La capacitancia evolutiva es el almacenamiento y liberación de variación, tal como los capacitores eléctricos almacenan y liberan carga. Los sistemas vivos son resistentes a las mutaciones. Esto significa que los sistemas vivos acumulan variación genética sin que la variación tenga un efecto fenotípico . Pero cuando el sistema se ve perturbado (quizás por estrés), la robustez se desmorona y la variación tiene efectos fenotípicos y está sujeta a toda la fuerza de la selección natural . Un condensador evolutivo es un mecanismo de interruptor molecular que puede "alternar" la variación genética entre estados ocultos y revelados. [1] Si algún subconjunto de variación recientemente revelada es adaptativo, queda fijado por asimilación genética . Después de eso, el resto de la variación, la mayor parte de la cual presumiblemente nociva, puede desactivarse, dejando a la población con un rasgo ventajoso recientemente desarrollado, pero sin desventajas a largo plazo. Para que la capacitancia evolutiva aumente la capacidad de evolución de esta manera, la tasa de cambio no debería ser más rápida que la escala de tiempo de la asimilación genética. [2]
Este mecanismo permitiría una rápida adaptación a las nuevas condiciones ambientales. Las tasas de cambio pueden ser una función del estrés, lo que hace que la variación genética tenga más probabilidades de afectar el fenotipo en momentos en que es más probable que sea útil para la adaptación. Además, la variación fuertemente deletérea puede eliminarse mientras se encuentra en un estado parcialmente críptico, por lo que es más probable que la variación críptica que permanece sea adaptativa que las mutaciones aleatorias. [3] La capacitancia puede ayudar a cruzar "valles" en el panorama del fitness , donde una combinación de dos mutaciones sería beneficiosa, aunque cada una de ellas sea perjudicial por sí sola. [2] [3] [4]
Actualmente no existe consenso sobre hasta qué punto la capacitancia podría contribuir a la evolución de las poblaciones naturales. La posibilidad de la capacitancia evolutiva se considera parte de la síntesis evolutiva extendida . [5]
Los interruptores que activan y desactivan la robustez hacia una variación fenotípica en lugar de genética no se ajustan a la analogía de la capacitancia, ya que su presencia no hace que la variación se acumule con el tiempo. En cambio, se les ha llamado estabilizadores fenotípicos. [6]
Además de su reacción nativa, muchas enzimas realizan reacciones secundarias. [7] De manera similar, las proteínas de unión pueden pasar una parte de su tiempo unidas a proteínas no objetivo. Estas reacciones o interacciones pueden no tener consecuencias para la aptitud actual , pero, en condiciones alteradas, pueden proporcionar el punto de partida para la evolución adaptativa. [8] Por ejemplo, varias mutaciones en el gen de resistencia a los antibióticos B-lactamasa introducen resistencia a la cefotaxima pero no afectan la resistencia a la ampicilina . [9] En poblaciones expuestas sólo a ampicilina, tales mutaciones pueden estar presentes en una minoría de miembros ya que no hay costo de aptitud física (es decir, están dentro de la red neutral ). Esto representa una variación genética críptica, ya que si la población se expone recientemente a la cefotaxima, los miembros minoritarios exhibirán cierta resistencia.
