2.4: Herencia poligénica y efectos ambientales

¿Cómo se hereda la altura?

Si lo que realmente te interesa es la genética humana, aprender sobre la genética mendeliana a veces puede ser frustrante. A menudo escucharás a un maestro usar un rasgo humano como ejemplo en un problema genético, pero luego decir, “eso es una simplificación excesiva” o “es mucho más complicado que eso”. Entonces, ¿qué está pasando realmente con esos rasgos humanos interesantes, como el color de ojos, el color del cabello y la piel, la estatura y el riesgo de enfermedades?

Como ejemplo, consideremos la altura humana. A diferencia de una característica mendeliana simple, la altura humana muestra:

• Variación continua. A diferencia de las plantas de guisante de Mendel, los humanos no vienen en dos variedades claras “altas” y “cortas”. De hecho, ni siquiera vienen en cuatro alturas, u ocho, o dieciséis. En cambio, es posible conseguir humanos de muchas alturas diferentes, y la altura puede variar en incrementos de pulgadas o fracciones de pulgadas ¹.

Las alturas de un grupo de estudiantes de secundaria masculinos. Imagen modificada de "Variación continua: Rasgos cuantitativos”, de J. W. Kimball (CC BY 3.0)

• Un patrón de herencia complejo. Es posible que hayas notado que los padres altos pueden tener un hijo bajo, los padres bajos pueden tener un hijo alto y dos padres de diferentes alturas pueden tener o no un hijo en el medio. Además, los hermanos con los mismos dos padres pueden tener un rango de alturas, las que no caen en categorías distintas.

Los modelos simples que involucran uno o dos genes no pueden predecir con precisión todos estos patrones de herencia. ¿Cómo, entonces, se hereda la altura?

La altura y otras características similares están controladas no solo por un gen, sino más bien, por múltiples (a menudo muchos) genes que cada uno hace una pequeña contribución al resultado general. Este patrón de herencia a veces se llama herencia poligénica (poli - = muchos). Por ejemplo, un estudio reciente encontró más de 400 genes vinculados a la variación en la altura ².

Cuando hay un gran número de genes involucrados, se hace difícil distinguir el efecto de cada gen individual, y aún más difícil ver que las variantes génicas (alelos) se heredan de acuerdo con las reglas mendelianas. En una complicación adicional, la estatura no solo depende de la genética: también depende de factores ambientales, como la salud general de un niño y el tipo de nutrición que recibe mientras crece.

En este artículo, examinaremos cómo se heredan rasgos complejos como la altura. También veremos cómo factores como el fondo genético y el ambiente pueden afectar el fenotipo (características observables) producido por un genotipo particular (conjunto de variantes genéticas, o alelos).

Herencia poligénica

Las características humanas como la altura, el color de los ojos y el color del cabello vienen en muchas formas ligeramente diferentes porque están controladas por muchos genes, cada uno de los cuales contribuye en cierta cantidad al fenotipo general. Por ejemplo, hay dos genes principales del color de ojos, pero al menos otros 14 genes que juegan un papel en la determinación del color exacto de ojos de una persona ³.

Mirar un ejemplo real de un rasgo poligénico humano se complicaría, en gran parte porque tendríamos que hacer un seguimiento de decenas, o incluso cientos, de diferentes pares de alelos (¡como los 400 involucrados en la altura!). Sin embargo, podemos usar un ejemplo que involucra granos de trigo para ver cómo varios genes cuyos alelos “suman” para influir en un mismo rasgo pueden producir un espectro de fenotipos ^1,4.

En este ejemplo, hay tres genes que hacen pigmento rojizo en los granos de trigo, a los que llamaremos A, B y C. Cada uno viene en dos alelos, uno de los cuales hace pigmento (el alelo mayúscula-letra) y uno de los cuales no (el alelo minúscula). Estos alelos tienen efectos aditivos: el genotipo aa no aportaría pigmento, el genotipo Aa aportaría alguna cantidad de pigmento y el genotipo AA aportaría más pigmento (el doble que Aa). Lo mismo sería cierto para los genes B y C ^1,4.

Diagrama basado en diagrama similar de W. P. Armstrong ⁵.

