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Teoría neutral de la evolución molecular

La teoría neutral de la evolución molecular sostiene que la mayoría de los cambios evolutivos ocurren a nivel molecular y que la mayor parte de la variación dentro y entre especies se debe a la deriva genética aleatoria de alelos mutantes que son selectivamente neutrales . La teoría se aplica únicamente a la evolución a nivel molecular y es compatible con la idea de que la evolución fenotípica está determinada por la selección natural , como postula Charles Darwin .

La teoría neutral admite la posibilidad de que la mayoría de las mutaciones sean perjudiciales, pero sostiene que, como la selección natural las elimina rápidamente , no contribuyen de manera significativa a la variación dentro de las especies y entre ellas a nivel molecular. Una mutación neutral es aquella que no afecta la capacidad de un organismo para sobrevivir y reproducirse.

La teoría neutral supone que la mayoría de las mutaciones que no son perjudiciales son neutrales en lugar de beneficiosas. Dado que solo se muestrea una fracción de los gametos en cada generación de una especie, la teoría neutral sugiere que un alelo mutante puede surgir dentro de una población y alcanzar la fijación por casualidad, en lugar de por ventaja selectiva. [1]

La teoría fue introducida por el biólogo japonés Motoo Kimura en 1968, e independientemente por dos biólogos estadounidenses Jack Lester King y Thomas Hughes Jukes en 1969, y descrita en detalle por Kimura en su monografía de 1983 The Neutral Theory of Molecular Evolution . La propuesta de la teoría neutral fue seguida por una extensa controversia "neutralista-seleccionista" sobre la interpretación de los patrones de divergencia molecular y polimorfismo genético , que alcanzó su punto máximo en los años 1970 y 1980.

La teoría neutral se utiliza con frecuencia como hipótesis nula, en contraposición a las explicaciones adaptativas, para describir la aparición de características morfológicas o genéticas en organismos y poblaciones. Esto se ha sugerido en diversas áreas, entre ellas, para explicar la variación genética entre poblaciones de una especie nominal [2] , la aparición de maquinaria subcelular compleja [3] y la aparición convergente de varias morfologías microbianas típicas [4] .

Orígenes

Aunque algunos científicos, como Freese (1962) [5] y Freese y Yoshida (1965), [6] habían sugerido que las mutaciones neutrales probablemente estaban muy extendidas, la derivación matemática original de la teoría había sido publicada por RA Fisher en 1930. [7] Sin embargo, Fisher dio un argumento razonado para creer que, en la práctica, las sustituciones de genes neutrales serían muy raras. [8] Una teoría coherente de la evolución neutral fue propuesta por primera vez por Motoo Kimura en 1968 [9] y por King y Jukes de forma independiente en 1969. [10] Kimura se centró inicialmente en las diferencias entre especies; King y Jukes se centraron en las diferencias dentro de las especies.

Muchos biólogos moleculares y genetistas de poblaciones también contribuyeron al desarrollo de la teoría neutral. [1] [11] [12] Los principios de la genética de poblaciones , establecidos por JBS Haldane , RA Fisher y Sewall Wright , crearon un enfoque matemático para analizar las frecuencias genéticas que contribuyó al desarrollo de la teoría de Kimura.

Kimura utilizó como motivación el dilema de Haldane sobre el costo de la selección . Haldane estimó que se necesitan aproximadamente 300 generaciones para que una mutación beneficiosa se fije en un linaje de mamíferos, lo que significa que el número de sustituciones (1,5 por año) en la evolución entre humanos y chimpancés era demasiado alto para ser explicado por mutaciones beneficiosas.

Restricción funcional

La teoría neutral sostiene que a medida que disminuye la restricción funcional, aumenta la probabilidad de que una mutación sea neutral y, por lo tanto, también debería aumentar la tasa de divergencia de la secuencia.

Al comparar varias proteínas , se observaron tasas evolutivas extremadamente altas en proteínas como los fibrinopéptidos y la cadena C de la molécula de proinsulina , que tienen poca o ninguna funcionalidad en comparación con sus moléculas activas. Kimura y Ohta también estimaron que las cadenas alfa y beta en la superficie de una proteína de hemoglobina evolucionan a una velocidad casi diez veces más rápida que las bolsas internas, lo que implicaría que la estructura molecular general de la hemoglobina es menos significativa que el interior donde residen los grupos hemo que contienen hierro. [13]

Hay evidencia de que las tasas de sustitución de nucleótidos son particularmente altas en la tercera posición de un codón , donde hay poca restricción funcional. [14] Esta visión se basa en parte en el código genético degenerado , en el que las secuencias de tres nucleótidos ( codones ) pueden diferir y, sin embargo, codificar el mismo aminoácido ( GCC y GCA codifican alanina , por ejemplo). En consecuencia, muchos cambios potenciales de un solo nucleótido son en efecto "silenciosos" o "no expresados" (ver sustitución sinónima o silenciosa ). Se presume que tales cambios tienen poco o ningún efecto biológico. [15]

