Canalización (genética)

La canalización es una medida de la capacidad de una población para producir el mismo fenotipo independientemente de la variabilidad de su entorno o genotipo . Es una forma de robustez evolutiva . El término fue acuñado en 1942 por CH Waddington para captar el hecho de que "las reacciones de desarrollo, tal como ocurren en los organismos sometidos a la selección natural ... se ajustan de manera que produzcan un resultado final definido independientemente de las pequeñas variaciones en las condiciones durante el curso de la reacción". ^[1] Utilizó esta palabra en lugar de robustez para considerar que los sistemas biológicos no son robustos de la misma manera que, por ejemplo, los sistemas diseñados.

La robustez biológica o canalización surge cuando las vías de desarrollo están moldeadas por la evolución . Waddington introdujo el concepto de paisaje epigenético , en el que el estado de un organismo va "cuesta abajo" durante el desarrollo. En esta metáfora, un rasgo canalizado se ilustra como un valle (al que llamó creodo ) rodeado de altas crestas, que guían de forma segura al fenotipo hacia su "destino". Waddington afirmó que los canales se forman en el paisaje epigenético durante la evolución, y que esta heurística es útil para comprender las cualidades únicas de la robustez biológica. ^[2]

Waddington utilizó el concepto de canalización para explicar sus experimentos sobre la asimilación genética . ^[3] En estos experimentos, expuso las pupas de Drosophila a un choque térmico. Esta perturbación ambiental provocó que algunas moscas desarrollaran un fenotipo sin venas cruzadas . Luego seleccionó a las moscas sin venas cruzadas. Finalmente, el fenotipo sin venas cruzadas apareció incluso sin choque térmico. A través de este proceso de asimilación genética, se había heredado un fenotipo inducido por el medio ambiente. Waddington explicó esto como la formación de un nuevo canal en el paisaje epigenético .

Sin embargo, es posible explicar la asimilación genética utilizando únicamente la genética cuantitativa y un modelo de umbral, sin hacer referencia al concepto de canalización. ^{[4] [5] [6] [7]} Sin embargo, los modelos teóricos que incorporan un mapa genotipo-fenotipo complejo han encontrado evidencia de la evolución de la robustez fenotípica ^[8] que contribuye a la asimilación genética, ^[9] incluso cuando la selección es solo para la estabilidad del desarrollo y no para un fenotipo particular, y por lo tanto los modelos de genética cuantitativa no se aplican. Estos estudios sugieren que la heurística de canalización aún puede ser útil, más allá del concepto más simple de robustez.

Ni la canalización ni la robustez son magnitudes sencillas de cuantificar: siempre es necesario especificar qué rasgo está canalizado (es robusto) ante qué perturbaciones. Por ejemplo, las perturbaciones pueden provenir del entorno o de mutaciones . Se ha sugerido que diferentes perturbaciones tienen efectos congruentes sobre el desarrollo que tiene lugar en un paisaje epigenético. ^{[10] [11] [12] [13] [14]} Sin embargo, esto podría depender del mecanismo molecular responsable de la robustez y ser diferente en diferentes casos. ^[15]

La metáfora de la canalización sugiere que algunos rasgos fenotípicos son muy resistentes a pequeñas perturbaciones, por lo que el desarrollo no sale del canal y regresa rápidamente hacia abajo, con poco efecto sobre el resultado final del desarrollo. Pero las perturbaciones cuya magnitud excede un cierto umbral saldrán del canal, llevando el proceso de desarrollo a un territorio inexplorado. Por ejemplo, el estudio de una serie alélica para Fgf8 , un gen importante para el desarrollo craneofacial, con niveles decrecientes de expresión génica demostró que el fenotipo permanece canalizado mientras el nivel de expresión sea superior al 40% de la expresión de tipo salvaje. ^[16]

