El primer gen investigado en animales

Por Lluis Montoliu, el 1 abril, 2024. Categoría(s): albinismo • divulgación científica • embriones • experimentación animal • expresión génica • genética • historia de la ciencia • pigmentación • transgénesis
Rescate por complementación de la mutación albina en ratones mediante un transgén funcional con el gen de la tirosinasa (Tyr). Experimento realizado en el laboratorio del Prof. Günther Schütz en el DKFZ, Heidelberg, Alemania, y publicado en EMBO J en el año 1990 por Friedrich Beermann y colaboradores. Fotografía: Figura 2 del artículo en EMBO Journal.

¿Te has preguntado alguna vez cuál pudo ser el primer gen que se investigó en animales? En plantas lo sabemos bien. Los primeros genes que se investigaron, incluso muchos años antes de que desarrolláramos el concepto de gen, fueron los siete caracteres que seleccionó Gregor Mendel, el padre de la genética, para realizar sus experimentos de cruces con diversas variedades de guisantes y otras plantas (forma de la semilla, color de la semilla, color de la flores, forma de las vainas, color de las vainas, posición de las flores, talla de las plantas). Esos experimentos lo llevaron a proponer las leyes de la herencia, que conocemos como las leyes de Mendel. Este monje agustino realizó sus experimentos entre 1856 y 1863. Presentó sus resultados en una conferencia en Brno en 1865 y finalmente publicó sus datos en un artículo en 1866. Y no volvió a trabajar en este tema y sus estudios quedaron olvidados durante 34 largos años, hasta que en 1900 dos botánicos, Hugo de Vries y Carl Correns, entre otros, redescubrieron los estudios de Mendel y le concedieron el crédito que merecían.

Izquierda: macho de Drosophila melanogaster mutante en el gen white (ojos blancos). Derecha: hembra de mosca de la fruta silvestre, con el característico color rojo de sus ojos. Fotografía: internet.

¿Pero cuál fue el primer gen estudiado en animales? Seguro que estás pensando en la mosca de la fruta, o del vinagre, la famosísima Drosophila melanogaster, que fue el modelo animal usado por otro famoso padre de la genética: Thomas H. Morgan. Y también seguro que acude a tu mente el no menos conocido gen «white» (mutación en la mosca que hace que sus ojos sean blancos y pierdan el color rojo característico). Pues bien, el descubrimiento de ese primer mutante en Drosophila melanogaster lo llevó a cabo en 1910, diez años después de que se redescubrieran las leyes de Mendel. Y no, no fue el primer gen investigado en animales. Lo que sí debemos acreditarle a Morgan fue el descubrimiento del primer caracter/mutación/gen con herencia ligada al sexo.

Experimento para demostrar la herencia mendeliana del gen white y también la herencia ligada al sexo (Morgan, 1915).

En efecto, el gen white está en el cromosoma X de la mosca. Los machos de Drosophila solo tienen un cromosoma X y otro cromosoma sexual mucho más pequeño, que se anota como «O», mientras que las hembras de Drosophila tienen dos cromosomas X. En la ilustración adjunta de un artículo de Morgan, de 1915, el genetista nos detalla lo que acontece en dos generaciones sucesivas de moscas. Cuando en la generación parental («parents») se cruza un macho de ojos blancos (mutante) con una hembra silvestre de ojos rojos toda la descendencia («F1») tiene los ojos rojos, el caracter dominante (la mutación white es recesiva). Y cuando ahora se cruza un macho y una hembra de esta primera generación en la siguiente generación se obtienen moscas de ojos rojos y ojos blancos con una relación de 3:1, tal y como estableció Mendel con sus guisantes. Pero Morgan se percató de algo más. Todas las hembras tenían los ojos rojos y la mitad de los machos tenían los ojos blancos. Lo cual le llevó a describir el primer caso de herencia ligada al sexo, de herencia de una mutación «white» que viajaba en el cromosoma X y que, por ello, solo podía manifestarse en hembras si esta heredaba los dos cromosomas portadores de mutación de un macho de ojos blancos y de otra hembra heterocigota (de ojos rojos, pero portadora de un cromosoma X mutante) o de otra hembra de ojos blancos. Es decir, Thomas H. Morgan en 1915, en un mismo experimento constató las leyes de Mendel y la excepcionalidad de la herencia ligada al sexo. Pero hubo otro biólogo, otro genetista que se le adelantó a Morgan y describió el primer gen que se investigó en animales.

