HERENCIA DE LA INTOLERANCIA DE LA LACTOSA Guía para el estudiante

PEDIGREES Y HERENCIA DE LA INTOLERANCIA A LA LACTOSA

FOCALIZACIÓN

¿Crees que el rasgo de la intolerancia a la lactosa pueda ser heredado? Yo creo que _____________________________________________________________________________ Porque__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

INTRODUCCIÓN

Un rasgo que caracteriza a los mamíferos es que las madres producen leche para sus bebés mediante un

proceso que se denomina lactancia. La leche materna está llena de las proteínas, grasas y carbohidratos

que apoyan el crecimiento y el desarrollo del bebé. El principal carbohidrato presente en la leche es el

azúcar lactosa, que es un disacárido.

Los mamíferos bebés producen la enzima lactasa en el intestino delgado, que descompone la lactosa en

glucosa y galactosa. Estos azúcares simples, o monosacáridos, se absorben fácilmente en el intestino

delgado y llegan al torrente sanguíneo. La sangre distribuye los azúcares por todo el cuerpo para brindar a

las células una fuente de energía.

Alrededor de la edad en que los niños dejan de beber leche materna, la mayoría de ellos también dejan

de producir lactasa. Si una persona bebe leche y no produce lactasa, la lactosa no digerida pasa del

intestino delgado al intestino grueso, donde la lactosa es digerida por bacterias. Cuando esto ocurre, una

persona puede experimentar dolor abdominal, distensión abdominal, flatulencias y diarrea. Las personas

que experimentan estos síntomas son intolerantes a la lactosa.

Figura 1. Si se produce lactasa, la lactosa presente en la leche es digerida y forma glucosa y galactosa en el intestino delgado. Si

no se produce lactasa, la lactosa no digerida pasa del intestino delgado al intestino grueso, donde la digieren las bacterias

mediante un proceso de fermentación. Ese proceso deriva en la producción de diversos gases y ácidos que producen molestias.

Solo una minoría de los adultos humanos (un 35 % de la población humana mundial) continúa

produciendo lactasa en la adultez. Estas personas tienen persistencia de la lactasa, lo que significa que la

producción de lactasa persiste luego de la infancia. (Además, por lo general, son tolerantes a la lactosa, lo

que significa que no tienen problemas cuando consumen leche).

Estudios genéticos sugieren que la tolerancia a la lactosa surgió entre las poblaciones de seres humanos

en los últimos 7.000 a 9.000 años. Esto también coincide con el momento en que los seres humanos

comenzaron a domesticar animales como vacas, cabras y camellos, y comenzaron a beber su leche.

En la película ¿Tienes lactasa? La co-evolución de genes y cultura, se muestra la evolución de la

tolerancia a la lactosa. También se describe el modo en que los investigadores analizaron los pedigrees

de varias familias finlandesas para identificar los cambios en el ADN, o mutaciones, responsables de

este rasgo.

En esta actividad, determinarás el fenotipo de algunos de los integrantes de una familia. Luego, analizarás

algunos de estos pedigrees para determinar cómo se hereda el rasgo de tolerancia a la lactosa.

Posteriormente, analizarás las secuencias de ADN para identificar las mutaciones asociadas con este rasgo.

PARTE 1: DETERMINACIÓN DE FENOTIPOS

EXPLORACIÓN

Patrón hereditario de la intolerancia a la lactosa

Para determinar cómo se hereda la tolerancia/intolerancia a la lactosa, los investigadores examinaron

nueve familias finlandesas a lo largo de cinco generaciones. A continuación se muestra uno de esos

pedigrees.

Sin embargo, algunos fenotipos aún están en análisis y deben ser completados. Para lograrlo deberás

seguir las indicaciones.

