La Ciencia explicada: Ahora son dos...¿Y luego?

Uno de los mecanismos más poderosos de la evolución es la duplicación génica; cuando esto ocurre, la presión selectiva se relaja, dando oportunidad de que se mantengan mutaciones que puedan ser favorecidas o eliminadas en el futuro. Este proceso se denomina duplicación y divergencia, y aunque su relevancia está fuera de duda, los pasos precisos después de la duplicación son motivo de debate. El trabajo de VanderSluis et al. (2010), basado en el estudio de interacciones genéticas, es el intento más completo, a la fecha, para dar una respuesta a este problema.

La levadura común (Sacharomyces cerevisiae) es un excelente modelo para estudiar los procesos de duplicación génica; ya que pasó por una duplicación del genoma completo hace unos 100 millones de años, lo que permite estudiar cientos de pares de genes que provienen del mismo evento (genes hermanos). Estudios previos han demostrado que existe cierta superposición entre las funciones de genes hermanos, pero no hay modelos que reconcilien estas observaciones con su diversidad funcional.

Una interacción genética, también llamada epistasis, ser refiere a un fenotipo inesperado al combinar dos variantes genéticas, este fenotipo es inesperado en el sentido de que no puede explicarse como la simple suma de los fenotipos observados con cada una de las variantes genéticas de forma independiente. La interacción puede ser de varios tipos, y el caso más extremo es la letalidad sintética, una forma de interacción negativa, que ocurre cuando eliminar los genes A ó B por separado no tiene efecto alguno, pero eliminar los dos simultáneamente lleva a la muerte del organismo.

Los autores del estudio proponen que, después de una duplicación génica, los genes hermanos son idénticos y redundantes, por lo que la única interacción genética de cada uno es con el otro; conforme se acumulan mutaciones, nuevas interacciones genéticas aparecen que son una combinación de las interacciones del gen ancestral, y de nuevas funciones adquiridas por alguno de los genes hemanos. De acuerdo a este modelo, el estudio de los patrones de interacción genética revelaría las trayectorias evolutivas seguidas por los genes duplicados.

Modelo de evolución de los genes duplicados, y perfiles de interacción genética predichos por el modelo.

Se utilizaron datos de interacciones genéticas de más de 500 parejas de genes duplicados, y cerca de 1700 de genes únicos, las observaciones más importantes fueron que: los genes hermanos son más propensos a interactuar negativamente que una pareja de genes únicos; los genes duplicados tienen menos interacciones genéticas en promedio que los genes únicos; los genes hermanos tienen perfiles de interacción más diferentes entre si, que con genes que interaccionan físicamente con ellos; y, los genes duplicados para los que se favorece una mayor expresión, tienen perfiles de interacción genética estadísticamente indistinguibles de los genes únicos. Los detalles de cada una de estas observaciones están más allá del alcance de esta entrada, pero lo importante es que todas son consistentes con el modelo propuesto.

Una vez establecida la validez del modelo, los científicos abordaron dos aspectos fundamentales de la segunda parte del proceso de duplicación y divergencia. El primero es si la divergencia ocurre paralelamente en ambos genes hermanos, o preferencialmente en uno de ellos. Se encontró que el proceso es altamente asimétrico; en cada pareja hay un gen que tiende a retener la función del gen ancestral, mientras que el otro adquiere funciones diferentes.

El segundo aspecto se refiere al tipo de funciones adquiridas durante la divergencia, y existen dos grandes modelos: el de neofuncionalización, que postula que se trata de funciones completamente diferentes a la original;y el de subfuncionalización, que dice que los genes se especializan en algún aspecto de las funciones originales. Mediante el análisis detallado de casos específicos, los científicos concluyeron que el modelo de subfuncionalización es el más apropiado, los genes que adquieren más cambios parecen especializarse en la regulación temporal o espacial de alguna de las funciones ancestrales.

Modelo refinado de evolución de los genes duplicados. Incluye la divergencia asimétrica y la subfuncionalización.

Los autores concluyen con una versión refinada de su modelo original, que incluye la divergencia asimétrica y la preponderancia de la subfuncionalización. Es importante recalcar que este modelo no excluye la participación de otros procesos, sino que marca una tendencia general en la evolución de genes duplicados. Los autores también señalan las virtudes del estudio de interacciones genéticas, en particular el hecho de que mide directamente fenotipos sujetos a selección, por lo que los resultados suelen ser más sólidos que estudios basados en otro tipo de evidencia.

Referencias: