Carlos del Porto Blanco

Los genes son segmentos de ADN que contienen la información necesaria para construir y mantener a los seres vivos. Desde que se descubrieron en el siglo XX, han sido una pieza clave para entender cómo se heredan las características de los seres vivos y cómo funcionan los organismos a nivel molecular. A estas moléculas dedicaré la columna de hoy.

Nada en biología tiene sentido si no es a la luz de la evolución. Theodosius Dobzhansky

Desde que el monje austriaco Gregor Mendel descubrió las bases de la herencia en 1865, estudiando guisantes en el jardín del monasterio agustino de St. Thomas de Brünn, actualmente en Brno, República Checa, la humanidad ha desentrañado poco a poco los secretos de los genes. Como resultado de esos experimentos, Mendel fue capaz de concebir más de 29 000 especies de guisantes. Esas pequeñas unidades de información biológica son las que determinan desde el color de los ojos de una persona hasta su predisposición a ciertas enfermedades. Pero, ¿qué son exactamente y cómo han cambiado nuestra comprensión de la vida?

Para lograr sus resultados, Mendel cruzó, por ejemplo, especies de guisantes que siempre producían semillas redondeadas con especies que producían semillas arrugadas o las plantas de tallos largos con las plantas de tallos cortos, y así con otras muchas características. De esa forma descubrió que, a diferencia de lo que creía Darwin, las características de los guisantes descendientes no era una mezcla de las características de los dos guisantes originales, sino que solo aparecía uno de los rasgos, que predominaba frente a los demás.

También descubrió que algunas características que no aparecían en una generación podían aparecer en la siguiente. De ese modo, Mendel concluyó que existían “factores” de emparejamiento dominantes y recesivos (lo que ahora conocemos como genes dominantes y genes recesivos).

Gregorio Mendel

Aunque los genes son fundamentales, no son el único factor. El ambiente, la alimentación, el estrés, el ejercicio físico e incluso las experiencias emocionales pueden influir en cómo se expresan los genes. Esa área de estudio se llama epigenética, y actualmente tiene un gran desarrollo. Por ejemplo, gemelos idénticos comparten el mismo ADN, pero con el tiempo pueden desarrollar enfermedades diferentes. ¿Por qué? Porque factores externos activan o desactivan ciertos genes, como interruptores que se encienden o apagan según el contexto.

La epigenética se refiere a la regulación genética que no implica alterar la secuencia del ADN. (La alteración de la secuencia del ADN es un proceso conocido como mutación). En cambio, otros factores actúan sobre los genes, provocando que se activen o desactiven. Un ejemplo de cómo sucede eso es el proceso conocido como metilación. Durante la metilación, un grupo metilo (un átomo de carbono unido a tres átomos de hidrógeno) se une a una sección del ADN. Esto puede bloquear la transcripción, desactivando ese gen. Los factores ambientales, como la dieta o la exposición a contaminantes, pueden causar cambios epigenéticos. Aunque no cambian la secuencia del ADN, los cambios epigenéticos en un genoma pueden transmitirse a las generaciones futuras. Pero esos cambios también son reversibles. Algunos cambios epigenéticos pueden tener efectos negativos en la salud, incluido el desarrollo de algunos tipos de cáncer.

Un ejemplo de lo acá mencionado se aprecia en un caso concreto, la fascinación que causan los diferentes colores de los ojos humanos en realidad la explicación que subyace es bastante simple. El color de los ojos se debe a dos tipos de pigmento: eumelanina (pardo-negro) y fenomelanina (rojo).

Así, en los ojos oscuros hay mucha eumelanina y en los claros, poca. Es decir, que si los ojos se ven azules es por las fibras de colágeno blanco en el tejido conectivo del iris, que dispersan la luz y hacen que el iris se vea azul. A su vez, las diferentes tonalidades de carmelita, azul y verde son determinadas por el grosor y densidad del iris y el grado de acumulación de las fibras de colágeno blanco.

El 75 por ciento depende de un gen llamado OCA2, responsable de controlar la cantidad de pigmento fabricada en el iris, amén de que la expresión de ese gen depende de cambios en una única letra del ADN en tres regiones diferentes, y hay otras regiones específicas para el color verde y… en, fin, que toda esa enorme complejidad da como resultado un ojo con diferentes texturas y matices al que simplificadamente llamamos “ojos azules” u “ojos pardos” como si a un cuadro impresionista se definiera como un montón de manchas.

