El reloj molecular mitocondrial humano es la velocidad a la que se han ido acumulando las mutaciones en el genoma mitocondrial de los homínidos durante el curso de la evolución humana . El registro arqueológico de la actividad humana desde los primeros períodos de la prehistoria humana es relativamente limitado y su interpretación ha sido controvertida. Debido a las incertidumbres del registro arqueológico, los científicos han recurrido a técnicas de datación molecular para refinar la cronología de la evolución humana. Un objetivo principal de los científicos en este campo es desarrollar un reloj molecular mitocondrial homínido preciso que luego pueda usarse para fechar con confianza los eventos que ocurrieron durante el curso de la evolución humana.
Las estimaciones de la tasa de mutación del ADN mitocondrial humano (ADNmt) varían en gran medida según los datos disponibles y el método utilizado para la estimación. Los dos métodos principales de estimación, los métodos basados en la filogenia y los métodos basados en el pedigrí, han producido tasas de mutación que difieren en casi un orden de magnitud . La investigación actual se ha centrado en resolver la alta variabilidad obtenida a partir de diferentes estimaciones de tasas.
Una de las principales premisas de la teoría del reloj molecular es que las mutaciones dentro de un sistema genético particular ocurren a una tasa estadísticamente uniforme y que esta tasa uniforme puede utilizarse para datar eventos genéticos. En la práctica, la premisa de una tasa única y uniforme es una simplificación excesiva. Aunque a menudo se aplica una tasa única de mutación, suele ser una combinación o un promedio de varias tasas de mutación diferentes. [1] Muchos factores influyen en las tasas de mutación observadas y estos factores incluyen el tipo de muestras, la región del genoma estudiada y el período de tiempo cubierto.
Se cree que la tasa de mutaciones durante la reproducción, la tasa de mutación de la línea germinal , es más alta que todas las tasas de mutación observadas, porque no todas las mutaciones se transmiten con éxito a las generaciones posteriores. [2] El ADNmt solo se transmite a lo largo de la línea materna y, por lo tanto, las mutaciones transmitidas a los hijos se pierden. La deriva genética aleatoria también puede causar la pérdida de mutaciones. Por estas razones, la tasa de mutación real no será equivalente a la tasa de mutación observada en una muestra de población. [2]
Se cree que la dinámica de la población influye en las tasas de mutación observadas. Cuando una población se está expandiendo, se conservan más mutaciones de la línea germinal en la población. Como resultado, las tasas de mutación observadas tienden a aumentar en una población en expansión. Cuando las poblaciones se contraen, como en un cuello de botella poblacional , se pierden más mutaciones de la línea germinal. Los cuellos de botella poblacionales tienden, por lo tanto, a reducir las tasas de mutación observadas. Desde la aparición de la especie homo sapiens hace unos 200.000 años, la población humana se ha expandido desde unos pocos miles de individuos que vivían en África a más de 8 mil millones en todo el mundo. Sin embargo, la expansión no ha sido uniforme, por lo que la historia de las poblaciones humanas puede consistir tanto en cuellos de botella como en expansiones. [3]
La tasa de mutación en el genoma mitocondrial no se distribuye de manera uniforme. Se sabe que ciertas regiones del genoma mutan más rápidamente que otras. Se sabe que las regiones hipervariables son altamente polimórficas en relación con otras partes del genoma.
La tasa a la que se acumulan las mutaciones en las regiones codificantes y no codificantes del genoma también difiere, ya que las mutaciones en la región codificante están sujetas a una selección purificadora . Por esta razón, algunos estudios evitan la región codificante o las mutaciones no sinónimas al calibrar el reloj molecular. Loogvali et al. (2009) solo consideran mutaciones sinónimas, han recalibrado el reloj molecular del ADNmt humano como 7990 años por mutación sinónima en el genoma mitocondrial. [1] Soares et al. (2009) consideran las mutaciones de la región codificante y no codificante para llegar a una única tasa de mutación, pero aplican un factor de corrección para tener en cuenta la selección en la región codificante.
