Genética evolutiva

Genética evolutiva
Preguntas clave

¿Cuáles son los principios básicos del mecanismo darwiniano de la evolución?

¿Qué papel desempeñan la selección natural y otros procesos en la evolución, y
como interaccionan entre sí?

¿Cómo evolucionan los caracteres?

¿Qué firmas deja la selección natural, o su ausencia, en las secuencias de DNA?

¿Por qué son importantes las secuencias reguladoras para la evolución de los
caracteres morfológicos?
Esquema
19.1 Evolución darwiniana
19.2 Una síntesis de fuerzas: variación y divergencia de las poblaciones
19.3 Picos adaptativos múltiples
19.4 Variación genética
19.5 Mutación y evolución molecular
19.6 Cambio genético y funcional: evolución proteica
19.7 Evolución de la regulación
19.8 El origen de nuevos genes
19.9 Evidencia genética de ascendencia común en la evolución
19.10 El proceso de especiación
La teoría moderna de la evolución se identifica tanto con el nombre de Charles Darwin
(1809-1882) que mucha gente piensa que el concepto de la evolución de los organismos
fue propuesto por primera vez por Darwin, pero realmente no fue así. La mayoría de los
científicos habían abandonado la noción de las especies fijas, invariables desde su
origen en el momento de la creación, mucho antes de la publicación del libro de Darwin
El origen de las especies, en 1859. En ese momento, la mayoría de los biólogos estaban
de acuerdo en que las nuevas especies surgían por algún proceso de evolución a partir
de especies preexistentes; el problema era explicar cómo podía tener lugar esta
evolución.
Darwin proporcionó una explicación detallada del mecanismo del proceso
evolutivo. La teoría de Darwin del mecanismo de la evolución comienza con la
variación que existe entre los organismos de una misma especie. Los individuos de una
generación son cualitativamente distintos unos de otros. La evolución de las especies en
general surge de las diferentes tasas de supervivencia y reproducción de los diversos
tipos, por lo que las frecuencias relativas de estos distintos tipos cambian a lo largo del
tiempo. La evolución es, desde este punto de vista, un proceso de clasificación de la
variación.
Para Darwin, la evolución del grupo surgía de la supervivencia y reproducción
diferencial de las variantes individuales ya existentes en el grupo, variantes que surgen
Fin página 679
independientemente del medio ambiente, pero cuya supervivencia y reproducción sí
dependen del medio ambiente.
Mensaje
Darwin propuso una nueva explicación sobre el fenómeno aceptado
de la evolución. Argumentó que la población de una especie en un momento
determinado incluye individuos con características que varían de unos a otros. La
población de la siguiente generación presentará una frecuencia mayor de aquellos
tipos que sobreviven y se reproducen con más éxito bajo las condiciones
ambientales existentes. Así, dentro de la especie, las frecuencias de los distintos
tipos cambiarán con el tiempo.
Hay una similitud evidente entre el proceso de la evolución, tal como lo
describió Darwin, y el proceso mediante el cual los criadores mejoran los animales
domésticos y las plantas cultivadas. Un agricultor selecciona las plantas de la población
con más alto rendimiento y (en la medida de lo posible) las utiliza como progenitoras de
la siguiente generación. Si son heredables las características que originan un
rendimiento superior, entonces la siguiente generación producirá un rendimiento más
alto. No fue accidental que Darwin eligiera el término selección natural para describir
su modelo de evolución mediante las distintas tasas de reproducción de las diferentes
variantes de la población. Al concebir su modelo evolutivo, Darwin se inspiró en la
selección que los criadores ejercían sobre las sucesivas generaciones de animales y
plantas domesticados.
…¿podemos dudar (recordando que nacen muchos más individuos que los que
pueden sobrevivir) que aquellos individuos que posean cualquier ventaja, por
ligera que sea, tendrán una mayor posibilidad de sobrevivir y procrear su tipo?
Por otra parte, podríamos estar seguros de que cualquier variación que sea
prejudicial en el menor grado sería rigurosamente destruida. A esta conservación
de las variaciones favorables y la destrucción de las variaciones perjudiciales la
denomino Selección Natural. (Sobre el origen de la especies, Capítulo IV; On
the Origin of Species)
19.1 Evolución darwiniana
Podemos resumir la teoría de la evolución por selección natural de Darwin en tres
principios fundamentales:
1. Principio de variación. Entre los individuos de una población, existe variación en la
morfología, la fisiología y el comportamiento.
2. Principio de herencia. Los descendientes se parecen más a sus progenitores que a
otros individuos no emparentados.
3. Principio de selección. En un medio ambiente dado, algunas formas obtienen mayor
éxito que otras, tanto en la supervivencia como en la reproducción.
Desde luego, un proceso selectivo sólo puede producir cambios en la
composición de la población si sus individuos muestran alguna variación sobre la que
ejercer la selección. Si todos los individuos son idénticos, ninguna diferencia en la tasa
de reproducción entre ellos puede alterar la composición de la población. Es más, la
variación debe ser heredable, al menos en parte, para que la reproducción diferencial
altere la composición genética de la población. Si, por ejemplo, los animales más
grandes de una población tienen más descendientes que los de menor tamaño, pero estos
descendientes no son como promedio mayores que los descendientes de animales
pequeños, entonces no se producirá ningún cambio en la composición genética de la
población de una generación a otra. Por último, si todos los tipos de variantes producen,
por término medio, el mismo número de descendientes, podríamos esperar que la
población permaneciera constante.
Mensaje
Se deben cumplir los principios darwinianos de variación, herencia y
selección para que haya evolución mediante un mecanismo basado en la existencia de
variación.
Fin página 680
La explicación darwiniana de la evolución debería poder explicar dos aspectos
fundamentales de la historia de la vida en nuestro planeta. Uno de ellos es el cambio
sucesivo de forma y función que se produce en una misma línea continua de
descendencia en el tiempo, la evolución filética. La Figura 19-1 muestra ese tipo de
cambio constante en el tamaño y la curvatura de la valva izquierda de la ostra Gryphaea
en los últimos 40 millones de años. El otro aspecto es la diversificación que ocurre
entre las especies a lo largo de la historia de la vida en la Tierra, donde han existido
muchas especies contemporáneas distintas que presentan morfologías y formas de vida
completamente diferentes. En la Figura 19-2 se observa parte de la variedad de formas
de moluscos bivalvos que han existido en diferentes momentos de los últimos 130
millones de años. Cada especie se extingue en un momento dado y, de hecho, se han
extinguido más del 99.9% de todas las especies que han existido. Aún así, el número de
especies y la diversidad de formas y funciones ha ido incrementando en los últimos mil
millones de años. Es decir, las especies no sólo deben cambiar, sino que deben dar lugar
a nuevas especies distintas en el curso de la evolución.
Ambos procesos – evolución filética y diversificación – son consecuencia de la
variación heredable en las poblaciones de organismos. La variación heredable
suministra la materia prima para los continuos cambios dentro de una misma especie y
para la multiplicación de nuevas especies. Los mecanismos básicos de tales cambios
(comentados en el Capítulo 17) son el origen de la nueva variación por medio de
diversas categorías de mutaciones, modificaciones en las frecuencias alélicas mediante
procesos selectivos y aleatorios, divergencia de poblaciones locales aisladas por causas
selectivas distintas o debido a la deriva aleatoria, así como por la reducción de la
variación entre poblaciones debido a la migración. De estos mecanismos básicos
derivan una serie de principios que rigen los cambios en la composición genética de las
poblaciones. La aplicación de estos principios de la genética de poblaciones proporciona
una teoría genética detallada de la evolución.
Mensaje
La evolución, desde la perspectiva darwiniana, es la conversión de la
variación heredable entre los individuos de una población en diferencias heredables entre
poblaciones en el tiempo y en el espacio mediante los mecanismos de la genética de
poblaciones.
Fin página 681
Fin página 682
19.2 Una síntesis de fuerzas: variación y divergencia de las poblaciones
Cuando Darwin llegó a las Islas Galápagos en 1835, encontró una notable variedad de
pájaros pinzones que supusieron un caso muy atractivo y sugerente para el desarrollo de
su teoría de la evolución. El archipiélago de las Islas Galápagos es un conjunto de 29
islas e islotes de diferente tamaño, a 600 millas de la costa de Ecuador. Los pinzones se
alimentan habitualmente de semillas en el suelo, y poseen picos gruesos para romper las
duras cubiertas de algunas semillas. La Figura 19-3 muestra las 13 especies de pinzón
de Las Galápagos. Las especies de Las Galápagos, aunque pinzones todos ellos,
muestran una inmensa variación en su forma de vida, la forma de sus picos y su
conducta, bajo las cuales subyacen importantes diferencias ecológicas. Por ejemplo, el
pinzón vegetariano arborícola se alimenta de frutos y hojas, el pinzón insectívoro
presenta un pico con una punta cortante para comer insectos de gran tamaño y el pinzón
carpintero, el más llamativo de todos, sujeta una ramita con su pico y la utiliza para
obtener sus presas, también insectos, inspeccionando los orificios de los árboles. Esta
diversidad de especies surgió a partir de una población original de comedores de
semillas que llegó a Las Galápagos procedentes del continente americano. Los
descendientes de los colonizadores iniciales se distribuyeron por las distintas islas y en
zonas diferentes en las islas más grandes, formando poblaciones locales que fueron
diferenciándose unas de otras y creando ocasionalmente especies distintas. Los pinzones
ilustran los dos aspectos de la evolución que necesitan ser explicados. ¿Cómo una
especie original con un conjunto particular de características da lugar a una diversidad
de especies, cada una con su forma y función propias? ¿Cómo las características de las
especies llegan a acomodarse a los ambientes en los que viven? Estos son los problemas
del origen de la diversidad y el origen de la adaptación.
La variación genética en el seno de una población y entre las poblaciones es el
resultado de la interacción de las fuerzas de mutación, migración, selección y deriva
génica discutidas en el Capítulo 17 (Figura 19-4). Como muestra la Tabla 19-1,
generalmente, las fuerzas que aumentan o mantienen la variación en el seno de las
poblaciones evitan la diferenciación mutua de las distintas poblaciones, mientras que las
fuerzas que hacen que las poblaciones sean homocigóticas provocan la divergencia
entre poblaciones. Así, la deriva genética aleatoria (o la endogamia) produce
homocigosidad a la vez que causa la divergencia entre distintas poblaciones. Esta
tendencia hacia la divergencia y la homocigosidad son contrarrestadas por el flujo
constante que supone la mutación y la migración entre poblaciones, introduciendo de
nuevo variación dentro de una población dada, tendiendo a hacerla más parecida a las
otras.
Fin página 683
Considérese la situación de un locus genéticamente variable con dos alelos, por
ejemplo A y a, con frecuencias p y 1-p, respectivamente, en una población de gran
tamaño. Supóngase también que conjunto de poblaciones incomunicadas en las distintas
islas, y que todas esas poblaciones se fundaron a partir de un conjunto inicial de
inmigrantes que constituía la población original. Los fundadores originales de cada
población son, a su vez, pequeñas muestras de la población donante y, por consiguiente,
difieren entre sí en las frecuencias alélicas a causa de un efecto de muestreo al azar. Esta
variación inicial es lo que se llama efecto fundador. En las generaciones sucesivas,
como resultado de la deriva genética aleatoria en cada población, hay un cambio
adicional en las frecuencias de cada una de las poblaciones. La frecuencia de cada uno
de los alelos tenderá hacia 1 ó 0, pero la frecuencia alélica media de todas las
poblaciones en su conjunto permanece constante. A medida que el tiempo pasa, las
frecuencias génicas divergen entre las distintas poblaciones y algunas de ellas quedan
fijadas. Tras 4N generaciones, el 80% de las poblaciones se encuentran fijadas, siendo
un porcentaje p de ellas homocigóticas A/A y una proporción 1-p homocigóticas a/a.
Finalmente, todas las poblaciones se fijarían para A/A o a/a en esas proporciones.
El proceso de diferenciación por endogamia en poblaciones insulares es lento,
pero no en una escala geológica o evolutiva. Si una isla puede sostener, por ejemplo, 10
000 individuos de una especie de roedores, entonces tras 20 000 generaciones
(alrededor de 7000 años, suponiendo unas tres generaciones por año), la población será
homocigótica para aproximadamente la mitad de todos los loci que inicialmente se
encontraban en el máximo de heterocigosidad. Más aún, la isla se diferenciará de otras
islas similares de dos maneras: (1) Los loci que están fijados se encontrarán todavía
segregando en otras islas, o fijados para otro alelo y (2) los loci que estén todavía
segregando en todas las islas variarán en las frecuencias alélicas de una isla a otra.
Cada población de cualquier especie es de tamaño finito, por lo que todas las
poblaciones se podrían convertir ocasionalmente en homocigóticas y diferenciarse unas
de otras como consecuencia de la endogamia. Toda la variación se eliminaría y la
evolución cesaría. Sin embargo, en la naturaleza siempre se está introduciendo en las
poblaciones nueva variación por medio de las mutaciones y la migración. Así, la
variación real disponible para la selección natural es el resultado del balance entre la
introducción de nueva variación por medio de las causas anteriores y su pérdida por
endogamia local. Recuérdese del Capítulo 17 que la tasa de pérdida de heterocigosidad
en una población cerrada es 1/(2N) por generación, por lo que cualquier diferenciación
efectiva entre poblaciones se verá impedida si la nueva variación se introduce con esa
tasa o superior. Si m es la tasa de migración en una población dada y µ es la tasa de
mutación hacia nuevos alelos por generación, entonces (dentro del mismo orden de
magnitud) una población retendrá la mayor parte de su heterocigosidad y no se
diferenciará mucho de otras poblaciones por endogamia local si
m
1/N o µ
1/N
1 o
1
o, en otras palabras, si
Nm
Nµ
En las poblaciones de tamaño intermedio o incluso moderadamente grande, es
improbable que Nµ
1. Por ejemplo, si el tamaño de la población es de 100 000,
entonces la tasa de mutación debe ser superior a 10-5 para evitar la pérdida de variación,
que es un valor que se encuentra en la parte alta de la escala de valores conocidos para
tasas de mutación, pero no es imposible. A su vez, una tasa de migración de 10-5 por
generación no es una cifra irrealmente grande. De hecho
m = número de inmigrantes/tamaño de la población = número de inmigrantes/N
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Así, el requisito de que Nm 1 es equivalente al requisito de que
Nm = N × Número de inmigrantes/N
1
o que
número de individuos inmigrantes
1
independientemente del tamaño de la población. En muchas poblaciones, que haya más
de un único individuo inmigrante por generación es muy probable. Las poblaciones
humanas (incluso las poblaciones de tribus aisladas) tienen una tasa de migración
superior a este valor mínimo y, como consecuencia, no se conoce ningún locus humano
para el que un alelo se encuentre fijado en algunas poblaciones, mientras que otro alelo
alternativo se encuentre fijado en otras poblaciones.
Los efectos de la selección son más variables que los de la deriva genética,
porque la selección puede empujar, o no, una población hacia la homocigosidad. La
selección direccional dirige a una población hacia la homocigosidad, rechazando la
mayoría de las nuevas mutaciones a medida que se introducen en la población pero,
ocasionalmente (si la mutación presenta alguna ventaja), actúa favoreciendo la
expansión del alelo en la dirección de la creación de un nuevo estado de homocigosis.
Que esta selección direccional promueva la diferenciación entre poblaciones depende
del medio ambiente y de sucesos aleatorios. Dos poblaciones que viven en ambientes
muy similares pueden mantenerse muy similares genéticamente por la acción de la
selección direccional pero, si hay diferencias ambientales, la selección puede dirigir a
las poblaciones hacia constituciones genéticas distintas.
La selección que favorece a los heterocigotos (selección equilibradora)
mantendrá, en su mayor parte, niveles de polimorfismo más o menos similares en
distintas poblaciones. Pero de nuevo, si los ambientes son suficientemente diferentes
entre sí, entonces las poblaciones mostrarán cierta diferencia otra vez. Lo opuesto a la
selección equilibrada es la selección contra los heterocigotos, la cual produce equilibrios
inestables. Este tipo de selección favorecerá la homocigosidad y la divergencia entre
poblaciones.
19.3 Picos adaptativos múltiples
Debemos evitar adoptar un punto de vista demasiado simplista de las consecuencias de
la selección. Desde el punto de vista del gen, o incluso desde el del fenotipo parcial,
existen varios posibles resultados de los efectos de la selección para un determinado
rasgo en un ambiente dado. La selección para alterar un rasgo (digamos, incrementar el
tamaño) puede tener éxito de varios modos. En 1952, F. Robertson y E. Reeve
practicaron con éxito una selección para cambiar el tamaño del ala de Drosophila en dos
poblaciones diferentes. Sin embargo, en un caso cambió el número de células del ala,
mientras que en el otro caso cambió el tamaño de las células del ala. Se habían
seleccionado dos genotipos diferentes, ambos capaces de provocar un cambio del
tamaño del ala. El estado inicial de la población al comienzo del experimento determinó
cuál de las dos selecciones tendría lugar.