Todas las personas de ojos azules en el planeta son descendientes de un único europeo que vivió hace unos 6000 a 10 000 años y que fue descubierto en España. Este hombre que vivía en una cueva que era de piel oscura y que fue el primero en desarrollar una mutación específica que da cuenta de la coloración del iris, ahora generalizada. Originalmente, todos los seres humanos tenían los ojos pardos, aunque una variación genética en el gen OCA2, cambió la cantidad de pigmento encontrado en diferentes individuos y dio lugar a los diferentes tonos de carmelita.

Mujer con ojos azules

Sin embargo, el color azul responde a otro gen, el HERC2. La alteración en HERC2 hace que el gen OCA2, que determina la cantidad de pigmento, “se apague”. No se conservan los ojos de ese primer hombre, obviamente, pero un análisis genético de sus huesos reveló que esa persona es, hasta la fecha, el humano con los ojos azules más primitivo de la historia. Ahora, el 10% de la población tiene los ojos de ese color. Son relativamente frecuentes en Europa, existiendo zonas en los países nórdicos y del este en las que la gran parte de la población tiene los tiene así. Sólo un 3% de la población mundial tiene los ojos verdes. Así pues, todas las personas tenían ojos pardos hasta que una mutación genética en el gen OCA2 desencadenó un proceso que literalmente “apagó” la capacidad de producir el color carmelita en el iris.

Mujer con ojos pardos

También hay personas con los ojos de color violeta, como los de la actriz estadounidense Liz Taylor. Ese color, en realidad, se produce debido a una mezcla de tonos rojos con reflejos azules, que dan como resultado un «irreal» azul muy intenso. Es frecuente en personas afectadas de albinismo, aunque también se han dado casos en otras personas que no padecen esa condición.

Así de fascinante, además de pedestre, es el color de los ojos en los seres humanos: unos simples genes, una mezcla de pigmentos, y el resultado único en cada lienzo.

¿Qué es un gen?

Un gen es una unidad de información en un locus (una posición fija de un gen o de un marcador genético en un cromosoma) de ácido desoxirribonucleico (ADN) que codifica un producto génico, ya sea proteínas o ARN. Es la unidad molecular de la herencia genética, pues almacena la información genética y permite transmitirla a la descendencia. Los genes se encuentran en los cromosomas, y cada uno ocupa en ellos una posición determinada llamada locus. El conjunto de genes de una especie se denomina genoma.

Para cada locus, pueden existir varios alelos (una de dos o más versiones de una secuencia de ADN) posibles (es decir, pueden tener distintas formas con distintas consecuencias). Cuando los genes se encuentran muy próximos, es menos probable que se separen en el entrecruzamiento, es decir, no se segregan en forma independiente sino en bloque. Se denominan grupos de ligamiento al conjunto de genes situados en locus próximos que se transmiten en conjunto.

Molecularmente el gen es una secuencia de nucleótidos contiguos en la molécula de ADN (o de ARN en el caso de algunos virus) que contiene la información necesaria para la síntesis de una macromolécula con función celular específica, es decir, vinculados al desarrollo o funcionamiento de una función fisiológica. Generalmente esos productos son proteínas, previo paso por ARN mensajero (ARNm), pero también ARN no codificantes, como ARN ribosómico (ARNr), ARN de transferencia (ARNt) y muchos otros con funciones reguladoras o cuya función se va conociendo poco a poco.

Mirándolo de una manera más sencilla, se puede decir que un gen es un segmento de ADN que contiene las instrucciones para producir proteínas, éstas a su vez, son las herramientas del cuerpo: enzimas que aceleran reacciones, estructuras que dan forma a las células, hormonas que mandan señales, anticuerpos que defienden contra infecciones. Cada célula humana contiene aproximadamente 20 000 genes, distribuidos en 23 pares de cromosomas. Y aunque se comparte más del 99.9% del ADN con cualquier otra persona, ese 0.1% de diferencia es el que hace único a cade ser humano: determina desde el tipo de sangre hasta la susceptibilidad a enfermedades como el Alzheimer o el cáncer. Si el ADN fuera un libro, los genes serían sus capítulos, escritos con un alfabeto de solo cuatro letras: A (adenina), T (timina), C (citosina) y G (guanina).

