La canalización es una medida de la capacidad de una población para producir el mismo fenotipo independientemente de la variabilidad de su entorno o genotipo . Es una forma de robustez evolutiva . El término fue acuñado en 1942 por CH Waddington para captar el hecho de que "las reacciones del desarrollo, tal como ocurren en organismos sometidos a la selección natural ... se ajustan para producir un resultado final definido, independientemente de variaciones menores en las condiciones durante el proceso de desarrollo". curso de la reacción". [1] Usó esta palabra en lugar de robustez para considerar que los sistemas biológicos no son robustos de la misma manera que, por ejemplo, los sistemas diseñados.
La robustez o canalización biológica se produce cuando las vías de desarrollo son moldeadas por la evolución . Waddington introdujo el concepto de paisaje epigenético , en el que el estado de un organismo rueda "cuesta abajo" durante el desarrollo. En esta metáfora, un rasgo canalizado se ilustra como un valle (al que llamó creoda ) rodeado por altas crestas, que guían con seguridad el fenotipo hacia su "destino". Waddington afirmó que los canales se forman en el paisaje epigenético durante la evolución y que esta heurística es útil para comprender las cualidades únicas de la robustez biológica. [2]
Waddington utilizó el concepto de canalización para explicar sus experimentos sobre asimilación genética . [3] En estos experimentos, expuso pupas de Drosophila a un choque térmico. Esta perturbación ambiental provocó que algunas moscas desarrollaran un fenotipo sin venas cruzadas . Luego seleccionó sin venas cruzadas. Finalmente, el fenotipo sin venas cruzadas apareció incluso sin choque térmico. A través de este proceso de asimilación genética, se heredó un fenotipo inducido ambientalmente. Waddington explicó esto como la formación de un nuevo canal en el paisaje epigenético .
Sin embargo, es posible explicar la asimilación genética utilizando únicamente genética cuantitativa y un modelo de umbral, sin hacer referencia al concepto de canalización. [4] [5] [6] [7] Sin embargo, los modelos teóricos que incorporan un complejo mapa genotipo-fenotipo han encontrado evidencia de la evolución de la robustez fenotípica [8] que contribuye a la asimilación genética, [9] incluso cuando la selección es solo para estabilidad del desarrollo y no para un fenotipo particular, por lo que los modelos genéticos cuantitativos no se aplican. Estos estudios sugieren que la heurística de canalización aún puede ser útil, más allá del concepto más simple de robustez.
Ni la canalización ni la robustez son cantidades simples de cuantificar: siempre es necesario especificar qué rasgo está canalizado (robusto) ante qué perturbaciones. Por ejemplo, las perturbaciones pueden provenir del entorno o de mutaciones . Se ha sugerido que diferentes perturbaciones tienen efectos congruentes sobre el desarrollo que tiene lugar en un paisaje epigenético. [10] [11] [12] [13] [14] Sin embargo, esto podría depender del mecanismo molecular responsable de la robustez y ser diferente en diferentes casos. [15]
La metáfora de la canalización sugiere que algunos rasgos fenotípicos son muy resistentes a pequeñas perturbaciones, por lo que el desarrollo no sale del canal y regresa rápidamente hacia abajo, con poco efecto en el resultado final del desarrollo. Pero perturbaciones cuya magnitud exceda un cierto umbral saldrán del canal, moviendo el proceso de desarrollo hacia territorio inexplorado. Por ejemplo, el estudio de una serie alélica de Fgf8 , un gen importante para el desarrollo craneofacial, con niveles decrecientes de expresión genética, demostró que el fenotipo permanece canalizado mientras el nivel de expresión esté por encima del 40% de la expresión de tipo salvaje. [dieciséis]
