La anemia falciforme muestra cómo la selección natural puede mantener en una población un alelo perjudicial cuando, en determinadas condiciones ambientales, ese mismo alelo proporciona una ventaja a los individuos heterocigotos. El alelo S, relacionado con la hemoglobina falciforme, es dañino en homocigosis, pero los individuos AS tienen suficiente hemoglobina normal para prevenir la anemia falciforme y presentan mayor resistencia a la malaria.
La selección natural ocurre cuando hay diferencias en la aptitud entre los miembros de una población. Como resultado, algunos individuos pasan más genes a la siguiente generación. Esto hace que las frecuencias alélicas cambien.
Qué es la anemia falciforme
Los glóbulos rojos con el tipo normal de hemoglobina hemoglobina (emoglobína): Una proteína en los glóbulos rojos que transporta el oxígeno por todo el cuerpo. tienen forma de disco y son flexibles para que puedan moverse fácilmente a través de los vasos sanguíneos grandes y pequeños y transportar oxígeno por todo el cuerpo.
La hemoglobina falciforme no es como la hemoglobina normal. En condiciones de baja concentración de oxígeno, la hemoglobina S se transforma en hebras rígidas dentro de los glóbulos rojos. Estas hebras rígidas pueden cambiar la forma de la célula y causar glóbulos rojos falciformes o en forma de media luna, dándole así el nombre a la enfermedad.
Los glóbulos rojos falciformes no son flexibles y pueden adherirse a las paredes de los vasos, lo que puede bloquear o disminuir el flujo de sangre. El bloqueo del flujo de sangre significa que las células falciformes no pueden transportar oxígeno al resto del cuerpo.
La Figura A muestra glóbulos rojos normales que fluyen libremente en un vaso sanguíneo. La imagen insertada muestra una sección transversal de un glóbulo rojo normal con hemoglobina normal.
La Figura B muestra glóbulos rojos falciformes anormales que bloquean el flujo de sangre en un vaso sanguíneo. La imagen insertada muestra una sección transversal de una célula falciforme con hemoglobina anormal (falciforme) que forma barras rígidas anormales.
Cómo una mutación modifica la hemoglobina
La anemia falciforme es una hemoglobinopatía debida a una mutación de un solo nucleótido (una A por una T) en el codón de un solo aminoácido (una V por una E) en la sexta posición de la secuencia de la globina beta, una de las cuatro cadenas polipéptidas de la hemoglobina.
Como resultado en lugar de tetrámeros que transportan de forma eficiente el oxígeno se forman polímeros ineficientes. El eritrocito (glóbulo rojo) se atrofia y adquiere forma de hoz (glóbulo rojo falciforme).
Un solo nucleótido en un codón, una adenina (A) en lugar de una timina (T), que acabó con la vida de más de 56.000 personas en el año 2013. Un solo aminoácido, una valina (V) en lugar de un glutamato (E), un aminoácido hidrófugo en lugar de uno hidrófilo, un pequeño cambio bioquímico que provoca la formación de polímeros de globinas beta (falciformación de la hemoglobina) cuando la concentración de oxígeno en los glóbulos rojos baja del nivel normal (homeostasis).
A veces pequeños cambios provocan una enorme diferencia. La secuencia de aminoácidos de la globina beta humana (arriba) y de la globina S de un glóbulo rojo falciforme (abajo) muestra un solo cambio.
El sexto aminoácido, resaltado en amarillo, supone un cambio menor del 1%. En el ADN supone un cambio de un codón GTA o GTG (valina) en lugar de un codón GAA o GAG (glutamato). Cual efecto mariposa, una pequeña mutación que supone un enorme cambio en el fenotipo.
Consecuencias para los glóbulos rojos y el organismo
Esto puede causar ataques de dolor intenso y repentino, conocidos como crisis de dolor. Las crisis de dolor pueden aparecer sin previo aviso, y la persona que las padece a menudo necesita ir al hospital para recibir tratamiento.
Una crisis de dolor puede durar varias horas o varios días. Las células falciformes no solo son rígidas sino también muy frágiles y tienden a romperse en un proceso conocido como hemólisis hemólisis (emólisis): La desintegración de los glóbulos rojos.
Los glóbulos rojos normalmente viven hasta 120 días. Después de eso, se desintegran naturalmente, y el bazo los extrae de la sangre con mayor frecuencia. Los glóbulos rojos normales viven entre 90 y 120 días, pero las células falciformes sólo duran entre 10 y 20 días.
