La Ciencia y sus Demonios

Uno de los mecanismos moleculares responsables de la aparición de nuevas funciones en los seres vivos, es la duplicación génica. Dos recientes publicaciones muestran la complejidad de este mecanismo, a la vez que profundizan en este proceso fundamental para la evolución.

Uno de los pasos fundamentales en los procesos de evolución biológica es la aparición de nuevas funciones. Establecer los mecanismos moleculares por los que éstas aparecen ha sido un reto para los biólogos evolutivos, pero después de muchos años de trabajo han podido determinar algunos de dichos mecanismos, como por ejemplo la transferencia de genes (tanto vertical como horizontal), la recombinación o la duplicación génica. En 1932, antes incluso de que se conociera la estructura del DNA, J.B.S. Haldane hipotetizó que la duplicación génica es un proceso importante para la evolución. En 1970, el genetista Susumu Ohno propuso una idea elegante, a la vez que simple: los genes nuevos aparecen cuando se genera una duplicación, una copia extra del gen, y esta nueva copia adopta una nueva función. Esta idea fue citada en su obra “Evolution by Gene Duplication”, que se ha convertido en un clásico de la biología evolutiva. Pero la cosa no parece tan simple.

Un experimento presentado en el último número de la revista Science (1), así como una publicación de la revista International Journal of Evolutionary Biology (2) muestran otras posibles vías para la obtención de nuevas funciones.

Ohno propuso que las mutaciones pueden acumularse en la copia extra del gen, generada por algún evento (recombinación, duplicación de la molécula de DNA durante la división celular, reorganización génica, etc), ya que sobre ella no operaría la selección natural (es neutra para el fenotipo). En la mayoría de los casos esa copia extra acaba desapareciendo, pero en algún caso llega a aportar un producto que da ventaja adaptativa en el medio que vive. Pero John Roth, de la Universidad de California en Davis y Dan Anderon de la Universidad de Uppsala, en Suecia, no veían esta hipótesis demasiado clara. Se preguntaban como era posible que una copia extra se mantuviera sin ser eliminada el tiempo necesario para ganar una nueva función.

En el año 2007, propusieron un nuevo modelo. Según dicho modelo, los mejores candidatos para el mantenimiento de la duplicación génica son aquellos genes que, teniendo una función primaria, son capaces de llevar a cabo una segunda función no esencial. Si las condiciones ambientales cambian, de tal manera que la segunda función pase a ser esencial, entonces se producirá la duplicación (o incluso más copias) con el fin de obtener un producto génico capaz de responder a esa nueva condición. Posteriores con mutaciones en una de las copias extra se incrementaría la eficiencia en la función secundaria, desapareciendo las copias extras no esenciales. La función original del gen queda garantizada por la copia que se duplicó y que no ha variado a lo largo del tiempo.

Para demostrar experimentalmente dicha hipótesis, el grupo de investigadores buscó mutantes de Salmonella que fueran capaces de sintetizar pequeñas cantidades de triptófano después de haber mutado el gen TrpF, necesario para la síntesis del citado aminoácido. Un análisis genético de estos mutantes mostró que eran capaces de sintetizar triptófano (Trp) gracias a que poseían una copia extra del gen hisA, que participa en la biosíntesis de otro aminoácido, la histidina (His), y que en este caso tenía también la capacidad de sintetizar pequeñas cantidades de Trp. Posteriormente fusionaron el gen que expresa una proteína fluorescente de color amarillo al gen dual hisA que sintetizaba His y Trp de Salmonella, con lo que la dosis génica podía monitorizarse mediante la intensidad del color amarillo producido por la proteína híbrida fluorescente. Las células se crecen en un medio de cultivo que carece de His y Trp, lo que seleccionará aquellas bacterias que son capaces de sintetizar ambos aminoácidos. La intensidad del color amarillo, como ya he comentado, es un indicador sencillo para conocer el número de copias del gen.

Al principio, las células crecieron muy despacio, con un tiempo de duplicación de 5 horas. Pero en unas pocas generaciones, el tiempo de duplicación bajó a las 2 horas. Durante el año que duró el experimento (unas 3.000 generaciones) los investigadores analizaron el genoma de los microorganismos del cultivo. Encontraron que la copia hisA que tenía la mutación dual se había amplificado varias veces. Y en algunas bacterias, una copia mutada se había vuelto más eficiente en la síntesis de Trp, mientras que otra copia había ganado eficiencia para sintetizar His, corroborando su hipótesis de partida.

Por otra parte, una publicación firmada por Vaishali Katju, de la universidad de Nuevo México, en Alburquerque, y publicada en la revista International Journal of Evolutionary Biology (2), amplia la hipótesis de Ohno. Muestra casos en los que se produce la duplicación de una parte de un gen, y ésta se fusiona a otro fragmento de DNA, evento que se puede producir durante la duplicación del DNA. Estas fusiones son fuente de nuevos genes que serán seleccionados si suponen algún beneficio al organismo portador en las condiciones ambientales en las que se encuentra.

Referencias:

1- Näsvall, J., Sun, L., Roth, J.R., y Andersson, D.I. (2012) Real-Time Evolution of New Genes by Innovation, Amplification, and Divergence. Science 338:384-387.

2-Katju, V. (2012) In with the Old, in with the New: The Promiscuity of the Duplication Process Engenders Diverse Pathways for Novel Gene Creation. International Journal of Evolutionary Biology. doi:10.1155/2012/341932.

3-Pennisi, E. (2012) Gene duplication’s role in evolution ges richer, more complex. Science 338:316-317.