Capacitancia evolutiva

La capacidad evolutiva es el almacenamiento y la liberación de variación, de la misma manera que los condensadores eléctricos almacenan y liberan carga. Los sistemas vivos son resistentes a las mutaciones. Esto significa que acumulan variación genética sin que ésta tenga un efecto fenotípico . Pero cuando el sistema se ve perturbado (quizás por estrés), la robustez se rompe y la variación tiene efectos fenotípicos y está sujeta a toda la fuerza de la selección natural . Un condensador evolutivo es un mecanismo de conmutación molecular que puede "alternar" la variación genética entre estados ocultos y revelados. ^[1] Si algún subconjunto de la variación recién revelada es adaptativo, se fija por asimilación genética . Después de eso, el resto de la variación, la mayor parte de la cual es presumiblemente perjudicial, puede desactivarse, dejando a la población con un rasgo ventajoso recién desarrollado, pero sin desventajas a largo plazo. Para que la capacidad evolutiva aumente la capacidad evolutiva de esta manera, la tasa de conmutación no debe ser más rápida que la escala de tiempo de la asimilación genética. ^[2]

Este mecanismo permitiría una rápida adaptación a nuevas condiciones ambientales. Las tasas de cambio pueden ser una función del estrés, lo que hace que la variación genética tenga más probabilidades de afectar al fenotipo en momentos en que es más probable que sea útil para la adaptación. Además, la variación fuertemente perjudicial puede ser purgada mientras se está en un estado parcialmente críptico, por lo que la variación críptica que permanece es más probable que sea adaptativa que las mutaciones aleatorias. ^[3] La capacitancia puede ayudar a cruzar "valles" en el paisaje de la adaptación , donde una combinación de dos mutaciones sería beneficiosa, aunque cada una sea perjudicial por sí sola. ^{[2] [3] [4]}

Actualmente no hay consenso sobre el grado en que la capacitancia podría contribuir a la evolución en poblaciones naturales. La posibilidad de la capacitancia evolutiva se considera parte de la síntesis evolutiva extendida . ^[5]

Los interruptores que activan y desactivan la robustez de la variación fenotípica en lugar de la genética no encajan en la analogía de la capacitancia, ya que su presencia no hace que la variación se acumule con el tiempo. En cambio, se los ha llamado estabilizadores fenotípicos. ^[6]

Además de su reacción nativa, muchas enzimas realizan reacciones secundarias. ^[7] De manera similar, las proteínas de unión pueden pasar una parte de su tiempo unidas a proteínas no objetivo. Estas reacciones o interacciones pueden no tener consecuencias para la aptitud actual , pero en condiciones alteradas, pueden proporcionar el punto de partida para la evolución adaptativa. ^[8] Por ejemplo, varias mutaciones en el gen de resistencia a los antibióticos B-lactamasa introducen resistencia a la cefotaxima pero no afectan la resistencia a la ampicilina . ^[9] En poblaciones expuestas solo a la ampicilina, dichas mutaciones pueden estar presentes en una minoría de miembros ya que no hay costo de aptitud (es decir, están dentro de la red neutral ). Esto representa una variación genética críptica ya que si la población se expone recientemente a la cefotaxima, los miembros de la minoría exhibirán cierta resistencia.

Las chaperonas ayudan en el plegamiento de proteínas . La necesidad de plegar proteínas correctamente es una gran restricción en la evolución de las secuencias de proteínas . Se ha propuesto que la presencia de chaperonas puede, al proporcionar robustez adicional a los errores en el plegamiento, permitir la exploración de un conjunto más grande de genotipos. Cuando las chaperonas trabajan en exceso en momentos de estrés ambiental, esto puede "activar" una variación genética previamente críptica. ^[10]

