Reloj molecular: Concepto y uso

¿Qué es un reloj molecular?

Un reloj sirve como un método útil para fechar escalas de tiempo pasadas, actuales y futuras sobre eventos de la vida e historia a lo largo de las eras, pero ¿qué pasa con las escalas de tiempo evolutivas? ¿Cómo se miden estas escalas de tiempo en términos de divergencia de especies y evolución a nivel molecular?

Se utiliza un tipo diferente de reloj, un reloj molecular. En lugar de medir segundos, minutos y horas, el reloj molecular mide la tasa constante de cambio en el genoma de un organismo (secuencias de ADN o proteínas de un gen específico) a lo largo del tiempo. Esta tasa constante de cambio ocurre al azar entre diferentes especies de organismos como animales, plantas, hongos y virus. Al medir estos cambios, los científicos pueden crear árboles filogenéticos que representen una especie que evolucionó o se separó de otra hace mucho tiempo.

Cuando un organismo hereda material genético de la generación anterior, el cambio ocurre de manera constante y se dice que los genes son neutrales. No son ni desventajosos ni ventajosos, lo que significa que no inhiben la selección natural o la aptitud, sino que se deben a la deriva genética. Se estudian diferentes genes que contienen diferentes sustituciones de nucleótidos para determinar la velocidad a la que han evolucionado las secuencias de los genes. Esta ocurrencia ocurre durante un período de tiempo de millones de años a medida que los genes se transmiten y modifican de una generación a la siguiente.

Definición de reloj molecular

El reloj molecular mide el número de mutaciones aleatorias del gen de un organismo (secuencias de ADN o proteínas) a un ritmo relativamente constante durante un período de tiempo específico. Está calibrado con registros fósiles y escalas de tiempo geológicas. Mide cuánto tiempo hace que diferentes organismos estuvieron en la Tierra y cuándo ocurrió la divergencia de una nueva especie (animal, planta, virus, hongos).

La invención del reloj molecular

El reloj molecular fue descubierto por el químico Linus Pauling y el biólogo Emile Zuckerkandl en 1962. Durante este tiempo, la exploración de secuencias de proteínas estaba disponible. Linus y Emile encontraron varias diferencias en las secuencias de aminoácidos (los componentes básicos de las proteínas) en las proteínas de la hemoglobina en diferentes especies de mamíferos. El resultado del estudio fue que la tasa de sustitución en las secuencias de proteínas fue similar a la del momento de la divergencia de un ancestro común. Los relojes moleculares surgieron cuando los registros fósiles se quedaron cortos. Ayudaron a estimar momentos importantes en eventos evolutivos, como la divergencia de especies o la datación de especies sin registro fósil.

¿Cómo funciona el reloj molecular?

¿Qué sucede con los organismos de cuerpo blando (es decir, organismos sin estructura ósea o exoesqueleto)? ¿Cómo se puede fechar estas especies y saber cuándo y dónde existieron hace millones de años?

Los relojes moleculares son útiles al mostrar la relación lineal entre la distancia genética y el tiempo transcurrido desde que una especie se separó de otra, que por lo general se remonta más allá del registro fósil. Esta divergencia esencialmente muestra cuántas mutaciones están presentes en una población durante un período de tiempo específico, lo que se correlaciona con la escala de tiempo de la Tierra y los registros fósiles (presentes o no). Los relojes moleculares crean así una imagen más grande y clara para rastrear estas mutaciones y determinar las fechas de divergencia.

Al observar la diferencia en los pares de bases de dos secuencias de ADN (AAA cambia a AAG), las mutaciones a lo largo de los años pueden ser 1 de 2 cosas:

Se fijan en una población en la que el gen se transmite de generación en generación o se pierde debido a la deriva genética. Por lo tanto, el cambio en las secuencias de nucleótidos AAA a AAG es fijo (transmitido) o no. Cuando el gen se transmite una y otra vez, los científicos pueden, en una etapa posterior, deducir el porcentaje de la diferencia entre las secuencias de ADN que se están estudiando. Luego, los científicos pueden concluir si un gen específico que están observando está mutando a una tasa baja relativamente constante o a una tasa rápida constante. Cada gen actúa como un reloj separado, y cada reloj funciona a un ritmo diferente. Miles de genes y proteínas dentro de cada organismo evolucionan a diferentes velocidades. Sin embargo, todos representan los mismos eventos evolutivos.

Si analiza el ADN de un gen específico en dos especies relacionadas (C y D) y descubre que 2000 mutaciones son diferentes entre ellas, puede rastrear la fecha. Al conocer la tasa de mutación, digamos 1000 nuevas mutaciones cada un millón de años (0,001 mutaciones por año), se puede dividir el número de mutaciones por la tasa de mutación para determinar el período de tiempo:

2000 mutaciones divididas por 0,001 mutaciones por año = 2 millones de años

Por lo tanto, uno encontrará que las especies C y D divergieron de un ancestro común hace unos 2 millones de años.

Cuando el reloj de un gen o proteína en particular se calibra contra un evento en el registro fósil o en la escala de tiempo geológica, también se puede determinar la fecha real en que ocurrieron todos los demás eventos. Este proceso ocurre al examinar la tasa de sustitución de proteínas o genes a lo largo del árbol filogenético.

