Reloxo molecular

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.

O reloxo molecular é unha técnica que usa a taxa de mutación das biomoléculas para deducir o tempo no pasado xeolóxico no que dúas ou máis formas de vida diverxiron. Os datos moleculares usados para tales cálculos son xeralmente secuencias de nucleótidos para o ADN ou secuencias de aminoácidos para as proteínas. O punto de referencia para determinar a taxa de mutación é o rexistro fósil ou datos arqueolóxicos. O reloxo molecular foi comprobado primeiro en 1962 en variantes da proteína hemoglobina de varios animais, e é usado frecuentemente en evolución molecular para estimar os tempos de especiación ou radiación evolutiva. Ás veces se lle chama reloxo xénico ou reloxo evolutivo. O uso dos reloxos moleculares ten as súas limitacións e a súa precisión para un uso xeral foi cuestionada.

Descubrimento inicial e equidistancia xenética[editar | editar a fonte]

A noción da existencia dun "reloxo molecular" atribúese a Emile Zuckerkandl e Linus Pauling que, en 1962, s decataron de que a cantidade de diferenzas en aminoácidos na hemoglobina entre diferentes liñaxes cambiaba aproximadamente de forma linear co tempo, como se estimaba polas evidencias fósiles.[1] Xeneralizaron esta observación para afirmar que o grao de cambio evolutivo de cada proteína especificada era aproximadamente constante co tempo e nas diferentes liñaxes de seres vivos (baseándose na hipótese do reloxo molecular).

O fenómeno da equidistancia xenética foi detectado primeiro en 1963 por Emanuel Margoliash, quen escribiu: "Parece que a cantidade de diferenzas en residuos entre o citocromo c de dúas especies calquera está maiormente condicionado polo tempo que pasou desde que as liñas da evolución que levan a esas dúas especies diverxiron orixinalmente. Se isto é correcto, o citocromo c de todos os mamíferos debería ser igualmente diferente do citocromo c de todas as aves. Como os peixes diverxiron do tronco principal da evolución dos vertebrados antes que as aves ou mamíferos, os citocromos c de mamíferos e aves deberían ser igual de diferentes do citocromo c dos peixes. De xeito similar, todos os citocromos c de vertebrados deberían ser igual de diferentes da proteína dos lévedos."[2] Por exemplo, a diferenza entre o citocromo c dunha carpa e unha ra, tartaruga, galiña, coello, e cabalo é de forma moi constante do 13% ao 14%. Similarmente, a diferenza entre o citocromo c dunha bacteria e un lévedo, trigo, avelaíña, atún, pomba, e cabalo vai do 64% ao 69%. Xunto co traballo de Emile Zuckerkandl e Linus Pauling, o resultado da equidistancia xenética levou directamente á proposta formal da hipótese do reloxo molecular a inicios da década de 1960.[3] A equidistancia xenética utilizouse con frecuencia para inferir un tempo igual de separación de diferentes especies irmás dun grupo externo (outgroup).[4][5]

Posteriomente Allan Wilson e Vincent Sarich desenvolveron estes traballos.

Relacións coa teoría neutralista[editar | editar a fonte]

A observación dunha taxa de cambio molecular similar a un reloxo era orixinalmente puramente fenomenolóxica. Posteriormente, os traballos de Motoo Kimura[6] servíronlle para desenvolver a teoría neutralista da evolución molecular, na cal se predicía a existencia dun reloxo molecular. Condsideremos que hai N individuos, e para facer os cálculos máis simples, eses individuos son haploides (é dicir, teñen unha copia de cada xene). Consideremos que a taxa de mutacións neutras (é dicir, mutacións sen efecto na fitness) nun novo individuo é . A probabilidade de que esta nova mutación quede fixada nunha poboación é entón 1/N, xa que cada copia dun xene é igual que calquera outra. En cada xeración, cada individuo pode ter novas mutacións, así que hai N novas mutacións neutras na poboación no seu conxunto. Iso significa que en cada xeración quedarán fixadas novas mutacións neutras. Se a maioría dos cambios observados durante a evolución molecular son neutros, entón as fixacións nunha poboación hanse acumular ao ritmo dun reloxo que é igual á taxa de mutacións neutras nun individuo.