Determinación del fenotipo de los individuos III-3, III-5, IV-5, IV-6 de la Familia A

La presencia de la lactasa puede ser determinada de manera indirecta por medio de la detección de

alguno de sus productos. En este caso se medirá la cantidad de glucosa presente en muestras de leche a

las que agregarás líquidos que representarán los contenidos del intestino delgado de cuatro individuos

pertenecientes a la Familia A: III-3, III-5, IV-5 y IV-6

MATERIALES

12 envases dosificadores de medicamentos de plástico de 30 ml

1 marcador permanente

18 tiras reactivas para medir la glucosa

1 tabla indicadora a color

6 varillas plásticas para mezclar o varillas para revolver el café

1 cilindro graduado que mida hasta 5 ml (opcional)

1 cronómetro (del celular)

Toallas de papel

Tendrás que medir las siguientes soluciones:

4 muestras de 5 ml del líquido intestinal de los pacientes III-3, III-5, IV-5 y IV-6

1 muestra de 5 ml de agua

1 muestra de 5 ml de solución de lactasa

6 muestras de 5 ml de leche

PROCEDIMIENTO

Organización de tu experimento.

1. Obtén todos los materiales indicados anteriormente.

2. Para organizar las soluciones en los envases dosificadores de medicamentos, sigue estos pasos:

2.1 Rotula “Paciente III-3” a uno de los envases dosificadores de medicamentos. Usa un cilindro graduado para medir 5 ml de líquido intestinal del Paciente III-3 y vierte esta cantidad en el envase dosificador correspondiente.

2.2 Rotula “Paciente III-5” a otro envase dosificador de medicamentos. Usa un cilindro graduado limpio (es decir, enjuagado con agua) para medir 5 ml de líquido intestinal del Paciente III-5 y vierte esta cantidad en el envase dosificador correspondiente.

2.3 Repite los pasos para los pacientes IV-5 y IV-6; cada vez usando un cilindro graduado limpio.

3. Rotula “Control negativo” a un envase dosificador de medicamentos y agrégale 5 ml de agua.

4. Rotula “Control positivo” a un envase dosificador de medicamentos y agrégale 5 ml de solución de lactasa.

5. Rotula “Leche” a seis envases dosificadores de medicamentos y agrega 5 ml de leche a cada uno.

6. Retira las dos páginas que se encuentran al final de este documento y colócalas sobre tu

escritorio. La Tabla de datos de lactasa es donde registrarás tus datos. La Tabla de tiras de prueba para glucosa es donde colocarás las tiras reactivas para glucosa húmedas después de usarlas.

La fotografía de la derecha muestra cómo organizar tu experimento.

Determinación de los niveles de glucosa inicial (tiempo 0) Usa seis tiras de prueba para glucosa para medir los niveles de glucosa inicial (es decir, antes del experimento) en los líquidos intestinales de los cuatro pacientes y los dos controles. Para ello, sigue estas instrucciones:

1. Sumerge el área de prueba de la tira reactiva para glucosa en el envase dosificador correspondiente al Paciente III-3 y retírala de inmediato.

2. Coloca la tira en la Tabla de tiras de prueba para glucosa en la sección marcada Paciente III-3, 0 min.

3. Espera 30 segundos. (Es posible que este tiempo varíe según las instrucciones de la marca de tiras de prueba para glucosa que estés usando).

4. Haz coincidir el color del área de prueba en la tira con la tabla de colores indicadora de glucosa y registra la concentración de glucosa en la Tabla de datos de lactasa, en la columna “Niveles de glucosa” para el tiempo 0 min, en la fila correspondiente al Paciente III-3. (No esperes más de 30 segundos para registrar tus datos. Esta es una prueba que debe realizarse de inmediato y si esperas más podría verse afectada la precisión de tu medición).

5. Repite estos pasos para las tres muestras de pacientes restantes, el control negativo y el control positivo. Para cada muestra, anota tus resultados en la columna “tiempo 0”. Esta es la lectura inicial para cada reacción.

Determinación de si hay o no lactasa presente en tus muestras.

Lee todos los pasos que se indican a continuación antes de comenzar con el experimento. Si estás trabajando con un compañero, se recomienda dividir las tareas. Para poder finalizar las mediciones en una sola clase, deberás ser eficiente. Demorarás demasiado si sigues todos los pasos para una muestra antes de pasar a la siguiente. Si estás trabajando con un compañero, se pueden dividir las muestras en dos grupos para que cada persona se responsabilice de analizar tres muestras. O bien, se puede trabajar de manera simultánea con todas las muestras y que una persona sumerja las tiras reactivas para glucosa en los momentos adecuados y la otra persona registre los resultados luego de 30 segundos.

