Fósiles de homínidos: ADN mitocondrial

En julio de 1997, se anunció el primer éxito en la extracción de ADN de Neandertal. En un artículo publicado en la revista Cell, un equipo de investigadores alemán y estadounidense liderado por Svante Pääbo (Krings et al. 1997) afirmó haber extraído ADN mitocondrial (ADNmt) de un fragmento de hueso cortado del brazo superior del primer fósil de Neandertal reconocido, el individuo encontrado en la gruta de Feldhofer, en el Valle de Neander, en Alemania, en 1856 (Kahn y Gibbons 1997, Ward y Stringer 1997). ¿Cuál es la importancia de este estudio?

¿Qué es el ADN mitocondrial?

El ADN (ácido desoxirribonucleico) es la molécula gigantesca que se utiliza para codificar la información genética de toda la vida en la Tierra. Las moléculas de ADN consisten en una larga cadena de moléculas de bases dispuestas en forma de doble hélice. Las bases son adenina, guanina, citosina y timina, a menudo abreviadas como A, G, C y T. Lo que ordinariamente consideramos como "nuestro" ADN, porque controla la mayoría de los aspectos de nuestra apariencia física, también se conoce como "ADN nuclear", porque cada célula de nuestro cuerpo contiene dos copias de él en el núcleo celular.

Mitochondrias (singular: mitocondria) son pequeñas organelas productoras de energía encontradas en las células. Sorprendentemente, las mitocondrias tienen sus propias moléculas de ADN, completamente separadas de nuestro ADN nuclear. La mayoría de las células contienen entre 500 y 1000 copias de la molécula de ADNmt, lo que la hace mucho más fácil de encontrar y extraer que el ADN nuclear. En humanos, el genoma de ADNmt consiste en aproximadamente 16.000 pares de bases (mucho más corto que nuestro ADN nuclear) y ha sido completamente secuenciado (para al menos un individuo; Anderson et al. 1981). Lo que hace que el ADNmt sea particularmente interesante es que, a diferencia del ADN nuclear que se hereda por igual del padre y de la madre, el ADNmt se hereda solo de la madre, porque todas nuestras mitocondrias descienden de las que estaban en el óvulo de nuestra madre (sin embargo, pueden existir excepciones raras a esta regla; véase a continuación).

Considere el conjunto de todas las mujeres vivas hoy, luego el conjunto de todas sus madres, y así sucesivamente. Obviamente, cada conjunto será tan pequeño o más pequeño que el conjunto anterior. Eventualmente, el conjunto contendrá solo a una mujer, conocida como "Eva mitocondrial". El ADNmt de todos los humanos vivos se hereda de Eva mitocondrial.

Normalmente, nuestro ADNmt es idéntico al de nuestra madre. Pero, como todo el ADN, el ADNmt muta ocasionalmente de modo que una de las bases (A, C, G o T) cambia por otra base diferente. Debido a estas mutaciones, el ADNmt humano ha estado divergiendo lentamente del ADNmt de la Eva mitocondrial, y la cantidad de mutación es aproximadamente proporcional a la cantidad de tiempo que ha transcurrido. Esto significa que la similitud del ADNmt de dos humanos cualesquiera proporciona una estimación aproximada de cuán estrechamente están relacionados a través de sus antepasados maternos. Si tienen ADNmt idéntico, están bastante estrechamente relacionados, quizás incluso sean hermanos. Si tienen ADNmt muy diferente, significa que su último ancestro materno común vivió hace mucho tiempo.

Sin embargo, utilizar la diferencia genética para estimar el tiempo del último ancestro común es difícil por varias razones. Una es que la tasa a la que muta el ADN mitocondrial está mal medida. La otra es que incluso si la tasa promedio de mutación se conoce con precisión, algunas líneas de descendencia acumularán, por azar, menos o más mutaciones que el promedio.

