La evolución por duplicación génica es un evento por el cual un gen o parte de un gen puede tener dos copias idénticas que no se pueden distinguir entre sí. Este fenómeno se entiende como una fuente importante de novedad en la evolución, proporcionando un repertorio expandido de actividades moleculares. El evento mutacional subyacente de la duplicación puede ser una mutación de duplicación génica convencional dentro de un cromosoma, o un evento de mayor escala que involucra cromosomas completos ( aneuploidía ) o genomas completos ( poliploidía ). Una visión clásica, debido a Susumu Ohno , [1] que se conoce como modelo de Ohno, explica cómo la duplicación crea redundancia, la copia redundante acumula mutaciones beneficiosas que proporcionan combustible para la innovación. [2] El conocimiento de la evolución por duplicación génica ha avanzado más rápidamente en los últimos 15 años debido a nuevos datos genómicos, métodos computacionales más poderosos de inferencia comparativa y nuevos modelos evolutivos.
Existen varios modelos que intentan explicar cómo evolucionan las nuevas funciones celulares de los genes y sus productos proteicos codificados a través del mecanismo de duplicación y divergencia. Aunque cada modelo puede explicar ciertos aspectos del proceso evolutivo, la importancia relativa de cada aspecto aún no está clara. Esta página solo presenta los modelos teóricos que se discuten actualmente en la literatura. Los artículos de revisión sobre este tema se pueden encontrar al final.
A continuación se hará una distinción entre las explicaciones de los efectos a corto plazo (preservación) de una duplicación genética y sus resultados a largo plazo.
Dado que la duplicación de un gen se produce en una sola célula, ya sea en un organismo unicelular o en la célula germinal de un organismo multicelular, su portador (es decir, el organismo) normalmente tiene que competir con otros organismos que no portan la duplicación. Si la duplicación altera el funcionamiento normal de un organismo, este tiene un éxito reproductivo reducido (o baja aptitud ) en comparación con sus competidores y lo más probable es que muera rápidamente. Si la duplicación no tiene ningún efecto sobre la aptitud, podría mantenerse en una determinada proporción de una población. En ciertos casos, la duplicación de un determinado gen podría ser inmediatamente beneficiosa, proporcionando a su portador una ventaja de aptitud.
La denominada " dosis " de un gen se refiere a la cantidad de transcripciones de ARNm y, posteriormente, de moléculas de proteína traducidas producidas a partir de un gen por vez y por célula. Si la cantidad de producto génico está por debajo de su nivel óptimo, hay dos tipos de mutaciones que pueden aumentar la dosis: aumentos en la expresión génica por mutaciones del promotor y aumentos en el número de copias génicas por duplicación génica [ cita requerida ] .
Cuanto más copias del mismo gen (duplicado) tenga una célula en su genoma, más producto génico podrá producir simultáneamente. Suponiendo que no existan bucles de retroalimentación reguladores que automáticamente regulen a la baja la expresión génica, la cantidad de producto génico (o dosis génica) aumentará con cada copia adicional del gen, hasta que se alcance un límite superior o haya suficiente producto génico disponible.
Además, en caso de selección positiva para aumentar la dosis, un gen duplicado podría ser inmediatamente ventajoso y aumentar rápidamente su frecuencia en una población. En este caso, no serían necesarias más mutaciones para preservar (o retener) los duplicados. Sin embargo, en un momento posterior, dichas mutaciones aún podrían ocurrir, dando lugar a genes con funciones diferentes (ver más abajo).
Los efectos de la dosificación de genes después de la duplicación también pueden ser perjudiciales para una célula y, por lo tanto, la duplicación podría verse perjudicada. Por ejemplo, cuando la red metabólica dentro de una célula está ajustada de manera que solo puede tolerar una cierta cantidad de un determinado producto genético, la duplicación de genes contrarrestaría este equilibrio [ cita requerida ] .
En los casos de duplicaciones de genes que no tienen un efecto inmediato sobre la aptitud, todavía podría ser posible una retención de la copia duplicada si ambas copias acumulan mutaciones que, por ejemplo, reducen la eficiencia funcional de las proteínas codificadas sin inhibir esta función por completo. En tal caso, la función molecular (por ejemplo, la actividad proteica/enzimática) todavía estaría disponible para la célula al menos en la medida en que lo estaba antes de la duplicación (ahora proporcionada por proteínas expresadas a partir de dos loci genéticos, en lugar de un locus genético). Sin embargo, la pérdida accidental de una copia del gen podría ser perjudicial, ya que una copia del gen con actividad reducida casi con certeza estaría por debajo de la actividad que estaba disponible antes de la duplicación. [ cita requerida ]
Si se conserva una duplicación genética, el destino más probable es que mutaciones aleatorias en una copia duplicada del gen eventualmente hagan que el gen se vuelva no funcional. [3] Estos restos no funcionales de genes, con homología de secuencia detectable , a veces todavía se pueden encontrar en los genomas y se denominan pseudogenes .
