Entendiendo la evolución VII: Kimura y el neutralismo

Tanto la transferencia horizontal de genes como la endosimbiosis describen sistemas para producir variabilidad complementariamente a las mutaciones al azar. Por otro lado, el equilibrio puntuado transforma el gradualismo tradicional en un ritmo evolutivo discontinuo y la existencia de genes reguladores de diferentes cateogorías explica como una mutación simple en uno de ellos puede producir grandes efectos fenotípicos. Sin embargo, analizando en profundidad esta nuevas aportaciones, no podemos decir que alguna de ellas ofrezca una alternativa al principal mecanismo selector de la variabilidad, la selección natural. Independientemente de como se generen las nuevas formas, ¿que es lo que hace un genoma vírico incorporado al ADN huesped se propague por la población? ¿que marca el éxito evolutivo de una u otra simbiosis? ¿que selecciona, entre la multitud de nuevas formas que produce una inestabilidad evolutiva o entre las múltiples expresiones provocadas por la mutación en un pequeño número de genes reguladores? Quizá la propuesta más seria para desbancar a la selección natural como filtro principal de la variabilidad producida, aunque exclusivamente a nivel molecular, sea el neutralismo del biomatemático japonés Motoo Kimura. Sin embargo, la novedad del neutralismo no consiste en la formulación de un nuevo proceso selectivo, sino de la justificación matemática de la deriva genética como motor principal de la evolución molecular, frente a una selección natural que solo actuaría de forma secundaria.
Deriva genética
 
La deriva genética consiste en un cambio aleatorio de la frecuencia de alelos en una población, producida por la reproducción diferencial. Una mutación que produzca un alelo inocuo (ni dañino ni beneficioso) no se verá seleccionada ni positiva ni negativamente. Por lo tanto, la frecuencia del alelo en la población dependerá únicamente del azar, es decir, de que los individuos que lo portan tengan mayor o menor descendencia, lo cual será independiente del propio alelo. Por cuestión meramente estadística, la deriva genética tiende a perder los alelos menos frecuentes, inclinando a la población hacia la homogeneidad genética. Sin embargo, en poblaciones pequeñas -por ejemplo poblaciones fundadoras o en períodos de cuello de botella- , los efectos son mucho más marcados y puede conducir a la fijación de caracteres que no sean adaptativos. La existencia de este fenómeno se conoce desde los inicios de la genética de poblaciones, y fue incorporado por la teoría sintética como un mecanismo evolutivo complementario, mucho menos importante que la selección natural. La teoría del neutralismo De forma independiente, Kimura (1968) y KIng & Jukes (1969), formularon la teoría del neutralismo en evolución molecular. Esta teoría viene a decir que la inmensa mayoría del cambio molecular es adaptativamente neutro. Es decir, que la mayor parte de variaciones producen proteínas que no funcionan ni peor ni mejor que sus predecesoras, por lo que no comportan una mayor o menor adaptación del organismo.
Consecuentemente, la selección natural no puede trabajar sobre estas variantes, por lo que sería la deriva genética el único fenómeno que supondría una fuerza de cambio a nivel molecular. De esta forma, el aumento o disminución de determinados alelos en la población se debería exclusivamente al azar, en forma de deriva genética, y no a la presión selectiva. En este punto, es importante señalar que la teoría únicamente postula este fenómeno a nivel molecular, es decir, no lo amplía a nivel macroscópico (por ejemplo en variación morfológica), donde sigue asumiendo que la selección natural es el principal motor evolutivo. Por otro lado, el neutralismo tampoco niega la intervención de la selección natural a nivel molecular, dado que ésta actuaría como filtro a las variaciones dañinas, eliminándolas rápidamente. El único punto en el que discrepa del seleccionismo es en que la fijación de variantes moleculares beneficiosas sería un evento extremadamente poco frecuente. A pesar de sus 40 años de existencia, y a la dura controversia a la que ha sido sometida por los defensores del seleccionismo a nivel molecular, la teoría sigue teniendo consideración en el ámbito científico debido a que a lo largo de estos años diversas pruebas parecen sustentarla. El polimorfismo protéico Según se han ido mejorando las técnicas analíticas, especialmente las electroforéticas, se ha descubierto que muchas proteínas -si no todas- son polimórficas, es decir, se presentan en distintas formas debido a diferencias en su secuencia de aminoácidos. Lo curioso no es tanto la existencia de diversas secuencias proteicas, algo normal si pensamos que cualquier mutación en un gen codificante se traduce en una proteína «anómala», sino que muchas de esas formas son funcionalmente indistinguibles entre sí. Es decir, que muy posibliemente, gran parte de nuestras proteínas son en realidad un conjunto de variantes estructurales, con total funcionalidad.