El concepto de gen ha ido variando a lo largo del tiempo, conforme ha avanzado la ciencia que lo estudia, la genética:
• Gregor Mendel en sus experimentos propuso la idea original del gen, aunque él no los denominó genes, sino factores, y vendrían a ser los responsables de la transmisión de los caracteres de una generación a la siguiente (lo que ahora se identifica como genotipo). El gen mendeliano es una unidad de función, estructura, transmisión, mutación y evolución que se distribuye y ordena linealmente en los cromosomas.
• La palabra gen fue acuñada en 1909 por el botánico danés Wilhelm Johannsen a partir de una palabra griega que significa «generar», refiriéndose a la unidad física y funcional de la herencia biológica.
• Hacia 1950, se impuso el concepto de gen como la cadena de ADN que dirige la síntesis de una proteína. Ese es un concepto que proporciona una naturaleza molecular o estructural al gen. El gen codifica proteínas y debe tener una estructura definida por el orden lineal de sus tripletes o codones.
• Posteriormente surgió el concepto de gen como actualmente se llama un cistrón: la cadena de ADN capaz de dirigir la síntesis de un ARN que codifica para un polipéptido (Dogma central de la biología molecular). Ese concepto surge al comprobar que la mayoría de las proteínas están formadas por más de una cadena polipeptídica y que cada una de ellas está codificadas por un gen diferente.

Desde los años 1980 se conoce que algunos genes codifican más de un polipéptido y que una proteína puede ser codificada por un conjunto de genes diferentes. Existen algunos genes que no codifican proteínas sino ARN con función propia (ARN transferentes y ARN ribosómicos, por ejemplo) y que no se traducen, por lo que no es necesaria la traducción para que un gen tenga una función determinada. El gen es, pues, la unidad mínima de función genética, que puede heredarse.

A partir de la teoría original de Mendel de la determinación de caracteres físicos específicos (por ejemplo, el color de los pétalos de una flor) mediante partículas hereditarias discretas, el concepto de gen ha evolucionado gradualmente hacia el de unidad funcional. Eso fue anunciado por primera vez en 1945 por el genetista George Beadle, quien propuso que cada gen era específico: la hipótesis “un gen, una proteína”. Fue modificada posteriormente cuando se comprendió que los genes podían determinar además proteínas no enzimáticas y también cadenas polipeptídicas individuales (subunidades proteicas) y los diversos tipos de ARN involucrados en la síntesis de proteínas. El desarrollo de nuevas técnicas en la década de los sesenta y ochenta, especialmente la secuenciación del ADN y la clonación de los genes, permitió a los genetistas moleculares desentrañar la estructura precisa de los genes hasta el nivel de las bases. Tales técnicas aportan mucha información sobre cómo se activan y desactivan los genes y sobre otros aspectos de su expresión.

En la ingeniería genética se modifica el genoma de un organismo usando métodos biotecnológicos. Desde la década de los 1970, se han desarrollado técnicas que pueden agregar y editar genes específicos de organismos. Las técnicas de ingeniería de genoma más recientes utilizan enzimas nucleasas para fomentar la reparación de ADN específica en cromosomas, con tal de inactivar o editar un gen cuando el corte producido se repare. Existe un concepto semejante, el cual es biología sintética y se suele referir al diseño genético extensivo de organismos.

Hoy en día la ingeniería genética es una herramienta de rutina para la investigación de ciertos organismos modelo. Por ejemplo, se puede agregar genes a las bacterias fácilmente mientras que linajes de ratón con genes específicos inactivados son usados para investigar la función de esos genes. Se han modificado muchos genes con fines relacionados con la agricultura, la medicina y la biotecnología industrial. Para su aplicación en organismos multicelulares, por lo general se modifica genéticamente un embrión que luego crecerá hasta convertirse en un organismo genéticamente modificado adulto. Por otra parte, el material genético de células de organismos adultos puede ser editado mediante técnicas de terapia génica para curar enfermedades con causas genéticas.

La historia de la genética.

La historia de los genes es una narrativa científica fascinante y dinámica. Ésta cuenta cómo un concepto abstracto, nacido de la curiosidad por la herencia familiar y los parecidos entre padres e hijos, se transformó en uno de los pilares de la biología moderna y de la medicina del siglo XXI.

