VARIABILIDAD, LAS CAUSAS DE LA EVOLUCIÓN BIOLÓGICA

por Biól. Jorge Fernando Martínez Nieto

¿Puede existir información nueva en un genoma, que genere evolución adaptativa y por lo tanto especiación, en vez de muerte del organismo y posible extinción de la población? 

Veamos:

Para que la selección natural actúe, es imprescindible la variabilidad genética; las poblaciones tienen en general, un alto grado de heterocigosis. Una de las principales fuentes de variabilidad, son las mutaciones genéticas que dan lugar a cambios heredables en las secuencias de nucleótidos. Las variantes alélicas que se originan dentro de una población por mutaciones y que se recombinan en la meiosis, dan lugar a fenotipos que son la base de la microevolución adaptativa. Pero como bien sabemos no son las únicas. http://bioinformatica.uab.cat/…/Una%20pieza%20clave%20en%20…

La Evolución, además de cambios provocados en la estructura de los genes por mutación, implica cambios en la cantidad y en la organización de éstos. Los incrementos o decrementos evolutivos del material hereditario se producen sobre todo mediante duplicaciones o delecciones de segmentos del ADN. Sin olvidar transposones, retrotransposones, conjugaciones, transducciones, procesos de endosimbiosis, infecciones viridicas, mutaciones, etc... 

La secuencia de aminoácidos del Citocromo c, por ejemplo. Ha sido determinada para diversos organismos, que van desde bacterias y levaduras, hasta insectos y humanos. Como la sustitución de un amioácido, puede poner la sustitución de uno, dos o tres nucleótidos en el codón correspondiente del ADN, puede calcularse el número máximo y mínimo de cambios de nucléotidos que dieron lugar a las sustituciones de aminoácidos observadas. https://www.uv.mx/personal/tcarmona/…/2010/08/Ayala-1978.pdf

Pero ¿Qué son los transposones y los retrotransposones? La doctora Bárbara McClintock demostró experimentalmente la recombinación meiótica, y al observar patrones de herencia no comunes en el maíz, propusó en 1940, para su explicación, la hipótesis de los genes que cambian de posición en el genoma. 

De hecho Lynn Margulis, se apoyó en esto, para explicar y dar a entender.,el proceso denominado Endosimbiosis. El cual, justo se da bajo una transferencia horizontal de información genética. Esto se puede ver claramente, no solo en Cloroplastos y Mitocondrias, sino en organismos vivos como los molusco. Elysia chlorotica es un molusco, el cual rapta Cloroplastos de algas a las cuales fagocita, pero además agrega a su código genético, ADN proveniente de las algas a las que engullé, facilitando el rapto de los cloroplastos y que estos sigan funcionando, sin necesidad del alga. https://www.pnas.org/content/105/46/17867.abstract?fbclid=IwAR1C_svz97EsLzerOMUijPNXWn6pHOis2DM-VrvkFp-XbmOoPXw7nEjZprI

En la década de los años 1970, las investigaciones demostraron la transposición de segmentos de ADN y sus implicaciones inmediatas en la inactivación de genes y/o el cambio de funciones. Ese mismo año, Howard M. Tenim y David Baltimore descubren en virus de ARN, la enzima que puede fabricar ADN de cadena doble a partir de un ARN monocatenario y que le permite insertarse en el genoma, a esto se le llamó retrotranscriptasa y a los virus se les llamó retrovirus. 

Este fenómeno biológico, no es exclusivo de los retrovirus; actualmente se sabe que hay retrotranscripción en virus de ADN como el de la hepatitis B, en levaduras, insectos y mamíferos, no infectados por retrovirus. 

El análisis genético secuencial del ADN de retrovirus, poseen en sus extremos secuencias idénticas que comprenden cientos de nucleótidos; estas regiones constituyen grandes repeticiones terminales (LTR) que son invertidas, si se comparan la región 5’ con la región 3¨. Bien es sabido, que estos cambios son significativos a la hora de transcribir dichas secciones, mas si las mismas obtiene mutaciones. Dado a que la información y la función obtenida, será distinta a la de origen.

Los elementos genéticos transponibles, tienen secuencias semejantes a los LTR. Esta semejanza entre retrovirus y elementos genéticos transponibles, vislumbró la hipótesis de que la retrotranscripción, es el mecanismo, por medio del cual los fragmentos génicos cambian de posición, como efectivamente se demostró (Retrotranscripción).

Por ejemplo: 

Las ISY se identificaron como transposones y retrotransposones. Se ha trabajado con el gen Lcp4, para investigar sobre las consecuencias de inserción de ADN y el proceso de heterocromatización en la regulación y expresión de genes. La distribución del elemento TRIM y el aumento del número de secuencias idénticas a ISY3 dispersas en el cromosoma “Y”, constituyen una importante prueba, de la intervención de esos elementos móviles, en el proceso biológico natural, que destruyó la información genética del cromosoma “Y”. Teóricamente, se consideran que los elementos transponibles, se acumulan en regiones de baja recombinación.

Otro ejemplo: 

Se han encontrado repeticiones de 1.1 Kb de tipo BamH1 en cromosomas “Y”, que son más abundantes en éste, que en el X, y menos abundantes en otros cromosomas, y son 6 veces más frecuentes en el genoma del macho comparado con el de la hembra. Estas repeticiones de tipo BamH1 también hibridizan con otras secuencias de 0.2 – 1.8 Kb de otras especies, que también son más abundantes en el genoma del macho. https://www.redalyc.org/service/redalyc/downloadPdf/817/81722209/1

Se ha demostrado con D. melanogaster, donde genoma no propio, fue transmitido por el ácaro Proctolaelaps regalis. Se ha demostrado que la actividad de transposición puede realizarse entre especies, esto mata el postulado que el transposon, son parte del mismo genoma que se moviliza, no por ser incorrecto, sino por ser miope, al omitir el cambio interespecifico.

En estudios de biología marina, se creía que el ambiente de mar profundo era extremadamente estable, se llegó a pensar, que en esos lugares debían encontrarse casi exclusivamente formas ancestrales, ya que la constancia del ambiente, supuestamente imponía un ajuste genético que debía expresarse con muy poca variabilidad genética. Como consecuencia de lo anterior, las tasas de especiación, debían ser más lentas y por lo tanto los niveles de diversidad debían ser también bajos. Pero se ha visto que los alelos con un rango estrecho de funcionamiento, serían los favorecidos, permitiendo así una sintonía fina con el ambiente, teniendo individuos adaptados a cada microhábitat. Siendo de ese modo, la especie o la población, la que presenta una acumulación de varios alelos de rango estrecho y caracterizado por una alta heterocigosidad.

Alternativamente, para aquellas especies consideradas generalistas, la selección favorecería a aquellos individuos capaces de sobrevivir sobre un rango muy amplio de condiciones, que sólo alelos flexibles podrían permitir, lo que llevaría a bajos niveles de variabilidad genética caracterizada por una baja heterocigosidad.

Pero existen algunos resultados que contradicen esto, donde siendo especies estrechamente emparentadas y que habitan el mismo ambiente, presentan niveles de variabilidad genética diferentes, incluso con niveles muy bajos de variabilidad.

Las posibilidades son dos para esto: a) el fenotipo que se presenta, no es nada más que la expresión plesiomórfica b) Convergencia. Uniendo la información de baja variabilidad encontrada en especies que explotan distintos microambientes y la semejanza en la expresión de los patrones electroforéticos. Esto ocurre incluso entre especies que pertenecen a familias distintas, lo que nos lleva a afirmar, que no sería la variable ambiental el factor que operaría con mayor fuerza, en la determinación de la variabilidad genética, sino que cada grupo estaría condicionado en sus potenciales de variación por las limitantes filogenéticas propias del linaje al que pertenece. https://www.researchgate.net/…/Genetic-variability-in-demer…

Por otro lado, genomas que comparten más del 90% de sus secuencias, como es el Homo sapiens y el Pan troglodita, presenten fenotipos muy diferentes. Los avances en biología y genética molecular, han demostrado que existe otra fuente de variación llamada epigenética. Siendo esta el estudio de cambios heredables en la expresión y función génica, que no pueden ser explicados por cambios en la secuencia de ADN (Intrones)

La variación heredable, no necesariamente se basa en cambios de secuencias, sino cambios en la expresión génica de los mismos; en total ausencia de variabilidad genética, mostrando fenotipos diferentes, desde un mismo genotipo, provocado por estrés proveniente del ambiente. Algunos de estos mecanismos puede ser: metilación de citocinas, modificación de histonas (acetilación y metilación) y micro y pequeños ARNs de interferencia.