Para cada muestra, seguirás los siguientes pasos:

1. Agrega 5 ml de leche al envase dosificador del Paciente III-3 y mezcla suavemente con una varilla plástica. (Si no tienes una varilla plástica, puedes agitar suavemente el envase).

2. Activa el cronómetro de inmediato; deberás volver a realizar mediciones 2 y 7 minutos después de haber agregado la leche a la muestra.

3. Luego de 2 minutos, sumerge la tira reactiva para glucosa en la mezcla que se encuentra en el envase del Paciente III-3, coloca la tira en la Tabla de tiras de prueba para glucosa, en

el espacio correspondiente al Paciente III-3, 2 min, espera 30 segundos (o el tiempo especificado por el fabricante de las tiras reactivas) y determina la concentración de glucosa. Registra la concentración de glucosa en la Tabla de datos de lactasa, en la columna “Niveles de glucosa (mg/dl)” 2 min, Paciente III-3.

4. Repite el paso anterior luego de 7 minutos.

5. Sigue el mismo procedimiento para las cuatro muestras de pacientes y las dos muestras de control. Asegúrate de usar una varilla distinta para mezclar cada muestra.

La fotografía de la derecha muestra un ejemplo de la organización al final del experimento. Los colores de las tiras reactivas variarán.

REFLEXIÓN

1. Usa lápices de colores para elaborar un gráfico de barras en función de tus datos. En el gráfico, se deben

mostrar los resultados de la prueba de glucosa a los 0, 2 y 7 minutos para todas las muestras, incluso las de los

controles. Asegúrate de incluir un título adecuado, rótulos para los ejes x e y, y una leyenda.

Título:

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

____________

APLICACIÓN

1. Una vez finalizado el experimento es necesario determinar el fenotipo de cada individuo. Según los

resultados obtenidos identifica el fenotipo de cada paciente como tolerante o intolerante a la lactosa: III-3: _________________________

III-5: _________________________

IV-5:_________________________

IV-6:_________________________

2. A continuación, explica por qué fue necesario medir los niveles de glucosa en una

muestra de leche a la cual se agregaron 5 ml de agua (el control negativo).

_______________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________________

______

3. Explica por qué fue necesario medir los niveles de glucosa en una muestra de leche a la cual se agregaron 5 ml de solución de lactasa (el control positivo).

4. ¿Por qué necesitas tanto el control negativo como el positivo?

PARTE 2: HERENCIA DE LA INTOLERANCIA A LA LACTOSA

APLICACIÓN Y ANÁLISIS Completa el pedigree con los fenotipos encontrados utilizando la simbología adecuada. Luego, observa y

responde las siguientes preguntas. (Para un repaso sobre cómo interpretar pedigrees, consulta el

Apéndice A ubicado en la página 15).

Figura 2. Pedigree de la Familia A. (Adaptado de Enattah, N. S., et al. 2002 Nature Genetics 30: 233-237).

1. En base a este pedigree, ¿cuáles de los siguientes términos son adecuados para describir la herencia

del rasgo de intolerancia a la lactosa (símbolos rellenos)? Marca todas las opciones que correspondan. Recesivo Dominante Autosómico Ligado al cromosoma X

2. ¿Cuáles de los siguientes términos son adecuados para describir la herencia del rasgo de

tolerancia a la lactosa (símbolos vacíos)? Marca todas las opciones que correspondan. Recesivo Dominante

Autosómico Ligado al cromosoma X

3. Usa los datos del pedigree y los términos incluidos en las preguntas 1 y 2 para elaborar una

afirmación sobre el modo en que se hereda la intolerancia a la lactosa. Incluye por lo menos dos

evidencias que respalden tu afirmación.

4. ¿Qué tan confiado te sientes en tu afirmación sobre la herencia de la intolerancia a la lactosa?

¿Qué más podrías hacer para aumentar tu confianza en esta afirmación?

5. Estudia a los Individuos 5 y 6 de la Generación III en la Familia A, y a su hijo. Los dos padres tienen

tolerancia a la lactosa, pero su hijo es intolerante a la lactosa. ¿Son estos datos congruentes o

incongruentes con la afirmación que realizaste en la pregunta 3? Explica tu respuesta.

6. En base a las respuestas anteriores, ¿qué símbolos usarías para representar el genotipo de una persona

tolerante a la lactosa?_______ ¿Y para representar a alguien intolerante a la lactosa? _______

Ahora examinarás tres pedigrees adicionales del estudio finlandés que te ayudarán a determinar la mutación responsable.