Una fuerte robustez hasta un límite, con poca robustez más allá, es un patrón que podría aumentar la capacidad de evolución en un entorno fluctuante. [17] Se ha sugerido la canalización de un gran conjunto de genotipos en un espacio fenotípico limitado como un mecanismo para la acumulación, de manera neutral, de mutaciones que de otro modo podrían ser perjudiciales. [18] La canalización genética podría permitir la capacitancia evolutiva , donde la diversidad genética se acumula en una población a lo largo del tiempo, protegida de la selección natural porque normalmente no afecta a los fenotipos. Esta diversidad oculta podría luego desencadenarse mediante cambios extremos en el medio ambiente o mediante interruptores moleculares, liberando una variación genética previamente críptica que luego puede contribuir a un rápido estallido de la evolución, [18] un fenómeno denominado decanalización. Los ciclos de canalización-decanalización podrían explicar los períodos alternos de estasis, donde la diversidad genotípica se acumula sin cambios morfológicos, seguidos de cambios morfológicos rápidos, donde la decanalización libera la diversidad fenotípica y queda sujeta a la selección natural , en el registro fósil , proporcionando así un potencial de desarrollo. Explicación del equilibrio puntuado . [17]
En 1998, Susan Lindquist descubrió que los mutantes heterocigotos de Drosophila hsp83 exhiben una gran diversidad de fenotipos (desde crestas sexuales en la cabeza hasta fenotipos de alas escutoides y con muescas). Ella demostró que estos fenotipos podrían transmitirse a la siguiente generación, sugiriendo una base genética para esos fenotipos. [19] Los autores plantearon la hipótesis de que Hsp90 (el gen mutado en hsp83 ), como proteína chaperona , desempeña un papel fundamental en el plegamiento y la activación de muchas proteínas involucradas en las vías de señalización del desarrollo, amortiguando así la variación genética en esas vías. [20] Por lo tanto, los mutantes hsp83 liberarían la variación genética críptica, lo que daría como resultado una diversidad de fenotipos.
En 2002, Lindquist demostró que la inhibición farmacológica de HSP90 en Arabidopsis thaliana también conduce a una amplia gama de fenotipos, algunos de los cuales podrían considerarse adaptativos, lo que respalda aún más el papel canalizador de HSP90 . [21]
Finalmente, el mismo tipo de experimento con el pez de las cavernas Astyanax mexicanus arrojó resultados similares. Esta especie abarca dos poblaciones: una población con ojos que vive bajo la superficie del agua y una población ciega sin ojos que vive en cuevas. La población de la cueva no sólo no tiene ojos, sino que también muestra un tamaño de órbita muy reducido . La inhibición de HSP90 conduce a una mayor variación en el tamaño de la órbita, lo que podría explicar cómo este rasgo podría evolucionar en tan solo unas pocas generaciones. Un análisis más detallado demostró que la baja conductividad en el agua de la cueva induce una respuesta de estrés que imita la inhibición de HSP90 , proporcionando un mecanismo para la decanalización. [22]
Vale la pena señalar que la interpretación del artículo original sobre Drosophila [19] está ahora sujeta a controversia. El análisis molecular del mutante hsp83 mostró que HSP90 es necesaria para la biogénesis de piRNA , un conjunto de pequeños ARN que reprimen los transposones en la línea germinal, [23] causando una mutagénesis de inserción masiva de transposones [24] que podría explicar la diversificación fenotípica. [25]
Comprender la variabilidad es un aspecto importante para comprender la selección natural y las mutaciones. La variabilidad se puede clasificar en dos categorías: modular la variación fenotípica y modular los fenotipos que se producen. [26] La presencia de este llamado sesgo en la variabilidad genética nos permite obtener más información sobre cómo ciertos fenotipos tienen más éxito en términos de su morfología real, composición bioquímica o comportamiento. [27] Se sabe científicamente que los organismos necesitan desarrollar sistemas integrados sistemáticamente para poder prosperar en sus ecosistemas específicos. Esto se extiende a la morfología, donde las variaciones deben ocurrir en un orden sistemático; de lo contrario, las mutaciones fenotípicas no persistirán debido a la selección natural. La variación afecta la velocidad y el ritmo del cambio evolutivo a través de la selección y modulación de variaciones fenotípicas. [28] En última instancia, esto da como resultado una menor cantidad de diversidad observada a lo largo de la evolución, ya que la mayoría de los fenotipos no persisten más allá de unas pocas generaciones debido a su morfología, composición bioquímica o movimiento físico o apariencia inferiores.