La hipótesis de que las chaperonas pueden actuar como condensadores evolutivos está estrechamente asociada con la proteína de choque térmico Hsp90 . Cuando la Hsp90 se regula a la baja en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster , se observa una amplia gama de fenotipos diferentes, donde la identidad del fenotipo depende del trasfondo genético. ^[10] Además, un estudio reciente sobre el insecto modelo, el escarabajo rojo de la harina Tribolium castaneum , mostró que el deterioro de la Hsp90 reveló un nuevo fenotipo, el fenotipo de ojo reducido, que se heredó de forma estable sin una mayor inhibición de la HSP90 (https://doi.org/10.1101/690727). Se pensó que esto demostraba que los nuevos fenotipos dependían de una variación genética críptica preexistente que simplemente se había revelado. Evidencias más recientes sugieren que estos datos podrían explicarse por nuevas mutaciones causadas por la reactivación de elementos transponibles formalmente latentes . ^[11] Sin embargo, este hallazgo con respecto a los elementos transponibles puede depender de la fuerte naturaleza del silenciamiento de Hsp90 utilizado en ese experimento. ^[12]

La sobreproducción de GroEL en Escherichia coli aumenta la robustez mutacional . ^[13] Esto puede aumentar la capacidad de evolución . ^[14]

Sup35p es una proteína de levadura que participa en el reconocimiento de codones de terminación y hace que la traducción se detenga correctamente en los extremos de las proteínas. Sup35p se presenta en forma normal ([psi-]) y en forma priónica ([PSI+]). Cuando está presente [PSI+], se agota la cantidad de Sup35p normal disponible. Como resultado, la tasa de errores en los que la traducción continúa más allá de un codón de terminación aumenta de aproximadamente el 0,3 % a aproximadamente el 1 %. ^[15]

Esto puede dar lugar a diferentes tasas de crecimiento y, en ocasiones, a diferentes morfologías en cepas [PSI+] y [psi-] emparejadas en una variedad de entornos estresantes. ^[16] A veces, la cepa [PSI+] crece más rápido, a veces [psi-]: esto depende de los antecedentes genéticos de la cepa, lo que sugiere que [PSI+] aprovecha una variación genética críptica preexistente. Los modelos matemáticos sugieren que [PSI+] puede haber evolucionado, como un condensador evolutivo, para promover la capacidad de evolución . ^{[17] [18]}

[PSI+] aparece con mayor frecuencia en respuesta al estrés ambiental. ^[19] En levadura, hay más desapariciones de codones de terminación en el marco de lectura , imitando los efectos de [PSI+], de lo que se esperaría por sesgo de mutación o de lo que se observa en otros taxones que no forman el prión [PSI+]. ^[20] Estas observaciones son compatibles con que [PSI+] actúe como un condensador evolutivo en la naturaleza.

Pueden producirse aumentos transitorios similares en las tasas de error de manera emergente en ausencia de un "widget" como [PSI+]. ^[21] La principal ventaja de un widget como [PSI+] es facilitar la evolución posterior de tasas de error más bajas una vez que se ha producido la asimilación genética. ^[22]

La eliminación de genes puede utilizarse para identificar genes nuevos o regiones genómicas que funcionan como condensadores evolutivos. Cuando se elimina un gen y su eliminación revela una variación fenotípica que no era observable anteriormente, ese gen funciona como un condensador fenotípico. Si alguna de las variaciones es adaptativa, funciona como un condensador evolutivo.

La deficiencia en al menos 15 genes diferentes revela una variación críptica en la morfología de las alas de Drosophila melanogaster . Si bien algunas de las variaciones reveladas por estas deficiencias son perjudiciales, otras variaciones tienen un efecto relativamente menor en la aerodinámica e incluso podrían mejorar la capacidad de vuelo de un individuo. ^[23]

En la levadura , la eliminación de ciertos genes reguladores de la cromatina aumenta las diferencias de expresión entre especies de levadura. La mayor parte de la variación en la expresión de proteínas es atribuible a efectos trans , lo que sugiere que los procesos transreguladores están fuertemente involucrados en la canalización . A diferencia de los reguladores de la cromatina, la eliminación de genes que codifican enzimas metabólicas no tiene un efecto consistente en la diferencia de expresión entre especies, ya que diferentes eliminaciones de enzimas aumentan, disminuyen o no afectan significativamente la diferencia de expresión. ^[24]

