El genoma humano y la herencia del sexo en la especie humana

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1 El genoma humano y la herencia del sexo en la especie humana Prof. Bartolomé Yankovic Nola (Marzo, 2012) 1 Sabía Ud. que en la especie humana el sexo lo determina el varón? Sin embargo en el siglo XXI-, todavía hay comunidades que pueden rechazar a una mujer porque fue incapaz ( ) de concebir un hijo varón. Desde la luz de la ciencia y desde la convivencia civilizada un hecho así no resiste análisis. El origen de cada uno de nosotros surge a partir de las células sexuales. Ovarios y testículos se conocen como gónadas. Los ovarios femeninos producen óvulos; los testículos generan espermatozoides. Cuando un óvulo se fusiona con un espermatozoide se forma la célula huevo o cigoto, que tras un lapso de 9 meses se transforma en un bebé listo para nacer y abandonar el útero que lo cobijó. La mujer, desde la pubertad, produce un óvulo cada 28 días, aproximadamente; el hombre, en cambio, produce millones de espermatozoides en cada proceso eyaculatorio, que se liberan con el líquido seminal. El genoma Fecundación: se forma la célula huevo o cigoto, cuyo desarrollo, en un lapso de 9 meses en la especie humana, da origen a un bebé, listo para desarrollarse fuera del útero. El óvulo, una célula esférica de algo más de 2 mm de diámetro; los espermatozoides, microscópicos, en forma de renacuajo, tienen entre 50 y 60 micrones de largo. Un micrón corresponde a 0,001 mm, es decir a la milésima parte de un milímetro. El genoma es el patrimonio genético de un individuo. Genoma humano, por extensión, es el patrimonio genético de los seres humanos: es nuestro paquete genético, es la herencia que nos han legado nuestros padres. Este patrimonio está alojado en los 23 pares de cromosomas, en el núcleo de cada una de las células corporales. Todas las células humanas tienen 23 pares de cromosomas; las del riñón, el ojo, la piel, el cerebro, el hígado, poseen 23 pares de cromosomas; 46 cromosomas en total. Pero las células sexuales, el óvulo (femenino), y el espermatozoide (masculino), poseen la mitad: 23 cromosomas.

2 Cada persona arma su patrimonio genético a partir de sus padres, cuando se fusionan el óvulo materno con el espermatozoide paterno, proceso que se conoce como fecundación. Recibimos 23 pares de cromosomas y cada padre aporta uno de los miembros de cada par. Imaginemos, aunque el símil dista bastante de la realidad, que cada cromosoma es como un collar de cuentas o perlas y que cada perla es un gen. Nuestras células somáticas cargan 46 collares, que en total, tienen unas cuentas; y la células sexuales, la mitad. 2 Herencia a través de la sangre? Hoy nadie duda de que la herencia se transmite desde padres a hijos a través de partículas, que Mendel llamó factores y que hoy conocemos como genes. Este hecho ya constituye un tema de cultura general. Antes de Mendel se creía que la sangre era el vehículo hereditario. Expresiones todavía en uso se fundamentan en esa creencia: este hijo es sangre de mi propia sangre; tengo un 50% de sangre irlandesa; me lo dice la voz de la sangre; por mis venas corre sangre quechua, etc. Y la sangre, ciertamente, tiene funciones muy importantes, pero no es el vehículo hereditario. Gregor Mendel ( ), sacerdote austríaco, descubridor de las leyes de la herencia: la herencia depende de factores (partículas) que los padres transmiten a sus hijos. Fue el primero en introducir la estadística en la investigación biológica, realizando cuidadosos registros durante 15 años experimentando en arvejas, en el jardín de su monasterio. La genética como ciencia nació en 1866, con los hallazgos y la publicación de los trabajos de Gregor Mendel. Sin embargo, sus logros fueron ignorados por la comunidad científica. En ese tiempo, la discusión estaba centrada en las ideas evolucionistas, lo que habría influido en el escaso impacto de su brillante trabajo experimental. A comienzo de la década del 40, las preguntas de los biólogos se referían a la naturaleza de los genes, es decir, a su composición y a la función que desempañaban. Qué son? Cómo actúan? Cómo, estos pequeñísimos pedazos de materia los cromosomas podían ser portadores de una enorme cantidad de compleja información? Estas preguntas atañen a la genética molecular, disciplina de notable desarrollo en la segunda mitad del siglo XX, que investiga los fundamentos químicos de la herencia.

