Selecció natural a nivell molecular Understand article

Traduït per MariaRosa Quintero Bernabeu. Algunes seqüències gèniques poden ajudar-nos a sobreviure en el nostre ambient: aquesta es la base de l’evolució. Però demostrar quines seqüències gèniques són beneficioses i com ens ajuden a sobreviure no és fàcil, especialment en…

Image courtesy of oversnap /
iStockphoto

Quan els humans van deixar Àfrica per primera vegada fa uns 150000 anys, establint-se en les valls del Tigris i l’Eufrates, navegant entre les illes d’Indonèsia i travessant l’estret de Bering cap a Amèrica, van haver de fer front a molts reptes. Venint de les càlides i seques sabanes africanes, les poblacions es van haver d’adaptar a les condiciones locals, i en conseqüència durant generacions la seva fisiologia i la seva aparença van canviar (Harris & Meyer, 2008). La pell de les persones es va tornar més pàl·lida després de viure en regions menys assolellades (Lamason et al., 2005). Les poblacions els membres de les quals prenien llet d’animals domesticats va retenir la capacitat de digerir lactosa en l’edat adulta, una característica que es perdia ràpidament després de la infantesa en les poblacions que no prenien llet (Tishkoff et al., 2007). Les poblacions que tenien una dieta rica en midó produïen més amilasa, l’enzim que ajuda a degradar el midó, en la seva saliva (Perry et al., 2007).

Mapa de migracions humanes.jpg: Mapa mundial de migracions humanes, amb el Pol Nord al centre. L’origen de les migracions, Àfrica, es troba a la part superior esquerra, i Amèrica del Sud a la part dreta. Els patrons de migració es basen en estudis de DNA mitocondrial (matrilineal).
Les xifres representen milers d’anys abans de la data actual.
La línia blava representa l’àrea coberta per gel o tundra durant la darrera era glacial. Les lletres son haplogrups (llinatges maternals purs) de ADN mitocondrial (mtADN). Els haplogrups poden ser usats per definir poblacions gèniques i sovint estan orientats geogràficament.
Per exemple, aquestes son algunes divisions comunes per haplogrups de mtADN:
Àfrica: L, L1, L2, L3, L3
Orient pròxim: J, N
Sud d’Europa: J, K
Europa General n: H, V
Nord d’Europa: T, U, X
Asiàtic: A, B, C, D, E, F, G (nota: M es composa de C, D, E, i G)
Natiu Americà: A, B, C, D, i de vegades X.
Fer clic sobre la imatge per ampliar-la

Imatge cortesia de Avsa; font: Wikimedia Commons

Com a mínim alguns d’aquests canvis son conseqüència d’una selecció positiva (consulteu el glossari per una llista de tot els mots en itàlica). Això implica que en un entorn concret (la pressió de selecció) en el passat, els individus que tenien una seqüència d’ADN avantatjosa sobrevivien i deixaven més descendència que els individus amb una seqüència diferent, menys avantatjosa. Avui en dia, emprant les seqüències gèniques de diverses especies, incloent-hi humans i els seu parents evolutius més propers, els científics poden comparar trets i seqüències d’ADN de poblacions o espècies amb estils de vida diferents i de diferents entorns per identificar quines seqüències poden haver jugat un paper en aquestes adaptacions. Això, per altra banda, permet als científics d’investigar la funció de la seqüència d’ADN i el seu potencial valor adaptatiu per l’organisme.

Imatge cortesia de JBryson /
iStockphoto

Alguns dels gens que se sap que afecten el color de la pell en humans mostren un patró geogràfic específic de variació de seqüència. En concret, la comparació de seqüències entre poblacions europees i africanes suggereix que la variació en el color de pell és deguda a una selecció positiva. El color clar de la pell està correlacionat amb un increment de la latitud, i s’han proposat diverses hipòtesis per explicar els potencials efectes positius.

Imatge de microscòpia
electrònica d’una cèl·lula
falciforme i altres cèl·lules
vermelles de la sang (glòbuls
vermells)

Imatge cortesia de EM Unit,
UCL Medical School, Royal Free
Campus / Wellcome Images

Una d’aquestes hipòtesis, la qual estableix que la pell clara afavoreix la producció de vitamina D, es recolza en observacions que mostren que la gent de pell fosca que viu a altes latituds pateix deficiència de vitamina D. A més, la pell clara és més sensible als efectes nocius de la llum solar: una més altra exposició a la llum solar està correlacionada amb un augment en els casos de càncer de pell en persones de pell clara. Per tant, la pell clara en poblacions que viuen a latituds més altes podria ser un compromís evolutiu entre la protecció als efectes carcinògens de la llum del sol i la producció suficient d’una vitamina essencial.

