Genética I (teoría)

La genética es la rama de la biología que estudia la herencia biológica y la variación. La herencia es la transmisión de caracteres de la generación parental a la descendencia. La variación es la existencia de diferencias entre individuos de una misma especie: no todos tenemos la misma estatura, color de ojos o tipo de cabello.

El origen moderno de esta ciencia se ubica en 1865, cuando Gregor Mendel presentó los resultados de sus experimentos con arvejas o guisantes (Pisum sativum). Mendel no conocía el ADN ni los cromosomas; habló de factores hereditarios. Hoy sabemos que esos factores son los genes, segmentos de ADN ubicados en los cromosomas.

La idea central es la siguiente:

• Un gen es una unidad de información hereditaria: un segmento de ADN que, en general, contiene la información para producir un producto funcional, frecuentemente una proteína.
• Esa proteína participa en la aparición de un carácter.
• Cada gen ocupa un lugar fijo en un cromosoma llamado locus (plural: loci).

Por ejemplo, el gen que determina el color de la semilla de arveja se localiza en un locus concreto; las variantes de ese gen determinan semilla amarilla o semilla verde.

Antes de resolver cruces, se necesita dominar el vocabulario. La mayor parte de errores en genética no proviene de las matemáticas, sino de confundir términos.

2.1 Gen, alelo y locus

• Gen: segmento de ADN que contiene información para un carácter o para una función celular. Es la unidad básica de la herencia.
• Locus: lugar físico y específico que ocupa un gen en un cromosoma.
• Alelo: cada una de las formas alternativas que puede presentar un gen en un locus. Por ejemplo, en el locus del color de la semilla de arveja puede haber un alelo para color amarillo y otro alelo para color verde.

En un organismo diploide, cada célula somática posee dos cromosomas homólogos; por lo tanto, en cada locus existen dos alelos, uno proveniente del padre y otro de la madre.

Esto explica una idea que la UNMSM ha preguntado directamente: los cromosomas homólogos tienen los mismos loci, pero pueden contener alelos distintos, porque cada uno procede de un progenitor.

2.2 Genotipo, fenotipo y ambiente

• Genotipo: constitución genética de un individuo para un locus o para un conjunto de loci. Es la información heredada, se exprese o no.
• Fenotipo: conjunto de características observables de un individuo: anatómicas, fisiológicas o conductuales. El fenotipo resulta de la interacción entre el genotipo y el ambiente.

La fórmula conceptual es:

$$\text{Fenotipo} = \text{Genotipo} + \text{Ambiente}$$

Así, dos personas genéticamente idénticas pueden presentar diferencias fenotípicas si viven en ambientes muy distintos: nutrición, altura, exposición solar, etc. Esta idea se vuelve evidente con los gemelos idénticos separados desde pequeños.

No debe confundirse fenotipo con genotipo. El genotipo se representa con letras; el fenotipo es el rasgo observable.

2.3 Homocigoto, heterocigoto, línea pura e híbrido

Para un locus con dos alelos, el genotipo puede ser:

• Homocigoto: individuo que posee dos alelos iguales para un locus.
• Heterocigoto: individuo que posee dos alelos diferentes para un locus.
• Línea pura: población o linaje que, por autofecundación o cruces controlados, se mantiene homocigótica para uno o varios caracteres durante generaciones.
• Híbrido: individuo producto del cruce entre individuos de líneas puras diferentes; en genética mendeliana suele ser heterocigoto.

También se usan las denominaciones generacionales:

• $P$: generación parental o progenitora.
• $F_1$: primera generación filial o descendencia del cruce $P$.
• $F_2$: segunda generación filial, obtenida por cruce o autofecundación de la $F_1$.

2.4 Dominancia y recesividad

En un heterocigoto, frecuentemente solo uno de los alelos se manifiesta en el fenotipo:

• Alelo dominante: aquel que se expresa en el fenotipo tanto en homocigosis como en heterocigosis. Se representa con letra mayúscula, por ejemplo $A$.
• Alelo recesivo: aquel que solo se expresa cuando está en homocigosis, es decir, en ausencia del alelo dominante. Se representa con letra minúscula, por ejemplo $a$.

En el ejemplo clásico de la arveja, $A$ determina semilla amarilla y $a$ semilla verde. Entonces:

• $AA$: amarilla
• $Aa$: amarilla, porque $A$ domina sobre $a$
• $aa$: verde, porque no está el alelo dominante

La dominancia no significa que un alelo sea «más fuerte» o «más frecuente»; significa que su producto génico se manifiesta sobre el producto del alelo recesivo en el fenotipo del heterocigoto.

Gregor Mendel trabajó con Pisum sativum, la arveja, por varias ventajas:

• ciclo vegetativo corto, lo que permite obtener varias generaciones en poco tiempo;
• caracteres contrastantes fáciles de distinguir, como semilla amarilla frente a verde, lisa frente a rugosa;
• facilidad para controlar la polinización, evitando cruces indeseados.