Extracción del ADN mitocondrial

Después de la muerte, el ADN comienza a degradarse inmediatamente. Se cree que en las condiciones más favorables, algunos fragmentos de ADN pueden sobrevivir hasta 50,000 a 100,000 años. Por lo tanto, el fósil del neandertal de Feldhofer, que se estima que tiene entre 30,000 y 100,000 años, estaba empujando los límites para este tipo de trabajo. Sin embargo, las pruebas iniciales del fósil mostraron una buena preservación de aminoácidos, lo que indicaba que podría contener mtDNA recuperable.

La Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) es una técnica que puede utilizarse para crear muchas copias de un número inicialmente pequeño de moléculas. Los investigadores utilizaron la PCR para amplificar y extraer muchas cadenas cortas de ADNmt de la muestra de Neandertal. Al superponer estas cadenas, pudieron generar una secuencia de 379 bases aparentemente procedente del individuo de Neandertal. Para protegerse contra errores y contaminación, cada base fue extraída en al menos dos amplificaciones separadas. La secuencia fue extraída de una sección del genoma del ADNmt conocida como región hipervariable 1 (HVR1), así llamada porque esa sección del genoma acumula mutaciones más rápidamente que la mayor parte del genoma y, por lo tanto, es particularmente útil para distinguir entre diferentes poblaciones.

Krings et al. luego compararon esta secuencia contra una base de datos de 994 secuencias de ADNmt diferentes de humanos modernos. Para la secuencia de ADNmt en cuestión, los humanos difieren entre sí en promedio en 8 +/- 3.1 posiciones (el '3.1' representa una desviación estándar). La mayor diferencia entre cualquier dos humanos modernos fue 24, y la menor diferencia fue 1 (porque los duplicados fueron eliminados de la base de datos).

Distribución de las diferencias de secuencia entre pares entre humanos, el Neandertal y los chimpancés. Eje X, número de diferencias de secuencia; eje Y, porcentaje de comparaciones entre pares. (Krings et al, 1997)

Por el contrario, el genoma neandertal tenía un promedio de 27 +/- 2.2 diferencias con los humanos modernos (3.375 veces la diferencia promedio entre humanos modernos). La diferencia más pequeña entre cualquier humano y el neandertal fue 22, y la diferencia más grande entre cualquier humano y el neandertal fue 36. Estas diferencias sitúan el genoma neandertal bien fuera de los límites de los humanos modernos. Otro resultado interesante es que la secuencia de ADNmt parecía igualmente distante de todos los grupos modernos de humanos. En particular, no parecía estar más estrechamente relacionada con los europeos, algo que podría haberse esperado si, como piensan algunos científicos, los neandertales eran al menos parcialmente ancestros de ellos.

En 1999, los mismos investigadores lograron extraer exitosamente una segunda secuencia de 340 pares de bases de ADNmt del mismo fósil de Neandertal (Krings et al. 1999). Este estudio confirmó los resultados del primero. Cuando se calcularon las diferencias entre los 600 pares de bases comparables de 663 humanos modernos, el Neandertal y 9 chimpancés, los humanos modernos se diferenciaban entre sí por 10.9 +/- 5.1 (rango 1-35), el Neandertal se diferenciaba de los humanos por 35.3 +/- 2.3 (rango 29-43), y tanto los humanos como los dos Neandertales se diferenciaban de los chimpancés por aproximadamente 94.

mtDNA de un segundo neandertal

En 1999, los científicos lograron extraer una secuencia de 345 pares de bases de ADNmt de un segundo neandertal, un fósil de 29.000 años de antigüedad de un bebé recientemente descubierto en la cueva de Mesmaiskaya, en el suroeste de Rusia. (Ovchinnikov et al. 2000, Höss 2000) Los resultados de este estudio fueron similares a los anteriores, situando el ejemplar de Mezmaiskaya fuera del rango del ADNmt del ser humano moderno.

