Capítulo 10: Naturaleza de los genes y el genoma

El concepto de gen ha sufrido una notable evolución a medida que los biólogos han aprendido más acerca de la naturaleza de la herencia. Los estudios iniciales revelaron que los genes son factores individuales, retenidos a través de la vida de un organismo y que pasan a su progenie. Después de estos hallazgos se puso en evidencia, en la segunda mitad del siglo pasado, que estos factores hereditarios residían en los cromosomas y estaban formados por ácido desoxirribonucleico (DNA, deoxyribonucleic acid), una macromolécula con propiedades extraordinarias. En la figura 10.1 se presenta un panorama amplio de algunos de los primeros acontecimientos fundamentales que ocurrieron a lo largo de este singular viaje de descubrimientos, coronado por la descripción de la estructura helicoidal doble del DNA en 1953. En los decenios que siguieron a este punto de inflexión, una rama importante de la biología molecular comenzó a concentrarse en el genoma, que es el cuerpo colectivo de información genética presente en una especie. Un genoma contiene todos los genes necesarios para “construir” un organismo específico. Durante la última década, la colaboración de muchos laboratorios en todo el mundo ha permitido descubrir las secuencias de nucleótidos completas de muchos genomas distintos, incluidos el del humano y el del chimpancé, el pariente vivo más cercano del hombre. Por primera vez en la historia de la humanidad se dispone de los medios para reconstruir la trayectoria genética de la evolución del hombre, comparando regiones correspondientes del genoma de organismos afines. Es posible descubrir cuáles regiones del genoma del ser humano han sido duplicadas y cuáles se han perdido desde que éste se separó de un ancestro común. Asimismo, puede observarse qué nucleótidos específicos de un gen o de una región reguladora han sufrido cambios y cuáles han permanecido constantes. Lo que es más importante, es posible inferir cuáles partes del genoma del hombre se han visto sujetas a la selección natural y cuáles son producto del azar en el transcurso del tiempo. También ha comenzado a utilizarse esta información para descubrir más acerca de la historia del humano como especie: cuándo y de dónde surgió, de qué manera se relacionan los hombres entre sí y cómo éstos llegaron a ocupar las regiones de la Tierra que habitan.

Como ciencia, la genética apareció alrededor del año 1860 con el trabajo de Gregor Mendel, un fraile del monasterio de St. Thomas localizado hoy en día en la República Checa. Su laboratorio fue un pequeño jardín del monasterio. No se sabe con exactitud cuál fue el motivo de Mendel para comenzar sus estudios, pero es evidente que tenía en mente un plan experimental claro: su objetivo era aparear, o cruzar, plantas de guisantes con distintas características heredables e identificar el patrón con el que éstas se transmitían a la descendencia. Mendel seleccionó al guisante de jardín por diferentes razones prácticas, pero sobre todo porque podía obtener una gran variedad de semillas que germinarían plantas con rasgos distintos. Decidió enfocarse en siete caracteres o rasgos muy definibles, como la altura de la planta y el color de sus flores, estos últimos presentes en dos formas alternativas reconocibles con claridad (cuadro 10.1). Después de varios años de cuidadosos estudios, en los cuales cultivó y cruzó sus plantas durante varias generaciones y contó el número de individuos que mostraban diferentes características, Mendel llegó a las siguientes conclusiones, que se describen con la terminología genética actual:

1. Las características de las plantas dependían de factores (o unidades) de herencia, que más tarde llamó genes. Cada planta poseía dos copias del gen que controla el desarrollo de cada rasgo, una derivada de cada progenitor. Los dos genes podían ser idénticos o no. Más tarde, estas dos formas alternativas de genes se conocieron como alelos. En cada uno de los siete rasgos estudiados, uno de los dos alelos era dominante con respecto al otro. Si ambos aparecían juntos en la misma planta, el alelo dominante enmascaraba la existencia del recesivo.

2. Cada célula germinativa (o gameto) generada por una planta sólo tenía una copia del gen correspondiente a cada característica. Un gameto en particular contenía el alelo recesivo o dominante para cada uno de los rasgos determinantes, pero no los dos alelos. Cada planta se originaba por la unión de un gameto masculino con uno femenino. Por consiguiente, de los alelos que determinan cada rasgo en una planta, uno se heredaba del progenitor femenino y el otro del masculino.

3. En cada planta los dos alelos que controlaban un rasgo permanecían unidos durante toda la vida, pero se separaban (o segregaban) durante la formación de los gametos. Esta referencia es la base de la “ley de la segregación” de Mendel.

4. La separación de los dos alelos correspondientes de un rasgo no tenía efecto sobre la separación de los alelos de otro rasgo, es decir, que eran independientes. Por ejemplo, un gameto específico podía recibir un gen paterno que controlaba el color de la semilla y un gen materno que regulaba la forma de dicha semilla. Este hallazgo sustentó la “ley de la permutación independiente” de Mendel.

Este científico presentó los resultados de la investigación de su trabajo a los miembros de la Natural History Society de Brünn, Austria; las actas de sus sesiones no registran comentario alguno de esta presentación. Mendel publicó sus experimentos en la revista de dicha entidad en 1866, pero no suscitaron ningún interés sino hasta el año 1900, 16 años después de su muerte. En ese año, tres botánicos europeos llegaron a las mismas conclusiones de manera independiente y los tres descubrieron las publicaciones de Mendel olvidadas durante 35 años en los armarios de muchas bibliotecas de toda Europa.

Aunque Mendel suministró datos convincentes de que factores independientes, o genes, controlaban los rasgos hereditarios, en sus estudios no se preocupó en absoluto de la naturaleza física de estos elementos o su localización dentro del organismo. Durante el tiempo transcurrido entre el trabajo de Mendel y su descubrimiento, algunos biólogos se ocuparon de las bases físicas de la herencia dentro de la célula.

Descubrimiento de los cromosomas

Alrededor del año 1880, diferentes biólogos europeos observaban con atención la actividad de las estructuras celulares recién evidenciadas con los microscopios ópticos, que mejoraban con rapidez. Estos científicos no conocían el trabajo de Mendel, pero concluyeron que cualquier factor que gobernara las características heredadas debía pasar de una célula a la otra y de una generación a la siguiente. Esta inferencia, por sí misma, es fundamental; toda la información genética necesaria para generar y conservar una planta o animal complejo debe estar por completo dentro de una sola célula. Las observaciones efectuadas sobre células en división que llevó a cabo el biólogo alemán Walther Flemming en los primeros años de la década de 1880, revelaron que los elementos del contenido citoplásmico se distribuyen al azar en alguna de las células hijas, lo que dependía sólo del plano a través del cual pasara el surco que divide a la célula. Por el contrario, había al parecer notoria tendencia a que el contenido del núcleo se dividiera por igual entre las dos células hijas. Durante la división celular, el material del núcleo se organizaba en “filamentos” visibles, que se denominaron cromosomas, término que significa “corpúsculos coloreados”.

Cerca de este periodo se observó el proceso de fecundación y se describió el papel de los dos gametos (espermatozoide y óvulo) (fig. 10.2). Aunque el espermatozoide es una célula diminuta, se sabe que tiene igual importancia genética que el óvulo, de tamaño mucho mayor. ¿Qué tienen en común estas dos células tan diferentes? El núcleo y sus cromosomas son las características más distinguibles. La importancia de los cromosomas aportados por el elemento masculino se manifestó en el estudio que efectuó el biólogo alemán Theodore Boveri en huevos de erizo de mar, fecundados con dos espermatozoides en vez de uno, como sucede en condiciones normales. Esta situación, conocida como polispermia, se caracteriza por alteración de la división celular y la muerte temprana del embrión. ¿Por qué la presencia de un núcleo de espermatozoide adicional tan pequeño dentro del ovocito, que es mucho más grande, tiene tan evidentes consecuencias? El segundo espermatozoide dona un grupo adicional de cromosomas y otro centríolo (pág. 339). Estos componentes redundantes propician una división celular anormal en el embrión, durante la cual las células hijas reciben diferentes números de cromosomas. Boveri concluyó que el proceso ordenado del desarrollo normal es “dependiente de una combinación particular de cromosomas y esto sólo puede significar que los cromosomas individuales deben poseer diferentes cualidades”. Ésta fue la primera evidencia de una diferenciación cualitativa entre los cromosomas.

Los sucesos que tienen lugar después de la fecundación se observaron con más detalle en el gusano redondo Ascaris, cuyos escasos cromosomas son grandes y se podían observar con la misma facilidad en el siglo xix que ahora en los laboratorios para estudiantes de biología. En 1883, el biólogo belga Edouard van Beneden observó que las células del cuerpo del gusano poseían cuatro cromosomas grandes, pero los núcleos masculino y femenino presentes en el huevo justo después de la fecundación (antes de la fusión de los dos núcleos) sólo poseían dos cromosomas cada uno (fig. 10.2). Alrededor de esos años se describió el proceso de la meiosis y en 1887 el biólogo alemán August Weismann propuso que la meiosis incluía una “división reductora” durante la cual el número de cromosomas disminuía a la mitad después de la formación de los gametos. Si la división reductora no ocurría, y cada gameto contenía el mismo número de cromosomas, como una célula adulta, entonces la unión de los dos gametos debería doblar la cantidad de cromosomas en las células de la progenie. El número de cromosomas debería duplicarse con cada nueva generación, lo cual, desde luego, no puede suceder.¹

Cromosomas como portadores de la información genética

El redescubrimiento del trabajo de Mendel y su confirmación tuvieron una inmediata influencia en la investigación de la biología celular. Cualquiera que fuera su naturaleza física, los portadores de las unidades de herencia tenían que correlacionarse de manera coherente con los principios mendelianos. En 1903, Walter Sutton, graduado de la Columbia University, publicó un artículo en el que destacó de manera directa a los cromosomas como portadores físicos de los factores genéticos de Mendel. Sutton observó la formación de espermatozoides en saltamontes que, al igual que en Ascaris, tienen cromosomas grandes y de fácil observación. En las células germinales de la gónada masculina ocurren dos tipos de divisiones: la mitótica, mediante la cual las espermatogonias producen más espermatogonias, y la meiótica, durante la que la espermatogonia genera espermatozoides (fig. 14.41). Durante la observación de los estados de mitosis de los espermatozoides de saltamontes, Sutton cuantificó 23 cromosomas. El examen minucioso de la forma y el tamaño de los 23 cromosomas sugirió que se presentaban en pares “al parecer idénticos”. Se distinguieron 11 pares junto con un cromosoma adicional, llamado accesorio (después se demostró que se trataba del cromosoma X determinante del sexo), que no tenía pareja. Sutton comprobó que la presencia de pares de cromosomas, o cromosomas homólogos, como pronto se les denominó, se correlacionaba perfectamente con los pares de factores hereditarios descubiertos por Mendel.

Cuando Sutton examinó los cromosomas en las células, justo al inicio de la meiosis, encontró que los miembros de cada par de cromosomas se vinculaban uno con otro y formaban un complejo bivalente. Se reconocieron 11 de estas estructuras, cada una con una línea de relación transversa, en la que los dos cromosomas homólogos estaban unidos (fig. 10.3). La primera división meiótica aseguraba la separación de los dos cromosomas homólogos dentro de células diferenciadas. Ésta fue la división reductora que había propuesto 15 años antes Weismann en sus trabajos teóricos. De nueva cuenta, se trataba de la base física de la propuesta de Mendel acerca de la existencia de parejas de factores hereditarios que permanecen unidos durante toda la vida de un individuo, pero que se separan durante la formación de los gametos. La división reductora observada por Sutton explicó algunos otros hallazgos de Mendel: los gametos sólo contienen una versión de cada gen (alelo); el número de alelos que poseen ambos gametos es igual; y los dos gametos que se unen durante la fecundación producen un individuo con dos alelos para cada rasgo. Empero, aún persistían muchas interrogantes sin respuesta. Por ejemplo, ¿cómo se organizan los genes en los cromosomas? y ¿podría determinarse el sitio donde se localizan los genes específicos?

Cromosomas como grupos ligados

Con la misma claridad que percibió la relación entre la función de los cromosomas y los resultados de Mendel en las plantas de guisantes, Sutton halló también un problema fascinante. Mendel observó la transmisión de siete rasgos y encontró que cada uno se heredaba de forma independiente respecto de los otros. Esta fue la base de la ley de la permutación independiente de Mendel. Sin embargo, si los genes permanecían unidos dentro de los cromosomas, al igual que las cuentas de un rosario, entonces un progenitor debía pasar grupos de genes a su descendencia, justo como los cromosomas intactos se pasan a la siguiente generación. Los genes en un mismo cromosoma debían actuar como si estuvieran ligados entre sí, es decir, formar parte de un mismo grupo ligado.

¿De qué manera los siete rasgos de Mendel se permutaron de modo independiente?, ¿se encontraban todos en diferentes grupos, es decir, en diferentes cromosomas? Si ese fuera el caso, el guisante de jardín debía poseer siete pares diferentes de cromosomas homólogos. Los genes que controlan cada rasgo estudiado por Mendel pueden identificarse en cromosomas diferentes o estar separados en el mismo cromosoma y actuar de manera independiente (pág. 391). La predicción de Sutton acerca de grupos ligados pasó pronto de una mera conjetura a un hecho. En apenas dos años se demostró en los guisantes dulces que dos rasgos (el color de las flores y la forma del polen) estaban ligados y en poco tiempo se acumularon otros datos de la vinculación cromosómica.

Análisis genético en Drosophila

Con rapidez la investigación en genética se enfocó en un organismo particular, la mosca de la fruta, Drosophila (fig. 10.4). Dicha mosca tiene un tiempo de desarrollo (desde el huevo hasta formar un adulto sexualmente maduro) de unos 10 días y puede producir más de 1 000 huevecillos en toda su vida. Además de ser un animal muy pequeño, de modo que es posible manejar un gran número, es fácil de hospedar y criar, además de que su mantenimiento es muy barato. En 1909 Thomas Hunt Morgan, de la Columbia University, lo consideró el organismo perfecto e inició lo que después fue el principio de una nueva era en la investigación genética. Cuando comenzó a trabajar con este insecto tuvo una gran desventaja: sólo disponía de una “cepa” de la mosca, la de tipo silvestre. Mendel tuvo tan sólo que comparar algunas variedades de semillas de guisante, pero Morgan debió generar sus propias variedades de mosca de la fruta. Esperaba que de éstas pudieran surgir variantes del tipo silvestre si criaba moscas en suficiente cantidad. Antes de un año, después de criar miles de moscas, logró su primer mutante, es decir, un individuo con una característica hereditaria que lo diferenciaba del tipo silvestre. El mutante tenía ojos blancos en lugar de los ojos rojos habituales (fig. 10.4).

Para el año 1915, Morgan y sus estudiantes habían encontrado 85 diferentes mutantes con una amplia variedad de estructuras afectadas. Al parecer, en algunas ocasiones muy raras ocurría un cambio espontáneo, o mutación, dentro de un gen, que se alteraba de manera permanente y podía transmitirse de una generación a la siguiente. Demostrar que una alteración espontánea en un gen se heredaba tuvo consecuencias que trascendieron mucho más allá que el estudio de la genética de Drosophila. Esto sugería un mecanismo para el origen de la variación que existe dentro de las poblaciones, lo cual fue una evidencia de una relación directa con la teoría de la evolución. Si las variantes de los genes podían aparecer de manera espontánea, entonces poblaciones aisladas podrían ser diferentes entre sí en términos genéticos y al final dar lugar a nuevas especies.

