Es la base de la diversidad de especies y cualquier tipo de organismo.
Son cambios en la secuencia genética y son una causa principal de diversidad entre los organismos. Estos cambios ocurren en muchos niveles diferentes, y pueden tener consecuencias muy diferentes.
En sistemas biológicos que son capaces de reproducirse, primero debemos enfocarnos en si son heredables; específicamente, algunas mutaciones afectan solo al individuo que las porta, mientras que otras afectan a todos los descendientes del organismo portador y a otros descendientes.
Condicionantes
Para que las mutaciones afecten a los descendientes de un organismo, deben:
- Ocurrir en células que producen la próxima generación.
- Afectar el material hereditario.
En última instancia, la interacción entre las mutaciones heredadas y las presiones ambientales genera diversidad entre las especies.
Aunque existen varios tipos de cambios moleculares, la palabra «mutación» típicamente se refiere a un cambio que afecta a los ácidos nucleicos. En los organismos celulares, estos ácidos nucleicos son los componentes básicos del ADN, y en los virus son los componentes básicos de ADN o ARN.
Una forma de pensar en el ADN y el ARN es que son sustancias que llevan la memoria a largo plazo de la información requerida para la reproducción de un organismo. Este artículo se centra en las mutaciones en el ADN, aunque debemos tener en cuenta que el ARN está sujeto esencialmente a las mismas fuerzas de mutación.
Si las mutaciones ocurren en células no germinales, estos cambios pueden clasificarse como mutaciones somáticas. La palabra somática proviene de la palabra griega soma que significa «cuerpo», y las mutaciones somáticas solo afectan el cuerpo del organismo presente.
Desde una perspectiva evolutiva, las mutaciones somáticas no son interesantes, a menos que ocurran sistemáticamente y cambien alguna propiedad fundamental de un individuo, como la capacidad de supervivencia. Por ejemplo, el cáncer es una potente mutación somática que afectará la supervivencia de un solo organismo.
Como un enfoque diferente, la teoría de la evolución está más interesada en los cambios de ADN en las células que producen la próxima generación.
¿Son aleatorias?
La afirmación de que las mutaciones son aleatorias es profundamente verdadera y profundamente falsa al mismo tiempo. El verdadero aspecto de esta afirmación proviene del hecho de que, según nuestro leal saber y entender, las consecuencias de una mutación no tienen influencia alguna en la probabilidad de que esta mutación ocurra o no.
En otras palabras, las mutaciones ocurren al azar con respecto a si sus efectos son útiles. Por lo tanto, los cambios beneficiosos del ADN no ocurren más a menudo simplemente porque un organismo podría beneficiarse de ellos.
Además, incluso si un organismo ha adquirido una mutación beneficiosa durante su vida, la información correspondiente no volverá al ADN de la línea germinal del organismo. Esta es una idea fundamental de que Jean-Baptiste Lamarck se equivocó y Charles Darwin acertó.
Sin embargo, la idea de que las mutaciones son aleatorias puede considerarse como falsa si se tiene en cuenta el hecho de que no todos los tipos de mutaciones ocurren con la misma probabilidad. Más bien, algunos ocurren con más frecuencia que otros porque son favorecidos por reacciones bioquímicas de bajo nivel.
Estas reacciones son también la razón principal por la cual las mutaciones son una propiedad ineludible de cualquier sistema que sea capaz de reproducirse en el mundo real.
Las tasas de mutación son generalmente muy bajas, y los sistemas biológicos llegan a extremos extraordinarios para mantenerlos lo más bajo posible, sobre todo porque muchos efectos mutacionales son dañinos.
No obstante, las tasas de mutación nunca llegan a cero, incluso a pesar de mecanismos de protección de bajo nivel, como la reparación o corrección del ADN durante la replicación del ADN, y mecanismos de alto nivel, como la deposición de melanina en las células cutáneas para reducir el daño por radiación.
Más allá de cierto punto, evitar la mutación simplemente se vuelve demasiado costoso para las células. Por lo tanto, la mutación siempre estará presente como una poderosa fuerza en la evolución.
Tipos de mutaciones
Entonces, ¿cómo ocurren las mutaciones? La respuesta a esta pregunta está estrechamente relacionada con los detalles moleculares de cómo se organizan tanto el ADN como el genoma completo. Las más pequeñas son mutaciones puntuales, en las que solo un único par de bases se cambia a otro par de bases.
Sin embargo, otro tipo de mutación es la no sinónima, en la que se modifica una secuencia de aminoácidos. Estas conducen a la producción de una proteína diferente o a la terminación prematura de una proteína.
