Evolución: Innovación gracias a los genes duplicados.

Trabajo realizado por Adriá Sans.

Mi trabajo de fin de master, lo estoy desarrollando en el grupo de investigación del Dr. Mario A. Fares. Este grupo de investigación, enmarcado en lo que se conoce actualmente como biología de sistemas, busca entender como en los organismos, ya sean plantas, bacterias, levaduras, etc… adquieren innovaciones evolutivas. Es decir, a la capacidad de evolución que tiene un organismo, bien sea por la adquisición de nuevas funciones, o por el perfeccionamiento de las ancestrales de cara a enfrentarse a un nuevo desafío adaptativo. Estas innovaciones biológicas surgen, generalmente, de cambios en el genoma del organismo. Ya sea por mutaciones puntuales en alguna base, la duplicación de alguna región génica o como ocurrió en en Saccharomyces cerevisae (Conocida vulgarmente como levadura y usada hoy en día en la industria panadera y cervecera, entre otras muchas aplicaciones.) que duplico el genoma hace 200 millones de años. Aunque técnicamente la duplicación genómica no llevó a ninguna innovación sino a una especiación.

Tengo que destacar que el origen de Saccharomyces cerevisae, parece estar cuestionado actualmente. Y es que, en 2015 se publicó un artículo en Plos Biology, una revista de gran impacto en ciencia, en el que se postula que el origen podría haberse dado por la hibridación de dos cepas diferentes de levadura y no de duplicar el genoma entero como se suponía hasta ahora. En una hibridación, se combinan los genomas de ambas especies lo que produce la aparición de genes duplicados, esto permite nuevas oportunidades de adaptación e innovación biológica para el organismo. Hay que tener en cuenta que la selección natural, en un determinado ambiente, mantendrá funciones que contribuyan a la supervivencia del organismo y eliminará los genes del genoma que sean redundantes. Por eso, de esa duplicación genómica que ocurrió hace 200 millones años solo queda, aproximadamente, un 10% de genes duplicados.

Si entramos más en detalle, la duplicación de genes es el proceso por el que de un gen se origina dos copias idénticas. Podríamos esperar que, si tenemos dos genes idénticos en un mismo organismo, la función que realizan estos genes, se vea mejorada debido a la redundancia. ¿Realmente ocurre esto? Pues bien, según la teoría clásica de Susumo Ohno (Evolution by Gene Duplication, 1970), establece que después de una duplicación, una copia del gen, desprovista de presiones de selección, puede explorar nuevas funciones. Como había comentado anteriormente, permite nuevas oportunidades de adaptación e innovación biológica para el organismo. Hoy en día, podemos ir más lejos gracias a los avances en genómica y añadir a esa teoría clásica que; hay muchos factores que pueden tener impacto importante en la determinación del destino evolutivo de los genes duplicados. Como, por ejemplo, el mecanismo de duplicación, la disposición de los genes, el tipo de gen duplicado, entre muchos otros factores. Lo que no es nada claro, es el mecanismo a través del cual un gen es capaz de mantenerse en estado duplicado y no volver a copia única, bien porque se haya dado una presión selectiva por mantener las dos copias o por azar.

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Cuando un gen se duplica, este puede adoptar varios roles.

En este punto cabe introducir la robustez mutacional. Este concepto puede parecer complicado, no obstante, se refiere a la capacidad de un organismo de sobrellevar mutaciones genéticas sin que su efecto se manifieste en el fenotipo. Es decir, cuanto más robusto es un sistema menos alterado se verá debido a las pequeñas perturbaciones estocásticas que se den en él. En el caso de los genes duplicados, se ha observado estos contribuyen a la robustez puesto que permiten mayor tolerancia de mutaciones en sus copias. Por lo tanto, cuanto más robusto sea un organismo, hasta cierto punto, más facilidad de adaptación al nuevo medio. Gracias a como contribuyen los genes duplicados a la robustez, podemos explicar el por qué los genes duplicados que emergieron hace más de 100 millones de años pueden todavía encontrarse en los genomas de organismos actuales.

Otra de las investigaciones realizadas en el grupo de Mario A. Farés, demostró que las duplicaciones de todo el genoma, conocido como Whole-Genome Duplication (WGDs) son más propensos a mantenerse que las duplicaciones a pequeña escala, conocidas también como Small-Scale Duplications(SSD)Esto se debe a que las duplicaciones de regiones génicas pequeñas, establecen más interacciones genéticas y lo más importante, es que son funcionalmente más divergentes. Es decir, cada uno de los genes duplicados podrá adquirir nuevas funciones con mayor facilidad.

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Duplicación del genoma entero (WGDs) o duplicación de un solo gen (SSD). Y como estos adquieren nuevas funciones.

Por otro lado, la teoría de evolución neutral propone que la mayoría de mutaciones que se producen en un organismo no tienen ningún efecto sobre su eficacia biológica por lo que pasan desapercibidas a ojos de la selección natural. Pero supongamos ahora unas condiciones donde el coeficiente de selección es muy bajo, es decir el efecto de la selección natural en esa población no favorecerá a unos organismos sobre los otros, pero sin embargo es suficiente para que las mutaciones de efectos deletéreos se vean eliminados. De esta manera, la cantidad de mutaciones neutrales que puede acumular un organismo es mayor, y esta nueva variabilidad genética adquirida puede suponer una ventaja adaptativa en un ambiente más competitivo. Tanto es así, que las mutaciones neutrales en determinadas condiciones pueden suponer una diferencia entre la vida y la muerte en otros.

