Reloxo molecular

A noción da existencia dun "reloxo molecular" atribúese a Emile Zuckerkandl e Linus Pauling que, en 1962, s decataron de que a cantidade de diferenzas en aminoácidos na hemoglobina entre diferentes liñaxes cambiaba aproximadamente de forma linear co tempo, como se estimaba polas evidencias fósiles.^[1] Xeneralizaron esta observación para afirmar que o grao de cambio evolutivo de cada proteína especificada era aproximadamente constante co tempo e nas diferentes liñaxes de seres vivos (baseándose na hipótese do reloxo molecular).

O fenómeno da equidistancia xenética foi detectado primeiro en 1963 por Emanuel Margoliash, quen escribiu: "Parece que a cantidade de diferenzas en residuos entre o citocromo c de dúas especies calquera está maiormente condicionado polo tempo que pasou desde que as liñas da evolución que levan a esas dúas especies diverxiron orixinalmente. Se isto é correcto, o citocromo c de todos os mamíferos debería ser igualmente diferente do citocromo c de todas as aves. Como os peixes diverxiron do tronco principal da evolución dos vertebrados antes que as aves ou mamíferos, os citocromos c de mamíferos e aves deberían ser igual de diferentes do citocromo c dos peixes. De xeito similar, todos os citocromos c de vertebrados deberían ser igual de diferentes da proteína dos lévedos."^[2] Por exemplo, a diferenza entre o citocromo c dunha carpa e unha ra, tartaruga, galiña, coello, e cabalo é de forma moi constante do 13% ao 14%. Similarmente, a diferenza entre o citocromo c dunha bacteria e un lévedo, trigo, avelaíña, atún, pomba, e cabalo vai do 64% ao 69%. Xunto co traballo de Emile Zuckerkandl e Linus Pauling, o resultado da equidistancia xenética levou directamente á proposta formal da hipótese do reloxo molecular a inicios da década de 1960.^[3] A equidistancia xenética utilizouse con frecuencia para inferir un tempo igual de separación de diferentes especies irmás dun grupo externo (outgroup).^[4][5]

Posteriormente Allan Wilson e Vincent Sarich desenvolveron estes traballos.

A observación dunha taxa de cambio molecular similar a un reloxo era orixinalmente puramente fenomenolóxica. Posteriormente, os traballos de Motoo Kimura^[6] servíronlle para desenvolver a teoría neutralista da evolución molecular, na cal se predicía a existencia dun reloxo molecular. Condsideremos que hai N individuos, e para facer os cálculos máis simples, eses individuos son haploides (é dicir, teñen unha copia de cada xene). Consideremos que a taxa de mutacións neutras (é dicir, mutacións sen efecto na fitness) nun novo individuo é ${\displaystyle \mu }$ . A probabilidade de que esta nova mutación quede fixada nunha poboación é entón 1/N, xa que cada copia dun xene é igual que calquera outra. En cada xeración, cada individuo pode ter novas mutacións, así que hai ${\displaystyle \mu }$ N novas mutacións neutras na poboación no seu conxunto. Iso significa que en cada xeración quedarán fixadas ${\displaystyle \mu }$  novas mutacións neutras. Se a maioría dos cambios observados durante a evolución molecular son neutros, entón as fixacións nunha poboación hanse acumular ao ritmo dun reloxo que é igual á taxa de mutacións neutras nun individuo.

Por si só o reloxo molecular só pode dicir que un período temporal é o dobre de longo que outro, por exemplo, pero non pode asignar datas concretas. Para conseguir isto, o reloxo molecular debe primeiro ser calibrado con respecto a evidencias independentes sobre as datacións, como pode ser o rexistro fósil.^[7] Para a filoxenia viral e os estudos de ADN antigo, que son dúas áreas da bioloxía evolutiva nas que é posible tomar mostras de secuencias a escala temporal evolutiva, poden utilizarse as datas das mostras intermedias para calibrar con máis precisión o reloxo molecular.

Ás veces só se pode estimar un só dato de diverxencia dos fósiles, e todos os outros datos se deducen dese. Mais doutros conxuntos de especies disponse dunha grande abundancia de fósiles, o que permite que se poida comprobar a hipótese do reloxo molecular das taxas de diverxencia constantes. Nun estudo deste tipo, as secuencias de ADN que experimentan baixos niveis de selección negativa mostraron taxas de diverxencia de 0,7 a 0,8% por millón de anos en bacterias, mamíferos, invertebrados, e plantas.^[8] No mesmo estudo, as rexións xenómicas que experimentan unha selección purificante ou negativa moi alta (codificando ARNr) eran considerablemente máis lentas (do 1% por 50 millóns de anos).