Un sencillo e hipotético ejemplo ilustra como una misma selección puede dar
lugar a diferentes resultados. Supóngase que la variación en dos loci (normalmente
habrá muchos más) influye en un carácter, y que (en un ambiente particular) los
fenotipos medianos tienen la máxima eficacia biológica (por ejemplo, los niños recién
nacidos tienen una probabilidad más alta de sobrevivir si no son ni demasiado grandes
ni demasiado pequeños). Si los alelos actúan de modo simple al influir en el fenotipo,
entonces las tres constituciones genéticas AB/ab, Ab/Ab y aB/aB determinarán una
eficacia biológica alta porque las tres darán el fenotipo mediano. Por otra parte, una
eficacia biológica muy baja caracterizará a los dobles homocigotos AB/AB y ab/ab.
¿Cuál será el resultado de la selección? Podemos predecir el resultado utilizando la
eficacia biológica media de la población. Como se apuntó previamente en el Capítulo
17, la selección provoca el incremento de mediaW en la mayoría de los casos simples.
Por consiguiente, si calculamos mediaW para cada posible combinación de frecuencias
alélicas en los dos loci, podemos determinar qué combinaciones producen valores altos
de mediaW. Entonces deberíamos ser capaces de predecir el curso de la selección
siguiendo una curva en la que aumente mediaW.
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La superficie de la eficacia biológica media para todas las combinaciones de las
frecuencias alélicas se denomina superficie adaptativa o paisaje adaptativo,
representado en la Figura 19-5, la cual recuerda a un plano topográfico. Se representa en
un eje la frecuencia del alelo A en un locus, y en el otro eje se representa la frecuencia
del alelo B en el otro locus. La altura sobre el plano (representada por las líneas
topográficas) es el valor de mediaW que la población tendría para esa combinación
particular de frecuencias de A y B. De acuerdo con la regla de la eficacia biológica
creciente, la selección llevará a la población desde un «valle» de baja eficacia biológica
hasta un «pico» de alta eficacia biológica. Sin embargo, la Figura 19-5 muestra que
existen dos picos adaptativos, que corresponden a una población en la que se haya
fijado Ab/Ab y a otra en la que se haya fijado aB/aB, con un valle adaptativo entre ellas.
El pico al que ascenderá la población —y por consiguiente, cuál será su composición
final— dependerá de si la composición genética inicial de la población cae a un lado o
al otro de la «línea de descenso» discontinua que se muestra en la Figura 19-5.
Mensaje
Bajo condiciones idénticas de selección natural, dos poblaciones pueden
alcanzar dos composiciones genéticas diferentes como resultado directo de la selección
natural.
Es importante darse cuenta de que nada en la teoría de la selección implica que
las alturas de los diferentes picos adaptativos sean iguales. La cinética de la selección es
tal que mediaW aumenta, pero no de tal manera que necesariamente deba alcanzar el
pico más alto posible en el campo de las frecuencias alélicas. Supongamos, por ejemplo,
que una población está cerca del pico aB/aB en la Figura 19-5 y que este pico es más
bajo que el pico Ab/Ab. La selección por sí sola no puede llevar a la población hasta
Ab/Ab porque eso requeriría una disminución transitoria de mediaW, cuando la
población descendiera por la pendiente de aB/aB para cruzar el valle y ascender por la
otra pendiente. Es decir, la fuerza de la selección es «miope». Guía a la población hasta
un máximo local de mediaW en el paisaje de las frecuencias alélicas, no hasta uno
global.
La existencia de picos adaptativos múltiples en un proceso selectivo significa
que algunas diferencias entre especies son el resultado de la historia y no de diferencias
ambientales. Por ejemplo, los rinocerontes de África tienen dos cuernos, mientras que
los de la India tienen uno (Fig. 26-7). No necesitamos inventar ninguna historia especial
de por qué sería mejor tener dos cuernos en las llanuras de África y uno en la India. Es
mucho más plausible suponer que el rasgo de tener cuernos estuvo sujeto a selección,
pero que los dos
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cuernos largos y delgados, y el cuerno único, corto y robusto, son simplemente
características adaptativas alternativas, y que las especies difirieron por un accidente
histórico. Las explicaciones de las adaptaciones por selección natural no requieren que
cada una de las diferencias entre especies sea una adaptación diferencial.
Exploración de los picos adaptativos
No se debe considerar al azar y a las fuerzas de la selección como simples antagonistas.
La deriva genética aleatoria puede contrarrestar el efecto de la selección en ocasiones,
pero otras veces también lo puede acrecentar. El resultado del proceso evolutivo es la
consecuencia de la acción simultánea de ambos fenómenos. La Figura 19-6 ilustra estas
posibilidades. En ese «paisaje» hay picos adaptativos múltiples. Debido a la deriva
genética aleatoria, una población bajo presión selectiva no asciende de forma directa a
un pico adaptativo suavemente. Por el contrario, adopta un camino errático en el terreno
de las frecuencias alélicas, al igual que le ocurre a un montañero exhausto con falta de
oxígeno. La ruta I describe una historia poblacional donde la adaptación ha fracasado.
Las fluctuaciones aleatorias de las frecuencias alélicas fueron lo suficientemente
importantes para que, por azar, se fijara en la población un genotipo de escasa eficacia
biológica. En cualquier población, en cierta proporción de los loci se fijan alelos
selectivamente desfavorables, ya que la intensidad de la selección no es lo
suficientemente elevada para superar la fijación de esos alelos por efecto de la deriva
aleatoria. La existencia de picos adaptativos múltiples y la fijación al azar de alelos
menos aptos son aspectos consustanciales del proceso evolutivo. No podemos esperar
que la selección natural produzca lo mejor de todos los mundos posibles.
Por otro lado, la ruta II de la Figura 19-6 ilustra cómo la deriva aleatoria
puede mejorar la adaptación. La población se encontraba al principio bajo la influencia
del pico adaptativo inferior; sin embargo, por la fluctuación aleatoria de la frecuencia
alélica, su composición atravesó el valle adaptativo, y la población alcanzó el pico
adaptativo más alto e inclinado. Este paso desde un estado estable adaptativo inferior a
otro superior no podría haber ocurrido jamás por el efecto de la selección en una
población infinita, porque únicamente por selección, mediaW nunca podría disminuir
temporalmente para cruzar de una pendiente a la otra.
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Otra fuente importante de indeterminación en el resultado final de un largo
proceso selectivo es la aleatoriedad del proceso mutacional. Una vez que se agota la
variación genética inicial a causa de que determinados alelos queden fijados por las
fuerzas de la selección y la deriva genética, surgen nuevos alelos por mutación que, de
nuevo, pueden suponer la fuente de un cambio evolutivo adicional. La dirección que
tome este nuevo cambio evolutivo depende de las mutaciones concretas que tengan
lugar y la escala de tiempo en que éstas ocurran. Un ejemplo muy ilustrativo de esta
contingencia histórica del proceso evolutivo es el experimento de selección llevado a
cabo por Holly Wichman y sus colaboradores. Estos investigadores forzaron al fago
JX174 a reproducirse a altas temperaturas y en el hospedador Salmonella typhimurium,
en vez de su hospedador normal Escherichia coli. Se establecieron dos líneas de
selección independientes etiquetadas como TX e ID, las cuales evolucionaron respecto a
la habilidad de reproducirse a altas temperaturas en el nuevo hospedador. Una de las dos
líneas todavía retenía la capacidad de reproducirse en Escherichia coli, pero la otra línea
la perdió. El bacteriófago sólo posee 11 genes, de manera que se registraron los cambios
sucesivos ocurridos en el DNA de todos estos genes durante el proceso evolutivo, así
como en los polipéptidos correspondientes. Ocurrieron 15 cambios en el DNA en la
estirpe TX, repartidos en 6 de los 11 genes; en la estirpe ID tuvieron lugar 14 cambios,
distribuidos en 4 de los 11 genes. Ambas estirpes experimentaron cambios idénticos en
sólo 7 ocasiones, lo que incluía una deleción de gran tamaño, pero el orden temporal de
estos cambios idénticos difería entre ambas líneas. Así, por ejemplo, el cambio en la
posición 1533 del DNA, que causa una sustitución de treonina por isoleucina,
constituyó el tercer cambio en la estirpe ID y el decimocuarto en la estirpe TX.
Cuando se producen mutaciones en sitios a lo largo de la evolución de un estado
fenotípico a otro, puede suceder por múltiples rutas del espacio genético. Si las
diferencias entre el fenotipo original y la forma evolucionada son consecuencia de
mutaciones en cinco sitios (A, B, C, D y E), hay muchos órdenes distintos en que podría
haber ocurrido durante el tiempo evolutivo. Primero, el sitio A podría haberse fijado en
la población, después el sitio D, después el C, después el E y finalmente el B. Por otro
lado, el orden de fijación evolutiva podría haber sido E, D, A, B, C. Para estos cinco
sitios hay 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 120 órdenes posibles. Dos cuestiones importantes para
entender la evolución son ¿cuántas de estas rutas evolutivas alternativas son posibles?, y
¿qué probabilidad tienen las distintas rutas posibles relativamente entre ellas?
Daniel Weinreich y colaboradores han caracterizado en detalle un conjunto de
rutas evolutivas a través del espacio genético en su estudio de la evolución de la
resistencia a antibióticos en la bacteria E. coli. La resistencia al antibiótico β-lactámico
cefotaxima se adquiere a través de la acumulación de cinco mutaciones en sitios
diferentes en el gen bacteriano de la β-lactamasa. Cuatro de las mutaciones producen
cambios de aminoácidos y la quinta es una mutación en una región no codificadora.
Cuando las cinco mutaciones están presentes, la concentración mínima de antibiótico
requerida para inhibir el desarrollo bacteriano se multiplica por un factor de 100 000.
Los investigadores primero han medido la resistencia adquirida por una mutación en un
sitio determinado en presencia de 24 = 16 posibles combinaciones mutantes y no
mutantes en los otros cuatro sitios. En muchas combinaciones, pero no en todas, un
mutante en un sitio fue más resistente, independientemente del estado de los otros
cuatro sitios. Por ejemplo, un mutante en el sitio G2385 mostró una resistencia
significativa, independientemente del estado mutante o no mutante de los otros cuatro
sitios. Por otro lado, la mutación en un sitio no codificador confirió una resistencia
significativa en ocho combinaciones, cambios insignificantes en la resistencia en seis
casos, y una disminución de la resistencia en dos combinaciones. Esta dependencia de la
ventaja o desventaja adaptativa de una nueva mutación sobre las mutaciones que se
habían fijado previamente es lo que los investigadores llaman epistasia señal. Tras ello,
midieron la resistencia de cada estado en la secuencia temporal de mutaciones de un
sitio después de otro. Existen 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 120 órdenes posibles en los que han
podido suceder las mutaciones. Si una mutación en uno de estos posibles órdenes no
confiere un mayor estado de resistencia, entonces probablemente esta ruta evolutiva
Fin Página 688
terminará, debido a que no sería seleccionada ni a favor ni en contra de la mutación.
Encontraron que, de las 120 posibles rutas a través de la historia evolutiva de las
mutaciones, solamente en 18 se demostró un incremento de la resistencia en cada paso
mutacional. Así, 102/120 = 85 % de las posibles rutas mutacionales no eran accesibles a
la evolución por selección natural. Finalmente, en una población cuya resistencia está
evolucionando, la probabilidad que una ruta particular pueda seguir siendo seleccionada
es proporcional a la magnitud del incremento de la resistencia en cada paso. Entonces,
solamente 10 de las 18 rutas posibles dan cuenta del 90 % de los casos de evolución de
la resistencia bacteriana a los antibióticos β-lactámicos tales como la penicilina.
Mensaje El orden en que se producen las mutaciones es de importancia crucial para
determinar si la evolución por selección natural alcanzará, o no, el estado más
ventajoso. Debido al orden aleatorio en que se producen las mutaciones, puede que
nunca se alcancen los fenotipos más ventajosos aunque ocurran las mutaciones.
19.4 Variación genética
Heredabilidad de la variación
La primera regla para cualquier reconstrucción o predicción de la evolución es que la
variación fenotípica debe ser heredable. Es sencillo confeccionar un argumento sobre la
posible ventaja selectiva de una de las formas de un carácter sobre otra alternativa, pero
supone una gran dificultad experimental demostrar que esa variación en el rasgo se
corresponde con diferencias genotípicas (véase el Capítulo 18). No se debería suponer
que todas las características que muestran variación son heredables. Ciertas
características metabólicas (como la resistencia a elevadas concentraciones de sal en
Drosophila) presentan una variación individual, pero no heredabilidad. En general, los
rasgos del comportamiento muestran una heredabilidad menor que los morfológicos,
sobre todo en organismos con sistemas nerviosos más complejos, los cuales exhiben una
flexibilidad individual inmensa respecto a los estados del sistema nervioso central.
Antes de hacer cualquier predicción sobre la evolución de un rasgo cuantitativo
concreto, es esencial determinar si existe variación genética en la población para esa
característica cuya evolución se pueda predecir. Por eso, las propuestas de que ciertas
características de la especie humana, como el rendimiento en las pruebas de inteligencia
o cociente intelectual (CI), la personalidad o la organización social, se encuentran
inmersos en pleno proceso evolutivo o han evolucionado en épocas concretas de la
historia de la humanidad, dependen de manera sustancial de que haya evidencias sólidas
de que existe variación genética para tales características. Por otra parte, puede que
características que aparecen en una especie como absolutamente invariables, sin
embargo evolucionen.
Uno de los hallazgos más importantes en Genética evolutiva ha sido el
descubrimiento de que un cuantioso nivel de variación genética puede subyacer en
caracteres que no muestran variación morfológica alguna. Estos caracteres reciben el
nombre de caracteres canalizados, debido a que el resultado final de su desarrollo se
preserva entre márgenes estrictos a pesar de las fuerzas perturbadoras. Diferentes
genotipos para un carácter canalizado exhiben el mismo fenotipo constante, dentro de
un rango de ambientes normales para la especie. Las diferencias genéticas se ponen de
relieve si se somete a los organismos a condiciones de estrés o si una mutación muy
severa compromete seriamente el sistema de desarrollo. Por ejemplo, todas las moscas
Drosophila salvajes poseen exactamente cuatro quetas en el escutelo (Fig. 19-7). Si se
da la mutación recesiva scute, el número de quetas se reduce pero, además, se produce
variación de mosca a mosca. Esta variación es heredable, y se han obtenido líneas, por
selección en presencia de la mutación scute, con una o ninguna queta, y líneas con tres o
cuatro quetas. Cuando se elimina la mutación, estas líneas desarrollan dos y seis quetas
respectivamente. Se han llevado a cabo experimentos parecidos usando condiciones
ambientales con situaciones de estrés extremas en lugar de mutantes. Una consecuencia
de tal variación genética oculta es que un carácter que es fenotípicamente uniforme en
una especie, puede no obstante experimentar una rápida evolución si una situación de
estrés destapa la variación genética.
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Variación dentro y entre poblaciones
En el Capítulo 17 se describen la existencia de variación genética en las poblaciones en
un nivel morfológico, cariotípico, proteico o del DNA. Varios de estos ejemplos
también ponían de manifiesto algunas diferencias en las frecuencias alélicas entre
diversas poblaciones (véanse las Tablas 17-1 a 17-3 y 17-5). La magnitud relativa de la
variación dentro de la población y entre distintas poblaciones varía de especie a especie,
dependiendo de la historia y del medio ambiente.
En los humanos, algunas frecuencias génicas (por ejemplo, las relacionadas con
el color de piel o la forma del cabello) están bien diferenciadas entre poblaciones y los
principales grupos geográficos (las llamadas razas geográficas). No obstante, la
situación es completamente diferente si observamos genes individuales que determinan
proteínas, que se identifican inmunológicamente o por electroforesis, más que por un
rasgo fenotípico externo. La Tabla 19-2 muestra los tres loci para los que se sabe que
caucasianos, negroides y mongoloides difieren más entre sí (los grupos sanguíneos
Duffy y Rhesus y el antígeno P). Incluso para los loci más divergentes, ninguna raza es
homocigótica para algún alelo que esté ausente en las otras dos razas.
En general, las diversas poblaciones humanas exhiben frecuencias muy similares
para los genes polimórficos. Algunos estudios realizados en diversas poblaciones
humanas sobre el polimorfismo de grupos sanguíneos y de loci enzimáticos han puesto
de manifiesto que alrededor del 85% de toda la diversidad genética humana se halla
dentro de la misma población, sobre un 6% de esta diversidad se encuentra entre
distintas poblaciones pertenecientes a la misma raza geográfica y el 9% restante se da
entre las principales razas geográficas. Evidentemente, los genes que influyen en el
color de la piel, la forma del cabello y la morfología facial, rasgos que están bien
diferenciados entre razas, no son una muestra representativa de los loci génicos
estructurales.