Además, los dos neandertales son bastante similares, diferenciándose entre sí en 12 pares de bases. La diferencia es mayor que la usualmente encontrada entre pares de europeos o asiáticos modernos (solo el 1% de ellos difieren en 12 o más lugares), pero comparable a las diferencias entre africanos modernos (el 37% de ellos difieren en 12 o más).

La distancia entre Mezmaiskaya y una secuencia humana moderna particular conocida como la secuencia de referencia (Anderson et al. 1981) fue de 22, en comparación con 27 para el primer neandertal. (Sin embargo, no se proporcionan cifras para las distancias mínima, promedio y máxima entre Mezmaiskaya y los humanos modernos; no está claro si Mezmaiskaya está en general más cerca de los humanos modernos que Feldhofer.)

Los análisis filogenéticos de Ovchinnikov et al. muestran que los dos neandertales se agrupan juntos y se separan de todos los humanos modernos. Al igual que con la primera muestra, Mezmaiskaya también parece estar a igual distancia de todos los grupos de humanos modernos, reforzando la conclusión de que los neandertales no están estrechamente relacionados con los europeos modernos.

Debido a que este segundo individuo fue descubierto a unos 2.500 km (1.500 millas) del primero, proporciona una confirmación muy sólida de los resultados anteriores.

El hecho de que su ADNmt también fuera bastante cercano al del primer neandertal hace que sea mucho menos probable que los neandertales y los antepasados de los humanos modernos formaran parte de una población que se cruzaba y que tenía una gran cantidad de variación genética en el ADNmt que se ha perdido en gran medida:

"En particular, estos datos reducen la probabilidad de que los neandertales tuvieran suficiente diversidad de secuencias de ADN mitocondrial para abarcar la diversidad humana moderna" (Ovchinnikov et al. 2000)

Curiosamente, la preservación del espécimen de Mezmaiskaya parece ser mucho mejor que la del espécimen de Feldhofer. De hecho, es tan buena que existe la posibilidad de que se pueda secuenciar su genoma completo de ADN mitocondrial, e incluso existe la posibilidad de que se pueda recuperar parte de su ADN nuclear.

mtDNA de un tercer neandertal

En 2000, los científicos anunciaron la secuenciación de un tercer especimen de ADN mitocondrial de Neandertal procedente de una cueva en Vindija, Croacia (Krings et al. 2000). Cuando los tres Neandertales se comparan con los humanos modernos, los tres se agrupan juntos, y separados de todos los humanos modernos. Esta conclusión se refuerza con un estudio realizado por Knight (2003). Knight excluyó de la comparación sitios en el genoma del ADN mitocondrial que se sabe que han mutado más de una vez, y que por lo tanto son indicadores pobres de las relaciones filogenéticas. Su estudio confirmó fuertemente estudios anteriores que mostraban historias profundamente divergentes para las líneas de ADN mitocondrial de los humanos modernos y las de los Neandertales conocidos.

Al igual que los humanos modernos, los neandertales tenían una baja diversidad genética en comparación con los simios. La diversidad de las tres secuencias de ADN mitocondrial de neandertales (3,73%) es menor que la de los chimpancés (14,82+/-5,7%) y los gorilas (18,57+/-5,26%), y similar a la de los humanos modernos en todo el mundo (3,43+/-1,22%). Si los humanos modernos se clasifican en grupos continentales, la diversidad de los tres neandertales es similar (dentro de una desviación estándar de) la de los africanos, asiáticos, nativos americanos y aborígenes australianos, y los oceanianos. Los europeos modernos, que viven en aproximadamente la misma región que los neandertales, tienen menos diversidad que los neandertales.

