Relojes de ADN

Relojes de ADN por Guillermo Peris
Relojes de ADN por Guillermo Peris

Los chimpancés y los humanos somos parientes muy próximos. Tanto, que compartimos el 99% de nuestro ADN. Hace no demasiado tiempo (no demasiado a una escala geológica, claro) existió un antecesor común de los chimpancés y los Homo Sapiens. Pero, ¿cuánto tiempo hace de la divergencia entre estas dos especies?

La determinación de esta fecha de separación entre humanos y chimpancés ha sido tema de controversia entre los científicos. En los primeros análisis se estimó que este antecesor común existió hace unos 25 millones de años. Posteriormente este tiempo se rebajó considerablemente, aunque los rangos de diferentes estudios mantenían entre sí diferencias de varios millones de años. Por ejemplo, en un trabajo de 2014 se calculó que este antepasado común podía haber vivido hace 13 millones de años. Un estudio acabado de publicar reduce este tiempo a 6.5 millones de años.

¿Cómo se realizan estas estimaciones de tiempo? En la actualidad no se ha identificado ningún fósil que pueda relacionarse con el antecesor común de hombres y chimpancés, por lo que una fuente de información habitual son los fósiles de especies anteriores o posteriores (por ejemplo Ardi, un antepasado del Homo Sapiens muy posterior a la separación de los chimpancés). Pero la mayoría de análisis actuales se basan en la estimación temporal según el denominado «reloj molecular». ¿En qué consiste este reloj y por qué es tan complejo «ponerlo en hora» para hacer estimaciones precisas de eventos evolutivos?

Fuente imagen
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Descubriendo el reloj

La tesis del reloj molecular fue propuesta por Emile Zuckerkandl y Linus Pauling (ganador de dos premios Nobel y también conocido por otras cosas no tan admirables) a principios de los años 60. Según esta teoría, los fragmentos de ADN o proteínas que cumplen una misma función (homólogos) en distintos organismos han evolucionado a un ritmo constante a lo largo del tiempo, de forma que si analizamos las diferencias entre, por ejemplo, dos proteínas homólogas de distintas especies, podremos tener una estimación del tiempo transcurrido desde la evolución desde un ancestro común: cuanto mayores sean las diferencias entre las secuencias, mayor será el tiempo transcurrido desde la divergencia de su antecesor.

Posteriormente esta idea de un reloj molecular fue revestida de sustento teórico por Motoo Kimura, denominándose «teoría neutra de la evolución molecular». Esta teoría se basa en que la mayoría de las mutaciones que tienen lugar en el ADN no son ni positivas ni negativas en términos evolutivos, sino que no tienen ningún efecto a nivel molecular, es decir, no afectan al funcionamiento celular. Estas mutaciones neutras puede que se fijen en la población o que terminen por desaparecer. Kimura demostró mediante un razonamiento puramente teórico que el ritmo de aparición de mutaciones totales de una especie es equivalente al ritmo de mutaciones neutras. Además, formuló la hipótesis de que las mutaciones que afectan al ADN se producen a un ritmo constante en todos los organismos vivos, de forma que midiendo las diferencias entre secuencias biológicas equivalentes de dos especies podríamos estimar el tiempo pasado desde que sus líneas evolutivas se separaron en el tiempo. O, dicho de otra forma, en qué momento vivía su ancestro común. Deja que lo explique mejor con un ejemplo.

Proteínas citocromo C en la levadura (izquierda) y humanos (derecha). ¿Dirías que estas dos proteínas son muy parecidas?
Proteínas citocromo C en la levadura (izquierda) y humanos (derecha).
¿Dirías que estas dos proteínas son muy parecidas?

Tomemos como ejemplo una proteína que se encuentra en las mitocondrias de la mayoría de los organismos eucariotas: el citocromo C. Según la teoría neutra de la evolución molecular, cuanto menos parecidas sean dos secuencias con la misma función, más distante estará en el tiempo la separación entre las especies a las que pertenecen. Comparemos las proteínas del citocromo C del Homo Sapiens con la de la rata y la de la levadura. En la siguiente figura puedes ver ambas secuencias alineando los aminoácidos equivalentes (en el caso de la proteína no humana se indican solamente los aminoácidos diferentes en color rojo).

