La Teoria Neutrale dell’Evoluzione Molecolare afferma che la maggior parte delle mutazioni de novo sono sufficientemente deleteri per i loro effetti sul fitness che hanno poche possibilità di diventare fisso nella popolazione, o al di sotto di tale selezione debole che possono diventare fisso come risultato della deriva genetica (Kimura 1968, 1983; Re e Jukes 1969). Inoltre, il tasso di sostituzione delle mutazioni neutre tra le specie è uguale al tasso di mutazione (Kimura 1968). Una prima estensione critica di questo quadro ha coinvolto l’inclusione di mutazioni quasi neutre, insieme al riconoscimento che la proporzione del genoma rappresentata da siti selettivamente vincolati (dove le mutazioni hanno basse probabilità di fissazione per deriva) dipende dalla dimensione effettiva della popolazione della specie o della regione genomica (Ohta 1973). Mentre si va alla fissazione o alla perdita, le mutazioni neutre e quasi neutre contribuiscono alla variazione della sequenza del DNA all’interno delle popolazioni. La Teoria Neutra ipotizza inoltre che le mutazioni vantaggiose siano sufficientemente rare, rispetto all’ingresso costante di varianti neutre e deleterie, che dovrebbero essere raramente presenti in campioni di variazione segregante, specialmente a causa della loro rapida diffusione alla fissazione.

Queste idee hanno notevolmente cambiato il pensiero dei biologi evoluzionisti. La deriva genetica è stata presa molto più seriamente di prima, stimolando un ampio corpo di fruttuose ricerche empiriche sull’evoluzione e la variazione molecolare, nonché progressi fondamentali nella teoria stocastica dell’evoluzione, riassunti nell’influente libro di Kimura (Kimura 1983). Ora è difficile capire quanto questa visione dell’evoluzione abbia rappresentato un cambiamento radicale: negli anni 1950 e 1960, quasi tutti i cambiamenti evolutivi sono stati attribuiti alla selezione naturale direzionale, e la maggior parte dei polimorfismi con alleli a frequenze intermedie sono stati pensati per essere mantenuti dalla selezione di bilanciamento (ad esempio, Ford 1975). Nonostante i suoi contributi pionieristici alla teoria genetica della popolazione stocastica, Fisher respinse notoriamente qualsiasi ruolo evolutivo significativo per la deriva genetica (Fisher 1930), anche se è notevole che Wright avesse contemporaneamente sviluppato un profondo apprezzamento per l’importanza di questi effetti stocastici che fu poi giustificato quando le varianti molecolari iniziarono a essere studiate (Wright 1931).

È in questo contesto storico che Kern e Hahn (2018) discutono di una presunta controversia nella genetica delle popolazioni riguardante il potere predittivo e l’applicabilità della Teoria Neutrale, iniziando con il suggerimento che “l’ubiquità della variazione adattativa sia all’interno che tra le specie significa che una teoria più completa dell’evoluzione molecolare deve essere ricercata.”Anche se coloro che inizialmente hanno sviluppato la Teoria neutrale non hanno affermato che tutti i cambiamenti di sequenza sono neutri—anzi, Kimura stesso ha sviluppato alcune delle formulazioni teoriche più fondamentali della selezione e delle sue interazioni con la deriva genetica—Kern e Hahn (2018) sostengono che i dati moderni hanno demolito le prove originali a sostegno della Teoria neutrale. Questa non è una nuova affermazione. Ad esempio, Gillespie ha criticato alcuni degli argomenti originali a favore della neutralità (ad esempio, Gillespie 1991), e opinioni quasi identiche sono state espresse in Hahn (2008). La novità degli argomenti di Kern e Hahn (2018) risiede principalmente nella loro enfasi sugli effetti della selezione nei siti collegati sui modelli di variazione all’interno dei genomi. Di conseguenza, ci concentriamo principalmente su questo aspetto della loro carta. Come sarà chiaro, un grosso problema con le opinioni di Kern e Hahn deriva dalla loro stretta definizione della Teoria Neutrale, che riassumono come segue: “le differenze tra le specie sono dovute a sostituzioni neutre (non all’evoluzione adattativa) e (….) i polimorfismi all’interno delle specie non sono solo neutri, ma hanno anche dinamiche dominate dall’equilibrio mutazione‐deriva.”

Per supportare questa visione ristretta, Kern e Hahn sostengono effetti pervasivi della selezione, basandosi pesantemente su un piccolo numero di studi genomici di popolazione che suggeriscono che ben il 50% delle sostituzioni di sostituzione di aminoacidi in Drosophila sono adattive (vedi, ad esempio, la revisione di Sella et al. 2009), che sostengono contraddice l’affermazione di Kimura (1968, 1983) e King and Jukes (1969) secondo cui la maggior parte di tali sostituzioni sono causate dalla deriva genetica. A parte l’incertezza insita in queste stime (discussi da Fay 2011), è fuorviante utilizzare per fare il generale sostengono che la Teoria Neutrale è insufficiente a spiegare genome‐wide modelli di variazione ed evoluzione; questi dedotto frequenze di adaptive sostituzioni per lo più riguardano solo una piccola frazione del genoma che codifica per le proteine (ad esempio, <2% del genoma umano; vedere Lander et al. 2001). Kern e Hahn sopravvalutano ulteriormente la pervasività delle sostituzioni adattive evidenziando gli studi sugli esseri umani e sulle piante che si concentrano sul sottoinsieme limitato di geni che si evolvono rapidamente. La circolarità coinvolta nell’ignorare la stragrande maggioranza delle sostituzioni neutre o quasi neutre in tutto il genoma, e quindi rifiutare un ruolo significativo per la neutralità, difficilmente giustifica la necessità della “teoria della selezione dell’evoluzione molecolare” sostenuta da Hahn (2008).

