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Segunda edición: La virtud de ser impuro: sobredominancia y evolución

2 febrero, 2013

Alelos

Ciertos alelos dañinos, lejos de ser eliminados por seleción natural, mantienen una prevalencia constante o incluso en aumento en algunas poblaciones. Este fenómeno, aparentemente contradictorio con lo que sabemos de genética de poblaciones y evolución, no es bien comprendido actualmente. Sin embargo, los descubrimientos de los últimos años sobre un fenómeno demoninado sobredominancia empiezan a ofrecer algunas explicaciones.

En biología evolutiva, se lleva mucho tiempo discutiendo sobre las posibles causas de un hecho sorprendente: la conservación de una gran diversidad genética en las poblaciones, especialmente la presencia de alelos recesivos que, en heterocigosis, mantienen una tasa no sólo constante, sino a veces en aumento. Este fenómeno se convierte en un verdadero mistero cuendo el alelo recesivo en cuestión es dañino para el portador, bien porque produce una peor adaptación, bien porque directamente es causante de alguna enfermedad o malformación.

En principio, un alelo desventajoso tendería a ser eliminado por la selección natural al restar capacidad reproductiva al portador. Sin embargo, varios casos contradicen esta predicción, incluso aumentando como decíamos su frecuencia en algunas poblaciones. Una posible explicación a la que se ha recurrido en ocasiones es la de mutaciones recurrentes, es decir, nuevas mutaciones en el mismo gen que por alguna causa sería especialmente sensible. Sin embargo, esta hipótesis no parece justificar todos los casos de prevalencia de este tipo de alelos. Aún sin comprender -al menos totalmente-, parece haber alguna fuerza que favorece este polimorfismo, aumentando la variabilidad genética de la población.

La sobredominancia, un fenómeno todavía mal conocido, puede representar una interesante explicación, si no toda, gran parte de este tipo de herencia.

Genes, alelos, homocigosis y heterocigosis

Todos los seres vivos diploides disponemos de dos copias de cada cromosoma. En el caso del ser humano, tenemos 23 parejas de cromosomas homólogos. Esto es una consecuencia directa del tipo de reproducción sexual, mediante la unión de dos gametos parentales (uno de cada progenitor). Cada gameto (óvulo y espermatozoide), disponen de un juego simple de cromosomas -23 en el caso humano- que, al producirse la fecundación, se reunen en el zigoto para iniciar el nuevo organismo.

Cariotipo humano

Cariotipo humano

De esta forma, de nuestros 46 cromosomas, 23 pertenecen a nuestra madre y 23 a nuestro padre, y pueden ser ordenados en parejas de homólogos. Tenemos pues dos cromosmas 1, dos cromosomas 2, etc.

Básicamente, los 23 cromosomas son semejantes 2 a 2, excepto el par denominado 23 y conocido como “cromosomas sexuales”, que es el que determina el sexo del individuo. Las hembras poseen dos cromosomas 23 iguales (llamados cromosomas X), mientras que los machos presentan un cromosoma X y otro más pequeño, denominado cromosoma Y.

Por lo tanto, y a excepción del par 23 en los machos, disponemos de dos copias de todos los genes contenidos en los cromosomas. Una de las copias procederá de nuestra madre y la otra de nuestro padre. Eso hace que, cuando hablamos de un gen determinado de nuestro genoma, en realidad estemos hablando de dos copias de este gen. Para referirnos a cada una de las copias utilizamos el término “alelo”.

Ambos alelos no tienen por que ser iguales, aunque correspondan al mismo gen. Por ejemplo, en el cromosoma 1 se sitúa el gen ACADM, que codifica par auna enzima (acil-Coenzima A deshidrogenasa), cuya carencia produce enfermedades metabólicas. Todos tenemos 2 copias del gen ACADM, o dicho de otra forma, poseemos dos alelos para el gen ACADM, uno en el cromosoma paterno y otro en el materno. Si simbolizáramos el gen con la letra “A”, podríamos simbolizar nuestra dotación genética para el mismo como “AA” (dos copias de A). Ahora bien, es posible que el gen ACADM mute, produciendo una deficiencia en la enzima. Supongamos que este gen defectuoso lo denominamos “a”. Ya hemos dicho que nuestros dos juegos cromosómicos tienen distinta procedencia, por lo que teóricamente, podríamos tener para el gen ACAM, la dotación “AA”, “Aa” o “aa”, dependiendo de qué alelos portemos. En caso de que el alelo mutado fuera dañino, como en el caso de nuestro ejemplo, se denomina deletéreo (si no produce la muerte pero afecta al desarrollo) o letal (si produce la muerte antes de la madurez sexual).