Tot i que aquesta és una hipòtesis sòlida, l’evidència que la sosté és indirecta. Una demostració directa del valor adaptatiu d’aquest tret requeriria mesurar si, a latituds més altres, els individus de pell més clara mostren capacitats de supervivència i reproducció millors. De tota manera, aquest tipus de demostracions en la nostra espècie són difícils de dur a terme: els experiments de supervivència (en els quals individus amb diferents trets són exposats a un entorn per comprovar si sobreviuen) no es poden realitzar amb humans, i les nostres llargues generacions fan que les diferencies en velocitats de reproducció siguin difícils d’investigar. Les circumstàncies en les quals és possible observar el valor adaptatiu d’un tret en humans són, per tant, limitades, però existeixen.

Un mosquito amb l’abdomen
ple de sang. Aquesta espècie,
Anopheles stephensi, és l’
insecte vector que transmet
la malària a la Índia I al
Pakistan

Imatge cortesia de Hugh
Sturrock / Wellcome Images

Podem trobar un exemple que involucra dues malalties: l’anèmia falciforme i la malària. El gen involucrat en l’anèmia falciforme presenta dues variants o al·lels: un “normal” i un al·lel falciforme. Els individus amb els dos al·lels falciformes pateixen d’anèmia falciforme severa, mentre que els individus amb un sol al·lel falciforme no presenten símptomes tant severs. Les dades de mortalitat suggereixen que l’al·lel falciforme pot ser avantatjós: en poblacions exposades al paràsit de la malària, els individus que presenten un al·lel falciforme i un normal tenen mes probabilitats de supervivència que els que tenen dos al·lels normals, ja que el paràsit (Plasmòdium falciparum) requereix cèl·lules sanguínies sanes per poder infectar i multiplicar-se en l’hoste. Per tant, la freqüència de l’al·lel que causa l’anèmia falciforme augmenta en grups exposats a la malària, i podem dir que l’al·lel és adaptatiu en aquest entorn.

Comparació de la distribució de malària (esquerra) i anèmia falciforme (dreta) a Àfrica
Imatge cortesia de Anthony Allison; font: Wikimedia Commons

Un altre exemple que demostra el valor adaptatiu dels trets humans està relacionat amb el cromosoma 17, el qual se sap que va ser invertit en els nostres ancestres fa més de tres milions d’anys (Stefansson et al., 2005). El fet que aquesta variant s’escampés entre les poblacions europees suggereix que va ser positivament seleccionat, és a dir, que conferia als individus que tenien aquest gen algun tipus d’avantatge. Després d’analitzar el genotip de gairebé 30000 islandesos, els investigadors que sostenien aquesta hipòtesi van poder determinar que durant els darrers 80 anys els individus que presenten aquesta variant del cromosoma van tenir en mitjana un 3,2 % més de descendència que els individus amb la seqüència normal, la qual cosa explicaria per què aquesta variant es va escampar tant ràpidament.

Tot i que aquests dos exemples demostren clarament l’acció de la selecció positiva recent en humans, els mecanismes moleculars que expliquen com les variacions en les seqüències confereixen els seus avantatges no es comprèn completament i cal que continuï essent investigat cas per cas. Per elucidar les relacions causals entre seqüències d’ADN que podrien ser adaptatives i l’eficàcia biològica inclusiva d’un individu, els científics empren organismes amb els quals és més fàcil d’experimentar que amb humans.

Imatge de microscòpia de
rastreig de conglomerats d’
Staphylococcus aureus
resistents a meticil·lina

Imatge cortesia de Annie
Cavanagh / Wellcome Images

Per exemple, el color del pèl en el ratolí d’Oldfield, Peromyscus polionotus, coincideix amb el color del sòl on habita, proporcionant-li camuflatge. Els ratolins que viuen en les sorres clares de les platges de Florida tenen un pèl més clar que els ratolins de la mateixa espècie que viuen més a l’interior. El valor adaptatiu d’aquest tret es va demostrar fa més de 30 anys. Els ratolins que tenen el pèl del mateix color que el sòl eren caçats menys sovint pels mussols que els altres, menys camuflats. Tot i així els científics no han aconseguit identificar fins fa poc el loci genètic que dona lloc a aquest tret adaptatiu (Hoekstra et al., 2006). La variació del color del pèl depèn principalment dels diferents al·lels del gen McR1. La proteïna codificada en aquest gen actua com un interruptor bioquímic que indueix la producció bé d’eumelanina, un pigment fosc de la pell, o bé feomelanina, un pigment clar. Els diferents al·lels del gen McR1 activen la ruta de producció de pigment de diferent manera, afavorint la producció d’un o altre pigment.