19.5 Mutación y evolución molecular
Aunque la variación genética de una población puede observarse en la
morfología, el cariotipo o las proteínas, en última instancia estos fenotipos reflejan la
variación en las secuencias de DNA. Cerca de un tercio de todos los loci que codifican
proteínas son polimórficos; y todas las clases de DNA, incluyendo exones, intrones,
secuencias reguladoras y secuencias flanqueantes, presentan diversidad nucleotídica
entre los individuos en el seno de la poblaciones.
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Las mutaciones en el DNA pueden tener tres efectos sobre la eficacia biológica.
Primero, pueden ser deletéreas, reduciendo la probabilidad de supervivencia y
reproducción de sus portadores. Todos los mutantes de laboratorio usados por los
genetistas experimentales presentan algún efecto deletéreo sobre la eficacia biológica.
Segundo, pueden aumentar la eficacia biológica al proporcionar una mayor eficiencia o
aumentar el conjunto de condiciones ambientales en las que puede vivir la especie, o
posibilitando que el organismo perciba cambios en el medio. Tercero, las mutaciones
pueden no tener efecto alguno sobre la eficacia biológica, dejando inalteradas la
probabilidad de supervivencia y reproducción del organismo; se trata entonces de las
llamadas mutaciones neutras. Sin embargo, con objeto de entender mejor el concepto de
tasa de evolución molecular, necesitamos hacer una pequeña distinción entre
mutaciones efectivamente neutras y efectivamente seleccionadas. Es posible demostrar
que, en una población finita de N individuos, el proceso de deriva genética aleatoria no
se verá alterado si la intensidad de la selección sobre un alelo, s, es inferior a 1/N. Por lo
tanto, la clase de mutaciones evolutivamente neutras incluye tanto las que no tienen
ningún efecto sobre la eficacia biológica como aquellas cuyos efectos sobre la eficacia
biológica son inferiores a la inversa del tamaño de la población, tan pequeños como
para que las mutaciones sean neutras. Por otro lado, si la intensidad de la selección, s, es
de una magnitud mayor que 1/N, la mutación será efectivamente seleccionada.
Se desearía conocer en qué medida la evolución molecular es consecuencia de
nuevas mutaciones adaptativas que se van acumulando en una especie, según el
esquema de una visión simplista de la evolución darwiniana, o cuánta de esta evolución
molecular es sencillamente la acumulación de fijaciones aleatorias de mutaciones
efectivamente neutras. No hace falta considerar las mutaciones que son efectivamente
deletéreas, porque se mantendrán con muy baja frecuencia en las poblaciones y no
contribuirán al cambio evolutivo. Como se explicó en el Capítulo 17, si surge una
mutación nueva y es efectivamente neutra, hay una probabilidad de 1/(2N) de que
sustituya al alelo que había previamente por acción de la deriva genética aleatoria. Si µ
es la tasa de aparición en un locus de nuevas mutaciones efectivamente neutras por
copia génica y por generación, entonces el número total de nuevas copias alélicas
mutantes que aparecerá en una población de N individuos diploides será 2Nµ. Cada una
de estas nuevas copias tiene una probabilidad de 1/(2N) de establecerse en la población.
Por tanto en un locus, la tasa absoluta de sustitución de alelos por generación es la tasa
de aparición de los alelos nuevos, multiplicada por la probabilidad de que cualquiera de
ellos se fije ocasionalmente a causa de la deriva genética.
Tasa de sustitución neutra = 2 Nµ x 1/(2N) = µ
Es decir, esperamos que en cada generación haya µ sustituciones de un alelo «antiguo»
por otro nuevo en cada locus de la población, exclusivamente a causa de la deriva
genética aleatoria de mutaciones efectivamente neutras.
Mensaje
La tasa de sustitución evolutiva que resulta de la deriva genética
aleatoria de mutaciones efectivamente neutras es igual a la tasa de mutación hacia
esos alelos, µ.
La firma de la selección purificadora en el DNA
La tasa constante de sustituciones neutras predice que, si se representa frente al tiempo,
desde su divergencia a partir de un ancestro común, el número de diferencias
nucleotídicas entre dos especies, el resultado debería ser una línea recta con una
pendiente igual a µ. Es decir, la evolución actuaría según un reloj molecular que
funciona con un ritmo igual a la tasa µ. En la Figura 19-8 se observa una de estas
gráficas para el gen de la β-globina. Los resultados son muy consistentes con la idea de
que las sustituciones de nucleótidos durante los últimos 500 millones de años han sido
efectivamente neutras.
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Se representan dos clases de sustituciones de nucleótidos: sustituciones sinónimas, las
que producen cambios de un codón alternativo a otro que determina el mismo
aminoácido; y sustituciones no sinónimas, que originan cambios de aminoácidos. En la
Figura 19-8 se observa una pendiente mucho menos pronunciada para las sustituciones
no sinónimas que para los cambios sinónimos, lo que significa que la tasa de mutación
hacia sustituciones no sinónimas es mucho menor que la tasa de mutación hacia
sustituciones sinónimas.
Este resultado es precisamente el que se espera bajo selección neutral. Las
mutaciones que causan una sustitución aminoacídica deberían tener un efecto deletéreo
por encima del umbral de la evolución neutra con más frecuencia que las sustituciones
sinónimas, que no cambian la proteína. Estas variantes deletéreas serán descartadas de
la población mediante selección purificadora. Un cociente entre cambios no sinónimos
y sinónimos menor que lo esperado es la firma de la selección purificadora. Es
importante resaltar que estas observaciones no demuestran que las sustituciones
sinónimas no tengan restricciones selectivas; pero sí muestran que estas restricciones
son en promedio menos severas que las mutaciones que cambian los aminoácidos. Por
tanto, un cambio sinónimo, aunque no tiene efecto sobre la secuencia de aminoácidos,
cambia el mRNA y puede afectar la estabilidad, la vida media y la velocidad de la
traducción del mensaje.
La selección purificadora es la faceta más extendida de la selección natural, pero
a menudo es subestimada. La “eliminación de las variaciones perjudiciales” como las
llamó Darwin, es omnipresente. La selección purificadora explica por qué encontramos
muchas secuencias de proteínas que no han cambiado o que han cambiado muy poco
durante largos periodos evolutivos. Por ejemplo, un conjunto de 500 genes que existen
en todos los dominios de la vida (arqueas, bacterias, hongos, plantas y animales)
codifican proteínas cuyas secuencias se han conservado ampliamente a lo largo de tres
mil millones de años de evolución. Para preservar estas secuencias, las variantes que
han surgido aleatoriamente en los individuos de decenas de millones de especies han
sido descartadas por la selección una y otra vez.
Mensaje
La selección purificadora es un aspecto dominante de la selección
natural que reduce la variación genética y conserva las secuencias de DNA y
proteínas a lo largo de eones.
Otra predicción de la evolución neutra es que distintas proteínas tendrán relojes
moleculares con velocidades distintas, ya que la función metabólica de algunas
proteínas será mucho más sensible a los cambios de secuencia aminoacídica. Las
proteínas en las que cada aminoácido desempeña una función crítica presentarán valores
inferiores de la tasa de mutaciones efectivamente neutras que en el caso de proteínas
que sean más tolerantes frente a las sustituciones. En la Figura 19-9 se muestra una
comparación de los relojes moleculares de los fibrinopéptidos, la hemoglobina y el
citocromo c. Los fibrinopéptidos representan meramente un sistema de seguridad no
metabólico, la digestión del fibrinógeno activa la reacción de coagulación sanguínea,
por tanto parece razonable que tengan una mayor proporción de mutaciones neutras. No
es tan obvio por qué las hemoglobinas son menos sensibles que el citocromo c a los
cambios de aminoácidos.
Mensaje
La tasa de evolución neutra para la secuencia de aminoácidos de una
proteína depende de la sensibilidad de la función de dicha proteína frente a los
cambios de aminoácidos.
Debido a que el DNA y las secuencias de proteínas cambian en el tiempo,
descifrar los cambios que han sido adaptativos y los que han sido neutros es un reto
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considerable. En las próximas tres secciones del capítulo se ilustrarán vías y ejemplos
en los que se relacionan cambios genéticos con la diversidad de los organismos.
19.6 Relación entre cambios genéticos y funcionales: evolución proteica
Gran parte de la evolución de secuencias es efectivamente neutral, por lo que no existe
una relación simple entre la cantidad de cambios en el DNA de los genes y la cantidad
de cambio, si los hay, en la función de las proteínas codificadas. En un caso extremo, la
secuencia casi entera de aminoácidos de una proteína puede ser sustituida mientras
mantiene la función original. Por ejemplo, todos los eucariotas, desde las levaduras
hasta los humanos, producen lisozima, una enzima que rompe las paredes de la célula
bacteriana. Prácticamente todos los aminoácidos en esta proteína han sido sustituidos
desde que los linajes de la levadura y los vertebrados divergieron a partir de un ancestro
común; por lo que un alineamiento de sus dos proteínas o secuencias de DNA no
revelaría ninguna semejanza. La evidencia de que los genes de lisozima de levadura y
de humanos descienden de un gen ancestral común inicial proviene de las
comparaciones de formas evolutivamente intermedias que demuestran una mayor
divergencia de la secuencia conforme las especies divergen más. La enzima ha
mantenido su función a pesar de la sustitución de los aminoácidos debido a que se
sustituían los aminoácidos precisos que mantenían la estructura tridimensional de la
enzima.
Por contra, es posible cambiar la función de una enzima mediante una única
sustitución aminoacídica. Lucilla cuprina, una mosca relacionada con una enfermedad
del ganado ovino, ha desarrollado resistencia a los insecticidas organofosforados que se
han utilizado intensamente para combatirla. R. Newcombe, P. Campbell y sus
colaboradores demostraron que esta resistencia es la consecuencia de una sustitución
única de una glicina por un ácido aspártico en el centro activo de una enzima que
normalmente funciona como una carboxilesterasa. La mutación causa la pérdida
completa de la actividad carboxilesterasa, que es reemplazada por una esterasa
específica. Un modelo tridimensional de la molécula indica que el cambio es el
resultado de la capacidad de la proteína modificada para unir una molécula de agua
cerca del lugar de anclaje del compuesto organofosforado, que es hidrolizado.
Mensaje
No existe una relación directa entre la cantidad de cambios en el
DNA a lo largo de la evolución y la magnitud del cambio funcional que produce.
El papel de la selección en la evolución de la carboxilesterasa de los insectos y
en la resistencia a insecticidas es obvio. En la mayoría de casos, sin embargo, los
patrones de sustitución de aminoácidos son más complejos y el papel de la selección en
los cambios de proteínas son menos aparentes. Para detectar la selección en estos
ejemplos, se han desarrollado métodos para descubrir una firma que indica que la
selección ha actuado sobre las secuencias de DNA y proteínas.
La firma de la selección positiva en las secuencias de DNA
La demostración de la existencia de un reloj molecular apoya el hecho de que la
mayoría de las sustituciones de nucleótidos sean neutras, pero no nos dice qué
proporción de la evolución molecular es adaptativa. Una forma de identificar la
evolución adaptativa de una proteína es comparar los polimorfismos sinónimos y no
sinónimos dentro de la especie con los cambios sinónimos y no sinónimos entre
especies. Con la evolución por deriva genética aleatoria en funcionamiento, los
polimorfismos dentro de una especie representan simplemente una etapa en la fijación
ocasional de un nuevo alelo; por tanto, el cociente entre polimorfismos no sinónimos y
sinónimos en una especie debiera ser igual al cociente de sustituciones no sinónimas y
sinónimas entre especies distintas. Por otro lado, si los cambios de aminoácidos entre
especies son debidos a una selección positiva adaptativa, debería haber un exceso de
cambios no sinónimos entre especies.
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La Tabla 19-3 muestra la aplicación de este principio, por parte de John MacDonald y
Martin Kreitman, al gen del alcohol deshidrogenasa en tres especies muy cercanas de
Drosophila. Claramente, hay un exceso de sustituciones de aminoácidos en las especies
sobre lo que cabría esperar a partir de los polimorfismos. Por lo tanto, se concluye que
parte de las sustituciones de aminoácidos son cambios adaptativos regidos por la
selección natural.
Evolución morfológica
En los ejemplos examinados hasta ahora, los cambios estructurales en enzimas
alteran la especificad del sustrato y las consecuencias fenotípicas se limitan al
metabolismo. Otros cambios más dramáticos visibles en el fenotipo también se pueden
producir mediante mutaciones en las secuencias que codifican proteínas que forman
parte de una ruta reguladora que controla la diferenciación de los distintos tipos
celulares durante el desarrollo temprano del organismo. Algunos ejemplos notables y
comprendidos de divergencia fenotípica se encuentran en los patrones de la coloración
corporal en animales. El revestimiento de los mamíferos, el plumaje de las aves, la
escamas de los peces y los patrones de colores en las alas de los insectos son
maravillosamente diversos. Se ha progresado bastante en la comprensión del control
genético de la formación de color y su papel en la evolución de las diferencias de color
dentro y entre las especies.
En la región de Pinacate, al suroeste de Arizona, afloramientos de roca oscura se
encuentran alrededor de granito arenoso de color más claro (Figura 19-10). El ratón de
abazones de roca
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(Chaetodipus intermedius) vive en el Pinacate así como en otras áreas rocosas del
suroeste. Los ratones que se encuentran sobre los afloramientos de lava son típicamente
de color oscuro, mientras los hallados alrededor de las áreas de granito arenoso claro o
en el suelo del desierto, son generalmente de color claro (Figura 19-11). Estas
diferencias de color sugieren una preferencia por el hábitat que protegería al ratón de ser
visto por sus depredadores.
Los ratones de abazones de las rocas son un ejemplo de melanismo (la aparición
de formas oscuras en de una población o especie). El melanismo es uno de los tipos más
comunes de variación fenotípica en animales. El color oscuro de la piel se debe a una
acumulación sustancial del pigmento melanina, que es el más extendido en el reino
animal. En mamíferos, se producen dos tipos de melanina en los melanocitos (células
pigmentarias de la epidermis y del folículo capilar): la eumelanina, formada por
pigmentos marrón o negro, y la feomelanina, formada por pigmentos amarillo o rojo.
Los productos de varios genes controlan la cantidad relativa de eumelanina y
feomelanina. Dos proteínas claves son el receptor 1 de melanocortina (MC1R) y la
proteína agutí. Durante el ciclo de desarrollo capilar, la hormona α estimulante del
melanocito (α-MSH) se une a la proteína MC1R, lo que desencadena la inducción de las
enzimas productoras de pigmento. La proteína agutí es antagonista de la activación de
MC1R, e inhibe la producción de eumelanina.
Michael Nachman y sus colaboradores han examinado las secuencias de DNA
de los genes mc1r de los ratones de abazones oscuros y claros. Encontraron la presencia
de cuatro mutaciones en el gen mc1r de los ratones oscuros que causa cuatro cambios
distintos de aminoácidos en la proteína MC1R respecto a la misma proteína en los
ratones claros. Estudios bioquímicos sugieren que las mutaciones producen proteínas
MC1R activas constitutivamente (activas todo el tiempo), evitando la regulación de la
actividad del receptor por la proteína agutí. En realidad, las mutaciones en mc1r están
asociadas con el melanismo en todos los vertebrados salvajes y domésticos. Muchas de
estas mutaciones alteran
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residuos en la misma parte de la proteína MC1R, y las mismas mutaciones han ocurrido
independientemente en algunas especies (Figura 19-12).
Podemos considerar a estos ratones oscuros como análogos a los pinzones de
Darwin y los afloramientos de lava como nuevos hábitats “islas” producidos por la
misma actividad volcánica que produjo las islas Galápagos. La forma de color arenoso
claro del ratón parece ser el tipo ancestral, semejante al pinzón ancestral continental que
colonizó las Galápagos. Si la ventaja de ser menos visible a los depredadores hace que
la selección natural actúe sobre el color del revestimiento corporal, entonces los ratones
que ocuparon la isla de rocas de lava han acarreado la dispersión de un alelo que se vio
favorecido en un suelo de rocas oscuras, aunque seleccionado en contra en un suelo de
color arenoso. Nuevas mutaciones en el gen mc1r habrían sido esenciales para un
cambio adaptativo de este tipo.
Inactivación génica
Se ha observado que los animales de vida subterránea son a menudo ciegos y
despigmentados. Darwin observó en El origen de las especies que “varios animales que
pertenecen a clases muy distintas, de vida subterránea en Carniola (en Eslovenia) y
Kentucky, son ciegos. Como es difícil imaginar que los ojos, aunque inútiles, puedan
causar algún daño a los animales que viven en la oscuridad, su pérdida puede atribuirse
al desuso.”