El biólogo francés Lucien Cuénot (1866-1951) y sus experimentos pioneros con ratones pigmentados y albinos realizados en 1902. Foto de los ratones: Lluís Montoliu.

En efecto, no fue Thomas H. Morgan quien primero investigó un gen en animales. Fue un biólogo francés, Lucien Cuénot, que en 1902 (apenas dos años después de que de Vries y Correns redescubrieran a Mendel, y ocho años antes de que Morgan describiera la primera mutación en Drosophila). En el año 1902 publicó, en francés, desde Nancy, donde residía e investigaba, un artículo científico en Arch. Zool. Exp. Gen. Ser. 3, vol 10, pages xxvii-xxx. (1902), titulado «La loi de Mendel et l’hérédité de la pigmentation chez les souris» (La ley de Mendel y la herencia de la pigmentación en los ratones). Adjunto a continuación las fotografías del trabajo original, cuyo texto integro puede consultarse aquí.

Artículo original: Cuénot L. La loi de Mendel et l’hérédité de la pigmentation chez les souris. Arch. Zool. Exp. Gen. Ser. 3, vol 10, pages xxvii-xxx. (1902). (La ley de Mendel y la herencia de la pigmentación en los ratones).

Lucien Cuénot se propuso validar las leyes de la herencia de Mendel usando un caracter muy fácil de seguir en los ratones: su pigmentación. Cuénot sabía que había ratones pigmentados que solamente daban ratones pigmentados en su descendencia, y que también existían ratones blancos (albinos), sin pigmentación, que solamente daban ratones albinos en su descendencia. Es decir, partía de dos variedades puras, dos cepas de ratones similares a las variedades de guisantes estables que usó Mendel para sus experimentos. Y se propuso repetir los mismos cruces. En su artículo de 1902, tras describir los experimentos de Mendel en plantas, Cuénot expone:

«Jusqu’ici les recherches sur les applications de la loi de MENDEL ont toutes porté sur le règne végétal, et on ne sait pas si ce mode d’hérédité se rencontre aussi chez, les animaux. Depuis deux ans, j’expérimente sur un matériel très favorable, qui me permet de répondre par l’affirmative. Le caractère différentiel le plus frappant (et peut-être le seul) entre les Souris grises des maisons (Mus musculus L.) et les Souris albinos à yeux rouges est la présence de pigment noir et jaune chez les premières, son absence totale chez les secondes: or, si l’on croise une Souris grise (m ou f), avec une Souris blanche (f ou m), on obtient toujours, sans exception, des produits gris. Le caractère pigment est donc dominant par rapport au caractère absence de pigment

Traducción: «Hasta ahora, todas las investigaciones sobre las aplicaciones de la ley de MENDEL se han centrado en el reino vegetal, y no sabemos si este modo de herencia también se encuentra en los animales. Desde hace dos años experimento con un material muy favorable, lo que me permite responder afirmativamente. El carácter diferencial más llamativo (y quizás el único) entre los ratones domésticos grises (Mus musculus L.) y los ratones albinos de ojos rojos es la presencia de pigmento negro y amarillo en los primeros, su ausencia total en los segundos: sin embargo, si cruzamos un ratón gris (m o f), con un ratón blanco (f o m), siempre obtenemos, sin excepción, productos grises. Por lo tanto, el carácter pigmentario es dominante en comparación con la ausencia de carácter pigmentario. »

Primer cruce de Cuénot entre ratones pigmentados y albinos. Toda la descendencia siempre es pigmentada, que es el caracter dominante, siendo la falta de pigmentación el caracter recesivo. Esquema: Lluís Montoliu.