A diferencia de las mutaciones no sinónimas, las mutaciones sinónimas no cambian una secuencia de aminoácidos, aunque ocurren, por definición, solo en secuencias que codifican aminoácidos. Existen mutaciones sinónimas porque muchos aminoácidos están codificados por múltiples codones.
Los pares de bases también pueden tener diversas propiedades reguladoras si se encuentran en intrones, regiones intergénicas o incluso dentro de la secuencia codificante de genes. Por algunas razones históricas, todos estos grupos a menudo se subsumen con mutaciones sinónimas bajo la etiqueta de «silenciosas».
Dependiendo de su función, tales mutaciones silenciosas pueden ser desde verdaderamente silenciosas hasta extraordinariamente importantes, lo que implica que las secuencias de trabajo se mantienen constantes mediante la selección purificadora.
Esta es la explicación más probable para la existencia de elementos no codificantes ultraconservados que han sobrevivido durante más de 100 millones de años sin cambios sustanciales, como se encontró comparando los genomas de varios vertebrados.
Las mutaciones también pueden tomar la forma de inserciones o eliminaciones, que se conocen juntas como indels. Indels puede tener una gran variedad de longitudes.
En el extremo corto del espectro, los indeles de uno o dos pares de bases dentro de las secuencias de codificación tienen el mayor efecto, porque inevitablemente provocarán un cambio de marco (solo la adición de uno o más codones de tres pares de bases mantendrá una proteína aproximadamente intacta ).
En el nivel intermedio, los indeles pueden afectar partes de un gen o grupos completos de genes.
En el nivel más grande, los cromosomas completos o incluso las copias completas del genoma pueden verse afectadas por inserciones o deleciones, aunque tales mutaciones generalmente ya no se incluyen en la etiqueta indel.
En este nivel alto, también es posible invertir o translocar secciones enteras de un cromosoma, y los cromosomas incluso pueden fusionarse o romperse.
Si se pierde una gran cantidad de genes como resultado de uno de estos procesos, las consecuencias suelen ser muy dañinas. Por supuesto, diferentes sistemas genéticos reaccionan de manera diferente a tales eventos.
Finalmente, otras fuentes de mutaciones son los muchos tipos diferentes de elementos transponibles, que son pequeñas entidades de ADN que poseen un mecanismo que les permite moverse dentro del genoma. Algunos de estos elementos se copian y pegan en nuevas ubicaciones, mientras que otros usan un método de cortar y pegar.
Dichos movimientos pueden alterar las funciones genéticas existentes (mediante la inserción en el medio de otro gen), activar las funciones génicas latentes (mediante escisión perfecta de un gen que se desconectó mediante una inserción anterior) u ocasionalmente conducir a la producción de nuevos genes.
Efectos
Un gráfico de líneas muestra la densidad de probabilidad de los efectos. Una escala logarítmica de efectos mutacionales se muestra en el eje x, y la densidad de probabilidad se muestra en el eje.
La línea sigue la forma de una curva de campana sesgada a la derecha. La densidad de probabilidad aumenta a medida que los efectos mutacionales aumentan de 10-10 a 10-4, donde la curva alcanza su pico.
A medida que los efectos mutacionales aumentan de 10- 4 a 1, la densidad de probabilidad disminuye. Todos los efectos mutacionales iguales o menores que 10-10 se muestran como un pico en 10-10 en el eje x.
Este ejemplo de una posible distribución de efectos mutacionales perjudiciales se obtuvo a partir de datos de polimorfismo de secuencia de ADN de poblaciones naturales de dos especies de Drosophila.
El pico en 10-10 incluye todos los efectos más pequeños, mientras que los efectos no se muestran si inducen un daño estructural que es equivalente a los coeficientes de selección que son «super-letales» .
Una sola mutación puede tener un gran efecto, pero en muchos casos, el cambio evolutivo se basa en la acumulación de muchas mutaciones con efectos pequeños. Los efectos mutacionales pueden ser beneficiosos, dañinos o neutros, dependiendo de su contexto o ubicación. La mayoría de las mutaciones no neutrales son perjudiciales.
En general, cuanto más pares de bases se ven afectados por una mutación, mayor es el efecto de la mutación y mayor es la probabilidad de que sea perjudicial.
Para comprender mejor el impacto de las mutaciones, los investigadores han comenzado a estimar las distribuciones de efectos mutacionales (DME) que cuantifican cuántas mutaciones se producen con qué efecto en una propiedad determinada de un sistema biológico. En estudios evolutivos, la propiedad de interés es la aptitud.