Todo empezó en un modesto jardín del monasterio de Mendel. En 1866, éste, publicó un artículo titulado “Experimentos sobre híbridos vegetales”, en el que planteaba leyes sobre la herencia basadas en sus observaciones. Pero su trabajo pasó inadvertido durante más de 30 años. Fue solo en 1900 cuando tres científicos —Hugo de Vries, Carl Correns y Erich von Tschermak— redescubrieron sus hallazgos casi simultáneamente. Mendel fue reconocido entonces como el padre de la genética, aunque murió sin saberlo.

En 1905, el inglés William Bateson creó el término genética para definir la nueva disciplina. Y en 1909, el botánico danés Wilhelm Johannsen acuñó por primera vez la palabra gen para describir esas unidades heredables.

En las primeras décadas del siglo XX, Thomas Hunt Morgan demostró que los genes estaban localizados en los cromosomas, estudiando el patrón de herencia en las moscas de la fruta (Drosophila). En 1928, Frederick Griffith realizó un experimento famoso, donde demostró que el material genético podía transferirse entre bacterias, pavimentando el camino a la comprensión de la naturaleza química de los genes.

En 1944 un equipo liderado por Oswald Avery demostró, mediante experimentos con bacterias, que el material genético no era una proteína, como muchos creían, sino el ácido desoxirribonucleico (ADN).

Pero la gran revelación llegó en 1953, en un laboratorio del Laboratorio Cavendish, en Cambridge, Inglaterra, Reino Unido, cuando James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura del ADN: una doble hélice, como una escalera retorcida. Hallazgo, inspirado en parte por las imágenes de rayos X de Rosalind Franklin (cuya contribución fue injustamente ignorada en su momento), cambió para siempre la biología. “¡Hemos descubierto el secreto de la vida!”, habría exclamado Watson al entrar a un pub cercano, según cuenta la leyenda. Aunque exagerado, el entusiasmo era comprensible: por fin se entendía cómo se almacenaba y copiaba la información genética.

Uno de los mayores hitos científicos del siglo XXI fue el Proyecto Genoma Humano, comenzado en 1990 y completado en 2003. Su objetivo fue secuenciar los 3000 millones de letras (llamadas bases) del ADN humano. Costó unos 3000 millones de dólares y requirió la colaboración de miles de científicos en varios países. Hoy, gracias a ese proyecto, se pueden identificar genes relacionados con enfermedades raras, personalizar tratamientos médicos e incluso rastrear los orígenes evolutivos de la especie humana. Y como muestra del desarrollo tecnológico. En la actualidad se puede secuenciar un genoma humano por menos de 500 dólares y en cuestión de días.

En 2012, las científicas Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier desarrollaron una herramienta revolucionaria: CRISPR-Cas9, una especie de tijeras moleculares que permiten editar genes con precisión quirúrgica. Con esa herramienta los científicos pueden corregir mutaciones genéticas que causan enfermedades como la anemia falciforme o la distrofia muscular. Pero también plantea dilemas éticos: ¿se deberían editar los genes de embriones humanos? ¿Hasta dónde llega el derecho a “mejorar” a nuestros hijos?

En 2018, el científico chino He Jiankui causó conmoción a nivel mundial al anunciar el nacimiento de las primeras bebés modificadas genéticamente para resistir el VIH. Su experimento fue ampliamente condenado por la comunidad científica por saltarse normas éticas y de seguridad. Hoy, la edición genética en embriones sigue siendo un tema altamente controvertido.

