Mutación adaptativa - Adaptive mutation
La mutación adaptativa , también llamada mutación dirigida o mutagénesis dirigida es una teoría evolutiva controvertida. Postula que las mutaciones , o cambios genéticos, son mucho menos aleatorias y más intencionadas que la evolución tradicional , lo que implica que los organismos pueden responder al estrés ambiental dirigiendo ortogenéticamente mutaciones a ciertos genes o áreas del genoma . Ha habido una amplia variedad de experimentos que intentaron apoyar (o refutar) la idea de la mutación adaptativa, al menos en microorganismos .
Definición
La teoría de la evolución más aceptada establece que los organismos son modificados por selección natural donde los cambios causados por mutaciones mejoran sus posibilidades de éxito reproductivo. La mutación adaptativa establece que, en lugar de que las mutaciones y la evolución sean aleatorias, responden a tensiones específicas. En otras palabras, las mutaciones que ocurren son más beneficiosas y específicas para el estrés dado, en lugar de ser aleatorias y no una respuesta a nada en particular. El término estrés se refiere a cualquier cambio en el medio ambiente, como la temperatura, los nutrientes, el tamaño de la población, etc. Las pruebas con microorganismos han encontrado que para la mutación adaptativa, más mutaciones observadas después de un estrés dado fueron más efectivas para lidiar con el estrés que la casualidad sugeriría que es posible. Esta teoría de la mutación adaptativa llamó la atención académica por primera vez en la década de 1980 por John Cairns .
Trabajo temprano
El ictiólogo ruso Lev Berg propuso mutaciones masivas dirigidas como el principal mecanismo de evolución en su libro anti-darwiniano Nomogenesis; o Evolución determinada por la ley (1922). La teoría de Berg era a la vez mutacionista (implicando mutación en lugar de selección) y ortogenética (implicando dirección). Los primeros estudios de "mutación dirigida" fueron realizados por genetistas alemanes. Richard Goldschmidt afirmó haber presentado evidencia de mutación dirigida en 1929 en sus experimentos con moscas de la fruta Drosophila expuestas a temperaturas elevadas. Viktor Jollos (1887-1941) en la década de 1930 también había llevado a cabo experimentos con Drosophila y escribió que sus resultados habían confirmado el trabajo de Goldschmidt, que era evidencia de una mutación dirigida en contraste con la selección natural . Sin embargo, los genetistas estadounidenses posteriores no pudieron replicar estos experimentos y los conceptos cayeron en desgracia en comparación con el mecanismo darwiniano estándar de mutaciones que ocurren al azar .
Estudios recientes
La mutación adaptativa es una afirmación controvertida que conduce a una serie de experimentos diseñados para probar la idea. Tres experimentos principales son la respuesta SOS, las respuestas a la inanición en Escherichia coli y la prueba de revertientes de un auxótrofo triptófano en Saccharomyces cerevisiae (levadura).
Hambre de lactosa
La cepa de E. coli FC40 tiene una alta tasa de mutación, por lo que es útil para estudios, como mutaciones adaptativas. Debido a una mutación de cambio de marco , un cambio en la secuencia que hace que el ADN codifique algo diferente, el FC40 no puede procesar la lactosa. Cuando se colocan en un medio rico en lactosa, se ha descubierto que el 20% de las células mutaron de Lac- (no podían procesar la lactosa) a Lac +, lo que significa que ahora podían utilizar la lactosa en su entorno. Las respuestas al estrés no están en el ADN actual, pero el cambio se realiza durante la replicación del ADN a través de la recombinación y el proceso de replicación en sí, lo que significa que la mutación adaptativa ocurre en la bacteria actual y será heredada por las próximas generaciones porque la mutación se convierte en parte de el código genético de la bacteria. Esto es particularmente obvio en un estudio de Cairns, que demostró que incluso después de mover E. coli de regreso a un medio con niveles mínimos de lactosa, los mutantes Lac + continuaron produciéndose como respuesta al entorno anterior. Esto no sería posible si la mutación adaptativa no estuviera en funcionamiento porque la selección natural no favorecería esta mutación en el nuevo entorno. Aunque hay muchos genes involucrados en la mutación adaptativa, se encontró que RecG, una proteína, tiene un efecto sobre la mutación adaptativa. Por sí mismo, se descubrió que RecG no conduce necesariamente a un fenotipo mutacional. Sin embargo, se descubrió que inhibe la aparición de revertientes (células que aparecieron normalmente, a diferencia de aquellas con las mutaciones que se están estudiando) en las células de tipo salvaje . Por otro lado, los mutantes RecG fueron clave para la expresión de mutaciones dependientes de RecA, que fueron una parte importante del estudio en los experimentos de respuesta SOS, como la capacidad de utilizar lactosa.