Las muestras de knockout más amplias en levadura han identificado al menos 300 genes que, cuando están ausentes, aumentan la variación morfológica entre individuos de levadura. Estos genes capacitores ocupan predominantemente unos pocos dominios clave en la ontología génica , incluida la organización cromosómica y la integridad del ADN, la elongación del ARN , la modificación de proteínas , el ciclo celular y la respuesta a estímulos como el estrés. De manera más general, es probable que los genes capacitores expresen proteínas que actúan como centros de red en el interactoma de una célula y en la red de interacciones sintéticas-letales . La confianza en que un gen específico actúa como un capacitor fenotípico está correlacionada con el número de interacciones proteína-proteína observadas para su proteína expresada. Sin embargo, las proteínas con la mayor cantidad de interacciones tienen una capacitancia fenotípica reducida, posiblemente debido a una mayor duplicación de regiones que codifican estas proteínas en el genoma, lo que reduce el efecto de un solo knockout.

Es menos probable que los genes capacitores tengan parálogos en otras partes del genoma; la mayoría de los capacitores identificados en levadura son genes singleton o tienen parálogos históricos de los cuales han divergido sustancialmente en términos de expresión. Los capacitores singleton y duplicados exhiben en gran medida un comportamiento disjunto en el interactoma. Los capacitores singleton son con mayor frecuencia parte de complejos altamente interconectados (como el complejo mediador ), mientras que los capacitores duplicados están más altamente conectados y tienden a interactuar con múltiples complejos grandes. Las ontologías genéticas de los capacitores singleton y duplicados también difieren notablemente. Los capacitores singleton se concentran en las categorías de mantenimiento y organización del ADN, respuesta a estímulos y transcripción y localización del ARN, mientras que los capacitores duplicados se concentran en las categorías de metabolismo de proteínas y endocitosis . ^[25]

El mecanismo de los genes capacitores fenotípicos en levadura parece estar estrechamente relacionado con las modalidades de redundancia funcional en varios niveles del genoma. Las regiones codificantes que son necesarias para la síntesis de proteínas clave que no tienen parálogos en otras partes del genoma son letales cuando se eliminan. Por el contrario, las regiones codificantes con muchos parálogos o parálogos fuertemente expresados ​​tienen un efecto mínimo en la expresión general (especialmente la expresión transreguladora) cuando se eliminan. Los capacitores singleton y duplicados representan en gran medida ejemplos de redundancia funcional incompleta; los parálogos expresados ​​diferencialmente de capacitores duplicados continúan con alguna funcionalidad del gen original, y los complejos de interacción proteína-proteína dentro de los cuales residen los capacitores singleton exhiben en gran medida funcionalidad superpuesta. En general, los capacitores fenotípicos identificados por knockouts en levadura son genes expresados ​​en varias áreas reguladoras clave que, si bien no son letales cuando se eliminan, no tienen suficiente redundancia para mantener una funcionalidad completa. El concepto de redundancia funcional también puede estar involucrado en el alto número de interacciones sintético-letales en las que participan los genes capacitores. Cuando un gen recupera su funcionalidad mediante un parálogo o análogo funcional, su eliminación no es inherentemente letal; sin embargo, cuando se eliminan el gen y su redundancia, el resultado es letal.

Las simulaciones computacionales de knockouts en redes complejas de interacción genética han demostrado que muchos, y posiblemente todos los genes expresados ​​tienen el potencial de revelar variación fenotípica de algún tipo cuando se eliminan, y que los genes capacitores identificados previamente son simplemente ejemplos especialmente fuertes. La capacitancia, entonces, es simplemente una característica de redes genéticas complejas que surge junto con la canalización. ^[26]

Las mutaciones recesivas pueden considerarse crípticas cuando están presentes de forma abrumadora en heterocigotos en lugar de homocigotos. El sexo facultativo que toma la forma de autofecundación puede actuar como un condensador evolutivo en una población principalmente asexual al crear homocigotos. ^[27] El sexo facultativo que toma la forma de cruzamiento externo puede actuar como un condensador evolutivo al romper combinaciones de alelos con efectos fenotípicos que normalmente se cancelan. ^[28]

• Canalización (genética)
• Epigenética
• Preadaptación
• Susan Lindquist