Las mutaciones son un suceso necesario para la evolución, pero también son una herramienta para los genetistas, porque proporcionan puntos de comparación con el estado silvestre. Conforme se aislaron los mutantes de Drosophila, éstos se criaron, cruzaron y mantuvieron en reserva en el laboratorio. Tal y como se esperaba, las 85 mutaciones no se organizaron de manera independiente; en cambio, Morgan encontró que pertenecían a cuatro diferentes grupos ligados, uno con muy pocos genes mutantes (sólo dos en 1915). Este hallazgo se relaciona de manera directa con la observación de que las células de Drosophila poseen cuatro pares de cromosomas homólogos, uno de los cuales es muy pequeño (fig. 10.5). Pocas dudas persistieron acerca de que los genes residían en los cromosomas.

Entrecruzamiento y recombinación

Aunque se confirmó la vinculación de genes entre grupos ligados, la relación entre alelos sobre el mismo cromosoma era incompleta. En otras palabras, alelos de dos genes diferentes (como los que codifican las alas cortas y el cuerpo oscuro [como en la figura 10.7]), que estuvieron en principio presentes o se hallaban juntos en un cromosoma, no siempre permanecieron unidos durante la producción de gametos. Las características maternas y las paternas heredadas por un individuo en cromosomas homólogos separados pueden mezclarse y terminar en el mismo cromosoma de un gameto. Por el contrario, dos características que se heredaron juntas en el mismo cromosoma podían separarse la una de la otra y colocarse al final en gametos separados.

En 1911, Morgan formuló una explicación para la “rotura” del ligamiento. Dos años antes, F. A. Janssens observó que cromosomas homólogos de los bivalentes se entrelazaban en la etapa temprana de la meiosis (fig. 10.6). Janssens había propuesto que esta interacción entre cromosomas maternos y paternos resultaba en la separación y el intercambio de piezas del cromosoma. Con base en esta proposición, Morgan sugirió que este fenómeno, que denominó entrecruzamiento (o recombinación genética), podría explicar la aparición de descendientes (recombinantes) con combinaciones inesperadas de características genéticas. Un ejemplo de entrecruzamiento se muestra en la figura 10.7.

Los análisis de la descendencia de un gran número de cruzas entre adultos que portan una variedad de alelos en el mismo cromosoma indicaron que: (1) el porcentaje de recombinaciones entre un par determinado de genes presentes en un cromosoma como los que regulan el color de los ojos o la longitud de las alas, era en esencia constante entre un experimento y otro, y (2) los porcentajes de recombinación entre diferentes pares de genes, por ejemplo entre el color de los ojos con la longitud de las alas en comparación con el color de los ojos y el color del cuerpo, podían ser muy diferentes.

El hecho de que un par de genes tuviera la misma frecuencia de recombinación en cada cruza, sugería que las posiciones de los genes a lo largo del cromosoma (locus) estaban fijas y no variaban entre una mosca y otra. Si el locus de cada gen está fijo, entonces la frecuencia de recombinación entre dos genes provee una medida de la distancia que los separa. Cuanto mayor sea el espacio disponible entre dos sitios del cromosoma, más probable es que ocurra una rotura entre esos dos sitios y mayor será la frecuencia de recombinación. En 1911 Alfred Sturtevant, un graduado de la Columbia University, que trabajó en el laboratorio de Morgan, concibió la idea de que las frecuencias de recombinación podían utilizarse para mapear las posiciones relativas de genes individuales a lo largo de un cromosoma específico. Un ejemplo de los principios que operan en este procedimiento de mapeo se ilustra en la figura 10.7. En este modelo, los genes de la longitud del ala y del color del cuerpo de Drosophila están situados a una distancia considerable el uno del otro en el cromosoma y, por lo tanto, es probable que se desliguen por un punto de rotura y entrecruzamiento. En cambio, los genes para el color de ojos y el color del cuerpo están muy cerca el uno del otro en el cromosoma y, en consecuencia, es menos probable que se desliguen. A partir de las frecuencias de recombinación, Sturtevant (que llegó a ser uno de los genetistas más prominentes del siglo) comenzó a construir un mapa detallado del orden serial de los genes de los cuatro cromosomas de la mosca de la fruta. Desde entonces se emplean las frecuencias de recombinación para elaborar mapas cromosómicos de diferentes organismos, desde virus y bacterias hasta una gran variedad de organismos eucariotas.

Mutagénesis y cromosomas gigantes

En la primera etapa de la genética, la búsqueda de mutantes era un procedimiento lento y tedioso dependiente de la aparición espontánea de genes alterados. Tras emplear una cepa especial de mosca de la fruta diseñada para revelar la presencia de alelos recesivos, H. J. Muller, de la Indiana University, observó en 1927 que las moscas sometidas a una dosis subletal de rayos X mostraban una frecuencia 100 veces mayor de mutación espontánea que los testigos. Este dato tuvo consecuencias notables. En la práctica, el uso de agentes mutágenos (como los rayos X y la radiación ultravioleta) aumentó de manera considerable el número de mutantes disponibles para la investigación en genética. Este hallazgo también puntualizó el peligro de incrementar el uso de la radiación en los campos de la industria y la medicina. En la actualidad, las mutaciones en Drosophila aparecen más a menudo por la adición de mutágenos químicos (etilmetanosulfonato) al alimento.

El redescubrimiento de los cromosomas gigantes de ciertas células de insectos, que efectuó en 1933 Theophilus Painter de la University of Texas, ilustra una propiedad básica de los sistemas biológicos. Existe una notoria variación entre los organismos, no sólo en niveles macroscópicos obvios, sino también en niveles celulares y subcelulares (a menudo un tipo particular de célula puede ser mucho más adecuado para cierto tipo de investigación en comparación con todos los demás). Las células de la glándula salival de la larva de Drosophila contienen cromosomas casi 100 veces más gruesos que los observados en la mayor parte de otras células del organismo (fig. 10.8a). Durante el desarrollo de la larva, estas células dejan de dividirse, pero mantienen su crecimiento. La replicación del DNA continúa y provee el material genético adicional necesario para conservar los altos niveles de actividad secretora de estas células gigantes. Las cadenas (o hebras) de DNA duplicado permanecen unidas en un ordenamiento perfecto lado con lado (recuadro de la figura 10.8a) y crean un cromosoma gigante, con hasta 1 024 veces el número de cadenas de DNA de los cromosomas normales.

Estos cromosomas raros, llamados cromosomas politénicos, tienen detalles visuales abundantes y en ellos se reconocen alrededor de 5 000 bandas cuando se tiñen y examinan con el microscopio. El patrón de bandeo es en esencia constante entre individuos, pero se observan diferencias considerables en los cromosomas de moscas de diferentes especies del género de Drosophila. Painter pronto advirtió que ciertas bandas individuales podían correlacionarse con genes específicos. La posición relativa de los genes sobre los cromosomas gigantes concuerda con la posición pronosticada en mapas genéticos generados a partir de la frecuencia de recombinación, lo que confirma de manera morfológica la validez de todo el procedimiento de mapeo cromosómico.

Los cromosomas gigantes de los insectos también son útiles de otras formas. La comparación de los patrones de bandas de cromosomas politénicos de diferentes especies ha proporcionado una oportunidad sin igual para investigar cambios evolutivos en el nivel cromosómico. Además, estos cromosomas no son objetos celulares inertes, sino más bien estructuras dinámicas en las cuales regiones definidas se “expanden” durante etapas particulares del desarrollo (fig. 10.8b). Estas expansiones cromosómicas son sitios en los que el DNA se transcribe en un nivel muy alto, lo cual representa uno de los mejores sistemas disponibles para la visualización directa de la expresión de genes.

Los genetistas clásicos descubrieron las reglas que gobiernan la transmisión de las características genéticas y la relación que hay entre genes y cromosomas. En su discurso de aceptación del Premio Nobel en 1934, T.H. Morgan señaló: “En el nivel en que se encuentran los experimentos de genética, no representa diferencia alguna si el gen es una unidad hipotética o una partícula material”. Sin embargo, para el decenio de 1940 se consideraba un nuevo conjunto de preguntas, siendo la principal: “¿Cuál es la naturaleza química de los genes?” Los experimentos que responden esta interrogante se esbozan en la sección “Vías experimentales” al final de este capítulo. Una vez que fue evidente que los genes estaban formados por DNA, los biólogos se enfrentaron con una multitud de nuevas preguntas. De éstas se ocupa el resto del presente capítulo.

Estructura del DNA

Para entender la actividad de una macromolécula compleja (sea una proteína, un polisacárido, un lípido o un ácido nucleico), es esencial conocer la forma en que ésta se integra. En el misterio de la estructura del DNA se concentró un gran número de laboratorios de Estados Unidos e Inglaterra a principios de 1950; al final, la incógnita la despejaron James Watson y Francis Crick, de la Cambridge University, en 1953. Antes de describir su propuesta de la estructura del DNA hay que considerar los hechos que estaban disponibles en esos años.

Composición de bases

Se sabía que la unidad básica para construir DNA era un nucleótido (fig. 10.9a,b), formado por un azúcar de cinco carbonos conocido como desoxirribosa, al cual se fijaba un fosfato esterificado en la posición 5′ y una base nitrogenada en el carbono 1′.² Existen dos tipos de bases nitrogenadas presentes en un ácido nucleico: las pirimidinas, que contienen un solo anillo, y las purinas, las cuales poseen dos anillos (fig. 10.9c). El DNA contiene dos diferentes pirimidinas, la timina (T) y la citosina (C), además de dos distintas purinas, guanina (G) y adenina (A). Los nucleótidos están unidos entre sí de forma covalente para formar un polímero lineal, o cadena, con un esqueleto compuesto de azúcares que se alternan con grupos fosfato, unidos por enlaces 3′-5′-fosfodiéster (fig. 10.9c). Se presuponía que las bases unidas a cada azúcar se proyectaban desde el esqueleto y semejaban una columna de estructuras apiladas.

Un nucleótido tiene una estructura polarizada: un extremo 5′ (“extremo cinco prima”), donde se localiza el fosfato, y un extremo 3′ (fig. 10.9b). Puesto que todos los nucleótidos apilados de la cadena se dirigen hacia el mismo lado, toda la cadena tiene una dirección. Un punto terminal de la cadena es el extremo 3′ y el otro es el extremo 5′ (fig. 10.9c). Los análisis de difracción de rayos X indicaban que la distancia entre los nucleótidos apilados era de unos 3.4 Å (0.34 nm) y sugerían la presencia de una repetición estructural grande cada 3.4 nm.

Como se describe en la página 421, se pensó durante muchos años que el DNA poseía una estructura simple de repeticiones de tetranucleótidos (p. ej., —ATGCATGCATGC—), lo cual impidió que se le considerara como una macromolécula portadora de información. En 1950, Erwin Chargaff, de la Columbia University, notificó un notable hallazgo que eliminó por fin la teoría del tetranucleótido y proporcionó información de importancia vital acerca de la estructura del DNA. Chargaff, creyendo que la secuencia de nucleótidos del DNA era la clave de su importancia, determinó la cantidad relativa de cada base en diversas muestras de DNA, es decir, la composición de bases de las muestras. Este análisis se llevó a cabo mediante la hidrólisis de las bases fijas de los azúcares. Después, éstas se aislaron del hidrolizado mediante cromatografía en papel y se cuantificó la cantidad de material en cada uno de los cuatro puntos hacia los que migraron las cuatro bases.

Si la teoría del tetranucleótido era correcta, la cantidad de cada base en un DNA debía ser casi 25% del total. Chargaff encontró que la relación de las cuatro bases fue muy distinta entre organismos diferentes y a menudo se apartaba en grado notable de la relación 1:1:1:1 que predecía la teoría del tetranucleótido. Por ejemplo, la relación A:G del DNA de un bacilo de tuberculosis era 0.4, mientras que la misma proporción en el DNA humano era 1.56. No había diferencia en que tejido vegetal o animal se utilizara como fuente de DNA; la composición de bases permanecía constante para cada especie. Entre esta gran variedad de composición de bases del DNA de diferentes especies, se descubrió una importante relación numérica. En una muestra determinada de DNA, el número de purinas siempre era igual al número de pirimidinas. De manera más específica, el número de adeninas siempre era igual al de timinas y la cantidad de guaninas siempre era igual a la de citosinas. En otras palabras, Chargaff descubrió las siguientes reglas en la composición de bases del DNA:

[A] = [T], [G] = [C], [A] + [T] ≠ [G] + [C]

Los hallazgos de Chargaff arrojaron nueva información sobre la molécula de DNA y le confirieron especificidad e individualidad de un organismo a otro. Sin embargo, la significancia de las equivalencias de bases todavía no era muy clara.

Propuesta de Watson y Crick

Cuando se analizó la estructura de las proteínas en el capítulo 2, se subrayó la importancia de las estructuras secundaria y terciaria como determinantes de la actividad de las proteínas. De manera semejante, la información acerca de la organización tridimensional de la molécula de DNA fue necesaria para entender su actividad biológica. Tras utilizar los datos de difracción de rayos X (obtenidos por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins en el King’s College de Londres) y tomar en cuenta la construcción de modelos aceptables a partir de las estructuras de los cuatro tipos de nucleótidos, Watson y Crick propusieron un modelo de la estructura del DNA que incluyó los siguientes elementos (fig. 10.10):

1. La molécula está formada por dos cadenas de nucleótidos. A esta propuesta le siguió casi de inmediato otra errónea de Linus Pauling, que sugirió que el DNA se componía de tres cadenas de nucleótidos.

2. Las dos cadenas se enrollan en espiral una alrededor de la otra, formando un par de hélices dextrógiras. En una hélice dextrógira, un observador que mire el eje central de la molécula verá que cada cadena sigue una trayectoria en el sentido de las manecillas del reloj a medida que se aleja del observador. La naturaleza helicoidal del DNA quedó de manifiesto por un patrón de puntos generado en la imagen de difracción de rayos X de Franklin (como se muestra en la página 386), el cual se le mostró a Watson durante su visita al King’s College.

3. Las dos cadenas que forman la doble hélice discurren en dirección opuesta, es decir, son antiparalelas. Esto significa que si una cadena está alineada en la dirección 5′ → 3′, la cadena complementaria debe correr en dirección 3′ → 5′.

4. El esqueleto de azúcar-fosfato-azúcar-fosfato se localiza en el exterior de la molécula con dos grupos de bases que se proyectan hacia el centro. Los grupos fosfato confieren a la molécula una gran carga negativa.

5. Las bases ocupan planos más o menos perpendiculares al eje longitudinal de la molécula y por lo tanto se colocan una sobre otra como platos apilados. Las interacciones hidrófobas y las fuerzas de van der Waals (pág. 36) entre las bases planas apiladas suministran estabilidad a la molécula del DNA. Las vueltas helicoidales y los pares de bases planos en conjunto hacen que la molécula se asemeje a una escalera de caracol. Esta construcción es evidente en la fotografía que aparece al principio de este capítulo, que muestra el modelo original de Watson y Crick.

