Paleopoliploidía

La paleopoliploidía es el resultado de duplicaciones del genoma que ocurrieron hace al menos varios millones de años (MA). Este evento podría duplicar el genoma de una sola especie ( autopoliploidía ) o combinar los de dos especies ( alopoliploidía ). ^{[ 1 ]} Debido a la redundancia funcional , los genes se silencian o se pierden rápidamente de los genomas duplicados. La mayoría de los paleopoliploides, a lo largo del tiempo evolutivo, han perdido su condición de poliploides mediante un proceso llamado diploidización , y actualmente se consideran diploides , por ejemplo, la levadura de panadería , ^{[ 2 ]} Arabidopsis thaliana , ^{[ 3 ]} y quizás los humanos . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

La paleopoliploidía se estudia ampliamente en los linajes de plantas. Se ha descubierto que casi todas las plantas con flores han experimentado al menos una ronda de duplicación del genoma en algún momento de su historia evolutiva. ^{[ 8 ]} También se encuentran antiguas duplicaciones del genoma en el ancestro temprano de los vertebrados (que incluye el linaje humano) cerca del origen de los peces óseos , y otra en el linaje basal de los peces teleósteos . ^{[ 9 ]} La evidencia sugiere que la levadura de panadería ( Saccharomyces cerevisiae ), que tiene un genoma compacto, experimentó poliploidización durante su historia evolutiva. ^{[ 10 ]}

El término mesopoliploide se utiliza a veces para especies que han experimentado eventos de multiplicación del genoma completo (duplicación del genoma completo, triplificación del genoma completo, etc.) en una historia más reciente, como en los últimos 17 millones de años. ^{[ 11 ]}

Las antiguas duplicaciones del genoma están muy extendidas en los linajes eucariotas , especialmente en las plantas. ^{[ 8 ]} Los estudios sugieren que el ancestro común de Poaceae , la familia de las gramíneas que incluye especies de cultivos importantes como el maíz, el arroz, el trigo y la caña de azúcar, compartió una duplicación del genoma completo (DGC) hace unos 70  millones de años . ^{[ 12 ]} En linajes monocotiledóneos más antiguos, se produjeron una o probablemente varias rondas de duplicaciones adicionales del genoma completo, que, sin embargo, no se compartieron con las eudicotiledóneas ancestrales . ^{[ 13 ]} Otras duplicaciones independientes del genoma completo más recientes han ocurrido en los linajes que conducen al maíz, ^{[ 14 ]} la caña de azúcar ^{[ 15 ]} y el trigo, ^{[ 16 ]} pero no al cultivar más común de arroz, ^{[ 17 ]} el sorgo ^{[ 14 ]} o el mijo cola de zorro. ^{[ 18 ]}

Se postula que un evento de poliploidía ocurrido hace 160  millones de años creó la línea ancestral que dio origen a todas las plantas con flores modernas. ^{[ 19 ]} Este evento de paleopoliploidía se estudió mediante la secuenciación del genoma de una planta con flores antigua, Amborella trichopoda . ^{[ 20 ]}

Las eudicotiledóneas basales también compartieron una triplicación común del genoma completo (paleohexaploidía), que se estimó que ocurrió después de la divergencia de monocotiledóneas y eudicotiledóneas pero antes de la divergencia de rosáceas y astéridas . ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} Muchas especies de eudicotiledóneas han experimentado duplicaciones o triplicaciones adicionales del genoma completo. Por ejemplo, la planta modelo Arabidopsis thaliana , la primera planta cuyo genoma completo fue secuenciado, ha experimentado al menos dos rondas adicionales de duplicación del genoma completo desde la duplicación compartida por las eudicotiledóneas basales. ^{[ 3 ]} El evento más reciente tuvo lugar antes de la divergencia de los linajes de Arabidopsis y Brassica , hace aproximadamente 20  millones de años a 45  millones de años . Otros ejemplos incluyen los genomas secuenciados de eudicotiledóneas de manzana, soja, tomate, algodón, etc.

En comparación con las plantas, la paleopoliploidía es mucho más rara en el reino animal. ^{[ 8 ]} Se ha identificado principalmente en anfibios y peces óseos. Aunque algunos estudios sugieren que una o más duplicaciones genómicas comunes son compartidas por todos los vertebrados (incluidos los humanos), la evidencia no es tan sólida como en otros casos porque las duplicaciones, si existen, ocurrieron hace mucho tiempo (alrededor de 400-500 Ma en comparación con menos de 200 Ma en las plantas), y el tema aún está en debate. La idea de que los vertebrados comparten una duplicación genómica completa común se conoce como la Hipótesis 2R . Muchos investigadores están interesados ​​en la razón por la cual los linajes animales, particularmente los mamíferos, han tenido muchas menos duplicaciones genómicas completas que los linajes de plantas.

