Las biomoléculas cambian (Parte IV): Genes, alas de pájaros y sistemática.

Desde el comienzo de la humanidad hemos tenido la necesidad de clasificar las cosas, entre ellas a los seres vivos. Separamos a las plantas de los animales, las cebras de los caballos, los gatos de los perros… Durante mucho tiempo estas clasificaciones se hicieron artificialmente de acuerdo a las necesidades humanas, es decir, qué organismos nos sirven para comer, para extraer maderas, para obtener medicinas; o simplemente los clasificamos de acuerdo a qué se parece a qué. Hoy en día las clasificaciones biológicas intentan cumplir con lo que alguna vez dijo Darwin: reflejar la filogenia, es decir, la historia evolutiva, agrupando a las especies de seres vivos con sus especies hermanas.

Si hay algunas palabras que no entiendas o quieres familiarizarte con el lenguaje molecular, puedes checar esta entrada. Si antes de proceder quieres leer las entradas anteriores de esta serie, puedes hacerlo en estos links:

Parte I: Conociendo a las mutaciones

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

Parte III: Un reloj de DNA

Con el afán de clasificar y al mismo tiempo describir la filogenia se han propuestos muchos métodos para ayudar a descubrir las relaciones de parentesco de las diferentes especies. El área de la Biología encargada de estos estudios genealógicos es la Sistemática. Para ello se utilizan caracteres o características que se puedan comparar, por ejemplo, la forma de los huesos, la estructura de un tejido, la secuencia de un gen… Los caracteres tienen toda una clasificación propia, pero la podemos simplificar a dos tipos principales: análogos y homólogos.

Los caracteres análogos son aquellos que se parecen entre sí, o cumplen la misma función, pero su origen evolutivo es completamente distinto, es decir, no vienen de un ancestro común. Estos pueden ser engañosos o muy fáciles de diferenciar, y realmente no nos dicen gran cosa acerca del parentesco entre los seres vivos. Un ejemplo muy obvio de caracteres análogos son las alas de los insectos y de las aves (figura 1). Ambas estructuras sirven para volar, y de cierto modo tienen que tener aunque sea un atisbo de parecido, pero es más que evidente que, sea como sea que hayan surgido, fueron por caminos evolutivos muy diferentes y distanciados.

Aunque la función es la misma, es muy evidente que las alas de las aves tienen un origen evolutivo completamente diferente a las alas de los insectos, por lo que no son en ninguna manera indicativo de parentesco entre estos grupos de animales.

Los caracteres homólogos son los que quizás no cumplan con la misma función, pero provienen de la misma estructura ancestral común. También los hay desde muy obvios hasta unos muy complicados de distinguir, pero a diferencia de los análogos, realmente nos pueden decir algo sobre el pasado evolutivo. Un ejemplo de carácter homólogo son las manos humanas, las patas de los perros, las aletas de las ballenas y las alas de las aves: como podemos ver en la figura 2, aunque estas estructuras cumplen funciones muy diferentes, el patrón de los huesos nos sugiere que se derivan de una estructura presente en nuestro ancestro común.

En esta imagen se muestran las estructuras óseas de las extremidades de algunos vertebrados. Aunque hay algunas que no se parecen mucho o que cumplen funciones diferentes (como la pata de cocodrilo, el ala de murciélago y la aleta de ballena), al analizar los huesos podemos darnos cuenta de que todas derivan de una estructura primitiva presente en el ancestro común, por lo que estos caracteres sí nos hablan de un parentesco entre estas especies. Imagen: Curtis (2006).

Dentro de los genes también pueden haber análogos y homólogos. Los análogos frecuentemente cumplen la misma función y forman proteínas con una estructura tridimensional muy similar, pero su secuencia es completamente diferente y por lo tanto, también lo es su origen. Ejemplos de genes y proteínas análogos son las transcriptasas reversas de los Retrovirus y la DNA polimerasa de E. coli. Los homólogos, en cambio, son genes diferentes derivados de un gen ancestral, por lo que tienen un cierto parecido en la secuencia; y digo parecido porque, como hemos visto, a lo largo de la historia evolutiva hay un cambio aparentemente constante en las secuencias, que al final hace que una termine siendo diferente de la otra.

Dentro de los genes homólogos encontramos a los ortólogos, que son aquellos que derivan de un evento de especiación, es decir, la divergencia de un ancestro común en dos especies diferentes. Así pues, los genes que codifican para la queratina en humanos y los que codifican para la queratina en chimpancés son ortólogos: provienen de un ancestro común, la secuencia es parecida, cumplen casi la misma función, pero están en especies diferentes.

