Penetrancia
La penetrancia
indica qué proporción de los individuos con un genotipo determinado manifiesta
el fenotipo asociado. Para calcularla debemos conocer dos cantidades: cuántos
individuos poseen la combinación hereditaria estudiada y cuántos presentan el
carácter definido. No basta observar una población y contar cuántos tienen una
característica, porque necesitamos identificar también a quienes poseen el genotipo,
aunque no muestren el fenotipo.
Supongamos que
estudiamos 100 individuos con una misma variante hereditaria y encontramos el
carácter en 85. La penetrancia observada es del 85 %. Los otros 15
poseen la variante, pero no presentan el carácter según los criterios
utilizados. Este resultado no significa que hayan perdido el alelo ni que
necesariamente hayan dejado de transmitirlo: describe la relación entre la constitución
genética y su manifestación observable.
Cuando todos los
individuos estudiados presentan el carácter, hablamos de penetrancia
completa. Si solo lo presenta una parte, hablamos de penetrancia
incompleta. Estas expresiones siempre deben relacionarse con un fenotipo
concreto, una edad y unas condiciones de observación. La ausencia de una
característica durante la infancia, por ejemplo, no demuestra que nunca vaya a
aparecer.
La definición del
carácter resulta decisiva. Podemos preguntar si una persona presenta una
enfermedad, una alteración molecular o una manifestación específica, como
fracturas. Las respuestas no tienen por qué coincidir. Una persona sin
fracturas puede mostrar otros cambios relacionados con la misma condición. Por
eso, antes de calcular una penetrancia debemos establecer qué manifestación
se contará y cómo se reconocerá.
La penetrancia
tampoco es una propiedad que deba tener idéntico valor en cualquier población.
Su estimación puede depender de las variantes estudiadas, el ambiente, la edad
y la manera de seleccionar a los participantes. Los estudios centrados en
familias con síntomas evidentes pueden producir resultados distintos de los
obtenidos examinando personas seleccionadas sin conocer previamente su estado
clínico.
En un patrón
hereditario dominante, una variante puede transmitirse mediante una persona que
no manifiesta el carácter. Su descendiente podría heredarla y sí expresarla.
Desde fuera, parecería que el rasgo «saltó» una generación; sin embargo, la transmisión
del alelo continuó. La falta de manifestación no equivale a ausencia de la
variante.
Para comprender
esta diferencia conviene recordar que entre una secuencia de ADN y una
característica corporal intervienen numerosos procesos. Los genes pueden
producir ARN funcional o servir como instrucciones para fabricar
proteínas. Cuando existe una proteína como producto final, su cantidad,
estructura, localización y actividad contribuyen al resultado biológico.

Figura 1.[Regulación
génica y penetrancia]. La expresión génica depende de múltiples
controles. Algunos implican metilación o modificaciones de histonas;
otros funcionan mediante mecanismos distintos. La penetrancia mide
cuántos individuos con determinado genotipo manifiestan un fenotipo. Su
variación puede involucrar ambiente, otros genes y fluctuaciones celulares. La epigenética
constituye una explicación posible, cuya participación requiere evidencia
experimental para cada caso estudiado.
Esquema de la expresión
génica de un gen codificante de proteína en una célula eucariota: ADN,
transcripción, procesamiento del ARN, exportación del ARN mensajero, traducción
y procesamiento de la proteína. La figura debe distinguir traducción de
transcripción y mostrar que no todas las proteínas necesitan una activación
posterior independiente.
La transcripción
produce ARN a partir de ADN. En numerosos genes eucariotas, el ARN inicial se
procesa antes de funcionar como mensajero maduro. Después, los ribosomas
realizan la traducción, que ensambla una cadena de aminoácidos. El
plegamiento, las modificaciones y las interacciones con otras moléculas pueden
influir en la función de la proteína resultante.