Teoría cuantitativa

Kimura también desarrolló el modelo de sitios infinitos (ISM) para proporcionar información sobre las tasas evolutivas de los alelos mutantes . Si tuviéramos que representar la tasa de mutación de gametos por generación de individuos, cada uno con dos juegos de cromosomas , el número total de nuevos mutantes en cada generación es . Ahora representemos la tasa de evolución en términos de un alelo mutante que se vuelve fijo en una población. [16]

Según el ISM, las mutaciones selectivamente neutrales aparecen a una tasa en cada una de las copias de un gen y se fijan con probabilidad . Como cualquiera de los genes tiene la capacidad de fijarse en una población, es igual a , lo que da como resultado la ecuación de tasa evolutiva:

Esto significa que si todas las mutaciones fueran neutrales, se predice que la tasa a la que se acumulan diferencias fijas entre poblaciones divergentes será igual a la tasa de mutación por individuo, independientemente del tamaño de la población. Cuando la proporción de mutaciones que son neutrales es constante, también lo es la tasa de divergencia entre poblaciones. Esto proporciona una justificación para el reloj molecular , que precedió a la teoría neutral. [17] El ISM también demuestra una constancia que se observa en los linajes moleculares .

Se supone que este proceso estocástico obedece a ecuaciones que describen la deriva genética aleatoria por medio de accidentes de muestreo, en lugar de, por ejemplo, el autostop genético de un alelo neutro debido al enlace genético con alelos no neutros. Después de aparecer por mutación, un alelo neutro puede volverse más común dentro de la población a través de la deriva genética . Por lo general, se perderá o, en casos raros, puede volverse fijo , lo que significa que el nuevo alelo se vuelve estándar en la población.

Según la teoría neutral de la evolución molecular, la cantidad de variación genética dentro de una especie debería ser proporcional al tamaño efectivo de la población .

El debate “neutralista-seleccionista”

Cuando se publicó la teoría de Kimura surgió un acalorado debate, que giró en gran medida en torno a los porcentajes relativos de alelos polimórficos y fijos que son "neutrales" frente a "no neutrales".

Un polimorfismo genético significa que diferentes formas de genes particulares, y por lo tanto de las proteínas que producen, coexisten dentro de una especie. Los seleccionistas afirmaron que tales polimorfismos se mantienen mediante la selección equilibradora , mientras que los neutralistas ven la variación de una proteína como una fase transitoria de la evolución molecular . [1] Los estudios de Richard K. Koehn y WF Eanes demostraron una correlación entre el polimorfismo y el peso molecular de sus subunidades moleculares . [18] Esto es consistente con el supuesto de la teoría neutral de que las subunidades más grandes deberían tener tasas más altas de mutación neutral. Los seleccionistas, por otro lado, atribuyen las condiciones ambientales como los principales determinantes de los polimorfismos en lugar de los factores estructurales y funcionales. [16]

Según la teoría neutral de la evolución molecular, la cantidad de variación genética dentro de una especie debería ser proporcional al tamaño efectivo de la población . Los niveles de diversidad genética varían mucho menos que los tamaños de población censales, lo que da lugar a la "paradoja de la variación". [19] Si bien los altos niveles de diversidad genética fueron uno de los argumentos originales a favor de la teoría neutral, la paradoja de la variación ha sido uno de los argumentos más sólidos en contra de la teoría neutral.

Hay una gran cantidad de métodos estadísticos para probar si la teoría neutral es una buena descripción de la evolución (por ejemplo, la prueba de McDonald-Kreitman [20] ), y muchos autores afirmaron la detección de la selección. [21] [22] [23] [24] [25] [26] Sin embargo, algunos investigadores han argumentado que la teoría neutral todavía se mantiene, al tiempo que amplían la definición de teoría neutral para incluir la selección de fondo en sitios vinculados. [27]

Teoría casi neutral

Tomoko Ohta también enfatizó la importancia de las mutaciones casi neutrales , particularmente las ligeramente perjudiciales. [28] La teoría casi neutral se deriva de la predicción de la teoría neutral de que el equilibrio entre la selección y la deriva genética depende del tamaño efectivo de la población . [29] Las mutaciones casi neutrales son aquellas que tienen coeficientes de selección menores que el inverso del doble del tamaño efectivo de la población. [30] La dinámica poblacional de las mutaciones casi neutrales es solo ligeramente diferente de las de las mutaciones neutrales a menos que la magnitud absoluta del coeficiente de selección sea mayor que 1/N, donde N es el tamaño efectivo de la población con respecto a la selección. [1] [11] [12] El tamaño efectivo de la población afecta si las mutaciones ligeramente perjudiciales pueden tratarse como neutrales o como perjudiciales. [31] En poblaciones grandes, la selección puede disminuir la frecuencia de mutaciones ligeramente perjudiciales, actuando así como si fueran perjudiciales. Sin embargo, en poblaciones pequeñas, la deriva genética puede superar más fácilmente la selección, causando que las mutaciones ligeramente perjudiciales actúen como si fueran neutrales y deriven hacia la fijación o pérdida. [31]

