Mutaciones genéticas: tipos, causas y consecuencias en la evolución

El fenómeno de la mutación

La información genética de los seres vivos se transmite de generación en generación con gran fidelidad; sin embargo, puede sufrir cambios que reciben el nombre de mutaciones. Las mutaciones son cambios producidos en la secuencia o en el número de nucleótidos del ADN de una célula.

Las mutaciones pueden ser perjudiciales, beneficiosas o neutras para el organismo. Gran parte de los alelos existentes han surgido por mutación de un gen. Así, todos los miembros de una especie son diferentes entre sí. Las circunstancias del medio también pueden influir en los alelos.

Tipos de mutaciones

Atendiendo al número de células afectadas

1. Germinales: afectan a los gametos, es decir, a las células de la línea germinal. Se transmiten a la descendencia y sobre ellas actúa la selección natural.
2. Somáticas: afectan a las células somáticas y a las que proceden de ellas. Afectan al individuo causando enfermedades pero no son heredables.

Atendiendo a la extensión del material genético afectado

• a) Génicas: provocan cambios en la secuencia de nucleótidos de un gen.
• b) Cromosómicas: afectan a la disposición de los genes en un cromosoma.
• c) Genómicas: alteran el número de cromosomas característico de la especie.

El origen de las mutaciones

Gran parte se producen de manera espontánea, como errores en la replicación o en la meiosis. La tasa de mutación (número de mutaciones que se producen en un determinado espacio de tiempo) es más baja en bacterias que en organismos complejos, ya que estas tienen menos genes; sin embargo, las mutaciones son más notables.

Otras son causadas por agentes físicos o químicos, llamadas mutaciones inducidas, y los agentes son los mutagénicos.

Mutaciones génicas

Son las que alteran la secuencia de nucleótidos de un solo gen (puntuales). Se pueden distinguir dos tipos:

1. Sustituciones de bases

• a) Transiciones: se sustituye una base púrica por otra púrica, o una pirimidínica por otra pirimidínica.
• b) Transversiones: se sustituye una base púrica por una pirimidínica, o viceversa.

Como estas mutaciones solo afectan a un nucleótido, solo se ve afectado un triplete, el cual puede sustituirse por otro dando lugar a la mutación silenciosa, que no afecta al individuo.

2. Mutaciones por corrimiento de la pauta de lectura

Son inserciones y deleciones (adición o pérdida de algún nucleótido). Cuando el gen afectado se traduce, se produce una proteína diferente.

Resumen: cuando no hay mutación no se producen cambios; si ocurre una transición, solo se afecta una base y los cambios apenas se aprecian; si hay una transversión, pueden apreciarse cambios; y cuando hay una inserción o una deleción, las consecuencias ya son considerables, ya que varían varios tripletes de bases e incluso en la deleción se acaba la lectura.

Mutaciones cromosómicas

Provocan cambios en la estructura de los cromosomas. Pueden afectar al orden de los genes en los cromosomas o a su número; a veces, un gen o grupo de genes puede estar repetido o faltar.

Tipos

• a) Deleciones o deficiencias: se da una deleción cuando falta un segmento cromosómico, y deficiencia si el segmento está en el extremo del cromosoma.
• b) Duplicaciones o repeticiones: aparece un segmento cromosómico más de una vez.
• c) Translocaciones: cambio de localización de un segmento cromosómico. Puede ser recíproca, con intercambio entre dos cromosomas no homólogos, o no recíproca, cuando no se produce intercambio.
• d) Inversiones: son segmentos cromosómicos que han girado 180º y su secuencia génica queda invertida con respecto a la del resto del cromosoma. Son pericéntricas si en el fragmento invertido se encuentra el centrómero y paracéntricas en caso contrario.

Consecuencias de las mutaciones cromosómicas

Normalmente, las translocaciones e inversiones afectan poco al portador, ya que no varía el número de genes. Las deleciones y duplicaciones pueden tener consecuencias graves, aunque solo afecten a un cromosoma de la pareja de homólogos. Un ejemplo es el síndrome de Down, que se debe a una trisomía. El síndrome de Down familiar se debe a que un progenitor tenía una translocación de un fragmento del cromosoma 21.