3 Los estudios demostraron que la información genética está almacenada en una molécula compleja, el ADN, ácido desoxirribonucleico, probablemente el compuesto más popular del siglo XX. El análisis químico reveló que los cromosomas están formados aproximadamente por mitad proteína y mitad ADN. 3 Las células somáticas o corporales de cualquier especie contienen la misma cantidad que ADN, pero los gametos siempre llevan la mitad del ADN de las células somáticas. En 1953, el bioquímico norteamericano James D. Watson y el biofísico británico Francis Crick, publican la primera descripción de la estructura del ADN, que concuerdan con los datos conocidos y que, además, explican su papel biológico. La descripción del hallazgo en la revista científica Nature, reconoce que se trata de las dos páginas más famosas de la biología molecular. En esa molécula debían estar los genes, un término ya propuesto en Por su trabajo Watson, Wilkins y Crick recibieron el premio Nobel de Fisiología y Medicina en Los nuevos datos sobre el ADN revelaron que: - Almacena gran cantidad de información genética; - Se replica o auto duplica con facilidad y precisión para transmitir copias fieles de célula a célula y de padres a hijos, generación tras generación. Resumiendo - El genoma está formado por el conjunto de cromosomas (en la especie humana, 23 pares), que contienen genes. Los genes están constituidos por ADN. - Dentro del núcleo celular se encuentran dos series completas del genoma humano; una serie procede el padre; la otra, de la madre. Entonces, tanto el óvulo como el espermatozoide contienen una serie del genoma, una copia. Cada serie comprende los mismos genes en los mismos 23 cromosomas. En la práctica existen pequeñas diferencias entre las versiones paterna y materna de cada gen, diferencias que explican, por ejemplo, los ojos azules o castaños, la nariz respingada o aguileña, etc. - El genoma es un sistema complejo, cuyo efecto final es superior al de la suma de sus partes. Si bien el número de genes es un factor importante para expresar el fenotipo o característica visible de un organismo, más aún lo son las interacciones inter génicas y las de los genes con el medio ambiente. Entonces, cuando se afirma que se ha identificado el gen de las habilidades cognitivas o los genes de Alzheimer, es más acertado decir que se han reconocido genes comprometidos en la expresión de esos rasgos. En suma, el fenotipo

4 de cada individuo depende de las propiedades del resto del genoma y de las interacciones de éste con el ambiente. 4 Desde el origen: la célula Se suele decir que así como el átomo es la base de la organización de la materia (la materia está formada por átomos); en los seres vivos la base es la célula. Todos nuestros órganos están formados por células tenemos millones de millones de ellas y día tras día mueren millones de células y se forman otros tantos. La forma de las células es muy variada. Sin embargo la mayoría de quienes han cursado la enseñanza media, la dibujan como un huevo frito La definición más aceptada sostiene que es la unidad anatómica, funcional, reproductiva y genética de los seres vivos. Entonces, cuando en algún texto se afirma que la célula se puede comparar con los ladrillos de un edificio, el símil es muy malo: la célula no es una estructura mecánica, inerte. Por cierto, todas las células realizan funciones características y tienen rasgos comunes; sin embargo, las células de la piel tiene forma diferente de las células del hígado o del cerebro. Pero un rasgo común es que contienen cromosomas, 23 pares en la especie humana. Los cromosomas contienen los genes que tienen que ver con nuestra herencia genética, con nuestro ADN. Todas las células, salvo rarísimas excepciones, de cualquier parte del cuerpo animal o vegetal, tienen núcleo y cromosomas. Entre los cromosomas distinguimos dos grupos: los que influyen en las características somáticas o corporales, que se llaman autosomas, y los cromosomas sexuales, que determinan el sexo.

