Filoxenética molecular

La filoxenética molecular ye la caña de la filoxenia qu'analiza les diferencies moleculares hereditaries, principalmente nes secuencies d'ADN, pa llograr información sobre les rellaciones evolutives d'un organismu. La resultancia d'un analís filoxenéticu molecular esprese nun árbol filoxenéticu.

Historia de la filoxenia molecular

Los marcos teóricos pa la sistemática molecular establécense na década de 1960 nes obres d'Emile Zuckerkandl, Emanuel Margoliash, Linus Pauling y Walter M. Fitch. Les aplicaciones de la sistemática molecular foron empecipiaes por Charles G. Sibley (aves), Herbert C . Dessauer (herpetoloxía), y Morris Goodman (primates), siguíu por Allan C. Wilson, Robert K. Selander, y John C. Avise (qu'estudió dellos grupos).

Antecedentes

Tolos organismos contienen ADN, ARN, y proteínes. Polo xeneral, los organismos estrechamente rellacionaos tienen un altu grau de concordanza nes estructures moleculares, mientred que les secuencies d'organismos distantemente rellacionaos suelen amosar un patrón de desemeyanza. Secuencies calteníes, tales como les del ADN mitocondrial, espérase qu'atropen mutaciones a lo llargo del tiempu, y asumiendo qu'estes mutaciones se producen a una tasa constante, proveen un reló molecular pa datar la diverxencia. La filoxenia molecular usa datos como esos pa construyir un árbol de rellaciones qu'amuesa la probable evolución de dellos organismos. Cola invención del métodu de Sanger en 1977 foi posible aisllar ya identificar estes estructures moleculares.
La filoxenia puede representase en forma d'árbol, que contién nuedos que conecten cañes ente sigo. Estos nuedos y cañes pueden representar distintos eventos, procesos o rellaciones. Dependiendo del árbol filoxenéticu, por casu: los nuedos podríen representar eventos d'especiación, y les cañes, les rellaciones ente los distintos grupos.
Los primeros intentos en sistemática molecular denomináronse quimiotaxonomía la cual faía usu de proteínes, enzimes, carbohidratos y otres molécules, que yeren dixebraes por aciu de téuniques como la cromatografía. Les mesmes foron reemplazaes llargamente por téuniques de secuenciación les cuales son capaces de revelar la secuencia exacta d'ADN o ARN. Polo xeneral son téuniques consideraes cimeres pa los estudios d'evolución por cuenta de que los cambeos evolutivos tán bien reflexaos nel códigu xenéticu. Puede llograse con relativa facilidá la secuencia d'una determinada área del xenoma. La sistemática molecular típica rique de la secuenciación de fragmentos d'alredor de 1000 pares de bases. En cualquier rexón de la secuencia, les bases d'un organismu pueden variar al respective de les d'otru. La secuencia particular d'un organismu ye denomada haplotipu. Como esisten 4 tipos distintos de bases, nuna rexón de 1000 pares de bases podemos tener 4^1000 tipos distintos de haplotipos. Sicasí atopóse que nos organismos d'una especie o d'un grupu d'especies rellacionaes les variaciones son relativamente pequeñes, faciendo que'l númberu de haplotipos distintos seya relativamente pequeñu al respective de la cantidá de haplotipos posibles.
Xeneralmente úsase una muestra sustancial d'individuos de la especie oxetivu d'estudiu y tamién los individuos d'otru taxón, sicasí, munchos estudios nel presente solo usen la secuencia d'un individuu. Los haplotipos ente los individuos d'una especie son distintes, pero estrechamente rellacionaos, sicasí, el haplotipu del taxón esternu ye notablemente distintu. Les bases de les secuencies de los distintos organismos pueden ser comparaes por aciu l'alliniadura de secuencies. Nos casos más simples, les diferencies ente dos haplotipos pueden considerase como les rexones de les secuencies onde hai distintes bases. Esto suel llamase como cantidá de sustituciones, insertamientos o deleciones. La diferencia ente organismos suelse espresase como porcentaxe de diverxencia, estremando'l númberu de sustituciones pol total de bases comparaes: asumir qu'esta midida va ser independiente de la llocalización y llargor de la seición d'ADN analizada, sicasí sábese qu'en realidá esisten esceiciones a esta xeneralización.
Nun aproximamientu más antiguu determinábase la diverxencia ente los xenotipos d'individuos por aciu téuniques d'hibridación ADN-ADN. La ventaya d'esti métodu por sobre la secuenciación de xenes basase na comparanza del xenotipu enteru, más que solo nuna seición del ADN. La comparanza de múltiples secuencies de xenes nel presente fizo que la ventaya antes mentada pierda valor.
Una vegada determinada la diverxencia ente tolos pares de bases, la matriz triangular de diferencies resultante ye analizada por téuniques estadístiques de determinación de grupos, y el dendrograma resultante ye esamináu pa ver cómo s'arrexunten les muestres. Tolos grupos de haplotipos que son más similares ente sí que colos haplotipos d'otru grupu van ser quien compongan un determináu clado. Les téuniques estadístiques como bootstrap y jacknife ayuden aproviendo la confiabilidad envalorada pa cada haplotipu dientro de los árboles filoxenéticos.

Téuniques

Reconstrucción del árbol filoxenéticu

Un árbol filoxenéticu inferir a partir de secuencies d'ADN o proteínes y puede ser consideráu un modelu evolutivu de les mesmes. Los métodos de reconstrucción utilizaos basar nes distancies ente los grupos o nos calteres que determinen les divisiones ente organismos. Pa midir eses distancies o diferencies y, d'esa forma, xenerar los nodos y les cañes del árbol fioxenéticu, utilícense distintos métodos. Pa midir distancies y realizar midíes basaes en calteres, utilícense matrices de distancia, métodu de xuniéndose de vecinos el métodu de máxima cachaza, máxima verosimilitud y inferencia bayesiana.