Se ha observado que la tasa de mutación varía con el tiempo. Las tasas de mutación dentro de la especie humana son más rápidas que las observadas a lo largo del linaje humano-mono. También se cree que la tasa de mutación es más rápida en tiempos recientes, desde el comienzo del Holoceno hace 11.000 años. [1] [3] [4]
La mutación paralela (a veces denominada homoplasia) o evolución convergente se produce cuando linajes separados tienen la misma mutación que ocurre independientemente en el mismo sitio del genoma. La saturación se produce cuando un solo sitio experimenta múltiples mutaciones. Las mutaciones paralelas y la saturación dan como resultado la subestimación de la tasa de mutación porque es probable que se pasen por alto. [2]
Los individuos afectados por heteroplasmia tienen una mezcla de tipos de ADNmt, algunos con nuevas mutaciones y otros sin ellas. Las nuevas mutaciones pueden o no transmitirse a las generaciones posteriores. Por lo tanto, la presencia de individuos heteroplasmáticos en una muestra puede complicar el cálculo de las tasas de mutación. [2] [5]
Los métodos de pedigrí calculan la tasa de mutación comparando las secuencias de ADNmt de una muestra de pares de padres e hijos o analizando las secuencias de ADNmt de individuos de una genealogía arraigada. Se cuenta el número de nuevas mutaciones en la muestra y se divide por el número total de eventos de transmisión de ADN de padres a hijos para llegar a una tasa de mutación. [3] [5]
Los métodos basados en la filogenia se estiman reconstruyendo primero el haplotipo del ancestro común más reciente (MRCA) de una muestra de dos o más linajes genéticos. Un requisito es que el tiempo hasta el ancestro común más reciente ( TMRCA ) de la muestra de linajes ya debe conocerse a partir de otras fuentes independientes, generalmente el registro arqueológico. Luego se calcula el número promedio de mutaciones que se han acumulado desde el MRCA y se divide por el TMRCA para llegar a la tasa de mutación. La tasa de mutación humana generalmente se estima comparando las secuencias de humanos modernos y chimpancés y luego reconstruyendo el haplotipo ancestral del ancestro común chimpancé-humano. Según el registro paleontológico, el último ancestro común de los humanos puede haber vivido hace unos 6 millones de años. [3]
Las tasas obtenidas por métodos de pedigrí son aproximadamente diez veces más rápidas que las obtenidas por métodos filogenéticos. Varios factores que actúan en conjunto pueden ser responsables de esta diferencia. Como los métodos de pedigrí registran mutaciones en sujetos vivos, las tasas de mutación de los estudios de pedigrí son más cercanas a la tasa de mutación de la línea germinal. Los estudios de pedigrí utilizan genealogías que tienen solo unas pocas generaciones de profundidad, mientras que los métodos basados en la filogenia utilizan escalas de tiempo que tienen miles o millones de años de profundidad. Según Henn et al. 2009, los métodos basados en la filogenia tienen en cuenta eventos que ocurren en escalas de tiempo largas y, por lo tanto, se ven menos afectados por fluctuaciones estocásticas. Howell et al. 2003 sugiere que la selección, la saturación, las mutaciones paralelas y la deriva genética son responsables de las diferencias observadas entre los métodos basados en pedigrí y los métodos basados en la filogenia.
