Evolución molecular Doctora Amada Torres Salazar Unidad de Investigación Médica en Enfermedades Infecciosas y Parasitarias Hospital de Pediatría, CMN Siglo XXI Departamento de Genética de Poblaciones y Bioinformática / IMSS Instituto de Biotecnología Facultad de Ciencia Biológicas / UANL. Esta dirección de correo electrónico está protegida contra los robots de spam, necesita tener Javascript activado para poder verla La evolución molecular estudia los cambios ocurridos en las moléculas, ya sean ácido nucleico o proteínas. Estos cambios se denominan mutaciones; pueden ser percibidos en los caracteres fenotípicos de las especies; se acumulan a través de  grandes periodos de tiempo y permiten la diversificación y formación de las especies.    Uno de los principales objetivos de la evolución mole-cular ha sido aclarar los papeles que desempeñan la deriva y la selección en el moldeado de los patrones de cambio observados de las secuencias existentes. Esta disciplina permite comparar organismos tan diferentes fenotípicamente como los microorganismos, las plantas y los animales. Una excelente revisión de las técnicas de estudio de la variación genética molecular se puede encontrar en los trabajos de Avise. La evolución per se ha sorteado una serie de dificultades para ser aceptada; entre ellas se encuentran el concepto de especie, la clasificación de los organismos y  la fuente de la variación, por mencionar algunos. En el caso de la evolución molecular, describiremos algunas de las respuestas que ha dado a  estas interrogantes. MATERIAL GENÉTICO MOLECULAR Aunque la evolución molecular estudia la variación de las diversas moléculas de las especies, hasta la fecha es la molécula de ADN la que sabemos contiene las tres propiedades necesarias para ser considerada como la portadora de la información genética; esto es, presenta variabilidad. Las diferentes variables tienen diferente eficacia biológica, que es heredable. Por ello, estableceremos inicialmente que el genoma de las especies está compuesto por los nucleótidos A, G, C, T y U.  Está ordenado de manera secuencial, siguiendo un orden que contiene un mensaje. El ARN regularmente se conforma con una sola cadena que puede plegarse en sí misma. Ésta sería la molécula traductora del mensaje genético. En el caso del ADN, éste está compuesto por dos cadenas de nucleótidos. Cada base nucleotídica se aparea con su contraparte en la cadena complementaría. El ADN forma paquetes compactos denominados cromosomas, que se almacenan en algunos organelos celulares, como el núcleo, la mitocondria, los cloroplastos y los cinetoplastos de las células eucarióticas. Se encuentra libre y generalmente en forma de círculo cerrado en las células procarióticas, mientras que los virus de ADN pueden contener varios fragmentos de la cadena de forma lineal. Cada aminoácido de una proteína está codificado por una combinación de tres nucleótidos, denominada codón. El código genético relaciona los codones con un determinado aminoácido. A cada aminoácido le corresponde más de un codón, a lo que se denomina degeneración del código genético. Los  codones  pueden ser utilizados de manera  preferencial unos sobre otros en diferentes especies. En esta definición, consideraremos las secuencias de los plásmidos, los transposones, los pseudogenes e intrones como parte del genoma de la especie.  Una característica importante de la organización genómica, y que ha generado mucha polémica, es la pre-sencia de zonas o regiones que difieren significativamente entre sí en la frecuencia relativa de las cuatro bases que constituyen el ADN, en vertebrados y otros organismos. Estas regiones se han llamado “isocoros”. CONCEPTO DE ESPECIE Dos conclusiones del darwinismo fueron confirmadas por la biología molecular, y forman parte principal de la evolución molecular; éstas son: que todos los organismos vivos compartimos el mismo código genético (ascendencia común) y que los cambios en las proteínas no afectan al ADN. Entonces, el ADN se convirtió en la descendencia común, al ser compartido por casi todos los organismos vivos. Por ello, el concepto de especie más aceptado hasta el momento, es el denominado “concepto filogenético de especie”, que enuncia: los organismos emparentados comparten rasgos porque comparten antepasados. Hay orga-nismos que forman grupos que no pueden dividirse más. Según el concepto filogenético de especie, esos grupos son las especies: Linajes evolutivos diferenciados. FUENTES DE LA VARIACIÓN GENÉTICA Podemos mencionar ahora que cualquier cambio en el material genético que surge en un gameto o en un genoma, se considera una mutación. Los errores en el proceso de copia del ácido nucleico, que resultan en el cambio de un nucleótido por otro, se denominan sustitución nucleotídica, y pueden ser de dos tipos: 1) transversiones y 2) transiciones, si se cambia o no la base púrica del nucleótido. Debido a la degeneración del código genético, esta sustitución puede dar lugar, o no, a un cambio de aminoácido. Si la sustitución no cambia, el aminoácido se denomina sustitución sinómina. Por el contrario, si se cambia el aminoácido, hablaremos de una sustitución no sinómina o de reemplazo. Cuando se cambia un solo par