No todos estos
controles son necesariamente epigenéticos. La regulación génica es una
categoría amplia; la epigenética estudia determinados estados de regulación y
organización de la cromatina que pueden mantenerse sin modificar la secuencia
del ADN. La metilación del ADN y algunas modificaciones de histonas participan
en estos mecanismos. Una mutación en una proteína reguladora, en cambio, sigue
siendo una diferencia genética, aunque modifique la actividad de otros genes
(Berger et al., 2009). pmc.ncbi.nlm.nih.gov
Un ejemplo
experimental permite precisar el significado de penetrancia. Pereira y
colaboradores estudiaron embriones de ratón que expresaban una versión alterada
de COL1A1, relacionada con la formación de colágeno. Examinaron 51
embriones transgénicos de 11 camadas: aproximadamente el 22 % presentó
fracturas extensas, el 51 % mostró fracturas limitadas a las costillas y el 27
% no presentó fracturas detectables.
En ese estudio, la penetrancia
del fenotipo de fracturas fue aproximadamente del 73 %. Los autores no
encontraron que las diferencias se explicaran simplemente por el fondo genético
o por los niveles relativos del ARN medidos. El resultado no demuestra que los
embriones sin fracturas fueran idénticos en todos los aspectos a los controles;
tampoco permite concluir que cualquier variante humana de COL1A1 tenga esa
penetrancia. Describe un modelo experimental y un criterio de observación
específicos (Pereira et al., 1994). jci.org
La osteogénesis
imperfecta humana también exige distinguir manifestaciones. El colágeno
tipo I es una proteína estructural, no un tejido. Las variantes que alteran su
cantidad o sus propiedades pueden afectar la resistencia ósea y otros
componentes del organismo. La ausencia de fracturas en una persona no basta,
por sí sola, para clasificarla como no afectada.
Expresividad
La expresividad
describe cómo se manifiesta un carácter en individuos que comparten una
variante o un genotipo relevante: qué características aparecen, con qué
intensidad y en qué partes del organismo. El polimorfismo genético,
en cambio, se refiere a la presencia de distintas variantes en una población;
cuando se consideran varios alelos de un mismo gen, esas diferencias pueden
producir manifestaciones distintas. La herencia multilocus indica que
varios genes contribuyen al carácter. Los conceptos responden, por tanto, a
preguntas diferentes: la expresividad describe la variación de la
manifestación, el polimorfismo identifica diversidad genética y el modelo
multilocus reconoce la participación de varios genes. Una diferencia de
apariencia entre portadores de alelos distintos no demuestra, por sí sola,
expresividad variable de una misma variante.
En la naturaleza,
estas situaciones pueden ser difíciles de distinguir y aparecer conjuntamente.
Dos individuos pueden compartir una variante asociada con un carácter, pero
poseer diferentes alelos modificadores en otros genes, desarrollarse en
ambientes distintos o encontrarse en edades diferentes. El resultado puede ser
una expresividad variable cuya explicación incluya tanto diversidad
genética como participación multilocus e influencias ambientales. Por ello,
expresividad y herencia multilocus no son explicaciones excluyentes: la primera
describe lo observado y la segunda puede contribuir a explicarlo. Para
diferenciarlas necesitamos comparar individuos con variantes conocidas,
examinar otros genes y controlar las condiciones de observación. La apariencia
externa permite reconocer diferencias, pero rara vez revela por sí sola
cuáles de estos procesos las producen.

Figura
2. [Variación
del color ocular]. Distintos alelos y genes modifican la
cantidad, composición y distribución de pigmentos en los ojos. La expresividad
variable se estudia comparando portadores de una misma variante relevante.
Los genes modificadores y el ambiente pueden contribuir a las
diferencias. Estas ilustraciones reúnen diversas causas genéticas, por lo que
no representan exclusivamente variaciones de expresividad entre
individuos.
Imaginemos 20
animales con una misma variante que produce dedos adicionales. Si los 20
muestran algún dedo extra, la penetrancia observada para ese criterio es del
100 %. Si unos tienen un dedo adicional y otros varios, existe variación en la
expresividad. Si algunos no muestran ninguno, también habría penetrancia
incompleta para la presencia de dedos adicionales.