Otro tipo de homólogos son los parálogos, que son los genes que no derivan de un evento de especiación, sino de duplicación (¿Recuerdas las mutaciones cromosómicas?). En estos casos un organismo obtiene dos copias de un mismo gen, las cuales con el tiempo y la evolución van diferenciándose hasta convertirse en dos genes diferentes, es decir, por lo menos uno adquiere una neofuncionalización (función nueva), aunque frecuentemente sus funciones están relacionadas. Un ejemplo de genes parálogos están en la hemoglobina que ya habíamos revisado en la segunda entrada de esta serie. Esta proteína está conformada por dos copias de dos tipos de cadenas diferentes: la alfa y la beta. Las dos cadenas alfa provienen de un gen alfa y las dos betas de un gen beta; estos genes son similares pero a la vez son lo suficientemente diferentes para ser reconocidos como tales: son genes parálogos; es decir, en algún momento de la historia evolutiva eran un solo gen que sufrió una duplicación y formó dos genes iguales, que con el paso de los milenios separaron sus caminos y formaron dos genes diferentes.

En esta imagen se ilustran los dos principales tipos de homología. Cuando el gen azul sufre una duplicación obtenemos dos genes parálogos (el azul y el amarillo) en el mismo organismo, y estos genes a lo largo de la historia evolutiva se van diferenciando entre ellos. Cuando este organismo evoluciona, sufre una especiación y da lugar a dos especies diferentes, cada una va a tener su versión tanto del gen azul como del amarillo. Los dos genes azules son ortólogos entre sí, y los dos genes amarillos también son ortólogos entre sí. Mientras tanto, cualquiera de los dos azules sigue siendo parálogo de cualquiera de los dos amarillos. Imagen: http://biol.lf1.cuni.cz

Un tercer tipo de genes homólogos es más raro que los anteriores y NO refleja la historia evolutiva: los genes xenólogos. En ocasiones, por algún evento muy fuera de lo común, un organismo puede pasarle una copia de alguno de sus genes a otro completamente distinto. Estos eventos se pueden dar, por ejemplo, entre dos especies de bacterias, entre un virus y la planta o el animal al que infecta, entre bacterias y animales… Como resultado, ¡podemos tener (y de hecho tenemos) genes que provienen de virus! Los genes que obtenemos de esta forma son xenólogos de los genes que tienen los organismos que nos los pasaron. Estos genes se consideran homólogos porque derivan de un gen ancestral, pero no podemos usarlos para rastrear la historia evolutiva de los seres vivos, pues encontraríamos cosas absurdas como que el humano tiene más parentesco con el virus del ébola que con los chimpancés. Sin embargo, a veces los xenólogos nos pueden confundir, pues es obvio que si el humano comparte un gen con un virus y no con el chimpancé este gen es xenólogo, pero, ¿qué tan fácil nos damos cuenta de que un gen es xenólogo o no cuando lo comparten dos especies de bacterias?

Lo interesante de todo esto es que, en base a qué tanto son diferentes las secuencias de los genes homólogos, podemos aproximar con el reloj molecular hace cuánto tiempo se dio la separación de los genes (el evento de especiación, duplicación o transporte horizontal) y, por lo tanto, decir qué especie es más cercana evolutivamente a otra. Esto es, en base a qué tanto se parecen en la secuencia podemos decir que dos especies son muy cercanas (si se parecen mucho) y cuáles son más lejanas (si el parentesco es menor), incluso podemos agrupar a las especies de acuerdo a su parecido molecular, es decir, en las secuencias.

Al igual que con las otras estructuras, los genes homólogos pueden usarse como caracteres para deducir la historia evolutiva y las relaciones de parentezco entre los seres vivos. Si estudiamos los genes que codifican para las fibronectinas de los mamíferos, podemos ver que éstos nos pueden señalar que el humano está más emparentado con el chimpancé que con el león, y que este último está más emparentado con el tigre que con los ratones… Pero hay que ser cuidadosos, pues, como veremos, ¡a veces los genes nos pueden engañar!

¡Ya está la quinta y última entrada de la serie! De cómo las biomoléculas nos cuentan la historia evolutiva.

Fuentes:

Curtis. Biología (2006)

Morrine. Sistemática, biogeografía y evolución (2010)

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