Mutación adaptativa

A mutación adaptativa, tamén chamada mutación dirixida ou mitaxénese dirixida é unha controvertida teoría evolutiva. Propón que as mutacións, ou cambios xenéticos, son moito menos aleatorios e máis intencionados que o que se explica na evolución tradicional, o que implica que os organismos poden responder aos estreses ambientais dirixindo ortoxeneticamente as mutacións a certos xenes ou áreas do xenoma. Houbo unha gran variedade de experimentos que trataron de apoiar (ou refutar) esta idea da mutación adaptativa, polo menos en microorganismos. Definición
A formulación máis amplamente aceptda da teoría da evolución afirma que os organismos se modifican principalmente por selección natural, na que os cambios causados polas mutacións melloran a súa oportunidade de éxito reprodutivo. A mutación adaptativa afirma que en vez de que as mutacións e a evolución ocorran ao chou, prodúcense en resposta a estreses específicos. Noutras palabras, as mutacións que ocorren son máis beneficiosas e específicas para os estreses determinados que están afectando a especie, en lugar de producirse ao chou e non en resposta a nada en particular. O termo estrés refírese a calquera cambio no ambiente, como a temperatura, nutrientes, tamaño de poboación, etc. En probas feitas con microorganismos atopouse que, como indica a mutación adaptativa, a maioría das mutacións observadas despois dun determinado estrés eran máis efectivas para afrontar ese estrés do que sería esperable co azar por si só. Esta teoría da mutación adaptativa suscitou por primeira vez a atención académica na década de 1980 da man de John Cairns. Traballos iniciais
O ictiólogo ruso Lev Berg propuxo as mutacións en masa dirixidas como o mecanismo principal da evolución no seu libro antidarwinista Nomogenesis; ou, Evolución Determinada pola Lei (1922). A teoría de Berg era tanto mutacionista (poñendo a mutación en lugar da selección) coma ortoxenética (que implicaba unha dirección). Os primeiros estudos sobre a "mutación dirixida" foron realizados por xenéticos alemáns. Richard Goldschmidt afirmou ter obtido probas da mutación dirixida en 1929 nos seus experimentos con moscas do vinagre Drosophila expostas a temperaturas elevadas. Viktor Jollos (1887–1941) na década de 1930 tamén levou a cabo experimentos con Drosophila e escribiu que os seus resultados confirmaban os traballos de Goldschmidt, o cal era unha evidencia en favor da mutación dirixida en contraste coa selección natural. Porén, xenetistas americanos posteriores non foron quen de replicar estes experimentos e eses conceptos perderon o favor dos científicos en comparación co mecanismo darwiniano estándar das mutacións que ocorrían ao chou. Estudos recentes
A mutación adaptativa é unha proposta polémica que motivou a realización dunha serie de experimentos deseñados para comprobar a validez desta idea. Tres dos maiores experimentos son a resposta SOS, as respostas de privación de nutrientes en Escherichia coli, e os tests de reversión dun auxótrofo para o triptófano en Saccharomyces cerevisiae (lévedo).
Privación de lactosa
A cepa de Escherichia coli FC40 ten unha alta taxa de mutación, o que a fai moi útil para moitos estudos, como os de mutación adaptativa. En FC40 o operón lac do seu cromosoma sufriu deleción pero porta un episoma F’ cun alelo mutante lac. Este alelo ten unha mutación por desprazamento do marco de lectura +1, pero se sofre outra mutación a cepa FC40 podería procesar a lactosa. Cando a situamos nun medio rico en lactosa, o 20% das células mutan de Lac- (non poden procesar a lactosa) a Lac+ (que a procesan), o que significa que agora poden utilizar a lactosa no seu ambiente. As respostas ao estrés non estaban no ADN da célula, senón que o cambio se producir durante a replicación do ADN por medio de recombinación e o propio proceso da replicación, o que significa que a mutación adaptativa ocorre na bacteria actual e será herdada polas seguintes xeracións debido a que a mutación xa forma parte da información xenética da bacteria. Isto é especialmente obvio no estudo feito por Cairns, que demostrou que incluso despois de poñer de novo E. coli nun medio con niveis mínimos de lactosa, os mutantes Lac+ continuaban producíndose como resposta ao ambiente previo. Isto non sería posible se a mutación adaptativa non estivese funcionando, porque a selección natural non favorecería esta mutación no novo ambiente carente de lactosa. Aínda que hai moitos xenes implicados na mutación adaptativa, viuse que a proteína RecG ten un efecto sobre a mutación adaptativa. Por si soa, RecG non conduce necesariamente a un fenotipo mutacional. Porén, atopouse que inhibe a aparición de reversores en células de tipo salvaxe. Os reversores son células que aparecen espontaneamente, en contraste coas que tiñan as mutacións que estaban estudándose. Por outra parte, os mutantes en RecG eran claves para a expresión de mutacións dependentes de RecA, as cales eran a maior parte do estudo dos experimentos de resposta SOS, como a capacidade de utilizar lactosa.