Se ha encontrado una paleopoliploidía bien respaldada en la levadura de panadería ( Saccharomyces cerevisiae ), a pesar de su genoma pequeño y compacto (~13 Mbp), después de la divergencia de Kluyveromyces lactis y K. marxianus . ^{[ 24 ]} Mediante la simplificación del genoma, la levadura ha perdido el 90% del genoma duplicado a lo largo del tiempo evolutivo y ahora se reconoce como un organismo diploide.

Los genes duplicados pueden identificarse mediante la homología de secuencias a nivel de ADN o proteína. La paleopoliploidía puede identificarse como una duplicación masiva de genes en un solo momento utilizando un reloj molecular . Para distinguir entre la duplicación de todo el genoma y una colección de eventos de duplicación de genes individuales (más comunes) , se suelen aplicar las siguientes reglas:

• Los genes duplicados se localizan en grandes bloques duplicados. La duplicación de un solo gen es un proceso aleatorio y tiende a generar genes duplicados dispersos por todo el genoma.
• Los bloques duplicados no se superponen porque se crearon simultáneamente. La duplicación segmentaria dentro del genoma puede cumplir la primera regla; pero múltiples duplicaciones segmentarias independientes podrían superponerse entre sí. ^{[ 25 ]}

En teoría, los dos genes duplicados deberían tener la misma "edad"; es decir, la divergencia de la secuencia debería ser igual entre los dos genes duplicados por paleopoliploidía ( homeólogos ). La tasa de sustitución sinónima , Ks , se utiliza a menudo como reloj molecular para determinar el momento de la duplicación génica. ^{[ 26 ]} Por lo tanto, la paleopoliploidía se identifica como un "pico" en el gráfico de número de duplicados frente a Ks (que se muestra a la derecha).

Sin embargo, el uso de gráficos Ks para identificar y documentar eventos poliploides antiguos puede ser problemático, ya que el método no logra identificar duplicaciones del genoma que fueron seguidas de una eliminación masiva de genes y un refinamiento del genoma. Se están desarrollando otros enfoques de modelos mixtos que combinan gráficos Ks con otros métodos para comprender mejor la paleopoliploidía. ^{[ 27 ]}

Los eventos de duplicación que ocurrieron hace mucho tiempo en la historia de diversos linajes evolutivos pueden ser difíciles de detectar debido a la diploidización posterior (de modo que un poliploide comienza a comportarse citogenéticamente como un diploide con el tiempo), ya que las mutaciones y las traducciones genéticas gradualmente hacen que una copia de cada cromosoma sea diferente de su contraparte. Esto generalmente resulta en una baja confianza para identificar paleopoliploidía antigua. ^{[ 28 ]}

Los eventos de paleopoliploidización provocan cambios celulares masivos, como la duplicación del material genético, alteraciones en la expresión génica y un aumento del tamaño celular. La pérdida de genes durante la diploidización no es completamente aleatoria, sino que está fuertemente sujeta a selección. Se duplican genes de familias génicas extensas. Por otro lado, los genes individuales no se duplican. En general, la paleopoliploidía puede tener efectos evolutivos, tanto a corto como a largo plazo, en la aptitud de un organismo en su entorno natural.

Existen dos divisiones principales de poliploidía : alopoliploidía y autopoliploidía. Los alopoliploides surgen como resultado de la hibridación de dos especies relacionadas, mientras que los autopoliploides surgen de la duplicación del genoma de una especie como resultado de la hibridación de dos progenitores conespecíficos, ^{[ 32 ]} o de la duplicación somática en el tejido reproductivo de un progenitor. Se cree que las especies alopoliploides son mucho más frecuentes en la naturaleza, ^{[ 32 ]} posiblemente porque heredan genomas diferentes, lo que resulta en una mayor heterocigosidad y, por lo tanto, en una mayor aptitud. Estos genomas diferentes dan como resultado una mayor probabilidad de grandes reorganizaciones genómicas, ^{[ 32 ] [ 33 ]} que pueden ser tanto deletéreas como ventajosas. Sin embargo, la autopoliploidía generalmente se considera un proceso neutro, ^{[ 33 ]} aunque se ha planteado la hipótesis de que podría servir como un mecanismo útil para inducir la especiación y, por lo tanto, ayudar a un organismo a colonizar rápidamente nuevos hábitats sin pasar por el período costoso y prolongado de reorganización genómica que experimentan las especies alopoliploides. Una fuente común de autopoliploidía en las plantas proviene de las " flores perfectas ", capaces de autopolinización . Esto, junto con errores en la meiosis que conducen a la aneuploidía , puede crear un entorno donde la autopoliploidía es muy probable. Este hecho puede aprovecharse en un laboratorio utilizando colchicina para inhibir la segregación cromosómica durante la meiosis, creando plantas autopoliploides sintéticas. ^{[ 34 ]}

