La filogenética molecular ( / m ə ˈ l ɛ k j ʊ l ər ˌ f aɪ l oʊ dʒ ə ˈ n ɛ t ɪ k s , m ɒ -, m oʊ -/ [1] [2] ) es la rama de la filogenia que analiza diferencias moleculares genéticas y hereditarias, predominantemente en secuencias de ADN, para obtener información sobre las relaciones evolutivas de un organismo. A partir de estos análisis, es posible determinar los procesos mediante los cuales se ha logrado la diversidad entre especies. El resultado de un análisis filogenético molecular se expresa en un árbol filogenético . La filogenética molecular es un aspecto de la sistemática molecular , un término más amplio que también incluye el uso de datos moleculares en taxonomía y biogeografía . [3] [4] [5]
La filogenética molecular y la evolución molecular se correlacionan. La evolución molecular es el proceso de cambios selectivos (mutaciones) a nivel molecular (genes, proteínas, etc.) a lo largo de varias ramas del árbol de la vida (evolución). La filogenética molecular hace inferencias de las relaciones evolutivas que surgen debido a la evolución molecular y da como resultado la construcción de un árbol filogenético. [6]
Los marcos teóricos de la sistemática molecular se establecieron en la década de 1960 en los trabajos de Emile Zuckerkandl , Emanuel Margoliash , Linus Pauling y Walter M. Fitch . [7] Las aplicaciones de la sistemática molecular fueron iniciadas por Charles G. Sibley ( pájaros ), Herbert C. Dessauer ( herpetología ) y Morris Goodman ( primates ), seguidos por Allan C. Wilson , Robert K. Selander y John C. Avise. (que estudió varios grupos). El trabajo con electroforesis de proteínas comenzó alrededor de 1956. Aunque los resultados no fueron cuantitativos y no mejoraron inicialmente la clasificación morfológica, proporcionaron pistas tentadoras de que nociones arraigadas sobre la clasificación de las aves , por ejemplo, necesitaban una revisión sustancial. En el período 1974-1986, la hibridación ADN-ADN fue la técnica dominante utilizada para medir la diferencia genética. [8]
Los primeros intentos de sistemática molecular también se denominaron quimiotaxonomía y utilizaron proteínas, enzimas , carbohidratos y otras moléculas que se separaron y caracterizaron mediante técnicas como la cromatografía . Estos han sido reemplazados en los últimos tiempos en gran medida por la secuenciación de ADN , que produce las secuencias exactas de nucleótidos o bases en segmentos de ADN o ARN extraídos mediante diferentes técnicas. En general, estos se consideran superiores para los estudios evolutivos, ya que las acciones de la evolución se reflejan en última instancia en las secuencias genéticas. En la actualidad, secuenciar todo el ADN de un organismo (su genoma ) sigue siendo un proceso largo y costoso. Sin embargo, es bastante factible determinar la secuencia de un área definida de un cromosoma en particular . Los análisis sistemáticos moleculares típicos requieren la secuenciación de alrededor de 1.000 pares de bases . En cualquier ubicación dentro de dicha secuencia, las bases que se encuentran en una posición determinada pueden variar entre organismos. La secuencia particular que se encuentra en un organismo determinado se denomina haplotipo . En principio, dado que hay cuatro tipos de bases, con 1.000 pares de bases, podríamos tener 4.1000 haplotipos distintos. Sin embargo, para los organismos dentro de una especie particular o en un grupo de especies relacionadas, se ha descubierto empíricamente que sólo una minoría de sitios muestra alguna variación, y la mayoría de las variaciones que se encuentran están correlacionadas, de modo que el número de organismos distintos Los haplotipos que se encuentran son relativamente pequeños. [9]
En un análisis sistemático molecular se determinan los haplotipos para una zona definida del material genético ; se utiliza una muestra sustancial de individuos de la especie objetivo u otro taxón ; sin embargo, muchos estudios actuales se basan en individuos individuales. También se determinan los haplotipos de individuos de taxones estrechamente relacionados, aunque diferentes. Finalmente, se determinan los haplotipos de un número menor de individuos de un taxón claramente diferente: se denomina exogrupo . Luego se comparan las secuencias de bases de los haplotipos. En el caso más simple, la diferencia entre dos haplotipos se evalúa contando el número de ubicaciones en las que tienen bases diferentes: esto se conoce como número de sustituciones (también pueden ocurrir otros tipos de diferencias entre haplotipos, por ejemplo, la inserción de una sección de ácido nucleico en un haplotipo que no está presente en otro). La diferencia entre organismos suele reexpresarse como divergencia porcentual , dividiendo el número de sustituciones por el número de pares de bases analizados: se espera que esta medida sea independiente de la ubicación y la longitud de la sección de ADN que se secuencia. .