Evolución neutral constructiva

Las bases de la teoría de la evolución neutral constructiva (ENC) se establecieron en dos artículos de la década de 1990. [32] [33] [34] La evolución neutral constructiva es una teoría que sugiere que pueden surgir estructuras y procesos complejos a través de transiciones neutrales. Aunque es una teoría completamente separada, el énfasis en la neutralidad como un proceso por el cual los alelos neutrales se fijan aleatoriamente por deriva genética encuentra cierta inspiración en el intento anterior de la teoría neutral de invocar su importancia en la evolución. [34] Conceptualmente, hay dos componentes A y B (que pueden representar dos proteínas) que interactúan entre sí. A, que realiza una función para el sistema, no depende de su interacción con B para su funcionalidad, y la interacción en sí puede haber surgido aleatoriamente en un individuo con la capacidad de desaparecer sin un efecto sobre la aptitud de A. Esta interacción presente pero actualmente innecesaria se llama, por lo tanto, un "exceso de capacidad" del sistema. Sin embargo, puede ocurrir una mutación que comprometa la capacidad de A para realizar su función de forma independiente. Sin embargo, la interacción A:B que ya ha surgido mantiene la capacidad de A para realizar su función inicial. Por lo tanto, la aparición de la interacción A:B "suprime" la naturaleza perjudicial de la mutación, convirtiéndola en un cambio neutral en el genoma que es capaz de propagarse a través de la población a través de la deriva genética aleatoria. Por lo tanto, A ha adquirido una dependencia de su interacción con B. [35] En este caso, la pérdida de B o la interacción A:B tendría un efecto negativo en la aptitud y, por lo tanto, la selección purificadora eliminaría a los individuos donde esto ocurre. Si bien cada uno de estos pasos es reversible individualmente (por ejemplo, A puede recuperar la capacidad de funcionar de forma independiente o la interacción A:B puede perderse), una secuencia aleatoria de mutaciones tiende a reducir aún más la capacidad de A para funcionar de forma independiente y un recorrido aleatorio a través del espacio de dependencia puede muy bien dar como resultado una configuración en la que es demasiado improbable que ocurra un retorno a la independencia funcional de A, lo que hace que la CNE sea un proceso unidireccional o "similar a un trinquete". [36] La CNE, que no invoca mecanismos adaptacionistas para los orígenes de sistemas más complejos (que involucran más partes e interacciones que contribuyen al todo), ha visto aplicación en la comprensión de los orígenes evolutivos del complejo eucariota espliceosómico, la edición de ARN, proteínas ribosomales adicionales más allá del núcleo, la aparición de ARN largo no codificante a partir de ADN basura, etc. [37] [38] [39] [40] En algunos casos, la reconstrucción de secuencias ancestralesLas técnicas han permitido realizar demostraciones experimentales de algunos ejemplos propuestos de CNE, como en los complejos de proteínas de anillo heterooligomérico en algunos linajes fúngicos. [41]

La CNE también se ha propuesto como hipótesis nula para explicar las estructuras complejas, y por lo tanto las explicaciones adaptacionistas para el surgimiento de la complejidad deben probarse rigurosamente caso por caso contra esta hipótesis nula antes de ser aceptadas. Los motivos para invocar la CNE como hipótesis nula incluyen que no presupone que los cambios ofrecieran un beneficio adaptativo al huésped o que fueran seleccionados direccionalmente, al tiempo que mantiene la importancia de demostraciones más rigurosas de adaptación cuando se invoca para evitar los defectos excesivos del adaptacionismo criticados por Gould y Lewontin. [42] [3] [43]

Evidencia empírica de la teoría neutral

Las predicciones derivadas de la teoría neutral generalmente están respaldadas en estudios de evolución molecular. [44] Uno de los corolarios de la teoría neutral es que la eficiencia de la selección positiva es mayor en poblaciones o especies con tamaños de población efectivos mayores . [45] Esta relación entre el tamaño de población efectivo y la eficiencia de selección fue evidenciada por estudios genómicos de especies que incluyen chimpancés y humanos [45] y especies domesticadas. [46] En poblaciones pequeñas (por ejemplo, un cuello de botella poblacional durante un evento de especiación ), las mutaciones ligeramente deletéreas deberían acumularse. Los datos de varias especies respaldan esta predicción en que la proporción de sustituciones de nucleótidos no sinónimas a sinónimas entre especies generalmente excede la de dentro de las especies. [31] Además, las sustituciones de nucleótidos y aminoácidos generalmente se acumulan con el tiempo de manera lineal, lo que es consistente con la teoría neutral. [44] Los argumentos en contra de la teoría neutral citan evidencia de selección positiva generalizada y barridos selectivos en datos genómicos. [47] El apoyo empírico a la teoría neutral puede variar dependiendo del tipo de datos genómicos estudiados y las herramientas estadísticas utilizadas para detectar la selección positiva. [44] Por ejemplo, los métodos bayesianos para la detección de sitios de codones seleccionados y las pruebas de McDonald-Kreitman han sido criticados por su tasa de identificación errónea de la selección positiva. [31] [44]

Véase también

Referencias

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