Evolució molecular: el rellotge de la vida

Molecular Evolution: the life’s clock. Molecular evolution studies how molecules change over evolutionary time. This evolution is observable as nucleotide changes in the DNA and as aminoacid changes in the encoded proteins. Molecular evolutionists aim to ascertain the mechanisms involved in the evolution of molecules, and whether the observed changes have been modelled by natural selection or by genetic drift.

En sentit ampli s’entén per evolució els canvis que es donen en les característiques dels organismes en períodes llargs de temps. Aquesta definició inclou la dimensió temporal i la noció de canvi. Aquest canvi ha d’afectar la informació genètica, perquè són únicament les característiques amb base genètica les que es transmeten d’una generació a la següent. Quan en lloc de parlar d’evolució en general es parla d’evolució molecular, es fa referència a l’evolució de les molècules, i més concretament a l’evolució dels àcids nucleics (que constitueixen el material hereditari, i per tant els gens) i de les proteïnes (que són el producte primari de l’expressió d’aquests gens).

   Comparant la seqüència d’aminoàcids d’una determinada proteïna en espècies diferents, o entre individus d’una mateixa espècie, s’hi detecten canvis (figura 1). El mateix succeeix si es comparen fragments concrets de DNA. La constatació que a nivell molecular hi ha diferències interespecífiques (divergència) i intraespecífiques (polimorfisme) fa preguntar-se pel motiu dels canvis observats i intentar destriar quins factors evolutius en són responsables. Entre aquests factors es troben la selecció natural, que dóna lloc a les adaptacions, i la deriva genètica, que provoca canvis aleatoris no adaptatius. Sovint es pretén, doncs, discernir entre ambdós factors, i saber si un canvi determinat és o no adaptatiu. Aquesta pregunta no és nova, sinó que és la mateixa que s’han fet i es fan els evolucionistes en estudiar nivells de variabilitat més complexos que el de les molècules.

Destí evolutiu de les mutacions

Les diferències que es detecten en comparar la seqüència d’un gen determinat entre dues o més espècies, o bé entre individus d’una mateixa espècie, constitueixen una fracció molt petita de tots els canvis (mutacions) que s’han produït en la història d’aquest gen en les espècies estudiades. Una nova variant sorgida per mutació es troba inicialment en un únic individu de l’espècie. Amb el transcurs del temps aquesta variant pot passar a tenir una freqüència del 0% (pèrdua) o del 100% (fixació) en l’espècie estudiada, i en alguns casos pot romandre en la població amb una freqüència intermèdia (polimorfisme). Així doncs, són les mutacions que romanen en la població –ja siguin les que s’han fixat (substitucions) o les que es troben en freqüències intermèdies– les que provoquen les diferències detectades.

Una nova variant sorgida per mutació pot afectar la capacitat relativa de supervivència i reproducció de l’individu que la presenta (eficàcia biològica). L’efecte d’aquest canvi depèn de l’ambient en què es troba la mutació, tant biòtic com abiòtic. Una mutació es considera selectivament avantatjosa si incrementa l’eficàcia biològica de l’individu portador, i selectivament deletèria si la disminueix. En cas de no afectar l’eficàcia biològica, la mutació és selectivament neutra i el seu destí no està regit per la selecció natural. Imaginem, per exemple, una proteïna enzimàtica que catalitza la degradació d’un substracte determinat amb obtenció d’energia. Una mutació al gen que la codifica pot donar lloc a un canvi aminoacídic que li faci perdre la capacitat catalítica. Si aquest substracte és l’únic utilitzat com a font d’energia, aquest canvi provocaria la disminució dràstica de la capacitat de supervivència de l’individu portador, és a dir, la mutació seria selectivament deletèria. Pot donar-se, però, una mutació que provoqui un canvi aminoacídic a la proteïna i li possibiliti utilitzar un nou substracte a més a més del substracte anterior. Quan el primer substracte és escàs i el nou substracte és abundant, el canvi incrementaria la capacitat de supervivència de l’individu portador de la mutació respecte la resta d’individus de la població; es tractaria d’una mutació selectivament avantatjosa. Finalment, pot donar-se una mutació que no provoqui cap canvi aminoacídic a la proteïna (o fins i tot que provoqui un canvi aminoacídic que no en modifiqui la capacitat catalítica) i per tant, que no afecti la capacitat de supervivència de l’individu portador; es tractaria d’una mutació selectivament neutra.

