La teoría neutral de la evolución molecular sostiene que la mayoría de los cambios evolutivos ocurren a nivel molecular, y la mayor parte de la variación dentro y entre especies, se debe a la deriva genética aleatoria de alelos mutantes que son selectivamente neutrales. La teoría se aplica sólo a la evolución a nivel molecular y es compatible con la evolución fenotípica que está configurada por la selección natural, como postula Charles Darwin . La teoría neutral permite la posibilidad de que la mayoría de las mutaciones sean perjudiciales, pero sostiene que debido a que son eliminadas rápidamente por selección natural, no hacen contribuciones significativas a la variación dentro y entre especies a nivel molecular. Una mutación neutra es aquella que no afecta la capacidad de un organismo para sobrevivir y reproducirse. La teoría neutral asume que la mayoría de las mutaciones que no son perjudiciales son neutrales en lugar de beneficiosas. Debido a que solo se muestrea una fracción de los gametos en cada generación de una especie, la teoría neutral sugiere que un alelo mutante puede surgir dentro de una población y alcanzar la fijación por casualidad, en lugar de por una ventaja selectiva. [1]
La teoría fue presentada por el biólogo japonés Motoo Kimura en 1968, e independientemente por dos biólogos estadounidenses Jack Lester King y Thomas Hughes Jukes en 1969, y descrita en detalle por Kimura en su monografía de 1983 The Neutral Theory of Molecular Evolution . La propuesta de la teoría neutral fue seguida por una extensa controversia "neutralista-seleccionista" sobre la interpretación de patrones de divergencia molecular y polimorfismo genético , que alcanzó su punto máximo en las décadas de 1970 y 1980.
Orígenes
Mientras que algunos científicos, como Freese (1962) [2] y Freese y Yoshida (1965), [3] habían sugerido que las mutaciones neutrales probablemente estaban muy extendidas, Motoo Kimura propuso una teoría coherente de la evolución neutra en 1968, [4] y por King y Jukes de forma independiente en 1969. [5] Kimura se centró inicialmente en las diferencias entre especies, King y Jukes en las diferencias dentro de las especies.
Muchos biólogos moleculares y genetistas de poblaciones también contribuyeron al desarrollo de la teoría neutral. [1] [6] [7] Los principios de la genética de poblaciones , establecidos por JBS Haldane , RA Fisher y Sewall Wright , crearon un enfoque matemático para analizar las frecuencias genéticas que contribuyeron al desarrollo de la teoría de Kimura.
Kimura utilizó el dilema de Haldane con respecto al costo de la selección como motivación. Haldane estimó que se necesitan alrededor de 300 generaciones para que una mutación beneficiosa se fije en un linaje de mamíferos, lo que significa que el número de sustituciones (1,5 por año) en la evolución entre humanos y chimpancés era demasiado alto para ser explicado por mutaciones beneficiosas.
Restricción funcional
La teoría neutra sostiene que a medida que disminuye la restricción funcional, aumenta la probabilidad de que una mutación sea neutra, y también debería aumentar la tasa de divergencia de secuencia.
Al comparar varias proteínas , se observaron tasas de evolución extremadamente altas en proteínas como los fibrinopéptidos y la cadena C de la molécula de proinsulina , que tienen poca o ninguna funcionalidad en comparación con sus moléculas activas. Kimura y Ohta también estimaron que las cadenas alfa y beta en la superficie de una proteína de hemoglobina evolucionan a un ritmo casi diez veces más rápido que los bolsillos internos, lo que implicaría que la estructura molecular general de la hemoglobina es menos significativa que la del interior donde se encuentra el hierro. -que contienen grupos hemo residen. [8]
Existe evidencia de que las tasas de sustitución de nucleótidos son particularmente altas en la tercera posición de un codón , donde hay poca restricción funcional. [9] Este punto de vista se basa en parte en el código genético degenerado , en el que las secuencias de tres nucleótidos ( codones ) pueden diferir y, sin embargo, codificar el mismo aminoácido ( GCC y GCA codifican alanina , por ejemplo). En consecuencia, muchos cambios potenciales de un solo nucleótido son en efecto "silenciosos" o "no expresados" (ver sustitución sinónima o silenciosa ). Se presume que tales cambios tienen poco o ningún efecto biológico. [10]
Teoría cuantitativa
Kimura también desarrolló el modelo de sitios infinitos (ISM) para proporcionar información sobre las tasas evolutivas de los alelos mutantes . Sifueron a representar la tasa de mutación de gametos por generación deindividuos, cada uno con dos juegos de cromosomas , el número total de nuevos mutantes en cada generación es. Ahora deja representar la tasa de evolución en términos de un alelo mutante fijarse en una población. [11]
Según ISM, las mutaciones selectivamente neutrales aparecen a un ritmo en cada uno de los copias de un gen , y fijar con probabilidad. Porque cualquiera de los los genes tienen la capacidad de fijarse en una población, es igual a , resultando en la tasa de ecuación de tasa evolutiva:
Esto significa que si todas las mutaciones fueran neutrales, se predice que la tasa a la que se acumulan las diferencias fijas entre poblaciones divergentes será igual a la tasa de mutación por individuo, independientemente del tamaño de la población. Cuando la proporción de mutaciones que son neutrales es constante, también lo es la tasa de divergencia entre poblaciones. Esto proporciona una justificación para el reloj molecular , que es anterior a la teoría neutral. [12] El ISM también demuestra una constancia que se observa en los linajes moleculares .
