Ecuación de heredabilidad en sentido estricto y amplio y aplicaciones

¿Qué es la heredabilidad en sentido amplio y en sentido estricto?

Los rasgos observables de un organismo, llamados fenotipos, son manifestaciones de causas tanto genéticas como ambientales. Algunos fenotipos son resultado principalmente de los antecedentes genéticos de un organismo, mientras que otros tienen un alto grado de influencia ambiental. Los organismos tienen conjuntos únicos de genes y diferentes experiencias ambientales que crean un conjunto diverso de fenotipos dentro de una población.

El grado en que un fenotipo difiere entre individuos de una población se denomina varianza fenotípica. Como ejemplo, pensemos en la altura humana. Una población de seres humanos que miden 1,72 m tiene una varianza fenotípica de altura extremadamente baja, mientras que una población de seres humanos que miden entre 1,28 m y 2,38 m tiene una varianza fenotípica de altura alta.

El grado en que la variación fenotípica puede atribuirse a la variación genética se denomina heredabilidad. Existen dos tipos de heredabilidad que los investigadores investigan y calculan: heredabilidad en sentido amplio y heredabilidad en sentido estricto.

La heredabilidad en sentido amplio tiene en cuenta múltiples tipos de variación genética que afectan la variación de un fenotipo. Estas fuentes de variación genética se clasifican en función de cómo interactúan entre sí los diferentes alelos, o versiones de un gen:

• La variación genética aditiva ocurre cuando diferentes alelos del mismo gen (un genotipo heterocigoto) producen un fenotipo intermedio en comparación con alelos idénticos (un genotipo homocigoto).
• La variación genética dominante/recesiva ocurre cuando los genotipos heterocigotos producen el mismo fenotipo (o uno muy similar) que el genotipo homocigoto que contiene alelos dominantes.
• La variación genética epistática ocurre cuando los alelos de un gen enmascaran la expresión de los alelos de un gen diferente.

Por otra parte, la heredabilidad en sentido estricto solo tiene en cuenta cómo la variación genética aditiva afecta al fenotipo. La heredabilidad en sentido estricto suele ser más práctica que la heredabilidad en sentido amplio porque es más fácil de calcular y, a menudo, proporciona una estimación muy buena de la heredabilidad en sentido amplio.

Muchos fenotipos, incluida la altura, son rasgos multifactoriales, lo que significa que están determinados por más de un factor. Incluso excluyendo los factores ambientales, casi 700 variantes genéticas se han relacionado con variaciones fenotípicas en la altura. Si un investigador analizara si una variante genética específica vinculada a la altura podría predecir si una persona es alta, estaría investigando la penetrancia de esa variante genética en particular. La penetrancia se define como el porcentaje de personas con una variante genética dada que expresan un fenotipo vinculado. La mayoría de las variantes genéticas para la altura y otros rasgos multifactoriales tienen una pequeña penetrancia. Esto significa que, si bien una sola variante genética puede no predecir con precisión la altura de una persona, los efectos colectivos de las ~700 variantes genéticas vinculadas a la altura casi con certeza sí lo harán. Por el contrario, si una variante genética muestra una penetrancia completa, significa que cada individuo con dicha variante genética expresa el fenotipo vinculado. Los trastornos de un solo gen, como la fibrosis quística, son causados ​​por la mutación de un solo gen. Todo individuo con un gen de fibrosis quística mutado (CFTR) tiene fibrosis quística, un ejemplo clásico de penetrancia completa.

Interpretación de la alta heredabilidad

La heredabilidad varía de 0 a 1, donde 0 significa que la variación fenotípica es completamente ambiental y 1 significa que la variación fenotípica es completamente genética.

Si la varianza genética tiene una gran influencia en la varianza fenotípica, la heredabilidad de ese fenotipo es alta (próxima o igual a 1). Por el contrario, si la varianza genética tiene una pequeña influencia en la varianza fenotípica (y, por lo tanto, la variación ambiental tiene una gran influencia en la varianza fenotípica), la heredabilidad de ese fenotipo es baja (próxima o igual a 0).

Pensemos de nuevo en la altura humana. La estimación actual de la heredabilidad de la altura humana es de aproximadamente 0,8, lo que significa que aproximadamente el 80 % de la variabilidad observada en la altura humana se debe a la variación genética. El resto de la variabilidad en la altura se debe a la variación ambiental, como la nutrición, el ejercicio y la calidad del aire y el agua.

Conceptos erróneos sobre las estimaciones de heredabilidad

Es importante aclarar algunos conceptos erróneos importantes sobre la heredabilidad:

• En primer lugar, la heredabilidad no describe la proporción de genes de un individuo en comparación con el entorno que produce un fenotipo. Recuerde que la heredabilidad se calcula a nivel de población, por lo que solo describe el porcentaje de variación fenotípica de toda la población que se puede atribuir a la variación genética.
• En segundo lugar, la “heredabilidad” no es equivalente a “familiar”. Los rasgos familiares son fenotipos compartidos por familias. Si bien los rasgos altamente heredables suelen ser familiares, un rasgo altamente familiar no es necesariamente heredable. Muchos rasgos familiares están influenciados por el entorno; por ejemplo, una familia puede no recibir una nutrición adecuada y, por lo tanto, crecería más baja que la mayoría de las otras familias. Esto no significa necesariamente que la baja estatura de esta familia sea producto de su genética.
• Por último, la heredabilidad en sí misma no puede explicar por qué existen diferencias en la heredabilidad entre distintas poblaciones. Esta explicación requiere una mirada más matizada a la diversidad genética y a las diferentes fuerzas evolutivas que impulsan la variación genética.

