lunes, julio 30, 2007

Deriva genômica

O artigo The new mutation theory of phenotypic evolution (Nei, 2007)", brevemente elogiado em um post passado, merece um pouco mais de atenção. Nei começa afirmando que "Neo-Darwinism asserts that natural selection is the driving force of evolution, and mutation merely provides raw genetic materials with which natural selection produces novel characters." Pelo contrário, ele defende que a variação em si (no caso de Nei, variação = mutação genética) é responsável pela direção da evolução. Também afirma algo pouco usual: "because phenotypic characters are ultimately controlled by DNA sequences, both molecular and phenotypic evolution must occur in similar ways [...] a considerable portion of morphological evolution is caused by neutral or nearly neutral mutations, and the driving force of evolution is mutation at both molecular and phenotypic levels." Apesar do reducionismo genético, a afirmação de Nei é importante, pois aceita que a evolução morfológica pode ser neutra. Ele segue então argumentando a favor da sua interpretação. Em resumo, Nei passa de uma evolução genética (nucleotídica), para um evolução genômica, discutindo a dinâmica dos elementos genômicos e não de mutações nucleotídicas pontuais.

Discute primeiro a evolução de famílias gênicas. "The highly conserved genes stay in the genome not because of a low mutation rate but because of a high degre of purifying selection [...] Despite this conservative nature of amino acid substitution, multigene families may evolve relatively fast because of the rapid change of the number of member genes." Um exemplo interessante é discutido:"One of the most conspicuous is the variation of olfactory receptor (OR) genes among vertebrate species. In this gene family, the number of functional OR genes is 1,000 in mice but 396 in humans. Interestingly, humans have more pseudogenes than mice, the proportion of pseudogenes being 55% in humans and 24% in mice. Dogs, which are supposed to have a good sense of smell, have 811 functional genes and 289 pseudogenes. However, the most notable organism in this respect is the chicken, which has only 82 functional genes but 478 pseudogenes."
Ele propõe que "the number [of genes] has fluctuated by random duplication and deletion of genes. We may call this event random genomic drift, in analogy with random genetic drift of allele frequencies in population genetics. This random genomic drift is apparently an important factor for the evolution of phenotypic characters. If the number of gene copies increases or decreases by chance for a group of individuals, these individuals may be able to adapt to a new environment." Ou seja, novos genes gerados ao acaso e funcionalmente "livres", são utilizados na realização de novas ontogenias.

Depois Nei discute a regulação gênica e sua atividade em rede: "In the past, it has been customary to treat each gene as a unit of evolution in population genetics. In reality, however, a large number of genes interact with one another temporally or spatially in the developmental process, and therefore the evolution of phenotypic characters should be studied by taking into account this gene interaction. If a character is controlled by a large number of interacting genes, it is possible that the
genetic networks involved are robust and resistant to the effects of deleterious mutations. At the same time, the effects of advantageous mutations also may not be manifested significantly in a genetic network with many different developmental pathways. If this is the case, a large proportion of mutations may evolve in a more or less neutral fashion". Ou seja, ele passa a considerar a evolução da estrutura genética, não apenas a evolução de seus componentes.
Nei segue então com uma interessante argumentação, terminando com um comentário sobre a ênfase das pesquisas atuais na importância de mutações em regiões não codificantes para a evolução morfológica (se referindo implicitamente ao "programa forte" da evo-devo, que vê a evolução morfológica como o resultado da seleção em "master genes") Conclui: "These results indicate that most nucleotide substitutions in the regulatory region evolve in a more or less neutral fashion, similar to those in the proteincoding region. It is therefore possible that the evolutionary change of gene regulation is also controlled by major gene mutations."

Ele termina o artigo re-enfatizando o papel negativo da seleção (censurando o inviável) e o papel positivo da mutação: "If the new form of mutation theory described here is right, even in its crudest form, more emphasis should be given on the roles of mutation in the study of evolution."