Ahora, imaginemos que dos plantas heterocigóticas para los tres genes (aABBCC) se cruzaron entre sí. Cada una de las plantas parentales tendría tres alelos que hacían pigmento, dando lugar a granos rosados. Su descendencia, sin embargo, caería en siete grupos de color, que van desde ningún pigmento (aabbcc) y granos blancos hasta lotes de pigmento (AABBCC) y granos de color rojo oscuro. Esto es de hecho lo que los investigadores han visto al cruzar ciertas variedades de trigo ^1,4.

Este ejemplo muestra cómo podemos obtener un espectro de fenotipos ligeramente diferentes (algo cercano a la variación continua) con solo tres genes. No es difícil imaginar que, a medida que aumentamos el número de genes involucrados, podríamos obtener variaciones aún más finas en el color, o en otro rasgo como la altura.

Efectos ambientales

Los fenotipos humanos y los fenotipos de otros organismos también varían porque se ven afectados por el ambiente. Por ejemplo, una persona puede tener una tendencia genética a tener bajo peso u obesidad, pero su peso real dependerá de la dieta y el ejercicio (con estos factores a menudo jugando un papel mayor que los genes). En otro ejemplo, el color de tu cabello puede depender de tus genes, ¡hasta que te tiñes el pelo de morado!

Un ejemplo llamativo de cómo el ambiente puede afectar al fenotipo proviene del trastorno hereditario fenilcetonuria (PKU) ⁶. Las personas que son homocigóticas para los alelos de enfermedad del gen PKU carecen de actividad de una enzima que descompone el aminoácido fenilalanina. Debido a que las personas con este trastorno no pueden deshacerse del exceso de fenilalanina, rápidamente se acumula hasta niveles tóxicos en sus cuerpos ⁷.

Si no se trata la PKU, la fenilalanina extra puede evitar que el cerebro se desarrolle normalmente, lo que lleva a discapacidad intelectual, convulsiones y trastornos del estado de ánimo. Sin embargo, debido a que la PKU es causada por la acumulación de demasiada fenilalanina, también se puede tratar de una manera muy sencilla: dando a los bebés y niños afectados una dieta baja en fenilalanina ⁸.

Si las personas con fenilcetonuria siguen esta dieta estrictamente desde una edad muy temprana, pueden tener pocos, o incluso ninguno, síntomas del trastorno. En muchos países, todos los recién nacidos son evaluados para detectar PKU y enfermedades genéticas similares poco después del nacimiento a través de un simple análisis de sangre, como se muestra en la imagen de abajo.

_Crédito de la imagen: "Pruebas de fenilcetonuria”, de Eric T. Sheler, Archivos fotográficos de la USAF (dominio público) . _

Expresividad variable, penetrancia incompleta

Incluso para características que están controladas por un solo gen, es posible que los individuos con el mismo genotipo tengan diferentes fenotipos. Por ejemplo, en el caso de un trastorno genético, las personas con el mismo genotipo de enfermedad pueden tener formas más fuertes o más débiles del trastorno, y es posible que algunas nunca desarrollen el trastorno en absoluto.

En la expresividad variable, un fenotipo puede ser más fuerte o más débil en diferentes personas con el mismo genotipo. Por ejemplo, en un grupo de personas con un genotipo causante de enfermedad, algunas podrían desarrollar una forma grave del trastorno, mientras que otras podrían tener una forma más leve. La idea de expresividad se ilustra en el siguiente diagrama, con el tono de verde representando la fuerza del fenotipo.

[Ejemplo]

El trastorno genético retinoblastoma causa tumores cancerosos de los ojos, pero la enfermedad varía en gravedad y velocidad de aparición. Los niños con retinoblastoma pueden desarrollar tumores en un solo ojo o en ambos ojos, y los tumores pueden aparecer más rápida o lentamente después del nacimiento ⁹.

Ilustración modelada a partir de una imagen similar de Steven M. Carr ¹⁰.

En penetrancia incompleta, los individuos con cierto genotipo pueden o no desarrollar un fenotipo asociado con el genotipo. Por ejemplo, entre las personas con el mismo genotipo causante de enfermedad para un trastorno hereditario, es posible que algunas nunca desarrollen el trastorno. La idea de penetrancia se ilustra en el siguiente diagrama, con color verde o blanco que representa la presencia o ausencia de un fenotipo.