El cuerpo está siempre produciendo nuevos glóbulos rojos para reemplazar los viejos. Sin embargo, en la enfermedad de células falciformes, el cuerpo tiene problemas para mantener el ritmo de destrucción de las células.
Esto puede causar una reducción baja de glóbulos rojos, lo que se conoce como anemia. La anemia resultante puede causar que una persona se canse fácilmente y tenga menos energía.
Genotipos, fenotipos y aptitud biológica
El alelo (S) para la anemia falciforme es un autosómico recesivo dañino. Es causada por una mutación en el alelo normal (A) para la hemoglobina (una proteína en los glóbulos rojos).
| Genotipo | Fenotipo | Fitness |
|---|---|---|
| AA | Hemoglobina 100% normal | Aptitud algo reducida debido a que no hay resistencia a la malaria |
| AS | Suficiente hemoglobina normal para prevenir la anemia falciforme | Mayor estado físico debido a la resistencia a la malaria |
| SS | Hemoglobina 100% anormal, causando anemia falciforme | Gran reducción de la condición física debido a la anemia falciforme |
¿Qué es el fitness? ¿Este tipo de fitness tiene algo que ver con la selección natural? Por lo general no. Hay innumerables maneras en las que un organismo puede estar más “en forma”, o mejor adaptado a su hábitat. Y probablemente no sepamos de la mayoría de estas adaptaciones.
El ejemplo de células falciformes muestra que la aptitud física depende de los fenotipos. También muestra que la aptitud física puede depender del entorno.
La malaria y la ventaja del genotipo AS
La malaria es una enfermedad tropical mortal. Es común en África al sur del Sahara, el sur y sureste de Asia y el norte de Brasil.
La enfermedad y el rasgo de células falciformes son comunes en partes de África y otras zonas donde la malaria (en inglés) afecta a muchas personas.
La “teoría de protección contra la malaria” explica por qué la mutación genética que conlleva a la hemoglobina S se encuentra con mayor frecuencia entre las personas cuya ascendencia se remonta a zonas donde la malaria es común.
Los heterocigotos (AS) con el alelo falciforme son resistentes a la malaria. Por lo tanto, es más probable que sobrevivan y se reproduzcan.
En los individuos AA, la hemoglobina es normal, pero no hay resistencia a la malaria. En los individuos SS, la hemoglobina es anormal y causa anemia falciforme. En los individuos AS, la cantidad de hemoglobina normal es suficiente para prevenir la anemia falciforme, mientras que la presencia del alelo S proporciona resistencia a la malaria.
Así es como la selección natural puede mantener un alelo dañino en un acervo genético: los individuos AS tienen una ventaja reproductiva en ambientes donde la malaria es frecuente, por lo que transmiten el alelo S a la siguiente generación con mayor probabilidad que muchos individuos de otros genotipos.
Esto mantiene el alelo S en el acervo genético. La selección natural puede mantener un alelo dañino en un acervo genético.
Por qué se mantiene el alelo S
El rasgo de anemia falciforme es un ejemplo de selección equilibradora, porque la selección natural favorece a los heterocigotos en un ambiente donde la malaria está presente, aunque el alelo S sea perjudicial en homocigosis.
La ventaja de los heterocigotos no significa que el alelo S sea beneficioso en todas las circunstancias. El ejemplo de células falciformes muestra que la aptitud física depende de los fenotipos y del entorno.
Si la malaria está presente, el genotipo AS puede tener el mayor estado físico debido a la resistencia a la malaria. Si la malaria no está presente, desaparece esa ventaja ambiental y la anemia falciforme continúa siendo una desventaja para los individuos SS.
¿Qué crees que podría pasar si se eliminara la malaria en una población africana con una frecuencia relativamente alta del alelo S? ¿Cómo podría cambiar la aptitud de los diferentes genotipos? ¿Cómo podría afectar esto a la frecuencia del alelo S?
Distribución geográfica y origen de la mutación
Hay tres alelos que se encuentran en África. Un cuarto pensamiento que surgió de forma independiente se encuentra en India y Arabia Saudita.
Se cree que el alelo (S) para la anemia de células falciformes que se encuentra en los descendientes de africanos en el hemisferio occidental proviene de África occidental como resultado de la trata de esclavos.
La presencia del alelo S en varias regiones no implica necesariamente un único origen reciente. La distribución de los haplotipos del gen beta S-globina proporciona evidencia de un origen asiático independiente de la mutación de células falciformes.