La mutación adaptativa fue propuesta nuevamente en 1988 por John Cairns, quien estaba estudiando Escherichia coli que carecía de la capacidad de metabolizar la lactosa . Cultivó estas bacterias en medios en los que la lactosa era la única fuente de energía . Al hacerlo, descubrió que la velocidad a la que las bacterias desarrollaron la capacidad de metabolizar la lactosa era muchos órdenes de magnitud más alta de lo que se esperaría si las mutaciones fueran verdaderamente aleatorias . Esto lo inspiró a proponer que las mutaciones que se habían producido se habían dirigido a los genes implicados en la utilización de lactosa.
Posteriormente, Susan Rosenberg, entonces de la Universidad de Alberta , apoyó esta hipótesis y descubrió que una enzima involucrada en la reparación recombinacional del ADN , recBCD , era necesaria para la mutagénesis dirigida observada por Cairns y sus colegas en 1989. La hipótesis de la mutagénesis dirigida fue cuestionada. en 2002, mediante un trabajo que mostraba que el fenómeno se debía a la hipermutabilidad general debida a la amplificación de genes seleccionados, seguida de la selección natural, y por tanto era un proceso darwiniano estándar . Sin embargo, investigaciones posteriores de 2007 concluyeron que la amplificación no podría explicar la mutación adaptativa y que "los mutantes que aparecen durante los primeros días de la selección de lactosa son verdaderos revertientes que surgen en un solo paso".
Respuesta SOS
Este experimento es diferente de los demás en una pequeña forma: este experimento se ocupa de las vías que conducen a una mutación adaptativa, mientras que los otros probaron el entorno cambiante al que estaban expuestos los microorganismos. La respuesta SOS en E. coli es una respuesta al daño del ADN que debe repararse. El ciclo celular normal se detiene y puede comenzar la mutagénesis . Esto significa que se producirán mutaciones para intentar reparar el daño. Esta respuesta de hipermutación , o mayor tasa de cambio, debe tener algún proceso regulador, y algunas moléculas clave en este proceso son RecA y LexA . Estas son proteínas y actúan como semáforos para este y otros procesos. También parecen ser los principales contribuyentes a la mutación adaptativa en E. coli . Se demostró que los cambios en la presencia de uno u otro afectan la respuesta SOS, lo que a su vez afectó la forma en que las células podían procesar la lactosa , lo que no debe confundirse con el experimento de inanición de lactosa. El punto clave para entender aquí es que tanto LexA como RecA eran necesarios para que ocurriera la mutación adaptativa, y sin la respuesta SOS, la mutación adaptativa no sería posible.
Levadura
El Dr. von Borstel, en la década de 1970, realizó experimentos similares al experimento de inanición de lactosa con levadura, específicamente Saccharomyces cerevisiae . Probó los revertientes de triptófano auxótrofos . Un auxótrofo de triptófano no puede producir triptófano por sí mismo, pero las células de tipo salvaje sí pueden y, por lo tanto, un revertiente volverá al estado normal de poder producir triptófano. Descubrió que cuando las colonias de levadura se movían de un medio rico en triptófano a uno mínimo, seguían apareciendo revertientes durante varios días. El grado en el que se observaron revertientes en la levadura no fue tan alto como en las bacterias. Otros científicos han realizado experimentos similares, como Hall, que probó los revertientes de histidina , o Steele & Jinks-Robertson, que probó la lisina . Estos experimentos demuestran cómo la recombinación y la replicación del ADN son necesarias para la mutación adaptativa. Sin embargo, en las células probadas con lisina, la recombinación continuó ocurriendo incluso sin selección para ella. Steele y Jinks-Robertson concluyeron que la recombinación se produjo en todas las circunstancias, adaptativas o no, mientras que las mutaciones estaban presentes solo cuando eran beneficiosas y adaptativas.
Aunque la producción de mutaciones durante la selección no fue tan vigorosa como la observada con las bacterias, estos estudios son convincentes. Como se mencionó anteriormente, un estudio posterior agrega aún más peso a los resultados con lys2 . Steele y Jinks-Robertson [1] encontraron que los protótrofos de LYS debidos a eventos de recombinación intercromosómica también continúan surgiendo en células que no se dividen, pero en este caso, la producción de recombinantes continuó independientemente de si hubo selección para ellos o no. Por lo tanto, la mutación se produjo en la fase estacionaria solo cuando era adaptativa, pero la recombinación se produjo tanto si era adaptativa como si no.
También se ha informado de aparición tardía de mutantes para Candida albicans . Con una exposición prolongada a concentraciones subletales de metales pesados, las colonias de células resistentes comenzaron a aparecer después de 5 a 10 días y continuaron apareciendo durante 1 a 2 semanas a partir de entonces. Estas resistencias podrían haber resultado de la amplificación de genes, aunque los fenotipos se mantuvieron estables durante un breve período de crecimiento no selectivo. Sin embargo, también aparecieron revertientes de dos auxotrofias con cinéticas similares. Ninguno de estos eventos en Candida albicans , hasta ahora, ha demostrado ser específico de la selección impuesta.