Una robustez fuerte hasta un límite, con poca robustez más allá de él, es un patrón que podría aumentar la capacidad evolutiva en un entorno fluctuante. ^[17] Se ha sugerido que la canalización de un gran conjunto de genotipos en un espacio fenotípico limitado es un mecanismo para la acumulación, de manera neutral, de mutaciones que de otro modo podrían ser perjudiciales. ^[18] La canalización genética podría permitir la capacidad evolutiva , donde la diversidad genética se acumula en una población a lo largo del tiempo, protegida de la selección natural porque normalmente no afecta a los fenotipos. Esta diversidad oculta podría luego ser desatada por cambios extremos en el entorno o por interruptores moleculares, liberando una variación genética previamente críptica que luego puede contribuir a un estallido rápido de la evolución, ^[18] un fenómeno denominado descanalización. Los ciclos de canalización-decanalización podrían explicar los períodos alternos de estasis, donde la diversidad genotípica se acumula sin cambios morfológicos, seguidos de cambios morfológicos rápidos, donde la decanalización libera la diversidad fenotípica y queda sujeta a la selección natural , en el registro fósil , proporcionando así una posible explicación del desarrollo para el equilibrio puntuado . ^[17]

En 1998, Susan Lindquist descubrió que los mutantes heterocigotos hsp83 de Drosophila exhiben una gran diversidad de fenotipos (desde crestas sexuales en la cabeza hasta fenotipos de alas con forma de escutoide y dentadas). Demostró que estos fenotipos podrían transmitirse a la siguiente generación, lo que sugiere una base genética para esos fenotipos. ^[19] Los autores plantearon la hipótesis de que Hsp90 (el gen mutado en hsp83 ), como proteína chaperona , desempeña un papel fundamental en el plegamiento y la activación de muchas proteínas involucradas en las vías de señalización del desarrollo, amortiguando así la variación genética en esas vías. ^{[20] Por lo tanto, los mutantes} hsp83 liberarían la variación genética críptica, lo que daría como resultado una diversidad de fenotipos.

En 2002, Lindquist demostró que la inhibición farmacológica de HSP90 en Arabidopsis thaliana también conduce a una amplia gama de fenotipos, algunos de los cuales podrían considerarse adaptativos, lo que respalda aún más el papel canalizador de HSP90 . ^[21]

Por último, el mismo tipo de experimento en el pez de las cavernas Astyanax mexicanus arrojó resultados similares. Esta especie comprende dos poblaciones: una población con ojos que vive bajo la superficie del agua y una población ciega sin ojos que vive en cuevas. La población de las cuevas no solo no tiene ojos, sino que también muestra un tamaño de órbita muy reducido . La inhibición de HSP90 conduce a una mayor variación en el tamaño de la órbita que podría explicar cómo este rasgo podría evolucionar en solo unas pocas generaciones. Un análisis posterior mostró que la baja conductividad en el agua de la cueva induce una respuesta al estrés que imita la inhibición de HSP90 , lo que proporciona un mecanismo para la descanalización. ^[22]

Cabe señalar que la interpretación del artículo original de Drosophila ^[19] ahora es objeto de controversia. El análisis molecular del mutante hsp83 mostró que HSP90 es necesaria para la biogénesis de piRNA , un conjunto de ARN pequeños que reprimen transposones en la línea germinal ^[23] , lo que provoca una mutagénesis insercional masiva de transposones ^[24] que podría explicar la diversificación fenotípica ^{[25] .}

Comprender la variabilidad es un aspecto importante para comprender la selección natural y las mutaciones. La variabilidad se puede clasificar en dos categorías: modulación de la variación fenotípica y modulación de los fenotipos que se producen. ^[26] La presencia de este llamado sesgo en la variabilidad genética nos permite obtener más conocimientos sobre cómo ciertos fenotipos son más exitosos en términos de su morfología real, composición bioquímica o comportamiento. ^[27] Se sabe científicamente que los organismos necesitan desarrollar sistemas integrados sistemáticamente para prosperar en sus ecosistemas específicos. Esto se extiende a la morfología, donde las variaciones deben ocurrir en un orden sistemático; de lo contrario, las mutaciones fenotípicas no persistirán debido a la ocurrencia de la selección natural. La variación afecta la velocidad y la tasa del cambio evolutivo a través de la selección y modulación de las variaciones fenotípicas. ^[28] En última instancia, esto da como resultado una menor cantidad de diversidad observada a lo largo de la evolución, ya que la mayoría de los fenotipos no persisten más allá de unas pocas generaciones debido a su morfología inferior, composición bioquímica o movimiento o apariencia física.

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