Filogenética molecular

Filogenética molecular () es la rama de la filogenia que analiza las diferencias moleculares genéticas y hereditarias, predominantemente en las 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.

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.

Historia

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. Las aplicaciones de la sistemática molecular fueron iniciadas por Charles G. Sibley (aves), Herbert C. Dessauer (herpetología) y Morris Goodman (primates), seguidos por Allan C. Wilson, Robert K. Selander y John C. Avise (quienes estudiaron 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 las nociones de larga data sobre las clasificaciones de aves, por ejemplo, necesitaban una revisión sustancial. En el período de 1974 a 1986, la hibridación ADN-ADN fue la técnica dominante utilizada para medir la diferencia genética.

Antecedentes teóricos

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 del 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 finalmente 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 1000 pares de bases. En cualquier ubicación dentro de dicha secuencia, las bases que se encuentran en una posición dada pueden variar entre organismos. La secuencia particular que se encuentra en un organismo dado se conoce como su haplotipo. En principio, dado que hay cuatro tipos de bases, con 1000 pares de bases, podríamos tener 4¹⁰⁰⁰ haplotipos distintos. Sin embargo, para organismos dentro de una especie particular o en un grupo de especies relacionadas, se ha encontrado empíricamente que solo una minoría de sitios muestra alguna variación y la mayoría de las variaciones que se encuentran están correlacionadas, de modo que el número de especies distintas haplotipos que se encuentran es relativamente pequeño.

En un árbol filogenético existen numerosas agrupaciones (cladas). Una clada puede definirse como un grupo de organismos que tienen un antepasado común a lo largo de la evolución. Esta figura ilustra cómo se puede expresar una clada en un árbol filogenético.

En un análisis sistemático molecular, los haplotipos se determinan para un área definida de 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 definitivamente diferente: estos se denominan grupo externo. A continuación, 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 donde tienen bases diferentes: esto se conoce como el 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 volver a expresarse como una 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 duración de la sección de ADN que se secuencia.

Un enfoque más antiguo y reemplazado consistía en determinar las divergencias entre los genotipos de individuos mediante hibridación ADN-ADN. La ventaja reclamada por el uso de la hibridación en lugar de la secuenciación de genes era que se basaba en el genotipo completo, en lugar de secciones particulares de ADN. Las modernas técnicas 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 el dendrograma resultante se examina para ver si las muestras se agrupan de la forma en que lo harían. esperarse de las ideas actuales sobre la taxonomía del grupo. Se puede decir que cualquier grupo de haplotipos que son más similares entre sí que cualquiera de ellos a 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 bootstrapping y jackknifing ayudan a proporcionar estimaciones de confiabilidad para las posiciones de los haplotipos dentro de los árboles evolutivos.

Técnicas y aplicaciones

Todos los organismos vivos contienen ácido desoxirribonucleico (ADN), ácido ribonucleico (ARN) y proteínas. En general, los organismos estrechamente emparentados tienen un alto grado de similitud en la estructura molecular de estas sustancias, mientras que las moléculas de organismos lejanamente emparentados 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 constante de mutación, 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. La secuenciación de alto rendimiento también se puede utilizar para obtener el transcriptoma de un organismo, lo que permite la inferencia de 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 la similitud. Otra aplicación de la filogenia molecular es el código de barras de ADN, en el 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 hacen esto posible se puede ver en el campo muy limitado de la genética humana, como el uso cada vez más popular de las pruebas genéticas para determinar la paternidad de un niño, así como la aparición de un nueva rama de la ciencia forense criminal centrada en la evidencia conocida como huellas dactilares genéticas.

Análisis filogenético molecular

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 modelo (prueba de los modelos de sustitución que mejor se ajustan) y reconstrucción de filogenia utilizando Máxima Verosimilitud y La inferencia bayesiana está disponible en Nature Protocol.

Pevsner describió otra técnica de análisis filogenético molecular y se resumirá en las siguientes oraciones (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 construir 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 (consulte 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 el carácter. 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 creación 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 y la inferencia bayesiana, que son métodos basados en caracteres. métodos basados/basados en modelos. UPGMA es un método simple; sin embargo, es menos preciso que el enfoque de unión de vecinos. Finalmente, el último paso comprende la evaluación de los árboles. Esta evaluación de la precisión se compone de consistencia, eficiencia y robustez.

Cinco etapas del análisis fitogenético molecular

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 árbol tanto basadas en distancias como basadas en caracteres. MEGA también contiene varias opciones que uno puede elegir utilizar, como enfoques heurísticos y arranque. Bootstrapping es un enfoque que se usa comúnmente para medir la solidez de la topología en un árbol filogenético, lo que demuestra el porcentaje que admite cada clado después de numerosas repeticiones. En general, un valor superior al 70% se considera significativo. 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.

Limitaciones

La sistemática molecular es un enfoque esencialmente cladístico: asume que la clasificación debe corresponder a la descendencia filogenética y que todos los taxones válidos deben ser monofiléticos. Esta es una limitación cuando se intenta determinar los árboles óptimos, lo que a menudo implica bisecar y volver a conectar partes de los árboles filogenéticos.

El reciente descubrimiento de la extensa transferencia horizontal de genes entre organismos proporciona una complicación significativa a la sistemática molecular, lo que indica que diferentes genes dentro del mismo organismo pueden tener diferentes filogenias.

Además, las filogenias moleculares son sensibles a las suposiciones y modelos que se utilizan para crearlas. 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.

Además, como se mencionó anteriormente, UPGMA es un enfoque simple en el que el árbol siempre está enraizado. El algoritmo asume un reloj molecular constante para las secuencias en el árbol. Esto está asociado con ser una limitación en el sentido de que si existen tasas de sustitución desiguales, el resultado puede ser un árbol incorrecto.

Notas y referencias