Figura 3. Pedigrees de las Familias B, C y D. (Adaptado de Enattah, N. S., et al. 2002 Nature Genetics 30: 233- 237).

PARTE 3. ANÁLISIS GENÉTICO

EXPLORACIÓN

Encontrando la mutación responsable

En la película ¿Tienes lactasa? La co-evolución de genes y cultura, aprendiste que los investigadores no

encontraron ningún cambio en la secuencia de ADN, o mutación, en la región codificante del gen de la

lactasa que estuviera asociado con la tolerancia/intolerancia a la lactosa. Este hallazgo sugirió que el

cambio genético responsable de si una persona es tolerante o intolerante a la lactosa no se encuentra en

la región codificante del gen.

¿Podría el cambio encontrarse en una región de ADN que regula el gen? Los genes son controlados, o se

activan/desactivan, gracias a elementos genéticos llamados reguladores o interruptores. Cuando el

interruptor de la lactasa activa el gen de la lactasa, se produce la enzima lactasa. En los bebés, el gen de

la lactasa está activado. Pero cuando los bebés crecen y se vuelven adultos, el interruptor desactiva el

gen de la lactasa en la mayoría de las personas. En una minoría de los adultos, una mutación en el

interruptor de la lactasa impide la desactivación del gen. Estos adultos son tolerantes a la lactosa.

Figura 4. El interruptor genético que regula la expresión del gen de la lactasa está activo en los bebés (infantes), pero no en la

mayoría de los adultos (flecha de la izquierda). Las personas que son tolerantes a la lactosa (o que tienen persistencia de la

lactasa) tienen una mutación en el interruptor de la lactasa que mantiene el gen activo durante la adultez.

Para encontrar la mutación que mantiene activo el gen de la lactasa, los investigadores analizaron la

secuencia de ADN del interruptor de la lactasa en varias personas. Encontraron muchas diferencias.

Por ejemplo, en una posición en particular de la secuencia, algunas personas tienen un nucleótido de

adenina (A) y otros un nucleótido de timina (T).

La mayoría de las diferencias en la secuencia de ADN no tienen efecto alguno en la producción de

lactasa. Para detectar los cambios en el ADN que están asociados con la tolerancia a la lactosa, los

investigadores buscaron las variaciones que se encuentran de manera consistente en las personas con

tolerancia a la lactosa, pero no en las personas intolerantes a la lactosa, y viceversa.

Ahora, tú harás lo mismo. En las Tablas 1 y 2, se muestran secuencias de ADN de dos regiones cortas de ADN en el cromosoma 2. Debido a que cada persona tiene dos copias del cromosoma 2 (una de cada padre), cada

tabla incluye dos secuencias de ADN por persona. A las personas se las identifica por número de generación y número de individuo. Por ejemplo, el Individuo B IV-4 es el Individuo 4, Generación IV de la Familia B.

Tabla 1. Secuencia de ADN #1 en personas tolerantes e intolerantes a la lactosa

Individuo Fenotipo Secuencia 1*

A IV-3 Copia 1, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGTCCCTGG Copia 2, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGTCCCTGG

B IV-4 Copia 1, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGTCCCTGG Copia 2, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGTCCCTGG

B IV-8 Copia 1, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGTCCCTGG Copia 2, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGCCCCTGG

B IV-9 Copia 1, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGCCCCTGG Copia 2, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGCCCCTGG

C IV-3 Copia 1, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGTCCCTGG Copia 2, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGCCCCTGG

D IV-4 Copia 1, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGCCCCTGG Copia 2, Cromosoma 2: TAAGATAATGTAGCCCCTGG

* La secuencia #1 es una secuencia de nucleótidos que corresponde a los nucleótidos 19923-13902 arriba del inicio

del gen de la lactasa.

