I. LA GEN�TICA: LA CIENCIA DE LA HERENCIA
LA GEN�TICA estudia la forma como las caracter�sticas de los organismos vivos, sean �stas morfol�gicas, fisiol�gicas, bioqu�micas o conductuales, se transmiten, se generan y se expresan, de una generaci�n a otra, bajo diferentes condiciones ambientales.
La gen�tica, pues, intenta explicar c�mo se heredan y se modifican las caracter�sticas de los seres vivos, que pueden ser de forma (la altura de una planta, el color de sus semillas, la forma de la flor; etc.), fisiol�gicas (por ejemplo, la constituci�n de determinada prote�na que lleva a cabo una funci�n espec�fica dentro del cuerpo de un animal), e incluso de comportamiento (en la forma de cortejos antes del apareamiento en ciertos grupos de aves, o la forma de aparearse de los mam�feros, etc.). De esta forma, la gen�tica trata de estudiar c�mo estas caracter�sticas pasan de padres a hijos, a nietos, etc., y por qu�, a su vez, var�an generaci�n tras generaci�n.
TODO TIENE SU HISTORIA. LA GEN�TICA MENDELIANA
Esta ciencia se ha desarrollado de manera vertiginosa durante el siglo XX, aunque tiene sus ra�ces en el siglo XIX, �poca en que los cient�ficos intentaban contestar las cuestiones relativas a la variaci�n y la herencia. Antes de que la gen�tica existiera como ciencia, principalmente durante la segunda mitad del siglo XIX, la herencia se estudiaba a partir de lo que se llama la hibridizaci�n o cruza de organismos entre s� para analizar su descendencia.
La hibridolog�a, como se le llamaba a esta disciplina, hab�a sido practicada a gran escala por cient�ficos naturales como Kolreuter entre l760 y 1766, Knight en 1779, Gaertner entre l792 y 1850 y Naudin en 1863. Estos investigadores empleaban el m�todo del tanteo experimental: cruzar dos individuos y analizar su descendencia para obtener datos experimentales acerca de la herencia de ciertas caracter�sticas de los organismos. Este m�todo proporcion� datos importantes acerca de la fertilidad o esterilidad de los h�bridos (descendientes), y tambi�n datos acerca de la imposibilidad de obtener cruzas f�rtiles de organismos de diferentes especies (por ejemplo, si se cruza a un perro con una gata, etc.). Sin embargo, no pudieron obtenerse generalizaciones o principios que nos explicaran la herencia; primero, porque estos experimentos trataban con caracter�sticas complejas, lo cual imposibilitaba el an�lisis detallado y simple, y segundo, hac�an falta datos num�ricos y pruebas rigurosamente controladas que pudieran facilitar su an�lisis. Adem�s, estos estudios se hac�an al margen de los avances de otras ramas de la biolog�a como la citolog�a (ciencia que estudia a la c�lula, sus componentes y su comportamiento durante la divisi�n celular), y particularmente aquellos hallazgos que identificaban las part�culas constitutivas de la c�lula que se multiplicaban y divid�an durante las divisiones celulares, las llamadas cromosomas.
Pero, �cu�ndo surge la gen�tica? La gen�tica surge con los trabajos del monje
austr�aco Gregor Mendel (1822-1884), quien pas� parte de su vida trabajando
con ch�charos en su jard�n de la abad�a de Brno. En esa �poca, hacia 1866, eran
bien conocidos los trabajos del gran naturalista Charles Darwin, quien aport�
a la biolog�a la primera teor�a que explica c�mo han evolucionado los organismos
vivos. La intenci�n de Mendel era demostrar; en el terreno experimental, cu�l
era e origen de las especies, dilema que durante el siglo XIX atrajo
la atenci�n de muchos naturalistas del mundo. Sin embargo, Mendel no logr� explicar
el origen de las especies con sus trabajos, pero s� logr� generalizar algunos
principios acerca de c�mo se heredan los caracteres de los individuos de generaci�n
en generaci�n.
Gracias a la buena educaci�n que recibi� Mendel, a pesar de ser hijo de unos campesinos pobres de Silesia, pudo graduarse y dar clases de f�sica y ciencias naturales. Durante estos a�os, las ideas acerca del origen de las especies inquietaban a muchos naturalistas y cient�ficos no s�lo de Europa, sino de Am�rica, inquietud a la cual Mendel no hab�a escapado. Algunos de sus maestros directos, como el bot�nico vien�s Franz Unger, apoyaban la idea de que las variedades aparecen en la naturaleza y que con el paso del tiempo y s�lo algunas de ellas, despu�s de much�simas generaciones se convierten en especies bien diferenciadas. Gracias a esta idea transmitida por sus profesores, Mendel crey� que podr�a encontrar la respuesta al origen de las especies si estudiaba de cerca el problema de las variaciones en la naturaleza.
A Mendel le gustaba mucho el trabajo experimental y las matem�ticas (y por fortuna su meticulosidad permiti� que sus notas se convirtieran posteriormente en memorias), y adopt� la idea de un m�todo de an�lisis de poblaciones, en lugar de analizar a individuos particulares. Mendel seleccion� correctamente las plantas que habr�a de usar en sus experimentos. Esta selecci�n le tom� dos a�os de cruzamientos controlados en las plantas de ch�charos Pisum sativum, Pisum quadratum y Pisum umbellatum, las cuales cumpl�an con ciertas condiciones que las hac�an m�s pr�cticas que otras: flor grande, de fecundaci�n cruzada (es decir, que una planta es normalmente polinizada por otra), y f�ciles de emascular (extraer los estambres que son las partes masculinas de la planta y que contienen los granos de polen o c�lulas germinales masculinas). As�, despu�s de dos a�os de trabajos de selecci�n, escogi� solamente 22 variedades de ch�charos.