Independientemente de los efectos de cada alelo, si los ambos son iguales (AA o aa) decimos que el gen se presenta en homozigosis, o que somos homozigotos para ese gen. Si tenemos una copia de cada (Aa), hablamos entonces de heterozigosis.

Dominancia y recesividad

En el caso de los homozigotos, la situación está clara: si disponemos de dos copias del gen sano (AA), no tendremos problemas metabólicos con la acil-Coenzima A deshidrogenasa. Sin embargo, si nuestras dos copias son del alelo defectuoso (aa), manifestaremos el carácter, en este caso la enfermedad.

¿Pero que ocurre cuando tenemos una copia de cada?. Pues depende. En algunos casos, un alelo “domina” sobre otro, es decir, con una sola copia basta para presentar el carácter. En este caso, decimos que este alelo es dominante, mientras al otro le denominamos recesivo. El individuo heterocigoto, fenotípicamente sano, decimos que es “portador” del alelo recesivo, dado que lo posee pero no lo manifiesta.

Para manifestar entonces un carácter dominante, basta con una sola copia. Un individuo homocigoto (AA) y otro heterocigoto (Aa), manifestarían el mismo carácter (en nuestro ejemplo, un organismo sano). Por el contrario, un alelo recesivo debe estar en homocigosis (aa) para expresarse; en nuestro ejemplo, la enfermedad requeriría para manifestarse ambas copias defectuosas.

Después de Mendel

Gregor Mendel

Gregor Mendel

No todos los genes se comportan de este modo. Este tipo de genética, que fue la que básicamente describió Mendel en el siglo XIX, recibe precisamente su nombre, y solemos llamarla genética o herencia Mendeliana.

Sin embargo, muchos caracteres son codificados por varios genes, un mismo gen puede codificar para varias proteínas y la dominancia no siempre es como la hemos descrito: algunos alelos presentan dominancia incompleta (el individuo posee características de ambos), así como otras características peculiares.

Sobredominancia o las ventajas de los heterocigotos

Para que la selección natural actúe es necesario, por lo tanto, que el alelo recesivo aporte beneficio al portador o -al menos para que no sea seleccionado negativamente- que resulte neutro. Para este último caso, la teoría neutralista de Kimura postuló por la deriva genética como causa de las proporciones alélicas en las poblaciones (aunque en su formulación original se reducía exclusivamente a la evolución molecular). De esta manera, el polimorfismo alélico se mantendría mediante el equilibrio entre nuevas mutaciones y la pérdida de alelos por deriva genética, menor cuanto mayor sea el tamaño de la población.

Sin embargo, esta variabilidad también se observa en genes cuyo alelo recesivo es deletéreo. Evidentemente, la deriva genética no puede explicar por si misma las elevadas proporciones que pueden encontrarse en muchas poblaciones.

Existe otro mecanismo, conocido desde hace años, que podría explicar gran parte de este fenómeno: la sobredominancia. Ésta consiste en el mayor beneficio obtenido por los heterocigotos frente a los homocigotos, es decir, un individuo con los dos alelos diferentes posee más ventajas no ya solo con otro individo homocigoto para el alelo deletéreo, sino incluso con respecto a los que portan dos alelos normales.

Esta hipótesis contaba hasta hace poco con un único ejemplo de apoyo: la anemia falciforme. Esta enfermedad es producida por la mutación del gen HbB, que codifica para la cadena beta de la hemoglofina. La forma mutada del gen, denominada HbS, produce un mal funcionamiento de la hemoglobina y una malformación de los glóbulos rojos, que se manifiesta como una anemia severa. El alelo HbS es recesivo, por lo que los únicamente los individuos homocigotos (dos copias del HbS) presentan la enfermedad; los heterocigotos (HbB/HbS) son prácticamente sanos, manifestando síntomas menores.

Teóricamente, la selección natural debería realizar un filtro selectivo eliminando el alelo defectuoso HbS, lo que ocurre en gran parte del mundo. Sin embargo, en muchas zonas de África, la prevalencia de HbS es exageradamente elevada. La explicación es que en esas regiones la malaria tiene una gran incidencia, y los heterocigotos presentan una mayor resistencia a esta enfermedad, lo que les situa en ventaja tanto frente a los homocigotos HbB (que padecen la malaria) y frente a los homocigotos HbS, que manifiestan la anemia falciforme.