Cuando Cuénot cruzó ratones pigmentados y albinos, daba igual quien fuera el macho o la hembra, el resultado siempre era el mismo. Siempre se obtenían todos los ratones de la primera generación (F1) de un mismo color, pigmentados, exactamente como había descubierto Mendel 36 años antes con el color o la forma de los guisantes. El caracter pigmentado era el dominante. Si leemos de nuevo el parrafo que he resaltado del artículo de Cuénot de 1902 veremos que dice «Desde hace dos años experimento…». El artículo se publicó en 1902, por lo tanto el empezó a trabajar con la herencia del primer gen investigado en animales en 1900, inmediatamente tras leer a los botánicos que redescubrieron a Mendel, aunque no publicó sus resultados hasta 1902, que es la fecha histórica que ha quedado reflejada.

Segundo cruce de Cuénot, al cruzar los ratones de la F1 volvía a obtener ratones albinos en la F2, con la proporción predicha por Mendel, de 3:1, a favor siempre del caracter dominante. Esquemas: Lluís Montoliu.

Naturalmente Cuénot siguió realizando los cruces que había realizado Mendel. Puso a cruzar los ratones pigmentados de la primera generación y en la segunda generación obtuvo ratones pigmentados y, de nuevo, ratones albinos, con una relación de 3:1, exactamente la proporción predicha por Mendel. Los números que obtuvo Cuénot no fueron quizá tan exactos como los obtenidos por Mendel (algo sobre lo cual se ha escrito y debatido mucho). De 270 ratones de la segunda generación, un número ciertamente importante, contabilizó 198 de pigmentados y 72 albinos. Si establecemos la relación entre estos números nos da 2,75 (2,8). Es decir 73,3% de pigmentados y 26,7% de albinos, muy cerca de la proporción esperada de 75% de pigmentados y 25% de albinos. Si aplico los números obtenidos a un test estadístico (Ji cuadrado) que desarrollé hace años para analizar si una herencia determinada seguía criterios mendelianos o no (el programa se llama Mendel, aquí tenéis la publicación correspondiente) la respuesta es que sí. Estos números encajan y la herencia es mendeliana. Cuénot había comprobado que las leyes de la herencia de Mendel también se cumplían en animales, usando ratones albinos y pigmentados. Y fue el primero en hacerlo en animales, y, por ello, el primero en investigar un gen en animales.

Aquellos primeros investigadores desconocían el concepto de gen. Hablaban de elementos, de caracteres, de mutaciones, que era lo que podían observar. Cuénot se refería al caracter pigmentado como «g» (de gris) y al caracter albino como «b» (de blanche). Pero ese primer gen, el que aportaba pigmentación al ratón, que dejaba de funcionar en los ratones albinos, fue renombrado como «C» de «color» por los primeros genetistas de ratón norteamericanos, asignándole la «C» mayúscula al caracter pigmentado y la «c» minúscula al caracter albino. De ahí que el locus «color» estuvo asociado desde el origen a la mutación albina, que solamente aparecía (por ser recesiva) cuando coincidían en un mismo ratón las dos «c» minúsculas «cc». En el resto de combinaciones el ratón siempre era pigmentado: CC, Cc, cC.

El título de esta entrada habla del primer «gen» investigado en animales. Y, por el momento, te he dicho que fue Cuénot quien primero investigó sobre la mutación albina de pérdida de pigmentación. ¿Pero qué gen en concreto era responsable de la pigmentación y producía el aspecto albino cuando dejaba de funcionar? Durante muchos años, tras el experimento de Cuénot de 1902, se especuló con una oxidasa, una enzima que oxidaba compuestos, como la responsable de esta función. La propuesta fue concretándose en la proteína tirosinasa, una enzima capaz de oxidar el aminoácido L-tirosina a L-DOPA y esta a Dopaquinona, un compuesto muy reactivo que, tras varios pasos más, acaba produciendo melanina, el pigmento. Esta ruta biosintética fue propuesta por Henry S. Rapper en los años 20 del siglo pasado, en una serie de artículos que empezaron en 1923.

