Teoría casi neutral de la evolución molecular

La teoría casi neutral de la evolución molecular es una modificación de la teoría neutral de la evolución molecular ^{[ 1 ]} que explica que no todas las mutaciones son tan perjudiciales como para poder ignorarlas, o bien neutrales. Las mutaciones ligeramente perjudiciales se eliminan de forma fiable solo cuando su coeficiente de selección es mayor que uno dividido por el tamaño efectivo de la población . En poblaciones más grandes, una mayor proporción de mutaciones supera este umbral, por lo que la deriva genética no puede vencer a la selección, lo que da lugar a menos eventos de fijación y, por lo tanto, a una evolución molecular más lenta.

La teoría casi neutral fue propuesta por Tomoko Ohta en 1973. ^{[ 2 ]} El umbral dependiente del tamaño de la población para purgar mutaciones ha sido llamado la "barrera de deriva" por Michael Lynch , y se ha utilizado para explicar las diferencias en la arquitectura genómica entre especies.

Según la teoría neutral de la evolución molecular, la tasa de acumulación de cambios moleculares entre especies debería ser igual a la tasa de mutaciones neutrales y, por lo tanto, relativamente constante entre especies. Sin embargo, esta es una tasa por generación. Dado que los organismos más grandes tienen tiempos de generación más largos , la teoría neutral predice que su tasa de evolución molecular debería ser más lenta. No obstante, los evolucionistas moleculares descubrieron que las tasas de evolución de las proteínas eran bastante independientes del tiempo de generación.

Tras observar que el tamaño de la población suele ser inversamente proporcional al tiempo de generación, Tomoko Ohta propuso que si la mayoría de las sustituciones de aminoácidos son ligeramente perjudiciales, esto aumentaría la tasa de mutación efectivamente neutra en poblaciones pequeñas, lo que podría compensar el efecto de los largos tiempos de generación. Sin embargo, dado que las sustituciones de ADN no codificante tienden a ser más neutras, independientemente del tamaño de la población, se predice correctamente que su tasa de evolución depende del tamaño de la población/tiempo de generación, a diferencia de la tasa de cambios no sinónimos. ^{[ 3 ]}

En este caso, la tasa más rápida de evolución neutral en las proteínas esperada en poblaciones pequeñas (debido a un umbral más indulgente para purgar mutaciones deletéreas) se compensa con tiempos de generación más largos (y viceversa), pero en poblaciones grandes con tiempos de generación cortos, el ADN no codificante evoluciona más rápido mientras que la evolución de las proteínas se retrasa por la selección (que es más significativa que la deriva para poblaciones grandes) ^{[ 3 ]} En 1973, Ohta publicó una breve carta en Nature ^{[ 2 ]} sugiriendo que una amplia variedad de evidencia molecular respaldaba la teoría de que la mayoría de los eventos de mutación a nivel molecular son ligeramente deletéreos en lugar de estrictamente neutrales.

Entre entonces y principios de la década de 1990, muchos estudios de evolución molecular utilizaron un "modelo de cambio" en el que el efecto negativo sobre la aptitud de una población debido a mutaciones deletéreas vuelve a un valor original cuando una mutación alcanza la fijación. A principios de la década de 1990, Ohta desarrolló un "modelo fijo" que incluía tanto mutaciones beneficiosas como deletéreas, de modo que no era necesario ningún "cambio" artificial de la aptitud general de la población. ^{[ 3 ]} Sin embargo, según Ohta, la teoría casi neutral cayó en desuso a finales de la década de 1980, debido a que la teoría neutral, matemáticamente más simple, se impuso en la investigación generalizada de sistemática molecular que floreció tras la llegada de la secuenciación rápida del ADN . A medida que estudios sistemáticos más detallados comenzaron a comparar la evolución de regiones del genoma sujetas a una selección fuerte frente a una selección más débil en la década de 1990, la teoría casi neutral y la interacción entre selección y deriva genética se han convertido una vez más en un foco importante de investigación. ^{[ 4 ]}

La tasa de sustitución, ${\displaystyle \rho }$es

${\displaystyle \rho =ugN_{e}{\bar {P}}_{fix}}$,

dónde${\displaystyle u}$es la tasa de mutación,${\displaystyle g}$es el tiempo de generación, y${\displaystyle N_{e}}$es el tamaño efectivo de la población. El último término es la probabilidad de que una nueva mutación se vuelva fija . Los primeros modelos asumieron que${\displaystyle u}$es constante entre especies, y que${\displaystyle g}$aumenta con${\displaystyle N_{e}}$La ecuación de Kimura para la probabilidad de fijación en una población haploide da como resultado:

