A evolución molecular é o proceso de cambio na composición das secuencias de moléculas celulares como o ADN, ARN e proteínas co paso das xeracións. O campo da evolución molecular usa principios da bioloxía evolutiva e xenética de poboacións para explicar os patróns que hai nestes cambios. Temas importantes en evolución molecular son as taxas e impactos dos cambios dun só nucleótido, a contraposición entre a evolución neutralista fronte á selección natural, as orixes de novos xenes, a natureza xenética de trazos complexos, a base xenética da especiación, a evolución do desenvolvemento, e as vías polas que as forzas evolutivas inflúen nos cambios no xenoma e no fenotipo.
Forzas na evolución molecular O contido e estrutura dun xenoma é o produto das forzas da xenética de poboacións e molecular que actúan sobre o xenoma. As novas variantes xenéticas orixínanse por medio de mutacións e espállanse e son mantidas nas poboacións debido á deriva xenética ou á selección natural.
Mutación
miniatura|Este ourizo cacho non ten pigmentación debido a unha mutación xenética.
As mutacións son cambios transmisibles permanentes do material xenético (ADN ou ARN) dunha célula ou virus. As mutacións orixínanse por erros na replicación do ADN durante a división celular e pola exposición á radiación, compostos químicos, e outros estresantes ambientais, ou virus e elementos transpoñibles. A maioría das mutacións que ocorren son polimorfismos dun só nucleótido, que modifican unha base da secuencia de ADN, o que ten como resultado mutacións puntuais. Outros tipos de mutacións modifican maiores segmentos de ADN e poden causar duplicacións, insercións, delecións, inversións, e translocacións.
A maioría dos organismos mostran un forte nesgo nos tipos de mutacións que ocorren con forte influencia en contido GC. As transicións (A ↔ G ou C ↔ T) son máis comúns que as transversións (purina (adenina ou guanina) ↔ pirimidina (citosina ou timina, ou no ARN, uracilo))https://www.mun.ca/biology/scarr/Transitions_vs_Transversions.html e é menos probable que alteren as secuencias de aminoácidos das proteínas.
As mutacións son estocásticas e ocorren aleatoriamente nos xenes. As taxas de mutación para sitios dun só nucleótido para a maioría dos organismos son m oi baixas, aproximadamente de 10−9 a 10−8 por sitio e por xeración, aínda que algúns virus teñen maiores taxas de mutación da orde de 10−6 por sitio e por xeración. Entre estas mutacións, algunhas serán neutras ou beneficiosas e permanecerán no xenoma a non ser que se perdan por deriva xenética, e outras serán prexudiciais e serán eliminadas do xenoma por selección natural.
Como as mutacións son extremadamente raras, acumularanse moi lentamente a través das xeracións. Aínda que o número de mutacións que aparecen en calquera xeración determinada poden variar, en períodos de tempo moi longos parecerán acumularse a un ritmo regular. Usando a taxa de mutación por xeración e o número de diferenzas de nucleótidos entre dúas secuencias, poden estimarse os tempos de diverxencia efectivamente por medio dun reloxo molecular.
Recombinación
miniatura|250px|esquerda|A recombinación implica a rotura e reunión de dous cromosomas (M e F) para producir dous cromosomas rearranxados (C1 e C2).
A recombinación é un proceso que ten como resultado o intercambio de material xenético entre cromosomas ou rexións cromosómicas. A recombinación contrarresta a ligazón física entre xenes adxacentes, reducindo así o autostop xenético. A herdanza independente dos xenes resultante dá lugar a unha selección máis eficiente, o que significa que as rexións con maior recombinación albergarán menos mutacións prexudiciais, máis variantes favorecidas selectivamente, e menos erros de replicación e reparación. A recombinación pode tamén xerar tipos particulares de mutacións se o aliñamento dos cromosomas é incorrecto.
Conversión xénica
A conversión xénica é un tipo de recombinación que é o produto da reparación do ADN no que os danos nos nucleótidos son corrixidos usando rexións xenómicas ortólogas como molde. Primeiramente, extírpanse as bases danadas, a febra danada é despois aliñada cun homólogo sen danos, e a síntese de ADN repara a rexión extirpada usando a febra non danada como guía. A conversión xénica é a miúdo responsable de homoxeneizar secuencias de xenes duplicados en longos períodos de tempo, reducindo a diverxencia de nucleótidos.
Deriva xenética
A deriva xenética é o cambio das frecuencias alélicas dunha xeración á seguinte debidas aos efectos estocásticos da mostraxe aleatoria en poboacións finitas. Algunhas variantes existentes non teñen efecto sobre a fitness e poden incrementarse ou diminuír en frecuencia simplemente debido ao azar. As variantes "case neutras" cuxo coeficiente de selección está próximo a un valor limiar de 1 / o tamaño efectivo de poboación tamén serán afectadas polo azar e pola selección e a mutación. Moitas características xenómicas foron adscritas á acumulación de mutacións prexudiciais case neutras como resultado de tamaños efectivos de poboación pequenos. Cun tamaño efectivo de poboación máis pequeno, haberá unha maior variedade de mutacións que se comportarán como se fosen neutras debido á ineficiencia da selección.
Selección
A selección ocorre cando os organismos con maior fitness, é dicir, maior capacidade de sobrevivir ou reproducirse, son favorecidos nas xeracións seguintes, incrementándose así os casos de variantes xenéticas subxacentes nunha poboación. A selección pode ser o produto da selección natural, a selección artificial, ou a selección sexual. A selección natural é un proceso selectivo que ocorre debido á fitness que presenta un organismo con respecto ao seu ambiente. En contraste, a selección sexual é un produto da elección de parella e pode favorecer o espallamento de variantes xenéticas, que actúan contra a selección natural pero incrementan o atractivo para o sexo oposto ou incrementan o éxito en conseguir parella. A selección artificial, tamén chamada cruzamento selectivo, é imposta por unha entidade externa (os humanos), para incrementar a frecuencia de trazos procurados.
