La neofuncionalización , uno de los posibles resultados de la divergencia funcional , ocurre cuando una copia de un gen, o parálogo , asume una función totalmente nueva después de un evento de duplicación genética . La neofuncionalización es un proceso de mutación adaptativa; lo que significa que una de las copias del gen debe mutar para desarrollar una función que no estaba presente en el gen ancestral. [1] [2] [3] En otras palabras, uno de los duplicados conserva su función original, mientras que el otro acumula cambios moleculares de tal manera que, con el tiempo, puede realizar una tarea diferente. [4]
El proceso de neofuncionalización comienza con un evento de duplicación génica , que se cree que ocurre como un mecanismo de defensa contra la acumulación de mutaciones deletéreas. [5] [6] [7] Después del evento de duplicación génica hay dos copias idénticas del gen ancestral que realizan exactamente la misma función. Esta redundancia permite que una de las copias asuma una nueva función. En el caso de que la nueva función sea ventajosa, la selección natural la selecciona positivamente y la nueva mutación se fija en la población. [3] [8] La ocurrencia de neofuncionalización puede atribuirse con mayor frecuencia a cambios en la región codificante o cambios en los elementos reguladores de un gen. [6] Es mucho más raro ver cambios importantes en la función de la proteína, como la estructura de la subunidad o la afinidad del sustrato y el ligando, como resultado de la neofuncionalización. [6]
La neofuncionalización también se conoce comúnmente como "mutación durante la no funcionalidad" o "mutación durante la redundancia". [9] Independientemente de si la mutación surge después de la no funcionalidad de un gen o debido a copias redundantes de genes, el aspecto importante es que en ambos escenarios una copia del gen duplicado se libera de las restricciones selectivas y por casualidad adquiere una nueva función que luego se mejora por selección natural. [6] Se cree que este proceso ocurre muy raramente en la evolución por dos razones principales. La primera razón es que los cambios funcionales generalmente requieren una gran cantidad de cambios de aminoácidos; lo que tiene una baja probabilidad de ocurrencia. En segundo lugar, porque las mutaciones deletéreas ocurren con mucha más frecuencia que las mutaciones ventajosas en la evolución. [6] Esto hace que la probabilidad de que la función del gen se pierda con el tiempo (es decir, pseudogenización) sea mucho mayor que la probabilidad de que surja una nueva función del gen. [8] Walsh descubrió que la probabilidad relativa de neofuncionalización está determinada por la ventaja selectiva y la tasa relativa de mutaciones ventajosas. [10] Esto se demostró en su derivación de la probabilidad relativa de neofuncionalización a pseudogenización, que se da por: donde ρ es la relación entre la tasa de mutación ventajosa y la tasa de mutación nula y S es la selección de población 4NeS (Ne: tamaño efectivo de la población S: intensidad de selección). [10]
En 1936, Muller propuso originalmente la neofuncionalización como un posible resultado de un evento de duplicación genética. [11] En 1970, Ohno sugirió que la neofuncionalización era el único mecanismo evolutivo que daba lugar a nuevas funciones genéticas en una población. [6] También creía que la neofuncionalización era la única alternativa a la pseudogenización. [2] Ohta (1987) fue uno de los primeros en sugerir que pueden existir otros mecanismos para la preservación de genes duplicados en la población. [6] Hoy en día, la subfuncionalización es un proceso de fijación alternativo ampliamente aceptado para los duplicados genéticos en la población y actualmente es el único otro resultado posible de la divergencia funcional. [2]
La neosubfuncionalización ocurre cuando la neofuncionalización es el resultado final de la subfuncionalización . En otras palabras, una vez que ocurre un evento de duplicación génica formando parálogos que después de un período evolutivo se subfuncionalizan, una copia del gen continúa en este viaje evolutivo y acumula mutaciones que dan lugar a una nueva función. [6] [12] Algunos creen que la neofuncionalización es la etapa final de todos los genes subfuncionalizados. Por ejemplo, según Rastogi y Liberles "La neofuncionalización es el destino terminal de todas las copias de genes duplicados retenidas en el genoma y la subfuncionalización simplemente existe como un estado transitorio para preservar la copia duplicada del gen". [2] Los resultados de su estudio se puntúan a medida que aumenta el tamaño de la población.
La evolución de la proteína anticongelante en el pez zoárcido antártico Lycodichthys dearborni proporciona un excelente ejemplo de neofuncionalización después de la duplicación genética. En el caso del pez zoárcido antártico, el gen de la proteína anticongelante tipo III (AFPIII; P12102 ) divergió de una copia paráloga del gen de la sintasa del ácido siálico (SAS). [13] Se descubrió que el gen SAS ancestral tenía tanto sintasa del ácido siálico como funcionalidades rudimentarias de unión al hielo. Después de la duplicación, uno de los parálogos comenzó a acumular mutaciones que conducen al reemplazo de los dominios SAS del gen, lo que permite un mayor desarrollo y optimización de la funcionalidad anticongelante. [13] El nuevo gen ahora es capaz de una depresión no coligativa del punto de congelación y, por lo tanto, está neofuncionalizado. [13] Esta especialización permite a los peces zoárcidos antárticos sobrevivir en las gélidas temperaturas de los mares antárticos.
Otro ejemplo se refiere a las proteínas opsinas sensibles a la luz en los ojos de los vertebrados que les permiten ver diferentes longitudes de onda de luz. Los vertebrados actuales suelen tener cuatro clases de opsinas de cono (LWS, SWS1, SWS2 y Rh2), así como una clase de opsinas de bastón ( rodopsina , Rh1), todas las cuales fueron heredadas de los primeros ancestros vertebrados. Estas cinco clases de opsinas visuales de vertebrados surgieron a través de una serie de duplicaciones genéticas que comenzaron con LWS y terminaron con Rh1. [14] [15]
Existen limitaciones en la neofuncionalización como modelo de divergencia funcional principalmente porque:
