Reloj molecular mitocondrial humano

El reloj molecular mitocondrial humano representa la tasa de acumulación de mutaciones en el genoma mitocondrial de los homínidos a lo largo de la evolución humana . El registro arqueológico de la actividad humana en los primeros periodos de la prehistoria es relativamente limitado y su interpretación ha sido controvertida. Debido a las incertidumbres derivadas del registro arqueológico, los científicos han recurrido a técnicas de datación molecular para refinar la cronología de la evolución humana . Un objetivo fundamental de los científicos en este campo es desarrollar un reloj molecular mitocondrial de homínidos preciso que permita datar con fiabilidad los eventos ocurridos durante la evolución humana.

Las estimaciones de la tasa de mutación del ADN mitocondrial humano (ADNmt) varían considerablemente según los datos disponibles y el método de estimación. Los dos métodos principales, los basados ​​en filogenia y los basados ​​en pedigrí, han producido tasas de mutación que difieren en casi un orden de magnitud . La investigación actual se ha centrado en resolver la alta variabilidad obtenida a partir de las diferentes estimaciones de la tasa.

Una suposición fundamental de la teoría del reloj molecular es que las mutaciones dentro de un sistema genético particular ocurren a una tasa estadísticamente uniforme, y que esta tasa uniforme puede utilizarse para datar eventos genéticos. En la práctica, la suposición de una única tasa uniforme es una simplificación excesiva. Si bien a menudo se aplica una única tasa de mutación, esta suele ser una combinación o un promedio de varias tasas de mutación diferentes. ^{[ 1 ]} Muchos factores influyen en las tasas de mutación observadas , entre ellos el tipo de muestras, la región del genoma estudiada y el período de tiempo abarcado.

Los humanos anatómicamente modernos (AMH) se extendieron desde África y por una gran área de Eurasia y dejaron artefactos a lo largo de la costa norte del suroeste, sur, sureste y este de Asia. Cann, Stoneking y Wilson (1987) no se basaron en un T _CHLCA predicho para estimar las tasas de polimorfismo de un solo nucleótido (SNP). En cambio, utilizaron evidencia de colonización en el sudeste asiático y Oceanía para estimar las tasas de mutación. Además, utilizaron la tecnología RFLP ( polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción ) para examinar las diferencias entre el ADN. Utilizando estas técnicas, este grupo llegó a un T _MRCA de 140.000 a 290.000 años. Cann et al. (1987) estimaron el TMRCA de los humanos en aproximadamente 210 ky y las estimaciones más recientes Soares et al. 2009 (utilizando el ancestro común más antiguo del mtDNA humano del chimpancé de 7 millones de años) difieren en solo un 9%, lo cual es relativamente cercano considerando el amplio rango de confianza para ambas estimaciones y los llamados a un T _CHLCA más antiguo .

Endicott y Ho (2008) reevaluaron las migraciones predichas a nivel global y las compararon con la evidencia real. Este grupo utilizó las regiones codificantes de las secuencias. Postulan que el reloj molecular basado en comparaciones entre chimpancés y humanos no es fiable, especialmente para predecir migraciones recientes, como las migraciones fundadoras hacia Europa, Australia y América. Con esta técnica, obtuvieron un ancestro común más reciente ( _ACMR) de entre 82 000 y 134 000 años.

Debido a que los chimpancés y los humanos comparten un ancestro matrilineal, establecer la edad geológica de ese último ancestro permite estimar la tasa de mutación. El último ancestro común chimpancé-humano (CHLCA) se utiliza frecuentemente como referencia para estudios _{de MRCA} de mt-T , con rangos entre 4 y 13 millones de años citados en la literatura. ^{[ 6 ]} Esta es una fuente de variación en las estimaciones de tiempo. La otra debilidad es la acumulación no lineal de SNP, que tiende a hacer que las ramas más recientes parezcan más antiguas de lo que realmente son. ^{[ 7 ]}

Estas dos fuentes pueden equilibrarse o amplificarse mutuamente dependiendo de la dirección del error T _CHLCA . Hay dos razones principales por las que este método se emplea ampliamente. Primero, las tasas basadas en pedigrí son inapropiadas para estimaciones de períodos de tiempo muy largos. Segundo, mientras que las tasas ancladas en la arqueología representan el rango intermedio, la evidencia arqueológica de la colonización humana a menudo ocurre mucho después de la colonización. Por ejemplo, se cree que la colonización de Eurasia de oeste a este ocurrió a lo largo del Océano Índico. Sin embargo, los sitios arqueológicos más antiguos que también demuestran humanos anatómicamente modernos (AMH) se encuentran en China y Australia, con más de 42 000 años de antigüedad. Sin embargo, el sitio indio más antiguo con restos de AMH tiene 34 000 años, y otro sitio con arqueología compatible con AMH tiene más de 76 000 años de antigüedad. ^{[ 7 ]} Por lo tanto, la aplicación del ancla es una interpretación subjetiva de cuándo estuvieron presentes los humanos por primera vez.