Mendel estudió siete caracteres. En cada caso partió de líneas puras, es decir, variedades que por autofecundación producían siempre el mismo fenotipo.

3.1 El principio de uniformidad de la $F_1$

Si se cruzan dos líneas puras que difieren en un solo carácter, por ejemplo una planta de semilla amarilla $AA$ con una planta de semilla verde $aa$, todos los descendientes de la $F_1$ son fenotípicamente iguales.

$$AA \times aa \rightarrow Aa$$

La $F_1$ es 100% heterocigota y presenta el fenotipo dominante, en este caso semilla amarilla. Esta observación se denomina principio de uniformidad. Algunos textos lo llaman «primera ley de Mendel».

Pero este principio no explica qué pasó con el alelo verde. Eso se aclara al cruzar la $F_1$ entre sí.

3.2 El cruzamiento monohíbrido y la segregación

Cuando Mendel autofecundó las plantas $Aa$ de la $F_1$, obtuvo en la $F_2$:

$$\text{3 plantas de semilla amarilla} : \text{1 planta de semilla verde}$$

El fenotipo recesivo, que había desaparecido en la $F_1$, reapareció en la $F_2$. Mendel explicó esto con la ley de la segregación:

• Cada individuo posee dos «factores» para cada carácter.
• Al formarse los gametos, esos dos factores se separan.
• Cada gameto recibe solo uno de ellos, con igual probabilidad.
• La fecundación restablece la pareja de factores.

Hoy sabemos que los «factores» son alelos y que la separación ocurre durante la meiosis, específicamente en la anafase I, cuando los cromosomas homólogos se separan.

En un individuo $Aa$, la meiosis produce dos tipos de gametos:

$$A \quad \text{y} \quad a$$

Ambos con la misma probabilidad: $1/2$ o 50%.

3.3 El cuadro de Punnett

El cuadro de Punnett permite organizar los posibles encuentros entre gametos.

Para el cruce monohíbrido $Aa \times Aa$:

Proporción genotípica: 1 AA : 2 Aa : 1 aa
Proporción fenotípica: 3 dominante : 1 recesivo

Cuadro de Punnett del cruce monohíbrido Aa × Aa

Las proporciones son:

• Genotípica: $1 AA : 2 Aa : 1 aa$
• Fenotípica: $3$ con fenotipo dominante $: 1$ con fenotipo recesivo.

Esta proporción se cumple estadísticamente cuando se analizan muchos descendientes, no necesariamente en una camada pequeña.

En el caso del albinismo en gorilas, si el albinismo es un carácter autosómico recesivo $aa$, un individuo albino $aa$ cruzado con una hembra portadora $Aa$ produce:

$$aa \times Aa$$

Gametos del padre: todos $a$. Gametos de la madre: $A$ y $a$. Descendencia: $Aa$ y $aa$, en proporción 1:1. Por lo tanto, la probabilidad de albinismo en cada cría es $50\%$.

3.4 ¿Cómo se relaciona esto con la meiosis?

La base celular de la segregación es la separación de cromosomas homólogos en la meiosis I. Si un individuo es $Aa$, uno de sus cromosomas homólogos lleva $A$ y el otro lleva $a$. Al separarse los homólogos, cada gameto recibe solo uno de ellos.

Uno de los problemas prácticos más importantes surge cuando un individuo presenta fenotipo dominante, pero se desconoce si es homocigoto dominante o heterocigoto. Por ejemplo, una planta de semilla amarilla puede ser $AA$ o $Aa$.

Para averiguarlo se realiza un cruce de prueba: se cruza al individuo de genotipo desconocido con un homocigoto recesivo $aa$.

4.1 Caso monohíbrido

Si el individuo desconocido es $AA$:

$$AA \times aa \rightarrow 100\%\ Aa$$

Todos los descendientes presentan fenotipo dominante.

Si el individuo desconocido es $Aa$:

$$Aa \times aa \rightarrow 1 Aa : 1 aa$$

La mitad presenta fenotipo dominante y la mitad fenotipo recesivo.

Por lo tanto:

• Si en el cruce de prueba aparece algún descendiente recesivo, el progenitor desconocido era heterocigoto.
• Si todos los descendientes son dominantes, el progenitor desconocido es probablemente homocigoto dominante.

Izquierda: AA × aa → 100% Aa

Derecha: Aa × aa → 1 Aa : 1 aa

Cruce de prueba monohíbrido: cuadros de Punnett

El cruce de prueba permite deducir genotipos a partir de fenotipos observados, y es una herramienta central en los ejercicios de admisión.