Muchas especies de peces que viven en cuevas han perdido los ojos y el color
corporal. Debido a que estas especies pertenecen a muchas familias distintas, que
incluyen especies con ojos que viven en la superficie, la pérdida de la pigmentación y
los ojos se ha debido producir repetidamente. Por ejemplo, el pez ciego mexicano que
vive en cuevas (Astyanax mexicanus) pertenece al mismo orden que la piraña y el
colorido tetra neón. Cerca de 30 poblaciones que habitan en cuevas de México han
perdido el color corporal que tiene las especies emparentadas que viven en la superficie
(Figura 19-13).
Estudios genéticos indican que el albinismo en poblaciones del pez de las cuevas
de Pachón se debe a una mutación recesiva simple. Más aún, un cruzamiento entre un
individuo de las cuevas de Molino y un individuo de Pachón produce descendencia
únicamente albina, sugiriendo que el albinismo en las dos poblaciones se debe al mismo
locus genético. Para identificar el gen responsable del albinismo, los investigadores han
buscado en el pez el genotipo de varios loci de pigmentación que se sabe que causan
albinismo en ratones o humanos. Se encontró que uno de estos genes (Oca2) se
localizaba en el locus del albinismo y había una perfecta asociación entre el genotipo
del locus Oca2 y el fenotipo del albinismo en la descendencia F2 producida por un
retrocruzamiento entre Molino y la descendencia F1 de un cruce Molino x Molino de
superficie o Pachón x Pachón de superficie.
Un estudio más completo del gen Oca2 reveló que la población de Pachón era
homocigótica para una deleción que se extiende desde un intrón hasta gran parte de un
exón, y que la población de Molino era homocigótica para una deleción de un exón
diferente. Los análisis funcionales demostraron que cada deleción en el gen Oca2
causaba la pérdida de la función Oca2.
La identificación de diferentes lesiones en el gen Oca2 de las dos poblaciones de
cuevas indica que el albinismo ha evolucionado por separado en las dos poblaciones.
También hay evidencia de que una tercera población de cuevas tiene una tercera
mutación distinta en el gen Oca2. En otros vertebrados se sabe que el albinismo puede
evolucionar a través de mutaciones en otros genes. Entonces ¿por qué se produce la
inactivación repetida del gen Oca2?
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Hay dos explicaciones probables. Primero, las mutaciones en Oca2 producen
efectos colaterales leves distintos a la pérdida de pigmentación y visión. Algunos otros
genes de la pigmentación, cuando mutan en peces, producen una reducción dramática de
la viabilidad. El efecto de las mutaciones Oca2 parece ser menos pleiotrópico y tiene
efectos sobre la eficacia biológica global menos dañinos que las mutaciones en otros
genes de pigmentación en peces. Segundo, el locus Oca2 es muy grande, pues abarca
unos 345 kb en humanos y contiene 24 exones. Constituye un gran blanco para
mutaciones aleatorias que podrían interrumpir la función del gen; por lo tanto, las
mutaciones Oca2 son más probables que las mutaciones en loci menores.
Cuando pensamos en la evolución, no solemos relacionarla con la pérdida
funcional de los genes. Pero la inactivación de genes es precisamente lo que podría
predecirse cuando cambian las condiciones selectivas o cambian su hábitat o forma de
vida las poblaciones o especies, haciendo que ciertas funciones génicas dejan de ser
necesarias. Por ejemplo, la bacteria E. coli tiene genes para las enzimas necesarias para
sintetizar todos los aminoácidos esenciales; por lo tanto, puede desarrollarse en un
medio de cultivo que sólo contenga azúcar, fuentes inorgánicas de nitrógeno y una
vitamina. Los humanos, al igual que otros animales, carecemos de estos genes y
llegaríamos rápidamente a la inanición y muerte con una dieta de este tipo.
19.7 Evolución de la regulación
Según se discutió anteriormente, una restricción mayor sobre la evolución de los
genes es el efecto potencialmente pleiotrópico de las mutaciones en regiones
codificadoras. Estos efectos pueden ser evitados por mutaciones en secuencias
reguladoras, que desempeñan un papel principal en la evolución de la regulación génica
y de la forma corporal.
El ejemplo de la coloración corporal discutido anteriormente, afectaba a toda la
cobertura corporal o un patrón de escamas. La evolución de color corporal
completamente negro, o carente de pigmentos, se puede producir mediante mutaciones
en los genes de la función de pigmentación. Sin embargo, muchos esquemas de color
suelen desarrollarse dos o más colores generando algún patrón espacial. En tales casos,
la expresión de los genes de pigmentación debe diferir en áreas del cuerpo que serán de
color distinto. En diferentes poblaciones o especies, los genes reguladores de la
pigmentación pueden evolucionar por mecanismos que no interrumpan la función de las
proteínas de pigmentación,
Las especies de mosca de la fruta del género Drosophila muestran una amplia
diversidad de marcas en el cuerpo y en las alas. Un patrón común es la presencia de una
mancha oscura cerca de la punta del ala de los machos (Figura 19-14). La producción de
manchas oscuras requiere enzimas que sinteticen melanina, el mismo pigmento que
sintetizan los ratones de abazones. Se han estudiado muchos genes que controlan la ruta
de síntesis de la melanina en el organismo modelo Drosophila melanogaster. Un gen,
llamado yellow debido a que su mutación produce que áreas de pigmentación oscuras en
el cuerpo se tornen de apariencia amarillenta o bronceada, desempeña un papel principal
en el desarrollo y la divergencia de los patrones de melanina. En especies con manchas,
la proteína Yellow se expresa en niveles elevados en las células alares y producirán las
manchas negras, mientras que en especies sin manchas, Yellow se expresa en bajos
niveles en el borde de las alas (Figura 19-15a).
La diferencia en la expresión de Yellow entre especies con manchas y especies
sin manchas se debería a diferencias en el despliegue espacial de los factores de
transcripción que regulan yellow (es decir, cambios en la secuencias que actúan en trans
al gen yellow) o a diferencias en las secuencias reguladoras que actúan en cis, y que
controlan como se regula el gen yellow, o a ambas diferencias. Para examinar los
mecanismos involucrados, se analizó la actividad de las secuencias reguladoras que
actúan en cis en yellow colocándolas aguas arriba de un gen informador e
introduciéndola en D. melanogaster.
El gen yellow es regulado por una serie de elementos reguladores que actúan en
cis y que gobiernan la trascripción del gen en diferentes tejidos y tipos celulares y en
diferentes momentos del desarrollo (Figura 19-15b). Estos elementos incluyen los que
controlan la trascripción de la región bucal de la larva, el abdomen y tórax de la pupa, y
el desarrollo del borde alar. Se descubrió que, mientras los elementos reguladores que
actúan en cis
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en el borde del ala de especies sin manchas expresan bajos niveles del gen informador a
lo largo del borde del ala, el elemento correspondiente de una especie manchada, como
D. biarmipes o D. elegans, expresa altos niveles del informador en una mancha próxima
a la punta del ala (Figura 19-15c). Estas observaciones muestran que los cambios en la
secuencia y función del elemento regulador que actúa en cis son responsables de los
cambios en la regulación del gen yellow y contribuye en el origen de la mancha alar.
Los elementos reguladores que actúan en cis de las especies manchadas han adquirido
aparentemente sitios de unión de factores de trascripción que ahora dan lugar a elevados
niveles de transcripción génica en el patrón de la mancha del ala en desarrollo.
El papel crucial de la evolución de las secuencias reguladoras que actúan en cis
en la evolución de la regulación génica y los rasgos morfológicos puede explicarse
mejor a la luz de los efectos pleiotrópicos de las mutaciones que codifican genes los
genes “herramientas”. En este caso, el gen yellow es muy pleiotrópico: es necesario para
la pigmentación de muchas estructuras y también para funciones en el sistema nervioso
central. Una mutación que afecte la actividad de la proteína Yellow podría afectar la
actividad de Yellow en todos los tejidos, lo cual puede tener una consecuencia negativa
para la eficacia. Sin embargo, puesto que los elementos reguladores que actúan en cis
suelen afectar un único aspecto de la expresión génica, la mutaciones en las secuencia
reguladoras cis suministran un mecanismo para cambiar una aspecto de la expresión
génica mientras conservan a su vez el papel de proteínas pleiotrópicas en otros procesos
del desarrollo.
Evitar el efecto pleiotrópico de mutaciones codificadoras es ciertamente un
punto muy importante para la evolución hacia nuevos papeles de los factores de
transcripción que pueden regular docenas o hasta cientos de genes dianas. Cambios en
las secuencias codificadoras de un factor de transcripción (el dominio de unión al DNA,
por ejemplo) pueden afectar a todos los genes dianas, con consecuencias catastróficas
para el animal. Sin embargo, la mayoría de factores de transcripción se regulan, al igual
que los genes herramientas de los animales (como se describió en el Capítulo 12), a
través de numerosos elementos reguladores que actúan en cis. Así, se pueden producir
cambios en un elemento independientemente de otros elementos, sin afectar su función.
Mensaje Los cambios evolutivos en las secuencias reguladoras que actúan en cis
desempeñan un papel crítico en la evolución de la expresión génica, pues evitan el
efecto pleiotrópico de las mutaciones en las secuencias codificadoras de los genes que
desempeñan papeles múltiples en el desarrollo.
Las constricciones sobre la secuencia codificadora de proteínas muy
pleiotrópicas explican la extraordinaria conservación de los dominios de unión al DNA
de las proteínas Hox, y muchos otros factores de transcripción, a lo largo de vastos
lapsos de tiempo evolutivo. Aunque las funciones bioquímicas de las proteínas están
constreñidas, su regulación
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diverge. La evolución de Hox, y otros tipos de patrones de expresión génica del tipo
genes herramientas, desempeñan papeles importantes en la evolución de la forma
corporal.
Evolución de la regulación en humanos
La evolución de la regulación no se limita únicamente a los genes que afectan al
desarrollo. El nivel, el tiempo, o los patrones espaciales de expresión de cualquier gen
pueden variar dentro de la población o divergir entre especies. Por ejemplo, como
hemos observado inicialmente, las frecuencias de alelos en el locus de grupo sanguíneo
Duffy varía ampliamente en las poblaciones humanas (véase la Tabla 19-2). En África
subsahariana, la mayoría de los miembros de las poblaciones indígenas tienen el alelo
Fynull. Este alelo produce una ausencia completa de la expresión de la glicoproteína
Duffy en los glóbulos rojos, aunque la proteína se siga produciendo. ¿Cómo y porqué el
antígeno Duffy está ausente en los glóbulos rojos de estos individuos?
La explicación molecular de la falta de expresión del antígeno Duffy en los
glóbulos rojos es la presencia de una mutación puntual en la posición -46 de la región
promotora del gen Duffy. Esta mutación se halla en el sitio de unión de un factor de
transcripción, específico de los glóbulos rojos, llamado GATA1. La mutación en este
sitio anula la actividad de un intensificador de gen Duffy en un ensayo con un gen
informador.
Una explicación evolutiva sugiere es que la pérdida de expresión del antígeno
Duffy entre africanos se debe a que la selección natural favorece la resistencia a la
infección por malaria en humanos. El parásito de la malaria Plasmodium vivax es el
segundo de mayor prevalencia entre las formas de parásito malárico en la mayoría de
regiones tropicales y subtropicales del mundo, pero actualmente está ausente en el
África subsahariana. El parásito entra en los glóbulos rojos y en los precursores de los
glóbulos rojos uniéndose al antígeno Duffy. La gran frecuencia de homocigotos Fynull
en África evita que P. vivax sea común allí. Además, si suponemos que en el pasado P.
vivax fue común en África, entonces el alelo Fynull debería haber sido seleccionado.
Como la selección natural ha incrementado la frecuencia del alelo, el parásito P. vivax
podría haber llegado a ser cada vez menos común, ya que habría cada vez menos
hospedadores susceptibles. No está claro por qué no se ha producido una evolución
similar en Eurasia, donde P. vivax es común y el alelo Fynull es raro.
La ausencia completa de antígeno Duffy en los glóbulos rojos de una
subpoblación grande plantea la cuestión de si la proteína Duffy tiene alguna función, ya
que aparentemente es prescindible. Pero estos individuos no carecen completamente de
la expresión de la proteína Duffy. La proteína se expresa en las células endoteliales del
sistema vascular y en las células de Purkinje del cerebelo. Como sucede con la
evolución de la expresión de Yellow en las alas manchadas de la mosca de la fruta, la
mutación reguladora en el locus Fy permite que un aspecto de la expresión génica pueda
cambiar (en los glóbulos rojos) sin interrumpir los otros.
Las modificaciones en las secuencias reguladoras y codificadoras son rutas
comunes del cambio evolutivo, e ilustran como puede surgir la diversidad sin que
cambie el número de genes de las especies. Sin embargo, cambios mutacionales a gran
escala pueden suceder, y de hecho suceden, en el DNA, produciendo la expansión en el
número de genes, una expansión que proporciona la materia prima para la innovación
evolutiva.
19.8 El origen de nuevos genes
Está claro que la evolución consiste en algo más que en la sustitución de un alelo por
otro en loci con funciones definidas. Han surgido nuevas funciones que han originado
nuevas formas de vida. Muchas de estas funciones, por ejemplo, el desarrollo del oído
interno de los mamíferos a partir de una transformación del hueso de la mandíbula en
los reptiles, son el resultado de variaciones continuas de la forma para las que no
tenemos que acudir necesariamente a nuevos genes y proteínas. Sin embargo, se
necesitan nuevos genes y proteínas para producir novedades cualitativas, como la
fotosíntesis y las paredes celulares en las plantas, las proteínas contráctiles, tipos nuevos
de células y tejidos, moléculas transportadoras de oxígeno como la hemoglobina,
Fin página 699
el sistema inmunitario, los ciclos de detoxificación química y las enzimas digestivas.
Las funciones metabólicas más antiguas se han mantenido por necesidad, mientras se
desarrollaban otras nuevas, lo que viene a significar que se tenían que preservar los
genes antiguos a la vez que tenían que evolucionar nuevos genes con nuevas funciones.
¿De dónde viene este nuevo DNA con nuevas funciones?
Poliploidía
Un proceso que suministra nuevo DNA es la duplicación del genoma completo por
poliploidización, mucho más común en las plantas que en los animales (véase el
Capítulo 16). Observando la Figura 19-16, que muestra la distribución de frecuencias de
números haploides de cromosomas entre las especies de plantas dicotiledóneas, resulta
evidente que la poliploidía ha desempeñado un papel fundamental en la evolución de las
especies vegetales. Cuando el número de cromosomas alcanza alrededor de 12, los
números pares son mucho más frecuentes que los impares, una consecuencia de que la
poliploidía sea tan frecuente.
Duplicaciones
Un segundo proceso de incremento de DNA es la duplicación de pequeños fragmentos
del genoma como consecuencia de errores en la replicación. Alternativamente, un
elemento transponible podría insertar una copia de una parte del genoma en otro sitio
diferente (véase el Capítulo 14). Una vez que se ha duplicado un fragmento, pueden
darse tres situaciones diferentes: (1) puede simplemente incrementarse la producción de
un polipéptido; (2) la función general de la secuencia original se mantiene en el nuevo
DNA, pero se va creando paulatinamente una diferenciación funcional de las secuencias
debido a la acumulación de
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mutaciones, de forma que se producen variaciones sobre la misma proteína, lo que
posibilita, en cierto sentido, una estructura molecular más compleja. (3) El nuevo
fragmento podría divergir de un modo más drástico y adquirir una funcionalidad
completamente nueva.
Un ejemplo clásico de este segundo caso lo constituye la serie de duplicaciones
y divergencias génicas que subyacen a la producción de las diferentes hemoglobinas
humanas. La hemoglobina adulta es un tetrámero que consta de dos cadenas
polipeptídicas α y dos cadenas β, cada una de ellas con un grupo hemo unido a la
molécula. El gen que determina la cadena α se encuentra en el cromosoma 16 y el gen
para la cadena β está en el cromosoma 11, pero ambas cadenas muestran un porcentaje
del 49 % de identidad en su secuencia aminoacídica, una identidad que claramente
indica un origen común. Sin embargo, en los fetos hasta el momento del nacimiento,
sólo se encuentra aproximadamente un 20% de las cadenas β presentes en el adulto. El
80% restante de las cadenas pertenecen a un tipo relacionado, conocido como cadena γ.
Las cadenas β y γ muestran un porcentaje de identidad del 75 %, y sus genes se
encuentran próximos entre sí en el cromosoma 11, con una disposición idéntica de
exones e intrones. Este cambio en la síntesis de globinas con el desarrollo es parte de un
conjunto mayor de cambios, los cuales aparecen en la figura 19-17. El embrión
comienza en una fase temprana con las cadenas α, γ, ε y ζ . Tras 10 semanas, las
cadenas ε y ζ son reemplazadas por las cadenas α β y ε . Poco antes del nacimiento, la
cadena β reemplaza a la cadena ε y se produce una pequeña cantidad de una sexta
globina, la δ.