Una medida simple de la divergencia de secuencia entre humanos y chimpancés puede ser observar los SNP. Dado que el mitogenoma tiene una longitud de aproximadamente 16553 pares de bases (cada par de bases que puede alinearse con referencias conocidas se denomina sitio), ^{[ 8 ]} la fórmula es:

${\displaystyle rate={\frac {SNPs}{(2T_{CHLCA}16553)}}}$

El '2' en el denominador proviene de los dos linajes, humano y chimpancé, que se separaron del CHLCA. Idealmente, representa la acumulación de mutaciones en ambos linajes, pero en posiciones diferentes (SNP). Siempre que el número de SNP observados se aproxime al número de mutaciones, esta fórmula funciona bien. Sin embargo, en sitios de rápida evolución, las mutaciones quedan enmascaradas por efectos de saturación. Clasificar las posiciones dentro del mitogenoma según su tasa y compensar la saturación son enfoques alternativos. ^{[ 9 ]}

Dado que el TM _CHLCA está sujeto a cambios con más información paleontológica, la ecuación descrita anteriormente permite la comparación del TMRCA de diferentes estudios.

Para superar los efectos de la saturación , el análisis HVR se basó en la distancia transversional entre humanos y chimpancés. ^{[ 10 ]} Se aplicó una relación de transición a transversión a esta distancia para estimar la divergencia de secuencia en el HVR entre chimpancés y humanos, y se dividió por un T _CHLCA supuesto de 4 a 6 millones de años. ^{[ 11 ]} Con base en 26,4 sustituciones entre chimpancé y humano y una relación de 15:1, las 396 transiciones estimadas sobre 610 pares de bases demostraron una divergencia de secuencia del 69,2 % (tasa * T _CHLCA de 0,369), produciendo tasas de divergencia de aproximadamente 11,5 % a 17,3 % por millón de años .

Vigilant et al. (1991) también estimaron la tasa de divergencia de secuencia para los sitios en las regiones HVR I y HVR II de rápida evolución. Como se observa en la tabla anterior, la tasa de evolución es tan alta que se produce saturación de sitios en comparaciones directas entre chimpancés y humanos. En consecuencia, este estudio utilizó transversiones, que evolucionan a una tasa más lenta que los polimorfismos de transición más comunes. Al comparar los mitogenomas de chimpancés y humanos, observaron 26,4 transversiones dentro de las regiones HVR; sin embargo, no hicieron ninguna corrección por saturación. A medida que se obtuvo más secuencia HVR después de este estudio, se observó que el sitio de dinucleótidos CRS:16181-16182 experimentó numerosas transversiones en el análisis de parsimonia, muchas de las cuales se consideraron errores de secuenciación. Sin embargo, la secuenciación del neandertal Feldhofer I reveló que también había una transversión entre humanos y neandertales en este sitio. ^{[ 12 ]} Además, Soares et al. (2009) observaron tres sitios en los que se habían producido transversiones recurrentes en los linajes humanos, dos de los cuales se encuentran en HVR I, 16265 (12 ocurrencias) y 16318 (8 ocurrencias). ^{[ nota 1 ]} Por lo tanto, 26,4 transversiones fue una subestimación del número probable de eventos de transversión. El estudio del año 1991 también utilizó una relación de transición a transversión del estudio de monos del Viejo Mundo de 15:1. Sin embargo, el examen de HVR de chimpancés y gorilas revela una tasa que es menor, y el examen de humanos sitúa la tasa en 34:1. ^{[ 6 ]} Por lo tanto, este estudio subestimó ese nivel de divergencia de secuencia entre chimpancé y humano. La divergencia de secuencia estimada de 0,738/sitio (incluye transversiones) es significativamente menor que el ~2,5 por sitio sugerido por Soares et al. (2009). Estos dos errores darían lugar a una sobreestimación del TMRCA mitocondrial humano. Sin embargo, no lograron detectar el linaje basal L0 en el análisis ni tampoco las transiciones recurrentes en muchos linajes, lo que también subestima el TMRCA. Además, Vigilant et al. (1991) utilizaron un ancla CHLCA más reciente de 4 a 6 millones de años.

La secuencia parcial de la región codificante complementó originalmente los estudios HVR porque la secuencia completa de la región codificante era poco común. Existían sospechas de que los estudios HVR habían omitido ramas importantes basándose en algunos estudios RFLP y de la región codificante anteriores. Ingman et al. (2000) fue el primer estudio en comparar secuencias genómicas para el análisis de coalescencia. La secuencia de la región codificante discriminó los haplogrupos M y N y los macrohaplogrupos L0 y L1 . Debido a que la secuenciación del ADN genómico resolvió las dos ramas más profundas, mejoró algunos aspectos de la estimación del TMRCA en comparación con la secuencia HVR sola. Excluyendo el bucle D y utilizando un T _CHLCA de 5 millones de años , Ingman et al. (2000) estimaron la tasa de mutación en 1,70 × 10 ⁻⁸ por sitio por año (tasa * T _CHLCA = 0,085, 15.435 sitios).