6. Las dos cadenas se conservan unidas mediante puentes de hidrógeno formados entre las bases. Un puente de hidrógeno, por sí solo, es débil y fácil de romper, lo que posibilita la separación de las cadenas de DNA durante ciertas funciones. Al mismo tiempo, la fuerza de los puentes de hidrógeno es aditiva, de modo que un gran número de ellos mantiene las cadenas juntas y hace de la doble hélice una estructura estable.

7. La distancia que hay entre un átomo de fósforo del esqueleto y el centro del eje es de 1 nm (en consecuencia, el ancho de la doble hélice es de 2 nm).

8. Una pirimidina en una cadena está siempre pareada con una purina en la cadena complementaria. Este ordenamiento produce una molécula que es de 2 nm de ancho a lo largo de toda su estructura.

9. Los átomos de nitrógeno unidos al cuarto carbono de la citosina y al sexto de la adenina se encuentran de manera predominante en la configuración amino (NH₂) (fig. 10.9c) y no la forma imino (NH). De manera similar, los átomos de oxígeno unidos a los carbonos sexto de la guanina y cuarto de la timina por lo general están en configuración ceto (C=O) en vez de en forma de enol (C—OH). Estas restricciones estructurales de la configuración de las bases sugieren que la única purina capaz de unirse a la timina desde el punto de vista estructural es la adenina, y que la guanina es la única purina que puede enlazarse a la citosina. Por lo tanto, los únicos pares posibles eran A-T y G-C (fig. 10.10c). Esto ajusta a la perfección con el análisis de composición de bases realizado por Chargaff, cuyos resultados fueron comunicados a Watson y Crick durante una reunión de los tres científicos en Cambridge, en 1952. Como los pares de bases A-T y G-C tienen la misma geometría (fig. 10.10c), no hay restricciones acerca de la secuencia de bases; una molécula de DNA puede tener cualquiera de una variedad ilimitada de secuencias de nucleótidos.

10. Los espacios entre los giros que forman la hélice crean dos surcos de diferente amplitud (un surco más amplio llamado surco mayor y uno más estrecho denominado surco menor), que rodean en espiral la superficie externa de la doble hélice. Las proteínas que se unen al DNA ocupan a menudo sus surcos. En muchos casos, una proteína unida a un surco es capaz de leer la secuencia de nucleótidos a lo largo del DNA sin tener que separarse de las cadenas.

11. La doble hélice da una vuelta completa cada 10 residuos de nucleótido (3.4 nm) o 150 vueltas por cada millón de daltones de masa molecular.

12. Debido a que una A en una cadena está siempre unida a una T en la otra cadena, y una G a una C, la secuencia de nucleótidos de las dos cadenas siempre es fija en relación con la otra. Por esta relación, se dice que las dos cadenas de la doble hélice son complementarias entre sí. Por ejemplo, una A se acopla a una T, las secuencias 5′-AGC-3′ y 3′-TCG-5′ se complementan entre sí y una cadena entera es complementaria de la otra. Como se menciona más adelante, la complementariedad es de gran importancia en casi todas las actividades y los mecanismos en los cuales intervienen los ácidos nucleicos.

Importancia de la propuesta de Watson y Crick

Desde el momento en que los biólogos consideraron por primera vez al DNA como material genético, se esperaba que la molécula cumpliera tres funciones principales (fig. 10.11):

1. Almacenamiento de información genética. Como material genético, el DNA debe contener un registro grabado de instrucciones que determina todas las características heredables que un organismo puede exhibir. En términos moleculares, el DNA debe contener la información para el orden específico de aminoácidos de todas las proteínas que sintetiza el organismo.

2. Replicación y herencia. El DNA debe contener la información para la síntesis de nuevas cadenas (replicación). La replicación del DNA permite que las instrucciones genéticas se transmitan de una célula a sus hijas y, de esta forma, de un individuo a su descendencia.

3. Expresión del mensaje genético. El DNA es más que un centro de almacenamiento; también funge como director de la actividad celular. En consecuencia, la información codificada en él tiene que expresarse de alguna forma que participe en los sucesos internos de la célula. De manera más específica, la información del DNA debe usarse para dirigir el orden por medio del cual aminoácidos específicos se incorporan a una cadena polipeptídica.

El modelo de la estructura del DNA de Watson y Crick fue de suma importancia para conocer de qué manera se llevaban a cabo las dos primeras de estas tres funciones genéticas. El modelo apoyaba las presunciones de que la información contenida en el DNA residía en la secuencia lineal de sus bases. A cada gen corresponde determinado segmento de DNA. La secuencia específica de nucleótidos en dicha fracción dicta la sucesión de aminoácidos en el polipéptido correspondiente. Un cambio de la secuencia lineal de los nucleótidos de dicho segmento provoca una mutación hereditaria en dicho gen. Se pensaba que las diferencias en la secuencia nucleotídica formaban las bases de la variación genética entre individuos de una especie o entre especies. Como se explica en el capítulo siguiente, transcurrió otro decenio para que los biólogos conocieran el mecanismo mediante el cual la secuencia de aminoácidos es codificada por una secuencia de nucleótidos de DNA.

Del mismo modo que para la segunda función, la publicación inicial de la estructura del DNA de Watson y Crick incluyó una propuesta que explicaba cómo podría replicarse esta molécula. Es probable que esa fuera la primera ocasión en que un estudio de la estructura molecular condujera de manera directa a la hipótesis de un mecanismo molecular básico. Watson y Crick propusieron que durante la replicación, los enlaces de hidrógeno que sujetan las dos cadenas de la hélice de DNA se rompían en forma secuencial, lo que producía la división gradual de las cadenas, en forma muy parecida a la separación de las dos mitades de una cremallera. En este postulado, cada una de las cadenas distanciadas, con sus bases nitrogenadas expuestas, actuaba como plantilla o molde que dirigía el orden en el cual los nucleótidos complementarios se ensamblaban para formar la cadena complementaria. Al finalizar el proceso debían generarse dos moléculas de DNA de doble cadena que eran: (1) idénticas entre sí y (2) iguales a la molécula original de DNA. De acuerdo con la propuesta de Watson y Crick, cada doble hélice de DNA debía contener una cadena de la molécula original y una cadena nueva (fig. 13.1). Como se describe en el capítulo 13, dicho axioma predijo el mecanismo de la duplicación del DNA. De las tres funciones primarias mencionadas antes, sólo el mecanismo mediante el cual el DNA regía el ensamblaje de una proteína específica permaneció en el más absoluto misterio.

La dilucidación de la estructura del DNA no sólo fue importante por sí misma, sino que también estimuló la investigación de todas las actividades en las que debía participar el material genético. Una vez aceptado el modelo estructural, la teoría del código genético, la síntesis del DNA o la transferencia de información, debían concordar con dicha estructura.

DNA superenrollado

En 1963, Jerome Vinograd y colaboradores, del California Institute of Technology, descubrieron que dos moléculas de DNA circular de idéntica masa molecular podían demostrar grados muy diferentes de sedimentación durante la centrifugación (sección 18.9). Análisis posteriores indicaron que la molécula de DNA que se sedimentaba con mayor rapidez tenía una forma más compacta porque se había enrollado sobre sí misma (fig. 10.12a, b), algo muy parecido a una liga cuyos dos extremos se tuercen en direcciones opuestas o a un cable de teléfono enredado sobre sí mismo luego de usarse. Se dice que el DNA en este estado se encuentra superenrollado. En esta forma el DNA es más compacto que su contraparte relajada, ocupa menos volumen y se mueve con mayor rapidez en un campo de fuerza centrífuga o eléctrica (fig. 10.12c).

La estructura superenrollada se entiende mejor cuando se traza un tramo de la doble hélice de DNA sobre una superficie plana. En estas condiciones, una molécula posee el número estándar de 10 pares de bases por vuelta de hélice y se dice que está relajada. Si los extremos de las dos cadenas se fusionaran para formar un círculo, el DNA aún permanecería relajado. Sin embargo, considérese lo que pasaría si antes de unir los dos extremos se torciera la molécula. Si se gira el fragmento de DNA en dirección opuesta a la original, la molécula tiende a desenrollarse. Una molécula de DNA desenrollado tiene mayor número de pares de bases por vuelta de hélice (fig. 10.13). Como la molécula es más estable con 10 residuos por vuelta, tiende a oponerse al esfuerzo para desenrollarla y vuelve a torcerse sobre sí misma hasta adquirir una conformación superenrollada (fig. 10.13).

Se dice que el DNA está negativamente superenrollado cuando tiene más de 10 residuos por vuelta de hélice y positivamente superenrollado cuando está torcido de manera excesiva. Las moléculas de DNA circular presentes en la naturaleza (p. ej., el mitocondrial, el vírico y el bacteriano), de manera invariable se encuentran superenrolladas de forma negativa. El enrollamiento excesivo no se restringe al DNA circular pequeño, sino que también ocurre en el DNA lineal de los organismos eucariotas. Por ejemplo, el superenrollamiento negativo es fundamental para permitir que el DNA de los cromosomas se compacte y llene los confines del pequeño núcleo celular (sección 12.2). Puesto que el DNA superenrollado de forma negativa está destorcido, ejerce una presión que separa las dos cadenas de la hélice, el distanciamiento que se requiere durante la replicación (síntesis de DNA) y la transcripción (síntesis de ácido ribonucleico [RNA, ribonucleic acid]).

Las células dependen de enzimas para cambiar el estado de superenrollamiento del DNA de doble cadena. Estas enzimas se conocen como topoisomerasas porque cambian la topología del DNA. James Wang de la Universidad de California en Berkeley descubrió las topoisomerasas. Las células contienen diferentes tipos de estas moléculas, que se pueden dividir en dos clases. Las topoisomerasas de tipo I cambian el estado de superenrollamiento de la molécula de DNA tras crear una rotura transitoria en una cadena del dúplex. En la figura 10.14a se muestra un modelo del mecanismo de acción de la topoisomerasa I humana. La enzima corta una cadena del DNA y entonces permite que la cadena complementaria intacta sufra una rotación controlada, la cual relaja la molécula superenrollada. La topoisomerasa I es esencial para procesos como la replicación y la transcripción del DNA, puesto que impide que ocurra un superenrollamiento excesivo cuando las cadenas complementarias de un dúplex de DNA se separan y se desenrollan (como se ilustra en la figura 13.6). Las topoisomerasas de tipo II rompen de manera transitoria ambas cadenas del DNA dúplex. Entonces otro segmento de la molécula del DNA (o una molécula separada por completo) se transporta a través de la rotura y las cadenas se unen de nueva cuenta. Como es de esperar, este mecanismo de acción tan complejo se acompaña de una serie de cambios conformacionales notorios, los cuales se representan en el modelo de la figura 10.14b. Estas enzimas pueden realizar “trucos” sobresalientes. Además, dado que son capaces de bobinar y relajar el DNA (fig. 10.14c, panel 1), las topoisomerasas de tipo II pueden anudar una molécula de DNA o desanudarla (fig. 10.14c, panel 2). Estas enzimas también pueden ocasionar que una población de círculos de DNA independientes se una (encadene), o separar círculos conectados en componentes autónomos (fig. 10.14c[3],d). La topoisomerasa II es necesaria para desenredar las moléculas de DNA antes que los cromosomas duplicados puedan separarse durante la mitosis. Las topoisomerasas humanas de tipo II son el blanco de diferentes fármacos (p. ej., etopósido y doxorrubicina) que se unen a la enzima para prevenir que cadenas de DNA cortadas se unan de nuevo. De esta forma, dichos medicamentos destruyen de manera preferente a células que se dividen con rapidez, por lo que se emplean para el tratamiento del cáncer.

El DNA es una macromolécula, un ensamblaje de un gran número de átomos que permanecen unidos en un ordenamiento definido cuya estructura tridimensional puede precisarse mediante técnicas como la cristalografía por rayos X. Empero, el DNA también es un almacén de información, lo cual es más difícil de describir en términos moleculares. Si, como se ha señalado antes, un gen corresponde a un segmento particular de DNA, la suma de la información genética que un organismo individual hereda de sus padres es equivalente a la suma de todos los segmentos de DNA presentes en el óvulo fecundado que inicia la vida. Todos los sujetos que integran la población de una especie muestran el mismo grupo de genes, si bien los diferentes individuos poseen de modo invariable versiones un poco diferentes de muchos de estos genes (alelos). De esta forma, cada especie tiene un contenido único de información genética, el cual se conoce como genoma. Para los seres humanos, el genoma es equivalente en esencia a toda la información genética presente en un solo grupo (haploide) de cromosomas humanos, que incluye 22 autosomas diferentes y los cromosomas sexuales X y Y.

Complejidad del genoma

Para entender cómo se determina la complejidad del genoma, es necesario primero considerar una de las propiedades más relevantes de la doble hélice de DNA: su capacidad para separarse en las dos cadenas que la componen, una propiedad que se denomina desnaturalización.

Desnaturalización del DNA

Como lo sugirieron por primera vez Watson y Crick, las dos cadenas de una molécula de DNA están unidas por medio de enlaces débiles no covalentes. Cuando el DNA se disuelve en solución salina y ésta se somete a calentamiento lento, se alcanza cierta temperatura en la que las dos cadenas de DNA empiezan a separarse. Con pocos grados, el proceso suele ser completo y la solución contiene moléculas de cadena sencilla que se separan del todo de sus hebras complementarias. Por lo general, el progreso de la desnaturalización térmica (o fusión del DNA) se cuantifica por el incremento de la absorbancia de radiación ultravioleta que genera el DNA disuelto. Una vez que las dos hebras de DNA se separan, se reducen de manera notoria las interacciones hidrófobas que resultan del apilamiento de las bases, lo cual induce cambios en la naturaleza electrónica de éstas e incrementa su absorbancia de radiación ultravioleta (como se ilustra en la figura 10.15). La temperatura que corresponde a la mitad del cambio de absorbancia se llama temperatura de fusión (T_m, melting temperature). Entre mayor sea el contenido de GC (%G + %C) del DNA, más alta será la T_m. Este incremento de estabilidad de moléculas de DNA con un alto contenido de GC refleja la presencia de puentes de hidrógeno adicionales entre las bases, en comparación con los enlaces de H formados por los pares de AT (fig. 10.10c).

Renaturalización del DNA

La separación de las dos hebras de un DNA bicatenario por calentamiento no es un hallazgo inesperado, no obstante la revinculación de hebras individuales en moléculas estables de doble cadena con un correcto apareamiento de bases, parece casi inconcebible. Sin embargo, en 1960 Julius Marmur y Paul Doty, de la Harvard University, encontraron que si enfriaban con lentitud una solución de DNA bacteriano desnaturalizado por calentamiento, la molécula obtenía de nueva cuenta las propiedades de doble hélice; absorbía menos radiación ultravioleta y otra vez funcionaba como material genético capaz de transformar células bacterianas (como se explica en la página 422). A partir de estos estudios se hizo evidente que las moléculas complementarias de cadena sencilla de DNA eran capaces de reagruparse, un suceso denominado renaturalización. Este hallazgo ha probado ser una de las observaciones más valiosas jamás hechas en la biología molecular. Por un lado, la renaturalización ha servido como base para la investigación de la complejidad del genoma, un tema que se describe en la siguiente sección. Por otra parte, la renaturalización ha llevado al desarrollo de una metodología conocida como hibridación de ácidos nucleicos, en la cual las cadenas de nucleótidos complementarias obtenidas de diferentes fuentes pueden mezclarse para formar moléculas bicatenarias (híbridas).