Los acompañantes ayudan en el plegamiento de proteínas . La necesidad de plegar las proteínas correctamente es una gran restricción en la evolución de las secuencias de proteínas . Se ha propuesto que la presencia de chaperonas puede, al proporcionar robustez adicional a los errores en el plegamiento, permitir la exploración de un conjunto más amplio de genotipos. Cuando los acompañantes trabajan demasiado en momentos de estrés ambiental, esto puede "activar" una variación genética previamente críptica. [10]
La hipótesis de que las chaperonas pueden actuar como condensadores evolutivos está estrechamente asociada con la proteína de choque térmico Hsp90 . Cuando la Hsp90 se regula a la baja en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster , se observa una amplia gama de fenotipos diferentes, donde la identidad del fenotipo depende del fondo genético. [10] Además, un estudio reciente sobre el insecto modelo, el escarabajo rojo de la harina Tribolium castaneum , mostró que la alteración de Hsp90 reveló un nuevo fenotipo, el fenotipo de ojo reducido, que se heredó de manera estable sin mayor inhibición de HSP90 (https://doi.org /10.1101/690727). Se pensaba que esto demostraba que los nuevos fenotipos dependían de una variación genética críptica preexistente que simplemente había sido revelada. Evidencia más reciente sugiere que estos datos podrían explicarse por nuevas mutaciones causadas por la reactivación de elementos transponibles formalmente inactivos . [11] Sin embargo, este hallazgo con respecto a los elementos transponibles puede depender de la fuerte naturaleza de la eliminación de Hsp90 utilizada en ese experimento. [12]
"La sobreproducción de GroEL en Escherichia coli aumenta la robustez mutacional ". [13] Esto puede aumentar la capacidad de evolución . [14]
Sup35p es una proteína de levadura involucrada en el reconocimiento de codones de parada y en hacer que la traducción se detenga correctamente en los extremos de las proteínas. Sup35p viene en forma normal ([psi-]) y en forma priónica ([PSI+]). Cuando está presente [PSI+], esto agota la cantidad de Sup35p normal disponible. Como resultado, la tasa de errores en los que la traducción continúa más allá de un codón de parada aumenta de aproximadamente el 0,3% a aproximadamente el 1%. [15]
Esto puede conducir a diferentes tasas de crecimiento y, a veces, a diferentes morfologías en cepas [PSI+] y [psi-] coincidentes en una variedad de entornos estresantes. [16] A veces, la cepa [PSI+] crece más rápido, a veces [psi-]: esto depende de los antecedentes genéticos de la cepa, lo que sugiere que [PSI+] aprovecha una variación genética críptica preexistente. Los modelos matemáticos sugieren que [PSI+] puede haber evolucionado, como un condensador evolutivo, para promover la capacidad de evolución . [17] [18]
[PSI+] aparece con mayor frecuencia en respuesta al estrés ambiental. [19] En la levadura, hay más desapariciones de codones de parada en el marco , imitando los efectos de [PSI+], de lo que se esperaría debido al sesgo de mutación o de lo que se observa en otros taxones que no forman el prión [PSI+]. [20] Estas observaciones son compatibles con que [PSI+] actúe como un condensador evolutivo en la naturaleza.
Aumentos transitorios similares en las tasas de error pueden evolucionar de manera emergente en ausencia de un "widget" como [PSI+]. [21] La principal ventaja de un widget tipo [PSI+] es facilitar la evolución posterior de tasas de error más bajas una vez que se ha producido la asimilación genética. [22]
Las eliminaciones genéticas se pueden utilizar para identificar genes nuevos o regiones genómicas que funcionan como condensadores evolutivos. Cuando un gen es desactivado y su eliminación revela una variación fenotípica que antes no era observable, ese gen funciona como un condensador fenotípico. Si alguna de las variaciones es adaptativa, está funcionando como un condensador evolutivo.
"La deficiencia en al menos 15 genes diferentes revela una variación críptica en la morfología del ala en Drosophila melanogaster" . Si bien algunas de las variaciones reveladas por estos knockouts son perjudiciales, otras variaciones tienen un efecto relativamente menor en la aerodinámica e incluso podrían mejorar la capacidad de vuelo de un individuo. [23]
En la levadura , la desactivación de ciertos genes reguladores de la cromatina aumenta las diferencias de expresión entre las especies de levadura. La mayor parte de la variación en la expresión de proteínas es atribuible a los efectos trans , lo que sugiere que los procesos transreguladores están fuertemente involucrados en la canalización . A diferencia de los reguladores de la cromatina, la eliminación de genes que codifican enzimas metabólicas no tiene un efecto consistente en la diferencia de expresión entre especies, con diferentes inactivaciones de enzimas que aumentan, disminuyen o no afectan significativamente la diferencia de expresión. [24]
Muestras knockout más amplias en levaduras han identificado al menos 300 genes que, cuando están ausentes, aumentan la variación morfológica entre los individuos de levadura. Estos genes condensadores ocupan predominantemente algunos dominios clave en la ontología genética , incluida la organización cromosómica y la integridad del ADN, el alargamiento del ARN , la modificación de proteínas , el ciclo celular y la respuesta a estímulos como el estrés. De manera más general, es probable que los genes condensadores expresen proteínas que actúan como centros de red en el interactoma de una célula y en la red de interacciones sintéticas letales . La confianza de que un gen específico actúa como un condensador fenotípico se correlaciona con el número de interacciones proteína-proteína observadas para su proteína expresada. Sin embargo, las proteínas con la mayor cantidad de interacciones tienen una capacitancia fenotípica reducida, posiblemente debido a una mayor duplicación de regiones que codifican estas proteínas en el genoma, lo que reduce el efecto de una única eliminación.