Existem outras coisas louváveis no artigo (e também outras questionáveis). Quem quiser mais, sugiro que o leia. Eu resumiria a proposta positiva de Nei com o esquema de capacitação que eu vi do Mpodozis e do Vargas (IMAGEM CORRIGIDA):

20 comentarios:

Sanders dijo...
Este comentario ha sido eliminado por el autor.
Sanders dijo...

qué bueno te quedó el dibujo... sólo estaba pensando en que entre b y c, se ve un cambio de la via epigenetica sin que haya un cambio ni en la estructura inicial ni en el medio... alguno de los dos tendria que cambiar para gatillar la realización de una nueva vía epigenética...
Lo interesante es que podría ser cualquiera de los dos el que cambiase ...cierto?
La variación "silenciosa" del campo epigenético está esbozado por primera vez en la figura 7 del trabajo de Maturana & Mpodozis

Chcio dijo...

Sim, um dos dois teria de mudar - estrutura ou meio...tenho que consertar. Seria interessante também alterar as vias epigenéticas possíveis de b para c

Sanders dijo...

esoe s algo i teresante: solemos pensar que la posibilidadd e cambiar de via epigenetica dentro del campo epigenico está mediada por un cambio en el medio: sin embargo yo creo que esto también puede suceder por los cambios en la estructura inicial. Pero aveces me pregunto, no será esto un contrasentido? No rompería acaso con la definición de "campo epigénico"?

Chico dijo...

não creio, pois a definição de campo epigenético é feita em referência a um determinado genótipo total. Ele emerge da relação entre um determinado genótipo e um determinado meio.

Chico dijo...

corrigi a imagem (para mudanças no meio, como parece preferir o Nei). Que tal?

Chico dijo...

O interessante na segunda opção (mudança na estrutura inicial e não no meio) é que esta mudança genética dependeria de mudanças anteriores. Isto ressalta a natureza sistêmica da mudança. O efeito de ma mudança genética depende do contexto genético. Uma mudança genética não terá o mesmo efeito se ocorrer no momento t1 do que se ocorrer no momento t2, pois dependerá da presença de outras mudanças, mesmo que neutras.
Portanto, a capacitação não capacita somente para mudanças na relação com o meio. Ela capacita também para mudanças genéticas posteriores.

Sanders dijo...

Esta es la definción de M&M de campo epigenético:

Epigenetic field or domain of possible epigenetic paths: An observer can say that the total genotype (total initial structure) that constitutes the beginning of a living system, specifies for it an epigenetic field as the domain of all the epigenetic paths possible to it in its life history, and from which only one will be realized. In other words, the epigenetic field is the domain of all the possible ontogenic drifts that a living system may undergo depending on which history of interactions it happens to live, and is determined in the initial structure of a living being by its total genotype as a domain of its possible ontogenic drifts. Nevertheless, in a strict sense, such a field of possible epigenesis exists only as a domain of possibilities for an observer. And this is so because the epigenetic path followed by every organism starting from its initial structure (total genotype) is the only one that it can actually follow in a course that arises moment after moment anew according to the structural interactions that it has at that moment with the medium in the realization of its niche, in a process that lasts until it dies. So, the epigenesis is a process of structural drift that arises in the encounter organism medium as operationally independent systems in their structural dynamics


Yo considero que habría que considerar ampliar o aclarar esta definición, para incluir el hecho de que una diferencia en la estructura inicial, y no sólo una diferencia en el medio, puede decidir si se toma un camino u otro del campo epigenético ancestral. A fin y al cabe, en cualqueira de los casos, sólo se toma una de las posibles viás, es decir, todas las otras posibles instancias son imaginarias. Por lo tanto puede no ser tan "sacrílego" imaginar que que algunos caminos posibles se refieran a cambios imaginados en el genotipo.

En ealidad, serñia flaso decir que el campo epigenético es determinado por la estructural inicial. Lo que habria que decir es que el campo epigenético representa un conjunto de derivas sistémicas posibles ante variaciones tanto ambientales como de la estructura inicial

Sanders dijo...

corrigiendo los typos

"En realidad, sería falso decir que el campo epigenético es determinado por la estructural inicial. Lo que habria que decir es que el campo epigenético representa un conjunto de derivas sistémicas posibles ante variaciones tanto ambientales como de la estructura inicial"

Chico dijo...

Certo. Acho que o dilema então está no fato de que a estrutura inicial pode mudar sem que mudem algumas ou todas as possíveis vias de deriva ontogenética. Nesta situação temos uma nova estrutura inicial, mas a conservação das antigas vias. Todavia, mientras a nova estrutura inicial não altere o campo epigenético total, ela influencia qual via será realizada, mesmo que o ambiente seja o mesmo.
Repetindo: temos o mesmo ambiente, o mesmo campo epigenético total, mas diferentes genótipos totais e por isso diferentes vias de deriva ontogenéticas são realizadas.
Certo?

