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 solo a la evolución a nivel molecular y es compatible con la evolución fenotípica moldeada 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 debido a que la selección natural las elimina rápidamente, no contribuyen significativamente a la variación dentro y entre especies a nivel molecular. Una mutación neutral es aquella que no afecta la capacidad de un organismo para sobrevivir y reproducirse. La teoría neutral asume que la mayoría de las mutaciones que no son perjudiciales son neutrales en lugar de beneficiosas. Debido a que solo se muestrea una fracción de 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 una ventaja selectiva.

La teoría fue presentada por el biólogo japonés Motoo Kimura en 1968, y de forma independiente por dos biólogos estadounidenses Jack Lester King y Thomas Hughes Jukes en 1969, y Kimura la describió en detalle en su monografía de 1983 The Neutral Theory of Molecular Evolución. La propuesta de la teoría neutral fue seguida por una extensa "neutralista-seleccionista" controversia sobre la interpretación de patrones de divergencia molecular y polimorfismo génico, que alcanzó su punto máximo en las décadas de 1970 y 1980.

La teoría neutral se utiliza con frecuencia como hipótesis nula, a diferencia de las explicaciones adaptativas, para describir la aparición de características morfológicas o genéticas en organismos y poblaciones. Esto se ha sugerido en varias áreas, incluida la explicación de la variación genética entre poblaciones de una especie nominal, la aparición de maquinaria subcelular compleja y la aparición convergente de varias morfologías microbianas típicas.

Orígenes

Mientras que algunos científicos, como Freese (1962) y Freese y Yoshida (1965), habían sugerido que las mutaciones neutrales probablemente estaban muy extendidas, la derivación matemática original de la teoría había sido publicada por R.A. Fisher en 1930. Sin embargo, Fisher dio un argumento razonado para creer que, en la práctica, las sustituciones de genes neutrales serían muy raras. Motoo Kimura propuso por primera vez una teoría coherente de la evolución neutral en 1968, y King y Jukes de forma independiente en 1969. Kimura se centró inicialmente en las diferencias entre especies, King y Jukes en las diferencias dentro de las especies.

Muchos biólogos moleculares y genetistas de poblaciones también contribuyeron al desarrollo de la teoría neutral. Principios de genética de poblaciones, establecidos por J.B.S. Haldane, R. A. Fisher y Sewall Wright, crearon un enfoque matemático para analizar las frecuencias de los genes que contribuyeron 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 alrededor de 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, al igual que la tasa de divergencia de 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 un ritmo casi diez veces más rápido que los bolsillos internos, lo que implicaría que la estructura molecular general de la hemoglobina es menos significativa que el interior donde se encuentra el hierro. -que contienen grupos hemo residen.

Existe evidencia de que las tasas de sustitución de nucleótidos son particularmente altas en la tercera posición de un codón, donde hay poca restricción funcional. Este punto de vista se basa en parte en el código genético degenerado, en el que las secuencias de tres nucleótidos (codones) pueden diferir y aun así codificar el mismo aminoácido (GCC y GCA ambos codifican alanina, por ejemplo). En consecuencia, muchos cambios potenciales de un solo nucleótido son en efecto 'silenciosos'. o "no expresado" (ver sustitución sinónima o muda). Se supone que tales cambios tienen poco o ningún efecto biológico.

Teoría cuantitativa

Kimura también desarrolló el modelo de sitios infinitos (ISM) para proporcionar información sobre las tasas evolutivas de los alelos mutantes. Si v{displaystyle v} eran representar la tasa de mutación de gametos por generación de N{displaystyle N} individuos, cada uno con dos conjuntos de cromosomas, el número total de nuevos mutantes en cada generación es 2Nv{displaystyle 2Nv}. Ahora k{displaystyle k} representan la tasa de evolución en términos de un alelo mutante μ μ {displaystyle mu } ser fijo en una población.

k=2Nvμ μ {displaystyle k=2Nvmu}

Según ISM, las mutaciones selectivamente neutrales aparecen a velocidad μ μ {displaystyle mu } en cada una de las 2N{displaystyle 2N} copias de un gen, y fijar con probabilidad 1/()2N){displaystyle 1/(2N)}. Porque cualquiera 2N{displaystyle 2N} los genes tienen la capacidad de fijarse en una población, 1/2N{displaystyle 1/2N} es igual a μ μ {displaystyle mu }, resultando en la tasa de ecuación de tasa evolutiva:

k=v{displaystyle k=v}

Esto significa que si todas las mutaciones fueran neutrales, se predice que la tasa a la que se acumulan las 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 razón fundamental para el reloj molecular, que es anterior a la teoría neutral. 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 neutral debido al vínculo genético con alelos no neutrales. Después de aparecer por mutación, un alelo neutral puede volverse más común dentro de la población a través de la deriva genética. Por lo general, se perderá o, en casos raros, se fijará, lo que significa que el nuevo alelo se convierte en 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 "neutralista-seleccionista" debate

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

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 equilibrando la selección, mientras que los neutralistas ven la variación de una proteína como una fase transitoria de la evolución molecular. Los estudios realizados por Richard K. Koehn y W. F. Eanes demostraron una correlación entre el polimorfismo y el peso molecular de sus subunidades moleculares. Esto es consistente con la suposición de la teoría neutral de que las subunidades más grandes deberían tener tasas más altas de mutación neutral. Los seleccionistas, por otro lado, consideran que las condiciones ambientales son los principales determinantes de los polimorfismos en lugar de los factores estructurales y funcionales.