Por ejemplo en Plantas, la metilación en la posición 5 ́ del anillo de citosina (5mC), es el mecanismo más común de variación. Su distribución en el genoma no es al azar y varía dependiendo del tejido y el estado de desarrollo de la planta.

Las enzimas ADNmetiltransferasas catalizan la formación de 5mC por transferencia del grupo metilo, de la S-adenosil metionina a las citosinas del ADN.

En Arabidopsis thaliana, las enzimas cromometilasa 3 (CMT3) y metiltransferasa 1 (MET1), son las responsables de metilar los sitios CNG trinúcleotidos y CG dinúcleotidos, respectivamente. Tanto CMT3 como MET1 se encargan de mantener los patrones de metilación, luego de la replicación del ADN, reconociendo cadenas hemimetiladas (5mCG/CG ó 5mCNG/CNG) e incorporando grupos metilo en las citosinas no metiladas. De esta manera, los patrones de metilación se heredan tanto mitótica como meióticamente.

La metilación del ADN está directamente relacionada con el silenciamiento génico, las regiones del ADN altamente metiladas, en general se encuentran silenciadas. Pero se ha demostró que anulando los genes CMT3 y MET1 se desmetila el genoma, activándose elementos transponibles y genes que se encontraban silenciados. Por lo que cualquier cambio en dichos genes, que involucren su inactivación o baja de expresividad, provocarán un aumento probabilistico de la disponibilidad de transposones (códigos saltarines en el genoma) y con ello, factores de cambio en las funciones de codigo, con posibles alteraciones, que pueden expresarse de diversas maneras en el organismo y las posibles generaciones, dando un factor de cambio, que podra ser seleccionado, positivamente, neutralmente o negativamente, provocando la evolución de la población vegetal.

Estos estudios mostraron que la pérdida de metilación produce cambios morfológicos en hojas y flores, así como en el tiempo de floración. Los cambios en la metilación del ADN, afectan la estructura de la cromatina y viceversa. La 5mC sirve como una guía, para el establecimiento y el mantenimiento de otros códigos epigenéticos, como son: las modificaciones postraduccionales de las proteínas histónicas que empaquetan el ADN en los nucleosomas.

Finalmente, la conexión entre la metilación del ADN y la estructura de la cromatina , se ve reforzada por el hecho de que la mutación en la proteína remodeladora de la cromatina DDM1 (Decreased DNA Methylation 1), provoca una marcada reducción en la metilación del ADN.

La interferencia asociada a ARN (iARN), es un proceso de silenciamiento postranscripcional de genes, muy conservado evolutivamente. Por lo que un ARN induce la degradación secuencia-específica de secuencias de ARNm  exógenos o la represión, de la traducción de ARN endógenos, codificados en el genoma.

Estudios recientes demuestran que ARNs pequeños, generados por la maquinaria del ARN de interferencia, pueden dirigir la metilación de citosinas y la modificación de histonas asociadas con la quiescencia (estaticidad) transcripcional de regiones genómicas particulares

Por otro lado, si bien la actividad de silenciamiento génico postranscripcional mediada por miARNs no puede considerarse de naturaleza epigenética, por no ejercer efectos de silenciamiento a largo plazo y porque no se ha podido determinar su herencia a través de las divisiones celulares, su expresión diferencial tiene efectos fenotípicos sin alterar la secuencia lineal de nucleótidos.

Las interacciones entre las vías moleculares descriptas, establecen diferentes estados epigenéticos sobre secuencias idénticas de ADN, alteran la afinidad de unión de proteínas que miden la activación transcripcional. De esta forma, las modificaciones epigenéticas a nivel del ADN y de los nucleosomas , afectan indiscutiblemente la expresión génica y, en definitiva, el fenotipo.

Diversos estudios sobre mutantes naturales en plantas, como ha sido en tomate (Solanum lycopersicum), maíz (Zea mays) y A. thaliana, han demostrado que los fenotipos observados, tienen bases epigenéticas. Al comparar secuencias de alelos salvajes y mutantes, se comprobó, que eran idénticas, sin embargo el número y distribución de los grupos metilo en dichas secuencias, variaban y explicaban los diferentes fenotipos observados; a estas mutaciones se las llama “epimutaciones” y a las variantes alélicas “epialelos”.

