La neofuncionalización , uno de los posibles resultados de la divergencia funcional , ocurre cuando una copia de un gen, o parálogo , adquiere una función totalmente nueva después de un evento de duplicación de genes . La neofuncionalización es un proceso de mutación adaptativa; lo que significa que una de las copias del gen debe mutar para desarrollar una función que no estaba presente en el gen ancestral. [1] [2] [3] En otras palabras, uno de los duplicados conserva su función original, mientras que el otro acumula cambios moleculares de manera que, con el tiempo, puede realizar una tarea diferente. [4]Se cree que este proceso está libre de presión selectiva porque una copia del gen puede mutar sin afectar negativamente la aptitud del organismo, ya que la función ancestral se retiene en la otra copia. [5] [6] [7] [8]
El proceso
El proceso de neofuncionalización comienza con un evento de duplicación de genes , que se cree que ocurre como un mecanismo de defensa contra la acumulación de mutaciones deletéreas. [6] [8] [9] Después del evento de duplicación del gen, hay dos copias idénticas del gen ancestral que realizan exactamente la misma función. Esta redundancia permite que una de las copias asuma una nueva función. En el caso de que la nueva función sea ventajosa, la selección natural la selecciona positivamente y la nueva mutación se fija en la población. [3] [10] La aparición de neofuncionalización puede atribuirse con mayor frecuencia a cambios en la región codificante o cambios en los elementos reguladores de un gen. [8] Es mucho más raro ver cambios importantes en la función de la proteína, como la estructura de la subunidad o la afinidad del sustrato y del ligando, como resultado de la neofuncionalización. [8]
Restricciones selectivas
La neofuncionalización también se denomina comúnmente "mutación durante la no funcionalidad" o "mutación durante la redundancia". [11] Independientemente de si la mutación surge después de la no funcionalidad de un gen o debido a copias de genes redundantes, el aspecto importante es que en ambos escenarios una copia del gen duplicado se libera de restricciones selectivas y por casualidad adquiere una nueva función que luego se mejora por selección natural. [8] Se cree que este proceso ocurre muy raramente en la evolución por dos razones principales. La primera razón es que los cambios funcionales normalmente requieren una gran cantidad de cambios de aminoácidos; que tiene una baja probabilidad de ocurrencia. En segundo lugar, porque las mutaciones deletéreas ocurren con mucha más frecuencia que las ventajosas en la evolución. [8] Esto hace que la probabilidad de que la función genética se pierda con el tiempo (es decir, pseudogeneización) sea mucho mayor que la probabilidad de que surja una nueva función genética. [10] Walsh descubrió que la probabilidad relativa de neofuncionalización está determinada por la ventaja selectiva y la tasa relativa de mutaciones ventajosas. [12] Esto se demostró en su derivación de la probabilidad relativa de neofuncionalización a pseudogeneización, que viene dada por:donde ρ es la relación entre la tasa de mutación ventajosa y la tasa de mutación nula y S es la selección de población 4NeS (Ne: tamaño de población efectivo S: intensidad de selección). [12]
Modelo clasico
En 1936, Muller propuso originalmente la neofuncionalización como un posible resultado de un evento de duplicación de genes. [13] En 1970, Ohno sugirió que la neofuncionalización era el único mecanismo evolutivo que dio lugar a nuevas funciones genéticas en una población. [8] También creía que la neofuncionalización era la única alternativa a la pseudogeneización. [2] Ohta (1987) fue uno de los primeros en sugerir que pueden existir otros mecanismos para la preservación de genes duplicados en la población. [8] En la actualidad, la subfuncionalización es un proceso alternativo de fijación de genes duplicados ampliamente aceptado en la población y actualmente es el único otro resultado posible de la divergencia funcional. [2]
Neosubfuncionalización
La neosubfuncionalización ocurre cuando la neofuncionalización es el resultado final de la subfuncionalización . En otras palabras, una vez que ocurre un evento de duplicación de genes formando parólogos que luego de un período evolutivo subfuncionalizan, una copia de gen continúa en este viaje evolutivo y acumula mutaciones que dan lugar a una nueva función. [8] [14] Algunos creen que la neofuncionalización es la etapa final para todos los genes subfuncionalizados. Por ejemplo, según Rastogi y Liberles, "la neofuncionalización es el destino terminal de todas las copias de genes duplicadas retenidas en el genoma y la subfuctionlización simplemente existe como un estado transitorio para preservar la copia de genes duplicada". [2] Los resultados de su estudio se puntúan a medida que aumenta el tamaño de la población.
Ejemplos de
La evolución de la proteína anticongelante en el pez zoárcido antártico L. dearborni proporciona un excelente ejemplo de neofuncionalización después de la duplicación de genes. En el caso del gen de la proteína anticongelante tipo III del pez zoárcido antártico (AFPIII; P12102 ) divergió de una copia paráloga del gen de la ácido siálico sintasa (SAS). [15] Se descubrió que el gen SAS ancestral tiene sintasa de ácido siálico y funcionalidades rudimentarias de unión al hielo. Después de la duplicación, uno de los parálogos comenzó a acumular mutaciones que condujeron al reemplazo de los dominios SAS del gen, lo que permitió un mayor desarrollo y optimización de la funcionalidad anticongelante. [15] El nuevo gen ahora es capaz de depresión no coligativa del punto de congelación y, por lo tanto, está neofuncionalizado. [15] Esta especialización permite a los peces zoárcidos antárticos sobrevivir en las gélidas temperaturas de los mares antárticos.
Limitaciones del modelo
Existen limitaciones en la neofuncionalización como modelo de divergencia funcional principalmente porque:
- la cantidad de cambios de nucleótidos que dan lugar a una nueva función debe ser mínima; lo que hace que la probabilidad de pseudogeneización sea mucho mayor que la neofuncionalización después de un evento de duplicación de genes. [8]
- Después de un evento de duplicación de genes, ambas copias pueden ser sometidas a una presión selectiva equivalente a la que restringe el gen ancestral; lo que significa que ninguna copia está disponible para neofuncionalización. [8]
- En muchos casos, la selección darwiniana positiva presenta una explicación más parsimoniosa de la divergencia de familias multigénicas. [8]
Ver también
Referencias
- ↑ Kleinjan, Dirk A .; Bancewicz, Ruth M .; Gautier, Philippe; Dahm, Ralf; Schonthaler, Helia B .; Damante, Giuseppe; Seawright, Anne; Hever, Ann M .; Yeyati, Patricia L .; van Heyningen, Veronica; Coutinho, Pedro (1 de enero de 2008). "Subfuncionalización de genes de pax6 de pez cebra duplicados por divergencia reguladora cis" . PLoS Genetics . 4 (2): e29. doi : 10.1371 / journal.pgen.0040029 . PMC 2242813 . PMID 18282108 .
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