Calibración[editar | editar a fonte]

Por si só o reloxo molecular só pode dicir que un período temporal é o dobre de longo que outro, por exemplo, pero non pode asignar datas concretas. Para conseguir isto, o reloxo molecular debe primeiro ser calibrado con respecto a evidencias independentes sobre as datacións, como pode ser o rexistro fósil.[7] Para a filoxenia viral e os estudos de ADN antigo, que son dúas áreas da bioloxía evolutiva nas que é posible tomar mostras de secuencias a escala temporal evolutiva, poden utilizarse as datas das mostras intermedias para calibrar con máis precisión o reloxo molecular.

Reloxos moleculares non constantes[editar | editar a fonte]

Ás veces só se pode estimar un só dato de diverxencia dos fósiles, e todos os outros datos se deducen dese. Mais doutros conxuntos de especies disponse dunha gran abundancia de fósiles, o que permite que se poida comprobar a hipótese do reloxo molecular das taxas de diverxencia constantes. Nun estudo deste tipo, as secuencias de ADN que experimentan baixos niveis de selección negativa mostraron taxas de diverxencia de 0,7 a 0,8% por millón de anos en bacterias, mamíferos, invertebrados, e plantas.[8] No mesmo estudo, as rexións xenómicas que experimentan unha selección purificante ou negativa moi alta (codificando ARNr) eran considerablemente máis lentas (do 1% por 50 millóns de anos).

Ademais desa variación na taxa dependendo da posición xenómica, xa desde inicios da década de 1990, a variación entre taxons demostrou ser tamén un fértil campo de investigación,[9] mesmo en períodos comparativamente curtos do tempo evolutivo (por exemplo en paxaros mímidos[10]). As avesmariñas con tubo nasal teñen reloxos moleculares que como media corren á metade da velocidade que en moitas outras aves,[11] posiblemente debido aos longos tempos de xeración, e moitas tartarugas teñen un reloxo molecular que corre a 1/8 da velocidade á que o fai en pequenos mamíferos ou aínda a menos.[12] Os efectos do tamaño pequeno de poboación tamén é probable que confundan as análises de reloxo molecular.

Investigadores como Francisco Ayala criticaron de forma fundamental a hipótese do reloxo molecular.[13][14] De acordo cun estudo de Ayala de 1999, combínanse cinco factores que limitan a aplicación dos modelos de reloxo molecular, que son:

  • Tempos de xeración cambiantes (se a taxa de novas mutacións depende polo menos parcialmente do número de xeracións en vez de do número de anos).
  • Tamaño da poboación (a deriva xenética é máis forte en pequenas poboacións, e así as mutcións son efectivamente neutras).
  • Diferenzas específicas de especie (debidas a diferentes metabolismo, ecoloxía, historia evolutiva...).
  • Cambios en función da proteína estudada (poden evitarse en especies estreitamente relacionadas ao utilizar secuencias de ADN non codificante ou enfatizando mutacións silenciosas).
  • Cambios na intensidade da selección natural.
Phylogram showing three groups, one of which has strikingly longer branches than the two others
Os bambús leñosos (tribos Arundinarieae e Bambuseae) teñen grandes tempos de xeración e menores taxas de mutación, como expresan os curtos brazos da árbore filoxenética, que os bambús herbáceos de rápida evolución (Olyreae).