En plantas, a diferencia de lo que sucede en los animales, en quines, durante la gametogénesis se borran los patrones parentales de metilación y se establecen nuevos patrones; los patrones en plantas, se transmiten en forma estable de generación en generación y por lo tanto, los epialelos son tanto meiótica como mitóticamente estables.  http://ppct.caicyt.gov.ar/index.p…/…/article/download/53/913

La hibridación por su lado, induce una serie de cambios tanto genéticos como epigenéticos en el genoma, estando algunos de estos mediados por elementos transponibles. Estos cambios, resultan en la generación de epialelos que son metaestables (eventualmente reversibles) y potencialmente influenciados por el ambiente; es innegable que este tipo de variación epigenética heredable tiene implicancias relevantes en la evolución de las poblaciones naturales.

Las novedades fenotípicas generadas como: a) cambios en el tiempo de floración, b) alteraciones en las estructuras florales (simetría de la flor, color de la flor, aberraciones florales, etc), c) disminución en la fertilidad de polen, conducirían a un aislamiento reproductivo de los híbridos en relación a las especies progenitoras; si la planta híbrida, poseyera cierta fertilidad, podrían establecerse como una nueva especie.

El estudio de fósiles, ha relacionado los transposones con un patrón de “evolución a saltos” (Ver Teoría del Equilibrio puntuado) y los elementos genéticos móviles, producen macromutaciones con cambios fenotípicos repentinos e importantes, en menos tiempo que la mutación simple que estamos acostumbrados a pensar.

En muchas especies, incluyendo el hombre, se han hallado miles de copias de genes retrovíricos que se llaman “provirus endógenos”; la mayoría están asociados con la actividad de retrotranscriptasa, y una minoría pueden producir partículas víricas infecciosas. ¡Exacto! los virus son otra forma de agregación de cambio al material genético. Agregando y formando, nueva información, que puede dar origen a nuevos cambios fenotipicos visibles y heredables.

Por lo tanto, el transposón, que son secuencias que se puede mover a diferentes partes del genoma, puede modifica el ADN de sus inmediaciones, ya sea arrastrando genes codificadores del cromosoma, rompiéndolos o provocar cambios reginales.

La función de los microRNA, cuando el apareamiento es imperfecto, se efectúa en el ARNm, reprimiendo su traducción mediante tres mecanismos probables: 1) represión postranscripcional, 2) reprisión al inicio de la traducción y 3) por desestabilización del ARNm blanco, a través de un proceso de desadenilación. En los tres mecanismos, los ARNm blancos, son secuestrados para almacenamiento o degradación, para que bajo condiciones de estrés los ARNm almacenados, se liberen y se traduzcan. Ayudando al transposon.

El cromosoma, es heredado verticalmente por los descendientes, mientras los elementos genéticos extracromosomales pueden ser transferidos tanto vertical como horizontalmente.

Las mutaciones cromosomales pueden ocurrir en la secuencia de nucleótidos de genes estructurales, por ejemplo: las transcriptasa y rifampicina, topoisomerasa tipo II y quinolonas, proteína ribosomal S12 y estreptomicina. Todasestas dan resistencia bacteriana, la cual es modulada por la presencia ambiental del antibiótico.

Mutaciones en los promotores o módulos de regulación (sistemas de regulación de dos componentes) son conocidas como mutaciones cuantitativas. Aquí nos metemos más en el mundo de EvoDevo. Además, los antibióticos generan presión selectiva para mantener bacterias resistentes e inducir transferencia horizontal de genes de resistencia entre bacterias. Tal como se documento arriba en el caso de plantas y peces.

La evolución de bacterias sensibles o resistentes, se da básicamente por la aparición de microorganismos resistentes o a la diseminación de genes de resistencia, aunque la aparición de microorganismos resistentes puede estar influenciada por la diseminación de genes de resistencia. Por tanto, el surgimiento de microorganismos resistentes, es un aspecto particular de la evolución bacteriana y se han identificado tres niveles de diseminación de resistencia según el vector: bacterias (diseminación clonal), plásmidos (transferencia replicativa) o genes (transposición replicativa).