Tras los eventos de poliploidía, existen varios destinos posibles para los genes duplicados ; ambas copias pueden conservarse como genes funcionales, puede producirse un cambio en la función del gen en una o ambas copias, el silenciamiento génico puede enmascarar una o ambas copias, o puede producirse una pérdida completa del gen. ^{[ 32 ] [ 35 ]} Los eventos de poliploidía darán lugar a niveles más altos de heterocigosidad y, con el tiempo, pueden conducir a un aumento en el número total de genes funcionales en el genoma. A medida que transcurre el tiempo tras un evento de duplicación del genoma, muchos genes cambiarán de función como resultado de un cambio en la función del gen duplicado tanto para especies alopoliploides como autopoliploides, o habrá cambios en la expresión génica causados ​​por reordenamientos genómicos inducidos por la duplicación del genoma en alopoliploides. Cuando se conservan ambas copias de un gen, y por lo tanto se duplica el número de copias, existe la posibilidad de que haya un aumento proporcional en la expresión de ese gen, lo que resulta en la producción del doble de transcrito de ARNm . También existe la posibilidad de que la transcripción de un gen duplicado se regule negativamente, lo que resultaría en un aumento menor al doble en la transcripción de ese gen, o que el evento de duplicación produzca un aumento mayor al doble en la transcripción. ^{[ 36 ]} En una especie, Glycine dolichocarpa (un pariente cercano de la soja , Glycine max ), se ha observado que después de una duplicación del genoma hace aproximadamente 500.000 años, ha habido un aumento de 1,4 veces en la transcripción, lo que indica que ha habido una disminución proporcional en la transcripción en relación con el número de copias del gen después del evento de duplicación. ^{[ 36 ]}

La hipótesis de la paleopoliploidía de los vertebrados surgió ya en la década de 1970, propuesta por el biólogo Susumu Ohno . Argumentó que el genoma de los vertebrados no podría alcanzar su complejidad sin duplicaciones genómicas completas a gran escala. La hipótesis de las "dos rondas de duplicación del genoma" ( hipótesis 2R ) surgió y ganó popularidad, especialmente entre los biólogos del desarrollo. ^{[ 37 ]}

Algunos investigadores han cuestionado la hipótesis 2R porque predice que los genomas de vertebrados deberían tener una proporción génica de 4:1 en comparación con los genomas de invertebrados, lo cual no está respaldado por los hallazgos de los 48 proyectos de genomas de vertebrados disponibles a mediados de 2011. Por ejemplo, el genoma humano consta de aproximadamente 20 500 genes codificadores de proteínas, según los recuentos del navegador genómico Ensembl ^{[ 38 ],} mientras que el tamaño promedio del genoma de un invertebrado es de unos 15 000 genes. Otros argumentos en contra de la hipótesis 2R se basaron en la ausencia de la topología de árbol (AB)(CD) entre cuatro miembros de una familia de genes en vertebrados. Sin embargo, si las dos duplicaciones del genoma ocurrieron cerca una de la otra, no esperaríamos encontrar esta topología. ^{[ 39 ]}

La secuencia del genoma del anfioxo proporcionó apoyo a la hipótesis de dos rondas de duplicación del genoma completo, seguidas de la pérdida de copias duplicadas de la mayoría de los genes. ^{[ 40 ]} Otros genomas de anfioxo refuerzan aún más esta hipótesis, ya que muchos segmentos cromosómicos muestran la topología de árbol (AB)(CD) esperada. ^{[ 41 ]}

Un estudio de 2015 generó el mapa genético de la lamprea marina , que brindó un fuerte apoyo a la hipótesis de que se produjo una única duplicación del genoma completo en el linaje basal de los vertebrados, precedida y seguida por varias duplicaciones segmentarias evolutivamente independientes que ocurrieron durante la evolución de los cordados. ^{[ 42 ]}

Un estudio de 2021 secuenció el genoma de la lamprea japonesa . Revirtió los resultados del estudio de 2015 y apoya la existencia de una duplicación 1R universal antes de la separación de Cyclostomata (los peces sin mandíbula existentes, que incluyen a los mixinos y las lampreas ) y Gnathostomata (peces con mandíbula, que incluyen a los tetrápodos, por ejemplo, los humanos). Luego, cada uno de los dos linajes llevó a cabo su propia 2R: una duplicación/tetraploidización en los peces con mandíbula y una triplicación/hexaploidización en los Cyclostomata. ^{[ 43 ]} Un estudio de 2024 secuenció el genoma del mixino marrón y lo comparó con otros genomas de vertebrados, tanto con mandíbula como sin ella. El marco de "1R compartida, luego 2R separada" del estudio de 2021 está fuertemente respaldado por el árbol genético y la sintenia. También se demuestra que, si bien el evento 1R sufrió rediploidización (es decir, los cromosomas homólogos dejaron de recombinarse, lo que hizo que el genoma volviera a comportarse como diploide) en la divergencia entre Cyclostomata y Gnathostomata, el evento 2R de Cyclostomata no sufrió rediploidización completa en el momento de la divergencia entre mixinos y lampreas. Esto ayuda a recontextualizar el panorama confuso hallado en el estudio de 2015. ^{[ 44 ]}

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