martes, 5 de julio de 2011

MUTACIONES Y ADAPTACIÓN AL MEDIO AMBIENTE

Las mutaciones ocultas aceleran la adaptación al medio

A pesar de que muchas mutaciones genéticas tienen efectos evidentes otras son consideradas como neutras y sin efecto alguno. En un reciente trabajo de Eric Hayden y sus colaboradores de la Universidad de Zurich, se demuestra sin embargo que estas mutaciones neutras pueden facilitar y acelerar la evolución con vías a la adaptación a nuevos ambientes.

El hecho de que las mutaciones ean esencialmente neutrales y surjan por azar, o por el contrario, que sean dirigidas por la selección natural es un debate muy antiguo en Biología. Hasta ahora la teoría neutralista -que defiende que las mutaciones surgen al azar- ha facilitado el avance en la comprensión de la evolución molecular, pero también es cierto que no consigue hacer entender claramente cómo finalmente los organismos se adaptan rápidamente a ambientes cambiantes. Recientemente han surgido nuevas teorías sobre la capacidad evolutiva de los organismos, así como experimentos con enzimas y microorganismos que sugieren que la adaptación puede depender de una interacción profunda e inapreciable entre mutaciones neutras y mutaciones beneficiosas. Una prueba empírica de esta teoría es defendida en este trabajo.
En principio la teoría parece sencilla: si una población microbiana es expuesta a un nuevo ambiente, esta se adapta rápidamente mediante la fijación de mutaciones beneficiosas que surgen por puro azar. No obstante, la evolución implica diversos factores no tan obvios que complican bastante este escenario. Una de esos factores, llamado epistasis -que se produce cuando el efecto de una mutación se encuentra modificado por otra- explica porqué algunas poblaciones se adaptan más rápido que otras. Estas diferencias en evolucionabilidad, o tendencia a producir mutaciones beneficiosas, explican muchos resultados en principio sorprendentes (como la emergencia repentina de una adaptación metabólica rápida). El interés en la explicación de la epistasis ha puesto también de manifiesto otro importante papel de las mutaciones neutras en el proceso de adaptación: su capacidad de pasar de neutras a activas.

El descubrimiento clave que relaciona las mutaciones neutrales con cambios beneficiosos es que la neutralidad es muchas veces condicional: una mutación puede no tener efecto detectable cuando surge en un ambiente determinado y dentro de un bagaje genético específico, pero cambios posteriores en el ambiente o en el genoma pueden hacer que salgan a la luz efectos ventajosos previamente ocultos. La teoría sugiere que estas mutaciones neutrales, u "ocultas", pueden irse acumulando dentro de una población y posteriormente expresarse cuando ocurre un cambio ambiental, ya sea directamente en respuesta a ese nuevo ambiente, o por interacciones epistáticas sobre otras mutaciones. Esta hipótesis es la que fue testada en su trabajo experimental.

En la figura de la izquierda, el recuadro verde indica el fenotipo (que es el resultado de la expresión de los genes (por ejemplo: ojos verdes o ojos marrones son diferentes fenotipos). Los puntos representan mutaciones.

En el ambiente original (a) se expresa una mutación mientras las otras permanecen ocultas. Cuando cambian las condiciones (b) y "es necesario" un nuevo fenotipo, este puede conseguirse de dos maneras: por mutaciones antes ocultas que pasan ahora a expresarse, o por mutaciones ocultas que interaccionan con mutaciones que se expresan mejorando la adaptabilidad.

Los autores "hicieron evolucionar" dos poblaciones de un ribozima (enzima de RNA) bajo selección sobre la actividad frente a su substrato nativo; una población fue sometida a una fuerte selección, la otra a una selección más débil. Las poblaciones fueron acumulando variaciones genéticas ocultas. Posteriormente, cuando estas ribozimas fueron cambiadas de ambiente -lo que consistió en testar su actividad frente a otro sustrato- estas mutaciones se manifestaron. Midiendo el incremento de la actividad catalítica en relación al tiempo en este nuevo ambiente, Hayden y sus colaboradores encontraron que el rango de adaptación era proporcional a la cantidad de variaciones ocultas presentes en cada población, es decir, que las variaciones ocultas que se fueron acumulando en el primer ambiente favorecían la posterior adaptabilidad al nuevo ambiente.

Secuenciando las mutaciones ocultas que se habían producido los autores identificaron las mutaciones causales, y confirmaron que los genotipos beneficiosos para el nuevo ambiente habían surgido de manera neutral en el ambiente anterior, confirmando la hipótesis de una conexión causal entre las mutaciones neutrales y el fenómeno evolutivo.

Extrapolar los resultados obtenidos por Hayden et al. a organismos complejos no se puede hacer directamente ya que no es lo mismo la epistasis que pueda haber entre diferentes sitios de un mismo enzima que entre genes en un genoma completo. No obstante, existen numerosos trabajos que ponen de manifiesto que la epistasis es un fenómeno habitual a escala genómica, por lo tanto, que nuevos ambientes pongan de manifiesto mutaciones ocultas en organismos complejos parece un fenómeno muy probable. Es decir, que estos resultados hallados en poblaciones naturales junto con los recientes datos descubiertos por Hayden y su equipo sugieren un papel generalizado e importante de las variaciones ocultas en el proceso adaptativo de las poblaciones naturales.

En los tiempos que corren el cambio climático hace que los organismos se enfrenten a nuevos ambientes y entren en contacto con nuevos patógenos y con el ser humano, por lo tanto, una teoría sobre como las poblaciones naturales se adaptan y evolucionan será muy útil para mejorar y organizar la conservación de especies, y también nuestra propia salud pública. Además, estos descubrimientos nos proporcionan nuevas pistas y un mayor conocimiento sobre cómo funciona y se produce la enorme y maravillosa diversidad de la vida en nuestro planeta.

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