La teoría casi neutral de la evolución molecular es una modificación de la teoría neutral de la evolución molecular [1] que explica el hecho de que no todas las mutaciones son tan nocivas como para poder ignorarlas o son neutrales. Las mutaciones ligeramente perjudiciales se eliminan de forma fiable sólo cuando su coeficiente de selección es mayor que uno dividido por el tamaño efectivo de la población . En poblaciones más grandes, una mayor proporción de mutaciones excede este umbral para el cual la deriva genética no puede dominar la selección, lo que lleva a menos eventos de fijación y, por lo tanto, a una evolución molecular más lenta.
La teoría casi neutral fue propuesta por Tomoko Ohta en 1973. [2] El umbral dependiente del tamaño de la población para purgar mutaciones ha sido denominado "barrera de deriva" por Michael Lynch , y se utiliza para explicar las diferencias en la arquitectura genómica entre especies.
Según la teoría neutral de la evolución molecular, la tasa a la que se acumulan los cambios moleculares entre especies debería ser igual a la tasa de mutaciones neutrales y, por tanto, relativamente constante entre especies. Sin embargo, esta es una tasa por generación. Dado que los organismos más grandes tienen tiempos de generación más largos , la teoría neutral predice que su tasa de evolución molecular debería ser más lenta. Sin embargo, los evolucionistas moleculares descubrieron que las tasas de evolución de las proteínas eran bastante independientes del tiempo de generación.
Al señalar que el tamaño de la población es generalmente inversamente proporcional al tiempo de generación, Tomoko Ohta propuso que si la mayoría de las sustituciones de aminoácidos son ligeramente nocivas, esto aumentaría la tasa de mutación efectivamente neutral en poblaciones pequeñas, lo que podría compensar el efecto de tiempos de generación largos. Sin embargo, debido a que las sustituciones de ADN no codificante tienden a ser más neutrales, independientemente del tamaño de la población, se predice correctamente que su tasa de evolución dependerá del tamaño de la población/tiempo de generación, a diferencia de la tasa de cambios no sinónimos. [3]
En este caso, la tasa más rápida de evolución neutra en proteínas esperada en poblaciones pequeñas (debido a un umbral más indulgente para purgar mutaciones nocivas) se ve compensada por tiempos de generación más largos (y viceversa), pero en poblaciones grandes con tiempos de generación cortos, las proteínas no codificantes El ADN evoluciona más rápido mientras que la evolución de las proteínas se retrasa por la selección (que es más significativa que la deriva para poblaciones grandes) [3] En 1973, Ohta publicó una breve carta en Nature [2] sugiriendo que una amplia variedad de evidencia molecular apoyaba la teoría de que la mayoría Los eventos de mutación a nivel molecular son ligeramente perjudiciales en lugar de estrictamente neutrales.
Entre entonces y principios de la década de 1990, muchos estudios de evolución molecular utilizaron un "modelo de cambio" en el que el efecto negativo sobre la aptitud de una población debido a mutaciones nocivas vuelve a su valor original cuando una mutación alcanza la fijación. A principios de la década de 1990, Ohta desarrolló un "modelo fijo" que incluía mutaciones tanto beneficiosas como perjudiciales, de modo que no fuera necesario ningún "cambio" artificial en la aptitud general de la población. [3] Sin embargo, según Ohta, la teoría casi neutral cayó en gran medida en desgracia a finales de la década de 1980, debido a que la teoría neutral matemáticamente más simple sirvió para la investigación sistemática molecular generalizada que floreció después de la llegada de la secuenciación rápida del ADN . A medida que estudios sistemáticos más detallados comenzaron a comparar la evolución de las regiones del genoma sujetas a una selección fuerte versus una selección más débil en la década de 1990, la teoría casi neutral y la interacción entre la selección y la deriva se han convertido una vez más en un importante foco de investigación. [4]
La tasa de sustitución es
donde es la tasa de mutación, el tiempo de generación y el tamaño efectivo de la población. El último término es la probabilidad de que se solucione una nueva mutación . Los primeros modelos asumieron que es constante entre especies y que aumenta con . La ecuación de Kimura para la probabilidad de fijación en una población haploide da:
donde es el coeficiente de selección de una mutación. Cuando (completamente neutral), y cuando (extremadamente nocivo), disminuye casi exponencialmente con . Las mutaciones con se denominan mutaciones casi neutras. Estas mutaciones pueden corregirse en poblaciones pequeñas mediante deriva genética . En poblaciones grandes, estas mutaciones se eliminan mediante selección. Si las mutaciones casi neutras son comunes, entonces la proporción depende de
El efecto de mutaciones casi neutras puede depender de las fluctuaciones en . Los primeros trabajos utilizaron un "modelo de cambio" en el que puede variar entre generaciones, pero la aptitud media de la población se restablece a cero después de la fijación. Básicamente, esto supone que la distribución de es constante (en este sentido, se puede considerar que el argumento de los párrafos anteriores se basa en el “modelo de cambio”). Esta suposición puede conducir a una mejora o deterioro indefinido de la función proteica. Alternativamente, el último “modelo fijo” [5] fija la distribución del efecto de las mutaciones sobre la función de las proteínas, pero permite que evolucione la aptitud media de la población. Esto permite que la distribución cambie con la aptitud media de la población.
El "modelo fijo" proporciona una explicación ligeramente diferente de la tasa de evolución de las proteínas. En poblaciones grandes, la selección detecta rápidamente mutaciones ventajosas, lo que aumenta la aptitud media de la población. En respuesta, la tasa de mutación de las mutaciones casi neutras se reduce porque estas mutaciones están restringidas a la cola de la distribución de los coeficientes de selección.
El “modelo fijo” amplía la teoría casi neutral. Tachida [6] clasificó la evolución bajo el “modelo fijo” basado en el producto y la varianza en la distribución de : un producto grande corresponde a una evolución adaptativa, un producto intermedio corresponde a una evolución casi neutral y un producto pequeño corresponde a una evolución casi neutral. evolución. Según esta clasificación, las mutaciones ligeramente ventajosas pueden contribuir a una evolución casi neutral.
Michael Lynch ha propuesto que la variación en la capacidad de purgar mutaciones ligeramente nocivas (es decir, la variación en ) puede explicar la variación en la arquitectura genómica entre especies, por ejemplo, el tamaño del genoma o la tasa de mutación. [7] Específicamente, las poblaciones más grandes tendrán tasas de mutación más bajas, arquitecturas genómicas más optimizadas y, en general, adaptaciones más afinadas. Sin embargo, si la solidez ante las consecuencias de cada posible error en procesos como la transcripción y la traducción reduce sustancialmente el costo de cometer dichos errores, poblaciones más grandes podrían desarrollar tasas más bajas de revisión global y, por lo tanto, tener tasas de error más altas. [8] Esto puede explicar por qué Escherichia coli tiene tasas más altas de error de transcripción que Saccharomyces cerevisiae . [9] [10] Esto está respaldado por el hecho de que las tasas de error transcripcional en E. coli dependen de la abundancia de proteínas (que es responsable de modular la fuerza de selección específica del locus), pero lo hacen solo para C con una tasa de error alta. a errores de desaminación U en S. cerevisiae . [11]
