Introducción
Las mutaciones aleatorias son cambios espontáneos en la secuencia del ADN de un organismo que ocurren sin relación con la necesidad del organismo; estas mutaciones pueden ser beneficiosas, neutras o dañinas. Se producen por errores durante la replicación del ADN o por agentes externos como radiación y químicos mutagénicos. Solo las mutaciones que ocurren en las células germinales (óvulos o espermatozoides) se transmiten a la descendencia y son relevantes para la evolución genética.
1. Definición y origen de las mutaciones aleatorias
Las mutaciones son cambios heredables en la secuencia de ADN (o ARN en algunos organismos) de un organismo.
- Las mutaciones ocurren al azar con respecto a su efecto —esto es, no están orientadas a una necesidad específica del organismo—, surgiendo principalmente por errores durante la replicación del ADN o por daños inducidos (radiación, agentes químicos, etc.).
- Por ejemplo, durante la replicación celular la ADN-polimerasa introduce algún nucleótido incorrecto, y aunque cuenta con actividad de proofreading que corrige muchos errores, la tasa de error tras corrección es baja pero no cero (aproximadamente un error por cada mil millones de bases replicadas). Además, agentes exógenos como la radiación UV o sustancias mutagénicas pueden alterar o romper el ADN, superando a veces la capacidad de reparación celular.
- Las mutaciones aleatorias se consideran en esencia "errores de copia" que generan variabilidad genética.
- Este “ruido” genético es fundamental: sin variación mutacional no habría materia prima para la evolución. Aunque muchas mutaciones no tienen efecto visible (neutras o silenciosas), otras pueden alterar funciones genéticas, provocando enfermedades o, en raros casos, confiriendo ventajas adaptativas.
2. Clasificación de las mutaciones
Las mutaciones se clasifican según su alcance y tipo de cambio en el material genético. Entre las principales categorías destacan:
Mutaciones puntuales: Afectan un solo par de bases. Incluyen cambios de sustitución nucleotídica (una base cambia por otra), inserciones o deleciones de una sola base.
Deleciones e inserciones: Eliminación (deleción) o adición (inserción) de uno o varios nucleótidos consecutivos en la secuencia. Las inserciones o deleciones cortas suelen causar cambio de marco de lectura (frameshift) si su longitud no es múltiplo de tres, alterando totalmente la proteína codificada.
. Por ejemplo, la mutación ΔF508 en el gen CFTR (una deleción de tres pares de bases) provoca fibrosis quística al eliminar un residuo de fenilalanina.
Duplicaciones: Copia adicional de un segmento de ADN (que puede abarcar parte de un gen, un gen completo, o regiones genómicas mayores).
. Las duplicaciones génicas crean copias redundantes; una copia puede conservar la función original mientras la otra acumula cambios, posibilitando la evolución de nuevas funciones. De hecho, la mayoría de las especies presenta un alto porcentaje de genes duplicados, elemento clave en la variabilidad genética y la diversidad biológica
Fig. A. Ejemplo de mutaciones estructurales: duplicaciones e inserciones de ADN en el genoma, que aumentan el número de copias de secuencias existentes.
Inversiones: Un fragmento cromosómico se desprende y se reinserta en la misma posición pero invertido. No altera el contenido génico total, pero puede interrumpir genes en los puntos de quiebre.
Translocaciones: Fragmentos de un cromosoma se desplazan y se unen a otro cromosoma no homólogo.
. Por ejemplo, la translocación del gen BCR-ABL entre los cromosomas 8 y 11 produce el “cromosoma Filadelfia” característico de la leucemia mieloide crónica.
Mutaciones por transposición: Implican la inserción de elementos móviles (transposones) en nuevas posiciones del genoma. Un transposón es una secuencia de ADN capaz de moverse autónomamente dentro del genoma.
. Al insertarse, un transposón puede interrumpir genes o alterar la regulación génica. Se calcula que en muchas especies un gran porcentaje del genoma (hasta ~50% en humanos) está formado por transposones. Estos elementos se movilizan aleatoriamente y, al hacerlo, “arrastran” genes o causan deleciones e inserciones locales.
. En el maíz se observa claramente el efecto de los transposones: los diferentes colores de los granos resultan de su acción insertándose en genes de pigmentación (Figura B).