5 Tanto si se trata de las células de un dedo del pie, del hígado, la piel, cerebro, corazón, lengua... y cualquier órgano o estructura corporal, que podamos nombrar, la organización es siempre la misma: células. 5 Y las plantas como el alerce, espinaca, rosal, naranjo? Su organización corporal es distinta si se compara con la del mundo animal: raíz, tallo, hojas... Pero siempre se encuentra la misma organización fundamental: células nucleadas con cromosomas. Por cierto, hay algunas diferencias entre células animales y células vegetales. Por ejemplo, las vegetales tienen una cubierta gruesa, resistente, de celulosa, que contribuye a la rigidez vegetal. Cuántas células? Sólo se puede realizar una estimación grosera, es decir, muy aproximada, que, además, varía según los autores que se atreven a dar una cifra: el organismo humano adulto tendría unos 100 billones células, la mayoría de las cuales tiene una dimensión máxima (diámetro en algunos casos) de menos de una décima de milímetro. Para el mundo hispanoamericano, un billón es un millón de millones... un 1 seguido de doce ceros: (En los Estados Unidos, un billón es igual a mil millones: un 1 seguido de nueve ceros). A mayor número de células no necesariamente mayor complejidad. Ballenas, elefantes, hipopótamos, etc., tienen más células que la especie humana, pero no mayor complejidad. Lo mismo es válido para los cromosomas: algún gusano que no vacilaríamos en aplastar, posee 50 pares de cromosomas; la especie humana, 23 pares. Los gametos, células sexuales En la especie humana y en todos los organismos superiores con mecanismo de reproducción sexual, las llamadas células sexuales o gametos (óvulos en la mujer, espermatozoides en el hombre), se producen en las gónadas, órganos que forman parte del sistema reproductor. Las gónadas masculinas se llaman testículos; las femeninas ovarios. Los primeros producen espermatozoides; los ovarios producen óvulos. Los gametos son células que tienen la mitad del número de cromosomas de la especie. El número de cromosomas es característico para cada especie y no se relaciona con su grado de desarrollo o evolución. Cuándo se restituye la dotación completa de cromosomas? Cuando se produce la fecundación, uniéndose óvulo con espermatozoide. Entonces se forma la célula huevo, con igual aporte cromosómico de los progenitores. Importante: Si tenemos 23 pares de cromosomas, llamados para 1, par 2, etc., el óvulo tiene 1 miembro de cada par; el otro miembro lo aporta el espermatozoide. Entonces, la mitad de nuestros cromosomas proviene del padre; la otra mitad, de la madre!

6 Por qué los hermanos son diferentes? Si los padres concurren a la herencia de sus hijos con la mitad de los cromosomas cada uno, por qué los hermanos son diferentes? Cómo explicar que los gemelos idénticos sean tan parecidos como dos gotas de agua? Cómo explicar que los mellizos, en cambio, puedan ser de distinto sexo y tan parecidos o tan diferentes como hermanos que no nacen al mismo tiempo? 6 Los hermanos son diferentes, porque los gametos que los generaron, óvulo y espermatozoide son genéticamente diferentes: todos los óvulos que forme una mujer y todos los espermatozoides que produzca un hombre, tienen genes iguales y genes diferentes. Los gemelos idénticos tiene la misma herencia porque provienen de un solo óvulo. El cigoto se divide en dos partes y cada una de ellas se desarrolla separadamente. Los gemelos fraternos, mejor llamados mellizos, corresponden a dos óvulos fecundados por dos espermatozoides. Entonces, son dos hermanos diferentes, que se desarrollan en forma simultánea. Son tan parecidos, o tan diferentes como los hermanos que nacen en distintos momentos Repetimos: los gametos de una misma persona no son nunca iguales. En el caso de los gemelos, su paquete genético es el mismo, porque provienen de un solo óvulo y un espermatozoide que, después de la fecundación, en las primeras fases del desarrollo, se separan constituyendo seres independientes. Los mellizos, aunque nazcan de un mismo parto, proceden de dos óvulos y dos espermatozoides. Se llama cariotipo a la representación gráfica del aspecto físico de los cromosomas de un organismo, que en la figura aparecen clasificados en grupos. En el caso de la especie humana, sólo desde 1956 se estableció que teníamos 46 cromosomas y no 48.

7 El cariotipo humano 7 La constitución genética total, de 46 cromosomas, se denomina diploide, y se expresa así: 2n, donde n = 23. La constitución de los gametos es haploide, n, donde n = 23. Los cromosomas que aparecen en el cariotipo humano son característicos de las primeras fases de la división celular, donde se han duplicado. Cada cromosoma está formado por dos cromátidas hermanas unidas entre sí. Por tal motivo, en cada par de cromosomas contamos cuatro barras y no dos. En la especie humana, la masculinidad está representada por el cromosoma sexual Y. La división celular mitótica La cromatina del núcleo celular esa madeja enmarañada -, el conjunto de largos filamentos, condensan y engruesan cuando comienza la división celular. En este caso se dice que los cromosomas, duplicados, están formados por dos cromátidas que se llaman hermanas, genéticamente iguales. El contenido de los cromosomas, es decir, el ADN ya se ha duplicado. Simplificadamente, la división celular es el proceso que distribuye el material celular en dos células hijas de menor tamaño. Este proceso, completo, tarda pocas horas o varios días, dependiendo de factores como los principios nutritivos disponibles y la temperatura. Se denomina interfase al período que media entre dos divisiones celulares sucesivas. En la interfase se duplica el ADN. El proceso mismo de división celular se conoce