Las duplicaciones, ocurren con relativa frecuencia, lo más difícil es que estos cambios queden fijados, ya que en muchos casos suponen un sobreesfuerzo para el organismo y la selección natural favorece su eliminación. Volviendo al tema de las duplicaciones, pongamos un ejemplo con un símil cuotidiano. Un gen X, realiza varias funciones. Este gen X, podría parecerse a una navaja suiza. Con la que podemos realizar muchas acciones, pero poco especializadas. Es decir, podría cortar o realizar otras acciones a pequeña escala, pero si, por ejemplo, quiero cortar un tronco de gran tamaño, necesito una herramienta especializada para eso. Supongamos que vivo en un ambiente en el que mi supervivencia depende de poder cortar troncos de pequeño tamaño, que con mi navaja suiza lo puedo hacer perfectamente. De repente, cambia el ambiente y solo hay troncos grandes que con mi navaja no puedo cortar. El hecho de no poder cortar troncos y, por lo tanto, no poder adaptarme al nuevo medio, la selección natural hará que me extinga. Si, por el contrario, el gen X ha sufrido una duplicación y ha hecho que neofuncionalice, es decir que ha adquirido una nueva función, en este caso una sierra para poder cortar troncos grandes, mis posibilidades de adaptación aumentarán.

El objetivo del estudio que estoy realizando, es entender los mecanismos por los que los genes duplicados adquieren nuevas funciones cuando aplicamos un estrés que suponga una desventaja para el organismo. Para ello, se ha realizado una evolución con una población S. cerevisiae durante aproximadamente 660 generaciones en condiciones de bajo coeficiente de selección, es decir, que el efecto de la selección natural es mínimo, lo ha permitido la fijación de muchas mutaciones en el genoma de la levadura. A continuación, hemos hecho otra evolución sometiendo la levadura previamente evolucionada a diferentes condiciones de estrés. En este estudio, centramos la atención en caracterizar los mecanismos moleculares que proporcionan robustez mutacional y permiten la exploración de redes genotípicas más grandes. De esta manera, pretendemos esclarecer un mecanismo que pueda dar nuevos fenotipos. Dicho de otra manera, las mutaciones que surgidas durante la primera evolución neutral, servirán de base para explorar nuevas redes genotípicas y conferir innovaciones funcionales al organismo, en este caso Saccharomyces cerevisae, en diferentes condiciones de estrés.

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A la izquierda, levaduras evolucionadas durante 1400 generaciones en medio sin estrés y 500 con estrés de ácido láctico. A la derecha, levaduras sin evolucionar. Se puede observar que hay un cambio en la forma de las levaduras después de la evolución.

Con este sencillo experimento, de momento se ha encontrado que los genes duplicados son más tolerantes a mutaciones desestabilizadoras que los genes no duplicados. También se ha revelado el destino evolutivo de aquellos genes que se duplicaron hace más de 100 millones de años. Sin embargo, aún queda mucho por explorar, pero entender estos mecanismos supondría un avance muy importante. De hecho, podría suponer una revolución en la biotecnología vegetal en cuanto al desarrollo de nuevas líneas transgénicas, y que sumado a las nuevas técnicas de edición de genomas facilitan su aplicabilidad para obtener nuevas funciones en la industria biotecnológica. No obstante, entender como la evolución genera nuevas funciones es difícil, ya que los pasos evolutivos no podemos observarlos directamente ya que acontecen de manera muy gradual y durante millones de años.

Mis agradecimientos a todo el grupo del laboratorio de Mario A. Farés y con especial mención a Florian Mattenberger.

  1. Fares, M.A., et al., The roles of whole-genome and small-scale duplications in the functional specialization of Saccharomyces cerevisiae genes. PLoS Genet, 2013. 9(1): p. e1003176.
  2. Conant, G.C. and K.H. Wolfe, Turning a hobby into a job: how duplicated genes find new functions. Nat Rev Genet, 2008. 9(12): p. 938-50.
  3. Marcet-Houben, M. and T. Gabaldon, Beyond the Whole-Genome Duplication: Phylogenetic Evidence for an Ancient Interspecies Hybridization in the Baker’s Yeast Lineage. PLoS Biol, 2015. 13(8): p. e1002220.
  4. Nasvall, J., et al., Real-time evolution of new genes by innovation, amplification, and divergence. Science, 2012. 338(6105): p. 384-7.
  5. Qian, W. and J. Zhang, Genomic evidence for adaptation by gene duplication. Genome Res, 2014. 24(8): p. 1356-62.

7 Comentarios

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AdriàAdrià

No tiene porque. También se pueden producir innovaciones a partir de una simple mutación. Es decir, el echo de que se duplique un gen, provoca que una de las copias quede ‘libre’ y pueda explorar nuevas rutas de innovación. Pero existen otros mecanismos que producen innovaciones genéticas.
Saludos.

LuisLuis

Saludos Adrià.

Un trabajo muy interesante, me parece una muy buena idea.

Si he entendido bien, ¿los genes los genes duplicados tienen más probabilidad de mutar en condiciones estables y de bajo estrés?

Gracias.

Adrià SansAdrià Sans

Más o menos es así. Es decir, no es que tengan más probabilidad de mutar, sino que el motivo es que los genes duplicados tienen la capacidad de acumular más mutaciones neutras ya que quedan libres de carga. La probabilidad de mutación de un gen, son para todos iguales, (cierto que hay regiones donde se producen mayor número de mutaciones), la diferencia es más bien qué tipo de mutación es. Si es una mutación deletérea, nosotros no la vamos a observar ya que la selección ara que se pierda. Pero en este caso, si es una mutación neutra, quede tamponada y tendrá potencial para en producir innovaciones. Y el motivo de trabar en condiciones estables, viene dado por este motivo, es más que el organismo acumule mutaciones neutras. Luego, esas mutaciones, son las que queremos cómo se comportan cuando crecemos el organismo en medio selectivo

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