Ambos conceptos
dependen de la escala de observación. Una manifestación muy leve puede pasar
inadvertida durante una revisión superficial y detectarse mediante una
exploración más detallada. Por ello, clasificar un individuo como «sin
manifestación» exige especificar qué se buscó. Una diferencia aparente de penetrancia
puede relacionarse, en parte, con diferencias en la capacidad de detectar una
expresión leve.
La expresividad no
se limita a una escala sencilla de «poco» a «mucho». Dos individuos pueden
presentar manifestaciones distintas sin que uno sea globalmente más afectado
que el otro. Uno puede mostrar cambios más evidentes en el esqueleto y otro en
un órgano diferente. Conviene describir cada componente del fenotipo, en
lugar de reducirlo siempre a una única puntuación.
El síndrome de
Marfan relacionado con variantes de FBN1 constituye un ejemplo. Este gen
participa en la producción de fibrilina 1, componente de estructuras de la
matriz extracelular. Las manifestaciones pueden involucrar el esqueleto, los
ojos y el sistema cardiovascular. Ser alto y tener dedos largos no permite, por
sí solo, establecer el diagnóstico.
En un estudio de 1
306 personas con variantes de FBN1, se analizaron 23 características clínicas.
Las manifestaciones de un mismo sistema corporal tendían a relacionarse más
entre sí que con las de otros sistemas. Esto muestra por qué la variabilidad
clínica no puede explicarse únicamente mediante una escala general de
gravedad. Además, conocer una variante no permite predecir con exactitud todas
las características de una persona (Grange et al., 2020). pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
Comparar personas
con variantes diferentes no demuestra, por sí solo, que una misma variante
tenga expresividad variable: parte de la diferencia podría deberse a sus
distintas alteraciones genéticas. Para estudiar esa cuestión resulta
especialmente útil comparar individuos que comparten la variante relevante, sin
suponer que también poseen un genoma completo o una historia ambiental
idénticos.

Figura 3. [Polidactilia
y expresividad felina]. La polidactilia produce dedos adicionales.
Algunas variantes alteran una región reguladora de SHH, modificando el
patrón embrionario de las extremidades. La expresividad variable
describe diferencias en número y distribución de dedos; la penetrancia
indica cuántos portadores manifiestan el carácter. La dominancia no
garantiza manifestación universal ni permite deducir individualmente el
genotipo mediante la apariencia.
Comparación de
patas con diferente número y distribución de dedos adicionales. La figura debe
identificar la polidactilia y mostrar variación entre individuos sin
afirmar que todas sus causas presentan penetrancia completa.
En gatos
domésticos, Felis catus, ciertas formas de polidactilia se relacionan
con variantes en una región reguladora llamada ZRS. Esta región participa en el
control espacial de SHH, una señal importante durante el desarrollo de
las extremidades. Algunas variantes hacen que la señal aparezca en una zona
adicional, modificando el patrón de formación de los dedos.
Lettice y
colaboradores identificaron variantes de esta región en poblaciones de gatos
polidáctilos, incluidos los conocidos gatos de Hemingway. Los experimentos
mostraron que cambios pequeños en la secuencia reguladora podían modificar su
actividad durante el desarrollo. No se trata simplemente de un «gen de dedos
extra» que añada siempre el mismo número de dedos, sino de una alteración en un
sistema de organización embrionaria (Lettice et al., 2008). University of Edinburgh Research
Explorer
La presencia de
polidactilia tampoco demuestra que una población sea endogámica. La endogamia
puede modificar la frecuencia de ciertas combinaciones hereditarias, pero no es
una condición necesaria para que aparezca o se transmita una variante
dominante. Para explicar un caso necesitamos información sobre la variante, la
familia y el desarrollo, no solamente sobre su apariencia.
La penetrancia y la
expresividad son descripciones del resultado, no nombres de mecanismos únicos.
Una variación en la expresión génica, una interacción con otros genes o
una diferencia durante el desarrollo pueden contribuir a cualquiera de las dos.
No existe una regla universal según la cual bloquear una proteína afecte
exclusivamente a la penetrancia y reducirla afecte exclusivamente a la
expresividad.