8 como mitosis, y es propio de las células diploides, con 2n cromosomas, que generan células hijas, que también poseen 2n cromosomas. 8 Cómo se explica este hecho? Las cromátidas hermanas se separan; son cromosomas hijas. Un conjunto de cromosomas va a una célula hija; el otro conjunto, a otra célula hija. Las cromátidas hermanas primitivas, de la célula original, son ahora, en las células hijas, los cromosomas; éstos reaparecen en el núcleo como hebras de cromatina. Cuál es el significado biológico de la división celular mitótica? - Para organismos unicelulares como la ameba, paramecio, euglena, etc., implica reproducción. - Para los pluricelulares, como el hombre, supone crecimiento y remplazo de células. Constantemente mueren miles y miles de células de nuestro cuerpo... Cuando nos hacemos una herida, la cicatrización conlleva la formación de millares de nuevas células. - Cada célula hija recibe un juego completo de cromosomas, idéntico al de la célula progenitora. La división mitótica es precedida por la duplicación del ADN; las células hijas son genéticamente iguales. - Todas las células de nuestro organismo se originan por mitosis, a excepción de los gametos. - En la mitosis, proceso de división de todas las células corporales a excepción de los gametos, las células hijas resultantes son genéticamente idénticas a la célula original. Los gametos que produzca una persona son diferentes! Cuando hay fecundación y se forma la célula huevo o cigoto, se transmite una serie completa del genoma, que no es exactamente igual para todos los óvulos que produzca la madre ni para todos los espermatozoides del padre. Primer factor: la distribuciones posibles de los cromosomas durante la meiosis son muy grandes: los cromosomas paterno y materno no permanecen juntos, sino que se distribuyen en forma independiente, de tal forma que el potencial de variabilidad genética es enorme: un hombre con sus 46 cromosomas puede producir 2 24 tipos de espermatozoides diferentes, es decir, combinaciones distintas de cromosomas Y lo mismo ocurre con la mujer sin considerar las variaciones que va a introducir el crossing over.

9 9 En este dibujo se ilustran las distribuciones posibles de los cromosomas en la meiosis para un organismo que solo tiene 4 cromosomas (izq.) y 6 cromosomas (der). En este dibujo los cromosomas negros son de origen paterno y los coloreados de origen materno. Pero en la meiosis estos cromosomas no permanecen juntos, sino que se distribuyen en forma independiente: (a) (b) Si la cantidad de cromosomas es 4, la cantidad de combinaciones posibles de cromosomas es 2 2 (es decir, 4 combinaciones). Si la cantidad original de cromosomas del organismo es 6, los gametos posibles (combinaciones) es 2 3 = 8 combinaciones. En la especie humana, con 46 cromosomas, tanto el hombre como la mujer pueden producir 2 23 combinaciones distintas de cromosomas = combinaciones distintas. (Ilustración y texto: Invitación a la Biología, pág H. Curtis y N. Sue Barnes, Ed. Médica Panamericana, Madrid, España, 2000) Segundo factor: cuando se forman óvulos y espermatozoides hay un intercambio de bloques o fragmentos de cromosomas paternos y maternos, proceso que se conoce como crossing - over. Este fenómeno ayuda a explicar, también, por qué los hijos de una misma pareja nunca son iguales, salvo el caso de los gemelos idénticos. El entrecruzamiento cromosómico (o crossing over en inglés) es el proceso por el cual dos cromosomas las cromátidas homólogas - se aparean e intercambian secciones de su ADN. El resultado de este proceso es un intercambio de genes, llamado recombinación genética.