Más adelante en este capítulo (pág. 403) se discuten ejemplos de algunas preguntas que se han respondido al permitir que cadenas sencillas de ácidos nucleicos se hibriden, como se ilustra en la figura 10.19. La hibridación de ácidos nucleicos desempeña una función clave en las biotecnologías modernas más importantes de la humanidad, incluyendo la secuenciación, la clonación y la amplificación del DNA.

Complejidad de los genomas virales y bacterianos

Son varios los factores que determinan la tasa de renaturalización de una preparación de DNA, e incluyen (1) la fuerza iónica de la solución, (2) la temperatura de incubación, (3) la concentración de DNA, (4) el periodo de incubación y (5) el tamaño de las moléculas que interactúan. Con base en estos factores hay que considerar qué sucedería si se comparara el grado de renaturalización de tres moléculas de DNA diferentes, cada una con el genoma entero de (1) un virus pequeño, por ejemplo MS-2 (4 × 10³ pares de nucleótidos), (2) un virus grande, como T4 (1.8 × 10⁵ pares de nucleótidos) y (3) una célula bacteriana como E. coli (4.5 × 10⁶ pares de nucleótidos). La diferencia primaria entre estos DNA es su longitud. Para comparar su renaturalización es importante que las moléculas que reaccionan tengan una longitud equivalente, por lo general de unos 1 000 pares de bases. Las moléculas de DNA pueden fragmentarse en pequeñas piezas de diferentes maneras, una de las cuales consiste en forzar el paso de estas moléculas a través de un orificio diminuto por medio de alta presión.

Cuando se permite que estos tres tipos de DNA, todos con la misma longitud y en concentraciones equivalentes (p. ej., mg/ml), se vuelvan a reunir, lo hacen a velocidades muy diferentes (fig. 10.16). Entre menor sea el tamaño del genoma, más rápida será la desnaturalización. La razón se hace aparente cuando se considera la concentración de las secuencias complementarias en las tres preparaciones. Puesto que todas éstas poseen la misma cantidad de DNA en un volumen de solución determinado, es posible inferir que cuanto menor sea el tamaño del genoma, mayor será el número de genomas presentes en una masa particular de DNA y más probable será la colisión entre fragmentos complementarios.

Complejidad de los genomas eucariotas

La renaturalización de los DNA víricos y bacterianos se adecua a curvas simétricas y sencillas (fig. 10.16). Las gráficas de renaturalización tienen esta forma porque todas las secuencias están presentes en la misma concentración (salvo unas cuantas secuencias de DNA bacteriano). Por consiguiente, una secuencia de nucleótidos en la población tiene la misma probabilidad de encontrar a su pareja, en un tiempo determinado, que cualquier otra secuencia. Éste es el resultado que se hubiera pronosticado a partir de diferentes estudios de mapeo genético, los cuales sugirieron que el DNA de un cromosoma contenía genes consecutivos organizados en disposición lineal. La cinética de renaturalización de los genomas víricos y bacterianos contrasta de forma notable con la que obtuvieron Roy Britten y David Kohne (del Carnegie Institution of Washington, D. C.) a partir de DNA de mamíferos. A diferencia de los fragmentos de genomas más simples, los del DNA de un genoma de mamífero se renaturalizan a velocidades muy distintas (fig. 10.17). Estas diferencias reflejan el hecho de que, en una preparación de fragmentos de DNA eucariota, las diferentes secuencias de nucleótidos se encuentran presentes en concentraciones muy variables. Éste fue el primer indicio de que el DNA eucariota no es tan sólo una sucesión de genes consecutivos, como ocurren en las bacterias o los virus, sino que posee una organización mucho más compleja.

Cuando se permite que fragmentos de DNA de plantas y animales se renaturalicen, la curva típica muestra casi siempre tres pasos más o menos distintos (fig. 10.17), que corresponden a la renaturalización de tres clases muy abundantes de secuencias de DNA. Éstas se renaturalizan a diferente velocidad porque difieren en cuanto al número de veces que su secuencia de nucleótidos se repite dentro de la población de fragmentos. Las tres clases se denominan fracción muy repetida, fracción moderadamente repetida y fracción no repetida.

Secuencias de DNA muy repetidas La fracción muy repetida constituye de 1 a 10% del DNA total. Por lo general, las secuencias muy repetidas son cortas (las más grandes llegan a incluir unos pocos cientos de nucleótidos) y se presentan en grupos en los que la secuencia se repite una y otra vez sin interrupción o en tándem. Las secuencias muy repetidas se clasifican en varias categorías superpuestas, incluidos el DNA satélite, el DNA minisatélite y el DNA microsatélite.

• DNA satélite. El DNA satélite posee secuencias cortas (alrededor de cinco a pocos cientos de pares de bases de longitud) que forman grupos muy largos, cada uno con varios millones de pares de bases de DNA. En muchas especies, la composición de bases de estos segmentos de DNA es lo suficientemente diferente del resto del DNA para que estos fragmentos que contienen la secuencia puedan separarse en bandas “satelitales” distintas mediante centrifugación de gradiente de densidad (de aquí el nombre de DNA satélite). Estos fragmentos tienden a aparecer muy rápido en el transcurso de la evolución, lo cual hace que las secuencias de estos elementos genómicos varíen incluso entre especies estrechamente emparentadas. La localización del DNA satélite dentro de los centrómeros de los cromosomas se describe en la página 403 y con mayor detalle en la sección 12.2.

• DNA minisatélite. Las secuencias minisatélite tienen un tamaño de 10 a 100 pares de bases de longitud y se encuentran en grupos de hasta 3 000 repeticiones. Por lo tanto, dichas secuencias ocupan tramos mucho más cortos del genoma que las secuencias satélite. Las secuencias minisatélite tienden a ser inestables y el número de copias de una secuencia en particular a menudo aumenta o disminuye de una generación a la siguiente, con mayor probabilidad como resultado de un entrecruzamiento desigual (fig. 10.22). En consecuencia, la longitud de un locus minisatélite específico es muy variable en la población, incluso entre miembros de la misma familia. Puesto que son tan variables (o polimórficas) en cuanto a su longitud, las secuencias minisatélite constituyen la base de la técnica de identificación mediante perfiles de DNA, que se emplean para reconocer a criminales o esclarecer casos de paternidad dudosa (fig. 10.18).

• DNA microsatélite. Las secuencias microsatélite son muy cortas (de uno a nueve pares de bases de longitud) y se hallan casi siempre en pequeños segmentos de unos 10 a 40 pares de bases de longitud. Se encuentran esparcidas de forma uniforme en todo el DNA. Las enzimas de replicación de DNA tienen problemas al copiar regiones del genoma que poseen estas secuencias repetitivas y pequeñas, lo cual causa que estos segmentos de DNA cambien de longitud a través de las generaciones. Por su tamaño variable en la población, los DNA microsatélite se han utilizado para analizar las relaciones que existen entre diferentes poblaciones de grupos étnicos, como lo ilustra el siguiente ejemplo. Muchos antropólogos establecen que las especies del ser humano moderno provienen de África. Si esto es cierto, entonces los miembros de diversas poblaciones africanas deberían evidenciar una gran variación de las secuencias de DNA con respecto a las personas que viven en otros continentes, puesto que los genomas de las poblaciones africanas han tenido más tiempo para experimentar divergencia. Los argumentos de la génesis africana han recibido apoyo de numerosos estudios de secuencias de DNA humano. En un ensayo que analizó 60 loci microsatélite diferentes, se reconoció que algunos miembros de poblaciones africanas tenían una divergencia genética notoria en comparación con los de poblaciones de Asia o Europa. La mayor parte de los loci microsatélite se presenta fuera de los genes y los cambios en su longitud por lo general pasan inadvertidos. La situación cambia en el caso de las secuencias microsatélite que se consideran en la sección “Perspectiva humana” de este capítulo.

Una vez que resultó evidente que los genomas eucariotas contenían grandes cantidades de copias de secuencias cortas de DNA, los investigadores trataron de ubicar su posición en los cromosomas. ¿Las secuencias de DNA satélite se agrupan, por ejemplo, en segmentos particulares de un cromosoma o están dispuestas de manera uniforme de un extremo a otro? Ya se mencionó que el descubrimiento de la renaturalización del DNA llevó al desarrollo de una extensa metodología basada en la hibridación de ácidos nucleicos (cap. 18). La capacidad de localizar secuencias de DNA satélite ilustra el poder de análisis de la hibridación de los ácidos nucleicos.

En los experimentos de renaturalización descritos en la página 400, secuencias de DNA complementario se unieron una con otra mientras entraban en colisión de modo aleatorio en solución. En 1969, Mary Lou Pardue y Joseph Gall, de la Yale University, desarrollaron un protocolo experimental alternativo llamado hibridación in situ, el cual se utilizó para establecer la localización de DNA satélite. El término in situ significa “en el lugar” y se refiere al hecho de que el DNA de los cromosomas se mantiene en su sitio mientras se permite que reaccione con una preparación particular de DNA marcado. En los estudios iniciales de hibridación in situ, el DNA que quería detectarse (la sonda) se marcó de forma radiactiva y se identificó por medio de autorradiografía. La resolución de la técnica se mejoró con sondas marcadas con pigmentos fluorescentes que luego se localizan con un microscopio de fluorescencia (fig. 10.19). Esta última técnica se conoce como hibridación fluorescente in situ (FISH, fluorescence in situ hibridization) y se ha refinado tanto que se puede utilizar para mapear la ubicación de secuencias diferentes a lo largo de fibras individuales de DNA.

Para llevar a cabo la hibridación de ácidos nucleicos, las moléculas que interactúan deben ser de cadena sencilla. En el experimento que se muestra en la figura 10.19, los cromosomas de una célula en mitosis se distribuyen en una laminilla y el DNA se hace monocatenario tratando los cromosomas con una solución salina caliente que provoca que las cadenas de DNA se separen y permanezcan apartadas. Durante la hibridación, los cromosomas desnaturalizados se incuban en una solución que contiene DNA satélite monocatenario marcado con biotina, que se une de manera selectiva a las cadenas complementarias del DNA satélite inmovilizado situadas en los cromosomas. Tras un periodo de incubación, el DNA satélite soluble que no ha presentado hibridación, se lava o se digiere y se revelan los sitios en los que se unió el DNA marcado. Como se muestra en la figura 10.19, el DNA satélite se halla en las regiones centroméricas del cromosoma (fig. 12.27). En la figura 10.20 se muestra otro ejemplo del uso de la técnica de hibridación fluorescente in situ.

Secuencias de DNA moderadamente repetidas La fracción moderadamente repetida del genoma de las plantas y los animales puede variar desde casi 20 hasta más de 80% del DNA total, según sea el organismo. Esta fracción incluye secuencias repetidas en cualquier parte del genoma, desde unas pocas hasta varias decenas de miles de veces. Dentro de la fracción de DNA moderadamente repetida se encuentran secuencias que codifican productos conocidos de genes (moléculas de RNA o proteínas) y secuencias no codificadoras.

1. Secuencias de DNA repetidas con funciones codificadoras. Esta fracción de DNA incluye a los genes que codifican los RNA ribosómicos y a aquellos que contienen la información para crear un importante grupo de proteínas cromosómicas, las histonas. Las secuencias repetidas que codifican cada uno de estos productos son casi siempre idénticas y se disponen en tándem. Es esencial que estos genes codificadores de RNA ribosómicos sean abundantes, puesto que sus productos se requieren en grandes cantidades y no es posible crear múltiples copias de RNA ribosómico a partir del mismo RNA mensajero (mRNA, messenger RNA), a diferencia de los genes que codifican proteínas. Aunque en la producción de histonas interviene un RNA mensajero intermediario, se necesitan muchas copias de estas proteínas durante el desarrollo temprano y por lo tanto, deben estar presentes cientos de plantillas de DNA.

2. DNA repetidos sin funciones codificadoras. La mayor parte de las fracciones de DNA moderadamente repetidas no codifica ningún tipo de producto. En lugar de presentarse en grupos de secuencias en tándem, los elementos de estas familias se dispersan (o intercalan) en el genoma como elementos individuales. La mayoría de estas secuencias repetidas se pueden agrupar en dos clases: elementos cortos intercalados (SINE, short interspersed elements) o elementos largos intercalados (LINE, long interspersed elements). Las secuencias SINE y las LINE se describen en la página 410.

Secuencias de DNA no repetidas Como lo predijo Mendel, estudios clásicos de patrones hereditarios de características visibles llevaron a los genetistas a concluir que cada grupo de cromosomas (haploide) contenía uno solo de estos genes. Cuando un DNA eucariota desnaturalizado se renaturaliza, muchos de los fragmentos son muy lentos para encontrar a sus compañeros, tan lentos que se asume que hay una sola copia por genoma. Esta fracción contempla secuencias de DNA no repetidas (o copias únicas), entre las cuales se incluyen los genes que poseen patrones de herencia mendeliana. Por la existencia de una sola copia en el genoma, las secuencias no repetidas siempre se localizan en un sitio específico de un cromosoma en particular (fig. 10.20).

Si se considera la variedad de diferentes secuencias presentes, la fracción no repetida contiene por mucho la mayor cantidad de información genética. En ella se hallan las secuencias de DNA que codifican virtualmente todas las proteínas diferentes de las histonas. Aunque estas secuencias no están presentes en copias múltiples, los genes que codifican polipéptidos son por lo regular miembros de una familia de genes relacionados. Esto es cierto para las globinas, las actinas, las miosinas, los colágenos, las tubulinas, las integrinas y la mayor parte de otras proteínas de una célula eucariota. Una secuencia relacionada, pero diferente codifica cada miembro de una familia multigénica. En la siguiente sección se revisa el origen de las familias multigénicas.

Ahora que el genoma humano se ha secuenciado y analizado, se dispone de una medida relativamente precisa de las secuencias de DNA que codifican el orden de aminoácidos de las proteínas, la cual es muy pequeña. Si en 1960 se le hubiera sugerido a un genetista que menos de 1.5% del genoma del hombre codifica los aminoácidos de las proteínas humanas, habría considerado ridícula la sugerencia. Esta confirmación surgió del estudio de las secuencias del genoma. En la siguiente sección se revisará cómo pudo haber surgido por evolución el restante 98% o más de las secuencias de DNA.

El DNA es material genético y por lo tanto, se tiene cierta propensión a imaginarlo como una molécula conservadora de almacenamiento cuyo contenido de información cambia con lentitud durante largos periodos evolutivos. Sin embargo, la organización de la secuencia del genoma es capaz de sufrir rápidos cambios, no sólo de una generación a la siguiente, sino también dentro de la vida misma de un organismo individual.