Los humanos anatómicamente modernos (AMH) se extendieron desde África y sobre una gran área de Eurasia y dejaron artefactos a lo largo de la costa norte del suroeste, sur, sudeste y este de Asia. Cann, Stoneking y Wilson (1987) no se basaron en un T CHLCA previsto para estimar las tasas de polimorfismo de un solo nucleótido (SNP). En cambio, utilizaron evidencia de colonización en el sudeste de Asia y Oceanía para estimar las tasas de mutación. Además, utilizaron la tecnología RFLP ( polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción ) para examinar las diferencias entre el ADN. Utilizando estas técnicas, este grupo llegó a un T MRCA de 140.000 a 290.000 años. Cann et al. (1987) estimaron que el TMRCA de los humanos es de aproximadamente 210 ky y las estimaciones más recientes Soares et al. Los datos de 2009 (utilizando el ADNmt MRCA de un chimpancé humano de 7 millones de años) difieren solo en un 9%, lo que es relativamente cercano considerando el amplio rango de confianza para ambas estimaciones y los llamados a un T CHLCA más antiguo .
Endicott y Ho (2008) han reevaluado las migraciones previstas a nivel mundial y las han comparado con la evidencia real. Este grupo utilizó las regiones codificantes de las secuencias. Postulan que el reloj molecular basado en comparaciones entre chimpancés y humanos no es confiable, particularmente para predecir migraciones recientes, como las migraciones fundadoras a Europa, Australia y las Américas. Con esta técnica, este grupo llegó a un T MRCA de 82.000 a 134.000 años.
Dado que los chimpancés y los humanos comparten un ancestro matrilineal, establecer la edad geológica de ese último ancestro permite estimar la tasa de mutación. El último ancestro común chimpancé-humano (CHLCA, por sus siglas en inglés) se aplica con frecuencia como punto de referencia para los estudios de MRCA mt-T con rangos entre 4 y 13 millones de años citados en la literatura. [6] Esta es una fuente de variación en las estimaciones de tiempo. La otra debilidad es la acumulación no cronometrada de SNP, que tendería a hacer que las ramas más recientes parezcan más antiguas de lo que son en realidad. [7]
Estas dos fuentes pueden equilibrarse entre sí o amplificarse entre sí dependiendo de la dirección del error T CHLCA . Hay dos razones principales por las que este método se emplea ampliamente. En primer lugar, las tasas basadas en el pedigrí son inadecuadas para estimaciones para períodos de tiempo muy largos. En segundo lugar, si bien las tasas ancladas en la arqueología representan el rango intermedio, la evidencia arqueológica de colonización humana a menudo ocurre mucho después de la colonización. Por ejemplo, se cree que la colonización de Eurasia de oeste a este ocurrió a lo largo del Océano Índico. Sin embargo, los sitios arqueológicos más antiguos que también demuestran humanos anatómicamente modernos (AMH) están en China y Australia, con más de 42.000 años de antigüedad. Sin embargo, el sitio indio más antiguo con restos de AMH es de 34.000 años, y otro sitio con arqueología compatible con AMH tiene más de 76.000 años de antigüedad. [7] Por lo tanto, la aplicación del ancla es una interpretación subjetiva de cuándo estuvieron presentes los humanos por primera vez.
Una medida sencilla de la divergencia de secuencia entre humanos y chimpancés se puede determinar observando los SNP. Dado que el mitogenoma tiene una longitud de aproximadamente 16553 pares de bases (cada par de bases que se puede alinear con referencias conocidas se denomina sitio), [8] la fórmula es:
El '2' en el denominador se deriva de los dos linajes, el humano y el chimpancé, que se separaron del CHLCA. Idealmente, representa la acumulación de mutaciones en ambos linajes pero en diferentes posiciones (SNP). Siempre que el número de SNP observado se aproxime al número de mutaciones, esta fórmula funciona bien. Sin embargo, en sitios de rápida evolución, las mutaciones se ven oscurecidas por los efectos de saturación. Ordenar las posiciones dentro del mitogenoma por velocidad y compensar la saturación son enfoques alternativos. [9]
Debido a que el T CHLCA está sujeto a cambios con más información paleontológica, la ecuación descrita anteriormente permite la comparación de TMRCA de diferentes estudios.