[Ejemplo]

Algunas mutaciones en el gen del retinoblastoma tienen alta penetrancia, pero otras tienen menor penetrancia (incompleta). Para mutaciones en esta última categoría, algunos miembros de la familia con la mutación son normales, mientras que otros desarrollan tumores de retinoblastoma ^6,11.

Ilustración modelada a partir de una imagen similar de Steven M. Carr ¹⁰.

¿Qué causa la expresividad variable y la penetrancia incompleta? Otros genes y efectos ambientales suelen ser parte de la explicación. Por ejemplo, los alelos causantes de enfermedades de un gen pueden ser suprimidos por alelos de otro gen en otra parte del genoma, o la salud general de una persona puede influir en la fuerza de un fenotipo de enfermedad ¹¹.

Colaboradores y Atribuciones

• Template:ContribKhanAcademy

[Atribución y referencias]

Este artículo está bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Obras citadas:

1. Kimball, J. W. (2011, 8 de marzo). Variación continua: Rasgos cuantitativos. Recuperado de http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/Q/QTL.html.
2. Madera, A. R., Esko, T., Yang, J., Vedantam, S., Pers, T. H., Gustafsson, S.,... Frayling, T. M. (2014). Definir el papel de la variación común en la arquitectura genómica y biológica de la estatura humana adulta. Nature Genetics, 46, 1173-1186. http://dx.doi.org/10.1038/ng.3097.
3. White, D. y Rabago-Smith, M. (2011). Asociaciones genotipo-fenotipo y color de ojos humanos. Revista de Genética Humana, 56, 5-7. http://dx.doi.org/10.1038/jhg.2010.126.
4. Departamento de Agronomía, Iowa State University. (2016). Herencia de un rasgo cuantitativo. Recuperado el 26 de julio del 2016 de https://masters.agron.iastate.edu/classes/527/lesson07/detail/kernelColor.html.
5. Armstrong, W. P. (n.d.). Variación continua y factor sanguíneo Rh. En la Palabra de Wayne. Recuperado el 26 de julio del 2016 de http://waynesword.palomar.edu/lmexer5.htm.
6. Bergmann, D. C. (2011). Variaciones y complicaciones de las reglas mendelianas básicas. En Genética notas de conferencia. Biosci41, Universidad de Stanford, 10.
7. PAH. (2008). En Genética hogar de referencia. Recuperado de http://ghr.nlm.nih.gov/gene/PAH.
8. Fenilcetonuria. (2012). En Genética hogar de referencia. Recuperado de http://ghr.nlm.nih.gov/condition/phenylketonuria.
9. Instituto Nacional del Cáncer. (2015, 14 de agosto). Tratamiento de retinoblastoma — para profesionales de la salud. En Tipos de Cáncer. Recuperado de http://www.cancer.gov/types/retinoblastoma/hp/retinoblastoma-treatment-pdq.
10. Carr, S. M. (2014). Penetrancia versus expresividad. Recuperado de https://www.mun.ca/biology/scarr/Penetrance_vs_Expressivity.html.
11. Kelly, Jane. (2015, 14 de septiembre). Retinoblastoma. En OMIM. Recuperado de http://www.omim.org/entry/180200.
12. Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., y Gelbart, W. M. (2000). Penetrancia y expresividad. En Una introducción al análisis genético (7a ed.). Recuperado de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22090/.

Referencias:

Armstrong, W. P. (n.d.). Variación continua y factor sanguíneo Rh. En la Palabra de Wayne. Recuperado el 26 de julio del 2016 de http://waynesword.palomar.edu/lmexer5.htm.

Bergmann, D. C. (2011). Variaciones y complicaciones de las reglas mendelianas básicas. En Genética notas de conferencia. Biosci41, Universidad de Stanford, 8-12.

Mejoramiento para rasgos de calidad de grano: Los retos de medir fenotipos e identificar genotipos. (2015). En Ciencias de las plantas y suelos eLibrary. Recuperado de http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?idinformationmodule=1066416033&topicorder=12&maxto=13.