Aún más ADNmt neandertal

Serre et al. (2004) lograron secuenciar el ADNmt de cuatro otros fósiles de neandertales, junto con el ADNmt de cinco humanos modernos tempranos. Los cuatro neandertales tenían ADNmt similar al encontrado en los neandertales anteriores. Serre y sus colegas no encontraron evidencia de flujo génico de ADNmt entre humanos modernos y neandertales en ninguna dirección, pero no pudieron descartar la posibilidad de un flujo génico limitado. Curiosamente, las secuencias de ADNmt de los neandertales de Vindija, que tienen una anatomía neandertal menos extrema que la de los neandertales clásicos y son considerados transicionales entre humanos modernos y neandertales clásicos por algunos científicos, no estaban más cerca de los humanos modernos que el resto de los fósiles neandertales.

Hasta 2008, se han extraído 17 secuencias de ADNmt de fósiles de neandertales (Green et al. 2008). Todas estas secuencias apoyan la conclusión de que el ADNmt de los neandertales se encuentra fuera del rango del ADNmt de los humanos modernos, e indican fuertemente que los neandertales no hicieron ninguna contribución duradera al pool génico del ADNmt humano. (Esto no prueba, sin embargo, que no hayan hecho contribuciones al ADN nuclear de ningún humano moderno.)

El primer genoma completo de ADNmt de Neandertal

Green: comparaciones humano/humano; Rojo: comparaciones humano/N'tal; Azul: comparaciones humano/chimp. Eje X, el número de diferencias en la secuencia; Eje Y, la fracción de comparaciones por pares. (Green et al. 2008)

Entre los humanos, las secuencias presentaban entre 2 y 118 diferencias. El número de diferencias entre las mtDNAs humanas y la mtDNA neandertal varía de 201 a 234. La minúscula superposición entre las cifras humanas y las neandertales en el gráfico original ha desaparecido y, en su lugar, ahora existe un considerable espacio entre los resultados humanos y neandertales. Green et al. concluyeron que:

El análisis de la secuencia ensamblada establece inequívocamente que el ADNmt neandertal se sitúa fuera de la variación del ADNmt humano actual, y permite estimar la fecha de divergencia entre las dos líneas de ADNmt de 660.000 ± 140.000 años.

El primer genoma nuclear neandertal

¿Está el ADNmt neandertal fuera del rango humano?

Sí.

Observe que (con referencia a Krings et al. 2007) como dos secuencias humanas modernas están separadas por 24 bases, mientras que la diferencia más pequeña entre neandertal y humano es solo de 22, esto no significa que la secuencia neandertal esté dentro del rango de los humanos modernos. Para usar una analogía, supongamos que medimos la altura de 994 adultos humanos, y variaron desde 4'8" hasta 6'8" (una diferencia de 24 pulgadas). Supongamos que luego encontramos un esqueleto que medía 8'6" de altura. Nadie afirmaría que caía dentro del rango humano moderno porque estaba más cercano al humano más cercano (22 pulgadas) que el humano más alto respecto al humano más bajo (24 pulgadas).

Tenga en cuenta también que las dos figuras (22 y 24) miden cosas muy diferentes, lo que hace inválida la comparación entre ambas figuras. Al igual que el neandertal se comparó contra 994 humanos modernos, cualquiera de esos humanos podría compararse de manera similar contra los otros 993 humanos. Podríamos calcular la distancia mínima, promedio y máxima desde ese humano hacia los otros humanos, tal como se hizo para el neandertal. Si calculáramos esos valores para todos los humanos, podríamos luego calcular los valores mínimos, promedios y máximos de todos los mínimos individuales, promedios y máximos, y comparar esos valores contra los valores equivalentes para el neandertal.

No sabemos, a partir del artículo de Krings et al. 1997, la distribución de las distancias mínimas entre humanos y otros humanos. El valor más pequeño es 1. El valor más grande, sospecho, podría ser tan alto como 5. El mismo valor para el neandertal es 22, muy fuera del rango humano.

Para las distancias promedio entre humanos y otros humanos, sabemos que el valor promedio es 8,0. La distancia promedio mínima será un poco menor; el valor promedio máximo debe ser al menos 12 (esto se puede deducir del hecho de que hay dos humanos separados por 24) y menor que 24; yo estimaría que podría ser aproximadamente 16 para un humano altamente atípico. Para el neandertal, el valor es 27, nuevamente bien fuera del rango humano.