Sanders dijo...

"Certo. Acho que o dilema então está no fato de que a estrutura inicial pode mudar sem que mudem algumas ou todas as possíveis vias de deriva ontogenética. Nesta situação temos uma nova estrutura inicial, mas a conservação das antigas vias."

Eso, muy bien dicho

"Todavia, mientras a nova estrutura inicial não altere o campo epigenético total, ela influencia qual via será realizada, mesmo que o ambiente seja o mesmo".

Podrían haber algunas otras alteraciones del campo epigenético, sin que las hayan en la vía epigenetica que pasó a ser realizada.

En general, bajo cualquier escenario de secuencias de cambios, el campo epigenético del descendiente es una modificacion del campo epigenético ancestral: gran parte de él siempre será conservado (overlapping)

"Repetindo: temos o mesmo ambiente, o mesmo campo epigenético total, mas diferentes genótipos totais e por isso diferentes vias de deriva ontogenéticas são realizadas"

Eso sería el perfecto inverso del posible error que habría que corregirle a M&M: en ese caso asumimos al medio constante y al genotipo variable.
Ahora, si bien esto ayudaría a visualizar con claridad cómo la variación de la estructura inicial también decide entre caminos, en la realidad, ambas cosas van a poder gatillar el cambio de camino. Yo creo que no hay que cambiar el dibujo del campo ni nada, sólo tener en mente que una diferencia de estructura inicial sin duda puede causar que se tome un camino u otro. Es decir, son los dos, sin ninguno de ellos adelante y el otro "al fondo".
pero no sé si lo que quiero es muy elegante ...o comprensible..jaja

Sanders dijo...

Por ejemplo, la vía epigenética del "mutante" albino, sería un camino más dentro del campo epigénico, así como también lo sería un fenotipo que resulte de una modificación ambiental. En ambos casos son distintas derivas estructurales- sistémicas posibles.

Otra conclusión que creo que se desprende es que un cambio ambiental podría causar un cambio en el campo epigenético.
Un ejemplo empírico puede ser los casos en que diferencias genéticas que sólo se hacen evidentes al cambiar las condiciones ambientales...o no?

Chico dijo...

OK. Na verdade estes exemplos mostram que não devemos nos preocupar muito em representar no dibujo se os novos campos epigenéticos são gerados por fatores genéticos ou ambientais. Podemos acabar na perigosa dicotomia nature/nurture. Como o campo epigenético realizado é sempre produto da interação conjunta dos dois (e das interações anteriores), não devemos nos prender a representá-los separadamente.

Uma maneira possível de descrever o que estamos dizendo é representar as vias epigenéticas como canais, à la Waddington. Mudanças na estrutura inicial podem não alterar as vias epigenéticas em si, mas as suas profundidades. Se uma via é mais profunda, i.e., mais robusta, mais canalizada, etc., a deriva ontogenética será coagida naquela direção.

Eu sei que a apropriação de parte da metáfora waddingtoniana deve ser feita com cuidado. De certa maneira, em Waddington, os canais da paisagem epigenética preexistem, estruturados pelos genes. São vias preformadas, programadas (Na verdade a apisagem de Waddington é uma paisagem preformada). No caso das vias epigenéticas elas são constituídas durante a realização da ontogenia, elas não preexistem a sua realização.
De qualquer maneira, a imagem de canais é útil para descrever o nosso problema. Mas creio que perdemos a elegância e a simplicidade do nosso dibujito.

Sanders dijo...

"Podemos acabar na perigosa dicotomia nature/nurture. Como o campo epigenético realizado é sempre produto da interação conjunta dos dois (e das interações anteriores), não devemos nos prender a representá-los separadamente."

Exacto: hay buenos argumentos teóricos.

Tengo que reestudiar lo de waddington,si mal no recuerdo la morfología del paisaje tenía "pilares" genéticos y el medio sólo empuja la bolita sobre las distintas posibilidades del paisaje. Por favor corríjanme si no le estoy haciendo justicia.
Me parece que tanto los genes como el medio son capaces de modificar el paisaje así como de empujar la bolita. Quizás el modelo de waddington enfatiza demasiado el genotipo.