Mendel pensaba, que con el control del tipo de cruzas entre los diferentes individuos, se podr�a rastrear la herencia de ciertas caracter�sticas durante varias generaciones y, con esto, establecer los principios que explican su herencia o transmisi�n. Mendel eligi� deliberadamente caracter�sticas simples con formas claramente perceptibles y no intermedias, por ejemplo, el tipo de la semilla era liso o rugoso, la planta ten�a un tallo alto o enano, etc. Haciendo estas cruzas durante varias generaciones Mendel pudo explicar la forma de transmisi�n de los caracteres. Sus investigaciones sobre estos patrones de la herencia en las plantas de jard�n lo llevaron a suponer la idea de la herencia de partes. �Qu� significa esto? Mendel se dio cuenta de que al estudiar ciertas caracter�sticas como el color de la flor el tama�o del tallo, el tipo de semilla o la forma y textura de �sta, las contribuciones paternas (del padre y de la madre) se expresaban con desigualdad. Si estos rasgos o caracter�sticas de cada planta se heredan como elementos o partes, entonces cada planta recibe un elemento de cada progenitor, uno del padre y otro de la madre. Esta herencia de partes significa que cada progenitor contribuye con un elemento, y por lo tanto que la cr�a tiene pares de elementos. A estos elementos Mendel los llam� caracteres diferenciantes porque, precisamente, diferenciaban a las plantas entre s�.
Una de las primeras observaciones de Mendel al hacer sus cruzas entre plantas fue que difer�an seg�n el car�cter; por ejemplo, al cruzar una planta de tallo alto con una de tallo corto, los hijos, es decir; la primera generaci�n, presentaban una de las dos caracter�sticas de los padres, y la otra aparentemente desaparec�a. Al cruzar a estos hijos entre s� para obtener una segunda generaci�n, Mendel not� que el car�cter que hab�a desaparecido reaparec�a en una proporci�n constante: por cada tres plantas de tallo largo aparec�a una con tallo corto (3:1). De aqu� Mendel sugiri� que aquel car�cter que aparec�a en la primera generaci�n de forma uniforme dominaba, o era dominante sobre aquel que desaparec�a en apariencia, y a este segundo car�cter le denomin� recesivo.
La primera generalizaci�n que obtuvo de sus datos (ahora conocida como la primera
ley de Mendel) se refer�a a la separaci�n o segregaci�n de los elementos
durante la formaci�n de los gametos (que son las c�lulas germinales, �vulos
y espermatozoides en los animales, y �vulo y polen en las plantas). Su segunda
generalizaci�n (o segunda ley de Mendel) se refer�a a la herencia independientemente
de los pares de elementos, es decir; el que una planta tenga el tallo largo
o corto (un par de elementos) es independiente de si su semilla es lisa o rugosa
(otro par de elementos), y a su vez, es independiente de si la flor es blanca
o amarilla, etc. (Figura 1.)
Figura 1. Experimentos de Mendel. En sus primeros experimentos Mendel trabaj�
con ch�charos de forma alternativamente redonda o rugosa. Poliniz� manualmente
las flores de una l�nea pura de ch�charos redondos con el polen de una l�nea
pura de rugosos. Las semillas de esta primera generaci�n F1 (todas
redondas) fueron plantadas y germinadas. Mendel obtuvo � de semillas redondas
y � de semillas rugosas en la segunda generaci�n o F2. Posteriormente
plant� las semillas de la F2 y dejo que las plantas adultas se autopolinizaran
entre s�. Todas las semillas rugosas F2 produjeron semillas rugosas,
las redondas F2 produjeron dos tipos: algunas se comportaron igual
que la cepa paterna, dando semillas redondas, mientras que otras lo hac�an como
las plantas F1 produciendo tanto semillas rugosas como lisas. La
relaci�n F1 fue entonces 1:2:1, �, � redondas puras, � redondas no
puras y � rugosas puras.
A partir de estas leyes conocidas ahora como las leyes de Mendel, es que se construy� la gen�tica moderna durante el presente siglo XX, ya que mientras Mendel vivi� no fueron bien acogidas. �Por qu�?
Existen al menos dos versiones de por qu� el trabajo de Mendel no fue reconocido hasta entrado el siglo XX. Seg�n la primera, su art�culo fue publicado en una oscura revista cient�fica a la que pocos investigadores ten�an acceso, la Revista de la Sociedad de Ciencias Naturales de Brno. La segunda es la idea de que Mendel era un investigador poco conocido en el medio cient�fico de su �poca. Estos dos aspectos reflejan la concepci�n que com�nmente se tiene de la ciencia y sus practicantes. La ciencia est� basada como cualquier otro aspecto de la cultura en la comunicaci�n de unos individuos con otros y por lo tanto su repercusi�n descansa tanto en la distribuci�n de los art�culos cient�ficos como en el reconocimiento que el autor tiene. �Qui�n no quiere leer el �ltimo libro de un escritor ya reconocido? En estos casos la obra tiene un valor previo por haber sido escrita por �ste o aquel autor; valor que es independiente de la importancia intr�nseca de la obra. Asimismo, en la actualidad, y estamos seguros de que tambi�n en el siglo pasado, hay revistas m�s reconocidas que otras por la calidad de los art�culos, lo cual contribuye a que sea parcial la b�squeda del buen trabajo cient�fico. Si suponemos que �ste fue el caso, podr�amos afirmar que Mendel no fue reconocido en parte por estas dos razones, como lo demuestra el hecho de las presentaciones que hizo de su trabajo en las reuniones de febrero y marzo de 1865 de la Sociedad de Ciencias Naturales de Brno no recibieron comentarios de ning�n tipo ni en forma de preguntas ni como cr�ticas. De hecho se afirma que ni el ambiente cient�fico ni en el cultural se apreci� la importancia de sus descubrimientos.
Adem�s algunos de los cient�ficos m�s renombrados de la �poca, como Darwin, Naudin y Nageli, no hicieron referencia a los resultados de Mendel.
Por ejemplo, Darwin nunca se refiri� a estos estudios en ninguno de sus escritos, aun cuando con frecuencia se refiere a otras investigaciones del mismo tema que se llevaron a cabo en la misma �poca de Mendel. Cabe mencionar que, por ejemplo, el bot�nico franc�s Naudin expres� en 1863 la idea de que los elementos derivados de los padres se separan en el h�brido y que algunos de los caracteres de las formas de los padres pueden aparecer en la generaci�n siguiente. Este hallazgo de Naudin, lamentablemente, carec�a de datos num�ricos y pruebas rigurosas que sustentaran tales afirmaciones.