Modelo matemático
Para trabajar
matemáticamente debemos separar dos preguntas: qué genotipo recibe un
descendiente y qué probabilidad tiene de manifestar el carácter si recibe
ese genotipo. La penetrancia interviene en la segunda pregunta. Por sí sola, no
cambia las probabilidades de transmisión de los alelos calculadas para el
cruce.
Usaremos corchetes
para representar probabilidades, como convención de esta sección. Así, [AA]₀
representa la probabilidad genotípica obtenida del cruce. El subíndice cero
indica el cálculo de transmisión previo a considerar la manifestación
fenotípica. Por su parte, [D | AA] representa la probabilidad de observar el
fenotipo D dado que el individuo es AA.
La barra vertical
se lee «dado que». Es una probabilidad condicionada: limita la pregunta
a los individuos que cumplen una condición. Si la penetrancia de D en AA es del
90 %, entonces [D | AA] = 0.90. Esto no significa que el 90 % de toda la
descendencia sea AA ni que el 90 % de toda la descendencia presente D.
La probabilidad de
que un descendiente tenga AA y manifieste D se obtiene multiplicando:
\[ [D\cap
AA]=[AA]_0[D\mid AA]. \tag{28.1} \]
El símbolo de
intersección indica que ocurren ambas condiciones. Esta operación calcula la contribución
de un genotipo al fenotipo, no una nueva frecuencia del genotipo. Los
individuos AA que no manifiestan D siguen siendo AA.
La misma regla
puede aplicarse a cualquier genotipo, incluidos los homocigotos recesivos. No
está limitada a los genotipos que contienen alelos dominantes. Lo que cambia
entre ejercicios es la probabilidad condicionada asignada a cada combinación.
Si un genotipo nunca presenta D bajo el modelo, su contribución se multiplica
por cero.
En un sistema
monohíbrido A/a, las tres clases posibles son AA, Aa y aa. Para calcular la
probabilidad total de D sumamos sus contribuciones:
\[ [D]=[AA]_0[D\mid
AA]+[Aa]_0[D\mid Aa]+[aa]_0[D\mid aa]. \tag{28.2} \]
Esta suma utiliza
clases genotípicas mutuamente excluyentes: un individuo no puede pertenecer
simultáneamente a AA, Aa y aa para el mismo gen considerado. Por ello, podemos
reunir sus contribuciones sin contar dos veces al mismo descendiente.
Si clasificamos a
todos los individuos únicamente en «manifiesta D» y «no manifiesta D», las dos
categorías completan el total:
\[ [\text{no
D}]=1-[D]. \]
Conviene llamar a
la segunda categoría fenotipo no manifestado o «no D». Denominarla
automáticamente «fenotipo recesivo» podría confundir apariencia con genotipo,
porque puede incluir individuos AA o Aa cuya manifestación no se produjo.
Consideremos el
siguiente ejemplo de práctica. En una colonia de moscas, un carácter ocular
presenta penetrancia del 90 % en AA y del 70 % en Aa. Los individuos aa no lo
manifiestan. Estos porcentajes son datos del ejercicio; no deben interpretarse
como valores universales de una especie o una mutación concreta. Se cruzan dos
individuos Aa.
Primero resolvemos
la transmisión monohíbrida:
\[
[AA]_0=\frac14,\qquad [Aa]_0=\frac12,\qquad [aa]_0=\frac14. \]
Después
incorporamos las penetrancias. La contribución de AA al carácter ocular es:
\[
\frac14(0.90)=0.225. \]
La contribución de
Aa es:
\[
\frac12(0.70)=0.350. \]
La contribución de
aa es cero. Por tanto:
\[
[D]=0.225+0.350+0=0.575. \]
La probabilidad
fenotípica esperada es del 57.5 %. La probabilidad de no manifestar el
carácter es:
\[ [\text{no
D}]=1-0.575=0.425, \]
es decir, el 42.5
%. Podemos comprobar el segundo resultado sumando por separado las
contribuciones de quienes no manifiestan el carácter.
