6. evol teoria neutralista de la evolucion agosto 2011
TRANSCRIPT
TEORIA NEUTRALISTA DE LA
EVOLUCIÓN MOLECULAR
CURSO EVOLUCIÓN
Eugenio Andrade
2011
W K
Motoo Kimura 木村 資生,
(1924 – 1994)
La gran mayoría de cambios evolutivos a
nivel molecular son originados
neutralmente al azar y fijados por deriva
génica sin ser sometidos a selección
natural.
Al comparar los genomas de especies existentes:
– La gran mayoría de diferencias moleculares son “selectivamente neutrales”
– Los cambios moleculares que estas representan no influyen en el fitness del individuo No hay cambios en el fenotipo
– Se puede decir que estas caracteristicas genéticas no estan sujetas a selección natural.
Kimura …
• La mayoría de las mutaciones a nivel molecular no son
perjudiciales ni beneficiosas para el organismo, sino
simplemente indiferentes desde el punto de vista de la
selección natural.
• En cada gen hay varios mutantes (alelos) que son
adaptativamente equivalentes, así que no están sujetos a
selección natural entre sí.
• Cuál de ellos incrementará su frecuencia y cuál no es una
cuestión puramente aleatoria simple deriva génica.
Base de la Teoría Neutral
• El código genético es degenerado
Más de un codón
codifica el mismo
aminoacido
Sustituciones
Sinónimas o
Silenciosas
No tienen efecto
biológico significativo
Mutaciones no sinónimas
Mutaciones neutras
El código es redundante. Mutaciones
sinónimas predominan sobre las no
sinónimas.
Reloj Molecular
Si la mayoría de las sustituciones genéticas son neutras, es de esperarse que:
• La tasa de sustituciones sea más o menos constante para cualquier locus determinado.
• La época en la que vivió el antecesor común de cualquier pareja de especies se pueda calcular a partir del número de diferencias en aminoácidos entre proteínas homologas a ambas especies.
El reloj molecular
La tasa de evolución molecular puede calcularse comparando el número de
diferencias aminoacídicas o nucleotídicas entre dos especies que derivan
hace x tiempo de un antecesor común.
• Para humanos y ratones hace 80 millones de años tuvieron un
antecesor común. Si en una proteína de 100 aminoácidos se
observan 16 posiciones ocupadas por aminoácidos distintos en las
dos especies se deduce que es la tasa de cambio aminoacídico es:
16/100 x 160 x 10-6 = 1 x 10-9 pos/año.
• Haldane: El límite máximo de cambio en el caso de selección natural
sería del orden de un cambio cada 300 generaciones.
• Kimura: la tasa de cambio en proteínas es 100 veces más rápida
que la propuesta por Haldane. no depende de selección natural sino
de deriva. El límite máximo en la evolución molecular viene
determinada por la tasa de mutación neutra (m).
Postulados de la teoría neutral de
la evolución molecular
1. Para una macromolécula informacional la tasa
de sustitución de amino ácidos o nucleótidos
es constante por año, por sitio para diferentes
linajes.
2. Regiones de moléculas con poca restricción
funcional tienen una tasa de evolución alta.
Postulados de la teoría neutral de
la evolución molecular
3. Las sustituciones de nucleótidos o aminoácidos que afectan la función de una molécula ocurren con menos frecuencia que las sustituciones que conservan la función. Macromoléculas con alta restricción funcional presentan bajas tasas de evolución.
4. Las innovaciones se producen por duplicación génica, de modo que cuando muta un gen, el otro queda igual, haciéndolo “invisible” para la selección natural al evitar su eliminación cuando la función se ha alterado.
Teoría neutralista de la evolución
• No existe el paisaje adaptativo, puesto
que sería completamente plano, y por
tanto, a partir del conocimiento de la
composición genética de una población,
es imposible predecir su composición en
la siguiente generación, incluso en
situaciones en que el medio ambiente
permanece estable.
Duplicación génica
Gene Duplication
The duplicate gene can then
evolve to perform a different
function. This is why a
tetrodotoxin is found in the
pufferfish, blue-ringed octopus,
california newt, and birds in
New Guinea.
Neutralismo y selección La tasa de cambio a nivel
molecular
NO coincide con tasa de cambio
del fenotipo.
El record conocido lo tiene el
Tuatara (un lagarto malgache)...
Su fenotipo no ha cambiado en 200
millones de años!
“… But that there should be statistical laws with definite solutions, i.e.
laws that compel God to throw dice in each individual case, I find
highly disagreeable”.
Deriva Génica
La mayoría de los cambios o variaciones
evolutivas son producto de la acción de la
deriva génica sobre alelos neutros.