4.2 Cruce de prueba dihíbrido

Cuando el individuo desconocido difiere para dos caracteres, la lógica es la misma. Si un individuo muestra fenotipos dominantes para dos caracteres, puede ser homocigoto o heterocigoto en cada locus.

Al cruzarlo con un doble homocigoto recesivo:

• Un individuo $AABB$ solo produce gametos $AB$, por lo que toda la descendencia será $AaBb$.
• Un individuo $AABb$ produce gametos $AB$ y $Ab$; la descendencia mostrará dos fenotipos.
• Un individuo $AaBb$ produce gametos $AB$, $Ab$, $aB$, $ab$, por lo que la descendencia mostrará cuatro fenotipos en proporción $1:1:1:1$.

Así, una progenie del cruce de prueba con fenotipos aproximadamente iguales para las cuatro combinaciones indica que el progenitor evaluado era dihíbrido heterocigoto.

Mendel también estudió la transmisión simultánea de dos caracteres. Para ello cruzó líneas puras que diferían en dos caracteres, por ejemplo:

• Color de semilla: amarillo $Y$ dominante sobre verde $y$.
• Forma de semilla: lisa $S$ dominante sobre rugosa $s$.

Cruzamiento parental:

$$YYSS \times yyss$$

Gametos:

• $YYSS$ produce únicamente $YS$.
• $yyss$ produce únicamente $ys$.

F1:

$$YySs$$

Toda la $F_1$ es dihíbrida y presenta fenotipo dominante para ambos caracteres: semilla amarilla lisa.

Cuando la $F_1$ produce gametos, los alelos de cada gen se reparten de manera independiente. Un individuo $YySs$ produce cuatro tipos de gametos con la misma probabilidad:

$$YS,\quad Ys,\quad yS,\quad ys$$

La razón es que los genes para color y forma se localizan en cromosomas distintos, o al menos se comportan como si estuvieran en cromosomas distintos, y los cromosomas homólogos se orientan al azar en la meiosis I.

Cuadro de Punnett 4×4 para el cruzamiento dihíbrido YySs × YySs

La proporción fenotípica clásica de la $F_2$ es:

$$9 \text{ amarillas lisas} : 3 \text{ amarillas rugosas} : 3 \text{ verdes lisas} : 1 \text{ verde rugosa}$$

Esta es la llamada ley de la distribución independiente: los alelos de genes distintos se distribuyen en los gametos de forma independiente unos de otros.

5.1 ¿Cuántos gametos produce un individuo?

En general, si un individuo es heterocigoto para $n$ loci independientes, produce:

$$2^n \text{ tipos de gametos}$$

Ejemplos:

• $Aa$: $2^1=2$ gametos: $A$, $a$.
• $AaBb$: $2^2=4$ gametos: $AB$, $Ab$, $aB$, $ab$.
• $AaBbCc$: $2^3=8$ gametos.

5.2 Fenotipos parentales y recombinantes

En un cruzamiento dihíbrido entre líneas puras $YYSS \times yyss$, los fenotipos originales son amarillo liso y verde rugoso. En la $F_2$, además de estos fenotipos parentales, aparecen fenotipos recombinantes: amarillo rugoso y verde liso.

Las proporciones en la $F_2$ son:

Los recombinantes suman:

$$\frac{3}{16} + \frac{3}{16} = \frac{6}{16}$$

5.3 Distinción entre proporción genotípica y fenotípica

En monohíbridos, la proporción genotípica de la $F_2$ es $1:2:1$, mientras que la fenotípica es $3:1$. En dihíbridos, la proporción fenotípica es $9:3:3:1$, pero la genotípica es mucho más detallada. Para resolver ejercicios no siempre hace falta escribir las 16 celdas: el uso de la regla del producto suele ser más rápido, multiplicando probabilidades independientes:

$$P(\text{amarillo liso}) = \frac{3}{4} \times \frac{3}{4} = \frac{9}{16}$$

Las leyes de Mendel son el punto de partida, pero no todos los caracteres siguen dominancia completa. La UNMSM pregunta con frecuencia estos casos.

6.1 Dominancia incompleta

En la dominancia incompleta, el heterocigoto presenta un fenotipo intermedio entre los dos homocigotos.

Ejemplo clásico: en ciertas flores como la «boca de dragón», el genotipo $AA$ produce flores rojas, $aa$ produce flores blancas y $Aa$ produce flores rosadas.

En este caso, la proporción fenotípica de la $F_2$ coincide con la genotípica:

$$1 AA : 2 Aa : 1 aa$$

Es decir:

$$1 \text{ roja} : 2 \text{ rosadas} : 1 \text{ blanca}$$

La dominancia incompleta no viola la segregación; simplemente, el fenotipo del heterocigoto es distinto al de ambos homocigotos.

6.2 Codominancia

En la codominancia, ambos alelos se expresan simultáneamente en el heterocigoto, sin mezclarse.