Mutaciones genómicas

Son variaciones en el número normal de cromosomas de una especie.

1. Euploidías

Alteraciones en el número normal de dotaciones cromosómicas. Hay dos tipos:

• a) Monoploidía o aploidía: existe un solo cromosoma de cada par.
• b) Poliploidía: contiene más de un juego completo de cromosomas y pueden ser triploides, tetraploides…

2. Aneuploidías

Los individuos afectados presentan un cromosoma de más o de menos.

• a) Trisomías: los portadores poseen un cromosoma de más. Su dotación cromosómica es 2n + 1. Afectan tanto a autosomas como a cromosomas sexuales.
• b) Monosomías: carecen de un cromosoma de una pareja de homólogos. Su dotación es 2n – 1. La carencia de un autosoma es letal.

Aneuploidías humanas más frecuentes

• Síndrome de Down (trisomía 21)
• Síndrome de Edwards (trisomía 18)
• Síndrome de Patau (trisomía 13)
• Síndrome de Klinefelter (44 autosomas + XXY)
• Síndrome del triple X (44 autosomas + XXX)
• Síndrome del doble Y (44 autosomas + XYY)
• Síndrome de Turner (44 autosomas + X)

Agentes mutagénicos

1. Físicos

• a) Radiaciones ionizantes: rayos X y rayos γ.
• b) Radiaciones no ionizantes: rayos ultravioleta.

2. Químicos

• a) Ácido nitroso: produce la desaminación de las bases, causando transiciones.
• b) Agentes alquilantes: actúan sobre las bases añadiendo grupos etilo o metilo, con lo que se altera la replicación del ADN. Provocan transiciones.
• c) Sustancias análogas a las bases nitrogenadas: sustituyen a las bases y provocan transiciones, lo que produce errores en la replicación.
• d) Sustancias intercalantes: algunos colorantes pueden intercalarse entre las bases de una cadena de ADN y dar origen a inserciones o deleciones de un solo par de bases.

Mutación y cáncer

En ocasiones, las células se dividen sin control dando lugar a tumores, que son benignos si las células tienden a crecer lentamente y se mantienen juntas. Si, por el contrario, se reproducen rápidamente e invaden órganos, el tumor es maligno y la persona tiene cáncer.

Las células cancerosas tienen en común:

• El crecimiento desordenado y descontrolado.
• La capacidad de migrar a través del sistema circulatorio sanguíneo o linfático e invadir otros órganos; esto se denomina metástasis.

Características de las células cancerosas

• Proliferan continuamente.
• Pierden características fenotípicas (cambios de forma).
• Pierden la inhibición por contacto cuando chocan sobre otras.
• Provocan tumores al inyectarlas en animales de experimentación.

Para que una célula se transforme en cancerosa y se origine un cáncer, es necesaria la acumulación de mutaciones en los genes implicados en la proliferación.

Tipos de genes asociados con el cáncer

• a) Protooncogenes: son genes normales presentes en todas las células que, cuando se convierten en genes causantes de cáncer (oncogenes), provocan la multiplicación anárquica de la célula.
• b) Genes supresores de tumores: genes que codifican proteínas encargadas de evitar el crecimiento descontrolado. Las proteínas supresoras reparan el ADN dañado y controlan la adhesión de las células.

Proteínas que intervienen en las vías de señalización celular

En 1979 se descubrió la proteína p53, una fosfoproteína codificada por el gen p53 situado en el cromosoma 17, llamada “el ángel guardián del genoma”, ya que se activa cuando la célula va a dividirse para vigilar la secuencia normal que permite la proliferación celular. Si el material genético está dañado, intenta restaurarlo de la siguiente forma:

• Detiene el ciclo celular en el punto G1 para evitar la replicación dañada y dar tiempo a repararlo.
• Activa los genes implicados en la reparación del ADN.
• Inicia la muerte celular programada si el daño es irreparable, evitando así la proliferación de las células dañadas.

Si el gen p53 sufre una mutación, no podrá reparar el ADN dañado.

