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Demostración molecular de Microevolución

Ahora que disponemos de la secuencia completa del genoma de diversos organismos procariotas y eucariotas es posible conocer las bases moleculares de la evolución con un detalle como nunca antes habíamos conseguido. Gracias a la comparación de genomas de especies con mayor o menor grado de parentesco filogenético hemos aprendido, entre otras cosas, que cuando aparece un nuevo gen durante la evolución, normalmente no surge de la nada: o bien se ha capturado de otro genoma (mediante la transferencia horizontal, asunto en el que ahora no entraré) o bien se ha producido por duplicaciones y reordenaciones de dominios ya existentes.

Este último asunto es el tema fundamental de esta entrada del blog y hablaré de el por su relación directa con los resultados que se han obtenido en un larguísimo experimento y que han sido publicados y comentados en la revista Nature . El experimento no está exento de polémica ya que ha alimentado viejos debates entre evolucionistas y creacionistas. ¿Por qué? Porque en el trabajo realizado se demuestra que en términos evolutivos no se requiere apelar a la intervención divina para explicar molecularmente la adquisición de nuevos fenotipos.

En el genoma de eucariotas, y también en el de humanos, existen diversos ejemplos de un fenómeno que se ha postulado como motor para la aparición de nuevos genes a partir de otros ya existentes: el “barajeo” de exones. Para comprender el fundamento de esta hipótesis, es necesario indicar que la mayoría de las proteínas están formadas por dominios estructurales y que cada uno de estos dominios está compuesto por un conjunto de aminoácidos que han sido codificados por una serie contigua de nucleótidos en el DNA (simplificando, cada dominio habrá sido codificado por un exón). Además, cada dominio de una proteína suele tener una función, así que podríamos representar una proteína como una especie de “mecano”, resultado de unir un conjunto de piezas (dominios) en un orden determinado. Como el orden de los aminoácidos queda determinado por la secuencia de nucleótidos que existe en el gen, el mismo símil podemos trasladarlo a nivel de DNA: un gen sería el resultado de unir un conjunto de piezas (exones) en un orden concreto. De esta manera, la duplicación de secuencias del DNA (exones)  y el reordenamiento de estos, podría producir genes nuevos, estructuralmente diferentes y con nuevas funciones, a partir de estructuras más sencillas previamente existentes.

Cuando observamos algunos genes concretos, relativamente recientes en la evolución, apreciamos detalles que parecen confirmar este símil. Un ejemplo de ello es el gen tPA, que codifica la proteína denominada Activador del Plasminógeno Tisular, que evita la formación de trombos en la sangre. En este gen, varios exones se asemejan a exones de otros 3 genes pre- existentes, tal y como se representa en la figura de abajo: el gen del factor de crecimiento epidérmico (gen EGF), el gen de la fibronectina (gen F) y el gen del Plasminógeno (gen K). Dada sus semejanzas, se propone que la combinación de las duplicaciones de esos exones sería el origen del gen EGF y de la adquisición de esta nueva función.

La generación de nuevos genes a partir de lo ya existente es una hipótesis atractiva que está bien respaldada por el conocimiento actual que tenemos de la estructura de los genomas de procariotas y de eucariotas y de la comparación de secuencias entre diferentes especies (aunque en procariotas no hay exones, la reordenación de fragmentos génicos duplicados, como fuerza generadora de nuevas estructuras génicas, está muy extendida). Sin embargo, hasta ahora no se había asistido a ningún proceso de generación de un nuevo gen  “en directo”.

Ahora, un trabajo realizado por investigadores de la Universidad Estatal de Michigan (USA), dirigidos por Richard E. Lensky, que ha sido publicado el 27 de septiembre del 2012 en la revista Nature, nos permite asistir como espectadores de la evolución a la aparición de un nuevo gen y de comprobar que la reordenación de genes/dominios permite la adquisición de nuevas funciones.

Lenski comenzó el experimento en 1988, así que claramente se trata de un experimento de larga duración (casi 25 años de experimento!), con el que se pretende analizar cambios microevolutivos en el genoma. Su herramienta de trabajo: la bacteria Escherichia coli, concretamente 12 poblaciones de E. coli que ha mantenido creciendo de forma independiente, utilizando para su supervivencia y crecimiento un  medio mínimo con glucosa como única fuente de carbono. El medio también contenía grandes cantidades de citrato, el cual se utiliza habitualmente como agente quelante. No obstante, E. coli  no puede utilizar el citrato como fuente de energía y de carbono cuando crece en condiciones aeróbicas, cosa que sucedía en los experimentos realizados por el equipo de Lenski ya que los cultivos estaban bien aireados.