Os investigadores que utilizan reloxos moleculares desenvolveron solucións alternativas utilizando varias estratexias estatísticas como técnicas de máxima probabilidade e despois modelizacións bayesianas. En particular, propuxéronse modelos que teñen en conta a taxa de variación entre liñaxes para obter estimacións dos tempos de diverxencia. Estes modelos denomínanse reloxos moleculares relaxados[15] porque representan unha posición intermedia entre a hipótese do reloxo molecular "estrita" e o modelo de moitas taxas de Joseph Felsenstein,[16] e fanse posibles por medio de técnicas de MCMC que exploran un rango ponderado de topoloxías de árbore e simultaneamente estiman os parámetros do modelo de substitución elixido. Debe lembrarse que os datos de diverxencia inferidos usando un reloxo molecular están baseados en inferencia estatística e non en evidencia directa.

O reloxo mulecular atopa especiais retos cando se aplica a escalas de tempo moi curtas ou moi longas. A escalas de tempo longas, o problema é a saturación. Cando pasa o suficiente tempo, moitos sitios xenéticos sufriron máis dun cambio, pero é imposible detectar máis dun. Isto significa que o número de cambios observados xa non é linear co tempo, senón que se aplana.

A escalas moi curtas detempo, que haxa moitas diferenzas entre mostras non representa a fixación de diferentes secuencias nas distintas poboacións. Ao contrario, representan alelos alternativos que estaban ambos presentes como parte dun polimorfismo no antepasado común. A inclusión de diferenzas que aínda non chegaron a fixarse conduce a unha drástica inflación potencial da taxa aparente do reloxo molecular a escalas de tempo moi curtas.[17][18]

Métodos[editar | editar a fonte]

Os métodos bayesianos poden proporcionar estimacións máis axeitadas dos tempos de diverxencia, especialmente se se empregan grandes conxuntos de datos (como os obtidos na filoxenómica).[19]

Usos[editar | editar a fonte]

A técnica do reloxo molecular é unha importante ferramenta en sistemática molecular, que é o uso de información de xenética molecular para determinar a correcta clasificación científica dos organismos ou para estudar a variación nas forzas selectivas.

O coñecemento de taxas aproximadamente constantes de evolución molecular en conxuntos determinados de liñaxes facilita tamén establecer as datas dos eventos filoxenéticos, incluíndo os que non están documentados por fósiles, como a diverxencia de taxons vivos e a formación dunha árbore filoxenética. Nestes caos, especialmente en longos períodos de tempo, deben considerarse as limitacións da hipótese do reloxo molecular (ver arriba), xa que tales estimacións poden estar desafinadas nun 50% ou máis.

Notas[editar | editar a fonte]