A mutación adaptativa volveu a propoñerse en 1988 por John Cairns que estaba estudando células de E. coli que carecían da capacidade de metabolizar lactosa. Cultivou estas bacterias nun medio de cultivo no cal a lactosa era a única fonte de enerxía. Atopou que a velocidade á que na bacteria evolucionaba a capacidade de metabolizar a lactosa era moitas ordes de magnitude maior que a que se esperaría se as mutacións fosen verdadeiramente ao chou. Isto inspirouno a propor que as mutacións que ocorreran foran dirixidas a aqueles xenes implicados na utilización da lactosa.
Un apoio posterior a este hipótese veu da man de Susan Rosenberg, entón na Universidade de Alberta, quen atopou que un encima implicado na reparación recombinacional do ADN chamdao recBCD era necesario para a mutaxénese dirixida observada por Cairns e colegas en 1989. A hipótese da mutaxénese dirixida foi posta en dúbida en 2002 por un traballo que mostraba que o fenómeno se debía a unha hipermutabilidade xeral debido á amplificación do xene seleccionado, seguida de selección natural e era así un proceso darwiniano estándar. Porén, posteriores investigacións de 2007, concluíron que a amplificación non explicaría a mutación adaptativa e que os "mutantes que aparecen durante os primeiros días de selección de lactosa son verdadeiros reversores que se orixinan nun só paso".
Resposta SOS
Este experimento é diferente dos outros nun detalle: trata das vías que levan a unha mutación adaptativa mentres que os outros comprobaban o ambiente cambiante ao que estaban expostos os microorganismos. A resposta SOS en E. coli é unha resposta aos danos no ADN que deben ser reparados. Faise que o ciclo celular se deteña e a mutaxénese poida empezar. Isto significa que as mutacións ocorrerán para intentar reparar o dano. Esta resposta de hipermutación, ou aumento da taxa de cambio, ten que ter algún proceso regulador e algunhas moléculas clave neste proceso sábese que son RecA e LexA. Trátase de proteínas que actúan como semáforos para este e outros procesos. Tamén parecen ser os principais contribuíntes á mutación adaptativa en E. coli. Os cambios en presenza dunha ou da outra afectan a resposta SOS, o cal á súa vez afecta a como as células poden procesar a lactosa, o cal non debería confundirse co experimento de privación de lactosa. O punto clave que hai que comprender é que cómpren tanto LexA coma RecA para que ocorra a mutación adaptativa e sen a resposta SOS a mutación adaptativa non sería posible.
Lévedos
O Dr. von Borstel na década de 1970 realizou experimentos similares aos do experimento de privación de lactosa con lévedos, concretamente Saccharomyces cerevisiae. Comprobou se aparecían reversores auxótrofos para o aminoácido triptófano. Un auxótrofo para o triptófano non pode fabricar por si mesmo triptófano, pero as células de tipo salvaxe poden e deste modo os reversores reverterán ao estado normal de poder producir triptófano. Atopou que cando as colonias de lévedos se cambiaban desde un medio rico en triptófano a un medio mínimo, os reversores continuaban aparecendo durante varios días. O grao ao cal se observaron os reversores en lévedos non era tan alto coma en bacterias. Outros científicos realizaron experimentos similares, como Hall, que comprobou a aparición de reversores para a histidina, ou Steele e Jinks-Robertson, que o comprobaron para a lisina. Estes experimentos demostran como cómpren a recombinación xenética e a replicación do ADN para que se produzan mutacións adaptativas. Porén, nas células comprobadas para a lisina, a recombinación continuaba ocorrendo mesmo sen facer selección para ela. Steele e Jinks-Robertson chegaron á conclusión de que a recombinación ocorría en todas as circunstancias, adaptativas ou doutro tipo, mentres que as mutacións estaban presentes soamente cando eran beneficiosas e adaptativas.
Aínda que a produción de mutantes durante a selección non era tan vigorosa coma a observada con bacterias, estes estudos son convincentes. Como se mencionou antes, un estudo posterior engadiu aínda máis peso aos resultados con lys2. Steele e Jinks-Robertson encontraron que os protótrofos LYS debido a episodios de recombinación intercromosómica tamén continuaban orixinándose en células que non se dividían, mais neste caso, a produción de recombinantes continuaba tanto se había selección para eles coma se non. Así, a mutación acontecía na fase estacionaria soamente cando era adaptativa, pero a recombinación ocorría tanto se era adaptativa coma se non.
Tamén se informou da aparición retardada de mutantes en Candida albicans. Cunha longa exposición a concentracións subletais de metais pesados, empezaron a aparecer colonias de células resistentes despois de 5–10 días e seguiron aparecendo durante 1–2 semanas máis. Estas resistencias podían ser o resultado de amplificación xénica, aínda que os fenotipos eran estables durante un curto período de crecemento non selectivo. Porén, os reversores de dúas auxotrofias tamén aparecían con cinética similar. Aínda non se mostrou que algún destes eventos en Candida albicans sexa específico da selección imposta.