Sin embargo, el ADN de la región codificante ha sido cuestionado porque las secuencias codificantes están bajo selección purificadora para mantener la estructura y la función, o bajo selección regional para desarrollar nuevas capacidades. ^{[ 13 ]} El problema con las mutaciones en la región codificante se ha descrito de la siguiente manera: las mutaciones que ocurren en la región codificante que no son letales para las mitocondrias pueden persistir, pero son selectivas negativamente para el huésped; durante unas pocas generaciones, estas persistirán, pero durante miles de generaciones, estas se eliminan lentamente de la población, dejando SNP. ^{[ 6 ]} Sin embargo, durante miles de generaciones, las mutaciones selectivas regionales pueden no ser discriminadas de estas mutaciones transitorias de la región codificante. El problema con las mutaciones raras en los mitogenomas humanos es lo suficientemente significativo como para impulsar media docena de estudios recientes sobre el tema.

Ingman et al. (2000) estimaron la evolución de la región del bucle no-D 1,7 × 10 ⁻⁸ por año por sitio basándose en 53 secuencias genómicas no idénticas que sobrerrepresentan a África en una muestra global. A pesar de esta sobrerrepresentación, la resolución de las subramas L0 fue insuficiente y se ha encontrado otra rama L1 profunda. A pesar de estas limitaciones, el muestreo fue adecuado para el estudio emblemático. Hoy en día, L0 está restringido a poblaciones africanas, mientras que L1 es el haplogrupo ancestral de todos los no africanos, así como de la mayoría de los africanos. La secuencia de Eva mitocondrial puede aproximarse comparando una secuencia de L0 con una secuencia de L1. Al conciliar las mutaciones en L0 y L1. Las secuencias de ADNmt de las poblaciones humanas contemporáneas generalmente diferirán de la secuencia de Eva mitocondrial en aproximadamente 50 mutaciones. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Las tasas de mutación no se clasificaron según el sitio (aparte de excluir las regiones HVR). El valor de T _CHLCA utilizado en el estudio de 5 Ma del año 2000 también fue inferior a los valores utilizados en los estudios más recientes.

Desde que se hizo posible secuenciar un gran número de mitogenomas antiguos, varios estudios han estimado la tasa de mutación mitocondrial midiendo cuántas mutaciones más se han acumulado en promedio en los genomas modernos (o posteriores) en comparación con los antiguos (o anteriores) que descienden del mismo nodo filogenético. Estos estudios han obtenido resultados similares: estimaciones centrales para todo el cromosoma, en sustituciones por sitio por año: 2,47 × 10 ⁻⁸ ; ^{[ 16 ]} 2,14 × 10 ⁻⁸ ; ^{[ 17 ]} 2,53 × 10 ⁻⁸ ; ^{[ 18 ]} y 2,74 × 10 ⁻⁸ . ^{[ 19 ]}

La medición del reloj molecular del ADN mitocondrial ha sido criticada debido a su reloj molecular inconsistente. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} Un análisis retrospectivo de cualquier proceso pionero revelará deficiencias. Con el mitocondrial, las deficiencias son el argumento de la ignorancia de la variación de la tasa y el exceso de confianza con respecto al T _CHLCA de 5 Ma. La falta de perspectiva histórica podría explicar el segundo problema, el problema de la variación de la tasa es algo que solo pudo resolverse con el estudio masivo de mitocondrias que siguió. El número de secuencias HVR que se han acumulado desde 1987 hasta 2000 aumentó en magnitudes. Soares et al. (2009) utilizaron 2196 secuencias mitogenómicas y descubrieron 10 683 eventos de sustitución dentro de estas secuencias. Once de 16 560 sitios en el mitogenoma produjeron más del 11 % de todas las sustituciones con variación de tasa estadísticamente significativa dentro de los 11 sitios. ^{[ nota 2 ]} Argumentan que existe una tasa de mutación en sitios neutros que es una magnitud más lenta que la tasa observada para el sitio más rápido, CRS 16519. En consecuencia, dejando de lado la selección purificadora, la tasa de mutación en sí varía entre sitios, con algunos sitios mucho más propensos a sufrir nuevas mutaciones en relación con otros. ^{[ 23 ]} Soares et al. (2009) observaron dos segmentos de ADN, CRS 2651-2700 y 3028-3082, que no tenían SNP dentro de las 2196 secuencias mitogenómicas.