Un enfoque más antiguo y reemplazado era determinar las divergencias entre los genotipos de los individuos mediante hibridación ADN-ADN . La ventaja alegada de utilizar la hibridación en lugar de la secuenciación de genes era que se basaba en el genotipo completo, en lugar de en secciones particulares de ADN. Las técnicas modernas de comparación de secuencias superan esta objeción mediante el uso de múltiples secuencias.
Una vez que se han determinado las divergencias entre todos los pares de muestras, la matriz triangular de diferencias resultante se somete a algún tipo de análisis estadístico de conglomerados y se examina el dendrograma resultante para ver si las muestras se agrupan de la forma esperada. Ideas actuales sobre la taxonomía del grupo. Se puede decir que cualquier grupo de haplotipos que sean más similares entre sí que cualquiera de ellos con cualquier otro haplotipo constituye un clado , que puede representarse visualmente como lo demuestra la figura que se muestra a la derecha. Las técnicas estadísticas como el bootstrapping y el jackknifing ayudan a proporcionar estimaciones de confiabilidad para las posiciones de los haplotipos dentro de los árboles evolutivos.
Todo organismo vivo contiene ácido desoxirribonucleico ( ADN ), ácido ribonucleico ( ARN ) y proteínas . En general, los organismos estrechamente relacionados tienen un alto grado de similitud en la estructura molecular de estas sustancias, mientras que las moléculas de organismos estrechamente relacionados a menudo muestran un patrón de disimilitud. Se espera que las secuencias conservadas, como el ADN mitocondrial, acumulen mutaciones con el tiempo y, suponiendo una tasa de mutación constante, proporcionen un reloj molecular para datar la divergencia. La filogenia molecular utiliza esos datos para construir un "árbol de relaciones" que muestra la probable evolución de varios organismos. Con la invención de la secuenciación de Sanger en 1977, fue posible aislar e identificar estas estructuras moleculares. [10] [11] La secuenciación de alto rendimiento también se puede utilizar para obtener el transcriptoma de un organismo, lo que permite inferir relaciones filogenéticas utilizando datos transcriptómicos .
El enfoque más común es la comparación de secuencias homólogas de genes utilizando técnicas de alineación de secuencias para identificar similitudes. Otra aplicación de la filogenia molecular es la codificación de barras de ADN , en la que la especie de un organismo individual se identifica utilizando pequeñas secciones de ADN mitocondrial o ADN de cloroplasto . Otra aplicación de las técnicas que lo hacen posible se puede ver en el muy limitado campo de la genética humana, como el uso cada vez más popular de pruebas genéticas para determinar la paternidad de un niño , así como la aparición de una nueva rama de la criminalidad. La ciencia forense se centró en la evidencia conocida como huella genética .