Fig. colores de maíz
Cada tipo de mutación tiene características propias, pero en conjunto proporcionan la diversidad estructural del genoma. En la tabla siguiente se resumen comparativamente algunos tipos:
| Tipo de mutación | Descripción básica | Ejemplo/efecto típico |
|---|---|---|
| Puntual (sustitución) | Un par de bases cambia por otro (p. ej. A→T) | Vitiligo: cambio de sentido en opsina (visión) |
| Deleción (–) | Pérdida de uno o más nucleótidos en la secuencia | ΔF508 (CFTR): deleción de 3 pb causa fibrosis quística |
| Inserción (+) | Adición de uno o más nucleótidos | Inserción de transposón: interrupción génica |
| Duplicación | Copia extra de un segmento de ADN | Genes HOX duplicados originan nuevas funciones |
| Inversión | Segmento cromosómico se reinserta invertido | Causante de infertilidad en mosca del vinagre (genes rota) |
| Translocación | Fragmentos intercambiados entre cromosomas no homólogos | Cromosoma Filadelfia (fusión BCR-ABL en leucemia) |
| Transposición | Movimientos de secuencias móviles (transposones) e insertación en nuevos lugares | Pigmentación del maíz (transposones cambian genes de color) |
3. Efectos funcionales de las mutaciones
Las mutaciones pueden cambiar la función génica de diversas maneras, dependiendo del contexto. Entre los efectos moleculares más comunes están:
Mutaciones silenciosas: Cambia el codón de ADN pero sin alterar el aminoácido codificado (debido a la redundancia del código genético). No modifican la proteína resultante.
Mutaciones con cambio de sentido (missense): Cambia un codón de forma que se incorpora un aminoácido distinto en la proteína.
. El nuevo aminoácido puede ser similar al original (efecto neutro) o diferir significativamente (afectando la estructura/función proteica). Por ejemplo, la sustitución de glicina por alanina puede no alterar mucho la función, mientras que sustituir una hidrofílica por otra hidrofóbica puede inactivar la proteína. Algunas mutaciones missense ocasionalmente mejoran la función; si así fuera, confieren ventaja selectiva al organismo.
Mutaciones sin sentido (nonsense): Un cambio de un solo nucleótido convierte un codón de aminoácido en un codón de parada prematuro.
. Esto produce una proteína truncada generalmente no funcional. Por ejemplo, muchas mutaciones de este tipo causan enfermedades graves al interrumpir proteínas esenciales.
Mutaciones de cambio de marco (frameshift): Inserciones o deleciones cuya longitud no es múltiplo de tres nucleótidos desplazan el marco de lectura de los codones. Esto altera todos los aminoácidos subsiguientes y produce casi siempre proteínas aberrantes no funcionales.
Efectos fenotípicos: A nivel organismo, muchos cambios son neutros (no afectan ningún rasgo visible) o se compensan. Sin embargo, cuando afectan funciones críticas, suelen ser perjudiciales: pueden inactivar genes (mutaciones de pérdida de función) o generar proteínas tóxicas. Pocas mutaciones son beneficiosas: aquellas que mejoran una función o crean una adaptación novedosa rara vez aparecen. De hecho, se acepta que entre las mutaciones no neutrales las perjudiciales son mucho más frecuentes que las ventajosas.
. Las mutaciones beneficiosas son seleccionadas positivamente y pueden fijarse en poblaciones, promoviendo adaptación. En resumen, las mutaciones tienen un espectro de efectos que va de neutro a letal, pasando por neutras, perjudiciales o muy ocasionalmente ventajosas.
4. Ejemplos en humanos, bacterias y otros organismos
Las mutaciones aleatorias han sido documentadas en múltiples especies, mostrando impactos desde enfermedades hasta adaptaciones:
Humanos:
Anemia de células falciformes: Sustitución puntual en el gen de la β-globina (GAG→GTG en codón 6, Glu→Val) provoca que la hemoglobina se polimerice en bajo oxígeno, dando los glóbulos rojos en forma de hoz.
. Homo cigotos sufren enfermedad grave, pero heterocigotos ganan resistencia al paludismo (ejemplo de ventaja heterocigota).
Fibrosis quística: La mutación ΔF508 en CFTR es una deleción de tres bases que impide el plegamiento correcto de la proteína, que es degradada antes de llegar a la membrana celular.
. Causa insuficiencia pancreática y enfermedad pulmonar crónica en homocigotos.
Resistencia al VIH: Una deleción de 32 pb en el gen CCR5 (CCR5-Δ32) produce un receptor no funcional en los linfocitos. Individuos homocigotos para Δ32 son casi inmunes a la cepa VIH-1 que usa CCR5 para entrar a las células.
