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Hipótesis 2R

La hipótesis 2R o hipótesis de Ohno , propuesta por primera vez por Susumu Ohno en 1970, [1] es una hipótesis que sostiene que los genomas del linaje vertebrado temprano sufrieron dos duplicaciones genómicas completas y, por lo tanto, los genomas de los vertebrados modernos reflejan paleopoliploidía . El nombre deriva de las 2 rondas de duplicación originalmente planteadas por Ohno, pero refinadas en una versión de 1994, y el término hipótesis 2R probablemente se acuñó en 1999. Las variaciones en el número y los tiempos de las duplicaciones genómicas generalmente todavía se mencionan como ejemplos de la hipótesis 2R. [2]

La hipótesis 2R ha sido objeto de mucha investigación y controversia; sin embargo, con el creciente apoyo de los datos del genoma, incluido el genoma humano , el equilibrio de opinión ha cambiado fuertemente a favor del apoyo a la hipótesis. Según Karsten Hokamp, ​​Aoife McLysaght y Kenneth H. Wolfe , [2] la versión de la hipótesis de duplicación del genoma de la que la hipótesis 2R toma su nombre aparece en Holland et al. [3] y el término fue acuñado por Austin L. Hughes. [4]

El argumento de Ohno

Ohno presentó la primera versión de la hipótesis 2R como parte de su argumento más amplio sobre la importancia general de la duplicación genética en la evolución . Basándose en los tamaños relativos del genoma y el análisis de isozimas , sugirió que los peces o anfibios ancestrales habían experimentado al menos uno y posiblemente más casos de "evolución tetraploide". Más tarde añadió a este argumento la evidencia de que la mayoría de los genes parálogos en vertebrados no demuestran ligamiento genético . Ohno argumentó que el ligamiento debería esperarse en el caso de duplicaciones individuales en tándem (en las que se agrega un gen duplicado adyacente al gen original en el mismo cromosoma), pero no en el caso de duplicaciones cromosómicas. [5]

Evidencia posterior

En 1977, Schmidtke y sus colegas demostraron que la complejidad de las isozimas es similar en las lancetas y los tunicados , contradiciendo una predicción de la hipótesis de Ohno de que la duplicación del genoma ocurrió en el ancestro común de las lancetas y los vertebrados . [6] Sin embargo, este análisis no examinó a los vertebrados, por lo que no pudo decir nada sobre los eventos de duplicación posteriores. [7] (Además, la filogenética molecular mucho más tarde ha demostrado que los vertebrados están más estrechamente relacionados con los tunicados que con las lancetas, negando así la lógica de este análisis. [8] ) La hipótesis 2R vio un resurgimiento del interés en la década de 1990 por dos razones. Primero, los datos de mapeo genético en humanos y ratones revelaron extensas regiones de paralogía : conjuntos de genes en un cromosoma relacionados con conjuntos de genes en otro cromosoma en la misma especie, indicativos de eventos de duplicación en la evolución. [9] Las regiones de paralogía generalmente estaban en conjuntos de cuatro. En segundo lugar, la clonación de genes Hox en lancelot reveló la presencia de un único grupo de genes Hox , [10] en contraste con los cuatro grupos en humanos y ratones. Los datos de familias de genes adicionales revelaron una regla común de uno a muchos cuando se compararon los genes de lancelot y de vertebrados. [7] En conjunto, estas dos líneas de evidencia sugieren que ocurrieron dos duplicaciones del genoma en la ascendencia de los vertebrados, después de que se hubiera separado del linaje evolutivo de los cefalocordados .

Patrón predicho para las ubicaciones relativas de genes parálogos a partir de dos duplicaciones del genoma [11]

La controversia sobre la hipótesis 2R se basó en la naturaleza de las regiones de paralogía . No se discute que los cromosomas humanos tienen conjuntos de genes relacionados con conjuntos de genes en otros cromosomas; la controversia se centra en si se generaron por duplicaciones a gran escala que duplicaron todos los genes al mismo tiempo, o si se produjo una serie de duplicaciones de genes individuales seguidas de un reordenamiento cromosómico para mezclar conjuntos de genes. Hughes y colegas descubrieron que los árboles filogenéticos construidos a partir de diferentes familias de genes dentro de las regiones de paralogía tenían formas diferentes, lo que sugiere que las familias de genes tenían diferentes historias evolutivas. [12] [13] Se sugirió que esto era inconsistente con la hipótesis 2R. Sin embargo, otros investigadores han argumentado que tales "pruebas de topología" no prueban 2R rigurosamente, porque la recombinación podría haber ocurrido entre los cromosomas estrechamente relacionados generados por poliploidía , [14] [15] porque se habían comparado genes inapropiados [16] y porque se hacen diferentes predicciones si la duplicación del genoma ocurrió a través de la hibridación entre especies. [17] Además, varios investigadores pudieron fechar duplicaciones de familias de genes dentro de regiones de paralogía de manera consistente con la evolución temprana de los vertebrados, después de la divergencia de los anfioxos, en consonancia con la hipótesis 2R. [18] [19] Cuando se dispuso de secuencias genómicas completas para vertebrados, Ciona intestinalis y lancetas, se descubrió que gran parte del genoma humano estaba organizado en regiones de paralogía que podían rastrearse hasta duplicaciones a gran escala, [20] y que estas duplicaciones ocurrieron después de que los vertebrados se hubieran separado de los tunicados [11] y las lancetas. [21] Esto fecharía las dos duplicaciones genómicas entre 550 y 450 millones de años atrás.

La controversia que se desató a finales de los años 1990 fue resumida en una revisión del tema en 2001 por Wojciech Makałowski, quien afirmó que "la hipótesis de duplicaciones de todo el genoma en las primeras etapas de la evolución de los vertebrados tiene tantos partidarios como oponentes". [5]

En contraste, una revisión más reciente en 2007 por Masanori Kasahara afirma que ahora hay "evidencia incontrovertible que respalda la hipótesis 2R" y que "un debate de larga data sobre la hipótesis 2R está llegando a su fin". [22] Michael Benton , en la edición de 2014 de Vertebrate Palaeontology , afirma: "Resulta que, en lugares donde el anfioxo tiene un solo gen, los vertebrados a menudo tienen dos, tres o cuatro genes equivalentes como resultado de dos eventos intermedios de duplicación del genoma completo". [23]

Ohnología

Los genes anónimos son genes paralógicos que se han originado mediante un proceso de duplicación 2R . El nombre fue dado por primera vez en honor a Susumu Ohno por Ken Wolfe . [24] Es útil para el análisis evolutivo porque todos los anónimos de un genoma han estado divergiendo durante el mismo período de tiempo (desde su origen común en la duplicación del genoma completo). [25] [26]

Los genes anónimos bien estudiados incluyen genes en los cromosomas humanos 2, 7, 12 y 17 que contienen grupos de genes Hox , genes de colágeno , genes de queratina y otros genes duplicados, [27] genes en los cromosomas humanos 4, 5, 8 y 10 que contienen genes de receptores de neuropéptidos, genes homeobox de clase NK y muchas más familias de genes , [28] [29] [30] y partes de los cromosomas humanos 13, 4, 5 y X que contienen los genes ParaHox y sus vecinos. [31] El complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) en el cromosoma humano 6 tiene regiones de paralogía en los cromosomas 1, 9 y 19. [32] Gran parte del genoma humano parece ser asignable a regiones de paralogía. [33]

Referencias

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