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 censados, lo que da lugar a la "paradoja de la variación". 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 fuertes en contra de la teoría neutral.

Existe 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), y muchos autores afirmaron la detección de la selección (Fay et al. 2002, Begun et al. 2007)., Shapiro et al. 2007, Hahn 2008, Akey 2009, Kern 2018). Sin embargo, algunos investigadores han argumentado que la teoría neutral sigue en pie, al tiempo que amplían la definición de teoría neutral para incluir la selección de antecedentes en los sitios vinculados.

Teoría casi neutral

Tomoko Ohta también enfatizó la importancia de las mutaciones casi neutrales, en mutaciones particularmente levemente dañinas. La dinámica de la población de las mutaciones casi neutrales es solo ligeramente diferente de la 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. Por lo tanto, el valor de N puede afectar cuántas mutaciones pueden tratarse como neutras y cuántas como perjudiciales.

Evolución neutral constructiva

Las bases para la teoría de la evolución neutral constructiva (CNE) fueron establecidas por dos artículos en la década de 1990. La evolución neutral constructiva es una teoría que sugiere que estructuras y procesos complejos pueden surgir a través de transiciones neutrales. Aunque es una teoría completamente separada, el énfasis en la neutralidad como un proceso mediante el cual los alelos neutrales se fijan al azar por la deriva genética se inspira en el intento anterior de la teoría neutral de invocar su importancia en la evolución. 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 al azar en un individuo con la capacidad de desaparecer sin afectar la aptitud de A. Este presente aún por lo tanto, la interacción actualmente innecesaria se denomina "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 sostiene la capacidad de A para realizar su función inicial. Por lo tanto, la aparición de la interacción A:B "presuprime" la naturaleza nociva de la mutación, lo que la convierte 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 ganado una dependencia de su interacción con B. En este caso, la pérdida de B o de la interacción A:B tendría un efecto negativo en la aptitud y, por lo tanto, la selección purificadora eliminaría a los individuos cuando esto ocurra. Si bien cada uno de estos pasos es individualmente reversible (por ejemplo, A puede recuperar la capacidad de funcionar de forma independiente o se puede perder la interacción A:B), una secuencia aleatoria de mutaciones tiende a reducir aún más la capacidad de A de funcionar de forma independiente y caminar a través del espacio de dependencia puede muy bien dar como resultado una configuración en la que es muy poco probable que ocurra un retorno a la independencia funcional de A, lo que hace que el CNE sea unidireccional o "tipo trinquete" proceso. CNE, que no invoca mecanismos adaptacionistas para los orígenes de sistemas más complejos (que involucran más partes e interacciones que contribuyen al todo), ha tenido aplicación en la comprensión de los orígenes evolutivos del complejo eucariota esplicosomal, edición de ARN, proteínas ribosómicas adicionales más allá del núcleo, la aparición de ARN largo no codificante a partir de ADN basura, etc. En algunos casos, las técnicas ancestrales de reconstrucción de secuencias han brindado la capacidad para la demostración experimental de algunos ejemplos propuestos de CNE, como en los complejos de proteínas de anillo heterooligomérico en algunos linajes de hongos.

CNE también se ha presentado como la hipótesis nula para explicar estructuras complejas y, por lo tanto, las explicaciones adaptacionistas para la aparición de la complejidad deben probarse rigurosamente caso por caso contra esta hipótesis nula antes de su aceptación. Los motivos para invocar la CNE como nula incluyen que no presupone que los cambios ofrecieron un beneficio adaptativo al anfitrión o que fueron seleccionados direccionalmente, mientras mantiene la importancia de demostraciones más rigurosas de adaptación cuando se invocan para evitar las fallas excesivas de adaptacionismo criticado por Gould y Lewontin.

Evidencia empírica de la teoría neutral

Uno de los corolarios de la teoría neutral es que la eficiencia de la selección positiva es mayor en poblaciones o especies con mayor tamaño efectivo de población. Esta relación entre el tamaño efectivo de la población y la eficiencia de la selección se evidenció mediante estudios genómicos de especies que incluyen chimpancés, humanos y especies domesticadas.