Bases moleculares de la evolución de la visión a color en humanos

18 de diciembre 2014
Fuente: Emory Health Sciences
Se requirieron muchas mutaciones genéticas de los pigmentos visuales a lo largo de millones de años, para que la visión de los humanos evolucionase a partir de un mamífero primitivo con una sombría visión del mundo a un simio capaz mayor de ver todos los colores del arco iris. Ahora, después de más de dos décadas de ardua investigación, los científicos han terminado un cuadro detallado y completo de la evolución de la visión humana a color. PLoS Genetics publicó: El proceso de cómo los seres humanos pasaron de ver los rayos ultravioleta (UV) a la visión violeta, o la capacidad de ver la luz azul. "Ahora hemos rastreado todas las vías de evolución, que se remonta a unos 90 millones años, que llevaron a la visión humana del color", dice el autor principal Shozo Yokoyama, un biólogo de la Universidad de Emory. "Hemos aclarado estas vías moleculares a nivel químico, a nivel genético y a nivel funcional." Los co-autores del artículo PLoS Genetics incluye a los biólogos de Emory, Jinyi Xing, Yang Liu y Davide Faggionato; el biólogo de la Universidad de Syracuse William Starmer; y Ahmet Altun, un químico y ex post-doc en Emory que ahora trabaja en la Universidad Fatih en Estambul, Turquía. Yokoyama y varios colaboradores en los últimos años se han burlado de los secretos de la evolución de la visión en los seres humanos y otros vertebrados mediante el estudio de moléculas ancestrales. El largo proceso implica primero la estimación y la síntesis de proteínas y pigmentos de una especie ancestral para, a continuación, llevar a cabo experimentos con ellos. La técnica combina la microbiología con cálculo teórico, biofísica, química cuántica y la ingeniería genética. Cinco clases de genes opsina codifican los pigmentos visuales de luz tenue y la visión del color. Los genes opsina cambian y adaptan la visión al medio ambiente de una especie sujeta a cambios. Hace unos 90 millones de años, nuestros antepasados mamíferos primitivos eran nocturna y tenía el color UV-sensible y sensible al rojo, dándoles una visión bi-cromática del mundo. Hace unos 30 millones de años, nuestros antepasados habían evolucionado hasta poseer cuatro clases de genes opsina, dándoles la capacidad de ver el espectro a todo color de la luz visible, a excepción de los rayos UV. "Los gorilas y los chimpancés tienen la visión humana del color", dice Yokoyama. "O tal vez deberíamos decir que los seres humanos tienen visión como el gorila y chimpancé." Para el artpiculo de PLOS Genetics, los investigadores se centraron en los siete mutaciones genéticas implicadas en la pérdida de la visión UV y el logro de la función actual de un pigmento sensible al azul. Ellos trazaron esta progresión desde hace 90 a-30 millones de años. Los investigadores identificaron 5.040 posibles vías para los cambios de aminoácidos necesarios para lograr los cambios genéticos. "Hicimos experimentos para cada uno de estos 5.040 posibilidades", dice Yokoyama. "Encontramos que de los siete cambios genéticos requeridos, cada uno de ellos no tiene individualmente ningún efecto. Sólo cuando varios de los cambios se combinan en un orden determinado es que la vía evolutiva puede ser completada." Tal como el ambiente externo de un animal impulsa la selección natural, hasta hacer cambios en el entorno molecular del animal. En investigaciones anteriores, Yokoyama mostró cómo el pez sable, que hoy pasa gran parte de su vida a una profundidad de 25 a 100 metros, sólo necesitó una mutación genética para cambiar de UV a la visión de luz azul. Los ancestros humanos, sin embargo, necesitaron siete cambios y estos cambios se propagan a través de millones de años. "La evolución de la visión de nuestros antepasados era muy lenta, en comparación con este pez, probablemente debido a que su entorno cambiaba mucho más lentamente", dice Yokoyama. Alrededor del 80 por ciento de las 5.040 vías que los investigadores trazaron se detuvieron en el medio, porque una proteína se convirtió en no funcional. El químico Ahmet Altun resolvió el misterio de por qué la proteína se noqueaba. Se necesita agua para funcionar, y si se produce una mutación antes que la otra, se bloquean los dos canales de agua que se extienden a través de la membrana del pigmento de la visión. "El 20 por ciento restante de las vías se mantuvo con caminos posibles, pero nuestros antepasados utilizaron sólo uno," dice Yokoyama. "Identificamos ese camino." En 1990, Yokoyama identificó los tres cambios de aminoácidos específicos que dieron lugar en los antepasados humanos en desarrollo un pigmento sensible al verde. En 2008, lideró un esfuerzo para construir el más amplio árbol evolutivo para la visión de luz tenue, incluso para animales desde anguilas a los seres humanos. En las ramas principales del árbol, el laboratorio de Yokoyama diseñó funciones de genes ancestrales, con el fin de conectar los cambios en el entorno de vida a los cambios moleculares. El artículo de PLOS Genetics finaliza el proyecto para la evolución de la visión humana del color. "No tenemos más ambigüedades, hasta el nivel de la expresión de los aminoácidos, de los mecanismos implicados en este camino evolutivo", dice Yokoyama

Journal Reference:

1. Shozo Yokoyama, Jinyi Xing, Yang Liu, Davide Faggionato, Ahmet Altun, William T. Starmer. Epistatic Adaptive Evolution of Human Color Vision. PLOS Genetics, 18 Dec 2014 DOI: 10.1371/journal.pgen.1004884