miércoles, 19 de octubre de 2016

¿Evolución por selección o por azar?

¿Qué pasa si analizas el genoma de una bacteria después de 50.000 generaciones?

Uno de los debates más intensos entre los evolucionistas del siglo XX se centró en conocer si la fuerza que gobierna la evolución de los diferentes genomas es la selección o el azar. La controversia entre seleccionistas y neutralistas surgió a finales de los 1960s cuando el japonés Motoo Kimura propuso la teoría neutralista de la evolución molecular para explicar la observación de que los cambios en la secuencia de algunas proteínas entre diversas especies parecían producirse de manera constante y proporcional a su tiempo de divergencia y a una tasa muy superior a la que podría justificarse si sólo se produjeran por selección.

La teoría neutralista de la evolución molecular explica por qué hay tantos cambios en la secuencia de un mismo gen entre los diferentes organismos y su aparición de manera constante en el tiempo. Esto permite establecer un reloj molecular y cuantificar el tiempo de divergencia entre ellos.

Los individuos que conforman la siguiente generación son descendientes de los individuos que tuvieron hijos y el pensamiento darwinista tiende a pensar que los individuos mejores o más adaptados son los que dejan un mayor número de descendientes. Esto haría que la evolución o cambio de una especie esté guiada por la selección natural. Sin embargo, esto no tiene porqué ser siempre así. Algunas veces el azar juega un papel importante. Los individuos que tienen descendientes no tienen por qué ser los mejor adaptados sino que ha podido ocurrir así por cuestiones que pueden no tener que ver con sus características biológicas (por lo que desde el punto de vista biológico estaría actuando el azar). Esto es especialmente importante en poblaciones pequeñas en un fenómeno que se conoce como deriva genética.

La mutación es un fenómeno que se produce a una tasa más o menos constante en condiciones normales. Esta mutación podrá ser beneficiosa, perjudicial o neutral (ni beneficiosa ni perjudicial) con respecto a la aptitud biológica del individuo que la porta. Si es perjudicial desaparecerá en una o varias generaciones ya que los individuos que la tienen serán menos aptos. Por el contrario, si es beneficiosa su frecuencia irá aumentando en la población ya que los individuos que la portan tendrán más descendientes y éstos serán más viables. Ambos tipos de cambios conducen a una evolución adaptativa al ambiente en el que vive el organismo.



Pero, ¿qué ocurre con las mutaciones neutrales? Su frecuencia aumentará o disminuirá dependiendo del azar; algunas se perderán, pero otras aumentarán en frecuencia llevando a una evolución NO adaptativa. Hay cambio, pero los individuos no están ni más ni menos adaptados. La teoría neutralista de Kimura se basa en que este tipo de mutaciones son las más frecuentes en una población; no implica que la selección no actúe sino que ésta lo hace frente a una proporción muy pequeña de cambios moleculares, los beneficiosos o los perjudiciales. La mayor parte de los cambios a nivel molecular son neutrales, no hacen mejor o peor al individuo que los porta. Por ello se acumulan de manera constante en el tiempo permitiendo establecer un reloj molecular en la evolución de los distintos linajes.

Hay dos tipos de evolución: la adaptativa y la NO adaptativa

Existen múltiples ejemplos experimentales que muestran la existencia de mutaciones beneficiosas que son muy frecuentes en algunas poblaciones frente a otras de la misma especie, como la permanencia de la actividad lactasa en algunos grupos humanos. Sin embargo, a nivel general, se desconoce cuántas de las nuevas mutaciones que se van produciendo son beneficiosas. Conocer esta tasa puede ser útil para mejorar nuestro conocimiento de la evolución molecular y los métodos que ayuden a datar y reconstruir la historia evolutiva.

La secuenciación rápida de genomas completos está facilitando la realización de ensayos experimentales que nos ayuden a profundizar en ello. Sin embargo, a pesar de que las mejoras técnicas facilitan estos estudios, hay algo imprescindible en los análisis evolutivos: la paciencia, ya que debemos analizar cientos o miles de generaciones para tener datos fiables.