Malaria y anemia falciforme

Hoy empezamos a conocer otros ejemplos de sobredominancia que refuerzan el papel que este fenómeno pueda tener en el mantenimiento de la variabilidad alélica de las poblaciones: el gen humano CFTR, que posee un alelo mutante recesivo que produce fibrosis quística, parece ofrecer una mayor resistencia al tifus y al asma cuando está en heterocigosis con el alelo normal; la heterocigosis en el gen CCR5 parece estar relacionada con un retraso en el desarrollo de la enfermedad en los individuos infectados por HIV-1; el gen PRNP también parece ofrecer resistencia en heterocigosis al kuru, una enfermedad priónica originaria de Papúa Nueva Guinéa. En el complejo mayor de histocompatibilidad, la heterocigosis ofrece también ventajas selectivas al aumentar la resistencia a enfermedades infecciosas y en ovejas, los genes BMP15 y GDF9 en heterocigosis parecen estar relacionados con una mayor fertilidad.

Los casos de ventajas adaptativas de la heterocigosis son aún pocos, e insuficientemente estudiados, como para poder pensar en que la sobredominancia es el principal factor que produce el polimorfismo alélico en las poblaciones. Sin embargo, los nuevos ejemplos conocidos apoyan la idea de que el papel de este fenómeno es importante. El cómo de importante nos lo dirán, indudablemente, los resultados de los próximos años.

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REFERENCIAS

Alonso, S. 2009. Polimorfismo y sobredominancia en el genoma humano. Investigación y Ciencia, 392:8-9.

Berg, J.M. 2008. Bioquímica 6ª edición. Ed. Reverte.

Machado-Allison, C.E. & Bröckl, E. 1976. Introducción al estudio de la evolución. Ed. Univ. Central Venezuela.

Artículo publicado originalmente 30 de marzo de 2010


  1. Jose
    2 febrero, 2013 en 20:55

    La vision de los genes egoistas dawkinianos no basta como explicacion para esos alelos raros? La idea pega mucho entre Novatos, aunque no se como andara la Credibilidad y respaldo en la comunidad Cientifica real…

  2. Masklin
    4 febrero, 2013 en 15:09

    Llevo tiempo leyendo los artículos, pero nunca me he animado a comentarlos. Enhorabuena J.M. Impresionante. Haceis una labor impagable. Muchas gracias por lo que a mi respecta y un cordial saludo.

  3. Víctor
    6 febrero, 2013 en 15:28

    Hola J.M. Muy buen texto. Tengo una pequeña duda respecto a tu frase del principio. Cuando dices:

    “un alelo desventajoso tendería a ser eliminado por la selección natural al restar capacidad reproductiva al portador.”

    Esto es así. Pero a medida que el alelo recesivo se hace más raro, éste se hace cada vez “menos visible” para la selección, puesto que se encuentran “escondidos” para ésta en los individuos heterozigotos. Por ello no es tan fácil eliminarlos de la población, lo que explicaría su permanencia en las poblaciones naturales. ¿Es correcto?
    Por supuesto, cuando aumentan (como en la anemia falciforme) es porque dan alguna ventaja que no la tenían en otros lugares.

    Un saludo.

  4. J.M.
    6 febrero, 2013 en 18:43

    Completamente cierto Víctor. La forma de eliminar alelos recesivos es eliminando a los homozigotos. Si la frecuencia en la población es tan baja que resulta extremadamente difícil que un nuevo organismo reúna dos alelos iguales, permanecen “escondidos”, como tu dices. Si, por mera deriva, aumenta la frecuencia, vuelven a aparecer homozigotos y actúa de nuevo la SN. De esta forma se puede llegar a mantener un equilibrio en baja frecuencia y perdurar durante mucho tiempo en la población. Existen muchas simulaciones de estos fenómenos en genética de poblaciones.

    Saludos.

  5. Víctor
    6 febrero, 2013 en 18:58

    Gracias por la contestación J.M.
    Por otro lado, también podría ser que se mantuviera la diversidad si lo que sucediera fuera que, a pesar de ser un alelo deletéreo, la tasa de eliminación del mismo por la selección fuera igual a la tasa de aparición por mutación (lo que viene a ser “equilibrio mutación-selección”). ¿Esto sería otra opción? ¿Qué rol jugaría la deriva cuando se produce dicho equilibrio? Perdona si soy un poco pesado con el tema, pero me interesa mucho.
    Un saludo.

  1. 2 febrero, 2013 en 12:26
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