Es menos probable que los genes condensadores tengan parálogos en otras partes del genoma; la mayoría de los condensadores identificados en la levadura son genes únicos o tienen parálogos históricos de los cuales han divergido sustancialmente en términos de expresión. Los condensadores singleton y duplicados exhiben en gran medida un comportamiento disjunto en el interactoma. Los condensadores singleton suelen formar parte de complejos altamente interconectados (como el complejo mediador ), mientras que los condensadores duplicados están más conectados y tienden a interactuar con múltiples complejos grandes. Las ontologías genéticas de condensadores singleton y duplicados también difieren notablemente. Los condensadores singleton se concentran en las categorías de mantenimiento y organización del ADN, respuesta a estímulos y transcripción y localización de ARN, mientras que los condensadores duplicados se concentran en las categorías de metabolismo de proteínas y endocitosis . [25]
El mecanismo de los genes condensadores fenotípicos en la levadura parece estar estrechamente relacionado con las modalidades de redundancia funcional en varios niveles del genoma. Las regiones codificantes que son necesarias para la síntesis de proteínas clave que no tienen parálogos en otras partes del genoma son letales cuando se eliminan. Por el contrario, las regiones codificantes con muchos parálogos o parálogos fuertemente expresados tienen un efecto mínimo sobre la expresión general (especialmente la expresión reguladora trans) cuando se eliminan. Tanto los condensadores singleton como los duplicados representan en gran medida casos de redundancia funcional incompleta; Los parálogos de condensadores duplicados expresados diferencialmente continúan alguna funcionalidad del gen original, y los complejos de interacción proteína-proteína dentro de los cuales residen los condensadores únicos exhiben en gran medida una funcionalidad superpuesta. En general, los condensadores fenotípicos identificados mediante knockouts en levaduras son genes expresados en varias áreas reguladoras clave que, si bien no son letales cuando se eliminan, no tienen suficiente redundancia para mantener una funcionalidad completa. El concepto de redundancia funcional también puede estar implicado en el gran número de interacciones letales sintéticas en las que participan los genes condensadores. Cuando un gen tiene su funcionalidad reanudada por un parálogo o análogo funcional, su eliminación no es inherentemente letal; sin embargo, cuando el gen y Si se elimina su redundancia, el resultado es letal.
Las simulaciones computacionales de knockouts en redes complejas de interacción genética han demostrado que muchos, y posiblemente todos los genes expresados, tienen el potencial de revelar variación fenotípica de algún tipo cuando se eliminan, y que los genes condensadores previamente identificados son simplemente ejemplos especialmente fuertes. La capacitancia, entonces, es simplemente una característica de redes genéticas complejas que surge junto con la canalización. [26]
Las mutaciones recesivas pueden considerarse crípticas cuando están presentes de manera abrumadora en heterocigotos en lugar de homocigotos. El sexo facultativo que toma la forma de autofecundación puede actuar como un condensador evolutivo en una población principalmente asexual al crear homocigotos. [27] El sexo facultativo que toma la forma de cruzamiento puede actuar como un condensador evolutivo al romper combinaciones de alelos con efectos fenotípicos que normalmente se cancelan. [28]