Se ha documentó diseminación clonal en 12 de 13 aislamientos de Enterococcus faecalis, con mutaciones en los genes gyrA y ParC que confieren resistencia a quinolonas basándonos en el análisis de relaciones genéticas entre aislamientos, que indica un porcentaje mayor a 97%, que se consideró indicativo de clonalidad. Es decir un clon resistente al dividirse, probablemente diseminó la resistencia a quinolonas detectada, que se atribuye al uso de estos antibióticos en el agua.

Finalmente, se encontró evidencia de transposición replicativa de los genes de resistencia a aminoglicósidos strA, strB y aph(3')-Ic en dos cepas de E. coli

Ademas la mayoría de los ETs de eucariotas, pertenecen a retrotransposones. Son elementos que se transponen a través de un ARN intermediario. Y esto se han encontrado en todos los genomas de eucariotas analizados, desde levaduras hasta hongos, plantas, nematodos, insectos, peces, y humanos. Por ejemplo, elementos Cerl del nematodo Caenorhabditis elegans y gypsy de D. melanogaster, llevan además una tercera ORF, que codifica para una proteína homologa a la proteína Env de retrovirus. Estos elementos son pues estructuralmente idénticos a retrovirus. Es decir, existen los códigos en dichas epimutaciones, idénticos a los códigos de dichos retrovirus.

Se ha demostrado que el alargamiento de los telómeros en Drosophila, se produce por transposición de elementos HeT-A y TART en los extremos cromosómicos, produciéndose un alargamiento de los mismos.

Todo lo anterior es un importante indicativo, de que tan importante suelen ser, no solo las mutaciones, sino todos los distintos mecanismos de alteración, cambio, agregación, eliminación, activación, sobreexpresión y silenciamiento, en el genoma de los seres vivos. El cual a de preducir diversas expresiones fenotipicas y que pueden ser heredable, cambiando la conformación original de la población en la que se encuentran y dispersan dichos cambios, y que estaran sujetos a selección, generando ya sea adaptación, exaptación o extinción, y que en conjunto, estas darán y son parte, del desarrollo del proceso evolutivo.

Ya por ultimo y alejandonos un poco del tema central, pero sin olvidar, como dichas divergencias, pueden servir para rastrear los cambios en el tiempo, lo cual, junto al registro fósil, son vitales para entender la filogénia de los seres vivos y crear el "arbol de la vida". Esto es, la calibración del reloj molecular.

Esto se basa en la fecha aproximada cuando dos linajes genéticos divergieron, fecha que idealmente debería obtenerse de información independiente de lo molecular, por ejemplo: del registro fósil o de un evento geológico conocido. Posteriormente se ha de calcula el valor de divergencia (de las secuencias), que han habido desde esa fecha, ello al dividir la cantidad de divergencia que ha ocurrido durante ese tiempo y entre el tiempo estimado ocurrido, desde que divergieron, con lo que se obtiene una estimación de la tasa a la que ha ocurrido la evolución molecular.

Por ejemplo: si se tienen dos secuencias de 500 pares de bases (pb), las cuales difieren en 20 pb y se conoce un evento geológico que sucedió hace 1 millón de años, se tiene que la cantidad de divergencia media a de estar en 20/500 = 0,04 = ( 4 %). Dado que normalmente se expresa en términos de porcentaje de divergencia por millón de años, en este ejemplo, la calibración del reloj molecular sería de 4 % de divergencia por cada millón de años.

Tomando en cuenta que los diferentes haplotipos, dentro de una población, registran la historia matrilineal de eventos mutacionales, la filogeografía ha podido emplear estimaciones del reloj molecular, ya sea de ADN mitocondríal o de marcadores nucleares. Las líneas matrilineales semejantes a un 'pedigree' muestran cómo, partiendo de información del presente (haplotipos diferentes), es posible trabajar hacia atrás en el tiempo (n número de generaciones) para reconstruir la historia de linajes genéticos (n número de individuos). Es importante enfatizar que las preguntas que pueden analizarse bajo un enfoque filogeográfico, son increíblemente variadas, desde la evaluación básica de si las poblaciones de una especie tienen un patrón filogeográfico definido, es decir, poblaciones diferenciadas a lo largo de su distribución geográfica y cuya estructuración responde a procesos históricos y demográficos reconocibles, como por ejemplo vicarianza o aislamiento por distancia. https://scielo.conicyt.cl/scielo.php…