TABLA 19-4
La Tabla 19-4 muestra los porcentajes de identidad de aminoácidos entre estos
polipéptidos, y en la Figura 19-18 se muestra la localización cromosómica y las
estructuras exón-intrón de los genes que los cifran. La relación entre estos genes es muy
coherente. Las cadenas β, δ, γ y ε pertenecen al grupo de las cadenas de «tipo β»; éstas
poseen secuencias de aminoácidos muy similares, están cifradas por genes situados
todos en un fragmento de 60 kb de DNA en el cromosoma 11 y presentan una
distribución de exones e intrones idéntica. Las cadenas α y ζ pertenecen al grupo de
«tipo α » y sus genes se encuentran en una región de 40 kb en el cromosoma 16.
Además, tal y como se observa en la Figura 19-18, tanto en la agrupación génica del
cromosoma 11 como en la del cromosoma 16 hay pseudogenes, denominados ψα y ψβ.
Estos pseudogenes son copias duplicadas que no adquirieron nuevas funciones, sino que
acumularon
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mutaciones hasta convertirse en secuencias no funcionales. Lo más destacable es que el
orden de los genes en cada cromosoma se corresponde con el orden temporal de
aparición de las cadenas de globina en el curso del desarrollo.
En lo relativo a la hemoglobina, el DNA duplicado codifica una nueva proteína
que lleva a cabo una función íntimamente relacionada con la determinada por el gen
original. Sin embargo, el DNA duplicado puede llegar a divergir drásticamente desde un
punto de vista funcional. Un ejemplo de esta divergencia se muestra en la Figura 19-19.
Las aves y los mamíferos, como todos los organismos eucarióticos, tienen un gen que
codifica la lisozima, un enzima protector que degrada la pared celular de las bacterias.
Este gen se duplicó en el linaje de los mamíferos y dio lugar a una segunda secuencia
que cifra una proteína completamente diferente, incluso no enzimática, la αlactoalbúmina. La Figura 19-19 muestra cómo el gen surgido por duplicación tiene la
misma estructura de exones e intrones que el gen de la lisozima, cuya propia disposición
en cuatro exones y tres intrones sugiere diversos sucesos de duplicación anteriores,
durante el origen de la lisozima.
DNA importado
El nuevo DNA, como base para la elaboración de nuevas funciones, no sólo surge como
resultado de la duplicación de DNA. A lo largo del curso de la evolución y de manera
repetida, se ha importado al genoma DNA extra de diversas fuentes y por variados
mecanismos distintos a la reproducción sexual normal. El DNA puede insertarse en los
cromosomas procedentes de otras localizaciones cromosómicas e incluso de otras
especies. En algunas ocasiones, pueden incorporarse genes de organismos muy alejados
evolutivamente. Este material, una vez incorporado al genoma de la célula, pasa a
formar parte de su genoma.
Orgánulos celulares Las células eucarióticas han obtenido algunos de sus orgánulos
del mismo modo. Tanto los cloroplastos de los organismos fotosintéticos como las
mitocondrias son descendientes de procariotas que penetraron en las células
eucarióticas, bien por infección, bien por ingestión. Estos procariotas se convirtieron en
simbiontes, transfiriendo la mayor parte de su material genético al núcleo de la célula
hospedadora eucariótica, aunque retuvieron genes esenciales para las funciones
celulares. Las mitocondrias han retenido alrededor de tres docenas de genes implicados
en la respiración celular así como algunos genes de tRNA, mientras que los genomas de
los cloroplastos poseen unos 130 genes que cifran enzimas del ciclo fotosintético junto
con genes de proteínas ribosómicas y de tRNA.
Una evidencia muy importante sobre el origen extracelular de las mitocondrias
se encuentra en su código genético. El código «universal» de los genes nucleares no es,
de hecho, universal y difiere en algunos aspectos del código genético de las
mitocondrias. La Tabla 19-5 indica que, en 6 de los 64 tripletes de RNA, las
mitocondrias difieren en su código del código del genoma nuclear. Pero es más, las
mitocondrias de diferentes organismos difieren entre sí en estos elementos del código,
lo que proporciona una evidencia de que la invasión de las células eucarióticas debió
haber ocurrido no menos de cinco veces, una por cada procariota con un código distinto.
En los vertebrados, los gusanos y los insectos,
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el código mitocondrial es más regular que el código universal nuclear. En el genoma
nuclear, la isoleucina es el único aminoácido que está determinado de forma redundante
por exactamente tres codones: ATT, ATC y ATA. La transición de A a G de la tercera
base da lugar al cuarto miembro del grupo de codones, ATG, que codifica metionina.
Por contraste, en la mitocondria hay dos codones que codifican metionina y los otros
dos codifican isoleucina, por lo que una transversión separa este grupo de codones.
Transferencia horizontal Ahora resulta obvio que el genoma nuclear se encuentra
abierto a la inserción tanto de otras partes del genoma como de fuentes exógenas.
Dentro de un genoma, el DNA puede transferirse mediante la acción de los elementos
transponibles (véase el Capítulo 14). Los cromosomas de un individuo de Drosophila,
por ejemplo, contienen una gran diversidad de familias de elementos transponibles con
múltiples copias de cada uno de ellos distribuidas por todo el genoma. Hasta el 25% del
genoma puede estar constituido por elementos transponibles en su origen. No está claro
por ahora qué papel desempeña en la evolución este DNA móvil. La transposición que
tiene lugar cuando se introducen elementos transponibles en los cigotos durante el
apareamiento, como con los elementos P de Drosophila (véase el Capítulo 14), resulta
en una proliferación explosiva de estos elementos en el genoma receptor. Cuando se
inserta un elemento móvil en un gen, la mutación originada normalmente tiene un efecto
deletéreo drástico sobre el organismo, pero este efecto podría ser un artefacto de los
métodos empleados en el laboratorio para detectar la presencia de tales elementos. Los
resultados de los experimentos de selección en el laboratorio sobre caracteres
cuantitativos han demostrado que la transposición puede actuar como una fuente
añadida de variación seleccionable. Existe la posibilidad de que se transfieran genes
desde el genoma nuclear de una especie al genoma nuclear de otra mediante un
retrovirus (véase el Capítulo 14). Los retrovirus pueden ser transportados entre especies
muy distantes por vectores de enfermedades corrientes como los insectos, o a través de
las infecciones bacterianas; de este modo, cualquier tipo de material genético exógeno
portado por un retrovirus podría constituir una poderosa fuente de nuevas funciones.
19.9 Evidencia genética de ascendencia común en la evolución
Al pensar en la evolución, se piensa en cambio. Las especies que viven en un
momento particular son diferentes a sus ancestros, han cambiado en forma y función por
los mecanismos, explicados ampliamente, de la genética del proceso evolutivo. Pero
hay una segunda característica de la diversidad de la vida que Darwin consideró un
argumento importante a favor del hecho evolutivo. Los organismos actuales no solo
descienden de distintos organismos previos, sino que si podríamos retroceder en el
tiempo, organismos que son muy distintos en la actualidad descienden de una única
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forma ancestral. Si se retrocediera lo suficiente en el tiempo hasta llegar al origen de la
vida, todos los organismos de la tierra habrán descendido de un único ancestro común.
Por tanto, se espera encontrar que especies aparentemente distintas tengan semejanzas
subyacentes, atribuidas a su ancestro común y que han conservado a través del tiempo
evolutivo a pesar de todos los cambios que se han producido.
Antes de que dispusiéramos de las herramientas modernas de la bioquímica y la
genética, la principal evidencia de semejanza subyacente en estructuras aparentemente
diferentes de las distintas especies se obtuvo de las observaciones anatómicas de formas
adultas y embrionarias. Así pues, las estructuras similares de los huesos de las alas de
los murciélagos y las extremidades anteriores de los mamíferos corredores son una
evidencia del origen evolutivo de estas estructuras a partir de un ancestro común
mamífero. Además, la anatomía de las alas de los pájaros implica que hay un ancestro
común entre aves y mamíferos (Figura 19-20). Como se indicó en la discusión de las
herramientas genéticas del desarrollo en el Capítulo 12, el análisis genético del
desarrollo nos ha suministrado pruebas sólidas de ascendencia común en animales tan
distintos como insectos y mamíferos. La explicación más simple para este conjunto de
similitudes genéticas entre animales es que todo el juego de herramientas genético ya
estaba presente en el ancestro común hace 600 millones de años. Se han descubierto
muchos ejemplos de genes muy conservados y incluso rutas completas de función
similar. Esta conservación evolutiva y funcional parece ser la norma más que la
excepción. Lo que ha hecho que la genética del desarrollo sea un campo extraordinario
y excitante para la indagación biológica es la demostración, por medio del análisis
genético, que las rutas del desarrollo básico y sus bases genéticas se han conservado a lo
largo de cientos de millones de años de evolución.
Mensaje Las estrategias del desarrollo en animales son antiguas y muy conservadas.
En esencia, un mamífero, un gusano y una mosca se construyen con los mismos
bloques de construcción y mecanismos reguladores genéticos básicos. Plus ça change,
plus c´est le même chose!
En un segundo y más profundo nivel, se puede observar el origen evolutivo
común de organismos en la estructura de sus proteínas y de sus genomas. La ventaja de
la observación directa de las proteínas y de las secuencias de DNA es que no se depende
de la observación de similitudes de función entre las proteínas o las estructuras
anatómicas que resultan de la posesión de genes particulares. Ya se observó que una
sustitución aminoacídica puede cambiar la función de una proteína esterasa a una
fosfatasa ácida. A pesar de este cambio en la función, no es difícil determinar que las
dos enzimas se producen por genes cuyas secuencias codificadoras son prácticamente
idénticas, uno que ha derivado del otro a partir de un paso mutacional simple como
sucede en la evolución de la resistencia a insecticidas por selección natural.
A lo largo del tiempo evolutivo, los genes que han descendido de un ancestro
común divergirán en la secuencia del DNA y en su posición física en el genoma, como
resultado de las mutaciones y reordenaciones cromosómicas. Si transcurre suficiente
cantidad de tiempo y la selección natural no la contrarresta, esta divergencia podría
finalmente resultar en la pérdida de cualquier similitud observable en genes o proteínas
entre diferentes especies, a pesar de que hubieran descendido de un ancestro común. De
hecho, aunque el tiempo transcurrido hasta el ancestro común de vertebrados e
invertebrados actuales, las similitudes en las secuencias del DNA y de las proteínas
entre Drosophila y
Fin Página 704
ratones no se han borrado. No es porque las tasas de mutación no sean suficientemente
elevadas para producir una pérdida completa de las similitudes a lo largo de miles de
millones de años, sino también porque muchas de las nuevas mutaciones no perduran,
debido a que causan una pérdida deletérea o un cambio en la función de una proteína o
en el control del tiempo y el lugar donde se produce la proteína. Por tanto, la cantidad
de divergencia que se conserva en la evolución es limitada.
Comparación de los proteomas de especies distantes
Un esfuerzo importante de la genética molecular se centra en la determinación de la
secuencia completa de DNA en una variedad de especies distintas. En el momento en
que se escribió este párrafo, cientos de genomas se habían secuenciado, incluyendo el
de muchas bacterias, hongos, plantas y animales. Mientras lee estas líneas, muchos más
genomas de muchas otras especies habrán sido secuenciados. La disponibilidad de estos
datos hace posible reconstruir la evolución de los genomas de una gran diversidad de
especies a partir de su ancestro común. Más aún, ahora es posible inferir las semejanzas
y diferencias en los proteomas de las especies comparando las secuencias génicas de
varias especies con secuencias de genes que codifican secuencias de aminoácidos y
cuya función proteica se conoce.
En el estado actual de conocimientos, se pueden proponer funciones a cerca de
la mitad de las proteínas del proteoma de cada uno de los eucariotas cuyo genoma se ha
secuenciado, mediante la similitud de sus secuencias con proteínas de función conocida.
En la Figura 19-21 se representa la distribución en categorías funcionales genéricas de
esta mitad de cada proteoma.
Fin Página 705
Es llamativo que el grupo de proteínas implicado en la defensa y la inmunidad se ha
expandido mucho más en humanos que en otras especies. Sin embargo, en otras
categorías funcionales, aunque hay un mayor número de proteínas en el linaje humano,
no hay ningún otro caso en el que las diferencias entre humanos y el resto de eucariotas
sean tan pronunciadas. Como se discutió en el Capítulo 10 y 11, la expresión génica
suele controlarse a través de la regulación de la transcripción por proteínas llamadas
factores de transcripción. Tal vez, como una manifestación de los muchos tipos
celulares que se diferencian en humanos, el tamaño y la distribución de las familias de
factores de transcripción específicos excede ampliamente al de otros eucariotas
secuenciados, a excepción de la mala hierba Arabidopsis thaliana (véase la Figura 1921).
La distribución de proteínas descritas en el párrafo anterior es una descripción de
solamente la mitad de cada proteoma. ¿Qué hay sobre la otra mitad? Puede ser dividido
en dos componentes. Un componente que comprende cerca del 30% de cada proteoma,
constituido de proteínas que tienen “parientes” en los diferentes genomas, pero que
ninguna tiene una función asignada. El otro componente, que comprende el 20%
restante de cada proteoma y está constituido por proteínas no relacionadas, según sus
secuencias de aminoácidos, con ninguna otra proteína conocida en otra rama del árbol
evolutivo de los eucariotas. Se puede pensar en dos posibles explicaciones para estos
nuevos polipéptidos. Una posibilidad es que alguno de estos polipéptidos evolucionó
una vez que divergió de la especie secuenciada, con la que tenía un ancestro común.
Dado que estas especies difieren más evolutivamente que unos cuantos cientos de
millones de años, no debe sorprender que sea frecuente encontrar estas proteínas de
nueva evolución. La otra posibilidad es que alguna de estas proteínas haya evolucionado
muy rápidamente, y su ascendencia haya sido esencialmente borrada y cubierta de las
nuevas mutaciones que se han ido acumulando. Es muy probable que ambas
posibilidades sean correctas para un subconjunto de estos nuevos polipéptidos.
Finalmente podemos preguntar, ¿de dónde vienen los genes que codifican
proteínas en el genoma humano? En la Figura 19-22 se representa la distribución de
genes humanos en otras especies. Aproximadamente la quinta parte de los genes
humanos conocidos se han encontrado solamente en vertebrados. Otra quinta parte
parece ser ubicua en procariotas y eucariotas. Cerca de un tercio se han encontrado en
eucariotas pero no en bacterias. Pero cuando se compara el genoma humano con el de
otros mamíferos, se encuentra que la gran mayoría de genes son comunes a todos los
demás, indicando que el último ancestro común de todos los mamíferos tenía la mayoría
de los genes que produce el humano actual.
Comparación de genomas entre vecinos próximos: Genómica comparada de
humanos y ratón
Los genomas han evolucionado en parte por un proceso de reordenamiento
cromosómico, es decir, por una rotura y reunión de la doble cadena de la molécula de
DNA que da lugar a una nueva ordenación de los genes y a nuevos cromosomas (véase
el Capítulo 16 para una discusión de las reordenaciones cromosómicas). Se puede
descubrir el grado de acumulación de reordenaciones cromosómicas durante la
evolución comparando el orden de los genes compartidos entre las especies que han
divergido. A modo de ejemplo de esta aproximación, se compararán los genomas de
humanos y ratón, dos especies que han divergido de un ancestro común que vivió hace
50 millones de años. El genoma de ratón se ha secuenciado suficientemente como para
conocer bastante bien el orden relativo de los genes. Grandes bloques de genes
conservados son fácilmente reconocibles. Mediante comparaciones sistemáticas de este
tipo, se pueden elaborar mapas de sintenia, que muestran los fragmentos
cromosómicos de una especie coloreados sobre el cariotipo de la otra especie. En la
Figura 19-23 se muestra una representación a color del genoma sinténico de la especie
humana y el ratón. En esta ilustración, 21 colores distintos representan a los 19
autosomas y a los cromosomas sexuales X e Y del ratón. Por
Fin Página 706
ejemplo, la mayor parte del cromosoma 14 del ratón puede hallarse en tres bloques del
cromosoma 13 humano. Pequeños segmentos adicionales se encuentran en los
cromosomas 3, 8, 10 y 14. Otras distribuciones similares en bloques se observan en el
genoma humano para cada uno de los otros cromosomas de ratón. Por tanto, podemos
concluir que se han producido muchas reordenaciones cromosómicas entre el humano y
el ratón, pero no las suficientes como para que ambos genomas estén completamente
mezclados entre sí.
Mensaje La genómica comparativa es una fuente para el descubrimiento de los
cambios génicos y cromosómicos producidos a lo largo del proceso evolutivo.