Otros mecanismos que provocan fallos

• Transformación de un protooncogén en un oncogén: esta transformación está causada por algún cambio genético. Puede deberse a una mutación puntual en un elemento de control o en el propio protooncogén. Esta mutación se detectó en uno de los primeros oncogenes identificados y aislados de un tumor de vejiga urinaria.
• El movimiento del ADN dentro del genoma: algunos cánceres son más frecuentes en personas con alteraciones cromosómicas del tipo de las translocaciones.
• La amplificación de un protooncogén: aumenta el número de copias del protooncogén en la célula, dando lugar a la sobreexpresión del gen.

Origen vírico de algunos cánceres

Algunos virus desempeñan un papel importante en el desarrollo del 15% de los cánceres. Son los virus tumorales, entre los que se encuentran los de ARN, como el HTLV-1 (leucemia), y los de ADN, como el VPH (virus del papiloma humano), un grupo de virus algunos de los cuales están asociados al cáncer de cuello de útero.

Selección natural

Fue propuesta por Darwin y se resume en:

• a) Capacidad reproductiva elevada: la mayoría de las especies son capaces de reproducir un elevado número de descendientes, la mayoría de los cuales no llegarán a adultos.
• b) Lucha por la existencia: el crecimiento de una población está limitado por los recursos disponibles, de tal manera que, al existir un gran número de individuos, estos luchan por sobrevivir.
• c) Variabilidad individual: dentro de una especie existe gran variabilidad de individuos con características especiales.
• d) Supervivencia del más apto: las características individuales confieren una mayor o menor capacidad para adaptarse al medio y poder sobrevivir.

Tras varios cambios durante años, en una especie producidos por selección natural, pueden llegar a formarse una nueva especie. Los cambios producidos se deben a mutaciones.

El neodarwinismo

Sus aspectos se deben a la teoría sintética, transformaciones graduales y el concepto de población.

Características del neodarwinismo

• Rechaza la teoría de Lamarck, que postulaba la herencia de los caracteres adquiridos.
• Considera a la población como unidad evolutiva, en lugar del individuo, debido a que su genotipo no cambiaba a lo largo de su vida, mientras que la población tiene continuidad de generación en generación y su genotipo puede ir cambiando.
• Las mutaciones aportan la variabilidad genética sobre la que actúa la selección natural.
• La evolución se produce de manera gradual debido a pequeños cambios surgidos en una población.

Genética de poblaciones

Uno de los puntos fundamentales de la teoría evolutiva de Darwin es la existencia de una variabilidad genética entre individuos, producida durante la meiosis con la recombinación genética.

Este hecho fue demostrado con la ley del equilibrio genético (Hardy-Weinberg), que solo se cumple en condiciones ideales de estabilidad de una población. Para ello deben cumplirse las siguientes condiciones:

1. No deben ocurrir mutaciones.
2. La población está aislada genéticamente de otras poblaciones.
3. Los cruzamientos se producen al azar.
4. No actúa la selección natural.
5. La población tiene un tamaño grande.

Mutaciones

En una población, las tasas de mutación espontánea para un gen son muy bajas. Además, la frecuencia no tiende a aumentar a lo largo de generaciones, ya que existe una tasa de retromutación que determina la frecuencia con la que un alelo mutante revierte al alelo original. Por ello, la variabilidad genética es proporcionada por las mutaciones.

Flujo génico

Es la migración genética de animales y vegetales debido a que se entrecruzan con los individuos de la población donde habitan. Esto implica el desplazamiento de genes hacia dentro y fuera de una población. El flujo génico no cambia las frecuencias en la especie, pero sí de forma local.

Apareamiento selectivo

En la reproducción, la selección del compañero se ve afectada por el fenotipo. En muchos animales, el apareamiento selectivo se debe al comportamiento. Por ejemplo, entre los gansos nivales los apareamientos se realizan entre individuos con la misma coloración.

Deriva genética

Es el cambio en las frecuencias génicas debido al azar en una población pequeña, ya que el alelo puede perderse fácilmente. Los efectos de la deriva genética son pequeños, pero pueden revestir especial importancia al formarse una pequeña población (efecto fundador) o quedar reducida (cuello de botella).