Para superar los efectos de la saturación , el análisis HVR se basó en la distancia transversional entre humanos y chimpancés. [10] Se aplicó una relación de transición a transversión a esta distancia para estimar la divergencia de secuencia en la HVR entre chimpancés y humanos, y se dividió por un T CHLCA asumido de 4 a 6 millones de años. [11] Con base en 26,4 sustituciones entre chimpancés y humanos y una relación de 15:1, las 396 transiciones estimadas sobre 610 pares de bases demostraron una divergencia de secuencia del 69,2% (tasa * T CHLCA de 0,369), produciendo tasas de divergencia de aproximadamente el 11,5% al 17,3% por millón de años .
Vigilant et al. (1991) también estimaron la tasa de divergencia de secuencia para los sitios en las regiones HVR I y HVR II de rápida evolución. Como se señala en la tabla anterior, la tasa de evolución es tan alta que la saturación del sitio ocurre en comparaciones directas entre chimpancés y humanos. En consecuencia, este estudio utilizó transversiones, que evolucionan a un ritmo más lento que los polimorfismos de transición más comunes. Al comparar mitogenomas de chimpancés y humanos, notaron 26,4 transversiones dentro de las regiones HVR, sin embargo, no hicieron ninguna corrección por saturación. A medida que se obtuvo más secuencia HVR después de este estudio, se notó que el sitio de dinucleótido CRS:16181-16182 experimentó numerosas transversiones en el análisis de parsimonia, muchas de las cuales se consideraron errores de secuenciación. Sin embargo, la secuenciación del neandertal Feldhofer I reveló que también hubo una transversión entre humanos y neandertales en este sitio. [12] Además, Soares et al. (2009) observaron tres sitios en los que se habían producido transversiones recurrentes en linajes humanos, dos de los cuales están en HVR I, 16265 (12 ocurrencias) y 16318 (8 ocurrencias). [nota 1] Por lo tanto, 26,4 transversiones fue una subestimación del número probable de eventos de transversión. El estudio del año 1991 también utilizó una relación transición-transversión del estudio de monos del viejo mundo de 15:1. [ cita requerida ] Sin embargo, el examen de HVR de chimpancés y gorilas revela una tasa menor, y el examen de humanos ubica la tasa en 34:1. [6] Por lo tanto, este estudio subestimó ese nivel de divergencia de secuencia entre chimpancés y humanos. La divergencia de secuencia estimada 0,738/sitio (incluye transversiones) es significativamente menor que los ~2,5 por sitio sugeridos por Soares et al. (2009). Estos dos errores darían como resultado una sobreestimación del TMRCA mitocondrial humano. Sin embargo, no lograron detectar el linaje L0 basal en el análisis y tampoco detectaron transiciones recurrentes en muchos linajes, que también subestiman el TMRCA. Además, Vigilant et al. (1991) utilizaron un anclaje CHLCA más reciente de 4 a 6 millones de años.
La secuencia de la región codificante parcial originalmente complementó los estudios de HVR porque la secuencia de la región codificante completa era poco común. Hubo sospechas de que los estudios de HVR habían pasado por alto ramas importantes con base en algunos estudios anteriores de RFLP y de la región codificante. Ingman et al. (2000) fue el primer estudio en comparar secuencias genómicas para el análisis de coalescencia. La secuencia de la región codificante discriminó los haplogrupos M y N y los macrohaplogrupos L0 y L1 . Debido a que la secuenciación del ADN genómico resolvió las dos ramas más profundas, mejoró algunos aspectos al estimar TMRCA sobre la secuencia de HVR sola. Excluyendo el bucle D y utilizando un T CHLCA de 5 millones de años , Ingman et al. (2000) estimaron que la tasa de mutación era de 1,70 × 10 −8 por sitio por año (tasa * T CHLCA = 0,085, 15 435 sitios).