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El número de mutaciones que diferencian el citocromo C humano del de la levadura (37%) es mayor que en el caso de la rata (9%), lo cual indica que el antepasado común de humanos y levadura es mucho anterior.

Poniendo el reloj en hora

Obviamente no basta con saber las diferencias entre secuencias para datar el antecesor común. Hemos de calibrar nuestro reloj, ponerlo en hora, saber cada cuánto tiempo tiene lugar una mutación por término medio. Y para ello necesitamos comparar secuencias en las que conozcamos el tiempo transcurrido en determinados eventos evolutivos –como la divergencia entre aves y mamíferos, por ejemplo– utilizando para ello el registro fósil o procesos de especiación. Una correlación de este tipo se realizó en 1963 utilizando las secuencias de aminoácidos del citocromo C conocidas hasta la fecha. Y la correlación fue bastante buena, obteniéndose un 2% de discrepancia entre secuencias homólogas por cada millón de años. En la siguiente figura puedes observar una correlación con datos más actuales comparando el número de mutaciones en el ADN en función del tiempo estimado de divergencia entre especies.

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Teniendo en cuenta este ritmo constante de mutaciones (que se conoce como regla del 2%) podríamos establecer el tiempo transcurrido desde la divergencia entre dos linajes concretos sin más que contar mutaciones y hacer unas operaciones sencillas. Pero la realidad no es tan simple.

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Demasiados relojes

Si utilizar el reloj molecular fuese tan sencillo no habría tantas discrepancias en el cálculo de tiempos de divergencia entre linajes como el humano y el de los chimpancés. Esta imprecisión se debe a varios motivos.

Para empezar, la estimación del número de mutaciones no resulta tan sencilla como contar diferencias de nucleótidos o aminoácidos. Primero porque algunas posiciones de las secuencias de ADN podrían haber mutado varias veces, pero solo observaríamos el cambio final, por lo que subestimaríamos el número de cambios y, en consecuencia, el tiempo transcurrido desde la divergencia. Además, dos secuencias pueden ser semejantes y cumplir la misma función debido a una evolución convergente. Es decir, que no estarían evolutivamente relacionadas aunque fueran similares y cumplieran la misma función.

Un problema más complejo se debe a que el ritmo del reloj molecular varía a distintos niveles: puede cambiar según la región concreta del ADN, puede acelerar y ralentizarse en distintos periodos evolutivos, y puede variar de especie a especie. Por ejemplo, las primeras estimaciones de la divergencia entre humanos y chimpancés eran erróneas porque se asumía que ambas especies tenían el mismo ritmo de mutaciones, pero hoy se sabe que en el caso de los chimpancés es mucho mayor. Para empezar, los chimpancés producen más esperma que los humanos (debido a su promiscuidad), por lo que su capacidad de transmitir mutaciones a su progenie es mucho mayor. Además, inician su periodo reproductivo (pubertad) antes que los humanos y se reproducen hasta una edad superior, por lo que tienen más tiempo de acumular mutaciones.

Otros factores que afectan al reloj molecular son el tiempo transcurrido entre generaciones y el metabolismo. Aquellas especies con un menor tiempo entre generación y generación pueden transmitir mutaciones a su progenie a mayor velocidad. Y un metabolismo de mayor velocidad también puede influir en el número de mutaciones a través de la generación de radicales libres.

Como conclusión, si bien es cierto que la teoría del reloj molecular tiene aún bastantes lagunas, entre ellas el no conocer exactamente las variaciones del ritmo de mutaciones entre especies y a lo largo del tiempo, aún sigue siendo la mejor forma que tenemos de estimar las divergencias entre linajes y especies cuando no tenemos evidencias fósiles, y por tanto una herramienta aún valiosa para construir el árbol de la vida imaginado por Darwin.

Este post ha sido realizado por Guillermo Peris (@Waltzing_piglet) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

Referencias

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