M&M's es más simple, dos dimensioes nada más, lo único que se quiere transmitir es el concepto de una vía posible de desarollo (epigenetic pathway o o sencillamente developmental pathways, que se usa bastante)

Chico dijo...

Sem dúvida Waddington enfatiza mais o genótipo do que o ambiente. O genótipo é que dá forma à paisagem. O meio é o background que pode influenciar a direção do desenvolvimento, enquanto que os genes são a vera causa. Eu acredito que o mérito da imagem de Waddington não é sintetizar nature and nurture, mas representar o genótipo de maneira sistêmica. Os genes não atuam isoladamente, mas em conjunto, sustentando a paisagem.

Portanto, acrescentar o insight de Waddington ao conceito de capacitação serviria apenas para evidenciar a característica sistêmica da variação no genótipo total.
Mas como isto é óbvio da perspectiva sistêmica que adotamos, não precisamos estragar o elegante dibujito por isso.

Workingale dijo...

Es por la naturaleza dialéctica de nature/nurture que no pueden disociarse.
Decir que el genotipo total ha cambiado transgeneracionalmente, creo que refiere a que ha cambiado la dialectica de determinismo estructural del momento inicial, sin hacer alusión ni a al organismo ni al medio en particular (e.g. un huevo en un nido).
Esta condición inicial determina al campo epigenético (de epigénesis posibles), NO así a la deriva ontogenética particular, la cual inevitablemente resulta del encuentro momento a momento del organismo (con igual o distinto genotipo total) y su medio (que tambien puede ser igual o diferente al del ancestro)

Sandersaurio: "En realidad, sería falso decir que el campo epigenético es determinado por la estructura inicial. Lo que habria que decir es que el campo epigenético representa un conjunto de derivas sistémicas posibles ante variaciones tanto ambientales como de la estructura inicial"

-yo creo q un organismo tiene solo un genotipo total y solo un campo de epigenesis posibles, dado por las múltiples posibilidades de encuentro con el medio. Por eso quizás no se habla de estructuras iniciales posibles.
Es, a mi juicio, la deriva ontogenética particular cuyo curso puede depender de aspectos del genotipo total que, enmascarados por un mismo campo de epigenesis, causan que varíe a pesar de un mismo medio. ¿too juicy?.
No le veo el problema a M&M...;-)

Workingale dijo...

Es más, me atrevería a decir que en cada momento de la ontogenia de un organismo, un observador puede definir un genotipo total (condición de dialéctica estructural al tiempo 0 de la observación) y un campo epigenético determinado.
¿right?

Cristian dijo...

Algo que seria talvez interasante plantearse es que factores, durante el curso evolutivo de un linaje, estarian involucrados el origen de novedad, por ejemplo una radiacion de posibilidades onto-filogeneticas nuevas, esto lo menciono con relacion a la plasticidad filogenetica...

Por otro lado es esta potencialidad acabada en algun momento por canalizacion?, llevando a un camino sin salida a los organismos derivados o puede identificarse algun proceso a traves del cual pueda originarse una nueva potencialidad que de origen a mas variaciones?...

Desde la perspectiva de los sistemas de desarrollo o DN, que propiedad de la organizacion viviente permitiria estos dos escenarios???

Sanders dijo...

"yo creo q un organismo tiene solo un genotipo total y solo un campo de epigenesis posibles, dado por las múltiples posibilidades de encuentro con el medio
Por eso quizás no se habla de estructuras iniciales posibles"

Buen alcance.
Es cierto que sólo se tiene un genotipo total o estrcutura propaimente tal del organismo y que lo que se ilustra en el dibujo en la via epigenetica efectivamente recorrida, es el encuentro de una estructura particular, con un medio particular.
Sin embargo, como lo aclaran M&M, el campo epigenético, a difeencia del resto del dibujo, es concptual, precisamente por lo indicado: sólo una de las vías efectivamente se realizan. Los demás corresponden de alguna forma, a hipotéticos encuentros no realizados, posibilidades conceptuales. Debido a la naturaleza conceptual del campo epigénico, es que considero que puede ampliarse el concepto para que esta constituya una proyección de posibilidades de cambios en secuencias trans-reproductivas.

Anónimo dijo...

necessario verificar:)