Comparación de 73 secuencias de aminoácidos de la proteínas secuencias mexicanas NP de distintas cepas del virus H1N1 (los sitios conservados se representan con X). (Tomado de Becerra et. al) Evidentemente, el origen de esta variabilidad a veces limitada a un único aminoácido, son las mutaciones puntuales y aleatorias que, al producir una variante sin pérdida de funcionalidad, deberán ser consideradas como inocuas. Siguiendo el razonamiento, las distintas formas de una misma proteína que mantengan intacta su función no sufrirán presión selectiva alguna, por lo que su frecuencia en la población se deberá únicamente al azar o, lo que es lo mismo, a la deriva genética. Todos estos datos apoyan indudablemente la teoría del neutralismo a nivel molecular, habida cuenta de que la selección natural no puede fijar o eliminar ninguna de las variantes que presentan la misma funcionalidad. Las críticas a estos aspectos vienen dirigidas a que el hecho de que haya polimorfismo proteico no adaptativo no invalida la existencia de otras mutaciones adaptativas, sujetas a selección natural. Propagación y fijación de variantes en la poblaciones Según Kimura, si llamamos v a la tasa de mutación por gameto y generación, en una población de N individuos diploides tendremos, por lo tanto, 2Nv mutaciones nuevas en cada generación. Si u es la probabilidad de que una mutación se fije en la población, la tasa evolutiva (tasa de mutaciones fijadas) será k = 2Nvu (lógicamente, en una población de N individuos haploides, k = Nvu ).

En el caso de que la mutación sea neutra, la probabilidad de fijación en la población u es similar a la frecuencia inicial, dado que todos los alelos tienen la misma posibilidad, concretamente 1/2N. Si sustituimos en la ecuación anterior, obtendremos que en el caso de mutaciones neutras, k = v, es decir, la tasa evolutiva es igual a la tasa de mutación y además es independiente del tamaño de la población N. En el caso de que la fijación de mutaciones fuera por su valor adaptativo, la mutación presentaría una ventaja selectiva s, con lo que la probabilidad de fijación u en poblaciones diploides se conviertiría en 2s, y la tasa evolutiva obedecería a la ecuación k = 4Nsv. Aunque no conozcamos el valor de s, es evidente que en este caso la tasa evolutiva depende, además de la tasa de mutación, del tamaño de la población y del valor adaptativo. Dado que la tasa evolutiva aparece prácticamente constante en distintos lineajes, los partidarios del neutralismo afirman que esto se explica de manera más satisfactoria si ésta solo depende de la tasa de mutación (k = v) que si dependiera también del tamaño de la población y de la ventaja selectiva (k = 4Nsv), valores mucho más variables en los distintos grupos de seres vivos. El propio Kimura señala (1994) que esta apreciación deberá contrastarse mediante experimentos diseñados para tal fin. Por el contrario, los partidarios de la selección natural a nivel molecular mantienen que la teoría sintética no obliga a una tasa evolutiva patentemente irregular, dado de que los diferentes cambios en esta tasa tenderían a compensarse, dando como resultado unas tasas evolutivas globales prácticamente constantes. El debate, como puede deducirse de lo dicho, sigue aún vigente. ¿Teoría alternativa o complementaria? De nuevo, y a la vuelta de casi medio siglo desde su formulación, surge el dilema de si en realidad nos encontramos con una teoría alternativa sobre la selección de variaciones moleculares o más bien nos hallamos ante un mecanismo que sirve para explicar unos fenómenos determinados más o menos frecuentes. Si, como postulan sus defensores, las mutaciones génicas son en su práctica totalidad de carácter neutro, difícilmente puede explicarse la aparición de nuevos caracteres mediante mutaciones aleatorias -dado que en cuanto apareciera una mutación adaptativa, automáticamente sería favorecida por la selección natural-, por lo que resulta necesario recurrir a otro tipo de mecanismo de adquisición -como la incorporación de genoma vírico o la recombinación cromosómica-. Sin embargo, esto no haría más que trasladar el problema un paso más atrás, ya que habría que explicar como surgieron esos nuevos genes en los organismos o procesos que aportaron la variabilidad funcional; explicaciones que hoy por hoy solo son ofrecidas por algunos autores mediante procesos cercanos al neolamarckismo, con bases experimentales muy cuestionadas.

Si, por el contrario y como afirman sus detractores, la aparición de mutaciones adaptativas no es algo tan improbable, la deriva genética solamente tendría importancia precisamente en aquellos casos en los que pueden darse formas distintas con la misma funcionalidad, o en poblaciones con un número de individuos muy reducido, algo que siempre ha asumido la teoría sintética. No hay que olvidar además que en los tiempos de la formulación de la teoría neutralista poco se conocía sobre mutaciones de genes reguladores, que como ya hemos comentado en un artículo anterior, pueden producir efectos muy patentes a partir de pequeñas mutaciones. En cualquier caso, existen la evidencias suficientes como para asegurar que la deriva genética representa el mecanismo de selección principal en determinadas situaciones, al igual que la selección positiva también es algo demostrado en numerosas ocasiones. Las futuras investigaciones deberán determinar cual es el peso relativo de ambos mecanismos y cuáles son los escenarios en los que se desenvuelve cada uno de ellos.
Fuente:  http://cnho.wordpress.com/2010/07/17/entendiendo-la-evolucion-vii-kimura-y-el-neutralismo/Añadir