Duplicación completa del genoma (poliploidización)

Como se mencionó en la primera sección de este capítulo, los guisantes y las moscas de la fruta poseen pares de cromosomas homólogos en cada una de sus células. Se dice que éstas tienen un número diploide de cromosomas. Si se comparara el número de éstos en las células de organismos muy vinculados, en especial de plantas de orden superior, se advertiría que ciertas especies tienen mucho más cromosomas que algún familiar cercano. Entre los animales, el anfibio Xenopus laevis (uno de los más estudiados) tiene dos veces más cromosomas que su primo X. tropicalis. Estas discrepancias pueden explicarse por un proceso conocido como duplicación completa del genoma, o poliploidización. Éste es un suceso en el cual se produce una descendencia que tiene dos veces el número de cromosomas en cada célula al igual que sus padres diploides; la descendencia tiene cuatro homólogos de cada cromosoma en lugar de dos. Se cree que la poliploidización ocurre de dos maneras: (1) dos especies relacionadas se aparean para formar un organismo híbrido que contiene los cromosomas combinados de ambos progenitores o (2) los cromosomas de un embrión unicelular se duplican, pero éstos en lugar de dividirse en células separadas, se conservan en una de ellas, la cual evoluciona en un embrión viable. El primer mecanismo ocurre más a menudo en las plantas, el segundo es más frecuente en los animales. La poliploidización es muy frecuente en los organismos vegetales que producen flores, incluidas muchas especies de cosechas (p. ej., trigo, plátanos y café) como las que se presentan en la figura 10.21. Cuando en los linajes vegetales surge la poliploidización, la cantidad de cromosomas se duplica de manera repentina y en muchos casos vuelve al número diploide original en el periodo siguiente de evolución. En consecuencia, algunas especies modernas de plantas están en etapas diversas del proceso evolutivo que modifica el número de sus genes. Ésta es la razón por la cual los genomas de plantas diversas tienden a mostrar una variación mucho mayor en la cantidad de genes que la que se observa en animales distintos (véase la figura 10.27).

Una duplicación “repentina” del número de cromosomas es un suceso de enorme relevancia y confiere al organismo un potencial evolutivo considerable (asumiendo que puede sobrevivir con el número incrementado de cromosomas y reproducirse). Según sean las circunstancias, la poliploidización puede resultar en la producción de una nueva especie con mucha información genética “adicional”. Las copias excesivas de un gen pueden tener varios destinos; pueden eliminarse por deleción, quedar inactivas por mutaciones deletéreas o, lo que es más importante, evolucionar y transformarse en genes originales con funciones novedosas. Visto de esa forma, la información genética adicional es la materia prima para la diversificación evolutiva. En 1971, Susumu Ohno, del City of Hope Cancer Center, en Los Ángeles publicó la hipótesis “2R”, en la cual se propuso que la evolución de los vertebrados a partir de un ancestro invertebrado mucho más simple fue posible por dos ciclos separados de duplicación completa del genoma durante un periodo evolutivo temprano. Ohno sugirió que los miles de genes adicionales generados por la duplicación del genoma pudieron moldearse a través del tiempo en genes nuevos que se requirieron para codificar el cuerpo más complejo de un vertebrado. En las pasadas tres y media décadas, los genetistas han debatido de modo acalorado la propuesta de Ohno y tratado de encontrar evidencia que apoye o refute esta noción.

El problema que enfrentan los analistas del genoma es la gran cantidad de tiempo que ha pasado (varios cientos de millones de años) desde el origen de los ancestros vertebrados más tempranos. Del mismo modo que un río o un océano desgasta con lentitud la faz de la tierra, las mutaciones modificaron muy lentamente el aspecto de un genoma ancestral. Incluso con el conocimiento de la secuencia completa del genoma de varios invertebrados y vertebrados, todavía es un desafío extraordinario identificar el origen de muchos de los genes humanos. La evidencia más fuerte de la hipótesis 2R proviene del análisis reciente del genoma de los anfioxos. Estos organismos carecen de columna vertebral, lo que los convierte en invertebrados, pero tienen varias características (p. ej., una notocorda, una médula nerviosa tubular dorsal y musculatura corporal segmentaria) que los identifican de manera clara como miembros del filo Chordata al que pertenecen los vertebrados. Se cree que los linajes que dieron origen a los vertebrados modernos y a los anfioxos se separaron hace cerca de 550 millones de años, y aún así ambos grupos comparten un conjunto muy similar de genes. Sin embargo, cuando los investigadores examinaron más de cerca ciertos grupos de genes, los genomas de los vertebrados casi siempre contenían cuatro veces más el número de dichas secuencias que los de los anfioxos. Este hallazgo es un respaldo importante para la hipótesis de Ohno, que postula la posibilidad de que ocurrieran dos rondas de duplicación del genoma completo en el linaje ancestral de los vertebrados.

Duplicación y modificación de secuencias de DNA

La poliploidización es un caso extremo de duplicación génica y ocurre con muy poca frecuencia durante la evolución. En cambio, la duplicación génica (que significa hacer doble una pequeña porción de un solo cromosoma) sucede con una frecuencia muy alta y su ocurrencia se puede documentar por medio de análisis genómicos.³ De acuerdo con un cálculo reciente, cada gen del genoma tiene alrededor de 1% de probabilidades de duplicarse cada millón de años. Es posible que la duplicación de un gen ocurra por varios mecanismos diferentes, pero más a menudo sucede mediante un proceso de entrecruzamiento desigual, como se describe en la figura 10.22. Este evento se observa cuando un par de cromosomas homólogos se juntan durante la meiosis de una forma tal que no quedan alineados por completo. Como resultado de este alineamiento erróneo, el intercambio genético entre los homólogos da lugar a que un cromosoma adquiera un segmento adicional de DNA (una duplicación) y el otro lo pierda (una deleción). Si la duplicación de una secuencia particular se repite en las generaciones subsiguientes, se crea un grupo de segmentos repetidos en tándem en un sitio localizado dentro de ese cromosoma (fig. 10.28).

Casi todos los genes duplicados se pierden durante la evolución mediante deleción o se vuelve no funcional por alguna mutación desfavorable. Sin embargo, en un pequeño porcentaje de casos, la copia “adicional” acumula mutaciones propicias y adquiere una nueva función. Lo más frecuente es que ambas copias del gen sufran una mutación, de manera que cada una desarrolla una función más especializada que la del gen original. En cualquier caso, los dos genes tendrán secuencias muy relacionadas y codificarán polipéptidos similares, lo que significa que codifican isoformas distintas de una proteína particular, como las tubulinas α y β (pág. 330). Duplicaciones subsecuentes de uno de los genes pueden inducir la aparición de isoformas adicionales (p. ej., la tubulina γ). En este ejemplo resulta patente que las duplicaciones sucesivas de un gen pueden generar familias de genes que codifican polipéptidos con secuencias de aminoácidos relacionadas. La evolución de los genes de globina ilustra la producción de una familia multigénica.

Evolución de los genes de la globina

La hemoglobina es un tetrámero compuesto de cuatro polipéptidos de globina (fig. 2.38b). El examen génico de las globinas, de mamíferos o peces, revela una organización muy característica. Cada uno de los genes está formado por tres exones y dos intrones. Los primeros son las partes de los genes que codifican aminoácidos en el polipéptido, en tanto que los segundos son más bien secuencias interpuestas no codificantes. Los exones y los intrones se analizan con detalle en la sección 11.4 (fig. 11.24). En este capítulo sólo se utilizan estos conceptos como puntos de referencia de la evolución. El análisis de los genes que codifican a ciertos polipéptidos semejantes a la globina (p. ej., la proteína leghemoglobina de las plantas y la mioglobina de los músculos) revela la presencia de cuatro exones y tres intrones. Se propone que estos representan la forma original del gen de la globina. Se cree que el polipéptido de globina actual surgió de la forma ancestral como resultado de la fusión de dos exones de globina (paso 1, fig. 10.23) hace unos 800 millones de años.

Se sabe que algunos peces primitivos tienen sólo un gen de globina (paso 2), lo que sugiere que éstos divergieron de otros vertebrados antes de la primera duplicación de dicho gen (paso 3). Tras ella, hace unos 500 millones de años, las dos copias experimentaron mutaciones y divergieron (paso 4) para formar dos tipos distintos de globina, una α y una β, localizados en un solo cromosoma. Éste es el ordenamiento presente en el anfibio Xenopus y en el pez cebra. En pasos subsecuentes, las formas α y β se separaron la una de la otra por un proceso de reordenamiento que las movió a cromosomas diferentes (paso 5). En consecuencia, cada gen sufrió duplicaciones y divergencias posteriores (paso 6), generando el ordenamiento de los genes de globina que existe en la actualidad en los seres humanos (paso 7). La evolución de los genes vertebrados en cuestión ilustra el modo en que la duplicación génica suele provocar la generación de una familia de genes cuyos miembros individuales tienen funciones especializadas (en este caso las formas embrionaria, fetal y adulta) en comparación con las del gen fundador individual.

Cuando se analizaron las secuencias de DNA de miembros de grupos de genes de globina, los investigadores encontraron “genes” cuyas secuencias son homólogas a las de los genes funcionales de globina, pero que han acumulado mutaciones significativas que los han tornado no funcionales. Los genes de este tipo, que son reliquias evolutivas, se conocen como seudogenes. Ejemplos de éstos se hallan en los grupos de genes de las globinas humanas α y β de la figura 10.23. Según estimaciones, el genoma humano contiene unos 19 000 seudogenes y aunque éstos no codifican proteínas funcionales, pueden ser transcritos e incorporados en moléculas de RNA, lo cual puede tener actividades reguladoras. Otro punto importante del examen de los dos grupos de genes de la globina de los cromosomas humanos es la cantidad de DNA integrado por secuencias no codificantes, sea en forma de intrones o como secuencias espaciadoras. De hecho, las regiones de globina contienen una fracción mucho más alta de secuencias codificantes que la mayor parte de otras regiones del genoma.

“Genes saltarines” y la naturaleza dinámica del genoma

Si se observan las secuencias repetidas que han surgido durante el curso normal de la evolución, se advierte que algunas veces éstas se encuentran en ordenamientos en tándem, en ocasiones en dos o unos cuantos cromosomas (como en el caso de los genes de la globina de la figura 10.23) y otras veces están dispersas en el genoma. Si se asume que todos los miembros de una familia de secuencias repetidas provienen de una sola copia, entonces ¿cómo pudieron los miembros individuales dispersarse en distintos cromosomas?

Barbara McClintock, una genetista que realizaba investigaciones con maíz en los Cold Spring Harbor Laboratories de Nueva York, fue la primera en sugerir que los elementos genéticos eran capaces de moverse en el genoma. Los rasgos genéticos del maíz a menudo se expresan como cambios en los patrones de coloración de las mazorcas y de las hojas (fig. 10.24). Al final de la década de 1940, McClintock encontró que ciertas mutaciones eran muy inestables; aparecían y desaparecían de una generación a la siguiente y también durante la vida de una planta individual. Después de varios años de cuidadoso estudio, la investigadora concluyó que ciertos elementos genéticos se movían de un lugar en un cromosoma a un sitio diferente por completo. McClintock nombró a estas reconfiguraciones genéticas transposiciones y a las entidades genéticas móviles elementos transponibles. Mientras tanto, biólogos moleculares que trabajaban con bacterias no encontraron evidencia de estos “genes saltarines”. En sus estudios, los genes aparecían como elementos estables situados en una configuración lineal en el cromosoma que permanecía constante de un individuo a otro y de una generación a la siguiente. El hallazgo de McClintock se ignoró durante mucho tiempo.

Entonces, a finales de la década de 1960 diferentes laboratorios descubrieron que ciertas secuencias de DNA de las bacterias se movían de un lugar a otro en el genoma. Estos elementos bacterianos transferibles se llamaron transposones. La mayor parte de éstos codifica una proteína, o transposasa, que cataliza la escisión de un transposón de un sitio donador del DNA y su posterior inserción al sitio receptor específico del cromosoma. Este mecanismo de “corte e inserción” es mediado por dos subunidades de transposasa separadas que se unen a secuencias específicas (repetidas e invertidas) localizadas en los dos extremos del transposón (fig. 10.25, paso 1). Las dos subunidades se unen para formar un dímero activo (paso 2) que cataliza una serie de reacciones que conducen a la escisión del transposón (paso 3). Luego, el complejo transposasa-transposón se une a un DNA blanco (paso 4), donde la transposasa cataliza las reacciones necesarias para integrar al transposón en su nueva residencia (paso 5). Por lo general, la inclusión del elemento crea una pequeña duplicación en el DNA blanco que flanquea al elemento transpuesto en el sitio de inserción. Las duplicaciones en los sitios blanco sirven como “huellas” para identificar los lugares que los elementos transponibles ocupan en el genoma.

Como lo demostró primero McClintock, los genomas eucariotas contienen un gran número de elementos transponibles. ¡De hecho, al menos 45% del DNA nuclear de una célula humana procede de elementos transponibles! La mayor parte de estos (>99%) es incapaz de moverse de un lugar a otro; han sido incapacitados por mutaciones o la misma célula suprime su movimiento. (La supresión se produce por medio de RNA celulares pequeños [sección 11.5] y metilación del DNA [sección 12.4]). Sin embargo, cuando los elementos transponibles cambian de posición, se insertan con amplitud en el DNA blanco. En realidad, muchos elementos transponibles pueden insertarse ellos mismos en el centro de un gen que codifica a alguna proteína. Se han comentado muchos ejemplos de lo anterior en seres humanos, incluyendo un número de casos de hemofilia provocada por un elemento genético móvil que “migró” a la mitad de uno de los genes primordiales que codifican las proteínas de la coagulación. Se estima que alrededor de una de cada 500 mutaciones patogénicas es consecuencia de la inserción de un elemento transponible. Además, la reactivación de dichos fragmentos puede contribuir al desarrollo de algunos cánceres.

La figura 10.26 ilustra dos tipos importantes de elementos transponibles eucariotas, los transposones de DNA y los retrotransposones, y sus mecanismos diferentes de transposición. Los transposones de DNA, como se describió antes para los organismos procariotas, se escinden del DNA en el sitio donador y se insertan en un área distante (fig. 10.26a). Este mecanismo de “corte e inserción” lo utilizan, por ejemplo, los miembros de la familia mariner, que se hallan en las plantas y los animales. En cambio, los retrotransposones operan por mecanismos de “copiado e inserción” en los que interviene un RNA intermediario (fig. 10.26b). El DNA del elemento transponible se transcribe en un RNA, el cual después se transcribe de forma contraria mediante una enzima conocida como transcriptasa inversa para crear un DNA complementario. A continuación, la copia de DNA desarrolla una cadena adicional para crear un dúplex, el cual después se integra en un sitio blanco del DNA. En la mayoría de los casos el retrotransposón mismo contiene la secuencia que codifica a la transcriptasa inversa. Los retrovirus, como el causante del sida, utilizan un mecanismo muy similar para replicar su genoma de RNA e integrar una copia de DNA en un cromosoma del hospedador.

Participación de los elementos genéticos móviles en la evolución del genoma

Como se mencionó en la página 403, las secuencias de DNA moderadamente repetidas constituyen una porción significativa del genoma humano. A diferencia de la fracción muy repetida (DNA satélite, minisatélite y microsatélite), cuyas secuencias residen en tándem y se generan por duplicación, la mayor parte de las secuencias moderadamente repetidas está diseminada y se genera por transposición de los elementos genéticos móviles. De hecho, las dos familias más comunes de secuencias moderadamente repetidas en el DNA humano (Alu y L1) son elementos transponibles. Tal y como se describió en la página 403, hay dos clases de elementos diseminados, SINE y LINE. Los integrantes del grupo Alu son ejemplo de los primeros y los del conjunto L1 ejemplifican a los segundos. Una secuencia transponible L1 completa (de por lo menos 6 000 pares de bases de longitud) codifica una proteína única con dos actividades catalíticas: una transcriptasa inversa que elabora una copia de DNA a partir del RNA que lo codifica y una endonucleasa que corta el DNA blanco antes de la inserción. Se estima que el genoma humano contiene unas 500 000 copias de L1, pero la mayor parte está formada por elementos inmóviles incompletos. A pesar de ello, la movilidad de L1 sigue modificando la evolución humana. Por ejemplo, en un estudio en el que se compararon las secuencias de DNA de 25 personas diferentes, dos individuos cualesquiera del grupo difirieron en cuanto a la presencia o a la ausencia de un elemento L1 en 285 sitios en sus genomas respectivos, en promedio.