Matriz de distancia

Antes de xenerar una matriz de distancies ye necesariu calcular les distancies ente los pares de secuencies. Pa ello, utilízase un modelu, que puede suponer una mesma tasa de sustitución ente residuos o distintes tases de transición y transversión. Coles distancies calculaes, partiendo dende l'alliniadura de secuencies, puede dar# en la construcción de la matriz y del árbol. Los métodos de midida de distancies comúnmente utilizaos son: mínimos cuadraos, evolución mínima y métodu de xuniéndose de vecinos, siendo'l más utilizáu esti postreru, que ye un algoritmu d'agrupamientu basáu na distancia de taxones. Una de les mayores ventayes d'estos métodos son la relativamente alta eficacia computacional respectu al de máxima cachaza o máxima verosimilitud. Ye por esti motivu que'l métodu d'unión de vecinos ye útil pa comparar grandes xuegos de datos de secuencies con baxos niveles de diverxencia.

Máxima cachaza

El métodu de máxima cachaza foi desenvueltu pa utilizase con calteres morfolóxicos discretos mientres la década de 1970. Depués foi utilizáu en datos moleculares. Esta manera supón una cantidá de mutaciones mínimes ente secuencies emparentaes a la de reconstruyir un árbol.
Ye necesariu faer dos cuantificaciones: de primeres, el llargor del sitiu, que ye'l mínimu númberu de cambeos necesarios por que esi sitiu tenga esi estáu, partiendo d'un estáu ancestral. De segundes, el puntaje del árbol, que calcúlase sumando toes los llargores de tolos sitios del árbol. L'árbol de máxima cachaza ye aquel qu'embrive'l puntaje del árbol. Esto quier dicir que l'árbol de máxima cachaza va ser aquel que suponga la menor cantidá de mutaciones pa llegar d'un estáu ancestral a otru estáu deriváu d'este.
Na reconstrucción d'árboles de máxima cachaza hai sitios que son informativos y otros que non. Aquellos sitios que s'atopen totalmente calteníos o solo una de les secuencies tien una posición variable, nun son informativos. Los sitios informativos son aquellos nos cualos reparar siquier dos residuos qu'apaecen siquier dos veces cada unu d'ellos. El métodu de máxima cachaza ye comúnmente utilizáu porque apurre resultaos razonables a un costu computacional aceptable.
Les ventayes d'esti métodu son la so cencellez y la simplicidá cola cual pueden utilizase nel desenvolvimientu d'algoritmos computacionales eficientes. Una de les mayores desventaxes ye'l problema denomináu atraición de cañes grandes, que implica que cuando nel árbol real hai dos o más clados de gran cantidá de secuencies, l'algoritmu tiende a xunilos n'unu solu, xenerando asina un árbol incorreutu.

Máxima verosimilitud

El métodu de máxima verosimilitud foi desenvueltu en 1920 por R. A. Fishcher como una metodoloxía estadística pa envalorar parámetros desconocíos nun modelu dau. El primer algoritmu de máxima verosimilitud pa datos d'ADN foi desenvueltu por Felsetein. El métodu ye anguaño utilizáu gracies al poder de computo disponible y la medría en modelos evolutivos moleculares que se desenvolvieron. Dende un puntu de vista estadísticu, l'árbol construyíu ye un modelu, siendo que'l llargor de les cañes son los parámetros envaloraos del mesmu. Ye posible calcular la verosimilitud d'un árbol yá construyíu utilizando distintos modelos de sustitución.
L'usu de máxima verosimilitud ye implementada en software como PHYLIP, MOLPHY, PhyML, RAxML y GARLI. La mayor ventaya que puede mentase al respective de los métodos de máxima verosimilitud ye'l fechu qu'apunta a entender el procesu d'evolución de les secuencies. Una de les desventaxes ye que la construcción d'árboles ye computacionalmente costosa.

Aplicaciones

La téunica más usada en xenes y proteínes ye la comparanza de secuencies homólogues por aciu d'alliniadures de secuencies múltiples. Dende estes alliniadures construyíes, ye posible construyir filogenias.
Les aplicaciones de la filoxenia son bien variaes ya inclúin la representación de les rellaciones ente especies nel árbol de la vida, rellación ente parálogos, reconstrucción d'historia de poblaciones. Anguaño ye bien utilizáu pa la comparanza de xenomes y la clasificación de metagenomas.

Llimitaciones de la sistemática molecular

La sistemática molecular ye un aproximamientu esencialmente cladística: asume que la clasificación tien de corresponder a la descendencia filoxenética, y que tolos taxones válidos tienen de ser monofiléticos. El descubrimientu recién de la tresferencia llateral de xenes ente organismos supón un entueyu significativu a la sistemática molecular, indicando que distintos xenes dientro del mesmu organismu pueden tener distintos filogenias o hestories evolutives.
La filoxenética molecular puede tener sesgos sobre la base de los modelos y supuestos utilizaos pa construyila. Enfrenta problemes del tipu d'atraición por grandes cañes, saturación, y problemes de muestreo de taxones. Esto quier dicir que pueden llograse resultaos bien distintes cuando s'utilicen distintos modelos sobre'l mesmu xuegu de datos.

Bibliografía

• Z. Yang et all. 2012. Moclecular phylogenetics: principles and practices.Nature Reviews. .

doi:10.1038/nrg3186

• Datos: Q2007033
• Multimedia: Molecular phylogenetics