19.10 El proceso de especiación
Cuando observamos el mundo viviente, vemos que los organismos individuales suelen
aparecer asociados en grupos donde más o menos se asemejan unos a otros, mientras
que muestran claras diferencias con los individuos pertenecientes a otros grupos. Un
examen minucioso de los descendientes de una mosca Drosophila
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revelará diferencias de mosca a mosca en el número de quetas, el tamaño de los ojos y
diversos detalles en el patrón de coloración. Sin embargo, un entomólogo no tiene
dificultad alguna en distinguir entre, digamos, Drosophila melanogaster y Drosophila
pseudoobscura. Nunca se observa una mosca que se encuentre a medio camino entre
estos dos tipos. Está claro que, en la naturaleza al menos, no hay cruzamientos entre
estas dos formas. Un grupo de organismos que intercambia genes dentro del grupo, pero
no puede hacer lo mismo con los individuos de otros grupos, es lo que se denomina una
especie. En el seno de una especie, pueden existir poblaciones locales que también se
pueden distinguir fácilmente unas de otras por alguna característica fenotípica, sin
embargo puede producirse un intercambio de genes entre ellas. Por ejemplo, no existe
ninguna dificultad en distinguir a un senegalés «típico» de un sueco «típico»; no
obstante, estas personas pueden emparejarse entre sí y producir descendencia. De hecho,
en los últimos 300 años se ha producido este tipo de emparejamiento en Norteamérica y
existe un grandísimo número de personas que exhiben fenotipos intermedios entre estos
dos tipos geográficos locales. No se trata de especies separadas. En general, hay algunas
diferencias en las frecuencias de varios genes en las distintas poblaciones geográficas de
una especie, por lo que la decisión de que una población concreta constituye una raza no
deja de ser arbitraria y, como consecuencia de ello, el concepto de raza no se usa mucho
en Biología.
Mensaje
Una especie es un grupo de organismos que pueden intercambiar
genes entre ellos, pero son incapaces genéticamente de intercambiar genes en la
naturaleza con indicios de otros grupos. Una raza geográfica es una población local,
distinguible fenotípicamente dentro de una especie, que es capaz de intercambiar
genes con otras razas dentro de la especie. Como casi todas las poblaciones
geográficas difieren unas de otras en cuanto a las frecuencias alélicas de algunos
genes, el concepto de raza no establece una distinción biológica clara.
Todas las especies que existen actualmente están relacionadas unas con otras y
comparten un antepasado común en cierto momento del pasado evolutivo. Esto quiere
decir que cada especie se ha separado de una especie preexistente, convirtiéndose en
una forma genéticamente distinta y genéticamente aislada respecto de su línea ancestral.
En circunstancias extraordinarias, la creación de un grupo aislado genéticamente puede
ocurrir por efecto de una mutación única, pero el portador de esa mutación tendría que
ser capaz de autofecundarse o reproducirse vegetativamente. Además, esa mutación
tendría que causar una incompatibilidad de apareamiento completa entre su portador y
el resto de la especie original, para que ello permitiera que la nueva línea pudiera
competir con éxito con el grupo establecido previamente. Aunque no sean imposibles,
tales sucesos deben ser muy infrecuentes.
La vía habitual hacia la formación de una nueva especie es a través del
aislamiento geográfico. Como se mencionó anteriormente, las poblaciones que están
separadas geográficamente se diferenciarán genéticamente unas de otras como
consecuencia de la acción combinada de mutaciones únicas, la selección y la deriva
genética aleatoria. La migración entre poblaciones, sin embargo, contrarrestará estos
efectos y evitará que esta divergencia vaya demasiado lejos. Incluso un único
inmigrante por generación será suficiente para impedir que las poblaciones queden
fijadas en alelos alternativos por la acción exclusiva de la deriva genética, e incluso la
selección hacia distintos picos adaptativos no conseguirá una divergencia completa a
menos que sea extraordinariamente fuerte. Como consecuencia de esto, las poblaciones
que se diferencian lo suficiente para convertirse en una nueva especie aislada
reproductoramente, deben aislarse totalmente unas de otras por alguna barrera
mecánica. Este aislamiento requiere casi siempre alguna separación espacial, y ésta
debe ser lo suficientemente grande o las barreras naturales que impiden el paso de
inmigrantes lo suficientemente importantes como para evitar cualquier migración
efectiva. Estas poblaciones especialmente aisladas se denominan alopátricas. La
barrera de aislamiento podría ser, por ejemplo, la lengua de un glaciar continental en
expansión durante las glaciaciones que separa a una población que se encontraba
distribuida de manera continua, o la deriva de los continentes que acaban separados por
los océanos, o la colonización poco frecuente de islas que se encuentran alejadas del
continente.
Fin página 708
La cuestión fundamental es saber si las barreras evitan o no las migraciones entre las
poblaciones que se han separado. Si es así, entonces las poblaciones se vuelven
independientes genéticamente y continuarán su divergencia por mutación, selección y
deriva genética. Ocasionalmente, la diferenciación genética entre las poblaciones
alcanzará tal magnitud que la formación de híbridos será imposible debido a razones
fisiológicas, de desarrollo o de comportamiento, incluso tras la desaparición de la
barrera geográfica que las separaba. Estas poblaciones aisladas biológicamente son
ahora especies nuevas, formadas mediante un proceso de especiación alopátrica.
Mensaje
La especiación alopátrica tiene lugar debido a una separación
mecánica y geográfica inicial de las poblaciones que impide cualquier flujo génico
entre ellas, seguido de una divergencia genética por parte de las poblaciones ya
aisladas, suficiente como para imposibilitar en un futuro el intercambio de genes.
Existen dos mecanismos principales de aislamiento biológico: los mecanismos de
aislamiento precigótico y postcigótico. El aislamiento precigótico ocurre cuando existe
una incapacidad para formar un cigoto. El motivo de este aislamiento puede ser que
diferentes especies se apareen en estaciones distintas del año o en diferentes hábitats.
Puede ocurrir también que las especies no resulten sexualmente atractivas unas a otras o
que su órganos genitales sean incompatibles o bien que exista una incompatibilidad
fisiológica de los gametos masculinos y femeninos.
Los ejemplos de aislamiento precigótico son bien conocidos tanto en el mundo
animal como entre las plantas. Las dos especies de pino que crecen en la península de
Monterrey, Pinus radiata y P. muricata, arrojan su polen en febrero y en abril
respectivamente, y así no intercambian genes. Las señales luminosas que emiten los
machos de luciérnaga para atraer a las hembras difieren en intensidad y ritmo entre las
distintas especies. En la mosca tsetsé, Glossina, las incompatibilidades mecánicas
causan serios daños e incluso la muerte si los machos de una especie se aparean con
hembras de otra. El polen de distintas especies de Nicotiana, el género al cual pertenece
el tabaco, cuando se posa en el estigma de otra especie, o bien falla la germinación o
bien no puede crecer a través del estilo. El aislamiento postcigótico resulta de la
incapacidad del cigoto fecundado de proveer gametos a las siguientes generaciones. Los
híbridos presentan fallos en el desarrollo o muestran una eficacia biológica inferior a la
de los individuos de las especies parentales y pueden ser parcial o totalmente estériles.
El aislamiento postcigótico es más corriente entre los animales que en las plantas,
aparentemente debido a que el desarrollo de muchas plantas es mucho más tolerante
frente a las incompatibilidades genéticas y las variaciones cromosómicas. Cuando los
huevos de la rana leopardo, Rana pipiens, se fertilizan con esperma de la rana
arborícola, R. sylvatica, los embriones no logran desarrollarse. Se pueden cruzar
fácilmente caballos y asnos para originar mulas pero, como es de sobra conocido,
dichos híbridos son estériles.
Genética del aislamiento de especies
Normalmente no es posible realizar ningún tipo de análisis genético de los mecanismos
de aislamiento entre dos especies, por la simple razón de que, por definición, no se
pueden llevar a cabo cruzamientos entre ellas. No obstante, es posible hacer uso de
especies estrechamente emparentadas en las que los mecanismos de aislamiento se
basan en esterilidad incompleta de los híbridos, así como en la depresión de los
híbridos. Estas especies pueden cruzarse y los descendientes segregantes de la F2 de
híbridos o generaciones de retrocruzamientos pueden analizarse usando marcadores
genéticos o mediante la técnica de localización de loci de caracteres cuantitativos
(QTLs) explicada en el Capítulo 18. Cuando se han llevado a cabo tales experimentos
con marcadores en otras especies, fundamentalmente en el género Drosophila, las
conclusiones generales a las que se llega son que las diferencias en genes responsables
de la inviabilidad del híbrido se encuentran distribuidas en todos los cromosomas de una
manera más o menos uniforme, y que, para la esterilidad del híbrido, existe algún efecto
añadido del cromosoma X. En los casos de aislamiento debido al comportamiento
sexual, los resultados son variables. En Drosophila, todos los cromosomas están
implicados pero, en los lepidópteros,
Fin página 709
los genes responsables están mucho más localizados, aparentemente por la implicación
de feromonas específicas. El cromosoma sexual tiene un efecto muy fuerte en las
mariposas; en el taladro europeo del maíz, sólo tres loci, uno de los cuales se encuentra
en el cromosoma sexual, son responsables del completo aislamiento entre los tipos de
feromonas en el seno de la especie.
Resumen
La teoría darwiniana de la evolución es un planteamiento basado en la variación, que
explica los cambios que se dan en las poblaciones de organismos como el resultado de
los cambios que se producen en las frecuencias relativas de las diferentes variantes de la
población. Si en alguna característica no hay variación dentro de las especies, no puede
haber evolución. Además, la variación debe estar influida por las diferencias genéticas.
Si las diferencias no son heredables, no pueden evolucionar, porque la reproducción
diferencial de las distintas variantes no se transmitirá entre líneas generacionales. Por
tanto, todas las reconstrucciones evolutivas hipotéticas dependerán de manera crítica de
si el carácter en cuestión es heredable. Los procesos que generan la variación en la
población son independientes de los procesos responsables de la reproducción
diferencial de los distintos tipos. Se hace referencia a esta independencia cuando se dice
que las mutaciones ocurren al «azar». El proceso de mutación suministra variación sin
ninguna finalidad concreta, mientras que el proceso de selección filtra esta variación,
aumentando la frecuencia de aquellas variantes que por casualidad están más
favorecidas para sobrevivir y reproducirse. Muchos son los llamados, pero pocos los
elegidos.
La divergencia evolutiva de las poblaciones en el espacio y en el tiempo no es
sólo una consecuencia de la selección natural. La selección natural no es un proceso
optimizador de carácter general que logra el «mejor» organismo para un medio
ambiente concreto. Por el contrario, obtiene una solución de entre una serie de «buenas»
soluciones alternativas frente a los problemas adaptativos. El resultado concreto de la
evolución por selección en un caso particular es fruto de acontecimientos históricos
casuales. Los factores aleatorios, como la deriva genética o la aparición o pérdida de
nuevas mutaciones al azar, pueden producir resultados completamente distintos en un
mismo proceso evolutivo, incluso aunque la intensidad de la selección natural sea la
misma. La metáfora que se emplea habitualmente es la de un «paisaje adaptativo» de
combinaciones genéticas donde la selección natural dirige a la población a un «pico»
adaptativo en tal paisaje, pero sólo a uno de los diversos picos alternativos que hay en el
paisaje.
No toda la evolución está impulsada por las fuerzas selectivas de la naturaleza.
Si la diferencia selectiva entre dos variantes genéticas es lo suficientemente pequeña,
menos de la inversa del tamaño de la población, se puede producir la sustitución de un
alelo por otro nuevo exclusivamente por acción de la deriva genética aleatoria. La
sustitución de una secuencia proteica por otra diferente pero de función equivalente
parece dar cuenta de una gran parte de la evolución molecular. La prueba de esta
evolución neutra es que el número de aminoácidos diferentes en la misma molécula en
dos especies diferentes (por ejemplo, la hemoglobina) es directamente proporcional al
número de generaciones que han transcurrido desde que ambas especies se separaron a
partir de un antepasado común. Un «reloj molecular» así, con una tasa de cambio
constante, no sería posible si la selección de las diferencias dependiera de cambios
concretos del medio ambiente. Además, es de esperar que dicho reloj corra más deprisa
para proteínas como los fibrinopéptidos, en las que la composición aminoacídica no es
esencial para su función, y de hecho se observan este tipo de diferencias en el ritmo de
avance del reloj molecular. Por tanto, no podemos asegurar, si carecemos de pruebas,
que los cambios evolutivos sean el resultado de una selección natural adaptativa.
Puesto que gran parte de la evolución de secuencias es efectivamente
neutral, no existe una relación simple entre la cantidad de cambio en la secuencia de
DNA de los genes y la cantidad de cambio, si lo hay, en la función de las proteínas
codificadas. Algunas funciones proteicas pueden cambiar por una sustitución de un
único aminoácido, mientras que otras requieren una serie de sustituciones. El efecto
pleiotrópico de las mutaciones constituye una importante restricción sobre la evolución
de la secuencia codificadora. Si una proteína sirve para funciones múltiples en
diferentes tejidos, las mutaciones en la secuencia codificadora pueden afectar a todas las
funciones y por lo tanto tienen consecuencias negativas para la eficacia biológica. El
potencial efecto pleiotrópico de las mutaciones en las regiones codificadoras puede ser
evitado por mutaciones en elementos reguladores no codificadores que pueden cambiar
selectivamente la expresión del gen en sólo un tejido o una parte del cuerpo y no en
otras. La evolución de la secuencia reguladora que actúa en cis es crucial en la
evolución de los caracteres morfológicos y la expresión de los genes herramienta que
controlan el desarrollo.
A menudo surgen nuevas funciones gracias a la evolución de genes duplicados.
Este DNA nuevo puede surgir por duplicación del genoma completo (poliploidía)
seguido de una lenta divergencia evolutiva del complemento cromosómico extra. Esto
ha ocurrido frecuentemente en el mundo vegetal. Una alternativa es la duplicación de
genes individuales seguido de selección y diferenciación. Otra fuente adicional de
DNA, descubierta recientemente, es la entrada en el genoma de DNA procedente de
organismos alejados filogenéticamente mediante infección y posterior integración del
DNA foráneo en el genoma nuclear, o por la formación de orgánulos extranucleares con
sus propios genomas. Los cloroplastos y las mitocondrias de organismos superiores han
surgido de esta forma.
La gran diversidad de formas de vida distintas que han existido es consecuencia
de historias evolutivas independientes que han tenido lugar en poblaciones separadas.
Para que distintas poblaciones diverjan unas de otras no deben intercambiar genes; por
tanto, la evolución independiente de un gran número de especies requiere que esas
especies estén aisladas reproductoramente unas de otras. De hecho, definimos una
especie como una población de organismos que intercambia genes en su seno, pero se
encuentra aislada reproductoramente con respecto a otras poblaciones. Los mecanismos
de aislamiento reproductivo pueden ser precigóticos o postcigóticos. Los mecanismos
de aislamiento precigótico
Fin página 710
son los que impiden la unión de los gametos de dos especies. Estos mecanismos se
pueden basar en incompatibilidades de conducta entre los machos y las hembras de las
distintas especies, diferencias en el período o el lugar de la actividad sexual, diferencias
mecánicas que impiden el apareamiento o incompatibilidades fisiológicas de los propios
gametos. Entre los mecanismos de aislamiento postcigótico se incluyen la incapacidad
del híbrido de desarrollarse hasta la etapa adulta, y la depresión de las generaciones
posteriores de genotipos recombinantes. Las diferencias genéticas responsables del
aislamiento reproductivo entre especies estrechamente relacionadas se encuentran, en su
mayoría, distribuidas uniformemente por todo el genoma, aunque en especies con
determinación cromosómica del sexo puede haber una concentración de genes de
incompatibilidad en el cromosoma sexual.
En resumen, la evolución genética es un proceso histórico sujeto a circunstancias
históricas y al azar, pero restringido por la necesidad de los organismos de sobrevivir y
reproducirse en un mundo en constante cambio.
Términos clave
aislamiento postcigótico (p. 709)
aislamiento precigótico (p. 709)
paisaje adaptativo (p. 686)
caracteres canalizados (p. 689)
diversificación (p.681)
efecto fundador (p. 684)
especiación alopátrica (p. 709)
especie (p. 708)
evolución filética (p. 681)
mapa sinténico (p. 706)
melanina (p. 695)
melanismo (p. 695)
población alopátrica (p. 708)
reloj molecular (p.691)
selección diferencial (p. 685)
selección equilibradora (p. 685)
selección natural (p. 680)
selección purificadora (p. 692)
epistasia señal (p. 688)
superficie adaptativa (p. 686)
sustitución no sinónima (p. 692)
sustitución sinónima (p. 692)
Problemas resueltos
Problema resuelto 1 Un entomólogo que estudia insectos que se alimentan de la
vegetación en estado de putrefacción ha descubierto un caso interesante de
diversificación del jején de las setas en distintas islas de un mismo archipiélago. Cada
isla tiene una población de jejenes extraordinariamente similar en morfología, aunque
no idéntica, a las de otras islas, pero cada una vive sobre un tipo diferente de vegetación
en putrefacción que no se encuentra en las otras islas. El entomólogo postula que se
trata de especies estrechamente emparentadas que se han diferenciado adaptándose a
alimentarse de sustratos ligeramente distintos.