Sin embargo, el ADN de la región codificante ha sido cuestionado porque las secuencias codificantes están bajo selección purificadora para mantener la estructura y la función, o bajo selección regional para desarrollar nuevas capacidades. [13] El problema con las mutaciones en la región codificante se ha descrito como tal: las mutaciones que ocurren en la región codificante que no son letales para las mitocondrias pueden persistir pero son selectivas negativamente para el huésped; a lo largo de unas pocas generaciones, estas persistirán, pero a lo largo de miles de generaciones se eliminan lentamente de la población, dejando SNP. [6] Sin embargo, a lo largo de miles de generaciones, las mutaciones selectivas regionalmente pueden no discriminarse de estas mutaciones transitorias de la región codificante. El problema con las mutaciones raras en los mitogenomas humanos es lo suficientemente significativo como para impulsar media docena de estudios recientes sobre el tema.
Ingman et al. (2000) estimaron la evolución de la región no D loop en 1,7 × 10 −8 por año por sitio basándose en 53 secuencias genómicas no idénticas que sobrerrepresentan a África en una muestra global. A pesar de esta sobrerrepresentación, la resolución de las subramas L0 fue deficiente y se encontró otra rama L1 profunda. A pesar de estas limitaciones, ese muestreo fue adecuado para el estudio distintivo. Hoy, L0 está restringido a las poblaciones africanas, mientras que L1 es el haplogrupo ancestral de todos los no africanos, así como de la mayoría de los africanos. La secuencia de Eva mitocondrial se puede aproximar comparando una secuencia de L0 con una secuencia de L1. Al conciliar las mutaciones en L0 y L1. Las secuencias de ADNmt de las poblaciones humanas contemporáneas generalmente diferirán de la secuencia de Eva mitocondrial en aproximadamente 50 mutaciones. [14] [15] Las tasas de mutación no se clasificaron según el sitio (excepto excluyendo las regiones HVR). El T CHLCA utilizado en el estudio del año 2000 de 5 Ma también fue inferior a los valores utilizados en los estudios más recientes.
Desde que se ha hecho posible secuenciar un gran número de mitogenomas antiguos, varios estudios han estimado la tasa de mutación mitocondrial midiendo cuántas mutaciones más se han acumulado en promedio en los genomas modernos (o posteriores) en comparación con los antiguos (o anteriores) que descienden del mismo nodo filogenético. Estos estudios han obtenido resultados similares: estimaciones centrales para todo el cromosoma, en sustituciones por sitio por año: 2,47 × 10 −8 ; [16] 2,14 × 10 −8 ; [17] 2,53 × 10 −8 ; [18] y 2,74 × 10 −8 . [19]
El reloj molecular del ADN mitocondrial ha sido criticado debido a su reloj molecular inconsistente. [20] [21] [22] Un análisis retrospectivo de cualquier proceso pionero revelará deficiencias. Con las mitocondrias, las deficiencias son el argumento de la ignorancia de la variación de la velocidad y el exceso de confianza en relación con el T CHLCA de 5 Ma. La falta de perspectiva histórica podría explicar el segundo problema, el problema de la variación de la velocidad es algo que solo podría resolverse mediante el estudio masivo de las mitocondrias que siguió. El número de secuencias HVR que se han acumulado desde 1987 hasta 2000 aumentó en magnitudes. Soares et al. (2009) utilizaron 2196 secuencias mitogenómicas y descubrieron 10.683 eventos de sustitución dentro de estas secuencias. Once de los 16.560 sitios en el mitogenoma produjeron más del 11% de todas las sustituciones con una variación de la velocidad estadísticamente significativa dentro de los 11 sitios. [nota 2] Argumentan que existe una tasa de mutación en el sitio neutral que es una magnitud más lenta que la tasa observada para el sitio más rápido, CRS 16519. En consecuencia, dejando de lado la selección purificadora, la tasa de mutación en sí misma varía entre sitios, y algunos sitios tienen muchas más probabilidades de sufrir nuevas mutaciones en relación con otros. [23] Soares et al. (2009) observaron dos tramos de ADN, CRS 2651-2700 y 3028-3082, que no tenían SNP dentro de las 2196 secuencias mitogenómicas.