Cada día, los cultivos se colocaban en un medio mínimo fresco y, aunque durante el experimento varios de los cultivos terminaron perdiéndose, es de suponer que en estos 25 años han realizado miles y miles de siembras. Los investigadores han estimado que desde que comenzó el experimento han transcurrido más de 40.000 generaciones en estos microorganismos y, periódicamente, han ido congelando muestras de cada cultivo en diferentes momentos generacionales, como si se tratase de fósiles evolutivos que han mantenido a -80ºC,  hasta que algunos de ellos han sido “resucitados” para su análisis molecular.

Como ya hemos adelantado, las bacterias que utilizaba el grupo de Lenski no tienen capacidad de utilizar el citrato en condiciones aeróbicas (fenotipo Cit). Aunque los mutantes espontáneos con capacidad de utilizar el citrato en presencia de oxígeno (fenotipo Cit+) son extremadamente raros, en el experimento de Lenski apareció uno de esos mutantes (al que denominaron mutante Ara-3) hacia la generación 31.000. Este mutante llegó a ser predominante en su población en la generación 33.000, aunque coexistía con otras células Cit.

Para reconstruir  la historia de esta población, el grupo de investigación ha re-secuenciado el genoma de 29 clones pertenecientes a diferentes generaciones de Ara-3, desde la generación 15.000 hasta la 38.000.

Según sus resultados, la aparición de la capacidad de utilizar citrato en presencia de oxígeno, ha requerido de 3 procesos sucesivos que han ocurrido en diferentes momentos  del experimento: potenciación, actualización y refinamiento.

1.- La potenciación:  según han estimado los autores del trabajo, la tasa de mutación para Cit+ en el ancestro, es extremadamente baja (3,6×10 -13), así que proponen que debe haber ocurrido una evolución del fondo genético de estas bacterias para que esta función sea accesible por mutación. No hay información sobre su naturaleza y, de los 3 pasos, es el que es más difícil es de analizar y de comprobar  (según los propios autores).

2.- La actualización:  mutaciones en unos pocos genes, conseguirían que se generase la nueva función (el uso aeróbico del citrato) aunque de forma poco eficiente. Proponen que en la generación 31.500, en la que emerge un pico de variantes Cit+, habría ya ocurrido esta actualización.

3.- El refinamiento: sería el momento en el que se consigue la explotación eficiente del citrato en presencia de oxígeno y se expande al total de la población

Como ya hemos adelantado, los propios investigadores indican que no es fácil saber la natoraleza molecular del primero de los pasos (la potenciación), pero sí dan ideas sobre lo que ocurre en los  otros dos pasos

¿Cuál es la naturaleza molecular de la “actualización”?

Para que los microorganismos puedan utilizar el citrato, se requiere la acción, por ejemplo, de un gen que codifica un transportador que introduce el citrato en las bacterias (el gen CitT).

El gen CitT forma parte de un operón en el que hay otro gen implicado en la utilización del citrato (el gen Cit G) y otros genes que nada tienen que ver con el metabolismo del citrato sino con el metabolismo de la energía (el gen Rnk, entre ellos). Pues bien, el grupo de Lenski ha encontrado que la capacidad de utilizar el citrato en presencia de oxígeno, coincide con la aparición en el genoma bacteriano de una duplicación en tándem del gen CitT. La copia del gen CitT se introduce en el gen Rnk, de forma que se obtiene un gen fusionado Rnk-CitT en el que el gen CitT captura el promotor del gen Rnk. Este gen fusionado sería responsable de que la célula ahora pueda utilizar el citrato en presencia de oxígeno. Demuestran, además, mediante experimentos en los que dirigen las modificaciones moleculares de estos genes en cepas actuales Cit-, que efectivamente la duplicación permite que aparezca en fenotipo Cit+.

¿Y cuál es la naturaleza molecular del “refinamiento”?

Según los análisis que han realizado los investigadores, los genomas más antiguos tienen una duplicación en tándem en ese gen, mientras que los genomas posteriores tienen de 3-9 copias en tándem. Así, el incremento en el número de módulos Rnk-CitT (la amplificación) incrementaría la expresión de CitT y, por tanto, sería responsable del refinamiento del fenotipo Cit+ y de su expansión.

Lenski ha respondido a algunos anti-evolucionistas que los resultados de este experimento demuestran que procesos microevolutivos graduales pueden explicar la aparición de dramáticas innovaciones fenotípicas, sin necesidad de considerar la intervención divina. En su alegato, ha comparado la aparición del fenotipo utilizado en el experimento con la aparición de los unicornios y ha dicho que ‘”no es que su grupo haya vislumbrado un unicornio en el jardín, es que tienen una población entera de unicornios viviendo en su laboratorio”.

 La noticia en el periódico ABC

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