Un ejemplo típico es el ganado de pelaje rojiblanco o «ruano»: un homocigoto tiene pelaje rojo, otro homocigoto tiene pelaje blanco, y el heterocigoto presenta pelos rojos y blancos a la vez. Otro ejemplo bioquímico muy citado es el grupo sanguíneo AB, donde se expresan los antígenos A y B al mismo tiempo.

6.3 Alelos múltiples

Hasta ahora hemos considerado dos alelos por locus. Sin embargo, en una población pueden existir más de dos formas alélicas para un mismo gen. Esto se llama alelos múltiples.

Un individuo diploide sigue teniendo solo dos alelos para ese locus, pero la población puede mostrar más variantes.

6.3.1 Sistema ABO humano

El grupo sanguíneo ABO está determinado por un gen con tres alelos principales:

• $I^A$: determina antígeno A.
• $I^B$: determina antígeno B.
• $i$: no produce antígeno.

Relaciones de dominancia:

• $I^A$ e $I^B$ son dominantes sobre $i$.
• $I^A$ e $I^B$ son codominantes entre sí.

Este sistema tiene aplicaciones en paternidad y transfusiones. Por ejemplo, un hombre AB ($I^A I^B$) solo puede transmitir $I^A$ o $I^B$; una mujer O ($ii$) solo transmite $i$. Su hijo podrá ser $I^A i$ (grupo A) o $I^B i$ (grupo B), pero no podrá ser O ni AB.

6.3.2 Color del pelaje en conejos

En conejos, el gen del color del pelaje presenta varios alelos en una serie de dominancia. De mayor a menor dominancia:

$$C > c^{ch} > c^h > c$$

Fenotipos:

• $C$: color completo o negro.
• $c^{ch}$: chinchilla.
• $c^{h}$: himalaya.
• $c$: albino.

Por ejemplo, un conejo chinchilla puede ser $c^{ch}c^{ch}$, $c^{ch}c^{h}$ o $c^{ch}c$. Por eso, al cruzar un chinchilla con un albino, puede aparecer himalaya si el chinchilla llevaba el alelo $c^{h}$.

6.4 Herencia ligada al sexo

No todos los genes se ubican en autosomas. Algunos se localizan en los cromosomas sexuales.

En humanos, el sexo femenino normal es $XX$ y el masculino $XY$. El cromosoma X posee muchos genes; el Y posee pocos. La herencia de caracteres determinados por genes situados en estos cromosomas se llama herencia ligada al sexo.

Un caso clásico es el daltonismo, una incapacidad para distinguir algunos colores, generalmente el rojo y el verde. Es un carácter recesivo ligado al cromosoma X. Representando el alelo normal como $X^D$ y el alelo daltónico como $X^d$:

Como el varón tiene un solo cromosoma X, basta un alelo $X^d$ para que manifieste daltonismo. Por eso los varones se ven más afectados por enfermedades recesivas ligadas al X. Una mujer solo será daltónica si recibe $X^d$ de ambos progenitores.

En la nomenclatura de herencia sexual usada por San Marcos, conviene distinguir:

• Herencia ligada al sexo: genes en los segmentos diferenciales del cromosoma X, como el daltonismo.
• Herencia restricta al sexo: genes localizados en el cromosoma Y, que solo se transmiten de padre a hijo varón. Un ejemplo es la hipertricosis auricular.
• Herencia parcialmente ligada al sexo: genes ubicados en los segmentos homólogos de X y Y; pueden tener patrones especiales de transmisión. [VERIFICAR: la clasificación exacta de “ceguera para los colores” como parcialmente ligada al sexo proviene de un ejercicio de admisión 2025-I; distintos textos pueden agrupar estos ejemplos de manera variable.]

6.5 Los caracteres complejos y la interacción génica

Muchos caracteres de importancia médica y agrícola no dependen de un solo gen. Pueden ser:

• Poligénicos: controlados por varios genes, como la estatura o el color de piel.
• Con interacción génica o epistasia: dos o más genes interactúan y modifican las proporciones fenotípicas clásicas.

En ciertas cucurbitáceas, la forma del fruto se ha usado como ejemplo de interacción entre dos loci, con proporciones como $9:6:1$ en la $F_2$. Esto explica por qué, en problemas recientes, pueden aparecer cruces que no dan exactamente $3:1$ ni $9:3:3:1$. La estrategia es analizar las proporciones de la $F_2$ y deducir cuántos loci intervienen.

6.6 Aplicación: genética humana y análisis bioinformático

En humanos no se pueden realizar cruces experimentales; se usan árboles genealógicos o pedigrís, muestras biológicas y análisis estadístico. Para predecir el riesgo de una enfermedad en una población, se recopilan muestras, se secuencian genomas y se procesan datos con herramientas computacionales.