Las biomoléculas cambian (Parte III). Un reloj de DNA.

Todo cambia con el tiempo, y con el paso de los siglos incluso las cosas que parecían inmutables demuestran no serlo. Las secuencias en las biomoléculas no son la excepción. Hasta ahora hemos visto que existen cambios fortuitos en las secuencias de ácidos nucleicos, a los que les llamamos mutaciones, y cómo tienen repercusión en las proteínas al ser traducidos. En esta ocasión les contaré cómo la acumulación de estos cambios puede ser muy lenta, pero constante, dando lugar poco a poco al proceso de evolución, además proveer a los científicos de una herramienta crucial en el estudio del cambio de las especies desde el punto de vista molecular: un reloj de DNA.

Si quieres leer las primeras partes de esta serie de Las biomoléculas cambian las puedes encontrar aquí:

Parte I. Conociendo a las mutaciones.

Parte II. Mutaciones puntuales: Lo bueno, lo malo y lo interesante.

Si encuentras palabras que no conoces o te quieres familiarizar con los términos más usados de la biología molecular puedes echar un vistazo aquí.

No todas las mutaciones son malas. Esto ya lo discutimos anteriormente y vimos que se explicaba con el degenerado del código genético, pero tenía que recalcarlo. Y aunque el efecto del cambio puede ser tanto bueno como malo, la mayoría de las mutaciones que le puedes hacer a una secuencia tienen un efecto pequeño, si es que acaso lo tienen. Con esta información, a finales de los años 60’s, Motoo Kimura (figura 1) propuso la llamada Teoría neutral de la evolución molecular, que sostiene que la gran mayoría de los cambios evolutivos a nivel molecular son selectivamente neutros y se propagan por deriva génica. De este modo, dos individuos de una misma especie pueden tener dos versiones diferentes de un mismo gen (con secuencias muy parecidas, pero no idénticas) que al final de cuentas sirven igual, a las cuales llamamos variantes polimórficas neutras (polimórfico significa de muchas formas, y hace referencia a un alelo, es decir, una versión de un gen). En otras palabras, la mayoría de los cambios en los genes y otros componentes del genoma, al no representar realmente una ventaja ni una desventaja para el portador, no están sometidos a la selección natural, por lo que su permanencia o eliminación depende únicamente del azar.

Moto Kimura fue un biólogo matemático. Combinando la genética teórica con la evolución molecular postuló la Teoría neutral de evolución molecular.

¡Cuántos disgustos no causó esto entre los más aguerridos Darwinistas! Y es que aunque la teoría neutral de evolución molecular y la teoría de evolución de las especies por selección natural no tienen por qué estar peleadas, a primera vista puede parecer que se contradicen mutuamente: mientras los seleccionistas afirman que para que un alelo mutante difunda en una población necesariamente tiene que haber una selección natural positiva, es decir, este alelo tiene que tener una ventaja, y si es una desventaja, es eliminado; los neutralistas, en cambio, le dan un rol secundario a la selección natural en la propagación de las mutaciones neutrales en una población, siendo el azar un componente más importante. ¿Quién tiene la razón? Ambos, pero en los tiempos de este conflicto yo creo que se olvidaron de discutir en la misma sintonía.

En el párrafo anterior marqué en negritas las dos palabras clave para conciliar a estos dos bandos. La teoría neutral habla de la evolución de las moléculas, mientras que la selección natural habla de la evolución de las especies, lo cual no es lo mismo. Es decir, ya vimos que un cambio en la secuencia de un gen puede no llevar a cambios en la función de éste, por lo que en sí no traería diferencias entre un organismo con el cambio y otro sin el cambio, entonces ¿por qué la selección natural debería actuar en ellos? Si no hay diferencias ventajosas ni desventuradas lo lógico es pensar que el hecho de que prevalezca uno u otro alelo depende del azar ¡Punto para los neutralistas! Por otro lado dijimos que hay cambios a nivel genético que sí tenían efectos, algunos buenos y otros malos. Si un cambio es malo puede producir un individuo enfermizo o que simplemente su desarrollo no sea viable, por lo que muy probablemente morirá y no transmitirá su cambio; mientras que si el cambio es bueno, el individuo tendrá ventaja sobre otros en la lucha por la supervivencia, teniendo más posibilidades de éxito y de pasar sus cambios a sus hijos… Y esto no es otra cosa sino selección natural ¡punto para los seleccionistas!

Ahora, todos estos cambios neutros que van sucediendo y propagándose al azar (y los buenos que son seleccionados), como ya lo he mencionado muchas veces, se van acumulando a lo largo del tiempo y de este modo las poblaciones, y en consecuencia las especies, van diferenciándose unas de otras. Si analizamos el conjunto de estos cambios en largos periodos de podemos ver que en cada gen la velocidad a la que ocurren las mutaciones es casi constante y podemos sacar una regla matemática sencilla para esta relación. Por citar ejemplo, si en un gen hipotético al que llamaremos GEN1 tenemos que hay un promedio de un cambio en un nucleótido cada 25 millones de años, podemos calcular el número de nucleótidos cambiantes con una fórmula sencilla:

Ecuación 1.

n = (1/25)t

Donde n es el número total de nucleótidos cambiados en GEN1 y t es el tiempo transcurrido en millones de años. Entonces esperamos que haya 2 cambios en 50 mda, 3 cambios en 75 mda, 4 en 100 mda y así sucesivamente (Figura 2).