Se supone que este proceso estocástico obedece a ecuaciones que describen la deriva genética aleatoria mediante accidentes de muestreo, en lugar de, por ejemplo, hacer autostop genético de un alelo neutro debido a la vinculación genética con alelos no neutros. Después de aparecer por mutación, un alelo neutral puede volverse más común dentro de la población a través de la deriva genética . Por lo general, se perderá o, en casos raros, puede volverse fijo , lo que significa que el nuevo alelo se convierte en estándar en la población.
Según la teoría neutral de la evolución molecular, la cantidad de variación genética dentro de una especie debería ser proporcional al tamaño efectivo de la población .
El debate "neutralista-seleccionista"
Surgió un acalorado debate cuando se publicó la teoría de Kimura, que giraba en gran medida en torno a los porcentajes relativos de alelos polimórficos y fijos que son "neutrales" frente a "no neutrales".
Un polimorfismo genético significa que diferentes formas de genes particulares y, por lo tanto, de las proteínas que producen, coexisten dentro de una especie. Los seleccionistas afirmaron que tales polimorfismos se mantienen equilibrando la selección , mientras que los neutralistas ven la variación de una proteína como una fase transitoria de la evolución molecular . [1] Los estudios de Richard K. Koehn y WF Eanes demostraron una correlación entre el polimorfismo y el peso molecular de sus subunidades moleculares . [13] Esto es consistente con el supuesto de la teoría neutral de que las subunidades más grandes deberían tener tasas más altas de mutación neutra. Los seleccionistas, por otro lado, contribuyen a que las condiciones ambientales sean los principales determinantes de los polimorfismos en lugar de factores estructurales y funcionales. [11]
Según la teoría neutral de la evolución molecular, la cantidad de variación genética dentro de una especie debería ser proporcional al tamaño efectivo de la población . Los niveles de diversidad genética varían mucho menos que el tamaño de la población del censo, lo que da lugar a la "paradoja de la variación". [14] Si bien los altos niveles de diversidad genética fueron uno de los argumentos originales a favor de la teoría neutral, la paradoja de la variación ha sido uno de los argumentos más fuertes en contra de la teoría neutral.
Hay una gran cantidad de métodos estadísticos para probar si la teoría neutral es una buena descripción de la evolución (p. Ej., Prueba de McDonald-Kreitman [15] ), y muchos autores afirman que se detecta la selección (Fay et al. 2002, [16] Begun et al. 2007, [17] Shapiro y otros 2007, [18] Hahn 2008, [19] Akey 2009, [20] Kern 2018 [21] ). Sin embargo, algunos investigadores han argumentado que la teoría neutral sigue en pie, al tiempo que amplían la definición de teoría neutral para incluir la selección de fondo en sitios vinculados. [22]
Teoría casi neutral
Tomoko Ohta también enfatizó la importancia de mutaciones casi neutrales , en particular mutaciones levemente perjudiciales. [23] La dinámica de la población de mutaciones casi neutrales es sólo ligeramente diferente de la de las mutaciones neutrales a menos que la magnitud absoluta del coeficiente de selección sea mayor que 1 / N, donde N es el tamaño efectivo de la población con respecto a la selección. [1] [6] [7] Por lo tanto, el valor de N puede afectar cuántas mutaciones pueden tratarse como neutrales y cuántas como nocivas.
Ver también
- Evolución adaptativa en el genoma humano
- Teoría coalescente
- Masatoshi Nei
- Evolución molecular
- Tomoko Ohta
- Teoría neutral unificada de la biodiversidad
Referencias
- ↑ a b c d Kimura, Motoo (1983). La teoría neutra de la evolución molecular . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-31793-1.
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enlaces externos
- Conceptos erróneos sobre la selección natural y la adaptación: la teoría neutral en http://evolution.berkeley.edu .