En cuanto al m�s famoso bot�nico de la �poca, Nageli, se sabe que Mendel le envi� una copia de su manuscrito con la idea de recibir sus opiniones. De aqu� result� una activa correspondencia, de la cual s�lo sobreviven las cartas de Mendel. Esta correspondencia revela una de dos cosas: o Nageli no entendi� los resultados de Mendel o no estaba de acuerdo con ellos. Nageli nunca invit� a Mendel a publicar sus resultados en otras revistas donde sin duda hubiesen sido le�das por otros cient�ficos. Nageli le propuso a Mendel que extendiera sus experimentos a otras plantas, pero Mendel se sinti� apabullado por esta idea y no hizo mayores esfuerzos por relacionarse con otros bot�nicos o hibrid�logos para intercambiar opiniones. Mendel simplemente pens� que los resultados de sus experimentos eran datos aislados que no pod�an aplicarse a otras plantas.
M�s recientemente, y como apoyo a la idea de que los postulados de Mendel no fueron comprendidos, se ha encontrado que de los tres investigadores que redescubrieron a Mendel, el holand�s Hugo de Vries (1848-1935), el alem�n Carl Correns (1864-1933) y el austriaco Eric Tschermak von Seysenegg (1871-1962), s�lo Correns comprendi� completamente el trabajo de Mendel y sus consecuencias. Tanto De Vries como Tschermak no entend�an conceptos como dominancia y confund�an en una las dos leyes de Mendel en una sola. Es entonces muy claro que el trabajo de Mendel no fue entendido ni en sus aspectos t�cnicos ni tampoco en su importancia. De hecho, el entendimiento de su relevancia vino antes de ser entendido t�cnicamente.
Una vez que este trabajo pas� inadvertido por la comunidad cient�fica de su �poca, en 1900 aparecen publicados tres trabajos que de manera independiente hacen referencia a Mendel. Estos trabajos fueron de los investigadores ya mencionados, Hugo de Vries (1900), Tscherrnak (1900) y Correns (1900). De estos tres autores el m�s sobresaliente por su repercusi�n en las ciencias naturales fue Hugo de Vries, quien a pesar de haber redescubierto el trabajo mendeliano no pensaba que fueran v�lidos los principios que establec�a. Esto se debe a que Hugo de Vries pensaba que en el problema del origen de las especies (que por esta �poca era la comidilla de todos los d�as) el mendelismo no ten�a una aplicabilidad universal. As�, podemos marcar a 1900 como el a�o del nacimiento de la gen�tica, pues fue cuando se redescubrieron las leyes de Mendel, y se modific�, la manera de pensar y de experimentar de los cient�ficos dedicados a los problemas de la herencia. Una vez que esto sucedi�, el mendelismo se expandi� por Europa y Am�rica hasta convertirse en un tema de discusi�n com�n y corriente. Genetistas famosos como William Bateson (1861-1926) se dar�an a conocer por la introducci�n y defensa del mendelismo en Inglaterra. Bateson ser�a tambi�n el que acu�ara el t�rmino de gen�tica en 1906.
TEOR�A CROMOS�MICA DE LA HERENCIA
Durante los a�os siguientes a los que Mendel anunci� sus leyes no se conoc�a lo suficiente del comportamiento de los cromosomas como para establecer una relaci�n entre �stos y las leyes de Mendel e interpretarlas en t�rminos de las divisiones celulares que tienen lugar en el desarrollo de las c�lulas que forman los gametos (meiosis).
Hacia finales del siglo XIX se hab�a logrado estudiar los cambios que ocurren en la meiosis y su posible relaci�n con la herencia; en particular se destacan los trabajos de Augusto Weismann, pues aunque resultaron equivocados a este respecto, se�alaron la importancia de relacionar a los cromosomas con la herencia de los caracteres. Fue despu�s de la revalorizaci�n de las leyes de Mendel, que en 1903 Sutton logra aplicar la primera y la segunda leyes de Mendel al comportamiento de los cromosomas durante la meiosis.
Si los cromosomas son los portadores de los elementos hereditarios o genes, entonces podemos suponer que cuando los cromosomas se separan, llevando a los genes consigo, cada elemento del par pasa a c�lulas diferentes, y que, por lo tanto, cada c�lula lleve s�lo un elemento del par, el de la madre o el del padre. Este comportamiento satisface la primera ley de Mendel.
Ahora, si tenemos dos factores o genes y uno se encuentra en un par de cromosomas (digamos, el gene que determina si la semilla es lisa o rugosa), mientras que otro factor (digamos, el gene que determina si el tallo es largo o corto) se halla en otro par de cromosomas, y durante la divisi�n celular mei�tica �stos se separan azarosamente, es decir, independientemente uno del otro, entonces la distribuci�n de estos cromosomas y sus posteriores combinaciones debidas a la casualidad de la fertilizaci�n nos explican la segunda ley de Mendel, y as�, el hecho de que una planta tenga la semilla lisa o rugosa ser� independiente del hecho de si su tallo es largo o corto.
Gracias al redescubrimiento de estas leyes y su aplicabilidad para tratar los problemas de la herencia se comienza a desarrollar la gen�tica moderna. Del establecimiento de l�neas de investigaci�n que utilizaban las leyes de Mendel y part�an de la concepci�n de la herencia de partes es que se pudo demostrar que este tipo de herencia, la mendeliana, era universal. Nos referiremos brevemente a las tres l�neas de investigaci�n m�s importantes por las consecuencias de sus descubrimientos.
La primera la propuso Johannsen, bot�nico dan�s. Seg�n �l, al tomar una semilla de Phaseolus vulgaris (el frijol), ya fuera gorda o flaca, y hacerla germinar; entre sus descendientes encontrar�amos semillas de todos los tipos, no s�lo del tipo de la semilla original. (Por cierto, fue Johannsen quien en 1909 acu�ar�a los t�rminos de gene, genotipo y fenotipo. Este �ltimo se refiere a las caracter�sticas que nosotros vemos, como pueden ser formas, texturas, colores, etc., mientras que el genotipo se refiere a lo que no podemos ver directamente sino s�lo a trav�s de t�cnicas m�s complejas que es la suma o el conjunto de todos los genes, o sea el genotipo.)