. Este alelo probablemente se difundió por selección natural (protección contra viruela o peste medieval) y hoy retrasa la progresión del SIDA en los portadores.
Bacterias:
E. Coli (experimento de Lenski): A lo largo de miles de generaciones en un medio rico en glucosa, se han fijado mutaciones beneficiosas en poblaciones de E. coli. Por ejemplo, una mutación que aumentó la expresión de una proteína de unión a penicilina permitió a cierta cepa crecer más rápido que la ancestral en el medio experimental.
. Esta mutación elevada la aptitud bajo condiciones de cultivo, aunque al mismo tiempo incrementó la sensibilidad de la bacteria al estrés osmótico (un efecto pleiotrópico). También se observó la evolución de la capacidad de utilizar citrato como fuente de carbono tras una serie de cambios genómicos en una población (fenotipo Cit+).
Resistencia a antibióticos: Mutaciones puntuales en genes de diana o bombas de eflujo confieren resistencia. Por ejemplo, cambios en el gen rpoB de la ARN-polimerasa proteica bacteriana generan resistencia a rifampicina en Mycobacterium tuberculosis. Aunque dichas mutaciones proporcionan supervivencia en presencia del antibiótico, suelen reducir la eficiencia de crecimiento en condiciones normales.
Virus:
VIH: Este retrovirus presenta tasas de mutación muy altas. Cada ciclo de replicación introduce numerosas mutaciones aleatorias en el genoma viral debido a la alta tasa de error de su transcriptasa inversa. Variantes resultantes que escapan la respuesta inmune o resisten fármacos tienen ventaja y se seleccionan.
Virus de la gripe: Mutaciones puntuales en las proteínas de superficie (hemaglutinina y neuraminidasa) permiten escapar a la inmunidad existente, lo que se conoce como “deriva antigénica” y es responsable de la necesidad de actualizar vacunas estacionales.
En todos estos casos, las mutaciones ilustran cómo un cambio aleatorio puede afectar la función génica: desde interrumpir proteínas esenciales y causar enfermedades (p. ej. ΔF508 en CFTR), hasta generar nuevas capacidades metabólicas o resistencias (p. ej. uso de citrato en E. coli o resistencia al VIH en humano).
5. Perspectivas de estudio
5.1 Biología molecular
A nivel molecular, las mutaciones surgen de procesos bioquímicos bien caracterizados. Como vimos, las ADN polimerasas disponen de actividad proofreading 3'→5’ que corrige errores inmediatos en la replicación.
. Además, las células disponen de varias vías de reparación:
Reparación por escisión de bases (BER): Corrige bases químicamente dañadas (p. ej. por oxidación o desaminación) mediante la acción de glicosidasas que eliminan la base y polimerasas/ligasas que rellenan el hueco.
Reparación por escisión de nucleótidos (NER): Elimina fragmentos de ADN lesionado (p. ej. dímeros de timina por UV) reemplazándolos según la hebra no dañada.
Reparación de desajustes (MMR): Después de la replicación, corrige bases emparejadas incorrectamente (p. ej. G–T en lugar de G–C) usando marcas de metilación para identificar la hebra nueva.
Vías de rescate de última instancia: Ante daños intensos, sistemas de “bypass” permiten replicar sobre ADN dañado a costa de introducir mutaciones adicionales (respuesta SOS bacteriana o polimerasas de translesión eucariotas).
Si los daños exceden la reparación, el ciclo celular puede detenerse y, en última instancia, el sistema p53 puede inducir apoptosis para evitar propagación de células con ADN corrupto.
. En resumen, los mecanismos de corrección mantendrán la fidelidad genómica, pero cuando fallan o son saturados, las mutaciones se acumulan.
5.2 Genética evolutiva
Desde la óptica evolutiva, las mutaciones son la fuente última de variabilidad genética sobre la cual actúa la selección natural. Según la teoría neutralista de la evolución molecular, formulada por Kimura, la mayoría de los cambios acumulados a nivel molecular son en su mayoría neutros.
. Es decir, muchas variantes mutantes no alteran la aptitud, y se fijan en las poblaciones por deriva genética. Esto concuerda con observaciones experimentales: se ha estimado que en poblaciones microbianas solo un pequeño número de mutaciones beneficiosas se fija cada cierto tiempo, mientras que cientos de mutaciones neutras persisten sin efecto detectado.
