Reloj molecular: Cómo el ADN mitocondrial y el ARN ribosómico proporcionan relojes moleculares
Manteniendo el tiempo
Tengo algunas preguntas para ti antes de comenzar. ¿Qué hora es en este momento? Puede mirar el reloj en su reloj, teléfono o pantalla de computadora para encontrar esa respuesta. ¿En qué día de la semana cae la Navidad de este año? Puede encontrar fácilmente esa información en un calendario. ¿Qué evento ocurrió el 9 de julio de 1816? Es hora de abrir tu libro de historia. ¿Hace cuánto vivió el último ancestro común de los humanos y los chimpancés? Apuesto a que Internet puede responder a eso, pero ¿de dónde obtuvo la respuesta su fuente en línea? Ciertamente no es un reloj, un calendario o un libro de historia. Lo crea o no, esa pregunta se puede responder con un reloj, pero no con uno con el que probablemente esté familiarizado.
Mutaciones del ADN
Dejemos a un lado la cuestión del reloj de los antepasados por un minuto y hablemos de las mutaciones genéticas. Una de las ideas clave en la evolución es que la secuencia del ADN de un organismo puede cambiar a través de errores aleatorios durante la copia del ADN. Estos errores se denominan mutaciones. Las mutaciones pueden ser positivas o buenas para el organismo, como las mutaciones de resistencia a los antibióticos que ayudan a mantener vivas las bacterias a pesar de la exposición a la penicilina. Las mutaciones también pueden ser negativas o malas para el organismo, como la mutación en la mosca de la fruta que hace que sus alas se arruguen y se vuelvan inútiles. La mayoría de las mutaciones, sin embargo, son neutrales. Una mutación neutra es un cambio en la secuencia del ADN que no es beneficioso ni perjudicial para la supervivencia del organismo. Dado que no están cambiando las probabilidades de supervivencia del organismo, estas mutaciones pueden acumularse en el genoma con el tiempo.
Pero si estas mutaciones no están cambiando el organismo de manera significativa (ayudando o lastimando), ¿por qué nos preocupamos por ellas? Bueno, es casi la hora de volver a visitar ese reloj.
La tasa de mutaciones del ADN
En la década de 1960, tres científicos propusieron la teoría de que las secuencias de ADN evolucionan a un ritmo relativamente constante. Dicho de otra manera: las mutaciones aleatorias y neutrales se acumularán en el ADN a un ritmo constante y predecible. Entonces, las diferencias en el ADN de dos especies son directamente proporcionales al tiempo que ha pasado desde que compartieron un ancestro común (el último punto en el tiempo evolutivo cuando eran la ‘misma’ especie). Cuanto más similar es el ADN de las dos especies, más estrechamente relacionadas están y más recientemente compartieron un ancestro común.
Pero no es muy útil comparar las secuencias completas de los genomas completos de dos especies diferentes. Hay demasiados genes y no todos los organismos tienen los mismos genes. Para hacer las cosas más complejas, diferentes genes pueden tener diferentes tasas de mutación. Algunos adquieren mutaciones lentamente mientras que otros cambian con mayor frecuencia. Entonces, si vamos a elegir genes para comparar diferentes organismos, ¿cuáles debemos elegir? Es mejor seleccionar genes que estén presentes en tantos organismos como sea posible, que tengan la misma función y acumulen mutaciones a un ritmo constante.
De acuerdo, probablemente todavía no ve a dónde nos dirigimos con esto, pero volvamos a ese reloj.
Relojes moleculares
Un fragmento de ADN en el que se acumulan mutaciones neutrales aleatorias a un ritmo constante se denomina reloj molecular. ¡Ajá, aquí está la idea del reloj y ahora la hemos relacionado con nuestra idea de mutación de genes / ADN! Entonces, para calcular aproximadamente cuánto tiempo hace que vivió el último ancestro común de los humanos y los chimpancés, necesitamos un reloj molecular. Pero, ¿qué ADN o genes deberíamos utilizar? Sabemos que deberían estar presentes en muchos organismos, tener la misma función en todos los organismos y acumular mutaciones a un ritmo constante. Con este criterio, los científicos identificaron los genes del ARN ribosómico y el ADN mitocondrial.
Todos los organismos vivos conocidos contienen genes para el ARN ribosómico (ARNr). Los ribosomas son máquinas construidas con ARNr y proteínas que las células utilizan para producir todas las proteínas necesarias para el metabolismo. Dado que todos los organismos vivos necesitan proteínas, todos deben tener ribosomas para producirlas. La comparación de las secuencias de ADN de los genes de ARNr de muchas especies diferentes muestra ligeras variaciones. Una babosa, un guepardo y un humano tendrán secuencias similares. Pero el último ancestro común del ser humano y la babosa existió mucho más atrás en el tiempo evolutivo que el último ancestro común de los humanos y los guepardos. Entonces, las secuencias de genes de ARNr humano y de guepardo serán más similares. Podemos usar esta información para estimar cuánto tiempo hace que vivieron estos últimos ancestros comunes.
La segunda opción preferida para los genes del reloj molecular son los que se encuentran en el ADN mitocondrial (ADNmt). Eucariotas, organismos que tienen un núcleo en sus células, usan mitocondrias para producir energía dentro de la célula. Este orgánulo es vital para la vida y tiene su propio ADN. Esto lo convierte en un candidato perfecto para un reloj molecular. Uno de los trucos en los eucariotas es que siempre heredas tus mitocondrias de tu madre (del óvulo), por lo que rastrear cambios en el ADNmt nos muestra la línea materna de descendencia sin los efectos complicados de mezclar genes de ambos padres. Entonces, por ejemplo, los científicos pueden tomar diferentes grupos de personas, observar su ADNmt, contar las diferencias y luego decidir cuánto tiempo hace que los diferentes grupos se separaron (o divergieron) unos de otros. Más diferencias en el mtDNA significa que los dos grupos se separaron hace más tiempo; Menos diferencias en el mtDNA significan que la división fue más reciente.
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Como ocurre con casi todo en la ciencia, hay una llave inglesa. La hipótesis del reloj molecular es demasiado simple y asume que las tasas de mutación son consistentes a lo largo del tiempo. En realidad, las tasas de mutación pueden variar ampliamente incluso para genes de ARNr y ADN mitocondrial. Entonces, usar un reloj molecular es siempre una estimación. Por cierto, los científicos creen que hace unos 5 millones de años compartimos un ancestro con los chimpancés. Por si acaso te preguntabas.
Resumen de la lección
Un reloj molecular es un fragmento de ADN que acumula mutaciones neutrales aleatorias a un ritmo constante. Idealmente, el fragmento de ADN utilizado como reloj molecular debería estar presente en tantos organismos como sea posible, tener la misma función en todos los organismos y acumular mutaciones a un ritmo constante. Los dos relojes moleculares más comunes son los genes de ARN ribosómico, que codifican los orgánulos de construcción de proteínas en todos los organismos, y el ADN mitocondrial, que se encuentra en los orgánulos productores de energía en todos los eucariotas. Al comparar las diferencias en las secuencias del ADN del reloj molecular, podemos estimar cuánto tiempo ha pasado desde que los organismos compartieron un ancestro común.