El segundo descubrimiento notable lo realizaron los bot�nicos E. M. East, ingl�s y H. Nilsson-Ehle, sueco. Admiten que ciertos rasgos hereditarios no discretos, sino cuantitativos, segu�an estrictamente las leyes de Mendel; por ejemplo, el color rojizo del pericarpio (la envoltura) de la semilla del ma�z se deb�a a la colaboraci�n de m�s de un factor o gene. Fue as� como se estableci� la posibilidad de que m�s de un gene interviniera en la formaci�n de un car�cter determinado.
Sin lugar a dudas, la tercera l�nea de investigaci�n fue la que m�s dividendos dej� a la naciente ciencia de la gen�tica, tanto por sus descubrimientos como por la introducci�n de t�cnicas novedosas. Éstas no s�lo revolucionaron el modo de tratar los problemas de la herencia, sino que establecieron una nueva metodolog�a experimental y una serie de principios fundamentales que permitieron resolver algunos de los enigmas que ya hab�an sido planteados anteriormente, lo cual signific� un gran avance. Nos referimos a la escuela morganiana, tambi�n conocida como El grupo de las moscas.
La historia de c�mo se form� este grupo, de cu�l era el ambiente de trabajo y de cu�les fueron sus resultados y aportes a la gen�tica ha sido el objeto de estudio de muchos historiadores de la ciencia, as� como de soci�logos y fil�sofos de la ciencia, que lo han tomado como modelo y estudio de caso para entender, por ejemplo, de qu� manera intervienen factores individuales, como la competencia o la envidia, en el avance de la ciencia; c�mo est� estructurado un grupo jer�rquicamente; o simplemente, c�mo ocurre el avance conceptual y te�rico dentro de una disciplina cient�fica.
El nombre (escuela morganiana) se debe a que fue fundada por Thomas Hunt Morgan, y la designaci�n de Grupo Drosophila o Grupo de las moscas se debe a que trabajaron con la conocida mosca de la fruta Drosophila melanogaster (todos la hemos visto rondando la fruta en descomposici�n en nuestras casas). Cuando Morgan y sus estudiantes empezaron con sus investigaciones, se acostumbraba trabajar con plantas en los estudios de la herencia. De hecho, casi todos los grandes avances durante el siglo XIX en el terreno de la hibridolog�a fueron en el campo de la bot�nica. Sin embargo, esta escuela introdujo a un animal, la mosca de la fruta, como objeto de estudio, y posteriormente como veh�culo para el estudio de los efectos que causaban en el material hereditario elementos externos como la radiaci�n.
Thomas Hunt Morgan (1866-1945) empez� a trabajar en el campo experimental hacia 1908 cuando, impresionado por los trabajos de bot�nicos famosos como Hugo de Vries (quien hab�a propuesto la teor�a de la mutaci�n como alternativa a la selecci�n natural de Darwin a principios de siglo), quiso repetir sus experimentos en el reino animal (�l era zo�logo) y demostrar que los cambios dr�sticos en los organismos pueden hacer grandes modificaciones en las especies. Fue de esta forma como Morgan se decidi� a trabajar con la mosca de la fruta la Drosophila melanogaster, que le permiti� observar los cambios generacionales mucho m�s r�pidamente y de manera m�s sencilla (tradicionalmente los bot�nicos ten�an que esperar a que se cumplieran los ciclos normales de las plantas para poder analizar a su progenie, lo cual, algunas veces, ocurr�a una vez al a�o). Esta decisi�n tambi�n le simplific� su presupuesto: estas moscas se pueden cultivar en frascos de vidrio y a�adirles simplemente trozos de pl�tano dentro (en la actualidad se prepara una sustancia que se llama agar, cuyo olor es muy desagradable, es l�quida y caf� cuando est� caliente y de color pardo y s�lida cuando est� fr�a, se prepara en unas ollas grandes, sobre estufas u hornillas, y como al chocolate, hay que estarla batiendo constantemente.)
Morgan era la cabeza de un grupo de biolog�a experimental del Departamento de Zoolog�a de la Universidad de Columbia, N.Y. Sus estudiantes, Alfred Henry Sturtevant (1891-1970), Herman Joseph Muller (1890-1967) y Calvin Blackman Bridges (1889-1938), eran investigadores j�venes que, bajo la tutela de Morgan, hac�an su trabajo de tesis doctoral. (Muller, aunque oficialmente era dirigido por el cit�logo E.B. Wilson, pasaba todo el d�a en el laboratorio, mejor conocido como el cuarto de las moscas, pues lo �nico que hab�a eran escritorios llenos de frascos con moscas y microscopios de disecci�n listos para analizar a la progenie.)
En 1915 este grupo public� un libro, ahora ya cl�sico, llamado El mecanismo de la herencia mendeliana en donde exponen el resultado de sus investigaciones. Describiremos brevemente cu�les fueron las m�s importantes.
1) Esta escuela pudo establecer que los factores elementales de los que Mendel hablaba —genes— formaban parte de los cromosomas —bastoncillos localizados en el n�cleo de las c�lulas— y que, por lo tanto, los genes pod�an ser tratados como puntos espec�ficos a lo largo de los cromosomas, y as� saber; por ejemplo, su localizaci�n dentro de ellos. A esta teor�a se le conoce como la teor�a cromos�mica de la herencia, y gracias a su establecimiento Morgan recibir�a el Premio Nobel en fisiolog�a y medicina en 1933, mismo que compartir�a con Sturtevant y Bridges, ya que Muller para estas fechas ya se hab�a independizado del grupo (cabe mencionar que Muller recibir�a por su parte el Premio Nobel en 1947 por sus descubrimientos de los efectos de la radiaci�n —rayos X— en la mosca Drosophila melanogaster.