Para apoyar esta hipótesis, lleva a cabo un estudio electroforético de la enzima
alcohol deshidrogenasa de las distintas poblaciones. Descubre que cada población se
caracteriza por una forma electroforética distinta de la alcohol deshidrogenasa,
razonando entonces que cada una de estas formas de la enzima está adaptada
específicamente a alcoholes concretos que se producen durante la fermentación de cada
tipo particular de vegetación en cada isla. Además, dentro de cada isla hay algún
polimorfismo, pero la frecuencia de estos alelos variantes es baja, por lo que se puede
explicar su presencia como el resultado de mutaciones ocasionales o de migraciones
infrecuentes desde otra isla. Los jejenes de las setas se convierten en un ejemplo de libro
de texto acerca de cómo la diversidad de especies puede surgir por selección natural y
adaptación a diferentes condiciones ambientales.
Una genetista de poblaciones escéptica lee el caso en un libro de texto y le
surgen dudas de inmediato. A ella le parece que, según todos los indicios, una
explicación igualmente plausible es que no se trata en absoluto de especies distintas,
sino sólo de razas geográficas locales que se han diferenciado ligeramente en su
morfología por efecto de la deriva genética aleatoria. Además, las distintas formas de la
proteína alcohol deshidrogenasa podrían ser variantes fisiológicamente equivalentes de
un gen que experimenta una evolución molecular neutra en las distintas poblaciones
aisladas.
Diseñe una estrategia de investigación con la que se pueda distinguir entre ambas
explicaciones alternativas. ¿Cómo se podría comprobar si las diversas poblaciones son o
no especies distintas? ¿Cómo se podría verificar la hipótesis de que las distintas formas
del alcohol deshidrogenasa se han diferenciado por selección natural?
Solución
Para examinar el grado de distinción de las diferentes poblaciones de jejenes, es
necesario poder manipularlos y criarlos en cautividad. Si no se pueden criar en el
laboratorio o en un invernadero, no se puede establecer el grado de diversificación de la
especie. Se puede examinar la compatibilidad del comportamiento sexual de los
distintos grupos, colocando una mezcla de machos de dos poblaciones diferentes con
hembras de una de ellas, y comprobando si existe alguna preferencia de apareamiento
en las hembras. Se puede repetir este mismo experimento con una mezcla de hembras y
una sola categoría de machos, y con
Fin página 711
mezclas de machos y hembras de ambas clases. A partir de pruebas como éstas, se
pueden establecer modelos de preferencia en el apareamiento. Aun cuando haya una
pequeña proporción de apareamiento entre diferentes formas de jején, se podría atribuir
a las condiciones no naturales en que se ha llevado a cabo el experimento. Por otra
parte, podría ocurrir que no tuviera lugar ningún tipo de apareamiento, incluso entre
miembros de la misma clase, porque falte alguna señal de apareamiento necesaria, en
cuyo caso no se podría concluir nada.
Si los apareamientos entre las diversas formas tuvieran lugar, se podría comparar
la supervivencia de los híbridos entre poblaciones con la de los descendientes de los
cruzamientos entre miembros de la misma población. Si los híbridos sobrevivieran, se
podría evaluar su fertilidad tratando de llevar a cabo retrocruzamientos con las dos
estirpes parentales. Igual que con la comprobación de preferencias de apareamiento,
podría ser posible cierto grado de supervivencia o fertilidad de los híbridos en las
condiciones no naturales de laboratorio o invernadero, aunque el aislamiento en la
naturaleza sea completo. Una reducción evidente en la supervivencia o en la fertilidad
de los híbridos sería un poderoso indicio de que ambas estirpes parentales pertenecen a
especies diferentes.
Para examinar si las distintas secuencias aminoacídicas que subyacen bajo las
diferentes movilidades electroforéticas son la consecuencia de una divergencia
selectiva, haría falta secuenciar todos los alelos del locus de la alcohol deshidrogenasa.
Habría que obtener muestras de las secuencias Adh de cada isla. El número de
secuencias Adh procedentes de cada isla dependerá del grado de polimorfismo presente
en cada población, pero los resultados obtenidos del estudio de muchos loci en muchas
especies parecen indicar que, como regla general, se deberían obtener al menos 10
secuencias de cada población. Las posiciones polimórficas de la población se clasifican
como no sinónimas (a) y sinónimas (b). Las diferencias fijadas entre poblaciones
también se clasifican en no sinónimas (c) y sinónimas (d). Si las diferencias observadas
entre las poblaciones son simplemente el resultado de la deriva genética aleatoria,
entonces esperaríamos que a/b fuera igual a c/d. Si, por el contrario, hubiera tenido
lugar una divergencia selectiva, habría un exceso de diferencias no sinónimas fijadas en
las distintas poblaciones, por lo que a/b debiera ser menor que c/d. La relación de estos
cocientes se puede comprobar mediante una prueba de contingencia de χ2:
AQUÍ VA UNA ILUSTRACIÓN
1. Polimorfismos
2. No sinónimos
3. Sinónimos
4. Diferencias en la población
X2 = (a + b + c + d) (ad - bc)2 / (a + c) (b + d) (a + b) (c + d)
Problema resuelto 2 Dos especies íntimamente emparentadas tienen fijados dos alelos
distintos, detectables mediante electroforesis, de un locus responsable de la aparición de
una enzima. ¿Cómo se podría demostrar que esta divergencia es el resultado de la
acción de la selección natural y no de la evolución neutra?
Solución
a. Se deben obtener secuencias de DNA del gen procedentes de distintos individuos o
estirpes de cada una de las dos especies. Sería aconsejable obtener diez o más
secuencias de cada especie.
b. Hay que clasificar las diferencias de nucleótidos entre los individuos de la misma
especie (polimorfismos), y clasificar estas diferencias en las que originan cambios de
aminoácidos (polimorfismos de sustitución) y las que no cambian el aminoácido
(polimorfismos sinónimos).
c. Hay que llevar a cabo la misma clasificación de cambios sinónimos y de sustituciones
entre especies, teniendo en cuenta sólo aquellas diferencias que aparecen
exclusivamente entre las especies. Es decir, no se debe contabilizar un polimorfismo en
una especie que incluya una variante observada en la otra especie.
d. Si el cociente entre las diferencias de sustitución respecto a las diferencias de
cambios sinónimos entre especies es mayor que el mismo cociente para el polimorfismo
dentro de cada especie, entonces debemos pensar en cambios de sustitución
aminoacídica debidos a la selección natural.
e. Hay que verificar si dicho cociente es estadísticamente significativo mediante una
prueba de contingencia de χ2 como la de la tabla siguiente:
AQUÍ VA UNA ILUSTRACIÓN
1. Polimorfismos
2. Sustitución
3. Sinónimos
4. Diferencias entre especies
5. Sustituciones sinónimas
X2 = (a + b + c + d) (ad - bc)2 / (a + c) (b + d) (a + b) (c + d)
Problema resuelto 3 ¿Cómo se podría utilizar la evolución molecular de un grupo de
proteínas distintas para obtener evidencias de la importancia relativa de las distintas
secuencias aminoacídicas particulares sobre la función de cada proteína?
Solución
Primero, hay que obtener DNA de los genes de cada proteína procedentes de una gran
variedad de especies cuya divergencia a partir de un antecesor común esté bien
caracterizada en el registro fósil. Luego, hay que traducir esta información a secuencias
proteicas. Para cada proteína, hay que representar las diferencias de aminoácidos entre
cada par de proteínas frente al tiempo de divergencia estimado para esas dos especies.
La recta correspondiente a cada proteína tendrá una pendiente proporcional al grado de
restricción funcional que se opone a las sustituciones de aminoácidos en esa proteína.
Las proteínas con restricciones muy acusadas tendrán tasas de sustitución muy bajas,
mientras que las proteínas más tolerantes frente a las sustituciones presentarán
pendientes más pronunciadas.
Fin página 712
Problemas
Problemas básicos
1. ¿Cuál es la diferencia entre un modelo de la evolución basado en la
transformación y otro basado en la variación? Proponga un ejemplo en cada caso
(sin incluir la teoría de Darwin de la evolución de los organismos).
2. ¿Cuáles son los tres principios en los que se fundamenta la teoría de la evolución
de Darwin basada en la variación?
3. ¿Por qué la explicación mendeliana de los mecanismos de la herencia es esencial
para la teoría darwiniana de la evolución por variación? ¿Cuáles serían las
consecuencias para la evolución si la herencia fuera la mezcla de sangre? ¿Qué
ocurriría con la evolución si los heterocigotos no segregaran exactamente el 50%
de cada uno de los dos alelos de un locus, sino que se presentara siempre un
sesgo hacia uno de los dos alelos?
4. ¿Qué es una raza geográfica? ¿Cuál es la diferencia entre una raza geográfica y
una especie distinta? ¿Bajo qué circunstancias se convertirán razas geográficas
de una misma especie en nuevas especies diferentes?
Problemas para pensar
5. Si la tasa de mutación hacia un alelo nuevo es 10-5, ¿qué tamaño deben tener
poblaciones aisladas para evitar que se diferencien por azar en la frecuencia de
este nuevo alelo?
6. Supongamos que cierto número de poblaciones locales de una especie tienen
todas un tamaño de, aproximadamente, 10 000 individuos y que existe
migración entre ellas. Supongamos, además, que estas poblaciones se formaron
originalmente a partir de una gran población original con una frecuencia del
alelo A de cierto locus igual a 0.4. Muestre mediante un croquis cuál será la
distribución de las frecuencias alélicas en las diversas poblaciones locales tras
100, 1000, 5000, 10 000 y 100 000 generaciones de aislamiento.
7. Muestre los resultados para las poblaciones descritas en el Problema 6 si hubiera
un intercambio entre las poblaciones de inmigrantes con tasas de (a) un
inmigrante por población cada 10 generaciones; (b) un inmigrante por población
y por generación.
8. Supongamos que una población está segregando en dos loci con dos alelos en
cada uno de ellos, y que la probabilidad relativa de supervivencia de los cigotos
hasta la madurez sexual es, para los nueve genotipos, la que se muestra a
continuación:
AQUÍ VA UNA ILUSTRACIÓN
Calcule la eficacia biológica media, mediaW, de la población si las frecuencias
alélicas fueran p(A) = 0.8 y p(B) = 0.9. ¿Cuál sería la dirección del cambio que
se esperaría en las frecuencias alélicas de la siguiente generación? Realice el
mismo cálculo y la misma predicción en el caso de que las frecuencias alélicas
fueran p(A) = 0.2 y p(B) = 0.2. ¿Cuántos picos adaptativos se puede deducir que
existen a partir del examen de las eficacias biológicas de los genotipos? ¿Cuáles
serán las frecuencias alélicas del pico o picos adaptativos?
9. Supongamos que las eficacias biológicas genotípicas del Problema 8 fueran en
realidad:
AQUÍ VA UNA ILUSTRACIÓN
Calcule la eficacia biológica media, mediaW, para unas frecuencias alélicas p(A)
= 0.5 y p(B) = 0.5. ¿En qué dirección se esperaría que se efectuara el cambio de
frecuencias alélicas de la siguiente generación? Repita cálculo y predicción para
el caso de que p(A) = 0.1 y p(B) = 0.1. Del examen de las eficacias biológicas
genotípicas, ¿cuántos picos adaptativos se pueden deducir y dónde se
encuentran?
10. El gen MC1R afecta al color del pelo y la piel en humanos. Hay al menos 13
polimorfismos de estos genes en las poblaciones de Europa y Asia, 10 de los
cuales son no sinónimos. Entre africanos, hay al menos 5 polimorfismos del gen,
ninguno de los cuales es no sinónimos. ¿Cuál puede ser la explicación para estas
diferencias en la variación del gen MC1R entre africanos y no africanos?
11. Las proteínas opsinas detectan la luz en células fotorreceptoras del ojo y son
necesarias para la visión del color. El mono nocturno, el gálago y la rata topo
subterránea tienen diferentes mutaciones en un gen de la opsina que dan lugar a
una forma no funcional. Explique por qué puede ser así.
12. La ausencia total o parcial de las extremidades ha evolucionado varias veces en
los vertebrados (serpientes, lagartijas, manatíes, ballenas). ¿Espera que las
mutaciones en la evolución de la ausencia de extremidades se den en la
secuencia codificadora o no codificadora de los genes herramientas? ¿Por qué?
13. Varias especies de Drosophila con alas sin manchas descienden de un ancestro
con manchas. ¿Podría predecir si la pérdida de la formación de manchas
comporta cambios en la región codificadora o en la no codificadora de los genes
de pigmentación? ¿Cómo podría probar su predicción?
14. ¿Qué evidencia molecular existe de que la selección natural incluye la
“eliminación de los cambios perjudiciales”?
Fin Página 713
15. ¿Qué evidencias indica que la formación de poliploides ha desempeñado un
papel importante en la evolución vegetal?
16. ¿Qué evidencia existe de que la duplicación génica ha originado las familias
génicas α y β de las hemoglobinas humanas?
17. El alelo de grupo sanguíneo humano IB aparece con una frecuencia de alrededor
de 0.10 entre las poblaciones europeas y asiáticas, pero está casi completamente
ausente en las poblaciones de indios americanos. ¿Qué explicaciones podemos
dar para justificar esta diferencia?
18. Drosophila pseudoobscura y D. persimilis se consideran ahora especies
distintas, pero originalmente se clasificaron como las razas A y B de una especie
única. Son indistinguibles morfológicamente una de otra, si exceptuamos una
pequeña diferencia en el aparato genital de los machos. Cuando se cruzan en el
laboratorio se produce una descendencia F1 abundante y de ambos sexos.
Describa el programa experimental que llevaría a cabo para comprobar si se trata
de dos especies diferentes.
19. Utilizando los datos de similitud de secuencia aminoacídica del Cuadro 26-4
para las cadenas de globina α, β, γ, ζ y ε, y basándose en la existencia de un reloj
molecular, dibuje un árbol evolutivo para estas cadenas, comenzando desde una
secuencia de aminoácidos ancestral en la que el orden temporal de las
ramificaciones sea tan consistente como sea posible con el grado de similitud
mostrado en la tabla.
20. Los estudios de secuenciación de DNA de un gen en dos especies muy
emparentadas revelan los siguientes datos sobre lugares en que varía la
secuencia:
Polimorfismos sinónimos 50
Diferencias no sinónimas entre especies 2
Diferencias sinónimas entre especies 18
Polimorfismos no sinónimos 20
¿Apoyan estos resultados una evolución neutra del gen? ¿Sugieren una
sustitución adaptativa de aminoácidos? ¿Qué explicación se podría dar a estas
observaciones?
EXPLORACIÓN DE LOS GENOMAS Una tutoría en Web sobre bioinformática
Medidas de distancias filogenéticas
Los datos de secuencias permiten estimar la distancia evolutiva entre organismos a
partir del grado de divergencia de las secuencias. En la tutoría Genomics en
www.whfreeman.com/iga9e, se emplean las comparaciones de secuencias para generar
un árbol evolutivo y respaldar nuestras conclusiones respecto a su estructura.
PIES DE FIGURAS
Imagen inicial
Charles Darwin (CORBIS/Bettmann).
La evolución filética es el cambio sucesivo de forma y función
Figura 19-1 El molusco bivalvo Gryphaea ha sufrido sucesivos cambios en el tamaño y
curvatura de la concha durante su evolución filética desde el Jurásico temprano.
Solamente se muestra la concha izquierda. En cada caso se ilustra el dorso de la concha
y una sección longitudinal (según A. Hallam, “Morphology, Palaeoecology and
Evolution of the Genus Gryphaea in the British Lias,” Philos. Trans. R. Soc. Lond. Ser.
B 254, 1968, 124).
La diversificación es la generación de muchas especies diferentes
Figura 19-2 Una variedad de conchas de moluscos bivalvos han aparecido durante los
pasados 300 millones de años de evolución (según C. L. Fenton y M. A. Fenton, The
Fossil Book. Doubleday, 1958).
Una diversidad de especies puede surgir de la adaptación
Figura 19-3 Las trece especies de pinzones encontradas en las Islas Galápagos (según
W. K. Purves, G. H. Orinas, y H. C. Heller, Life: The Science of Biology, 4th ed.
Sinauer Associates/W. H. Freeman and Company, 1995, Fig. 20.3, p. 450).
La interacción de fuerzas evolutivas influye en la variación
Figura 19-4 Efectos de varias fuerzas evolutivas sobre la frecuencia alélica. Las flechas
azules muestran una tendencia hacia una mayor variación dentro de la población; las
flechas rojas hacia una menor variación.