Rescate por complementación de la mutación albina en ratones mediante un transgén funcional con el gen de la tirosinasa (Tyr). Experimento realizado en el laboratorio del Prof. Günther Schütz en el DKFZ, Heidelberg, Alemania, y publicado en EMBO J en el año 1990 por Friedrich Beermann y colaboradores.

Pero no sería hasta 1990, 88 años después del artículo de Lucien Cuénot, cuando el laboratorio de Günther Schütz, que fue mi mentor posdoctoral, en el Centro Alemán de Investigación sobre el Cáncer (DKFZ), en Heidelberg (Alemania) realizó el experimento inequívoco que asoció la mutación albina, el locus «C», con el gen de la tirosinasa. Para ello se obtuvieron ratones transgénicos pigmentados (ver la primera imagen que encabeza esta entrada) inyectando una construcción funcional del gen de la tirosinasa en embriones de ratones albinos, que deberían haber seguido dando lugar a ratones albinos, pero que, al complementarse la mutación albina con el transgén de la tirosinasa, se recuperó la pigmentación. Esta fue la confirmación definitiva de que el primer gen que investigó Cuénot en animales era el gen de la tirosinasa, abreviado como «Tyr«. Y así fue como yo, al aterrizar en el laboratorio de Günther Schütz tras mi tesis doctoral en genética molecular del maíz, me involucré a trabajar en el primer gen que había sido investigado en animales. Un gen que cuando deja de funcionar es el responsable de uno de los 22 tipos de albinismo que conocemos, una condición genética de baja prevalencia asociada a baja visión y alteraciones en la pigmentación.

Libro «El monje en el jardín», una biografía de Gregor Mendel escrita por Robin Marantz Henig en 2000.

Y para terminar esta entrada algo que descubrí hace pocos años y que no sabía. Leyendo el libro «The monk in the garden» (El monje en el jardín), una biografía de Gregor Mendel publicada por Robin Marantz Henig, descubrí que Mendel empezó a hacer sus experimentos para crear «híbridos» precisamente con animales, con ratones, usando seguramente ratones de distinta pigmentación, el caracter pigmentado y albino que ya se conocían a mitad del siglo XIX (en realidad desde hacía siglos, los ratones albinos se usaban en el antiguo Egipto como mascotas). Lo que sucedió fue que el abad de la abadia de Santo Tomás, en Brno, donde vivía, no le gustó nada tener jaulas con ratones cruzándose todo el tiempo. Le debió parecer algo irreverente y poco edificante, y le recomendó a Mendel que se olvidara de los ratones, y que experimentara con plantas, como el guisante. No sabemos cuánto pudo avanzar Mendel en sus cruces con ratones, ni si llegó a realizar los cruces que sí pudo hacer Cuénot unos 40 años más tarde, pero si hubiera realizado algún cruce relevante resultaría, de forma totalmente sorprendente, que el primer genetista que investigó un gen animal también podría haber sido Mendel. No hay registro de esos posibles cruces con ratones. Por lo que el crédito del primer investigador que realizó experimentos con un primer gen animal (el gen Tyr, el gen de la tirosinasa) le corresponde ciertamente al biólogo francés de Nancy: Lucien Cuénot, a quien debemos considerar como el padre de la genética animal.

Si te interesa este tema puedes ampliar conocimientos en mi libro «Genes de colores«, publicado por Next Door Publishers en 2022.

Una versión reducida de este artículo ha sido publicada en The Conversation, el 18 de abril de 2024.



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