Tasa de evolución molecular y pleiotropía en la trayectoria evolutiva de secuencias codificantes

Abstract

Las investigaciones sobre las variables que modifican la tasa de cambio evolutivo de las macromoléculas han estado en el centro del estudio de la evolución molecular desde sus inicios. En esta línea la pleiotropía, entendida como la capacidad de una mutación de afectar múltiples rasgos fenotípicos, ha sido tratada como un obstáculo para la acumulación de nuevas mutaciones, disminuyendo la tasa evolutiva, debido a que aumenta la probabilidad de que la mutación sea deletérea, a la vez que disminuye su probabilidad de fijación. Si bien esto ha sido demostrado a un nivel teórico bajo condiciones específicas, aún no hay una respuesta satisfactoria de por qué no se ha encontrado esta clara relación negativa en la naturaleza ni tampoco se sabe cómo diferentes condiciones y supuestos pueden cambiar este patrón. Aquí hacemos uso del modelo geométrico de Fisher para estudiar en profundidad los efectos de la pleiotropía sobre la tasa evolutiva e incorporar, por una parte, un seguimiento temporal del proceso evolutivo y, por otra, el rol de la selección natural y la deriva gen ética sobre estos efectos, haciendo uso de una descripción del modelo basado en ecuaciones diferenciales parciales. Adicionalmente, evaluamos las predicciones del modelo a la luz la evolución de las secuencias codificantes de 15 especies de pingüinos y expandimos nuestros resultados para encontrar procesos biológicos significativos en la evolución de estas aves. En el modelamiento, así como en el análisis genómico, encontramos que el efecto de la pleiotropía sobre la tasa evolutiva cambia dinámicamente a lo largo de una trayectoria evolutiva siguiendo tres etapas estereotípicas un efecto negativo inicial, una segunda etapa de efecto positivo de mayor duración y una etapa final de efecto levemente negativo.

Research on the variables that modify the rate of evolutionary change of macromolecules has been at the center of the study of molecular evolution since its inception. In this line pleiotropy, understood as the capacity of a mutation to affect multiple phenotypic traits, has been treated as a hindrance to the accumulation of new mutations, decreasing the evolutionary rate, because it increases the probability of the mutation being deleterious while decreasing its probability of fixation. While this has been demonstrated at a theoretical level under specific conditions, there is still no satisfactory answer as to why this clear negative relationship has not been found in nature, nor is it known how different conditions and assumptions can change this pattern. Here we make use of Fisher’s geometric model to study in depth the effects of pleiotropy on the evolutionary rate and incorporate, on the one hand, a temporal follow-up of the evolutionary process and, on the other hand, the role of natural selection and genetic drift on these effects, making use of a description of the FGM based on partial differential equations. In addition, we evaluated the model predictions in light of the evolution of the coding sequences of 15 penguin species and expanded our results to find significant biological processes in the evolution of these birds. In our model, as well as in genomic analysis, we found that the effect of pleiotropy on evolutionary rate changes dynamically along an evolutionary trajectory following three stereotypic stages an initial negative effect, a second stage of longer-lasting positive effect, and a final stage of slightly negative effect.