de bases o pocas bases, hablamos de mutaciones puntuales, que a su vez pueden ser: delecciones, si se elimina la base, o inserciones, cuan-do se adiciona. Este tipo de mutaciones son especialmente nocivas para la especie, porque pueden modificar el marco de lectura de la proteína, generando proteínas sin actividad biológica o pueden no producir la proteína. Las mutaciones que afectan cantidades mayores de material genético y que son observables al microscopio óptico son delecciones, inserciones o translocaciones de fracciones de cromosomas, y, en algunos casos, duplicación o multiplicación de cromosomas completos. Los genomas pueden albergar una enorme variedad de ele-mentos genéticos, cuya principal función es procurar su propia transmisión, y multiplicarse en los genomas y en las poblaciones, generalmente a costa de otros genes y a pesar de ser  deletéreos para la especie. Un ejemplo de éstos son las duplicaciones de los cromosomas denominados cromosomas supernumerarios, accesorios o cromosomas B, evento que se ha denominado parasitismo intragenómico. Estos elementos tienen una historia evolutiva y procesos de diferenciación totalmente distintos a la especie que los contiene. La presencia de cromosomas B ha sido descrita en más de mil 300 especies de plantas, en casi 500 especies de animales y en varias especies de hongos. Éstos suelen tener efectos notorios en el fenotipo de las especies. Algunos científicos piensan que la estructura de los genes en exones e intrones de los genomas de eucariotes y algunos procariotes pueden ser el resultado de duplicaciones de los genes ancestrales, posiblemente con un solo exón y la subsiguiente combinación de un solo gen de las copias diferentes de estos genes iniciales VARIABILIDAD GENÉTICA Por otro lado, Weisman fue el primero en comprender el extraordinario poder de la recombinación sexual para producir variabilidad genética. Sin embargo, existen otros procesos moleculares capaces de incrementar la variabilidad de las especies, como son la conjugación, la transposición, la transducción, la capsducción y, por supuesto, la  transformación, en donde se adquiere material genético exógeno que posteriormente es incluido en el genoma de su nuevo portador. Algunos de  estos mecanismos son exclusivos de los procariotes y otros se pueden presentar en ambos tipos celulares. Podríamos agregar la transferencia horizontal  y la simbiosis como otras formas de adquirir, y por lo tanto de modificar, el material genómico de las especies y con ello su historia. Todas estas nuevas variantes surgidas por mutación se encuentran inicialmente en un único individuo de la especie. Con el transcurso del tiempo, esta variante pue-de tener una frecuencia de cero, con lo que se considera que se perdió, o del cien por ciento, a lo que se denomina como fija. En algunos casos puede permanecer en la población con una frecuencia intermedia, a lo que se denomina polimorfismo. Así, las mutaciones que permanecen en la población –ya sean las que se han fijado (sustituciones) o las que se encuentran en las frecuencias intermedias-, son susceptibles de ser observadas, y son las más frecuentemente utilizadas en la reconstrucción de los eventos evolutivos de la especie. FUERZAS EXTERNAS DEL CAMBIO MOLECULAR Cada nueva variante surgida en la especie puede afectar la capacidad relativa de supervivencia y reproducción del individuo, lo que conocemos como eficacia biológica. Una mutación se considera selectivamente ventajosa si incrementa la eficacia del individuo portador, y selectivamente deletérea si la disminuye. Esto lo podemos observar en la frecuencia que tiene esta mutación o alelo en la población. Tendrá un valor  de cien a cero por ciento según el caso. En caso de no afectar la eficacia biológica, la mutación es selectivamente neutra, por lo que las frecuencias de los alelos serán fluctuantes en la población y estarán sujetas a la deriva génica (azar). Ficher y Haldene demostraron matemáticamente cómo alelos que diferían muy ligeramente en un valor selectivo, podían reemplazarse muy rápidamente en el curso de la evolución. Wright postula que las poblaciones pequeñas pueden estructurarse en sub-poblaciones, por efecto de la deriva genética, mientras que Kimura hace hincapié en la existencia de variación genética neutra para la selección natural. Esto es, la teoría neutral sostiene que la inmensa mayoría de los cambios moleculares son adaptativamente neutros; es decir, que las nuevas variantes no son ni más ni menos adaptadas que las variantes preexistentes; por tanto, son selectivamente neutras. De esta forma, se propone que la deriva genética al azar es la fuerza fundamental en el proceso de cambio molecular. NIVEL DE ACCIÓN DE LA SELECCIÓN Williams, y más tarde Dawkins, argumentaron que la selección actúa principalmente en los genes. Dawkins, en su  famoso libro El gen egoísta, proponía que la unidad fundamental de la evolución no era el individuo, sino el gen. Actualmente se acepta que la selección actúa en diversos niveles en el proceso de cambio, evento denominado selección multinivel. Ésta implica la posibilidad de que algunos rasgos se vean favorecidos en un nivel, pero seleccionados en otro, o que diferentes