Filoestratigrafía genómica

La filoestratigrafía genómica es un método estadístico genético novedoso desarrollado para fechar el origen de genes específicos al observar sus homólogos en todas las especies . Fue desarrollado por primera vez por el Instituto Ruđer Bošković en Zagreb , Croacia . ^[1] El sistema vincula los genes a su gen fundador , lo que nos permite determinar su edad. Esto, a su vez, podría ayudarnos a comprender mejor muchos procesos evolutivos.

Método

Un ejemplo de árbol filogenético con sus diferentes phylostrata. Considerando las grandes barras grises como la filogenia de los taxones y las delgadas líneas coloreadas como los diversos linajes de genes dentro de ellos, podemos deducir la presencia de dos genes fundadores 1 y 2 presentes en sus respectivos phylostrata 1 y 2. Los phylostrata serán entonces generalmente se le da el nombre del clado determinable más pequeño que incluye todos los taxones presentes. ^[1]

Esta técnica se basa en la suposición de que la diversidad del genoma no solo se debe a duplicaciones de genes, sino también a los continuos y frecuentes nacimientos de genes de novo. Estos genes (llamados "genes fundadores") se formarían a partir de secuencias de ADN no génicas , así como de cambios en el marco de lectura (u otras formas de surgir dentro de los genes existentes), o incluso de una evolución muy rápida de la proteína que modificaría la secuencia más allá del reconocimiento. ^[2] Estos nuevos genes tendrían al principio tasas de evolución altas que luego se ralentizarían con el tiempo, lo que nos permitiría reconocer su linaje en sus descendientes. ^[1] Los genes fundadores se pueden colocar en un phylostratum específico .. El phylostratum se representa como el clado que incluye todos los genes que derivan del mismo gen fundador, lo que significa que este gen se formó en el ancestro común de este clado (por ejemplo, Arthropoda, Mammalia, Metazoa, etc.). Posicionar estos genes fundadores y sus descendientes en diferentes phylostrata puede permitirnos envejecerlos. Luego, esto puede usarse para analizar el origen de ciertas funciones de las proteínas y los procesos de desarrollo a una escala macroevolutiva, observando también las conexiones entre ciertos genes.

El método original para la filoestratigrafía genómica implica el uso de una búsqueda de similitud de secuencia BLAST con un valor de corte de 10 ⁻³ E. Los genes que se consideran lo suficientemente similares en secuencia se recopilan y se determina el clado que engloba todos los taxones representados por esos genes. Este clado se convierte entonces en el phylostratum de estos genes. Al determinar el antepasado comúnde este clado, podemos, por tanto, dar una edad al gen fundador y a todos sus descendientes. La aplicación del proceso en una escala de todo el genoma puede permitirnos detectar patrones de nacimiento de genes fundadores e inferir el papel de ciertos genes involucrados en procesos de desarrollo específicos de clado y vías fisiológicas, y el origen de esos rasgos. Los desarrolladores del método dieron en el artículo original ^[1] un ejemplo de cómo explotar este sistema en la práctica utilizando Drosophila . Reunieron 13.000 genes para los que determinaron los genes fundadores, reagrupándolos en sus respectivos phylostrata. También segregaron las familias de genes dependiendo de si se expresaban principalmente en cualquiera de las tres capas germinales ( endodermo ,mesodermo , ectodermo ). Al estudiar las frecuencias de expresión de genes en esos diferentes phylostrata, pudieron identificar hipotéticamente la posible formación original de esas capas germinales en períodos específicos y organismos ancestrales en la historia evolutiva. Desde su invención, la filoestratigrafía genómica ha sido utilizada regularmente por este equipo de investigación ^[3] , así como por otros, ^[4] especialmente en un intento de determinar el origen de los genes del cáncer , lo que aparentemente muestra un fuerte vínculo entre un pico en la formación de cáncer genes y la transición a organismos multicelulares, una conexión que había sido previamente hipotetizada y, por lo tanto, está respaldada por la filoestratigrafía. A medida que su uso ha ido creciendo, el método se ha evaluado y mejorado en múltiples ocasiones, y se han desarrollado programas que lo ejecutan de forma automática y más eficiente. ^[2]