La divergencia funcional entre los genes duplicados es otro posible destino. Existen varios modelos teóricos que intentan explicar los mecanismos que conducen a la divergencia:
El término neofuncionalización fue acuñado por primera vez por Force et al. 1999, [4] pero se refiere al mecanismo general propuesto por Ohno 1970. [1] El resultado a largo plazo de la neofuncionalización es que una copia conserva la función original (pre-duplicación) del gen, mientras que la segunda copia adquiere una función distinta. También se conoce como el modelo MDN, "mutación durante la no funcionalidad". La principal crítica de este modelo es la alta probabilidad de no funcionalización, es decir, la pérdida de toda la funcionalidad del gen, debido a la acumulación aleatoria de mutaciones. [5] [6]
IAD significa 'innovación, amplificación, divergencia' y tiene como objetivo explicar la evolución de nuevas funciones genéticas al tiempo que se preservan sus funciones existentes. [5] La innovación, es decir, el establecimiento de una nueva función molecular, puede ocurrir a través de actividades secundarias de los genes y, por lo tanto, de las proteínas; esto se llama promiscuidad enzimática . [7] Por ejemplo, las enzimas a veces pueden catalizar más de una reacción, aunque generalmente están optimizadas para catalizar solo una reacción. Estas funciones promiscuas de las proteínas, si proporcionan una ventaja al organismo huésped, pueden amplificarse con copias adicionales del gen. Esta rápida amplificación es mejor conocida en las bacterias que a menudo llevan ciertos genes en moléculas de ADN no cromosómico más pequeñas (llamadas plásmidos) que son capaces de replicarse rápidamente. Cualquier gen en un plásmido de este tipo también se replica y las copias adicionales amplifican la expresión de las proteínas codificadas y, con ella, cualquier función promiscua. Después de que se han realizado varias copias de este tipo, y también se transmiten a las células bacterianas descendientes, algunas de estas copias pueden acumular mutaciones que eventualmente conducirán a que una actividad secundaria se convierta en la actividad principal.
El modelo IAD se ha probado previamente en el laboratorio utilizando una enzima bacteriana con doble función como punto de partida. Esta enzima es capaz de catalizar no solo su función original, sino también la función secundaria que puede llevar a cabo otra enzima. Al permitir que las bacterias con esta enzima evolucionaran bajo selección para mejorar ambas actividades (original y secundaria) durante varias generaciones, se demostró que un gen bifuncional ancestral con actividades deficientes (Innovación) evolucionó primero mediante amplificación génica para aumentar la expresión de la enzima deficiente y luego acumuló mutaciones más beneficiosas que mejoraron una o ambas actividades que pueden transmitirse a la siguiente generación (divergencia) [2].
El término "subfuncionalización" también fue acuñado por primera vez por Force et al. 1999. [4] Este modelo requiere que el gen ancestral (pre-duplicación) tenga varias funciones (subfunciones), en las que los genes descendientes (post-duplicación) se especializan de manera complementaria. Actualmente existen al menos dos modelos diferentes que se denominan subfuncionalización, "DDC" y "EAC".
DDC significa "duplicación-degeneración-complementación". Este modelo fue introducido por primera vez por Force et al. 1999. [4] El primer paso es la duplicación génica. La duplicación génica en sí no es ni ventajosa ni perjudicial, por lo que permanecerá en baja frecuencia dentro de una población de individuos que no portan una duplicación. Según DDC, este período de deriva neutral puede eventualmente conducir a la retención complementaria de subfunciones distribuidas entre las dos copias génicas. Esto se produce por mutaciones que reducen la actividad (degenerativas) en ambos duplicados, acumulándose a lo largo del tiempo y muchas generaciones. Tomados en conjunto, los dos genes mutados proporcionan el mismo conjunto de funciones que el gen ancestral (antes de la duplicación). Sin embargo, si se eliminara uno de los genes, el gen restante no podría proporcionar el conjunto completo de funciones y la célula huésped probablemente sufriría algunas consecuencias perjudiciales. Por lo tanto, en esta etapa posterior del proceso, existe una fuerte presión selectiva contra la eliminación de cualquiera de las dos copias génicas que surgieron por duplicación génica. La duplicación queda establecida de forma permanente en el genoma de la célula o del organismo huésped.
EAC significa "Escape from Adaptive Conflict" (Escape del conflicto adaptativo). Este nombre apareció por primera vez en una publicación de Hittinger y Carroll en 2007. [8] El proceso evolutivo descrito por el modelo EAC comienza en realidad antes del evento de duplicación del gen. Un gen singleton (no duplicado) evoluciona hacia dos funciones beneficiosas simultáneamente. Esto crea un "conflicto adaptativo" para el gen, ya que es poco probable que ejecute cada función individual con la máxima eficiencia. El resultado evolutivo intermedio podría ser un gen multifuncional y, después de una duplicación génica, sus subfunciones podrían ser llevadas a cabo por descendientes especializados del gen. El resultado sería el mismo que con el modelo DDC, dos genes funcionalmente especializados (parálogos). A diferencia del modelo DDC, el modelo EAC pone más énfasis en el estado multifuncional previo a la duplicación de los genes en evolución y da una explicación ligeramente diferente de por qué los genes multifuncionales duplicados se beneficiarían de una especialización adicional después de la duplicación (debido al conflicto adaptativo del ancestro multifuncional que necesita ser resuelto). Bajo el modelo EAC se supone que hay una presión de selección positiva que impulsa la evolución después de la duplicación genética, mientras que el modelo DDC solo requiere que tenga lugar una evolución neutral ("no dirigida"), es decir, degeneración y complementación.