Carr, S. M. (2014). Penetrancia versus expresividad. Recuperado de https://www.mun.ca/biology/scarr/Penetrance_vs_Expressivity.html.

Departamento de Agronomía, Iowa State University. (2016). Herencia de un rasgo cuantitativo. Recuperado el 26 de julio del 2016 de https://masters.agron.iastate.edu/classes/527/lesson07/detail/kernelColor.html.

Duffy, D. L., Montgomery, G. W., Chen, W., Zhao, Z. Z., Le, L., James, M. R.,... Sturm, R. A. (2007). Un haplotipo de polimorfismo de tres nucleótidos únicos en el intrón 1 de OCA2 explica la mayoría de las variaciones del color de los ojos humanos. Revista Americana de Genética Humana, 80 (2), 241-252. http://dx.doi.org/10.1086/510885.

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., y Gelbart, W. M. (2000). Penetrancia y expresividad. En Una introducción al análisis genético (7a ed.). Recuperado de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22090/.

Kelly, Jane. (2015, 14 de septiembre). Retinoblastoma. En OMIM. Recuperado de http://www.omim.org/entry/180200.

Rasgos multifactoriales: Genómica a nivel celular y genético. (n.d.). En el centro de recursos genéticos MI. Recuperado a partir de https://www.migrc.org/TeachersAndStudents/MultifactorialTraits.html

Instituto Nacional del Cáncer. (2015, 14 de agosto). Tratamiento de retinoblastoma — para profesionales de la salud. En Tipos de Cáncer. Recuperado de http://www.cancer.gov/types/retinoblastoma/hp/retinoblastoma-treatment-pdq.

NHS Centro Nacional de Educación Genética y Genómica (n.d.). En Glosario Genético. Recuperado de http://www.geneticseducation.nhs.uk/genetic-glossary/221-penetrance.

Penetrancia. (2015, 13 de noviembre). Recuperado el 22 de noviembre del 2015 de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Penetrance.

PAH. (2008). En Genética hogar de referencia. Recuperado de http://ghr.nlm.nih.gov/gene/PAH.

Fenilcetonuria. (2012). En Genética hogar de referencia. Recuperado de http://ghr.nlm.nih.gov/condition/phenylketonuria.

Poligénico. (2015, 18 de noviembre). En Genética hogar de referencia. Recuperado de http://ghr.nlm.nih.gov/glossary=polygenic.

Herencia poligénica. (n.d.). En BioNinja. Recuperado de www.vce.bioninja.com.au/aos-3-heredity/heritance/polygenic-heritance.html.

Reece, J. B., Urry, L. A., Caín, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., y Jackson, R. B. (2011). Mendel y la idea genética. En biología Campbell (10a ed., pp. 267-291). San Francisco, CA: Pearson.

¿Qué son la penetrancia reducida y la expresividad variable? (2015, 18 de noviembre). En Genética hogar de referencia. Recuperado de http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/inheritance/penetranceexpressivity.

White, D. y Rabago-Smith, M. (2011). Asociaciones genotipo-fenotipo y color de ojos humanos. Revista de Genética Humana, 56, 5-7. http://dx.doi.org/10.1038/jhg.2010.126.

Madera, A. R., Esko, T., Yang, J., Vedantam, S., Pers, T. H., Gustafsson, S.,... Frayling, T. M. (2014). Definir el papel de la variación común en la arquitectura genómica y biológica de la estatura humana adulta. Nature Genetics, 46, 1173-1186. http://dx.doi.org/10.1038/ng.3097.

Zeratsky, K. (2015, 6 de octubre). Mi refresco dietético favorito tiene una advertencia sobre la fenilalanina. ¿La fenilalanina es mala para ti? [respuesta]. En Nutrición y alimentación saludable. Recuperado de http://www.mayoclinic.org/healthy-lifestyle/nutrition-and-healthy-eating/expert-answers/phenylalanine/faq-20058361.

Zlotogora, J. (2003). Penetrancia y expresividad en la era molecular. Genética en Medicina, 5, 347-352. http://dx.doi.org/10.1097/01.GIM.0000086478.87623.69.