Para las distancias máximas, el valor máximo es 24, pero para la mayoría de los humanos, la distancia máxima a cualquier otro humano será menor que eso. El valor de 24 es altamente atípico, porque se toma entre los dos individuos que han divergido independientemente más lejos de la Eva mitocondrial, y es el máximo de casi medio millón (994 * 993 / 2) comparaciones entre humanos modernos. Para el Neandertal, el valor es 36, nuevamente muy fuera del rango humano.

En otras palabras, para las tres mediciones (distancias mínimas, medias y máximas a otros humanos), la medición de los neandertales es mucho mayor que el valor máximo de la misma medición en una muestra de 994 humanos modernos, y aún más alejada del valor promedio. El neandertal no solo está fuera del rango humano, sino bien fuera de él.

La extracción del genoma completo de ADN mitocondrial de Neandertal (Green et al. 2008) hace que la discusión anterior sea obsoleta, porque ahora sabemos que cuando se considera el genoma completo, la superposición imaginaria entre las diferencias humano-humano y humano-Neandertal, que los creacionistas distorsionaron completamente, desaparece.

Posibles problemas

La tasa de mutación del ADN mitocondrial no está bien conocida. Un estudio de Parsons et al. (1997) encontró una tasa 20 veces mayor que la calculada a partir de otras fuentes. En un artículo que revisa la investigación sobre el ADN mitocondrial, Strauss (1999a) informa que las tasas de mutación del ADN mitocondrial difieren en algunos grupos de animales y pueden variar incluso drásticamente en linajes individuales. Aunque hay muchos acuerdos, algunas fechas de divergencia para animales modernos calculadas a partir del ADN mitocondrial no coinciden con lo que se conoce del registro fósil. Hay sugerencias de algunas fuentes de que el ADN mitocondrial paterno a veces puede ser heredado, lo que podría afectar los análisis basados en el ADN mitocondrial.

En 1999, Awadalla y colaboradores publicaron un estudio que sugería que el ADNmt podría heredarse a veces de los padres. Si el ADNmt se hereda solo de las madres, la correlación entre diferentes mutaciones no debería depender de qué tan distantes estén en el genoma. En cambio, sus mediciones mostraron que las mutaciones en sitios distantes del genoma del ADNmt tenían menos probabilidad de estar correlacionadas que las mutaciones cercanas, lo que sugiere que el ADNmt de madres y padres podría mezclarse a veces. Sin embargo, hasta ahora no hay una explicación de cómo podría estar ocurriendo esta recombinación, y la posibilidad de que otros fenómenos estén causando este efecto aún no ha sido desmentida. Si ocurre, la mezcla significaría que las fechas de los estudios actuales de ADNmt serían demasiado antiguas. Si la mezcla es lo suficientemente común, incluso podría significar que no hubo una Eva mitocondrial, porque diferentes partes de la molécula de ADNmt tendrían diferentes historias. (Awadalla et al. 1999, Strauss 1999b) Otros estudios, sin embargo, han contradicho estos resultados y han argumentado a favor de una herencia estrictamente materna del ADNmt (Elson et al. 2001), y, según Sykes (2001), el artículo de Awadalla y otro artículo que también sugería que el ADNmt podría heredarse paternamente se basaron en datos incorrectos y fueron posteriormente retirados.

Conclusiones

Referencias

Anderson S., Bankier A.T., Barrel B.G., de Bruijn M.H.L., Coulson A.R., Drouin J. et al. (1981): Secuencia y organización del genoma mitocondrial humano. Nature, 290:457-74.

Awadalla P., Eyre-Walker A., y Smith J.M. (1999): Equilibrio de ligamiento y recombinación en el ADN mitocondrial de homínidos. Science, 286:2524-5.