${\displaystyle P_{fix}={\frac {1-e^{-s}}{1-e^{-sN_{e}}}}}$,

dónde${\displaystyle s}$es el coeficiente de selección de una mutación. Cuando${\displaystyle |s|\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$(completamente neutral),${\displaystyle P_{fix}={\frac {1}{N_{e}}}}$y cuando${\displaystyle -s\gg {\frac {1}{N_{e}}}}$(extremadamente perjudicial),${\displaystyle P_{fix}}$disminuye casi exponencialmente con${\displaystyle N_{e}}$. Mutaciones con${\displaystyle -s\simeq {\frac {1}{N_{e}}}}$se denominan mutaciones casi neutras. Estas mutaciones pueden fijarse en pequeñas cantidades.${\displaystyle N_{e}}$poblaciones a través de la deriva genética . En grandes-${\displaystyle N_{e}}$poblaciones, estas mutaciones son purgadas por selección. Si las mutaciones casi neutras son comunes, entonces la proporción para la cual${\displaystyle P_{fix}\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$depende de${\displaystyle N_{e}}$

El efecto de las mutaciones casi neutras puede depender de las fluctuaciones en${\displaystyle s}$Los primeros trabajos utilizaron un “modelo de cambio” en el que${\displaystyle s}$puede variar entre generaciones, pero la aptitud media de la población se restablece a cero después de la fijación. Esto básicamente supone la distribución de${\displaystyle s}$es constante (en este sentido, el argumento de los párrafos anteriores puede considerarse basado en el “modelo de cambio”). Esta suposición puede conducir a una mejora o deterioro indefinido de la función de la proteína. Alternativamente, el posterior “modelo fijo” ^{[ 5 ]} fija la distribución del efecto de las mutaciones sobre la función de la proteína, pero permite que la aptitud media de la población evolucione. Esto permite la distribución de${\displaystyle s}$cambiar con la aptitud media de la población.

El “modelo fijo” proporciona una explicación ligeramente diferente para la tasa de evolución de las proteínas. En grandes${\displaystyle N_{e}}$En las poblaciones, las mutaciones ventajosas son rápidamente seleccionadas, lo que aumenta la aptitud promedio de la población. En consecuencia, la tasa de mutación de las mutaciones casi neutras se reduce, ya que estas mutaciones se limitan a la cola de la distribución de los coeficientes de selección.

El “modelo fijo” amplía la teoría casi neutral. Tachida ^{[ 6 ]} clasificó la evolución bajo el “modelo fijo” basándose en el producto de${\displaystyle N_{e}}$y la varianza en la distribución de${\displaystyle s}$Un producto grande corresponde a la evolución adaptativa, un producto intermedio a la evolución casi neutra y un producto pequeño a la evolución casi neutra. Según esta clasificación, las mutaciones ligeramente ventajosas pueden contribuir a la evolución casi neutra.

Michael Lynch ha propuesto que la variación en la capacidad de purgar mutaciones ligeramente perjudiciales (es decir, variación en${\displaystyle N_{e}}$) pueden explicar la variación en la arquitectura genómica entre especies, por ejemplo, el tamaño del genoma o la tasa de mutación. ^{[ 7 ]} Específicamente, las poblaciones más grandes tendrán tasas de mutación más bajas, arquitecturas genómicas más optimizadas y, en general, adaptaciones más finamente ajustadas. Sin embargo, si la robustez a las consecuencias de cada posible error en procesos como la transcripción y la traducción reduce sustancialmente el costo de cometer tales errores, las poblaciones más grandes podrían desarrollar tasas más bajas de corrección de pruebas global y, por lo tanto, tener tasas de error más altas. ^{[ 8 ]} Esto puede explicar por qué Escherichia coli tiene tasas de error de transcripción más altas que Saccharomyces cerevisiae . ^{[ 9 ] [ 10 ]} Esto está respaldado por el hecho de que las tasas de error transcripcional en E. coli dependen de la abundancia de proteínas (que es responsable de modular la fuerza de selección específica del locus), pero lo hacen solo para errores de desaminación de C a U de alta tasa de error en S. cerevisiae . ^{[ 11 ]}

• Historia de la evolución molecular

• La teoría casi neutral de la evolución molecular : perspectivas sobre la evolución molecular.