Les poblacions de qualsevol espècie estan constituïdes per un nombre finit d’individus. Aquest fet provoca que qualsevol canvi sorgit per mutació tingui una certa probabilitat de no trobar-se representat en els individus de la generació següent. Aquest efecte de l’atzar (deriva genètica) és més important com més reduït sigui el nombre d’individus de la població. El destí de les mutacions avantatjoses (i de les deletèries) depèn fonamentalment de la selecció natural, mentre que el de les mutacions neutres està regit únicament per l’atzar. En principi el destí d’una mutació deletèria és la pèrdua i malgrat que moltes mutacions avantatjoses es fixen per acció de la selecció natural positiva, algunes es poden perdre per efecte de l’atzar. En el cas de les mutacions neutres s’ha deduït que la majoria es perden en successives generacions encara que una petita fracció es fixa. Per tant, entre les mutacions que es fixen (substitucions) únicament estan representades les selectivament avantatjoses i les selectivament neutres.

Rellotge molecular i teoria neutralista de l’evolució molecular

En comparar la seqüència d’una mateixa proteïna de diferents espècies, Zuckerkandl i Pauling van constatar que hi havia una relació lineal entre el nombre de substitucions aminoacídiques (canvis fixats) entre parelles d’espècies i llur temps de divergència (figura 2). Això vol dir que per a cada proteïna la taxa de substitució (nombre de substitucions per residu aminoacídic per unitat de temps) és constant, és a dir, cada proteïna es comporta com un rellotge molecular en què les substitucions es produeixen a un ritme constant. Aquest ritme pot no ésser el mateix per a diferents proteïnes, malgrat ésser constant per a cada proteïna. Aquesta observació, junt amb la detecció en els anys 60 de nivells elevats de variabilitat proteica intraespecífica, conduí Kimura a proposar la Teoria Neutralista de l’Evolució Molecular (1968). Kimura deduí que la taxa de substitució de les mutacions selectivament neutres és igual a la seva taxa de mutació, mentre que la taxa de substitució de les mutacions selectivament avantatjoses depèn a més a més d’altres paràmetres com el seu avantatge selectiu. Només en el primer cas (donada la igualtat entre taxa de substitució i taxa de mutació) és fàcil explicar la constància observada en la taxa de substitució aminoacídica. Kimura proposà, doncs, que la majoria dels canvis observats en les seqüències d’aminoàcids de les proteïnes corresponen a mutacions neutres. La proposta de Kimura (que posteriorment va fer-se extensiva als canvis observats al DNA) no vol dir, però, que la majoria de mutacions que es produeixen siguin neutres. Moltes de les mutacions produïdes són deletèries, i aquestes mutacions sòn ràpidament eliminades de la població per la selecció purificadora. Per poder explicar la constància observada de les taxes de substitució, la teoria neutralista proposa que una proporció insignificant dels canvis a nivell molecular corresponen a mutacions avantatjoses.