Crítica

Aunque ahora se usa con frecuencia por la comunidad científica, la filoestratigrafía genómica también ha recibido algunas críticas por ser demasiado inexacta para que sus mediciones sean confiables. En primer lugar, según algunos autores falta precisión en los supuestos. ^{[5] [6]} Es erróneo suponer, por ejemplo, que todas las especies más allá del organismo de enfoque comparten la misma tasa de evolución de las proteínas, lo cual no es cierto ya que varía según el ciclo celular.velocidades, lo que lleva a problemas al establecer los límites del error BLAST para englobar todas las proteínas originadas a partir del mismo gen fundador. Otro punto es que la búsqueda BLAST asume que las tasas de evolución de las proteínas son constantes en todos sus sitios, lo que también es falso. Por último, se podría decir que el modelo no tiene en cuenta correctamente las duplicaciones de genes, así como las pérdidas de genes: los cambios en las tasas evolutivas causados ​​por duplicaciones de genes debido a nuevos cambios funcionales aumentarían las tasas de error BLAST y la pérdida de genes en taxones distantes a el estudiado podría dar lugar a grandes subestimaciones en la edad de los genes calculados y el phylostratum de los genes fundadores en comparación con sus valores reales. Sin embargo, en lugar de exigir simplemente abandonar el método, los críticos han estado tratando de trabajar para refinarlo desde su estado original,mediante la introducción de otras posibles fórmulas matemáticas o herramientas de búsqueda de secuencias,^[7] aunque el Instituto Ruđer Bošković ha respondido a tales críticas alegando que su enfoque original era válido y no necesitaba ser revisado exhaustivamente. ^[8] Este debate también se incluye como parte de la discusión más amplia sobre la importancia de los nacimientos de genes de novo en la creación de diversidad genética, en la que la filoestratigrafía genómica respalda que tienen un efecto fuerte, de una manera que solo puede ser ampliamente aceptada o refutado una vez resuelto el último dilema.

Referencias

1. Domazet-Lošo, Tomislav; Brajković, Josip; Tautz, Diethard (noviembre de 2007). "Un enfoque de filoestratigrafía para descubrir la historia genómica de las principales adaptaciones en los linajes de metazoos". Tendencias en Genética . 23 (11): 533–539. doi : 10.1016 / j.tig.2007.08.014 . PMID  18029048 .
2. Arendsee, Zabulón; Li, Jing; Singh, Urminder; Seetharam, Arun; Dorman, Karin; Wurtele, Eve Syrkin (3 de julio de 2018). "phylostratr: un marco para la filoestratigrafía" . bioRxiv . doi : 10.1101 / 360164 .
3. Domazet-Lošo, Tomislav; Tautz, Diethard (diciembre de 2010). "El seguimiento filoestratigráfico de los genes del cáncer sugiere un vínculo con la aparición de la multicelularidad en los metazoos" . Biología BMC . 8 (1): 66. doi : 10.1186 / 1741-7007-8-66 . ISSN 1741-7007 . PMC 2880965 . PMID 20492640 .   
4. Zhang, Luoyan; Tan, Yi; Fan, Shoujin; Zhang, Xuejie; Zhang, Zhen (diciembre de 2019). "El análisis filoestratigráfico de la red de coexpresión de genes revela la evolución de módulos funcionales para el cáncer de ovario" . Informes científicos . 9 (1): 2623. doi : 10.1038 / s41598-019-40023-9 . ISSN 2045-2322 . PMC 6384884 . PMID 30796309 .   
5. Moyers, Bryan A .; Zhang, Jianzhi (1 de enero de 2015). "Sesgo filoestratigráfico crea patrones espurios de evolución del genoma" . Biología Molecular y Evolución . 32 (1): 258–267. doi : 10.1093 / molbev / msu286 . ISSN 0737-4038 . PMC 4271527 . PMID 25312911 .   
6. Casola, Claudio (22 de octubre de 2018). "De novo a 'de nono': la mayoría de los genes codificadores de proteínas nuevos identificados con la filoestratigrafía son genes antiguos o duplicados recientes" . Biología y evolución del genoma . 10 (11): 2906-2918. doi : 10.1093 / gbe / evy231 . ISSN 1759-6653 . PMC 6239577 . PMID 30346517 .   
7. Moyers, Bryan A; Zhang, Jianzhi (1 de agosto de 2018). Martin, Bill (ed.). "Hacia la reducción de sesgos y errores filoestratigráficos" . Biología y evolución del genoma . 10 (8): 2037-2048. doi : 10.1093 / gbe / evy161 . ISSN 1759-6653 . PMC 6105108 . PMID 30060201 .   
8. Domazet-Lošo, Tomislav; Carvunis, Anne-Ruxandra; Mar Albà, M .; Sebastijan Šestak, Martin; Bakarić, Robert; Neme, Rafik; Tautz, Diethard (12 de enero de 2017). "No hay evidencia de sesgo filoestratigráfico que afecte las inferencias sobre los patrones de aparición y evolución de genes" . Biología Molecular y Evolución . 34 (4): 843–856. doi : 10.1093 / molbev / msw284 . ISSN 0737-4038 . PMC 5400388 . PMID 28087778 .