10 Si bien todas nuestras células ya sean del cerebro, el hígado, la piel o los riñones, tiene 23 pares de cromosomas, es decir, 46 en total; los gametos tienen la mitad: 23 cromosomas. 10 En el momento de la fecundación en el cigoto cuando se produce la fusión del gameto masculino con el femenino se restituye la dotación cromosómica completa: 23 cromosomas del óvulo + 23 cromosomas del espermatozoide = 46 cromosomas (23 pares). Los cromosomas sexuales del hombre son diferentes: X e Y; en la mujer son iguales, X y X. Convencionalmente, entonces, la dotación cromosómica del hombre se representa como 44XY; en la mujer, 44XX. La constitución genética se conoce como genotipo: XY corresponde a un carácter visible masculino; el genotipo XX se manifiesta como carácter visible femenino. Cualquier carácter visible se llama fenotipo, pero la constitución genética que está en nuestras células, que no es visible, de llama genotipo. Recordemos que todos los óvulos de una mujer llevarán el cromosoma sexual X, mientras los espermatozoides del varón serán X o Y. La condición femenina XX o masculina XY depende de cual sea el espermatozoide que fecunda al óvulo: si el espermatozoide lleva el cromosoma sexual X, el sexo será femenino; si el espermatozoide contiene el cromosoma sexual Y, el sexo de la criatura será masculino. En el diagrama. P representa a los padres. El símbolo se usa para hembra, y para macho. El varón, 44XY, produce dos tipos de gametos (G) 22X que llevan el cromosoma sexual X y 22Y con el cromosoma sexual Y. La mujer, 44 XX solo produce gametos con el cromosoma sexual X; es decir, 22X Posibilidades? Solo dos: si el óvulo es alcanzado por el espermatozoide X, entonces: 22X + 22X = 44XX, mujer; si en cambio es fecundado por un espermatozoide Y, tendremos: 22X + 22Y = 44XY, varón Probabilidades? Es como tirar una moneda al aire: cara o sello; masculino o femenino! Es decir, las probabilidades están en 50% para hombre o mujer, o, lo que es lo mismo 1:1. Para cada proceso de gestación las probabilidades son las mismas. Entonces, si una pareja tiene 3 mujeres es como tirar una moneda al aire y salió, por ejemplo, tres veces

11 seguidas cara. Recordemos, además, que cada evento (en este caso, cada fecundación) es un proceso distinto, entonces, en cada uno de ellos, opera el azar. La extensa mitología de qué hacer para engendrar un hijo de un sexo determinado solo tiene el valor del pintoresquismo, pero ningún asidero científico! 11 a la el la Otro dibujo aclaratorio: a la izquierda, la mujer XX, solo genera óvulos con el cromosoma sexual X; derecha, el hombre produce dos tipos de espermatozoides; unos con cromosoma sexual X, otros con el cromosoma sexual Y. Cuando se da combinación XX, el sexo es femenino; cuando se da XY, masculino. El ciclo vital en la especie humana En primer lugar, en el ciclo vital de la especie humana destacan dos modalidades de reproducción celular: mitosis y meiosis. El primer proceso ocurre con nuestras células somáticas o corporales de la piel, los intestinos, el hígado, el estómago, etc. En este proceso de división las células somáticas con 23 pares de cromosomas dan origen a dos células hijas, genéticamente iguales, con la misma dotación cromosómica: 23 pares. En cambio, en la meiosis, a partir de una célula con 23 pares de cromosomas, se generan células, óvulo y espermatozoide, con la mitad del número de cromosomas 11 pares de cromosomas + 1 cromosoma sexual: 22 X o 22Y. Entonces, la meiosis reduce en número de cromosomas a la mitad: los gametos tienen 23 cromosomas.

12 En los ovarios, células que tienen 2n cromosomas = 23 pares, dan origen al óvulo (n) a través de un proceso meiosis - que reduce el número de cromosomas a la mitad. Por su parte, el mismo proceso meiótico ocurre en las gónadas masculinas, cuando se generan los espermatozoides. Cuando en el tracto genital femenino se liberan los espermatozoides y existe la presencia de un óvulo, hay posibilidades de fecundación, formándose el cigoto. En él se restituye la condición diploide: tiene 23 pares de cromosomas, la mitad proviene de la madre; la otra mitad, del padre. 12 El cigoto inicia su proceso de desarrollo. Al cabo de un tiempo, en el segundo mes el embrión pesa cerca de 1 gramo y mide unos 3 cm de largo. Ya tiene un aspecto humano y recibe el nombre de feto. El nacimiento se produce más o menos a los 266 días de la concepción y todas sus células son diploides: tienen 23 pares de cromosomas. El bebé ya fuera del tracto genital femenino inicia su desarrollo; si es varón, a partir de la pubertad producirá espermatozoides si es mujer, producirá un solo óvulo cada 28 días aproximadamente. En cambio, la producción es espermatozoides se traduce en millones y millones. La variabilidad genética de los gametos está asegurada por la meiosis; tanto para el hombre como la mujer se dan más de de posibilidades distintas en cada proceso, para cada óvulo, para cada espermatozoide a lo cual hay que agregar el proceso de crossing over.

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