La teor�a cromos�mica de la herencia establece que los genes forman parte de los cromosomas, lo cual explica, como hemos dicho, las leyes de Mendel a trav�s de la meiosis, y nos lleva al siguiente problema: �es posible encontrar la localizaci�n de cada gene dentro de cada cromosoma? Morgan contest� afirmativamente. Esta idea, de localizar a los genes dentro de lugares concretos en el cromosoma, era algo complicada, as� que Morgan acudi� a sus estudiantes y les plante� el problema de la siguiente manera: si los cromosomas intercambian porciones de ellos durante la meiosis es posible construir mapas gen�ticos, en donde situar los diferentes genes de acuerdo con su comportamiento durante la meiosis.
Esta idea se convirti� en la tesis doctoral de Sturtevant, y permiti� abrir un campo de investigaci�n novedoso. A la fecha los organismos mejor conocidos desde el punto de vista de la localizaci�n de sus genes son la Drosophila melanogaster y la bacteria Escherichia coli.
2) Hemos dicho que la segunda ley de Mendel se refiere a la herencia independientemente de los pares de caracteres, sin embargo, en algunas ocasiones esta ley no se cumple. Cuando ciertos pares de caracteres tienden a permanecer juntos en generaciones sucesivas se dice que est�n ligados. El ligamiento ocurre cuando ciertos caracteres son transmitidos juntos con m�s frecuencia que otros y, por lo tanto, no siguen la segunda ley de Mendel. El ligamiento tiene una aplicaci�n restringida a los casos en los cuales no hay intercambio o entrecruzamiento entre porciones enteras de los cromosomas implicados. El ligamiento y el entrecruzamiento son, por lo tanto, fen�menos correlativos y pueden expresarse con leyes num�ricas bien definidas. Estos dos fen�menos forman parte del sistema de la herencia y tienen que tomarse en cuenta cuando se hacen an�lisis cuantitativos de los caracteres de los organismos.
El ligamiento hace que dos caracteres sean transmitidos juntos, mientras que el entrecruzamiento o recombinaci�n significa que pueden ser separados durante el curso de generaciones posteriores. Un caso de ligamiento es lo que se conoce como herencia ligada al sexo y fue descubierta por Morgan. Este descubri� que el factor que determina el color de los ojos en la mosca Drosophila se localiza en el cromosoma X o al menos lo acompa�a en la segregaci�n. Este descubrimiento fue muy importante pues existen caracter�sticas cuyos genes al estar contenidos en los cromosomas sexuales, aparecer�n en correlaci�n con la proporci�n de los sexos, hembra o macho. Por ello, estos experimentos demostraron tambi�n que los genes est�n en los cromosomas.
El estudio de la recombinaci�n fue hecho por Muller hacia 1916. Una vez establecido que los factores o genes est�n alineados en los cromosomas, Muller se pregunt� si existe una correspondencia entre la frecuencia de la separaci�n (recombinaci�n) y la longitud del cromosoma. Efectivamente, si la recombinaci�n indica intercambio de secciones enteras de cromosomas durante la meiosis, la distancia que separa a los genes es importante para poder intercambiarse. A mayor distancia, menor probabilidad de intercambio, a menor distancia, mayor probabilidad de recombinaci�n. Con estos trabajos de Muller se estableci� que los genes est�n alineados en los cromosomas y que la recombinaci�n es el m�todo de intercambio.
3) Distribuci�n an�mala de piezas de cromosomas. En algunas ocasiones
una pieza de un cromosoma se desprende y se agrega a otro cromosoma, es decir;
se transloca. El n�mero de genes no se altera, pero s� su distribuci�n.
Si la pieza que se ha translocado se inserta junto al cromosoma normal, se dice
que ha habido una duplicaci�n. Un individuo portador de una duplicaci�n tiene
los genes por triplicado, un gene en el cromosoma normal y dos en el cromosoma
donde se ha insertado la pieza translocada. Tambi�n puede ocurrir que este trozo
de cromosoma se pierda en las divisiones posteriores, entonces hablamos de una
deficiencia. Estos individuos s�lo tendr�n un juego de ciertos genes que se
localizan en el cromosoma normal. Obviamente estas distribuciones an�malas de
piezas de cromosomas alteran los resultados obtenidos por Mendel. Se ha observado
que si las translocaciones, duplicaciones y deficiencias son peque�as, los individuos
sobreviven, pero si �stas son grandes, por regla general son letales. Algunos
ejemplos de este tipo de distribuciones an�malas en el humano son el s�ndrome
de Down que es una duplicaci�n cromos�mica en el par 21 (el hombre tiene 23
pares de cromosomas), esta duplicaci�n puede ser de todo el cromosoma o de s�lo
un segmento de �ste. El s�ndrome de Turner es otro caso de deficiencia; ocurre
en las ni�as que nacen con un solo cromosoma X, cuando la dotaci�n
normal es XX. Estas ni�as se desarrollan casi normalmente hasta
la pubertad, momento en el cual dejan de producir los caracteres sexuales secundarios.
Despu�s del establecimiento de la teor�a cromos�mica de la herencia se estableci� la idea de que ciertos factores externos, como la radiaci�n, pueden producir efectos sobre los cromosomas sin lesionar al resto de la c�lula en forma permanente. A esta nueva rama de la gen�tica se le conoce como mutag�nesis. Recordemos que los trabajos de Mendel, y posteriormente los de Morgan, se basaban en la presencia de ciertas caracter�sticas a las cuales se les segu�a generaci�n tras generaci�n para averiguar c�mo se transmit�an. La escuela de Morgan ten�a que esperar a que aparecieran nuevas caracter�sticas o mutantes de manera natural para poder analizar su comportamiento; esta nueva caracter�stica ser�a estudiada a trav�s de la recombinaci�n. Ahora ser�a posible inducir las mutaciones a conveniencia y estudiar el gene individual y su estructura. Este trabajo de producci�n de mutaciones y caracterizaci�n de los genes lo desarroll� Muller; y como ya mencionamos anteriormente, por ello le fue otorgado el Premio Nobel.
Muller hizo posible romper, agrupar o afectar a los cromosomas de la mosca de la fruta, exponiendo a los individuos en diferentes estadios de desarrollo, a radiaciones controladas en intensidad y en tiempo. El efecto de la radiaci�n en los cromosomas y en los genes es heredado, de tal suerte que es posible seguir su pista de generaci�n en generaci�n.