Las secuencias Alu son aún más abundantes que las L1. Las primeras se encuentran interpuestas o diseminadas en más de un millón de sitios diferentes a lo largo del genoma humano. Las Alu son una familia de cortas secuencias relacionadas con una longitud de casi 300 pares de bases. La secuencia Alu es muy similar a la del RNA pequeño presente en las partículas de reconocimiento de señales adheridas a los ribosomas unidos a la membrana (pág. 283). Se presupone que durante el curso de la evolución, este RNA citoplásmico se copió en una secuencia de DNA a través de la transcriptasa inversa y se integró al genoma. La impresionante amplificación de las secuencias Alu ha ocurrido quizá por retrotransposición mediada por la transcriptasa inversa y la endonucleasa codificadas por las secuencias L1.

En virtud de su prevalencia en el genoma humano, podría esperarse que la secuencia Alu estuviera repetida en los genomas del resto del reino animal, pero no es así. Estudios genómicos comparativos indican que dichas secuencias aparecieron primero como elementos transponibles en el genoma de primates hace unos 60 millones de años y el número de copias creció a partir de entonces. La tasa de transposición de los elementos Alu ha disminuido de forma notoria en el curso de la evolución de los primates; en el ser humano, la tasa actual es de una transposición por cada 200 nacimientos. Estos fenómenos generan diferencias en la localización de las secuencias Alu de una persona a otra y por lo tanto, contribuyen a la diversidad genética de la población humana (pág. 416).

Cuando se descubre algo nuevo semejante a los elementos transponibles en un organismo, la primera pregunta de los biólogos es casi siempre: ¿cuál es su función? Muchos investigadores expertos en el tema piensan que los elementos transponibles son en primera instancia “basura”. De acuerdo con esta visión, un elemento transponible es un tipo de parásito genético externo que puede invadir el genoma de un hospedador, diseminarse dentro de él y transmitirse a su descendencia (siempre y cuando no tenga efectos adversos y serios en la capacidad del hospedador para sobrevivir y reproducirse). Si este es el caso, ello no significa que los elementos transponibles no puedan hacer contribuciones positivas a los genomas eucariotas. Hay que tener presente que la evolución es un proceso oportunista, no hay un camino predeterminado a seguir. Sin importar su origen, una vez que una secuencia de DNA está en un genoma, existe la posibilidad de que se “ponga en uso” en alguna manera provechosa durante el curso de la evolución. Por esta razón, a la parte del genoma formada por elementos transponibles se le considera una “chatarrería genética”. Hay varias formas en las que los elementos transferibles parecen haber participado en la evolución adaptativa:

1. En ocasiones los elementos transponibles pueden llevar con ellos partes adyacentes del genoma hospedador cuando se mueven de un sitio a otro. En teoría, dos segmentos no unidos del genoma del hospedador pueden conectarse para formar un nuevo fragmento compuesto. Este puede ser un mecanismo primario en la evolución de proteínas formadas por dominios derivados de diferentes genes ancestrales (fig. 2.36).

2. Las secuencias de DNA que en un principio surgieron de los elementos transponibles forman parte de genes eucariotas y de los segmentos de DNA que regulan la expresión génica. Por ejemplo, varios factores de transcripción se unen a sitios del DNA que en un principio surgieron de elementos transponibles. Aun cuando no hay evidencia directa de una función, estos últimos tienen posiciones y secuencias muy parecidos a los de elementos de los genomas de parientes vertebrados distantes. Este tipo de conservación evolutiva sugiere que estas secuencias tienen alguna participación provechosa en la vida de sus hospedadores (pág. 413).

3. En algunos casos, los propios elementos transponibles parecen haber dado lugar a genes. La enzima telomerasa, que desempeña una función clave en la replicación del DNA de los extremos de los cromosomas (fig. 12.24c), pudo derivar de una transcriptasa inversa codificada por un retrotransposón antiguo. Se cree que las enzimas involucradas en el reordenamiento de los genes de los anticuerpos (fig. 17.18) derivaron de una transposasa codificada por un transposón antiguo de DNA. Si así fuera, la capacidad del ser humano para protegerse de las enfermedades infecciosas es una consecuencia directa de la transposición.

4. Algunos estudios recientes han obtenido pruebas de que las células cerebrales de mamíferos poseen un nivel muy elevado de retrotransposición de L1, en comparación con el observado en otros tejidos. Se ha planteado la hipótesis de que tales elementos móviles contribuyen a la diversidad de las actividades funcionales de las células nerviosas, al insertarse en sitios diferentes de sus genomas.

Un punto es claro: la transposición ha tenido un profundo impacto en la composición genética de los organismos. Resulta interesante observar que hace apenas un par de décadas, los biólogos consideraban que el genoma era un depósito estable de información genética. En la actualidad resulta notable que los organismos puedan conservar su propia integridad de un día para otro considerando esta reconfiguración a gran escala por reordenamiento genético. En retrospectiva, no es sorprendente que la transposición se hubiera identificado por primera vez en plantas, porque los elementos transponibles tienden a ser mucho más activos en el reino vegetal que en otros organismos eucariotas. Por sus descubrimientos, Barbara McClintock fue la única que recibió el Premio Nobel en 1983, a la edad de 81 años, unos 35 años después de su reporte inicial.

Determinar la secuencia nucleotídica de todo el DNA de un genoma es una tarea colosal. Durante las décadas de 1980 y 1990, la tecnología que acompañó este esfuerzo mejoró de forma gradual conforme los investigadores desarrollaron nuevos vectores para clonar grandes segmentos de DNA y procedimientos cada vez más automatizados para determinar las secuencias de nucleótidos de estos grandes fragmentos (sección 18.14). La primera secuencia completa de un organismo procariota se notificó en 1995 y un año después la de un organismo eucariota, la levadura S. cerevisiae. Unos pocos años después (mientras la comunidad científica aguardaba los resultados del proyecto del genoma humano), se publicaron las secuencias genómicas de numerosos organismos procariotas y eucariotas (incluidos la mosca de la fruta, un nematodo y un angiosperma). Los investigadores pudieron determinar la secuencia de estos genomas con relativa rapidez porque son mucho más pequeños que el del humano, el cual contiene alrededor de 3 200 millones de pares de bases. Para poner este número en perspectiva, considérese que si cada par de bases del DNA fuera equivalente a una sola letra de esta página, la información contenida en el genoma humano se extendería en un libro de alrededor de un millón de páginas.

En el año 2001 se había publicado ya un primer informe provisional de la secuencia nucleotídica de todo el genoma humano. La secuencia se describió como una “aproximación” porque cada segmento se secuenció un promedio de cuatro veces, lo cual no es suficiente para lograr una precisión absoluta y muchas regiones que resultaron difíciles de secuenciar se excluyeron. Los primeros intentos para describir la secuencia genómica, es decir, interpretar la secuencia en términos de la cantidad y el tipo de genes que codificaba, llevó a una sorprendente observación en relación con el número de genes. Los investigadores concluyeron que el genoma humano contenía tal vez unos 30 000 genes codificadores de proteínas. Hasta que se determinó su secuencia completa, se supuso que el genoma humano contenía quizá entre 50 000 y 150 000 genes diferentes.

La versión “terminada” de la secuencia del genoma humano se publicó en 2004, lo cual significó que (1) cada sitio se había secuenciado de siete a diez veces para asegurar un alto grado de exactitud (de al menos 99.99%) y (2) que la secuencia contenía un número mínimo de huecos. Los espacios no secuenciados que persistieron contienen regiones de los cromosomas (a menudo referidas como “materia oscura”) formadas en primera instancia por largos fragmentos de DNA muy repetitivo, localizados sobre todo alrededor de los centrómeros de cada cromosoma. A pesar de los exhaustivos esfuerzos, estas regiones han sido imposibles de clonar o sus secuencias no se han podido ordenar de manera correcta con la tecnología actual.

Pese a este notable logro en la secuenciación de nucleótidos, todavía se desconoce el número real de genes codificadores de proteínas en el genoma humano. La identificación de genes mediante diversos programas computacionales (algoritmos) está plagada de dificultades y, en realidad, la estimación previa de 30 000 genes humanos codificadores de proteínas sigue disminuyendo de manera continua, conforme siguen las investigaciones. ¡Aunque para la mayoría de los biólogos ha resultado una sorpresa, las estimaciones actuales colocan la cifra en alrededor de 21 000! Esto significa que en los humanos existe un número igual (aproximado) de genes codificadores de proteínas que en un gusano microscópico, cuyo cuerpo en su totalidad (incluyendo el sistema nervioso y el resto de las estructuras) está formado por unas 1 000 células (fig. 10.27).⁴

Es evidente a partir de estos datos que es imposible, como alguna vez se pensó, comprender la naturaleza de un organismo disponiendo sólo de una lista de los genes que componen su genoma. Si las diferencias en la complejidad de los organismos no pueden justificarse por el número de genes codificadores de proteínas en su genoma, ¿cómo pueden explicarse? En realidad no existe una respuesta adecuada a esa pregunta, pero pueden listarse algunas posibilidades a considerar.

1. Como se describe en el capítulo 12, un solo gen puede codificar varias proteínas relacionadas como resultado de un proceso llamado corte y empalme alternativos (alternative splicing) (sección 12.5). Varios estudios recientes sugieren que más de 90% de los genes humanos podría experimentar corte y empalme alternativos, de manera que el número real de proteínas codificadas por el genoma humano es al menos varias veces mayor que el número de genes que contiene. Es probable que surjan mayores diferencias entre los organismos cuando se exploren mejor estos y otros mecanismos “intensificadores de genes”. Esta expectativa es consistente con las observaciones de que los genes de los vertebrados tienden a ser más complejos (o sea, tienen más exones) que los de moscas y gusanos, y tienen mayor incidencia de corte y empalme alternativos.

2. Los biólogos moleculares dedicaron un esfuerzo enorme a estudiar los mecanismos que regulan la expresión génica. A pesar de ello, la comprensión de estos procesos es muy limitada. Por ejemplo, se aprendió que una gran parte del genoma se transcribe a un conjunto desconcertante de moléculas de RNA, de las cuales se sabe muy poco sobre su actividad. Cada vez se fortalece más la idea de que muchos de estos RNA tienen una función de regulación génica. También hay evidencia creciente de que el número y la diversidad de estos RNA no codificadores pueden relacionarse con el nivel de complejidad de diferentes organismos. Por ejemplo, en un estudio reciente los investigadores buscaron identificar el número de microRNA producidos por varios organismos. Como se explica en el siguiente capítulo, los microRNA son unos de los ácidos ribonucleicos reguladores mejor estudiados. Se encontró que las esponjas expresan casi 10 microRNA distintos y las anémonas marinas alrededor de 40. Esto se compara con los casi 150 identificados en gusanos y moscas de la fruta y con los al menos 1 000 descubiertos en los seres humanos. Esto no implica que la cantidad de microRNA sea el principal determinante de la complejidad morfológica, sino que sugiere que falta mucho por aprender sobre la regulación génica antes de comprender las bases de la diversidad biológica.

3. En los últimos 10 años ha surgido una nueva área de estudio biológico (llamada biología de sistemas) que se enfoca en la manera en que las proteínas trabajan juntas como redes complejas, en lugar de como actores individuales. En la figura 2.41 se presenta un ejemplo muy sencillo de una red proteínica. Como las células producen miles de proteínas distintas, con grados variables de interacción, estas redes pueden volverse muy complejas y dinámicas. Un aumento relativamente pequeño en el número de elementos que conforman una red, o un incremento en el tamaño y la diversidad de dichas moléculas, podría aumentar mucho la complejidad de la red y por lo tanto, del organismo entero.

Podrían agregarse muchos otros factores a esta discusión, pero el punto general está claro: la diferencia aparente entre la complejidad de distintos grupos de organismos multicelulares depende menos de la información genética que contiene el genoma que de la forma en que ésta se usa.

Genómica comparativa: “si se conserva, debe ser importante”

Considérense los hechos siguientes: (1) la mayor parte del genoma consiste en DNA que reside entre los genes y por lo tanto, representa al DNA intergénico y (2) cada uno de los cerca de 21 000 genes humanos codificadores de proteínas consiste sobre todo en porciones no codificadoras (el DNA de los intrones). Tomados en conjunto, estos hechos indican que la porción del genoma que codifica proteínas representa un pequeño porcentaje (alrededor de 1.5%) del DNA total. La mayor parte del DNA intergénico y del intrónico del genoma no contribuye a las capacidades de supervivencia y reproductivas de un individuo, de modo que no hay una presión selectiva que restrinja cambios en su secuencia. Como resultado, la mayoría de las secuencias intergénicas y de los intrones tienden a cambiar con rapidez a medida que los organismos evolucionan. En otras palabras, estas secuencias no tienden a conservarse. Sin embargo, aquellos segmentos del genoma que codifican secuencias proteínicas o que contienen secuencias reguladoras que controlan la expresión génica (fig. 12.45) están sometidos a la selección natural. Ésta tiende a eliminar a los individuos cuyo genoma contiene mutaciones en estos elementos funcionales.⁵ Como resultado, tales secuencias tienden a conservarse. Con base en estas aseveraciones puede concluirse que la mejor manera de identificar secuencias funcionales consiste en comparar los genomas de diferentes tipos de organismos.

A pesar del hecho de que los seres humanos y los ratones no comparten un ancestro común desde hace casi 75 millones de años, las dos especies tienen genes similares, los cuales tienden a agruparse con un patrón muy parecido. Por ejemplo, el número y el orden de los genes de la globina humana que se muestran en la figura 10.23 son en esencia similares a los del genoma del ratón. Como resultado, es una tarea muy simple alinear las regiones correspondientes de los genomas de estos dos organismos. Por ejemplo, el cromosoma humano número 12 tiene una serie de segmentos en los cuales cada porción corresponde, de manera regular, a un bloque de DNA de un cromosoma de ratón. El número del cromosoma de ratón que contiene cada bloque se indica como sigue.

Incluso una revisión rápida de este dibujo revela los cambios drásticos en la estructura cromosómica que ocurren conforme la evolución genera nuevas especies con el tiempo. Los bloques de genes que están presentes en el mismo cromosoma de una especie pueden separarse en una especie subsiguiente. Con el tiempo, el número de cromosomas puede aumentar o disminuir conforme éstos se separan o se fusionan. Una estimación sugiere que en las líneas murina y humana se han producido unos 180 fenómenos de separación y de fusión desde la época en que estos dos mamíferos (actuales) compartían un antepasado común. Tales cambios en las posiciones de los genes tienen, por sí mismos, un efecto muy pequeño en los fenotipos de los organismos, pero dejan huellas visuales claras del proceso evolutivo.