Un paisaje adaptativo muestra que la selección tiene múltiples resultados posibles
Figura 19-5 Un paisaje adaptativo con dos picos adaptativos (rojo), dos valles
adaptativos (azul) y un collado topográfico en el centro del paisaje. Las líneas
topográficas son líneas de igual eficacia biológica promedio. Si la composición genética
de una población cambia siempre para desplazar la población “colina arriba” en el
paisaje (para aumentar la eficacia biológica), entonces la composición final dependerá
de donde comenzó la población con respecto a la línea de descenso (discontinua). (a)
Mapa topográfico del paisaje adaptativo. (b) La superficie del mapa mostrada en
perspectiva.
La deriva genética puede alterar el resultado de la selección natural
Figura 19-6 La selección y la deriva genética pueden interactuar para producir
diferentes cambios en las frecuencias génicas de un paisaje adaptativo. Como resultado
de la selección solamente, sin deriva al azar, ambas poblaciones deberían haberse
desplazado hacia aB/aB.
Quetas del escutelo de una mosca Drosophila adulta
Figura 19-7 Las quetas escutelares (mostradas en azul) son un ejemplo de carácter
canalizado; todos los tipos salvajes de Drosophila tienen cuatro quetas escutelares en un
espectro muy amplio de ambientes.
La tasa de mutación es mayor en sitios sinónimos que en sitios no sinónimos
Figura 19-8 La cantidad de divergencia nucleotídica en el gen de la β-globina es mayor
en los sitios sinónimos que en los sitios no sinónimos.
Las proteínas difieren en su tasa de mutación
Figura 19-9 Número de sustituciones de aminoácidos en la evolución de los
vertebrados en función del tiempo de divergencia. Las tres proteínas (fibrinopéptidos,
hemoglobina y citocromo c) difieren en sus tasas de sustitución porque diferentes
proporciones de sus sustituciones aminoacídicas son selectivamente neutras.
Contraste de colores en el desierto de Pinacate
Figura 19-10 Los flujos de lava en el desierto Pinacate han producido afloramientos de
rocas de color oscuras junto a un sustrato arenoso de color claro (fotografía cortesía de
Michael Nachman, Universidad de Arizona).
Melanismo en el ratón abazones de las rocas
Figura 19-11 Chaetodipus intermedius de color claro y oscuro de la región del
Pinacate, Arizona, sobre el suelo rocoso de lava oscura y de color arenoso (fotografía
cortesía de Michael Nachman, de M. W. Nachman, H. E. Hoekstra, y S. L. D’Agostino.
“The Genetic Basis of Adaptive Melanism in Pocket Mice,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA
100, 2003, 5268-5273).
Cúmulo de sustituciones aminoacídicas en una parte de la proteína MC1R
Figura 19-12 La sustituciones de aminoácidos (círculos anaranjados) asociadas con el
melanismo varían un poco en su localización en diferentes especies, pero se localizan en
la misma región de la proteína MC1R. La parte superior de la figura muestra la
topología general de la proteína MC1R. La región en la que se sitúan las sustituciones
se aumenta en la parte inferior de la figura (según E. Eizirik et al., “Molecular Genetics
and Evolution in the Cat Family,” Curr. Biol. 13, 2003, 448-453; reimpreso con el
permiso de Elsevier).
Evolución del albinismo en el pez ciego mexicano de cuevas.
Figura 19-13 Formas de la superficie del pez Astyanax mexicanus que parecen
normales, pero las poblaciones de cuevas, como las de Molino y Pachón en México, han
evolucionado repetidamente hacia el albinismo y la ceguera (fotografía cortesía de
Meredith Protas and Cliff Tabin, Harvard Medical School).
Alas manchadas en la mosca de la fruta
Figura 19-14 Un macho de Drosophila melanogaster sin manchas en el ala (arriba), y
un macho de Drosophila biarmipes (abajo) con manchas oscuras en el ala que se
despliegan en el ritual del cortejo. Esta simple diferencia morfológica se debe a
diferencias en la regulación de los genes de la pigmentación (fotografías de Nicolas
Gompel).
Los cambios en las secuencias reguladoras pueden ser la base de diferencias
evolutivas
Figura 19-15 La evolución de la regulación génica y de la morfología que se muestran
se debe a la evolución de secuencias reguladoras que actúan en cis. (a) En moscas de la
fruta manchadas, la proteína de pigmentación Yellow se expresa a elevados niveles en
las células que producirán grandes cantidades de melanina. (b) El locus yellow de las
especies de Drosophila contiene varios elementos reguladores discretos en cis (rojo)
que controlan la transcripción de yellow en diferentes partes del cuerpo. Los exones se
muestran en color amarillo. Las flechas indican la regulación del exón. (c) El elemento
regulador “ala” de D. biarmipes controla la expresión del gen informador en el patrón
de la mancha durante el desarrollo del ala, mientras que el elemento homólogo en D.
melanogaster sin mancha, no controla un patrón con mancha en la expresión del
informador. Esta diferencia en la función de los elementos reguladores que actúan en cis
demuestra que los cambios en la función de los elementos reguladores en cis subyacen a
las diferencias en la expresión de Yellow y la pigmentación entre las dos especies.
Los números cromosómicos pares son más comunes que los impares
Figura 19-16 Distribución de la frecuencia del número haploide de cromosomas en
plantas dicotiledóneas (según Verne Grant, The Origin of Adaptations. Columbia
University Press, 1963).
Variaciones en el tema de la hemoglobina
Figura 19-17 Cambios durante el desarrollo en la síntesis de las globinas tipo α y β que
constituyen la hemoglobina humana.
Algunas duplicaciones de genes de la hemoglobina han evolucionado hacia
pseudogenes no funcionales (Ψ α y Ψ β)
Figura 19-18 Distribución cromosómica de los genes de la familia de las α globinas en
el cromosoma 16 y de las β globinas en el cromosoma 11 de la especie humana. La
estructura del gen se muestra en barras negras (exones) y barras de colores (intrones).
Dos genes relacionados pueden haber evolucionado hacia funciones distintas
Figura 19-19 Homología estructural de los genes de la lisozima y de la αlactoalbumina. Los exones e intrones se señalan con barras verdes, oscuras y claras,
respectivamente. Se indican las secuencias de nucleótidos al inicio y al final de cada
intrón, y el número hace referencia al tamaño en nucleótidos de cada segmento (según I.
Kumagai, S. Takeda, and K.–I. Miura, “Functional Conversion of the Homologous
Proteins α-Lactalbumin and Lysozyme by Exon Exchange,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA
89, 1992, 5887-5891).
Puntos anatómicos de ascendencia común
Figura 19-20 Estructura ósea del ala de un murciélago, de un ave y de la mano y el
brazo humanos. Estas estructuras óseas muestran sus semejanzas anatómicas
subyacentes y la forma en la que los distintos huesos se han alargado o encogido
relativamente para producir las diferentes estructuras actuales (según W. T. Keeton y J.
L. Gould, Biological Science. Norton, 1986).
Distribución de proteínas según su función
Figura 19-21 La distribución de proteínas eucariotas según categorías amplias de
funciones biológicas (reimpreso con permiso de Nature 409, 15 February 2001, 902,
“Inicial Sequencing and Analysis of the Human Genome,” The Internacional Human
Genome Sequencing Consortium. Copyright 2001 Macmillan Magazines Ltd).
Distribución de genes humanos en otras especies
Figura 19-22 La distribución de las proteínas humanas según la identificación de
proteínas de otras especies con las que están relacionadas significativamente. Observe
que aproximadamente un quinto de las proteínas humanas han sido identificadas
únicamente en la línea de vertebrados, mientras en el otro extremo, un quinto se han
identificado en todas las ramas principales del árbol evolutivo (reimpreso con permiso
de Nature 409, 15 February 2001, 902, “Inicial Sequencing and Analysis of the Human
Genome,” The Internacional Human Genome Sequencing Consortium. Copyright 2001
Macmillan Magazines Ltd).
Mapa sinténico del genoma humano
Figure 19-23 Este mapa sinténico emplea un código de colores para asignar homologías
regionales entre el genoma humano y las secciones correspondientes del genoma del
ratón. Cada color representa un cromosoma distinto del ratón, según se indica en la
leyenda (reimpreso con permiso de Nature 409, 15 February 2001, 902, “Inicial
Sequencing and Analysis of the Human Genome,” The Internacional Human Genome
Sequencing Consortium. Copyright 2001 Macmillan Magazines Ltd).
TABLAS
Tabla 19-1 Las fuerzas evolutivas aumentan (+) o disminuyen (–) la variación dentro y
entre poblaciones
Variación
Variación entre
Fuerza
dentro de
poblaciones
poblaciones
Consanguinidad o deriva genética
–
+
Mutación
+
–
Migración
+
–
direccional
–
+/ –
equilibradora
+
–
incompatible
–
+
Selección
Tabla 19-2 Ejemplos de diferenciación extrema en las frecuencias alélicas de grupos
sanguíneos en tres grupos geográficos principales.
Grupo Geográfico
Gen
Duffy
Alelo
Caucásico
Negroide
Mongoloide
Fy
0.0300
0.9393
0.0985
Fya
0.4208
0.0000
0.9015
Rhesus
Antígeno P
Fyb
0.5492
0.0607
0.0000
R0
0.0186
0.7395
0.0409
R1
0.4036
0.0256
0.7591
R2
0.1670
0.0427
0.1951
r
0.3820
0.1184
0.0049
r'
0.0049
0.0707
0.0000
Otros
0.0239
0.0021
0.0000
P1
0.5161
0.8911
0.1677
P2
0.4839
0.1089
0.8323
Fuente: Resumen provisto por L. L. Cavalli-Sforza y W. F.
Bodmer, The Genetics of Human Populations (W. H. Freeman and
Company, 1971), pp. 724-731. Véase L. L. Cavalli-Sforza, P.
Menozzi, y A. Piazza, The History and Geography of Human Genes
(Princeton University Press, 1994), para datos más detallados.
Tabla 19-3 Polimorfismos y diferencias entre especies para cambios sinónimos y no
sinónimos en el gen alcohol deshidrogenada de tres especies de Drosophila.
Diferencias entre
Polimorfismos
especies
No sinónimos
7
2
Sinónimos
17
42
0.29:0.71
0.05:0.95
Razón
Fuente: J. McDonald y M. Kreitman, “Adaptive Protein Evolution
at the Adh locus in Drosophila, Nature 351, 1991, 652-654.
Tabla 19-4 Porcentaje de similitud en las secuencias aminoacídicas entre las cadenas de
globina humana
α
ζ
β
γ
ε
α
58
42
39
37
34
38
37
73
75
ζ
β
γ
80
Tabla 19-5 Comparación entre el código genético universal del DNA nuclear y algunos
códigos mitocondriales en cinco tripletes que son diferentes.
Código de tripletes
TGA
ATA
AGA
AGG
AAA
Stop
Ile
Arg
Arg
Lys
Mamíferos
Trp
Met
Stop
Stop
Lys
Aves
Trp
Met
Stop
Stop
Lys
Anfibios
Trp
Met
Stop
Stop
Lys
Equinodermos
Trp
Ile
Ser
Ser
Asn
Insectos
Trp
Met
Ser
Stop
Lys
Nuclear
Mitocondrial
Nemátodos
Trp
Met
Ser
Ser
Lys
Platelmintos
Trp
Met
Ser
Ser
Asn
Cnidarios
Trp
Ile
Arg
Arg
Lys
PARCHEADOS
Figura 19-2
1. Martesia ovalis (Say). Concha y concha en tubo. Mioceno
2. Exogyra arietina Roemer. Cretácico tardío
3. Gryphaea arcuata Lamarck. Jurásico temprano
4. Exogyra ponderosa Roemer. Cretásico tardío
5. Venericardia planicosta Lamarck. Eoceno
6. Myalina subquadrata Shumard
Figura 19-3
1. ANCESTRO DEL PINZÓN de Sudamérica continental.
2. Granívoros El pico de los granívoros está adaptado para recoger y romper
semillas.
3. Pinzón terrestre grande (Geospiza magntrostis)
4. Pinzón terrestre mediano (G. fortis)
5. Pinzón terrestre pequeño (G. fuliginosa)
6. Pinzón terrestre de pico afilado (G. difficilis)
7. Pinzón grande de cactus (G. conirostris)
8. Pinzón de cactus común (G. scandens)
9. Comedor de brotes El fuerte pico del comedor de brotes está adaptado para
agarran y arrancar brotes de las ramas
10. Pinzón vegetariano (Platyspiza crassirostris)
11. Insectívoro El pico del insectívoro es variable ya que comen diferentes tipos y
tamaños de insectos que capturan de formas distintas.
12. Pinzón arborícola pequeño (Camarhynchus parvulus)
13. Pinzón arborícola grande (C. psittacula)
14. Pinzón arborícola mediano (C. pauper)
15. Pinzón de pantano (C. heliobates)
16. Pinzón carpintero (C. pallidus)
17. Pinzón trinador (Certhidea olivacea)
18. Los pinzones con picos grandes pueden romper semillas grandes y duras.
19. Los pinzones con picos pequeños no pueden romper semillas grandes y duras,
pero son más adeptos a comer semillas pequeñas.
20. Los pinzones de cactus están adaptados para abrir los frutos de los cactus y
extraer las semillas.
21. El pinzón arborícola grande utiliza su fuerte pico para retorcer y apartar la
madera y accede a las larvas que hay en el interior.
22. Los pinzones arborícolas pequeño y mediano y el pinzón de pantano capturan
insectos de las hojas y de las ramas y exploran grietas donde pueden esconderse
sus presas.
23. El pinzón carpintero utiliza su largo pico para examinar el interior de la madera
muerta, las grietas y la corteza de los árboles en busca de insectos.
24. El pinzón trinador realiza movimientos rápidos para capturar insectos sobre la
superficie de las plantas.
Figura 19-4
1. Mutación
2. Deriva genética
3. Migración
4. Polimorfismo equilibrado
5. Selección direccional
6. Selección contra los heterocigotos
7. Frecuencia alélica de A
Figura 19-5
1. Frecuencia de A
2. Frecuencia de B
3. Línea de descenso
Figura 19-6
1. Frecuencia de A
2. Frecuencia de B
3. Ruta I
4. Ruta II
Figura 19-7
1. Quetas escutelares
Figura 19-8
1. Número de sustituciones por nucleótido
2. Sitios sinónimos
3. Sitios no sinónimos
4. Tiempo de divergencia (×108)
Figura 19-9
1. Mamíferos
2. Aves/reptiles
3. Mamíferos/reptiles
4. Reptiles/peces
5. Carpa/lampreas
6. Vertebrados/insectos
7. Fibrinopéptidos
8. Hemoglobina
9. Citocromo c
10. Separación de los ancestros de plantas y animales
11. Número de sustituciones aminoacídicas por cada 100 residuos
12. Millones de años desde la divergencia
Figura 19-12
1. Extracelular
2. Intracelular
3. L100P (ratón)
4. L99P (vaca, cerdo)
5. D121N (cerdo, oveja)
6. E94K (ratón, pollo, reinita)
7. C125R (zorro)
8. S71L (ratón)
9. M73K (oveja)
Figura 19-13
1. Cueva Molino
2. Cueva Pachón
3. Superficie
Figura 19-15
1. Yellow D. biarmipes
2. Ala
3. Cuerpo
4. Queta
5. Ala
6. Informador
7. Yellow D. melanogaster
(a) Expresión pupal
(b) gen yellow
(c) Expresión del informador
Figura 19-16
1. Número de especies
2. Número haploide
Figura 19-17
1. Porcentaje de síntesis total de globinas
2. Edad postconcepción (semanas)
3. Nacimiento
4. Edad postnatal (semanas)
Figura 19-18
1. Cromosoma 16
2. Cromosoma 11
Figura 19-19
1. Gen α-lactoalbúmina de cabra
2. Gen lizozima de gallina
3. Exón
4. Intrón
Figura 19-20
1. Murciélago
2. Húmero
3. Radio
4. Cúbito
5. Carpianos
6. Metacarpianos
7. Falanges
8. Ser humano
9. Ave
Figura 19-21
1. Levadura
2. Arabidopsis
3. Gusano
4. Mosca
5. Ser humano
6. Número de proteínas
7. Procesos celulares
8. Metabolismo
9. Replicación/modificación del DNA
10. Transcripción/traducción
11. Señalización intracelular
12. Comunicación célula-célula
13. Plegamiento y degradación de proteínas
14. Transporte
15. Proteínas multifuncionales
16. Estructural/citoesquelética
17. Defensa/Inmunidad
18. Funciones misceláneas
Figura 19-22
1. Sólo procariotas
2. Sólo vertebrados
3. Eucariotas y procariotas
4. Vertebrados y otros animales
5. Animales y otros eucariotas
6. Homología no animal
Figure 19-23
1. Cromosomas humanos
2. Clave: Cromosomas de ratón