• 1. Efecto fundador: proceso frecuente en islas oceánicas colonizadas por pocos individuos genéticamente poco representativos con respecto a la población de la que derivan. En estas poblaciones algunos genes pueden ser abundantes, a diferencia de otros, que están en menor proporción.
• 2. Cuello de botella: se produce cuando una población pasa por una situación en la que se reduce drásticamente. Posteriormente recupera su número a partir de pocos individuos. Esto puede implicar la desaparición de alelos o que aumente la frecuencia de otros.

Selección natural

Es uno de los factores más importantes para la evolución. Darwin consideraba que la selección natural es un mecanismo evolutivo por el cual los individuos mejor adaptados al medio tienen una mayor probabilidad de sobrevivir, y sus descendientes también.

Eficacia biológica: es la capacidad que tiene un organismo de competir con éxito y contribuir genéticamente a las generaciones posteriores. Permitirá medir los efectos de la selección natural.

Estudio de la selección natural

Se estudian los caracteres cuantitativos:

• Analizando los cambios producidos en las frecuencias génicas.
• Estudiando los efectos provocados sobre el fenotipo.

En los ratones ciervos, el color del pelaje tiene variaciones hereditarias que van del color claro al oscuro. La representación gráfica es la curva de distribución normal.

Modalidades de selección

• 1. Selección estabilizadora: favorece a los individuos con fenotipos intermedios frente a los que tienen fenotipos extremos (los ratones que viven en un hábitat rocoso y tienen pelaje intermedio sobreviven más a los depredadores que los de pelaje oscuro).
• 2. Selección diversificadora: favorece a los individuos con fenotipos extremos frente a los de fenotipo intermedio.
• 3. Selección direccional: favorece a los individuos que se encuentran en uno de los extremos de la curva de distribución.

Alternativas al neodarwinismo

Teoría neutralista

Se denominó así por postular que la mayoría de las mutaciones que ocurren en el ADN son adaptativamente neutras y su permanencia en el acervo génico de una población es una cuestión de azar. Esta teoría implica la existencia de un reloj molecular que permite cuantificar el tiempo transcurrido desde que dos especies se separaron de un antepasado común.

Teoría del equilibrio intermitente o puntualismo

En el registro fósil se encuentran los puntos de partida y final, pero faltan muchas de las formas intermedias de transición. Para explicarlo se desarrolló el modelo del equilibrio intermitente o puntualismo, que considera que el registro fósil muestra con fidelidad lo ocurrido en la evolución y que una especie pasa por largos periodos de “stasis” (sin cambio durante millones de años) seguidos por cortos periodos en los que sufre una especiación.

Esta teoría, que considera la evolución a saltos, se enfrenta al neodarwinismo, que considera la evolución gradual.

Gradualismo

Apoya el modelo evolutivo gradual más o menos constante. Si el registro fósil es incompleto, se debe a la descomposición al morir. El hecho de que exista un registro fósil completo avala la teoría gradualista.

Teoría del gen egoísta

Se considera neodarwinista conservadora, ya que no pone en duda la supervivencia de los más aptos, ni tampoco la evolución como adaptación de las poblaciones. Sin embargo, no contempla a la población ni al individuo como unidad de evolución, sino a los genes, que según la teoría son la unidad básica de la evolución. Los defensores de esta teoría consideran que los comportamientos sociales que tienen muchos seres vivos son un sistema para transmitir los genes a lo largo de las generaciones.

Límites del neodarwinismo

El neodarwinismo no explica todos los aspectos relacionados con la evolución. Una de las limitaciones es la lentitud con la que se producen los cambios. Las principales críticas provienen de la deficiente explicación de:

• a) Macroevolución: cambios de mayor amplitud que a veces ocurren en la evolución en intervalos cortos, como la aparición de alas emplumadas en la evolución de los reptiles. Los cambios son tan grandes que las nuevas especies se asignan a una categoría taxonómica superior.
• b) Especiación: los neodarwinistas proponen la especiación geográfica, que es consecuencia del aislamiento geográfico de una población. Darwin la estudió con las distintas clases de pinzones de las islas Galápagos, todos ellos descendientes de un ancestro común.