Cuando segmentos homólogos de los genomas humano y de ratón se alinean con base en sus secuencias de nucleótidos, se observa que cerca de 5% de las secuencias de DNA está muy conservado entre ambas especies. Este es un porcentaje mucho más alto del que se esperaría al combinar las regiones codificadoras de proteínas y las regiones reguladoras de genes (juntas representan cerca de 2% del genoma). Si se acepta uno de los principios más importantes de la evolución molecular, que dice que “si algo se conserva, debe ser importante”, entonces puede interpretarse que estos estudios indican que partes del genoma que se presumía eran secuencias no codificantes ni reguladoras “inútiles”, tienen en realidad una función importante, pero no definida aún. Es indudable que algunas de estas regiones codifican moléculas de RNA con diversas funciones reguladoras (que se revisan en la sección 11.5). Es probable que otras tengan “funciones cromosómicas” en vez de “actividades genéticas”. Por ejemplo, dichas secuencias conservadas podrían ser importantes para la formación de pares de cromosomas previa a la división celular. Cualquiera que sea su función, estos elementos genómicos a menudo se localizan a gran distancia del gen más cercano e incluyen algunas de las secuencias más conservadas que se hayan descubierto, lo que muestra la identidad virtual entre los genomas de los humanos, las ratas y los ratones.

Al comparar segmentos de los genomas de dos especies relacionadas de manera distante, como el humano y el ratón, es posible identificar regiones muy conservadas durante decenas de millones de años. Sin embargo, este método no es capaz de reconocer las secuencias funcionales del genoma humano que tienen un origen evolutivo más cercano. Por ejemplo, lo anterior puede incluir a genes presentes en el hombre y ausentes en el ratón o a regiones reguladoras que han variado su secuencia durante el curso evolutivo de los primates para permitir que se unan a nuevas proteínas reguladoras. Se ha iniciado un esfuerzo concertado (llamado Proyecto ENCODE) para identificar todos los elementos funcionales presentes en el genoma humano. Por desgracia, se carece del conocimiento necesario para reconocer muchos de estos componentes, lo que dificulta la tarea. Un punto se ha esclarecido a partir de estudios recientes: un porcentaje significativo de las secuencias de DNA funcionales está en evolución constante, por lo que no se conserva mucho. En otras palabras, si se limita la búsqueda a las secuencias muy conservadas, se corre el riesgo de pasar por alto muchos de los elementos más importantes del genoma.

Bases genéticas del “ser humano”

Al enfocarse en las secuencias conservadas, se tiende a aprender sobre las características que el hombre comparte con otros organismos. Si se desea comprender mejor la evolución biológica única del ser humano, es necesario ver más de cerca aquellas partes del genoma que lo distinguen de otras especies. El chimpancé es el pariente vivo más cercano del hombre, pues compartimos un ancestro común que vivió en una época tan reciente como hace apenas cinco a siete millones de años. Se pensó que un análisis detallado de las diferencias que existen entre las secuencias de DNA y la organización génica de ambas especies podría proporcionar gran información acerca de las bases genéticas de características surgidas en forma reciente que hacen único al ser humano, como la marcha erguida, el uso avanzado de herramientas y el lenguaje. Estos últimos rasgos se han rastreado hasta el cerebro humano, que tiene un volumen aproximado de 1 300 cm³ (unas cuatro veces el del cerebro del chimpancé).

En 2005 se publicó una versión preliminar del genoma del chimpancé. En términos generales, los genomas de ambos difieren en casi 4% (lo cual significa decenas de millones de cambios), un nivel de divergencia mucho mayor que el esperado con base en estudios no definitivos. Si bien parte de esta divergencia se debe a cambios de nucleótidos individuales entre los dos genomas, la mayor parte se atribuye a diferencias mayores, como deleciones y duplicaciones de segmentos (véase la nota a pie de la página 407).

Los investigadores han podido identificar cientos de genes en el linaje humano que evolucionan a un ritmo más rápido que la tasa neutra, al parecer en respuesta a la selección natural. Sin embargo, no está claro si alguno de éstos, en caso de que exista, contribuye a “hacernos humanos”. Algunos de los genes de evolución más rápida codifican proteínas implicadas en la regulación de la expresión génica (factores de transcripción). Estos son precisamente los tipos de genes que se esperaría que generaran mayores diferencias fenotípicas, porque pueden afectar la expresión de muchos otros genes. De hecho, se supone que las diferencias entre los factores de transcripción del chimpancé y el ser humano son la causa de las diferencias de expresión de las proteínas cerebrales que se presentan en la figura 2.48. Lo anterior puede ilustrarse mediante la exploración minuciosa del factor de transcripción FOXP2, que es específico del cerebro.

Una comparación de dicha proteína entre el hombre y el chimpancé señala dos diferencias de aminoácidos que han aparecido en la línea humana desde la separación a partir de su último antepasado común. Para valorar los efectos de las sustituciones mencionadas en la función de FOXP2 se hicieron modificaciones en neuronas humanas que no poseían su propio gen FOXP2 para que expresaran la proteína del chimpancé o del humano. Después se estudiaron las dos poblaciones neuronales en cultivo para valorar los efectos de las versiones alternas del factor de transcripción y se observó que hubo un incremento o un decremento significativo en la regulación de más de 100 genes “efectores” en neuronas que expresaban el gen humano FOXP2, en comparación con las que expresaban el factor de transcripción del chimpancé. Un aspecto interesante de este gen es que las personas con mutaciones en su secuencia presentan graves trastornos del habla y lenguaje, además de incapacidad para realizar los movimientos musculares finos de los labios y de la lengua que se necesitan para entablar la comunicación vocal. Ciertos cálculos sugieren que los cambios del “gen del habla” que lo diferencian de la versión propia del chimpancé quedaron “fijos” en el genoma humano en los últimos 120 000 a 200 000 años, fecha en que al parecer surgieron los seres humanos actuales (se dice que es fija una alteración de la secuencia de DNA si persiste en casi todos los miembros de la especie). Los datos anteriores sugieren que es posible que los cambios del gen FOXP2 hayan intervenido en gran medida en la evolución y el desarrollo del habla en humanos.

También se han descrito muchas otras diferencias entre las especies mencionadas, incluidas alteraciones en ciertos genes codificadores de RNA que parecen influir en el desarrollo cerebral. Uno de los genes de esta última categoría, llamado HAR1, tiene sólo 118 pares de nucleótidos, pero contiene 18 sustituciones de bases que lo distinguen de la región correspondiente en el genoma del chimpancé. Esta misma región está muy conservada entre otros vertebrados, por lo que es sólo durante la evolución de los seres humanos que ha experimentado efectos marcados de la selección natural (HAR significa en inglés Human Accelerated Region, región acelerada humana). Aunque se desconoce la función de dicho gen, el hecho de que se exprese sobre todo en el cerebro fetal en desarrollo lo convierte en un elemento de interés para los investigadores que intentan desentrañar la base genómica de la expansión cerebral humana.

Otro gen importante codifica la amilasa salival, una enzima que sirve para digerir el almidón. Los chimpancés tienen una dieta relativamente baja en almidón y tienen en su genoma una sola copia del gen que codifica la amilasa 1 (AMY1) (fig. 10.28a). Durante la evolución de los seres humanos, ha ocurrido una aparente selección para aumentar el número de copias del gen AMY1, lo que ha dado lugar a una mayor concentración de la enzima en la saliva humana. Podría predecirse que dicha acentuación en la concentración de amilasa se habría alcanzado durante la evolución por un incremento en la expresión del único gen AMY1 existente en el genoma, pero en este caso particular se debió a la duplicación génica. Como se observa en la figura 10.28b, y se explica en la sección siguiente, el número de copias del gen en cuestión es variable y tiende a ser mayor en las poblaciones humanas que ingieren más almidón en su dieta.

Uno de los planteamientos más interesantes en el área de la evolución humana es el de las posibles relaciones que existieron entre el hombre “moderno” (p. ej., Homo sapiens), y otras especies “humanas” (p. ej., miembros arcaicos del género Homo, extintos en la actualidad). Se piensa que los primeros humanos de la especie actual (anatómicamente modernos) evolucionaron al inicio en África hace unos 200 000 años. Sin embargo, el Homo sapiens no constituye el único miembro del género Homo que habitó la tierra en dicho periodo. Los neandertales (Homo neanderthalensis) vivieron en Europa hace unos 35 000 años, miles de años después de que llegaran los humanos modernos a dicho continente. Según se piensa, las dos especies compartieron algunas regiones del Oriente medio en el mismo periodo temprano. Dichos seres habitaron áreas similares y guardaban gran semejanza anatómica, razón por la cual los paleontólogos se han preguntado si: (1) las dos especies se aparearon entre sí o (2) los humanos modernos sustituyeron a los neandertales sin mezclarse de forma sexual. Para esclarecer tal duda se necesita información detallada sobre las diferencias en las secuencias de DNA entre los humanos modernos y los neandertales.

Algunos investigadores, desde finales del decenio de 1990, han creado técnicas cada vez más modernas para aislar y establecer secuencias de fragmentos de DNA mitocondrial (mtDNA, mitochondrial DNA) de fósiles de neandertales. En los fósiles es más fácil el análisis del mtDNA que del DNA nuclear, porque cada célula contiene muchas copias del primero y su tamaño es mucho menor. Los resultados de los estudios en cuestión sugirieron que la secuencia del mtDNA de neandertales era lo suficientemente diferente de la del humano moderno como para concluir que tal especie se extinguió sin contribuir con material genético al genoma mitocondrial del hombre actual. En otras palabras, las dos especies no se entrecruzaron y, además, no compartieron un antepasado común en al menos 300 000 años.

En 2010, Svante Pääbo y colaboradores, del Max Planck Institute de Alemania, ensamblaron una secuencia completa, en términos relativos, del genoma nuclear del neandertal. Concluyeron que el genoma de éste y el del humano moderno son 99.84% idénticos. Por ejemplo, los neandertales tuvieron el mismo alelo FOXP2 (que se expuso en párrafos anteriores) que los humanos modernos, lo que permitió deducir que también tenían capacidad de lenguaje verbal. Además, los datos de la comparación detallada de los genomas nucleares de dichas especies sugieren que, en promedio, de 1 a 4% del DNA de individuos europeos y asiáticos modernos proviene de los neandertales. Muchos de los genes derivados de esta última subespecie contribuyen al reconocimiento de patógenos por parte del sistema inmunitario. Poseer dichos genes quizá sirvió como un mecanismo de protección de los primeros humanos contra enfermedades a las que habían estado expuestos los Homo neanderthalensis. En cambio, los genomas de personas africanas no muestran signos de alguna contribución por parte de los neandertales, por lo cual se infiere que éstos y los humanos modernos se entrecruzaron en algún punto cronológico y topográfico después de que el Homo sapiens había salido de África y antes de que éste se dispersara en Europa y Asia. Otros señalamientos sugieren que algunos grupos de humanos modernos tuvieron antepasados antiguos que quizá se entrecruzaron con otras especies arcaicas además de los neandertales. Los datos en cuestión han preparado el terreno para especulaciones muy interesantes en cuanto al árbol filogenético del hombre. Según datos de algunos investigadores que conciben que un número de especies humanas compartieron el planeta en los últimos 100 000 años o más, la población actual podría describirse como la de los “últimos humanos que sobrevivieron”.

Esta sección se ha enfocado en las diferencias genómicas existentes entre los seres humanos y otros mamíferos, puesto que éste es el tema del presente capítulo. Tal vez resulte evidente, por la naturaleza limitada de esta explicación, que los investigadores todavía no progresan mucho en la identificación de las bases genéticas de lo que hace al humano serlo. Muchos investigadores piensan que gran parte de la atención en este campo se ha orientado a modificaciones en las secuencias que codifican proteínas. En cambio, ellos plantean que los cambios en la regulación de la expresión génica han intervenido de manera decisiva en la evolución humana, pero es difícil precisar cuáles de ellos tuvo una importancia real.

Variación genética dentro de la población humana

No hay en el mundo dos personas exactamente iguales, porque no existen dos individuos, aparte los gemelos idénticos, que tengan la misma información genética. El genoma humano que se secuenció en el “Proyecto Genoma Humano” original, provenía en su mayor parte de un solo varón. Desde que se completó la secuencia, se ha puesto mucha atención al modo en que ésta varía en la población humana. Los polimorfismos genéticos son sitios en el genoma que cambian de un individuo a otro. Dicho término suele referirse a una variante génica que se presenta en cuando menos 1% de la población de una especie. El concepto de polimorfismo genético comenzó con el descubrimiento, hecho en 1900 por el médico austriaco Karl Landsteiner, de que las personas podrían tener cuando menos tres tipos sanguíneos alternos, A, B u O. Como se expone en la página 130, el tipo de sangre es determinado por diferentes alelos de un gen que codifica una enzima que transfiere azúcar. Ahora que se conoce la secuencia genómica humana, es posible buscar nuevos tipos de variación genética que en la “era pregenómica” nunca hubieran podido revelarse.

Variación de la secuencia de DNA

El tipo más común de variabilidad genética en seres humanos se presenta en sitios del genoma en los que ocurren conmutaciones de nucleótidos individuales entre los miembros de la población. Estos sitios se denominan polimorfismos de nucleótidos individuales (SNP, single nucleotide polymorphisms). La vasta mayoría de los SNP (conocidos como “snips”) existen como dos alelos alternos, por ejemplo, A o G. Se piensa que la mayor parte de estos polimorfismos surgió por una sola mutación durante el transcurso de la evolución humana y que éstos son compartidos por individuos con un ancestro común. Se han identificado los SNP que ocurren con mayor frecuencia mediante la comparación de secuencias de DNA de los genomas de cientos de individuos diferentes de diversas poblaciones étnicas. En promedio, dos genomas humanos elegidos al azar tienen cerca de tres millones de diferencias en nucleótidos individuales, o un SNP cada mil pares de bases. Aunque esto podría parecer un número grande, significa que los seres humanos son 99.9% similares entre sí, en promedio, con respecto a la secuencia de nucleótidos, lo que tal vez sea mucho mayor que en gran parte de las especies de mamíferos. Esta similitud en las secuencias refleja el hecho de que al parecer la humana es una especie joven en términos evolutivos, y su tamaño de población prehistórica fue relativamente pequeño. De los casi 15 millones de SNP identificados en el genoma, se calcula que alrededor de 20 000 se encuentran dentro de las secuencias codificadoras y producen reemplazos de aminoácidos en la proteína producida. Esto corresponde a una sustitución por gen. Se considera que es esta magnitud de variación genética la principal causa de la variabilidad fenotípica observada en los seres humanos. En la sección “Perspectiva humana” de este capítulo, se trata el impacto de las variaciones de la secuencia del genoma en la práctica de la medicina.

Variación estructural

Como se ilustra en la figura 10.29a, algunos segmentos de genoma pueden cambiar como resultado de duplicaciones, deleciones, inserciones, inversiones (cuando un fragmento de DNA se encuentra con orientación invertida) y otros fenómenos. Estos cambios casi siempre afectan segmentos de DNA cuya longitud oscila entre miles y millones de pares de bases. Por su gran tamaño, estos tipos de polimorfismos se denominan variantes estructurales, y apenas comienzan a comprenderse la magnitud y la importancia de su presencia.

