban con cromosomas, sino que podían ordenarse según su posición relativa (Sturtevant, 1913). Más tarde, Punnett también relacionó los grupos de ligamiento observados en plantas con la teoría cromosómica (Edwards, 2012).

Figura x. [Alfred H. Sturtevant]. Genetista estadounidense y miembro del grupo de Thomas Hunt Morgan, estudió la herencia en Drosophila melanogaster. En 1913 publicó el primer mapa genético, ordenando seis genes ligados al sexo mediante sus frecuencias de recombinación. Su método permitió estimar distancias relativas entre genes y mostró que ocupan posiciones ordenadas en los cromosomas, impulsando posteriormente la genética clásica.

La historia no fue una secuencia instantánea en la que Sutton propuso la teoría y todos la aceptaron. Algunos investigadores, entre ellos Bateson, mantuvieron reservas sobre la explicación cromosómica durante años, aun cuando habían descrito fenómenos de acoplamiento. Las pruebas se fueron acumulando mediante trabajos de distintas personas y organismos. En conjunto, estas investigaciones establecieron que la meiosis, los cromosomas, los genes y la recombinación permiten explicar muchos patrones de herencia, aunque cada caso debe analizarse con sus propias evidencias.

Referencias

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