Un altre exemple d’una relació causal que ha estat demostrada té a veure amb el bacteri Staphylococcus aureus, que causa diverses malalties, entre elles pneumònia i inflamació de les vàlvules cardíaques. En un experiment natural poc comú, un pacient amb infeccions recurrents per S. aureus va ser tractat durant tres mesos amb vancomicina, un dels pocs antibiòtics que encara són efectius contra S. Aureus. Abans de començar i a intervals regulars durant el tractament, els investigadors van recollir mostres (isolats) del patogen i van seqüenciar el genoma complet de la primera i la darrera mostra. La comparació dels tres milions de parells de bases (les “lletres” del codi genètic) que constitueixen l’ADN d’aquest bacteri va mostrar que nomes existien 35 diferencies entre l’isolat inicial i el final.

Seqüenciant parcialment els isolats intermedis els investigadors van poder elucidar l’ordre en el que aquests canvis havien tingut lloc. Mitjançant test in vitro de resistència bacteriana a la vancomicina en els diferents isolats, els investigadors van poder correlacionar els canvis genètics particulars amb els efectes en el creixement del bacteri i la seva resposta als fàrmacs. Per exemple, entre el primer i el segon isolat s’havien produït sis substitucions de parells de bases (canvis en les “lletres”) en dos gens. Aquestes sis mutacions eren clarament avantatjoses, ja que multiplicaven la tolerància del bacteri a la vancomicina per quatre, de manera que permetien als bacteris que portaven aquesta mutació de sobreviure i reproduir-se millor, esdevenint el tipus de bacteri mes comú en el cos del pacient. Vint-i-sis mutacions subseqüents que tenien lloc en les següents setmanes de tractament doblaven la tolerància, produint efectivament una soca de S. Aureus resistent a la vancomicina (Mwangi et al., 2007).

En resum, la investigació de les bases moleculars de l’evolució adaptativa en poblacions salvatges no és una tasca fàcil. Els reptes inclouen definir la pressió selectiva, identificar les seqüències d’ADN associades als trets, mesurar l’eficàcia biològica inclusiva d’un individu i explicar mecanísticament la influència dels canvis en la seqüència sobre els trets adaptatius. De tota manera, gracies a l’ús d’organismes model i als avanços tecnològics recents, aquestes investigacions estan esdevenint mes realitzables, augmentant el nostre coneixement sobre com canvis específics a nivell genètic permeten als organismes adaptar-se al seu entorn.

 

Glossari

Valor adaptatiu: un tret té valor adaptatiu si permet a l’ individu sobreviure i reproduir-se en un entorn determinat millor que altres individus que no presenten aquest tret. De manera més formal, un tret es considera adaptatiu si augmenta l’eficàcia biològica inclusiva.

Al·lel: variant d’un gen.

Eficàcia biològica inclusiva: aquest és un terme difícil de definir que prové dea biologia evolutiva i la genètica de poblacions. Descriu la descendència promig en una generació que està associada amb un genotip comparada amb la d’un altre genotip en la població. Per tant els genotips que produeixen més descendència tenen una eficàcia biològica adaptativa més altra. Per una bona revisió dels termes eficàcia biològica inclusiva (fitness) i genotip (genotype) veieu Wikipediaw1.

Genoma: quantitat total de DNA d’una cèl·lula. Normalment es considera DNA nuclear, per oposició a DNA mitocondrial o plasmidi. Per més informació, veure ‘What is a genome’ (“Què és un genoma?) a la a la pagina web de la Biblioteca Nacional de Medicina dels Estats Units (US National Library of Medicine website)w2.

Selecció positiva: la selecció natural és un dels mecanismes de l’evolució, que descriu les diferències de supervivència i reproducció dels individus en un entorn determinat. La selecció natural es considera positiva quan afavoreix determinats trets que ajuden a l’individuo que els presenta a sobreviure i reproduir-se millor que altres individus.

Pressió de selecció: una característica de l’entorn ( per exemple temperatura, presència de paràsits, predadors o agressió per part d’altres membres de l’espècie) que imposa diferències en la supervivència i reproducció dels individus.

Tret: una o un conjunt de propietats dins de les característiques d’un organisme (per exemple alçada, resistència als antibiòtics, habilitat per veure colors o per enroscar la llengua).