Elson J.L., Andrews R.M., Chinnery P.F., Lightowlers R.N., Turnbull D.M., y Howell N. (2001): Análisis de mtDNAs europeos para recombinación. American Journal of Human Genetics, 68:145-53.

Green R., Malaspinas A-S, Krause J., Briggs A., et al. (2008) Una secuencia completa del genoma mitocondrial de Neandertal determinada mediante secuenciación de alto rendimiento. Cell, 134:416-426.

Green et al. 2010: Un borrador de la secuencia del genoma neandertal. Science, 328:710.

Höss M. (2000): Genética de poblaciones de los neandertales. Nature, 404:453-4.

Kahn P. y Gibbons A. (1997): ADN de un humano extinto. Science, 277:176-8.

Knight A. (2003): La relación filogenética del ADN mitocondrial de los neandertales y los humanos modernos basada en sitios nucleotídicos informativos. Journal of Human Evolution, 44:627-32.

Krings M., Capelli C., Tschentscher F., Geisert H., Meyer S., von Haeseler A. et al. (2000): Una visión de la diversidad genética de los neandertales. Nature Genetics, 26:144-6.

Krings M., Geisert H., Schmitz R.W., Krainitzki H., y Pääbo S. (1999): Secuencia de ADN de la región hipervariable II mitocondrial del espécimen tipo de Neandertal. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 96:5581-5.

Krings M., Stone A., Schmitz R.W., Krainitzki H., Stoneking M., y Pääbo S. (1997): Secuencias de ADN de Neandertal y el origen de los humanos modernos. Cell, 90:19-30.

Ovchinnikov I.V., Götherström A., Romanova G.P., Kharitonov V.M., Lidén K., y Goodwin W. (2000): Análisis molecular del ADN de neandertales del Cáucaso septentrional. Nature, 404:490-3.

Parsons T.J., Muniec D.S., Sullivan K., Woodyatt N., Alliston-Greiner R., Wilson M.R. et al. (1997): Una alta tasa observada de sustitución en la región control del ADN mitocondrial humano. Nature Genetics, 15:363-8.

Reich, Green, Kircher et al. 2010: Historia genética de un grupo de homínidos arcaicos de la Cueva de Denisova en Siberia. Nature 468:1053.

Schmitz R.W., Serre D., Bonani G., Feine S., Hillgruber F., Krainitzki H. et al. (2002): El sitio tipo de Neandertal revisado: investigaciones interdisciplinarias de restos óseos del Valle de Neandertal, Alemania. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 99:13342-7.

Serre D., Langaney A., Chech M., Teschler-Nicola M., Paunovic M., Mennecier P. et al. (2004): No hay evidencia de contribución del ADNmt neandertal a los humanos modernos tempranos. PLoS Biology, 2:313-7.

Strauss E. (1999a): ¿Pueden los relojes mitocondriales mantener el tiempo? Science, 283:1435

Strauss E. (1999b): el ADNmt muestra signos de influencia paterna. Science, 286:2436

Sykes B. (2001): Las siete hijas de Eva. Londres: Bantam Press. (un buen libro popular sobre el ADN mitocondrial)

Ward R. y Stringer C.B. (1997): Una herramienta molecular para los neandertales. Nature, 388:225-6.

Comentarios

Secuencia mitocondrial de Neandertal almacenada en GenBank (número de acceso AF011222)

El ADN muestra que los neandertales no fueron nuestros antepasados (Universidad Estatal de Pensilvania)

Pistas de ADN sobre los neandertales: mtDNA de un tercer neandertal

ADN neandertal, por Mark Rose (Instituto Arqueológico de América)

Otras referencias sobre el ADN mitocondrial

La concordancia del ADN mitocondrial, por Kevin Miller y John Dawson

El Fuego Interior: La Historia en Desarrollo del ADN Mitocondrial Humano, de Ken Miller

Oxford Ancestors: rastrea tu linaje de ADNmt

Esta página es parte del FAQ sobre homínidos fósiles en el Archivo talk.origins.

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