  1. Zuckerkandl, E. and Pauling, L.B. (1962). "Molecular disease, evolution, and genic heterogeneity". En Kasha, M. and Pullman, B (editors). Horizons in Biochemistry. Academic Press, New York. pp. 189–225. 
  2. Margoliash E (October 1963). "PRIMARY STRUCTURE AND EVOLUTION OF CYTOCHROME C". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 50 (4): 672–9. PMC 221244. PMID 14077496. doi:10.1073/pnas.50.4.672. 
  3. Kumar S (August 2005). "Molecular clocks: four decades of evolution". Nat. Rev. Genet. 6 (8): 654–62. PMID 16136655. doi:10.1038/nrg1659. 
  4. Pesole G, Gissi C, De Chirico A, Saccone C (April 1999). "Nucleotide substitution rate of mammalian mitochondrial genomes". J. Mol. Evol. 48 (4): 427–34. PMID 10079281. doi:10.1007/PL00006487. 
  5. Huang, S. (2008) The genetic equidistance result of molecular evolution is independent of mutation rates. J. Comp. Sci. Syst. Biol., 1: 92-102. http://omicsonline.com/ArchiveJCSB/Ab01/JCSB1.092.html
  6. Kimura, Motoo (1968). "Evolutionary rate at the molecular level". Nature 217 (5129): 624–626. PMID 5637732. doi:10.1038/217624a0. 
  7. Benton, M. J. & Donoghue, P. C. J. (2007). "Paleontological evidence to date the Tree of Life". Molecular Biology & Evolution 24 (1): 26–53. PMID 17047029. doi:10.1093/molbev/msl150. 
  8. Ochman H, Wilson AC (1987). "Evolution in bacteria: evidence for a universal substitution rate in cellular genomes". J Mol Evol. 26 (1–2): 74–86. PMID 3125340. doi:10.1007/BF02111283. 
  9. Douzery, E.J.P., Delsuc, F., Stanhope, M.J. and Huchon, D. (2003). "Local molecular clocks in three nuclear genes: divergence times for rodents and other mammals, and incompatibility among fossil calibrations". Journal of Molecular Evolution 57: S201–S213. PMID 15008417. doi:10.1007/s00239-003-0028-x. 
  10. Hunt, J.S., Bermingham, E., and Ricklefs, R.E. (2001). "Molecular systematics and biogeography of Antillean thrashers, tremblers, and mockingbirds (Aves: Mimidae)". Auk 118 (1): 35–55. ISSN 0004-8038. doi:10.1642/0004-8038(2001)118[0035:MSABOA]2.0.CO;2. 
  11. Rheindt, F. E. & Austin, J. (2005). "Major analytical and conceptual shortcomings in a recent taxonomic revision of the Procellariiformes - A reply to Penhallurick and Wink (2004)" (PDF). Emu 105 (2): 181–186. doi:10.1071/MU04039. 
  12. Avise, J.C., Bowen, W., Lamb, T., Meylan, A.B. and Bermingham, E. (1 May 1992). "Mitochondrial DNA Evolution at a Turtle's Pace: Evidence for Low Genetic Variability and Reduced Microevolutionary Rate in the Testudines". Molecular Biology and Evolution 9 (3): 457–473. PMID 1584014. 
  13. Ayala, F.J. (1999). "Molecular clock mirages". BioEssays 21 (1): 71–75. PMID 10070256. doi:10.1002/(SICI)1521-1878(199901)21:1<71::AID-BIES9>3.0.CO;2-B. 
  14. Schwartz, J. H. & Maresca, B. (2006). "Do Molecular Clocks Run at All? A Critique of Molecular Systematics". Biological Theory 1 (4): 357–371. doi:10.1162/biot.2006.1.4.357. Resumo divulgativoScience Daily. 
  15. Drummond, A.J., Ho, S.Y.W., Phillips, M.J. and Rambaut A. (2006). "Relaxed Phylogenetics and Dating with Confidence". PLoS Biology 4 (5): e88. PMC 1395354. PMID 16683862. doi:10.1371/journal.pbio.0040088. 
  16. "Taking variation of evolutionary rates between sites into account in inferring phylogenies.". J Mol Evol 53: 447–55. PMID 11675604. doi:10.1007/s002390010234. 
  17. Ho SY, Phillips MJ, Cooper A, Drummond AJ (2005). "Time dependency of molecular rate estimates and systematic overestimation of recent divergence times". Molecular Biology & Evolution 22 (7): 1561–1568. PMID 15814826. doi:10.1093/molbev/msi145. 
  18. Peterson GI, Masel J (2009). "Quantitative Prediction of Molecular Clock and Ka/Ks at Short Timescales". Molecular Biology & Evolution 26 (11): 2595–2603. PMC 2912466. PMID 19661199. doi:10.1093/molbev/msp175. 
  19. Dos Reis, M.; Inoue, J.; Hasegawa, M.; Asher, R. J.; Donoghue, P. C. J.; Yang, Z. (2012). "Phylogenomic datasets provide both precision and accuracy in estimating the timescale of placental mammal phylogeny". Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 279 (1742): 3491–3500. doi:10.1098/rspb.2012.0683. 

Véxase tamén[editar | editar a fonte]

Outros artigos[editar | editar a fonte]

Bibliografía[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas[editar | editar a fonte]