|
Genotipo |
Probabilidad
de heredarlo |
Contribución
a D |
Contribución
a no D |
|
AA |
0.25 |
0.225 |
0.025 |
|
Aa |
0.50 |
0.350 |
0.150 |
|
aa |
0.25 |
0 |
0.250 |
|
Total |
1 |
0.575 |
0.425 |
Para una muestra de
400 descendientes, las cantidades esperadas serían:
\[
E_D=400(0.575)=230, \]\[ E_{\text{no D}}=400(0.425)=170. \]
Estas cantidades
expresan una expectativa, no una garantía. Una muestra concreta puede contener
números diferentes por azar. El cálculo supone, además, que la supervivencia y
la detección del carácter no introducen otras diferencias entre las clases.
La estimación
directa de penetrancia requiere un denominador adecuado. Si identificamos 80
individuos con un genotipo y 60 manifiestan el carácter, obtenemos:
\[
\text{Penetrancia observada} =\frac{60}{80}\times100=75\%. \]
Dividir esos 60
casos entre todos los individuos de una población respondería otra pregunta: la
frecuencia del carácter en esa población. Tampoco conviene deducir penetrancia
a partir de una desviación fenotípica sin comprobar otras explicaciones, como errores
de clasificación o supervivencia diferencial.
La expresividad
necesita un cálculo adicional cuando se divide en categorías. Si, entre quienes
manifiestan un carácter, el ejercicio establece un 60 % de casos leves y un 40
% de casos intensos, multiplicamos la probabilidad de manifestación por esas
proporciones. En el ejemplo anterior:
\[
[\text{leve}]=0.575(0.60)=0.345, \]\[ [\text{intenso}]=0.575(0.40)=0.230. \]
Ambas categorías
suman 0.575. Junto con los casos no manifestados, completan la probabilidad
total. Esta distribución de intensidades debe proporcionarse o estimarse
mediante observaciones; no puede deducirse únicamente de conocer los genotipos
parentales.
Plasticidad fenotípica
La plasticidad
fenotípica es la capacidad de un mismo genotipo para producir diferentes
características según las condiciones ambientales. Aunque a veces se denomina
«plasticidad genética», el cambio ocurre en el fenotipo y no requiere
modificar la secuencia del ADN. La capacidad de responder puede tener una base
hereditaria, mientras que su manifestación depende de señales externas y del
estado del organismo. Algunas respuestas son reversibles; otras se establecen
durante periodos específicos del desarrollo y persisten después. Por
ello, poseer una capacidad plástica no significa poder adoptar cualquier
apariencia: cada organismo presenta posibilidades y límites determinados por su
organización biológica (Tollrian, 1995). Artículo.
El zorro ártico,
Vulpes lagopus, permite observar plasticidad estacional. Los individuos
del morfo blanco desarrollan un pelaje invernal blanco y abundante, que
posteriormente reemplazan por otro generalmente pardo o grisáceo. El fotoperiodo,
o duración diaria de la luz, contribuye a coordinar respuestas hormonales
relacionadas con la muda. La melatonina participa en esta regulación: su
administración experimental puede modificar el calendario de renovación del
pelaje. No se trata de que el animal cambie sus alelos cuando llega otra
estación, sino de que reorganiza procesos fisiológicos y de crecimiento.
Además, el morfo azul conserva pigmentación invernal, mostrando límites
genéticos de la respuesta (Nieminen et al., 2004; Våge et al., 2005). Muda
y pigmentación.

Figura
4. [Plasticidad
estacional del zorro ártico]. La plasticidad fenotípica permite
renovar el pelaje según señales estacionales. El fotoperiodo y la
melatonina participan en su regulación. El morfo blanco alterna
cubiertas invernales y estivales, mientras el morfo azul conserva pigmentación
oscura. La respuesta depende del genotipo, que establece posibilidades
heredadas; cambiar de apariencia no requiere adquirir mutaciones nuevas cada
estación anual.