Muller demostr� que el esperma tratado con altas dosis de rayos X induce la aparici�n de mutaciones gen�ticas en una alta frecuencia. Muller encontr� varios cientos de mutantes y tal vez un ciento de �stas fueron seguidas hasta por cuatro generaciones. Estas mutaciones eran estables en su herencia y se comportaban seg�n las leyes de Mendel. La naturaleza de las cruzas favoreci� la detecci�n de las mutaciones, ya que muchas de ellas se encontraban ligadas al sexo. El tipo de mutaciones producidas por Muller iban desde ojos blancos, alas miniatura, cerdas bifurcadas, etc�tera.
La mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, tiene cuatro pares de
cromosomas: I, II, III, y IV. El primero, o par sexual, es el cromosoma
X dos de los cuales los tiene la hembra (XX) y uno
el macho (XY). El segundo par son cromosomas doblados, el tercero
tambi�n pero son m�s largos que los del segundo par; y el cuarto son cromosomas
diminutos, redondos o ligeramente alargados. Estos cromosomas contienen un gran
n�mero de genes marcadores que no son m�s que genes conocidos por las
t�cnicas descritas anteriormente y que permiten seguir con cierta seguridad
los cambios o mutaciones ocurridas espont�neamente o por la acci�n de los rayos
X. Gracias a la capacidad de producir marcadores en los cromosomas de la mosca
se cre� un banco de mutantes de Drosophila, que era utilizado
en todos los laboratorios experimentales del mundo.
La contribuci�n m�s importante de Muller fue el lograr establecer que los genes tienen una existencia f�sica capaz de cambiar o alterarse (mutar) por agentes externos, y que su caracter�stica m�s importante es el que estas variaciones sean heredables. De esta forma qued� establecido que la forma en la cual aparece la variaci�n en la evoluci�n es a trav�s de mutaciones o cambios f�sicos en los genes. Al mismo tiempo estos estudios plantearon el interrogante de si las radiaciones son las causantes de las mutaciones naturales en el hombre. La respuesta de Muller fue negativa, habr�a que seguir investigando otras posibles causas que originaran mutaciones en los genes ya existentes y usar el m�todo de producci�n artificial que permitiera conocer m�s acerca de la naturaleza de los genes.
Hasta 1945 el gene era considerado como la unidad fundamental de la herencia, pero poco se sab�a acerca de c�mo funcionaba y cual era su estructura. Los genes s�lo pod�an identificarse por mutaciones que produjeran aberraciones fenot�picas, es decir; visibles. Estas aberraciones variaban desde alteraciones simples (color de los ojos), hasta cambios morfol�gicos dr�sticos (alas hendidas, alas cortas, etc.). Veamos ahora cu�l fue el aporte de la bioqu�mica a la gen�tica moderna.
A principios de siglo se llevaron a cabo muchos trabajos sobre los errores de nacimiento, como el albinismo, la alcaptonuria, (errores que se deben a la ausencia de ciertas enzimas) etc. y algunos trabajos sobre la pigmentaci�n en las plantas y los animales que permitieron comenzar un estudio sistem�tico que relacionara a los factores hereditarios o genes, con las enzimas.
Fue en 1908 que A.E. Garrod public� su libro Inborn Errors of Metabolism (Errores cong�nitos del metabolismo), en donde expon�a sus observaciones de los errores o defectos metab�licos, como aquellos trastornos de los procesos bioqu�micos en el hombre. Estudiando la orina y viendo cu�les eran las sustancias que un individuo anormal excretaba, Garrod logr� seguir la pista de los desechos metab�licos de una enfermedad llamada alcaptonuria, que se caracteriza porque en la orina de los enfermos se encuentran unas sustancias llamadas alcaptones, las cuales son detectadas f�cilmente pues son de color negro. Los infantes con esta enfermedad desde muy temprano ennegrecen el pa�al, posteriormente estos pigmentos negros se fijan en los cart�lagos, ennegreciendo las orejas. Garrod estudi� esta enfermedad en un paciente y encontr� que varios de sus familiares presentaban la misma enfermedad, de aqu� concluy� que era una enfermedad hereditaria. Garrod supuso que su car�cter hereditario se deb�a a errores gen�ticos en la producci�n de ciertas enzimas que deten�an una cadena metab�lica en alg�n punto espec�fico, impidiendo la degradaci�n normal de los compuestos org�nicos. Garrod no pudo ir m�s all� de este punto, pero estableci� los cimientos de la relaci�n entre la bioqu�mica y la gen�tica.
Para que estos estudios pudiesen tener �xito se necesit� de otro tipo de organismos, m�s peque�os, cuyas generaciones fueran m�s r�pidas y que su genoma fuese lo suficientemente peque�o para manipularlo. Tal fue el caso del Neurospora crassa, el hongo rosa que todos hemos visto arruinando las naranjas; de la Escherichia coli, una bacteria bastante cercana a nosotros pues vive inofensivamente en nuestro intestino; de la Saccharomyces cerevisiae, la levadura de la cerveza, y los virus (bacteri�fagos o fagos, para abreviar) que infectan bacterias.
Dos bioqu�micos, George W. Beadle y Edward L. Tatum establecieron en 1941 la relaci�n entre los genes y las enzimas trabajando con el hongo del pan Neurospora crassa. Las dos preguntas que trataron de resolver fueron �cu�les son los pasos metab�licos en la producci�n de las prote�nas? y por lo tanto, �cu�les son las alteraciones que impiden la formaci�n normal de �stas?
Sometiendo a radiaci�n a las esporas de Neurospora crassa produjeron mutantes que al ser analizados resultaron anormales. Esto es, aquellas cepas que no crecieran en un medio normal carec�an de alguna enzima que imped�a sintetizar el alimento. Si el producto com�n no pod�a obtenerse, entonces la ruta metab�lica normal estar�a siendo bloqueada en alg�n punto cr�tico.