Agraïments

L’autor vol agrair David Hughes, Mehmet Somel i Ania Lorenc pels comentaris sobre l’article.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Harris EE, Meyer D (2006) The molecular signature of selection underlying human adaptations. American Journal of Physical Anthropology 131(S43): 89-130. doi: 10.1002/ajpa.20518
    • Aquest article proporciona una bona perspectiva general de l’evolució molecular en humans.
  • Hoekstra H et al. (2006) A single amino acid mutation contributes to adaptive beach mouse color pattern. Science 313: 101-104. doi: 10.1126/science.1126121
    • Aquest i altres articles sobre la coloració del pèl de ratolí escrits pel grup de recerca de Hopi Hoekstra es troben disponibles a la pàgina web de la Universitat de Harward. Vegeu: www.oeb.harvard.edu/faculty/hoekstra/Links/PublicationsPage.html
    • Vegeu també l’article on es descriu el descobriment fet per Agouti del regulador negatiu McR1 que contribueix al color adaptatiu del pèl en Peromyscus:
    • Steiner CC, Weber JN, Hoekstra HE (2007) Adaptive variation in beach mice produced by two interacting pigmentation genes. PLoS Biology 5: e219. doi: 0.1371/journal.pbio.0050219
    • Aquest i tots els articles de PLoS Biology estan disponibles per ser descarregats gratuïtament en línia.
    • L’article següent és una revisió sobre la pigmentació adaptativa en vertebrats:
    • Hoekstra HE (2006) Genetics, development and evolution of adaptive pigmentation in vertebrates. Heredity 97: 222-234. doi: 10.1038/sj.hdy.6800861
    • Aquest article està disponible per ser descarregat gratuïtament en línia de la pàgina web de la revista: www.nature.com/hdy
    • Al blog de John Haws podreu trobar una visió general de la recerca recent feta per Hopi Hoekstra: http://johnhawks.net/weblog/topics/evolution/selection/hoekstra-2009-adaptive-pigmentation.html
  • Lamason RL et al. (2005) SLC24A5, a putative cation exchanger, affects pigmentation in zebrafish and humans. Science 310: 1782-1786. doi: 10.1126/science.1116238
  • Mwangi MM et al. (2007) Tracking the in vivo evolution of multidrug resistance in Staphylococcus aureus by whole-genome sequencing. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104: 9451-9456. doi: 10.1073/pnas.0609839104
  • Perry GH et al. (2007) Diet and the evolution of human amylase gene copy number variation. Nature Genetics 39: 1256-1260. doi: 10.1038/ng2123
  • Stefansson H et al. (2005) A common inversion under selection in Europeans. Nature Genetics 37: 129-137. doi: 10.1038/ng1508
  • Tishkoff SA et al. (2006) Convergent adaptation of human lactase persistence in Africa and Europe. Nature Genetics 39: 31-40. doi: 10.1038/ng1946

Web References

Resources

Author(s)

Jarek Bryk és investigador postdoctoral a l’Institut Max Planck de Biologia Evolutiva a Plön, Alemanya, on intenta trobar i analitzar gens adaptatius en ratolins.


Review

Aquest article descriu un ventall d’exemples interessants d’adaptacions evolutives a nivell molecular en humans. Es remarquen la dificultat d’elucidar les relacions causals entre seqüències d’ADN adaptatives i l’eficàcia biològica inclusiva individual en humans i la necessitat d’emprar altres organismes per fer experimentació.

L’article proporciona un material excel·lent per qüestions de comprensió centrades en entendre la selecció natural i l’eficàcia biològica inclusiva en humans i organismes de laboratori:

  1. Expliqueu el procés involucrat en la selecció natural.
  2. Què enteneu pel terme eficàcia biològica inclusiva?
  3. Expliqueu com un al·lel de cèl·lula falciforme proporciona un avantatge selectiu en algunes poblacions humanes.
  4. Quins són els problemes associats a l’establiment de relacions causals entre seqüències d’ADN adaptatives i l’eficàcia biològica inclusiva en humans?
  5. Construïu un diagrama de flux per explicar el valor adaptatiu del color del pèl en el ratolí Oldfield.
  6. Com van poder correlacionar els investigadors els canvis genètics en Staphylococcus aureus amb el creixement bacterià i la resposta a antibiòtics?

Aquest article permet als estudiants de cercar la relació entre ADN, seqüència aminoacídica, estructura de proteïnes i funció en l’anèmia falciforme. El text és adequat per fomentar la discussió a classe sobre els mètodes i problemes associats amb investigar les bases de les relacions evolutives i l’ètica de les probes genètiques en poblacions humanes. Es podrien organitzar estudis interdisciplinaris al voltant de la història de la ciència i de la genètica de poblacions evolutiva.


Mary Brenan, Regne Unit




License

CC-BY-NC-ND