La anemia falciforme como ejemplo de selección natural
La selección natural ocurre cuando hay diferencias en la aptitud entre los miembros de una población. Como resultado, algunos individuos pasan más genes a la siguiente generación. Esto hace que las frecuencias alélicas cambien.
En este caso, las diferencias en la supervivencia y la reproducción dependen de la interacción entre el genotipo y el ambiente. La malaria reduce la aptitud de los individuos susceptibles, mientras que la anemia falciforme reduce considerablemente la aptitud de los individuos SS.
Los individuos AS ocupan una posición intermedia en cuanto a la hemoglobina, pero pueden presentar la mayor aptitud en regiones donde la malaria es común. Por eso, el alelo S puede mantenerse en la población aunque en homocigosis provoque una enfermedad grave.
¿Qué es la enfermedad de célula falciforme?
Selección natural y rasgos poligénicos
El rasgo de células falciformes está controlado por un solo gen. La selección natural para los rasgos poligénicos es más compleja, a menos que solo mires los fenotipos.
La selección natural puede afectar la distribución de un rasgo poligénico. Estas gráficas muestran tres formas en que esto puede suceder.
Selección estabilizante
La selección estabilizante ocurre cuando se seleccionan fenotipos en ambos extremos de la distribución fenotípica contra. Esto reduce el rango de variación.
Un ejemplo es el peso humano al nacer. Los bebés que son muy grandes o muy pequeños al nacer tienen menos probabilidades de sobrevivir. Esto mantiene el peso al nacer dentro de un rango relativamente estrecho.
Selección direccional
La selección direccional ocurre cuando se selecciona uno de los dos fenotipos extremos para. Esto desplaza la distribución hacia ese extremo.
Este es el tipo de selección natural que los Grants observaron en el tamaño del pico de los pinzones de Galápagos.
Selección disruptiva
La selección disruptiva ocurre cuando se seleccionan fenotipos en el medio del rango. Esto da como resultado dos fenotipos superpuestos, uno en cada extremo de la distribución.
Un ejemplo es el dimorfismo sexual. Esto se refiere a las diferencias entre los fenotipos de machos y hembras de la misma especie.
En los humanos, por ejemplo, los machos y las hembras tienen diferentes alturas y formas corporales.
Relación entre la evolución molecular y el fenotipo
El ADN humano está formado por unos 3.200 millones de nucleótidos. La anemia falciforme es una hemoglobinopatía debida a una mutación de un solo nucleótido (una A por una T) en el codón de un solo aminoácido (una V por una E) en la sexta posición de la secuencia de la globina beta, una de las cuatro cadenas polipéptidas de la hemoglobina.
La hemoglobina, que transporta el oxígeno de forma eficiente, es un tetrámero formado por cuatro cadenas polipéptidas. En los humanos adultos (hemoglobina HbA) está formada por dos globinas alfa (141 aminoácidos (aa) cada una) y dos globinas beta (146 aa).
En el feto humano (hemoglobina fetal HbF) está formada por dos globinas alfa y dos globinas gamma (146 aa). Los genes de la globina gamma y de la globina beta son parálogos, es decir, son genes homólogos (que provienen del mismo gen ancestral) que se han duplicado el uno del otro en el genoma de una especie durante la evolución.
Un cambio molecular muy pequeño que provoca la formación de polímeros de globinas que reducen la eficiencia de transporte del oxígeno y provocan una anemia que puede llegar a matar al enfermo.
Tratamientos relacionados con la hemoglobina
Para tratar la anemia falciforme los médicos prescriben a niños y adultos la hidroxiurea. Por causas que aún se están estudiando, este fármaco aumenta la producción de globina gamma tanto en adultos como niños, lo que mejora los síntomas.
Para tratar la anemia falciforme se ha propuesto una terapia génica que logre expresar en los glóbulos rojos adultos la globina gamma en lugar de la globina beta (mutada).
Para ello habría que editar de alguna forma el ADN de las células madre hematopoyéticas (a partir de las cuales se diferencian los glóbulos rojos). Estas células se encuentran en la médula ósea y se ha propuesto el uso de trasplantes de médula ósea (quizás usando células madre pluripotentes inducidas (iPS) editadas por la técnica CRISPR).
Herencia y asesoramiento genético
Si está planeando tener hijos, es posible que desee reunirse con un asesor genético. Un asesor genético puede responder preguntas sobre el riesgo y explicar las opciones que hay disponibles.
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