Keep calm and be patient

Las bacterias son, de nuevo, nuestras mejores aliadas para poder monitorizar tantas generaciones en un tiempo razonable. Hasta la fecha algunos análisis se habían realizado siguiendo a varias decenas de bacterias durante algunos cientos de generaciones o a un clon durante casi 40.000 generaciones. A pesar de ello era complicado conocer qué mutaciones son realmente beneficiosas (o conductoras de la selección) y cuáles simplemente acompañan a las beneficiosas (son pasajeras). Recientemente un estudio publicado en Nature muestra los resultados del análisis del genoma completo de dos clones de 12 poblaciones de E. coli tras 500, 1.000, 1.500, 2.000, 5.000, 10.000, 15.000, 20.000, 30.000, 40.000 y 50.000 generaciones (¡desde hace 28 años!). Esto hace un total de 264 genomas completos cuyo análisis ha mostrado algunos resultados curiosos y otros que apoyan algunas ideas conocidas.

(Mapa del genoma de una bacteria)

¿Cómo cambia el genoma de una bacteria después de 28 años (50.000 generaciones) multiplicándose?

De manera sorprendente la longitud media de los genomas tras 50.000 generaciones había disminuido en casi un 1,5% desde la bacteria ancestral y las mutaciones no se habían distribuido de manera uniforme a lo largo de las 12 poblaciones analizadas. Seis de ellas habían evolucionado hacia un fenotipo hipermutador, lo que les hacía acumular algo más del 96% de todas las mutaciones detectadas. Sin embargo esta “hipermutabilidad” disminuía con el tiempo, ya que parecía favorecer la mayor presencia de mutaciones deletéreas o perjudiciales.

Si mutas mucho, empiezas a cargarte cosas importantes

Además, este efecto se asocia a la presencia de un mayor número de secuencias transponibles. Los transposones son secuencias presentes en la mayor parte de organismos, entre los que se encuentra el nuestro, y que son capaces de saltar de una posición a otra del genoma. Efectivamente desde hace años se conoce que son responsables de una mayor inestabilidad genómica. Lógicamente la presencia en un mayor o menor grado de este tipo de secuencias y el fenotipo hipermutador puede cambiar el tiempo y modo de evolución del organismo que las porta. Aunque estas bacterias teóricamente acumulaban una mayor tasa de mutaciones beneficiosas también lo hacían de mutaciones deletéreas, compensándose ambos hechos. Además en estas poblaciones se hacía más difícil diferenciar las mutaciones realmente beneficiosas de las que no lo son en un “mar” de mutaciones.


Sin embargo, en las bacterias sin fenotipo hipermutador se podía observar que las mutaciones potencialmente beneficiosas se acumulaban a una tasa muy superior a las neutrales. Sin embargo esta acumulación disminuía con el tiempo ya que en las primeras 500 generaciones se acumulaban 17 veces más mutaciones beneficiosas pero al acercarse a las 50.000 generaciones esta acumulación era de sólo 2 veces más. Por otra parte, la mitad de estas mutaciones se encontraban en sólo 57 genes (en sólo el 2% del genoma) que estarían favoreciendo esta adaptación.

La adaptación, al principio es muy rápida y luego disminuye. Pero la frecuencia de mutación neutral se mantienen constante, de ahí que existe un reloj molecular.

Así, el color de la evolución no es ni blanco ni negro sino gris (como casi todo). La mayor parte de las mutaciones fijadas parecen ser beneficiosas, pero su proporción disminuye cuanto mayor es la adaptación. Sin embargo las mutaciones neutrales se acumulan a una tasa bastante constante en el tiempo lo que hace que el reloj molecular efectivamente exista.

Reloj molecular: a más tiempo, más cambios

Por lo tanto a nivel molecular actúa tanto la selección como el azar. En el fondo la evolución de los genomas se basan en continuos cambios en el equilibrio de ambas fuerzas. En un primer momento en poblaciones grandes la selección ganaría al azar, pero una vez conseguida una adaptación razonable el azar se mantiene como una fuerza importante de los cambios que sufre un genoma.

El autor de esta entrada es José Luis Vizmanos, Catedrático de Genética y profesor de Genética de poblaciones de la Universidad de Navarra.

(1) Tempo and mode of genome evolution in a 50,000-generation experiment. Tenaillon, O., et al. Nature 536, 165–170 (11 August 2016) doi:10.1038/nature18959

1 comentario:

  1. Se me ocurre un pero: Supongo (no he leído lo contrario) que durante esas 50.000 generaciones el medio se mantenía constante, lo que "alejaría" los resultados de la realidad.
    Saludos.

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