Con estos estudios establecieron que los genes producen enzimas (prote�nas) que act�an directa o indirectamente en la cadena metab�lica en la s�ntesis de prote�nas en Neurospora. Cada paso metab�lico es catalizado por una enzima particular. Si se produce un error en la cadena de s�ntesis, la vitamina o enzima no se produce. �Qu� ocurre? Si existe una mutaci�n que afecta a un gene en la cadena de s�ntesis, �sta se bloquea y el resultado es la ausencia de la vitamina deseada. De esta suerte, Beadle y Tatum pudieron afirmar que las mutaciones en los genes producen su inactivaci�n o no funcionamiento, y por primera vez se relacion� la actividad bioqu�mica de un gene con su estructura molecular. Acu�aron la ya famosa frase un gene, una enzima, que se refiere al hecho de que se requiere la acci�n de un gene para producir una enzima. Actualmente se ha modificado este principio, pues se sabe que los genes tienen las instrucciones, codifican, para la formaci�n de polip�ptidos, es decir; de mol�culas m�s peque�as que forman a las prote�nas.
El a�o de 1941 hab�a marcado un progreso en el conocimiento de los cromosomas como base de la gen�tica gracias al florecimiento de la citolog�a. As�, se conoci� m�s acerca de la base fisicoqu�mica de los genes y su integridad como part�culas o unidades discretas. En esta d�cada, la mayor�a de los genetistas no aceptaban la idea de que los genes eran como cuentas de un collar. El gene hab�a sido definido mejor gracias a los estudios de Muller acerca de las mutaciones y de Beadle y Tatum acerca de la bioqu�mica del metabolismo.
Con el desarrollo de la microbiolog�a se inaugur� un campo nuevo de investigaci�n en donde la problem�tica era saber si los microorganismos, distintos de los ya conocidos, ten�an un aparato gen�tico particular o era semejante al de los organismos superiores como la mosca de la fruta y los ch�charos de Mendel.
Durante estos a�os fue notable la multiplicaci�n de las ideas, de los trabajos de investigaci�n y del personal que laboraba en el terreno de la biolog�a molecular; la medicina, la citolog�a y la bioqu�mica.
En 1943 Salvador Luria, f�sico italiano que huy� del fascismo y emigr� a Estados Unidos, trabaj� con bacterias y dise�� valiosos experimentos que demostraron que ellas mutan en la misma forma que los organismos superiores y que sus adaptaciones son el resultado de la evoluci�n. Por lo tanto, su aparato gen�tico, aunque peque�o, es semejante al de los dem�s organismos conocidos. El siguiente interrogante fue saber qu� era el material gen�tico y cu�l era su estructura.
Esta �ltima pregunta fue contestada por Seymour Benzer en la d�cada de los cincuenta y para hacerlo utiliz� al mutante rII del fago T4. La idea tradicional acerca de los genes era que �stos eran la unidad de funci�n, de mutaci�n y de recombinaci�n. Sin embargo, an�lisis m�s detallados demostraron que se pod�a dividir en tres unidades distintas. Para Benzer exist�a una estructura fina del material gen�tico en donde la unidad de mutaci�n, la de recombinaci�n y la de funci�n pod�an caracterizarse por separado.
De estos an�lisis Benzer introdujo el t�rmino de cistr�n para definir a las unidades gen�ticas funcionales, es decir; la unidad m�nima que contiene la informaci�n para la producci�n de una prote�na, mientras que las otras dos unidades, el mut�n (unidad de mutaci�n), y el rec�n (unidad de recombinaci�n) no necesariamente son equiparables a un gene.
Demostrada la estructura fina del gene y poniendo al mismo nivel al cistr�n y al gene mendeliano, quedaban por contestar las preguntas de qu� es el material gen�tico, de qu� elementos qu�micos est� compuesto y c�mo se duplica para ser transmitido de c�lulas madres a c�lulas hijas.
EL ADN: LA MOL�CULA DE LA HERENCIA
Curiosamente, el ADN, �cido desoxirribonucleico, fue descubierto en 1869 por el qu�mico suizo Friedrich Miescher. Este qu�mico us� la enzima llamada pepsina para digerir las prote�nas contenidas en el pus. Not� sin embargo, que exist�an algunos elementos que conten�an f�sforo que no lograban ser digeridos por la enzima. A principios del siglo XX, en 1914, Robert Fuelgen invent� una t�cnica nueva de tinci�n del ADN conocida como tinci�n de Fuelgen. Gracias a esta nueva t�cnica logr� visualizarse el material contenido en el n�cleo, y medir de una manera aproximada la cantidad de ADN presente, dependiendo de la intensidad del color. Esto llev� al descubrimiento de que todos los n�cleos de las c�lulas de un mismo individuo tienen la misma cantidad de ADN, a excepci�n de los gametos (�vulos o espermatozoides), cuya coloraci�n era aproximadamente la mitad de la intensidad m�s alta.
A pesar de esto, durante estos a�os no se pudo establecer con exactitud cu�l
era el material gen�tico. Se sabía de la existencia de los �cidos nucleicos
y de las prote�nas, pero no se hab�a logrado establecer cu�l de �stos era el
material hereditario. Parad�jicamente, de las investigaciones sobre el ADN
se descart� la posibilidad de que �ste fuera el material hereditario, pues su
composici�n era sencilla (est� formado por cuatro mol�culas b�sicas), comparada
con la composici�n de una prote�na (formada por 20 mol�culas b�sicas). Se pens�
que la determinaci�n de la vida deber�a estar contenida en mol�culas complejas,
y por lo tanto, el ADN era un mal candidato.
�Cu�l era el material hereditario? Fueron muchos los experimentos dise�ados y las hip�tesis propuestas para contestar esta pregunta. Mencionaremos s�lo aquellos que marcaron el camino para la dilucidaci�n de la estructura del ADN.
Gracias a las investigaciones con bacterias que realizaron C.T. Avery, C.M. Mc Leod y M.J. Mc Carty en 1944 se pudo comprobar que el �cido desoxirribonucleico o ADN es la mol�cula portadora de la informaci�n gen�tica, aunque en el caso de ciertos tipos de virus es otro �cido nucleico, el ARN (�cido ribonucleico).