Segons el neutralisme, la selecció purificadora permet explicar els diferents ritmes del rellotge molecular (diferents taxes de substitució a diferents proteïnes), ja que la proporció de mutacions deletèries pot variar. Diferents proteïnes poden presentar diferent limitació a variar (limitació funcional), és a dir, poden presentar diferent tolerància als canvis aminoacídics. En aquelles proteïnes amb gran limitació funcional, la majoria de canvis alteren la funció proteica i disminuixen l’eficàcia biològica dels individus portadors (són canvis deleteris). En contraposició, en aquelles proteïnes amb menor limitació funcional, la proporció de canvis aminoacídics que alteren la funció (i per tant la de mutacions deletèries) és menor. Com que segons el neutralisme, la gran majoria de mutacions són deletèries o neutres, hi ha una relació inversa entre limitació funcional i proporció de mutacions neutres respecte al total de mutacions. Les proteïnes amb major limitació funcional tenen una menor taxa de mutació neutra i, per tant, una menor taxa de substitució.

Les molècules s’utilitzen sovint per reconstruir la història evolutiva dels organismes (filogènies moleculars) (figura 3). Si una determinada molècula (proteica o de DNA) presenta una taxa constant d’evolució, aquesta molècula pot ser utilitzada com a rellotge molecular ja que permet estimar el temps de divergència entre espècies. Les molècules no sempre evolucionen, però, amb una taxa constant, fet que pot afectar tant l’estimació de temps com la reconstrucció filogenètica. La taxa de substitució d’una proteïna pot haver-se accelerat en un llinatge determinat per la fixació de mutacions selectivament avantatjoses, és a dir per selecció positiva. Aquesta proteïna no és un bon rellotge molecular i no resultaria adient per reconstruir filogènies.

Adaptació a nivell molecular i selecció natural

La selecció purificadora elimina aquelles mutacions que malmeten les adaptacions existents, ja siguin a nivell molecular o a altres nivells. La selecció natural positiva és, doncs, l’única força evolutiva que pot explicar les noves adaptacions. S’ha vist, per exemple, que la capacitat de l’ànec asiàtic Anser indicus a volar pel damunt dels 9.000 metres està associada a l’elevada afinitat pel O2 de la seva hemoglobina. La substitució, promoguda per la selecció positiva, d’una prolina per una alanina en el residu 119 de la cadena a es troba en la base d’aquesta adaptació. Així mateix, s’ha establert que la selecció positiva ha tingut un paper important en l’evolució de la insulina als remugants, de proteïnes implicades en el reconeixement òvul-espermatozoide en invertebrats marins amb fecundació externa, etc. No resulta fàcil provar l’acció de la selecció positiva, i encara menys identificar els canvis moleculars responsables de les noves adaptacions. Donat que la capacitat d’adaptació a nous reptes evolutius es podria veure limitada per la disponibilitat de mutacions selectivament avantatjoses, és important poder establir si constitueixen o no (segons els seleccionistes i els neutralistes, respectivament) una proporció relativament important dels canvis moleculars que sorgeixen en qualsevol moment evolutiu.

Duplicacions i evolució molecular

Fins ara, s’ha parlat de l’evolució de gens concrets. No obstant això, l’evolució dels organismes ha anat acompanyada d’un increment en la seva complexitat i de l’adquisició de noves funcions. Les duplicacions de parts del genoma (amb molts o pocs gens, o amb parts de gens) o de tot el genoma (poliploiditzacions) es troben a la base d’aquests canvis. El paper cabdal de les duplicacions al llarg de l’evolució s’ha posat especialment de manifest quan s’han seqüenciat diverses parts del genoma de diferents espècies, o més recentment genomes complets. D’aquesta manera, s’ha constatat l’existència d’alguns fenòmens de poliplodització en la història evolutiva dels organismes. D’altra banda, es pensa que l’estructura en exons i introns de molts gens actuals pot ser el resultat de duplicacions dels gens ancestrals, possiblement amb un sol exó, i la subsegüent combinació en un sol gen de les còpies de diferents d’aquests gens inicials. És important recordar que els factors implicats en l’evolució de les duplicacions són també la selecció natural i la deriva genètica.

Montserrat Aguadé. Dep. de Genètica. Universitat de Barcelona.
© Mètode 28, Hivern 2000/01. 

© Mètode
Figura 3. Arbre filogenètic de sis espècies del gènere Drosophila.