Teoría Neutral de la Evolución

Teorías Evolucionistas Pre-darwinista: Lamarck, inicios del S.XIX Darwinista: 1859 Neo-darwinista: finales del S.XIX -Mendel Sintética: Dobzhansky, 1937 Neutral: Kimura, 1968; King & Jukes, 1969.

Teoría Seleccionista Las especies no han sido creadas separadamente. La Selección Natural ha sido el agente principal del cambio. La Selección Natural no puede operar en todos los casos, sino que es la fuerza directriz primaria de la evolución, en cuanto crea fenotipos más adaptados, preservando diferencialmente, generación tras generación, los organismos mejor adaptados de un pool de variación aleatoria que sólo suministra la materia primaria.

De Darwin al Neo-darwinismo Mendel: bases genéticas de la herencia. Modelos matemáticos teóricos del proceso evolutivo en función de la Selección Natural. Recombinación genética.

Teoría Neutral Motoo Kimura, 1969. Botánico japonés. La mayoría de los cambios moleculares son selectivamente neutrales y regidos por el azar. Es decir, las mutaciones producidas no favorecen ni desfavorecen al organismo, no se ejerce presión de selección sobre ellas.

Teoría Neutral Especie diploide conteniendo 2N alelos, la probabilidad de que se fije es 1/2N. Tasa de mutación por generación es u, entonces 2Nu representa el número de nuevos mutantes introducidos en cada población de cada generación. Kimura, argumentó que la tasa de nuevas mutaciones fijadas en las poblaciones debe ser igual a (2Nu)(1/2N), el cual es igual a u. Por lo tanto, tasa de cambio debe de ser constante en el tiempo e independiente del tamaño de población y del tiempo.

Teoría Casi - Neutral Ohta, 1973. Tres conceptos bajo la teoría neutral dejaban vacíos: La Selección Natural es o no es capaz de distinguir entre las mutaciones neutrales de las selectivas. El reloj molecular es dependiente del tiempo cronológico o del número de generaciones. El rango de heterozigocidad debe depender del tamaño de la población y de la tasa de mutación Introduciendo ligeras mutaciones deletéreas al modelo de Kimura, se explican estos tres conceptos.

Algunas mutaciones neutrales son silenciosas Una mutación silenciosa es aquella que se da en el codon que codifica para un aa: puede mutar un nucleótido en el triplete codante y seguir codificando el mismo aa, consecuentemente no altera la proteína (estructura o función).

Mutaciones Silenciosas no Neutrales Es aquella mutación silenciosa que sin producir cambios en el aa codificado por un codon, se verían afectadas por las Fuerzas de Selección.

Mutación (Codon) En regiones codantes Cambio de aa: No Silenciosa No hay cambio de aa: Silenciosa No hay cambio en el Fenotipo Cambio en el Fenotipo Cantidad de tRNAs, Varía la tasa de síntesis proteíca Actúan Fuerzas de Selección: No Neutral Actúan Fuerzas de Selección: No Neutral Fuerzas de Selección no las ven: Neutral

En regiones no codantes Mutación Neutrales

Cantidad y disponibilidad de tRNAs. Neutrales Silenciosas No silenciosa No favorecen En el codon Actúa la selección No desfavorece No varía el aminoácido Cantidad y disponibilidad de tRNAs. No hay cambio fenotípico Hay cambio fenotípico

Acerca de los tRNAs Efecto wobble: 4 familias de codones son codificadas por un solo tRNA, con una U en la primera posición del anticodon (no match pair 3er) Todos los tRNAs reconocen 2 ó 4 codones. Sólo 2 aa son codificados por codones únicos: Met y Trp.

Acerca de los tRNAs Inosina puede unirse con U, C, A; uniones más débiles. Cuando un aa es codificado por diferentes codones, estos que difieren en cualquiera de las 2 primeras bases, requieren diferentes tRNAs. Se requieren de 32 tRNAs para codificar 61 aa.

La Teoría Neutral NO propone que la mayoría de las mutaciones sean neutras ni que la selección natural no sea importante en la evolución molecular. Esta teoría no podría dar cuenta del Reloj Molecular, del hecho de que las tasas de mutación son una función inversa de su importancia funcional y del hecho de los altos niveles de polimorfismo poblacional.

Test de Neutralidad Existen una variedad de Test de Neutralidad, entre ellos: Hudson et al o HKA (1987) Tajima (1989a) McDonald & Kreitman (1991) Fu & Li (1993)

HKA (Hudson, Kreitman & Aguade) Basado en la Teoría Neutral de Predicción de Evolución Molecular (Kimura, 1983) “Regiones del genoma que evolucionan en tasas altas, presentarán también altos niveles de polimorfismo entre las especies” Evalúa diferencias del ratio polimorfismo y divergencia, entre dos diferentes loci. Requiere de datos de polimorfismo y divergencia para ambos loci.