Ejemplo de reloj molecular

Supongamos que la tasa de evolución de un gen o proteína es relativa al cambio evolutivo a lo largo de linajes de diferentes especies. En ese caso, el ADN y las proteínas de esos organismos actúan como reloj molecular. La secuencia de proteínas se puede usar para reconstruir el momento en que cada rama se separó de un ancestro común.

Por ejemplo: tome tres proteínas diferentes (citocromo c, hemoglobina y fibrinopéptido) que evolucionan a ritmos diferentes entre sí pero evolucionan de forma independiente a un ritmo constante.

• La secuencia de aminoácidos del citocromo c, implicado en la respiración celular, es muy similar en los humanos, aunque divergieron hace millones de años. Se diferencia por una sola sustitución de aminoácido, lo que significa que muta a un ritmo mucho más lento con el tiempo, lo que lo convierte en un mejor ejemplo para estudiar organismos que están más estrechamente relacionados.
• Los fibrinopéptidos están involucrados en la coagulación de la sangre y muestran una tasa de crecimiento mucho más rápida, lo que significa que las especies se ramifican más rápidamente unas de otras debido a una mayor tasa de sustituciones de aminoácidos por año. Por lo tanto, es más adecuado para identificar la relación de especies que se han separado recientemente.
• La hemoglobina está involucrada en la transferencia de oxígeno de la sangre a los pulmones. Es una proteína que evoluciona a un ritmo intermedio, lo que la hace adecuada para estudiar linajes durante un período de tiempo más amplio.

Problemas con los relojes moleculares

El Reloj Molecular supone que los genes (uno o varios genes diferentes) mutan a un ritmo relativamente constante para diferentes linajes. Teniendo en cuenta que el tamaño de cada población puede diferir con el tiempo de generación de las diferentes especies, plantea un problema con la precisión de las escalas temporales de datación. Otro supuesto problema son los genes de estasis, donde algunos organismos no han evolucionado durante millones de años. Por lo tanto, no ha habido cambios con respecto a las sustituciones en un gen en particular. Un ejemplo de esto son los ornitorrincos, las zarigüeyas e incluso los cangrejos herradura, que existen desde hace millones de años.

Aplicaciones del reloj molecular

Los relojes moleculares, dados sus problemas, todavía han hecho algunos descubrimientos destacados. Son útiles para armar árboles filogenéticos para especies relacionadas, la conservación de la especiación y la extinción de diferentes especies, y pueden ayudar a rastrear pandemias de virus. Al observar la tasa de cambios en sus genes, los científicos pueden predecir cuándo y dónde se ha propagado un virus y cuánto tiempo podría tardar potencialmente en aparecer una nueva cepa.

Algunas aplicaciones recientes de los relojes moleculares incluyen:

• El brote del virus del Ébola.
• El origen y la propagación del VIH y la gripe.
• Estudiar el ADN para recrear una línea de tiempo para el origen y los patrones de migración de los humanos modernos.
• Deducir patrones macroevolutivos de especiación y extinción.
• Entender la escala de tiempo de la Tierra.

El conocimiento de todas estas divergencias también ha desempeñado un papel en la interpretación de los genomas recién secuenciados, ya que ahora hay una base de datos masiva para compararlos.

Resumen de la lección

Los relojes moleculares revolucionaron el campo de la evolución molecular al observar los intervalos aleatorios de mutaciones genéticas a lo largo de los tiempos de generación entre especies diferentes y relacionadas. Los genes analizados son neutrales, debido a la deriva genética, en lugar de la selección natural o la aptitud. Los relojes moleculares usan registros fósiles o eventos geológicos (formación de montañas, división de la tierra, etc.) como una calibración para completar los datos faltantes sobre las especies, especialmente aquellas sin registro fósil (organismos de cuerpo blando o sin exoesqueleto).

El reloj molecular fue descubierto en 1962 por Linus Pauling y Emile Zuckerkandl, donde se estudiaron las proteínas de la hemoglobina en diferentes especies de mamíferos. Se descubrió que el gen de la hemoglobina evoluciona a un ritmo constante a lo largo del tiempo. Aunque las mutaciones ocurren al azar durante un tiempo constante, algunas proteínas son más indulgentes con los cambios en sus secuencias de aminoácidos que otras.

Al conocer la tasa de mutación y la cantidad de diferencias en las mutaciones entre especies, se puede dividir la cantidad de mutaciones por la tasa de mutación para determinar el período de tiempo de la divergencia. El citocromo c es una proteína de evolución lenta que se usa mejor para observar la relación entre especies estrechamente relacionadas. Los fibrinopéptidos son adecuados para reconstruir la filogenia de especies evolucionadas recientemente; al igual que los mamíferos que están estrechamente relacionados porque evolucionan a un ritmo más rápido y la hemoglobina, las proteínas evolucionan a un ritmo intermedio y pueden usarse para reconstruir linajes en un rango de tiempo más amplio.

Los relojes moleculares plantean problemas asumiendo que todos los genes evolucionan a un ritmo constante, lo que no siempre es así. No consideran los genes de estasis, el tamaño de una población o el tiempo de generación de una especie. Sin embargo, si se aplican correctamente, los relojes moleculares pueden ser útiles para armar árboles filogenéticos de especies relacionadas, la macroevolución de la especiación, la extinción, el seguimiento de una pandemia de virus y la comprensión de la escala de tiempo de la Tierra.