Os principios da xenética de poboacións aplícanse de xeito similar a todos os tipos de selección, aínda que de feito cada un pode producir distintos efectos debido ao agrupamento de xenes con diferentes funcións en diferentes partes do xenoma, ou debido ás diversas propiedades dos xenes en clases funcionais determinadas. Por exemplo, a selección sexual podería afectar con maior probabilidade á evolución molecular dos cromosomas sexuais debido ao agrupamento dos xenes específicos do sexo nos cromosomas X, Y (ou Z, W).
A selección pode operar ao nivel de xene a expensas da fitness do organismo, o que ten como resultado a vantaxe selectiva de elementos xenéticos egoístas a pesar do custo para o hóspede. Exemplos de tales elementos egoístas son os elementos transpoñibles, impulsores meióticos (meiotic drivers), cromosomas X asasinos, mitocondrias egoístas, e intróns autopropagantes. (Ver conflito intraxenómico.)
Arquitectura do xenoma
Tamaño do xenoma
O tamaño do xenoma está influenciado pola cantidade de ADN repetitivo e polo número de xenes dun organismo. O paradoxo do valor C refírese á falta de correlación entre a 'complexidade' dun organismo e o tamaño do seu xenoma. As explicacións dese paradoxo son dúas. Primeiro, os elementos xenéticos repetitivos poden comprender grandes porcións do xenoma en moitos organismos, e dese modo aumentan o contido de ADN do xenoma haploide. En segundo lugar, o número de xenes non é necesariamente indicativo do número de estadios de desenvolvemento ou tipos de tecidos do organismo. Un organismo con poucos estadios de desenvolvemento ou tipos de tecidos pode ter gran número de xenes que inflúen en fenotipos non relacionados co desenvolvemento, aumentando o contido en xenes relacionados coas familias xénicas do desenvolvemento.
As explicacións neutralistas do tamaño do xenoma suxiren que cando os tamaños de poboación son pequenos, moitas mutacións funcionan como case neutras. Por tanto, en pequenas poboacións o contido repetitivo e outro tipo de ADN 'lixo' pode acumularse sen colocar o organismo nunha vantaxe competitiva. Hai poucas evidencias que suxiran que o tamaño do xenoma está baixo unha forte selección en eucariotas multicelulares. O tamaño do xenoma, independentemente do contido en xenes, correlaciónase mal coa maioría dos trazos fisiolóxicos, e moitos eucariotas, incluíndo os mamíferos, albergan cantidades moi grandes de ADN repetitivo.
Porén, as aves probablemente experimentaron unha forte selección para reducir o tamaño do seu xenoma, en resposta das necesidades enerxéticas cambiantes para o voo. As aves, a diferenza dos humanos, producen eritrocitos nucleados, e os núcleos grandes nesas células fan que teñan un nivel máis reducido de transporte de oxíxeno. O metabolismo das aves é moito maior que o dos mamíferos, debido principalmente ao voo e necesidades de oxíxeno altas. Por tanto, a maioría das aves teñen xenomas compactos pequenos con poucos elementos repetitivos. Evidencias indirectas suxiren que os dinosauros terópodos non aviarios antepasados das modernas aves tamén reduciran o tamaño dos seus xenomas, o que concorda coa endotermia e altas necesidades enerxéticas para correr velozmente. Moitas bacterias experimentaron tamén selección para tamaños xenḿicos pequenos, xa que o tempo de replicación e o consumo de enerxía están estreitamente correlacionados coa fitness.
Elementos repetitivos
Os elementos transpoñibles son elementos xenéticos egoístas autorreplicantes que poden proliferar dentro dun xenoma hóspede. Moitos elementos transpoñibles están relacionados cos virus, e comparten con eles varias proteínas comúns. Hai varios tipos: os transposóns de ADN (que son elementos transpoñibles cortados e copiados, que se escinden do ADN e móvense a seccións alternativas do xenoma), os retrotransposóns non LTR, os retrotransposóns LTR, os helitróns (transposóns que se replican polo sistema dos círculos rodantes), os elementos Alu (que comprenden un 10% do xenoma humano e son curtas secuencias repetitivas non autónomas).
Número de cromosomas e organización
O número de cromosomas dun organismo tampouco se correlaciona necesariamente coa cantidade de ADN do seu xenoma. A formiga Myrmecia pilosula ten só un único par de cromosomas, mentres que o fento Ophioglossum reticulatum ten 1260 cromosomas. Os xenomas dos ciliados teñen cada xene nun cromosoma separado, polo que o seu xenoma non está unido fisicamente. Unha unión reducida por medio da creación de cromosomas adicionais debería incrementar efectivamente a eficiencia da selección.
Os cambios no número de cromosomas poden xogar un papel clave na especiación, xa que diferir no número de cromosomas pode servir como barreira para a reprodución en híbridos. O cromosoma 2 humano xurdiu pola fusión de dous cromosomas dos nosos antepasados, que están aínda separdos nos chimpancés e aínda conteñen telómeros centrais e un segundo centrómero vestixial. A poliploidía, especialmente a alopoliploidía, que ocorre a miúdo en plantas, pode tamén ter como resultado incompatibilidades reprodutivas con especies parentais. As bolboretas azuis Agrodiatus teñen números de cromosomas diversos que van desde n=10 a n=134 e adicionalmente teñen unha das maiores taxas de especiación identificadas ata agora.
Contido e distribución dos xenes