PLOS Biology

¿Los cambios evolutivos en la expresión génica están determinados principalmente por la selección natural o por fuerzas aleatorias? Han pasado unos 150 años desde que Charles Darwin propusiera que los organismos se adaptan a su entorno a través del proceso de selección natural, pero el debate sigue abierto, sobre todo a nivel molecular. La selección darwiniana fue cuestionada en 1983 por la teoría neutra de la evolución molecular de Kimura, que sostiene que la mayoría de las diferencias en las secuencias de ADN (nucleótidos) y proteínas (aminoácidos) dentro de las especies y entre ellas tienen un efecto selectivo menor o nulo y que estas diferencias surgen a través de procesos principalmente aleatorios. Las mutaciones a nivel de nucleótidos se producen de forma aleatoria y regular. Algunas de ellas sobreviven a lo largo de las generaciones, dando lugar a cambios evolutivos «fijos» entre las especies. Hay dos mecanismos potenciales que pueden conducir a la fijación de un cambio concreto: la selección natural, que favorece los cambios que transmiten una ventaja selectiva, y los acontecimientos estocásticos (aleatorios), como la deriva genética (las fluctuaciones aleatorias en las frecuencias de los genotipos que se producen de generación en generación en poblaciones pequeñas).

Las mutaciones en el ADN pueden dar lugar a cambios en los niveles de expresión de los genes, algunos de los cuales pueden transmitir una ventaja selectiva a un organismo y, por tanto, quedar fijados a través de la selección natural. Pero dado que la variación se produce a nivel del genotipo, mientras que se cree que la selección opera en gran medida a nivel del fenotipo (es decir, la manifestación física del genotipo), es razonable esperar que la selección sea menos evidente a nivel de la secuencia del ADN y, por extensión, a nivel de la expresión génica. La tecnología de micromatrices ha permitido estudiar sistemáticamente los niveles de expresión de miles de transcritos (las copias de ARN del ADN que se traducen en secuencias de aminoácidos) y preguntarse si la mayoría de los cambios de expresión génica fijados durante la evolución entre especies son resultado de procesos selectivos o estocásticos.

Para investigar esta cuestión, Philipp Khaitovich y sus colegas analizaron las diferencias observadas en el transcriptoma entre las especies de primates y ratones, así como entre varias regiones cerebrales de una misma especie. El equipo comenzó analizando los niveles de expresión de unos 12.000 genes en la corteza prefrontal de varios primates, incluidos los humanos. Si los cambios evolutivos son causados por el azar y no por la selección natural, se acumularán en función del tiempo y no de los cambios físicos o de comportamiento del organismo. Y eso es lo que encontraron los autores: los cambios en la expresión génica entre las especies progresaron linealmente con el tiempo, lo que sugiere que la expresión génica en los cerebros de los primates evolucionó en gran parte a partir de procesos aleatorios que introdujeron cambios selectivamente neutros, o biológicamente insignificantes.

Según la teoría de la evolución neutra, son las mismas fuerzas las que determinan el ritmo de la evolución tanto dentro de las especies como entre ellas, porque en ambos niveles actúan procesos aleatorios similares. En consecuencia, los genes que más varían dentro de las especies deberían tener más probabilidades de variar entre ellas. Al comparar los niveles de expresión de los genes según su variación dentro de los seres humanos, los autores demostraron que los genes con alta variación entre los seres humanos cambiaban significativamente más rápido entre las especies que los genes con baja variación entre los seres humanos. Los autores también compararon los cambios observados en los genes con los cambios observados en los pseudogenes (genes que con el paso del tiempo evolutivo adquieren una mutación que los hace no funcionales) y no encontraron diferencias significativas entre ambos, lo que sugiere de nuevo que la mayoría de los cambios de expresión no tienen un significado funcional.

Aunque su análisis no puede excluir un papel de la selección natural, todos los resultados son coherentes con un modelo neutral de evolución del transcriptoma. Esto significa que la mayoría de las diferencias de expresión génica dentro y entre especies no son adaptaciones funcionales, sino selectivamente neutras, y que no podremos explicar las diferencias entre especies basándonos en la variación de la expresión génica en general.

Además de examinar las diferencias de expresión génica en un tejido concreto entre especies, los autores también analizan la evolución de los distintos tejidos dentro de una especie. El cerebro humano está compuesto por regiones que difieren en función e histología (estructura microscópica). Cada una de estas regiones adquirió una diferencia funcional o histológica que la separó de sus regiones hermanas en algún momento de nuestro pasado evolutivo. Los autores demuestran que la cantidad de cambios entre regiones se correlaciona con los tiempos de divergencia de los tejidos estimados por otros métodos. Si este hallazgo se aplica a otros tejidos dentro y fuera del cerebro, podría proporcionar un método para reconstruir la evolución de los tejidos dentro de una especie.