En Daphnia pulex,
pequeño crustáceo de agua dulce, determinadas señales químicas asociadas con
depredadores pueden inducir defensas morfológicas, como espinas
cervicales. Individuos de un mismo clon pueden desarrollar defensas diferentes
dependiendo de su exposición. La respuesta combina un desencadenante
ambiental con la sensibilidad propia de ciertas etapas del desarrollo:
recibir la señal en cualquier momento no garantiza idéntico resultado. Estas
estructuras pueden reducir la vulnerabilidad frente a algunos depredadores,
pero producirlas implica recursos y posibles compensaciones con otras
funciones. La plasticidad permite ajustar la inversión defensiva al contexto,
sin que cada individuo necesite adquirir una mutación nueva para responder
(Tollrian, 1995). Artículo.
El cambio de
sexo secuencial de los peces payaso muestra una plasticidad que integra
ambiente social y desarrollo. En Amphiprion bicinctus, la desaparición
de la hembra dominante puede desencadenar la transformación del macho
reproductor en hembra. La señal social inicia cambios de comportamiento,
regulación hormonal y expresión génica, acompañados por reorganización
de las gónadas. La capacidad depende del estado reproductivo y de la posición
del individuo dentro del grupo; no constituye una respuesta automática de
cualquier pez. Este ejemplo muestra cómo los desencadenantes externos
interactúan con condiciones internas y procesos del desarrollo para producir
una transformación funcional del organismo (Casas et al., 2016). Artículo.
Hacia una mirada evolutiva sintética
La variación entre
individuos con un mismo genotipo relevante puede comenzar durante el
desarrollo. Los procesos celulares implican cantidades de moléculas, momentos
de activación y relaciones entre tejidos. Pequeñas diferencias pueden quedar
compensadas o, en determinadas circunstancias, superar un umbral de
respuesta y producir resultados observables diferentes.
Raj y colaboradores
estudiaron este fenómeno en embriones de Caenorhabditis elegans.
Encontraron que, en determinados mutantes, fluctuaciones en la expresión de
genes podían conducir a diferencias en la activación de un regulador del
desarrollo intestinal. El trabajo mostró un mecanismo concreto por el que la variabilidad
molecular puede contribuir a la penetrancia incompleta; no propuso una
explicación única para todos los organismos y caracteres (Raj et al., 2010). pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
Estos resultados
ayudan a abandonar la idea de que una variante determina siempre una apariencia
de manera aislada. Sin embargo, tampoco significan que los resultados sean
impredecibles en cualquier circunstancia. Las probabilidades permiten describir
regularidades biológicas incluso cuando no podemos anticipar con certeza
el resultado de un individuo.
La expresividad
variable puede generar diferencias sobre las que actúe la selección natural
si esas diferencias afectan la supervivencia o la reproducción. Para producir
una respuesta evolutiva, además, debe existir una relación heredable entre la
variación y la contribución a las generaciones siguientes. No toda diferencia
observada entre individuos se transmite del mismo modo.
Finalmente,
expresar un carácter en distintos grados no equivale necesariamente a presentar
herencia cuantitativa continua. Un mismo gen puede mostrar expresividad
variable, mientras numerosos caracteres continuos dependen de muchas variantes
y del ambiente. Antes de relacionar una distribución de apariencias con un
modelo evolutivo, necesitamos identificar qué se hereda, qué se manifiesta y
cómo se midió cada diferencia.
Referencias
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Reports, 6, 35461. https://doi.org/10.1038/srep35461
Grange, T., Aubart,
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Nieminen, P., Pyykönen, T.,
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Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative
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Journal of Clinical Investigation, 93(4), 1765–1769. https://doi.org/10.1172/JCI117161
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Tollrian, R. (1995).
Predator-induced morphological defenses: Costs, life history shifts, and
maternal effects in Daphnia pulex. Ecology, 76(6), 1691–1705. https://doi.org/10.2307/1940703
Våge, D. I., Fuglei, E., Snipstad, K., Beheim, J., Landsem, V. M., & Klungland, H. (2005). Two cysteine substitutions in the MC1R generate the blue variant of the Arctic fox (Alopex lagopus) and prevent expression of the white winter coat. Peptides, 26(10), 1814–1817. https://doi.org/10.1016/j.peptides.2004.11.040