Ademais desa variación na taxa dependendo da posición xenómica, xa desde inicios da década de 1990, a variación entre taxons demostrou ser tamén un fértil campo de investigación,^[9] mesmo en períodos comparativamente curtos do tempo evolutivo (por exemplo en paxaros mímidos^[10]). As avesmariñas con tubo nasal teñen reloxos moleculares que como media corren á metade da velocidade que en moitas outras aves,^[11] posiblemente debido aos longos tempos de xeración, e moitas tartarugas teñen un reloxo molecular que corre a 1/8 da velocidade á que o fai en pequenos mamíferos ou aínda a menos.^[12] Os efectos do tamaño pequeno de poboación tamén é probable que confundan as análises de reloxo molecular.

Investigadores como Francisco Ayala criticaron de forma fundamental a hipótese do reloxo molecular.^[13][14] De acordo cun estudo de Ayala de 1999, combínanse cinco factores que limitan a aplicación dos modelos de reloxo molecular, que son:

• Tempos de xeración cambiantes (se a taxa de novas mutacións depende polo menos parcialmente do número de xeracións en vez de do número de anos).
• Tamaño da poboación (a deriva xenética é máis forte en pequenas poboacións, e así as mutcións son efectivamente neutras).
• Diferenzas específicas de especie (debidas a diferentes metabolismo, ecoloxía, historia evolutiva...).
• Cambios en función da proteína estudada (poden evitarse en especies estreitamente relacionadas ao utilizar secuencias de ADN non codificante ou enfatizando mutacións silenciosas).
• Cambios na intensidade da selección natural.

 

Os investigadores que utilizan reloxos moleculares desenvolveron solucións alternativas utilizando varias estratexias estatísticas como técnicas de máxima probabilidade e despois modelizacións bayesianas. En particular, propuxéronse modelos que teñen en conta a taxa de variación entre liñaxes para obter estimacións dos tempos de diverxencia. Estes modelos denomínanse reloxos moleculares relaxados^[15] porque representan unha posición intermedia entre a hipótese do reloxo molecular "estrita" e o modelo de moitas taxas de Joseph Felsenstein,^[16] e fanse posibles por medio de técnicas de MCMC que exploran un rango ponderado de topoloxías de árbore e simultaneamente estiman os parámetros do modelo de substitución elixido. Debe lembrarse que os datos de diverxencia inferidos usando un reloxo molecular están baseados en inferencia estatística e non en evidencia directa.

O reloxo mulecular atopa especiais retos cando se aplica a escalas de tempo moi curtas ou moi longas. A escalas de tempo longas, o problema é a saturación. Cando pasa o suficiente tempo, moitos sitios xenéticos sufriron máis dun cambio, pero é imposible detectar máis dun. Isto significa que o número de cambios observados xa non é linear co tempo, senón que se aplana.

A escalas moi curtas detempo, que haxa moitas diferenzas entre mostras non representa a fixación de diferentes secuencias nas distintas poboacións. Ao contrario, representan alelos alternativos que estaban ambos presentes como parte dun polimorfismo no antepasado común. A inclusión de diferenzas que aínda non chegaron a fixarse conduce a unha drástica inflación potencial da taxa aparente do reloxo molecular a escalas de tempo moi curtas.^[17][18]

Os métodos bayesianos poden proporcionar estimacións máis axeitadas dos tempos de diverxencia, especialmente se se empregan grandes conxuntos de datos (como os obtidos na filoxenómica).^[19]

A técnica do reloxo molecular é unha importante ferramenta en sistemática molecular, que é o uso de información de xenética molecular para determinar a correcta clasificación científica dos organismos ou para estudar a variación nas forzas selectivas.

O coñecemento de taxas aproximadamente constantes de evolución molecular en conxuntos determinados de liñaxes facilita tamén establecer as datas dos eventos filoxenéticos, incluíndo os que non están documentados por fósiles, como a diverxencia de taxons vivos e a formación dunha árbore filoxenética. Nestes caos, especialmente en longos períodos de tempo, deben considerarse as limitacións da hipótese do reloxo molecular (ver arriba), xa que tales estimacións poden estar desafinadas nun 50% ou máis.

• Reloxo molecular mitocondrial humano
• Eva mitocondrial e Adán cromosómico Y
• Modelos de evolución do ADN
• Evolución molecular
• Teoría neutralista da evolución molecular

• Morgan, G.J. (1998). "Emile Zuckerkandl, Linus Pauling, and the Molecular Evolutionary Clock, 1959-1965". Journal of the History of Biology 31 (2): 155–178. PMID 11620303. doi:10.1023/A:1004394418084. 
• Zuckerkandl, E. and Pauling, L.B. (1965). "Evolutionary divergence and convergence in proteins". En Bryson, V.and Vogel, H.J. (editors). Evolving Genes and Proteins. Academic Press, New York. pp. 97–166. 
• San Mauro, D.; Agorreta, A. (2010). "Molecular systematics: a synthesis of the common methods and the state of knowledge". Cellular & Molecular Biology Letters 15 (2): 311–341. doi:10.2478/s11658-010-0010-8. 

• Allan Wilson e o reloxo molecular
• Explicación do reloxo molecular do fenómenoda equidistancia xenética
• Date-a-Clade servizo para a árbore da vida molecular