Ya hacia 1920 se sab�a que el ADN conten�a cuatro bases nitrogenadas:
adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). En 1948 Erwin Chargaff
y Hotchings, al aplicar una t�cnica novedosa llamada cromatograf�a en papel,
la cual permit�a la separaci�n y estimaci�n cuantitativa de los constituyentes
del ADN, mostraron que estas cuatro bases no necesariamente se
encontraban en iguales proporciones dentro de la macromol�cula. Sin embargo,
haciendo un an�lisis entre el n�mero total de pirimidinas (G-C) y de las purinas
(A-T), Chargaff encontr� lo que se denomin� la regla de equivalencia, seg�n
la oval el n�mero total de unas era igual al de las otras, A=T y G=C.
Sin embargo, este descubrimiento no fue suficiente para dilucidar la estructura del ADN. Fue gracias a la aplicaci�n de la cristalograf�a de rayos X al estudio de las mol�culas biol�gicas se pudo extraer la estructura tridimensional del ADN.
Muchos intentos fueron hechos a partir de los estudios de W. T. Atsbury, quien fuera un pionero en el estudio de las prote�nas por medio del m�todo de la cristalograf�a de rayos X. Atsbury propuso en 1945, por ejemplo, que el ADN estaba constituido de una columna de nucle�tidos apilados en paralelo, uno encima del otro, situados cada 3.4 A* a lo largo del eje de la mol�cula. Estos resultados abrieron el camino para que tres grupos de investigadores retomaran el an�lisis del ADN con este m�todo y lograran despu�s de 1950 la dilucidaci�n de su estructura tridimensional.
El primer grupo, el de Linus Pauling y colaboradores, postul� una estructura de triple h�lice, sostenida por enlaces de hidr�geno.
El segundo grupo, el de Maurice Wilkins y Rosalind Franklyn, obtuvo, a trav�s de preparaciones de fibras de ADN, fotograf�as por difracci�n de rayos X que mostraban que la distancia entre los nucle�tidos predicha por Atsbury era correcta.
James D. Watson y Francis Crick, del tercer grupo, dedujeron el modelo de la
estructura tridimensional del ADN. Este modelo postulaba que el
ADN era un cadena de polinucle�tidos con una forma de h�lice regular
de doble cadena, con di�metro aproximado de 20 A*, la cual da una vuelta completa
cada 34 A*, existiendo 10 nucle�tidos por vuelta (ya que la distancia entre
ellos es de 3.4 A*). Las dos cadenas se enroscan hacia la derecha y son antiparalelas,
es decir; tienen direcciones opuestas. Los anillos de las purinas y las pirimidinas
se apilaban como planos perpendiculares al eje principal de la mol�cula; el
plano de la desoxirribosa forma el esqueleto de la cadena con su fosfato esterificado,
paralelo al eje principal y por lo tanto perpendicular al plano de los anillos
de las bases. Las bases se orientan hacia el interior de la cadena y en cada
residuo las dos cadenas polinucleot�dicas son mantenidas juntas por la formaci�n
de enlaces de hidr�geno entre una purina de una cadena y una pirimidina de la
otra (Figura 2).
Opuesta a cada adenina (A) de una cadena existe una timidina en la otra y esta misma relaci�n de complementariedad existe entre la citosina y la guanina. La consecuencia principal de esta complementaci�n entre las bases de ambas cadenas condujo a la resoluci�n de la duplicaci�n o replicaci�n del ADN. Si las dos cadenas eran complementarias, esto supon�a que la replicaci�n pod�a efectuarse si al separarse (por el rompimiento de los puentes de hidr�geno) las dos cadenas cada una sirviera de molde para formar su propia cadena complementaria (Figura 3).
Al terminarse la formaci�n de ambas cadenas complementarias tendr�amos dos
cadenas de ADN con la misma informaci�n y secuencia de bases que
la mol�cula materna.
Figura 3. Duplicaci�n de ADN. En (a) podemos observar la cadena
de ADN en una configuración helicoidal. En (b) la duplicaci�n
se inicia cuando la doble h�lice se abre en un punto formando dos horquillas
que se mueven en direcciones opuestas. En (c) cada cadena nueva es apareada
de acuerdo con el patr�n de las bases presentes; la uni�n de los nucle�tidos
sólo ocurre en direcci�n 5' a 3'. En (d) apreciamos las dos cadenas reci�n
formadas en su configuraci�n usual de doble h�lice. Las dos mol�culas producidas
de ADN son id�nticas, pero la duplicaci�n ha sido semiconservativa,
es decir, cada cadena tiene una de las hebras originales.
Para Watson y Crick, este modelo de la doble h�lice representaba algunos avances para el entendimiento de la replicaci�n del ADN: una de las principales funciones del material gen�tico. Gracias a estos trabajos, Watson, Crick y Wilkins recibieron el Premio Nobel en 1962, y en algunas ocasiones, para referirse al modelo de la doble h�lice, una cadena es llamada Watson y la opuesta Crick.
Una vez que se propuso el modelo de la doble h�lice hab�a que encontrar c�mo se traduce la informaci�n contenida en ella a prote�nas. Este gran descubrimiento lo hizo el mismo Francis Crick y sus colaboradores en 1961 trabajando con la regi�n rII del bacteri�fago T4. El resultado de estos trabajos designado como el c�digo gen�tico que indica la forma en la que es traducido el alfabeto del ADN (formado por la combinaci�n de cuatro bases) al alfabeto de las prote�nas (formado por la combinaci�n de 20 amino�cidos).
Desde que fueron hechos estos descubrimientos se han desarrollado nuevas t�cnicas
y se han propuesto hip�tesis cada vez m�s ambiciosas para conocer, dilucidar
y manipular el ADN de los diferentes organismos. Se ha logrado
conocer m�s de cerca cu�l es la estructura de un gene, cu�nto mide en t�rminos
de pares de bases, c�mo se lleva a cabo la síntesis de prote�nas y se
empieza a entender algo acerca de la regulaci�n g�nica. En lo que respecta a
la manipulaci�n del ADN, la llamada ingenier�a gen�tica trata de
construir organismos que sean de utilidad para el hombre, y para tal efecto
ha insertado ciertos genes dentro de peque�os organismos como las bacterias
o los virus para fabricar enzimas o vacunas de importancia m�dica para el hombre.