Hay varios métodos disponibles para realizar un análisis filogenético molecular. Un método, que incluye un protocolo integral paso a paso sobre la construcción de un árbol filogenético, incluido el ensamblaje de secuencias contiguas de ADN/aminoácidos, alineación de secuencias múltiples , prueba de modelos (prueba de modelos de sustitución que mejor se ajustan) y reconstrucción de filogenia utilizando Máxima Verosimilitud y Inferencia bayesiana, está disponible en Nature Protocol. [12]
Pevsner ha descrito otra técnica de análisis filogenético molecular y se resumirá en las siguientes frases (Pevsner, 2015). Un análisis filogenético normalmente consta de cinco pasos principales. La primera etapa comprende la adquisición de secuencias. El siguiente paso consiste en realizar un alineamiento de secuencias múltiples, que es la base fundamental para la construcción de un árbol filogenético. La tercera etapa incluye diferentes modelos de sustitución de ADN y aminoácidos. Existen varios modelos de sustitución. Algunos ejemplos incluyen la distancia de Hamming , el modelo de un parámetro de Jukes y Cantor y el modelo de dos parámetros de Kimura (ver Modelos de evolución del ADN ). La cuarta etapa consta de varios métodos de construcción de árboles, incluidos los métodos basados en la distancia y en los caracteres. La distancia de Hamming normalizada y las fórmulas de corrección de Jukes-Cantor proporcionan el grado de divergencia y la probabilidad de que un nucleótido cambie a otro, respectivamente. Los métodos comunes de construcción de árboles incluyen el método de grupo de pares no ponderados que utiliza la media aritmética ( UPGMA ) y la unión de vecinos , que son métodos basados en la distancia, la parsimonia máxima , que es un método basado en caracteres, y la estimación de máxima verosimilitud e inferencia bayesiana , que son métodos basados en caracteres. Métodos basados/basados en modelos. UPGMA es un método sencillo; sin embargo, es menos preciso que el método de unión de vecinos. Finalmente, el último paso consiste en evaluar los árboles. Esta evaluación de la precisión se compone de coherencia, eficiencia y solidez. [13]
MEGA (análisis de genética evolutiva molecular) es un software de análisis fácil de usar y de descarga y uso gratuitos. Este software es capaz de analizar metodologías de árboles tanto basadas en distancias como basadas en caracteres. MEGA también contiene varias opciones que uno puede optar por utilizar, como enfoques heurísticos y arranque. Bootstrapping es un enfoque que se utiliza comúnmente para medir la solidez de la topología en un árbol filogenético, que demuestra el porcentaje de soporte de cada clado después de numerosas repeticiones. En general, se considera significativo un valor superior al 70%. El diagrama de flujo que se muestra a la derecha demuestra visualmente el orden de las cinco etapas de la técnica de análisis filogenético molecular de Pevsner que se han descrito. [13]
La sistemática molecular es un enfoque esencialmente cladístico : supone que la clasificación debe corresponder a la descendencia filogenética y que todos los taxones válidos deben ser monofiléticos . Esta es una limitación al intentar determinar los árboles óptimos, lo que a menudo implica dividir y reconectar partes de los árboles filogenéticos.
El reciente descubrimiento de una extensa transferencia horizontal de genes entre organismos proporciona una complicación significativa a la sistemática molecular, indicando que diferentes genes dentro del mismo organismo pueden tener diferentes filogenias. Los HGT se pueden detectar y excluir mediante varios métodos filogenéticos (consulte Inferir transferencia horizontal de genes § Métodos filogenéticos explícitos ).
Además, las filogenias moleculares son sensibles a los supuestos y modelos que intervienen en su elaboración. En primer lugar, las secuencias deben estar alineadas; luego, se deben abordar cuestiones como la atracción de ramas largas , la saturación y los problemas de muestreo de taxones . Esto significa que se pueden obtener resultados sorprendentemente diferentes aplicando diferentes modelos al mismo conjunto de datos. [14] [15] El método de construcción de árboles también trae consigo suposiciones específicas sobre la topología del árbol, las velocidades de evolución y el muestreo. El simplista UPGMA supone un árbol enraizado y un reloj molecular uniforme, los cuales pueden ser incorrectos. [13]