Desde los primeros días del análisis microscópico de los cromosomas se sabe que aun entre las personas saludables, la estructura cromosómica varía. En la figura 10.29b se muestra un ejemplo de una inversión cromosómica común cuya existencia se conoce desde hace más de 30 años. Estudios recientes revelan que las variantes estructurales de tamaño intermedio (demasiado pequeñas para verse al microscopio y muy grandes para detectarse con facilidad mediante análisis de secuenciación ordinarios) son mucho más comunes de lo que se pensaba. Según una estimación, el típico genoma humano tiene cerca de 1 000 variantes estructurales cuya longitud oscila entre 500 y 1.3 millones de bases (Mb). Aunque estas cifras muestran diferencias extraordinarias, no hay duda de que la fracción del genoma (es decir, el número total de pares de bases) afectada por variación estructural es mayor que la alterada por SNP. Como consecuencia, la variación estructural posee un efecto notable en la diversidad fenotípica que se observa entre los humanos.

Variación en el número de copias Como se explica en la página 402, la técnica de identificación mediante perfiles de DNA depende de diferencias en la longitud de secuencias minisatélite, lo que a su vez depende del número de copias de la secuencia presente en sitios particulares de los cromosomas. Este es un ejemplo de una variación en el número de copias (CNV, copy number variation). Hallazgos recientes revelaron que CNV mucho más grandes (>1 000 bases) también son frecuentes en la población humana y que afectan a miles de regiones distintas del genoma, incluyendo una gran cantidad de genes que codifican proteínas. Estas CNV de gran tamaño son un tipo de variación estructural que se produce por una duplicación o una deleción de un segmento del DNA. Gracias a estas variaciones, muchas personas portan copias adicionales de uno o más genes que codifican proteínas fisiológicas importantes. Por lo general, las copias adicionales de genes se relacionan con la producción excesiva de una proteína, lo cual puede alterar el delicado equilibrio bioquímico que existe dentro de una célula. Por ejemplo, una cantidad considerable de personas que desarrollan enfermedad de Alzheimer de inicio temprano tienen copias adicionales del gen APP, que codifica la proteína que se considera causante de la enfermedad (pág. 68). El tema ha generado controversias, pero hay un consenso cada vez mayor entre los investigadores de que las personas con autismo o esquizofrenia tienen un número mayor de lo normal de CNV raros en su genoma. Algunos de los genes afectados por dichas variaciones participan en la formación de sinapsis y otros fenómenos neurológicos. En algunos casos, las copias adicionales de un gen pueden ser provechosas, como ocurre con la duplicación repetida del gen de la amilasa (AMY1), que se ha encontrado en ciertas poblaciones humanas que consumen abundante almidón en su dieta (fig. 10.28b). La figura 10.28b también muestra un excelente ejemplo de una CNV, debido a que indica el número de genes AMY1 en ambas copias de los cromosomas homólogos de una persona. Puede verse que un cromosoma contiene sólo cuatro réplicas del gen AMY1, mientras su homólogo posee 10.

Los cromosomas son portadores de información genética. Algunas de las primeras observaciones condujeron a los biólogos a considerar el papel genético de los cromosomas. Estos reportes incluyen la precisión del reparto de cromosomas entre células hijas durante la división celular; la comprobación de que los cromosomas de una especie permanecen constantes en forma y número de una división celular a la siguiente; el dato de que el desarrollo embrionario requiere un conjunto en particular de cromosomas; y la observación de que el número de cromosomas se divide a la mitad antes de la formación de los gametos y se duplica luego de la unión de un espermatozoide y un óvulo durante la fecundación. Los datos de Mendel suministraron a los biólogos nuevos criterios para identificar a los portadores de los genes. Los estudios de Sutton acerca de la formación de gametos en el saltamontes revelaron la existencia de cromosomas homólogos, la vinculación de éstos durante la división celular que precede a la formación de gametos y su separación durante la primera división meiótica (pág. 388).

Si los genes están empaquetados juntos en los cromosomas transmitidos de padres a hijos, entonces los genes incluidos en ellos deben estar vinculados entre sí para formar grupos de ligamiento. La existencia de grupos de ligamiento se confirmó en varios sistemas, en particular en la mosca de la fruta, en la que se observó que docenas de mutaciones pueden ordenarse en cuatro grupos ligados que corresponden al tamaño y al número de cromosomas presentes en las células de estos insectos. Al mismo tiempo, se descubrió que la vinculación era incompleta, es decir, los alelos que de manera original están presentes en un cromosoma determinado no permanecen juntos en todos los casos durante la formación de los gametos, sino que se someten a una distribución aleatoria entre los homólogos paternos y maternos. Se propuso que este fenómeno, al cual Morgan denominó entrecruzamiento, se debía al rompimiento y la unión de segmentos de cromosomas homólogos que ocurrían cuando los homólogos se relacionaban durante la primera división meiótica. El análisis de descendientes por apareamiento entre adultos y portadores de un tipo de mutación sobre el mismo cromosoma, indica que la frecuencia de recombinación entre dos genes suministra una medida de la distancia relativa que los separa. Por lo tanto, se puede usar la frecuencia de recombinaciones para desarrollar mapas detallados de series ordenadas de genes a lo largo de cada cromosoma en una especie. El mapa genético de la mosca de la fruta, basado en la frecuencia de recombinaciones, se comprobó de manera independiente mediante el examen de la localización de diferentes bandas en cromosomas politénicos gigantes encontrados en ciertos tejidos larvarios de estos insectos (pág. 389).

Los experimentos analizados en la sección “Vías experimentales” suministran datos concluyentes acerca de que el DNA es material genético. El DNA es una molécula helicoidal con dos cadenas de nucleótidos que discurren en direcciones opuestas con sus esqueletos localizados en el exterior y con las bases nitrogenadas orientadas hacia adentro. Los nucleótidos de una cadena que contienen adenina son complementarios de los nucleótidos de la hebra opuesta que contienen timina, y del mismo modo ocurre para los nucleótidos que poseen guanina y citosina. Como resultado, las dos cadenas de una molécula de DNA son complementarias entre sí. La información genética está codificada en la secuencia lineal específica de los nucleótidos que constituyen las cadenas. El modelo de Watson-Crick de la estructura del DNA sugirió un mecanismo de replicación, incluidos la separación de las cadenas y el uso de cada una como plantilla para dirigir el orden de ensamblado de los nucleótidos durante la construcción de la cadena complementaria. El mecanismo por el cual el DNA gobierna el ensamblaje de una proteína específica permanecía en misterio absoluto. La molécula de DNA mostrada en la figura 10.10 está en un estado relajado que tiene 10 pares de bases por vuelta de la hélice. Dentro de la célula, el DNA tiende a subenrollarse (con un menor número de pares de bases por vuelta) y se dice que muestra superenrollamiento negativo, estado que facilita la separación de las cadenas durante la replicación y la transcripción. El estado de superenrollamiento del DNA puede alterarse por acción de las topoisomerasas, enzimas capaces de cortar, reordenar y de nueva cuenta unir las cadenas de DNA (pág. 393).

Toda la información genética presente en un solo conjunto haploide de los cromosomas de un organismo constituye el genoma de éste. La variedad y el número de copias de las secuencias del DNA que forman el genoma describen su complejidad. El conocimiento de la complicación del genoma procede de los primeros estudios que mostraron una molécula de DNA constituida por dos cadenas que se pueden separar por calor; cuando la temperatura de la solución desciende, las hebras complementarias sencillas vuelven a unirse para formar la doble cadena de las moléculas estables de DNA. El análisis de la cinética de este proceso de renaturalización suministra una medida de la concentración de secuencias complementarias, que a su vez indica la variedad de secuencias presentes en una cantidad determinada de DNA. Cuanto mayor sea el número de copias de una secuencia particular en el genoma, mayor es su concentración y más rápida su renaturalización (pág. 398).

Cuando se reconstruyen fragmentos de DNA procedentes de células eucariotas, la curva muestra de ordinario tres pasos distintos que corresponden a la renaturalización de tres diferentes tipos de secuencias de DNA. La fracción muy repetida consta de secuencias de DNA cortas redundadas en gran número e incluyen al DNA satélite situado en los centrómeros de los cromosomas, al DNA minisatélite y al DNA microsatélite. Estos últimos dos grupos tienden a ser muy variables, causan ciertas enfermedades hereditarias y constituyen la base de las técnicas de identificación a través de perfiles de DNA. La fracción moderadamente repetida incluye secuencias de DNA que codifican RNA ribosómico y de transferencia histonas, así como varias secuencias con funciones no codificantes. La fracción no repetida contiene genes que producen proteínas, de los cuales sólo hay una copia por conjunto haploide de cromosomas (pág. 400).

La organización de la secuencia del genoma es capaz de cambiar, con lentitud en el curso de la evolución o con rapidez a consecuencia de una transposición. Los genes eucariotas que codifican proteínas casi siempre son miembros de familias multigénicas, cuyos elementos evidencian datos de que han evolucionado de un gen ancestral común. Se cree que el primer paso en este proceso es la duplicación de un gen, la mayor parte de las veces quizá por el fenómeno de entrecruzamiento desigual. Una vez ocurrida la duplicación, sería de esperar que la sustitución de nucleótidos modificara a varios miembros en diferentes formas y produzca una familia de secuencias repetidas con estructura similar pero no idéntica. Por ejemplo, los genes de globina están formados por grupos de genes localizados en dos cromosomas distintos. Cada uno de ellos contiene varios genes relacionados que codifican polipéptidos de globina empleados en diversas etapas de la vida del animal. Los grupos también contienen seudogenes, que son homólogos de los genes de globina, pero que carecen de función (pág. 406).

Ciertas secuencias de DNA son capaces de moverse con rapidez de un lugar a otro en el genoma por un mecanismo llamado transposición. Estos elementos transponibles se conocen como transposones y son capaces de integrarse por sí mismos de forma aleatoria a lo largo del genoma. Los transposones mejor estudiados se encuentran en bacterias. Se caracterizan por secuencias invertidas repetidas, localizadas en sus extremos terminales; un segmento interno que codifica a una transposasa requerida para su integración; y la formación de secuencias repetidas cortas en el DNA blanco que flanquea al elemento en el sitio de integración. Los elementos eucariotas susceptibles de cambiar de sitio pueden desplazarse mediante varios mecanismos. En la mayor parte de los casos, el elemento se transcribe a un RNA, el cual es copiado por una transcriptasa inversa codificada por el elemento mismo, y el DNA reproducido se integra en el sitio específico. La fracción moderadamente repetida del DNA contiene dos grandes familias de elementos transponibles, llamadas Alu y L1 (pág. 408).

En la década pasada se secuenciaron numerosos genomas tanto procariotas como eucariotas. Estos esfuerzos han proporcionado importantes conocimientos sobre el ordenamiento y la evolución de los componentes del genoma que codifican proteínas y de aquellos que no lo hacen. El genoma humano contiene sólo alrededor de 20 000 genes que codifican proteínas, pero mucho más polipéptidos pueden sintetizarse como resultado de actividades de potenciación génica, como el corte y empalme alternativos. Es posible obtener información acerca de los elementos funcionales del genoma humano comparando la secuencia con secciones homólogas de otros genomas, para determinar qué segmentos están conservados y cuáles tienden a sufrir diversificaciones en su secuencia. Se supone que las secuencias conservadas tienen una función, sea la de codificar o la de regular. Los genomas del chimpancé y del ser humano difieren en alrededor de 4%. Comparar secuencias en los dos genomas proporciona información acerca de genes que han sido sometidos a selección positiva en el linaje humano y subyacen a algunas de las características únicas del hombre (pág. 411).

1. ¿En qué habrían diferido los resultados de Mendel si dos de los siete rasgos estudiados los codificaran genes situados uno cerca del otro en uno de los cromosomas de una planta de guisantes?

2. Sutton pudo suministrar datos visuales de la ley de segregación de Mendel. ¿Por qué era imposible para él confirmar o refutar la ley de la permutación independiente de Mendel?

3. Los genes X, Y y Z se localizan en el mismo cromosoma. Registre en un mapa sencillo el orden y la distancia relativa entre ellos a partir de los datos siguientes:

   Table Graphic Jump Location

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   Frecuencia de entrecruzamiento	Entre estos genes
   36%	X-Z
   10%	Y-Z
   26%	X-Y

4. Alelos situados sobre extremos opuestos de un cromosoma tienen tal probabilidad de separarse durante el entrecruzamiento que pueden hacerlo de manera independiente. ¿Cómo es posible determinar mediante cruzamiento genético si estos dos genes pertenecen al mismo grupo ligado?, ¿cómo podría establecerse esto mediante la hibridación de ácidos nucleicos?

5. ¿En qué punto de la figura 10.17 se observaría la renaturalización del DNA que codifica al RNA ribosómico? Suponga que se tiene una preparación pura de fragmentos de DNA cuyas secuencias codifican RNA ribosómico. Trácese la renaturalización de este DNA superpuesta a la curva del DNA total mostrada en la figura 10.17.

6. Cerca de 5% del genoma humano actual está formado por duplicaciones de segmentos que han evolucionado en los pasados 35 millones de años. ¿Cómo se supone que los investigadores sean capaces de estimar cuándo se duplicó una región particular de un cromosoma?

7. En la página 409 se afirmó que al menos 45% del genoma humano deriva de elementos transponibles. El número real podría ser mucho mayor, pero es imposible hacer una determinación aproximada del origen de muchas otras secuencias. ¿Por qué?

8. Suponga que se dispone de dos soluciones de DNA, una de cadena sencilla y otra de doble cadena, con absorbancia de luz ultravioleta equivalente. ¿Cuáles deberían ser las concentraciones de DNA de estas dos soluciones?

9. ¿Qué patrón de marcado se esperaría después de la hibridación in situ entre cromosomas mitóticos y el RNA mensajero de mioglobina etiquetado? ¿Qué patrón se observaría entre los mismos cromosomas y el DNA de la histona etiquetado?

10. De acuerdo con la composición de bases que determinó Chargaff, ¿cuál de las siguientes caracterizaría a cualquier muestra de DNA?: (1) [A] + [T] = [G] + [C]; (2) [A]/[T] = 1; (3) [G] = [C]; (4) [A] + [G] = [T] + [C]. Si el contenido de C de la preparación de una doble cadena del DNA es de 15%, ¿cuál sería el contenido de A?

11. Si 30% de las bases de una cadena sencilla de DNA es T, entonces 30% de las bases de las cadenas es A. ¿Esto es cierto o falso?, ¿por qué?

12. ¿Es correcta la afirmación según la cual la T_m representa la temperatura en la cual 50% de las moléculas de DNA en una solución es de cadena única?

13. Asuma que se encuentra un primate con un gen de globina β con una sola secuencia interpuesta. ¿Es posible que este animal haya evolucionado de un ancestro primitivo que se separó de otros animales antes de la aparición del segundo intrón?

14. En 1996 se publicó un informe en la revista Lancet sobre el nivel de expansión de trinucleótidos en el DNA de donadores de sangre. Estos investigadores encontraron que el nivel de expansión de los trinucleótidos disminuyó en grado significativo con la edad. Explique las causas de estos hallazgos.

15. Suponga que se busca un SNP específico en el genoma, donde la mitad de la población tiene una adenina (A) y la otra mitad tiene una guanina (G). ¿Existe alguna manera de determinar cuáles de estas variantes estaban presentes en seres humanos ancestrales y cuáles se hicieron frecuentes durante la evolución humana?

16. Observe las figuras 10.23 y 10.28. La disposición de genes mostrada en la primera evolucionó durante cientos de millones de años, mientras que la de la segunda figura evolucionó a lo largo de miles de años. Explique las variaciones probables para la evolución futura de los genes humanos para la amilasa.