Hitos en la genética

• 1866: Gregor Mendel, publica sus experimentos con guisantes, descubriendo patrones de herencia que hoy conocemos como leyes de Mendel.
• 1869: Friedrich Miescher identifica una sustancia en los núcleos celulares que llama “nucleína”, hoy conocida como ADN.
• 1900: Hugo de Vries, Carl Correns y Erich von Tschermak redescubren el trabajo de Gregor Mendel, marcando el nacimiento oficial de la genética moderna.
• 1905, el inglés William Bateson creó el término genética para definir la nueva disciplina.
• 1909: el botánico danés acuñada la palabra gen.
• Primeras décadas del siglo XX, Thomas Hunt Morgan demostró que los genes estaban localizados en los cromosomas.
• 1928, Frederick Griffith realizó un experimento donde demostró que material genético podía transferirse entre bacterias.
• 1944, Un equipo liderado por Oswald Avery demostró, mediante experimentos con bacterias, que el material genético no era una proteína, como muchos creían, sino el ácido desoxirribonucleico (ADN).
• 1953: James Watson y Francis Crick describen la estructura de doble hélice del ADN, basándose en datos de Rosalind Franklin (cuya contribución fue clave pero poco reconocida en su época).
• Años 1970, Frederick Sanger desarrolló métodos para secuenciar ADN; ese mismo decenio vio el nacimiento de la ingeniería genética y el primer medicamento comercial producido por organismos modificados genéticamente: la insulina humana en 1982.
• 1975: Se desarrollan los primeros métodos de secuenciación de ADN, permitiendo leer el código genético letra por letra.
• 1981, científicos crean los primeros ratones transgénicos: animales con genes ajenos, revolucionando el estudio de enfermedades.
• 1990-2003: Se completa el Proyecto Genoma Humano, comenzado en 1990, secuenciando por primera vez todo el ADN humano. Costó 13 años y 3000 millones de dólares; hoy, secuenciar un genoma tarda horas y cuesta menos de 500 dólares.
• 2012: La herramienta de edición genética CRISPR-Cas9, inspirada en un sistema inmunitario bacteriano, revoluciona la biología. En 2020, sus creadoras, Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna, ganan el Premio Nobel de Química por esa tecnología.
• 2016: nace un bebé tras un procedimiento de transferencia mitocondrial que le evitó una enfermedad hereditaria fatal.
• 2018, científicos lograron editar genes en embriones humanos usando la tecnología CRISPR, lo que generó un intenso debate ético sobre las implicaciones de modificar nuestro ADN.
• 1985-2019, los científicos identifican una preocupante disminución global de la diversidad genética en más del 67% de las especies estudiadas entre, lo que podría afectar la resiliencia ecológica.
• 2025: Investigadores del proyecto CureHeart logran editar genes defectuosos en modelos animales usando técnicas de base y prime editing, con el objetivo de curar enfermedades cardíacas hereditarias
• 2025, se publica el genoma humano más completo hasta la fecha, con secuencias de 65 individuos de diversos ancestros, lo que mejora la precisión de la medicina genómica.

Curiosidades genéticas

• El 99.9% del ADN de una persona es idéntico al de cualquier otra. Las diferencias (como el color de piel o la altura) están en ese 0.1% restante.
• Los humanos comparten el 60% de sus genes con los plátanos y el 98% con los chimpancés.
• El gen más largo conocido, la distrofina, tiene 2.4 millones de bases. Si fuera un libro, ¡tendría unas 8000 páginas!
• En 2008, el genetista Kary Mullis, inventor de la técnica PCR, confesó que la idea le llegó mientras conducía por la autopista de California. Esa técnica sería clave para detectar virus como el SARS-CoV-2 décadas después.

Hoy, la genética no solo explica enfermedades, sino que permite crear terapias génicas (como para la anemia falciforme) y hasta resucitar especies extintas (proyectos como el del mamut lanudo). Hace pocas semanas fue noticia el nacimiento de unos cachorros con caracteres del lobo huargo, un personaje famoso en la saga Juego de Tronos. Como el lector o lectora se habrá dado cuenta, esta área del conocimiento está sujeta, como muchas otras, a dilemas éticos: ¿Se deben editar embriones humanos? ¿Quién tiene acceso a nuestros datos genéticos? Y otras muchas. No debe ser la tecnología quien debe dar la respuesta final, están convocados los especialistas de otras muchas ramas del conocimiento.

Los genes son la esencia de la vida, y cada avance nos recuerda lo increíblemente compleja y fascinante que es su historia. Tengámoslo en cuenta.

Referencias

• Gen. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Gen
• Gene. Enciclopedia Británica. https://www.britannica.com/science/gene
• Genes. National Geographic. https://education-nationalgeographic-org.translate.goog/resource/genes/?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=es&_x_tr_hl=es&_x_tr_pto=tc&_x_tr_hist=true
• Parra Sergio. ¿Por qué tenemos los ojos negros, marrones, azules o incluso violetas?: la ciencia detrás de nuestra mirada. Xataca. https://www.xatakaciencia.com/sabias-que/que-tenemos-ojos-negros-marrones-azules-incluso-violetas-ciencia-detras-nuestra-mirada