Tabla 2. Secuencia de ADN #2 en personas tolerantes e intolerantes a la lactosa

Individuo Fenotipo Secuencia 2* A IV-3

Copia 1, Cromosoma 2: ATAAAGGACACTCTTGACAA Copia 2, Cromosoma 2: ATAAAGGACACTCTTGACAA

B IV-4 Copia 1, Cromosoma 2: ATAAAGGACACTCTTGACAA Copia 2, Cromosoma 2: ATAAAGGACACTCTTGACAA

B IV-8 Copia 1, Cromosoma 2: ATAAAGGACACTCTTGACAA Copia 2, Cromosoma 2: ATAAAGGACGCTCTTGACAA

B IV-9 Copia 1, Cromosoma 2: ATAAAGGACGCTCTTGACAA Copia 2, Cromosoma 2: ATAAAGGACGCTCTTGACAA

C IV-3 Copia 1, Cromosoma 2: ATAAAGGACACTCTTGACAA Copia 2, Cromosoma 2: ATAAAGGACACTCTTGACAA

D IV-4 Copia 1, Cromosoma 2: ATAAAGGACACTCTTGACAA Copia 2, Cromosoma 2: ATAAAGGACACTCTTGACAA

* La secuencia #2 es una secuencia de nucleótidos que corresponde a los nucleótidos 30192-30173 arriba del inicio del gen de la lactasa.

1. Estudia las dos tablas anteriores. Completa el fenotipo (ej., tolerante a la lactosa o intolerante a la

lactosa) de cada persona en la segunda columna de la tabla. (Tendrás que analizar los pedigrees de la

Parte 1 para completar este paso).

2. Identifica y encierra en un círculo todos los nucleótidos que difieran en al menos dos secuencias

en cada tabla.

APLICACIÓN

3. Imagina que eres el investigador que descubrió estas variaciones y estás escribiéndole a un

colega para describirle lo que encontraste.

a. ¿Cómo describirías las variaciones que encontraste en la Secuencia #1?

b. ¿Cómo describirías las variaciones que encontraste en la Secuencia #2?

4. En base a las secuencias que analizaste, ¿qué variación está asociada con la tolerancia a

la lactosa (persistencia de la lactasa)? Respalda tu afirmación con por lo menos tres

evidencias.

REFLEXIÓN

5. ¿Es necesario que la variación asociada con la tolerancia a la lactosa (persistencia de la lactasa) esté

en un solo cromosoma, o debe estar presente en ambos cromosomas para que las personas

presenten el rasgo? Explica tu respuesta.

6. A partir de los pedigrees y de las secuencias de ADN, ¿qué puedes decir acerca de cómo se heredó la

variación asociada con la tolerancia a la lactosa en el caso de los Individuos B IV-4 y B IV-9?

7. La mutación asociada con la tolerancia a la lactosa mantiene el gen de la lactasa activado en los adultos. En base a las secuencias de ADN y del pedigree, ¿qué puedes inferir sobre la regulación del gen de la lactasa en el Individuo A IV-3? Explica tu respuesta.

EVALUACIÓN

1. Escribe un resumen sobre el tipo de herencia que posee la intolerancia a la lactosa. En él incluye cómo la cultura intervino en la herencia de la persistencia de la lactasa.

2. Investiga por qué un rasgo dominante, como la tolerancia a la lactosa, posee menor frecuencia en la población mundial que el rasgo recesivo.

APÉNDICE A. INTERPRETANDO PEDIGREES

Un pedigree es una herramienta para ilustrar la manera en que se hereda un rasgo de una

generación a la siguiente. A continuación, se presenta un pedigree que incluye tres generaciones

de una familia extendida.

TABLA DE DATOS DE LACTASA

Tiempo 0 minutos (inicio) 2 minutos 7 minutos

Muestras Niveles de

glucosa (𝑚𝑔 𝑑𝑙⁄ )

Niveles de

glucosa (𝑚𝑔 𝑑𝑙⁄ )

Niveles de

glucosa (𝑚𝑔 𝑑𝑙⁄ )

Paciente III-3

Paciente III-5

Paciente IV-5

Paciente IV-6

Control negativo

Control positivo

TABLA DE TIRAS DE PRUEBA PARA GLUCOSA

Pac

ien

te II

I-3

0 min

2 min 7 min

Pac

ien

te II

I-5

0 min

2 min

7 min

Pac

ien

te IV

-5

0 min

2 min

7 min

Pac

ien

te IV

-6

0 min

2 min

7 min

Co

ntr

ol

neg

ativ

o

0 min

2 min

7 min

Co

ntr

ol

po

siti

vo

0 min

2 min

7 min