Sustituciones neutrales crean nuevos alelos
neutrales.
• Un nuevo alelo (variante de un gen) se origina por la mutación espontánea de un solo nucleótido dentro de la secuencia de un gen.
• Org. asexuales inmediatamente se origina nuevo alelo en la población. Org. sexuales mutación se debe dar en células sexuales para que éste pueda representar un nuevo alelo para la población.
• La deriva génica puede hacer que este nuevo alelo se pierda o llegue a “fijarse” en la población con el tiempo. De esta manera las sustituciones neutrales tienden a acumularse y los genomas evolucionan.
Deriva genética
Deriva genética
Simulations of genetic
drift for 20 alleles with
initial frequency 0.5,
for populations of size
N=10 and 100,
respectively. In
general, alleles drift to
fixation (frequency of
0 or 1) significantly
faster in smaller
populations.
Teoría Neutral
• Especie diploide = 2N alelos, la probabilidad de que se
fije es 1/2N.
• Tasa de mutación por generación es u, entonces 2Nu
representa el número de nuevos mutantes introducidos
en cada población de cada generación.
• La tasa de nuevas mutaciones fijadas en las
poblaciones debe ser igual a (2Nu)(1/2N), el cual es
igual a u.
• Por lo tanto, tasa de cambio debe de ser constante en
el tiempo e independiente del tamaño de población y
del tiempo.
Selección
positiva
k= 4Nsv
t muy corto
Neutra Balance
Deriva-Mutación
k= 2Nv/2N = v la tasa de evolución debe
de ser igual a la tasa de
mutación
k=v!!!!
t= 4Ne
Motoo Kimura (1924-1994): Teoría neutral
Teoría neutralista de la evolución
molecular
• Para Kimura no existe el paisaje
adaptativo, puesto que sería
completamente plano, y por tanto, a partir
del conocimiento de la composición
genética de una población, es imposible
predecir su composición en la siguiente
generación, incluso en situaciones en que
el medio ambiente permanece estable.
Teoría Cuasi - Neutral
Tomoko Ohta 太田 朋子 (1973).
Problemas de la teoría neutral:
• ¿La Selección Natural es o no es capaz de distinguir entre las
mutaciones neutrales de las selectivas?
• ¿El reloj molecular es dependiente del tiempo cronológico o
del número de generaciones?
• ¿El rango de heterozigocidad debe depender del tamaño de la
población y de la tasa de mutación?
La existencia de mutaciones ligeramente deletéreas o cuasi-
neutras.
Algunas mutaciones neutrales son
silenciosas
• Una mutación silenciosa es aquella que se da
en el codon que codifica para un aa: puede
mutar un nucleótido en el triplete codante y
seguir codificando el mismo aa,
consecuentemente no altera la proteína
(estructura o función).
Mutaciones Silenciosas no
Neutrales
• Mutación silenciosa que sin
producir cambios en el aa
codificado por un codon, se ve
afectadas por las Fuerzas de
Selección.
Mutación
(Codon)
Cambio en el
Fenotipo
No hay cambio
en el Fenotipo
Cambio de aa:
No Silenciosa
No hay cambio
de aa: Silenciosa
Actúan Fuerzas
de Selección:
No Neutral
Fuerzas de
Selección no las
ven: Neutral
Actúan Fuerzas
de Selección:
No Neutral
Cantidad de tRNAs, Varía
la tasa de síntesis proteíca
En regiones
codantes
En regiones
no codantes
Mutación
Neutrales
Teoría cuasi-neutral
Neutrales Silenciosas No silenciosa
No favorecen Codon Actúa la selección
No desfavorece No varía el aminoácido
Cantidad y disponibilidad
de tRNAs.
No hay cambio fenotípico
Hay cambio fenotípico
Neutralidad vs sesgo codónico
“Las variaciones que no son útiles ni perjudiciales
no serían afectadas por la Selección Natural, y
quedarían abandonadas ya a un elemento
fluctuante, como vemos quizá en ciertas especies
polimorfas o bien llegándose a fijar finalmente, a
causa de la naturaleza del organismo y de la
naturaleza de las condiciones del medio ambiente.”
C. Darwin. El Origen de las
Especies Capítulo IV
“Pero si alguna vez ocurren variaciones útiles a cualquier ser orgánico, los individuos así caracterizados tendrán seguramente las mejores probabilidades de conservarse en la lucha por la vida, y, por el poderoso principio de la herencia, éstos tenderán a producir descendiencia con caracteres semejantes. A este principio de conservación o supervivencia de los más aptos, lo he llamado Selección Natural.”
C. Darwin. El Origen de las Especies Capítulo IV