Aplicaciones de las estimaciones de heredabilidad

La genética cuantitativa es una rama de la ciencia que investiga el impacto de los genes y el medio ambiente en los rasgos multifactoriales. La genética conductual es una subdisciplina de la genética cuantitativa que estudia el impacto de los genes y el medio ambiente en el comportamiento de un organismo. Estos comportamientos (por ejemplo, los hábitos, los gestos y el temperamento) son casi siempre multifactoriales, por lo que las estimaciones de heredabilidad pueden ser útiles para investigar sus orígenes.

Las estimaciones de heredabilidad también desempeñan un papel importante en la crianza selectiva, un proceso utilizado para crear animales o plantas con rasgos específicos deseados. Estos rasgos pueden ser un comportamiento (por ejemplo, criar pollos menos tímidos) o una característica física (por ejemplo, el tamaño de la fruta). Con cualquier rasgo multifactorial, los fenotipos de un apareamiento a menudo producen una curva de campana cuando se representan gráficamente:

El eje x de este gráfico representa la medida de un rasgo específico, mientras que el eje y representa el número de individuos con esa medida. Consideremos el tamaño de la fruta de las manzanas. El tamaño promedio de una manzana es de 85 gramos, que se encontraría cerca de la mitad de la curva de campana. Sin embargo, un pequeño porcentaje de manzanas pequeñas se encontrará cerca de la cola más a la izquierda de la curva de campana, alrededor de 70 gramos, y un pequeño porcentaje de manzanas grandes se encontrará cerca de la cola más a la derecha de la curva de campana, alrededor de 100 gramos. Los productores de manzanas podrían aprovechar esta variación fenotípica para cultivar selectivamente manzanas más grandes.

El agricultor comienza por establecer un umbral para el tamaño de las manzanas y solo cría manzanas que sean más grandes que ese umbral. Esto se conoce como diferencial de selección, {eq}S {/eq}, y es la diferencia entre la media de las manzanas seleccionadas y la media de la población inicial de manzanas. Después de criar estas manzanas más grandes, una nueva población de descendientes tendrá (con suerte) un tamaño medio mayor que la población inicial de manzanas. La diferencia entre el tamaño medio de los descendientes y la media de la población inicial se conoce como respuesta a la selección, {eq}R {/eq}. A partir de estos dos valores, la heredabilidad en sentido estricto se puede estimar con la ecuación:

{eq}h^2 = \frac{R}{S} {/eq}

Si se conoce la heredabilidad en sentido estricto a partir de cruzas repetidas, se puede predecir la respuesta a la selección en cruzas futuras reordenando la ecuación anterior:

{eq}R = h^2*S {/eq}

Esta ecuación, conocida como ecuación del obtentor, permite al agricultor predecir el tamaño medio de las manzanas de una determinada variedad. Esta ecuación resulta muy útil en empresas agrícolas y ganaderas.

La heredabilidad también se puede estimar en humanos mediante estudios de gemelos y hermanos. Esto se mide como una relación entre la correlación observada, {eq}r_o {/eq}, entre individuos relacionados y la correlación esperada, {eq}r_e {/eq}, basada en la relación genética conocida. El concepto clave aquí es que la correlación esperada siempre se conocerá en función de la relación genética. Los gemelos tienen genes idénticos, por lo que su {eq}r_e {/eq} es 1. Los hermanos comparten la mitad de sus genes en promedio, por lo que su {eq}r_e {/eq} es 0,5. Después de medir la correlación observada, la heredabilidad en sentido estricto se puede estimar utilizando la ecuación:

{eq}h^2 = r_o}{r_e} {/eq}

Este cálculo permite a los investigadores medir la heredabilidad de diversos rasgos humanos incluso con familias de pequeño tamaño.

Resumen de la lección

La heredabilidad es la proporción de variación fenotípica que se puede atribuir a la variación genética. La variación fenotípica es una combinación de variación genética ({eq}V_G {/eq}) y ambiental ({eq}V_E {/eq}). Los dos tipos de heredabilidad, de sentido amplio y de sentido estricto, difieren según los tipos de variación genética que se consideren. Tanto la genética cuantitativa como la conductual utilizan estimaciones de heredabilidad para ayudar a comprender mejor los rasgos multifactoriales. Debido a que los rasgos multifactoriales están determinados por más de un factor, cada variante genética vinculada a un rasgo multifactorial a menudo tiene una pequeña penetrancia para un fenotipo vinculado, pero estas variantes pueden tener un gran efecto colectivo en un fenotipo vinculado. Por el contrario, se dice que una variante genética tiene penetrancia completa si el 100% de los individuos que contienen la variante genética expresan un fenotipo vinculado. La penetrancia completa es común en los trastornos de un solo gen.

La heredabilidad se puede estimar estadísticamente mediante el uso de métodos ANOVA, de una etapa o de dos etapas. Estas estimaciones varían de 0 (ninguna variación genética involucrada en el fenotipo) a 1 (toda la variación genética involucrada en el fenotipo) y pueden ser valores diferentes para el mismo rasgo en diferentes poblaciones. Además, la heredabilidad puede cambiar con el tiempo en una sola población dependiendo de las fuerzas evolutivas que alteran la diversidad genética.