genes que afectan a una característica concreta reciban presiones selectivas contradictorias, como consecuencia de que se están trasmitiendo en distintos niveles, por lo que en una especie podrán existir genes que son afectados por la selección natural, y genes neutrales. CLASIFICACIÓN DE LOS ORGANISMOS La caracterización y cuantificación de la variabilidad molecular en las especies ha permitido utilizar este atributo como criterio de ordenación, de tal suerte que una disposición que ha tenido mucho éxito y se ha aceptado casi completamente, es la realizada por Woese y Fox, utilizando la secuencia de la subunidad pequeña que codifica para el ARN ribosomal de las especies. Con esta molécula establecieron un arreglo que agrupa a los cinco Reinos de la clasificación de Whitaker dentro de tres Dominios. La sistemática filogenética basa sus ordenaciones jerárquicas principalmente en los cambios encontrados en las moléculas de ADN. Cuando se utilizan los genomas completos de las especies, hablamos de filogenómica como sistema especializado. Sin embargo, la comparación de proteínas homólogas también puede dar información acerca de cómo se ha producido la evolución de los orga-nismos y de las mismas proteínas.   Las proteínas codificadas en un genoma completo (proteoma), han sido utilizadas para generar clasificaciones. Así, el estudio de las relaciones evolutivas entre secuencias de moléculas biológicas es una de las primeras aplicaciones de la bioinformática. El uso de la bioinformática en general y de la filogenética en particular ha permitido el estudio de la evolución de los genes y los genomas, y de las proteínas y los proteomas de las especies.  Actualmente los abordajes moleculares con cantidades masivas de datos son muy utilizados para intentar explicar la diversidad metabólica de las especies y entender sus procesos de divergencia y especiación. MÉTODOS FILOGENÉTICOS DE RECONSTRUCCIÓN Aplicando el modelo evolutivo especifico que explique las sustituciones de aminoácidos observada en un alineamiento múltiple de secuencias; es decir, la comparación masiva de varias secuencias, podemos calcular la distancia evolutiva entre pares de moléculas. La distancia evolutiva es el reflejo del número promedio de cambios por sitio que han ocurrido entre dos secuencias que divergieron de un ancestro común, cuando utilizamos métodos de distancia (Neighbor Joining). Una aproximación distinta para hacer estas inferencias son los métodos de Máxima Verosimilitud, que en esencia son métodos probabilísticos que utilizan las Cadenas Ocultas de Markov y los algoritmos de Monte Carlo, para hacer una búsqueda más precisa de la mutación que debió haber ocurrido en cada reconstrucción. Además, existen los métodos de Máxima Parsimonia, los cuales reconstruyen las topologías con el menor número posible de pasos que expliquen las diferencias. RELOJ MOLECULAR En otro aspecto, y hablando de proteína, Zuckerkandl y Pauling  revelaron en varios experimentos que la variación en la composición de las proteínas era demasiado grande y uniformemente espaciado en el tiempo para ser explicado sólo por la selección natural. Las observaciones en el número de sustituciones de aminoácidos en la hemoglobina fueron proporcionales a los tiempos de divergencias filogenéticas construidas de las secuencias que fueron calibradas con registros fósiles. Estos estudios sirvieron de base para la hipótesis del reloj molecular. Smith y Margoliash ampliaron esta hipótesis, utilizando el análisis de la citocromo C. Ambos estudios concuerdan bastante bien con las diferencias encontradas en la evidencia paleontológica. Esto significa que en cada proteína la tasa de sustitución (cantidad de sustituciones por residuo aminoacídico por unidad de tiempo) es constante. Diferentes proteínas pueden presentar diferente limitación a variar (limitación funcional); es decir, pueden presentar diferente tolerancia a los cambios aminoacídicos. En aquellas proteínas con gran limitación funcional, la mayoría de cambios alteran la función proteica y disminuyen la eficacia biológica de los individuos portadores. En contraposición, en aquellas proteínas con menor limi-tación funcional, la proporción de cambios aminoacídicos que alteran la función es menor. Las proteínas con mayor limitación funcional tienen una menor tasa de mutación neutra y, por lo tanto, una menor tasa de sustitución. Me gustaría terminar con una frase de Theodosius Dobzhansky quien  afirmaba: Nada en biología tiene sentido excepto a la luz de la evolución. Actualmente, el más simple de los análisis evolutivos utiliza la comparación de secuencias entre especies, para determinar la función biológica de una nueva secuencia. Más aún, muchos y diferentes son los conceptos de evolución molecular o de reconstrucción filogenética que hoy se utilizan con ma-yor o menor conocimiento en los diversos laboratorios en todo el mundo. La sistemática y la taxonomía microbio-lógica son  dos de las áreas que se han visto fuertemente influenciadas por la evolución molecular, cuyos estudios han permitido la clasificación de especies, aun sin tener al microorganismo cultivado, y han favorecido la reclasificación de especies con problemas en su taxonomía.