. No obstante, las mutaciones que sí afectan la función (positiva o negativamente) son esenciales para la adaptación. Mutaciones beneficiosas que mejoran la aptitud en un entorno dado se acumulan gradualmente, impulsando la evolución de nuevas funciones (por ejemplo, duplicaciones génicas que derivan en nuevos genes funcionales). Las duplicaciones de genes permiten que una copia mantenga la función ancestral mientras la otra explora cambios, proceso clave para la innovación evolutiva.
. Asimismo, la selección purga la mayoría de mutaciones perjudiciales, dado que éstas disminuyen la supervivencia o fecundidad del organismo. En síntesis, en genética evolutiva las mutaciones aleatorias se consideran eventos pioneros que, junto con deriva y selección, determinan la variabilidad y dirección de la evolución biológica.
5.3 Bioinformática
El estudio moderno de mutaciones se apoya en herramientas informáticas de alto rendimiento. La secuenciación genómica masiva (NGS) permite detectar variaciones comparando lecturas de ADN con un genoma de referencia. Herramientas como BWA o Bowtie alinean las secuencias, y programas de variant calling (p. ej. GATK, SAMtools, FreeBayes) identifican diferencias (SNPs, indels) entre la muestra y el genoma de referencia. Las variantes se anotan usando bases de datos públicas (dbSNP, ClinVar, gnomAD) que indican la frecuencia poblacional y asociación con enfermedades. Para predecir el impacto funcional de mutaciones puntuales se utilizan algoritmos bioinformáticos: por ejemplo, SIFT y PolyPhen estiman si un cambio de aminoácido alterará la estructura proteica y la función, basándose en conservación evolutiva y propiedades físicas de los residuos. En análisis de secuencias de genes mutados, se emplean también herramientas de modelado estructural (p. ej. homología con estructuras conocidas) para visualizar posibles efectos en el plegamiento. Finalmente, la predicción de mutaciones CRISPR off-target o el análisis de redes génicas simulando mutaciones genéticas son otras aplicaciones computacionales relevantes. En conjunto, la bioinformática provee métodos integrales para detectar, anotar y evaluar el potencial funcional de mutaciones aleatorias en genomas completos. Fuentes: Se incluyen referencias de recursos académicos y divulgativos recientes en español e inglés
Resumen
Las mutaciones son cambios genéticos aleatorios clave para la variabilidad y evolución biológica. Se presentan en diversos niveles y tipos, y su análisis implica técnicas moleculares para identificar y comprender sus consecuencias funcionales y clínicas.
Referencias bibliográficas
- (https://evolution.berkeley.edu/bienvenido-a-la-evolucion-101/mecanismos-los-procesos-de-la-evolucion/las-mutaciones/)
- (https://concepto.de/mutacion/)
- (https://evolution.berkeley.edu/las-mutaciones-son-aleatorias/)
- (https://blog.unitips.mx/contenido-de-examen-unam-tipos-de-mutaciones)
- (https://www.cancer.org/es/cancer/entendimiento-del-cancer/genetica-y-cancer/cambios-geneticos-y-cancer.html)
- (http://www.scielo.org.pe/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1022-51292009000300007)
- (https://www.mayoclinic.org/es/tests-procedures/genetic-testing/about/pac-20384827)
- (https://medlineplus.gov/spanish/genetica/entender/pruebas/significadoresultados/)
- (https://www.ucm.es/data/cont/media/www/pag-56185/11-La%20mutaci%C3%B3n.pdf)
- (https://www.msdmanuals.com/es/professional/temas-especiales/principios-generales-de-la-gen%C3%A9tica-m%C3%A9dica/variantes-y-mutaciones-del-dna)
- (https://metabolicas.sjdhospitalbarcelona.org/noticia/tipos-mutaciones)
- (https://secal.es/wp-content/uploads/2014/10/07-GENETICA-Pba-2.pdf.pdf)
- (https://kidshealth.org/es/parents/gene-mutations.html)
- (https://adntro.com/es/blog/aprende-genetica/tipos-mutaciones/)
- (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK132203/)
- (https://e1.portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia1/unidad3/mutaciones/definicion)
- (https://www.youtube.com/watch?v=BUSKEj9jEW0)
- (https://www.veritasint.com/blog/es/como-entender-los-resultados-de-mi-prueba-genetica/)
No hay comentarios:
Publicar un comentario