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 perjudiciales como para ignorarlas, o neutrales. Las mutaciones ligeramente perjudiciales se eliminan de manera confiable solo 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 superar 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 llamado la "barrera de deriva" por Michael Lynch y se ha utilizado 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 lo tanto, relativamente constante entre especies. Sin embargo, se trata de una tasa por generación. Dado que los organismos más grandes tienen tiempos generacionales 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 generacional.
Al observar 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 perjudiciales, esto aumentaría la tasa de mutación efectivamente neutral en poblaciones pequeñas, lo que podría compensar el efecto de los tiempos de generación prolongados. 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 depende 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 neutral en proteínas esperada en poblaciones pequeñas (debido a un umbral más indulgente para purgar mutaciones deletéreas) se compensa con tiempos de generación más largos (y viceversa), pero en poblaciones grandes con tiempos de generación cortos, el ADN no codificante 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 de los eventos de mutación a nivel molecular son ligeramente deletéreos en lugar de estrictamente neutrales.
Entre entonces y principios de los años 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 deletéreas vuelve a un valor original cuando una mutación alcanza la fijación. A principios de los años 1990, Ohta desarrolló un "modelo fijo" que incluía mutaciones tanto beneficiosas como deletéreas, de modo que no era necesario un "cambio" artificial de la aptitud general de la población. [3] Sin embargo, según Ohta, la teoría casi neutral cayó en gran medida en desgracia a finales de los años 1980, porque la teoría neutral matemáticamente más simple para la investigación sistemática molecular generalizada que floreció después del advenimiento de la secuenciación rápida de ADN . A medida que estudios sistemáticos más detallados comenzaron a comparar la evolución de las regiones del genoma sujetas a una selección fuerte frente a una selección más débil en los años 1990, la teoría casi neutral y la interacción entre la selección y la deriva se han convertido una vez más en un foco importante de investigación. [4]
La tasa de sustitución es
donde es la tasa de mutación, es el tiempo de generación y es el tamaño efectivo de la población. El último término es la probabilidad de que una nueva mutación se vuelva fija . 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 perjudicial), disminuye casi exponencialmente con . Las mutaciones con se denominan mutaciones casi neutrales. Estas mutaciones pueden fijarse en poblaciones pequeñas a través de la deriva genética . En poblaciones grandes, estas mutaciones se eliminan por selección. Si las mutaciones casi neutrales son comunes, entonces la proporción para las cuales depende de
El efecto de mutaciones casi neutrales puede depender de 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. Esto básicamente supone que la distribución de es constante (en este sentido, el argumento de los párrafos anteriores puede considerarse basado en el "modelo de cambio"). Esta suposición puede conducir a una mejora o deterioro indefinido de la función de la proteína. Alternativamente, el "modelo fijo" posterior [5] fija la distribución del efecto de las mutaciones en la función de la proteína, pero permite que la aptitud media de la población evolucione. Esto permite que la distribución de cambie con la aptitud media de la población.
El “modelo fijo” ofrece una explicación ligeramente diferente de la tasa de evolución de las proteínas. En poblaciones grandes, las mutaciones ventajosas son rápidamente captadas por la selección, lo que aumenta la aptitud media de la población. En respuesta, la tasa de mutación de las mutaciones casi neutrales se reduce porque estas mutaciones están restringidas a la cola de la distribución de coeficientes de selección.
El “modelo fijo” amplía la teoría casi neutral. Tachida [6] clasificó la evolución bajo el “modelo fijo” basándose en el producto de y la varianza en la distribución de : un producto grande corresponde a la evolución adaptativa, un producto intermedio corresponde a la evolución casi neutral y un producto pequeño corresponde a la evolución casi neutral. Según esta clasificación, las mutaciones ligeramente ventajosas pueden contribuir a la evolución casi neutral.
Michael Lynch ha propuesto que la variación en la capacidad de purgar mutaciones ligeramente deletéreas (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 simplificadas y, en general, adaptaciones mejor ajustadas. Sin embargo, si la robustez a las consecuencias de cada posible error en procesos como la transcripción y la traducción reduce sustancialmente el costo de cometer tales errores, las poblaciones más grandes podrían desarrollar tasas más bajas de corrección 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 errores de desaminación de C a U de alta tasa de error en S. cerevisiae . [11]