Ejemplo del reloj molecular. En este caso tenemos dos secuencias de nucleótidos con una tasa de cambio de un nucleótido cada 25 millones de años. La secuencia ancestral diverge en dos linajes modernos diferentes y, al cabo de 50 millones de años años, vemos cómo cada secuencia difiere en dos nucleótidos de la ancestral. Al sumar estos dos cambios dan una diferencia de cuatro nucleótidos entre las dos secuencias modernas. (Fuente: evolution.berkeley.edu)

Del mismo modo que la velocidad de mutaciones en los ácidos nucleicos de un gen en largos periodos de tiempo la podemos considerar constante, también es posible aproximar a constante la velocidad de cambios en la secuencia de aminoácidos en las proteínas formadas por dichos genes. Por supuesto que,  debido a la degeneración y el amortiguamiento del código genético, un cambio de nucleótidos no necesariamente implica uno de aminoácidos (mutaciones puntuales del mismo sentido), por lo que este cambio es mucho más lento.

Otro aspecto a considerar es que la constante de velocidad de cambio para un gen o proteína aplica sólo para ese gen o proteína, y es diferente en otros genes. Es decir, no podemos esperar la misma velocidad de cambio en el gen de la hemoglobina (que es relativamente alta) que en el gen del habla FOXP2, que ya vimos que es muy conservado y por lo tanto su velocidad de cambio es bajísima (figura 3).

Figura 3. Esta gráfica es una comparación entre las tasas de cambio de diferentes proteínas, es decir, entre relojes de proteínas. Entre mayor es la pendiente es más alta la velocidad de cambio. Podemos ver cómo los fibrinopéptidos tienen muchos cambios en poco tiempo, mientras que el citocromo c tiene pocos cambios en mucho tiempo.

¿Y para qué sirve saber esto? Bueno, si analizamos un poco la Ecuación 1 del cambio de nucleótidos en GEN1, podemos ver que no es otra cosa más que una ecuación lineal.

Ecuación lineal:

y = mx + b

Siendo m= (1/25) porque el cambio es de 1 nucleótido cada 25 millones de años, y siendo b= 0 porque iniciamos en un tiempo arbitrario en el que consideramos que no hay cambios en la secuencia.

Gracias a esto, los biólogos moleculares que estudian la evolución pueden calcular, en base al número de cambios en el gen, cuánto tiempo ha transcurrido desde la divergencia de dos especies desde un ancestro común usando el número de cambios en sus diferentes versiones de un mismo gen o de una proteína. Es decir, si tenemos dos especies con su respectiva versión de GEN1, y comparando las secuencias encontramos que tienen 8 diferencias de nucleótidos, tenemos que:

Ecuación 2:

8 = (1/25)t

Por lo que

t = 8(25) = 200

Pero como los cambios se dieron independientemente en cada una de las versiones de GEN1 y la velocidad de cambio es constante, suponemos que sólo 4 nucleótidos cambiaron en cada versión desde la divergencia del ancestro común (la suma de esos 4 cambios respecto al ancestro común en cada una nos dan las 8 diferencias totales entre las dos especies), por lo que concluimos que la divergencia entre estas dos especies se dio hace 100 millones de años.

Esta técnica del reloj molecular es muy útil. Además, podemos utilizar genes o proteínas con una alta tasa de cambio cuando queremos medir el tiempo de divergencia de especies relativamente cercanas, por ejemplo, observando la figura y, vemos que es conveniente usar los fibrinopéptidos para medir el tiempo de divergencia entre el humano y el chimpancé; mientras que usamos biomoléculas con baja tasa de cambio para medir el tiempo transcurrido desde la divergencia de grupos muy alejados, por ejemplo el citocromo c podemos usarlo mejor para la divergencia entre plantas y animales.

Sin embargo no a todos les gusta el reloj molecular. Y no me refiero a los pleitos que hubo con los más ortodoxos darwinistas en el siglo pasado, sino a que esta técnica es un arma de doble filo. Mientras por un lado nos puede dar cálculos muy padres y una formalidad matemática muy apreciada por muchos, hay muchos aspectos que estamos obviando que deberían ser considerados, como el hecho de que no todos los cambios de nucleótidos son igual de probables, por lo que hay algunas sustituciones que podrían representar un mayor periodo de tiempo transcurrido que otras. Otra cosa que no se considera es que pueden haber convergencias evolutivas, es decir, que después de separarse dos especies, por cuestiones de azar pueden tener el mismo cambio en el mismo nucleótido, lo cual puede confundirnos si no conocemos la secuencia ancestral. Además, la tasa de cambio de los genes puede ser constante durante un tiempo, pero después puede cambiar ¡la constante no es tan constante! Esto no significa que la técnica sea mala, para nada, sino que aunque es una herramienta muy padre, no podemos hacer estudios evolucionistas con ella sola: debemos complementarla con estudios morfológicos, biogeográficos entre otros. En otras palabras, para hacer una buena biología, tenemos que colaborar entre todos. En la próxima y cuarta entrada de esta serie les contaré más a detalle sobre otras técnicas que usan los biólogos moleculares para estudiar la evolución.

¡Ya está la siguiente entrada de esta serie! Genes, alas de pájaros y sistemática.

Fuentes:

http://evolution.berkeley.edu/evosite/evo101/IIE1cMolecularclocks.shtml

Apuntes de clases de la facultad.

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