HKA En Neutralidad, K=μ y θ=4Neμ, así θ=4NeK, y θ y K deberían ser directamente proporcionales. Para dos loci, θ1/K1 = θ2/K2

Tajima y Fu & Li Contrastan diferentes estimados de θ θ =4Nμ N, tamaño efectivo de la población μ, tasa de mutación por secuencia por generación. Esta prueba analiza el expectro de sitios de segregación, requiriendo solamente información de polimorfismos intraespecífica.

Tajima Dos estimados de Θ; Θw y Π deben de ser iguales bajo la Teoría Neutral. Θw=S/a1, donde S es el número de sitios de segregación, a1=(1+1/2+1/3+.......+1/n-1) y n el número de secuencias. Π=Σij xi xj Πij, donde xi y xj son la frecuencias del tipo i y j de secuencia de ADN y Πij es la proporción de diferencias por pares entre las secuencias i y j.

Tajima Si D=Π- Θw D=0, Neutral D<0, exceso de variantes de baja frecuencia, selección purificadora o expansión poblacional (luego de un evento de “cuello de botella”) D>0, exceso de variantes de frecuencia intermedia, selección balanceada (o subdivisión poblacional)

McDonald & Kreitman Compara variaciones sinónimas y no sinónimas dentro y entre especies. Bajo Neutralidad, la razón entre sustituciones sinónimas y no sinónimas fijadas entre especies debería la misma que la razón entre polimorfismos sinónimos y no sinónimos dentro de una especie. Requiere de datos de polimorfismo como de divergencia para una región codante

Softwares DnaSP: Es un paquete integrado de Windows para el análisis de polimorfismos de DNA a partir de secuencias de nucleótidos. Este programa no solo incorpora diversos métodos para estimar la cantidad y patrones de polimorfismos de DNA y divergencia sino que además ejecuta diversos Test de Neutralidad.

Softwares Esta versión produce también dendogramas de alta calidad. Los módulos computacionales están limitados a un máximo de 1400 poblaciones, 150 grupos, 1000 loci y 52 alelos por locus para datos alélicos, y limitado por la memoria RAM disponible para los datos cuantitativos.

HKA Para realizar este test, el DnaSP puede comparar: Dos regiones de tamaño arbitrario del archivo de datos. Regiones autosómicas y ligadas al sexo. Regiones que difieren en el número de secuencias (datos intraespecíficos) o que difieren en el número de sitios (entre datos intraespecíficos e interespecíficos).

Para realizar el test de Fu & Li, el DnaSP puede trabajar con la presencia o ausencia de un outgroup. El DnaSP además puede generar el input data file para desarrollar el test propuesto por McDonald (1996, 1998) el cual es usado para detectar heterogeneidad en los polimorfismos divergentes en el DNA. Estos tests se basan en la distribución, a lo largo del genoma, de sitos polimórficos y diferencias fijadas.

Softwares Popgene: Es un software para el Análisis de Genética de Poblaciones Es ejecutable en entorno Windows 3.11/95 and NT. La Version 1.32 está diseñada especificamente para el analisis de marcadores codominantes y dominantes, usando datos haploides y diploides. Este programa computa tanto estadística genética comprensible (frecuencia alélica, diversidad genética, distancia genética, etc) así las más complejas (flujo génico, test de neutralidad, desequilibrio de ligamiento, etc.).

Softwares Popgene efectúa el test de neutralidad Ewens-Watterson, empleando el algoritmo de Manly (1985).

Ewens-Watterson La homozigosidad esperada, dado el número observado de alelos es comparado con la homozigosidad observada. Se puede calcular la homozigosidad de una muestra Y luego compararlo con el F derivado de la formula de muestreo de Ewens para luego analizar si son semejantes o no.

“Las variaciones que no son útiles ni perjudiciales no serían afectadas por la Selección Natural, y quedarían abandonadas ya a un elemento fluctuante, como vemos quizá en ciertas especies polimorfas o bien llegándose a fijar finalmente, a causa de la naturaleza del organismo y de la naturaleza de las condiciones del medio ambiente.” C. Darwin. El Origen de las Especies Capítulo IV

“Pero si alguna vez ocurren variaciones útiles a cualquier ser orgánico, los individuos así caracterizados tendrán seguramente las mejores probabilidades de conservarse en la lucha por la vida, y, por el poderoso principio de la herencia, éstos tenderán a producir descendiencia con caracteres semejantes. A este principio de conservación o supervivencia de los más aptos, lo he llamado Selección Natural.” C. Darwin. El Origen de las Especies Capítulo IV