In secondo luogo, per quanto riguarda gli effetti della selezione su siti neutri o quasi neutri collegati, Kern e Hahn (2018) sottolineano la correlazione positiva ben consolidata tra tassi di ricombinazione e livelli di variazione osservati in diverse specie (Cutter e Payseur 2013). Iniziano con l’affermazione molto forte che ” questi risultati implicano che quasi nessun loci è libero dagli effetti della selezione, in qualsiasi organismo.”Questa ampia affermazione è ingiustificata, dato che ci sono relativamente poche specie per le quali tali dati sono disponibili. Sebbene questa correlazione (documentata per la prima volta in Drosophila melanogaster da Begun e Aquadro 1992) suggerisca effettivamente che la selezione riduce la variazione neutra nei siti collegati attraverso il processo di autostop, gli effetti mutageni della ricombinazione stessa possono anche contribuire a questo modello (Pratto et al. 2014; Arbeithuber et al. 2015). L’autostop può coinvolgere sia le spazzate selettive causate dalla diffusione di mutazioni favorevoli (Maynard Smith e Haigh 1974), sia la rimozione di varianti neutre strettamente legate a mutazioni deleterie—selezione del background (Charlesworth et al. 1993; Charlesworth 2012). In un confronto esplicito tra modelli di selezione purificante diffusa su alleli debolmente deleteri rispetto alla selezione positiva ricorrente su alleli benefici, Lohmueller et al. (2011) ha trovato una migliore adattamento del primo al modello osservato negli esseri umani (vedi anche Pouyet et al. 2018), così come Comeron (2014) per Drosophila.

È importante sottolineare che le osservazioni da genomi eucariotici, inclusi umani e topi, mostrano che i livelli di polimorfismo sono bassi nel vicinato delle sequenze non codificanti o conservate e aumentano approssimativamente monotonicamente lontano da esse (Cutter e Payseur 2013; Johri et al. 2017; Lynch et al. 2017). Mentre le spazzate selettive possono contribuire a questo modello e sono effettivamente necessarie per spiegare altre osservazioni (Campos et al. 2017), questi risultati implicano che eventuali spazzate selettive coinvolte devono avere effetti piuttosto locali. Nonostante questi risultati, Kern e Hahn (2018) sottolineano gli studi che invocano una selezione positiva pervasiva per spiegare i modelli di variazione a livello del genoma (ad esempio, Garud et al. 2015; Schrider e Kern 2017). Tuttavia, questi effetti dichiarati devono essere valutati con cautela a causa della loro incapacità di escludere o tenere adeguatamente conto degli effetti delle storie demografiche (sconosciute) di non equilibrio delle popolazioni in questione.

Indipendentemente dall’interazione precisa delle due forme di autostop, selezione di sfondo e spazzate selettive, nel plasmare i modelli di variazione, è importante notare che nessuno dei due influisce sulla probabilità di fissazione delle mutazioni neutre (Birky e Walsh 1988), che determina il tasso di evoluzione della sequenza neutra. Entrambi i modelli si basano su una forte evidenza che la stragrande maggioranza delle variazioni segreganti è neutra o quasi neutra, e nessuno dei due modelli contraddice l’evidenza che la stragrande maggioranza delle differenze fisse tra popolazioni e specie sono anche neutre o quasi neutre. Inoltre, sia la selezione del background che le spazzate selettive possono essere viste come una riduzione della dimensione effettiva della popolazione (Ne) delle regioni genomiche interessate, almeno come prima approssimazione (vedi Charlesworth 2009). Come mostrato da Kimura e Ohta (Kimura e Ohta 1971; Ohta 1973; Kimura 1983), una riduzione del Ne fa sì che le probabilità di fissazione delle mutazioni con effetti selettivi siano più vicine a quelle delle mutazioni neutre, in modo tale che il tasso di fissazione delle mutazioni benefiche sia ridotto e il tasso di fissazione delle mutazioni deleterie sia aumentato—aumentando così la frazione di mutazioni che si comportano in modo efficace neutro. Pertanto, questi effetti di autostop enfatizzano ulteriormente il ruolo evolutivo fondamentale della deriva genetica. Sebbene le prime formulazioni della Teoria Neutra si concentrassero sulla dinamica dei loci individuali e gli effetti della selezione nel ridurre i valori Ne nei loci collegati non fossero stati studiati, non avremmo potuto capire questi modelli senza i contributi di Kimura e Ohta. È semplicemente un fraintendimento del ruolo dei modelli teorici nell’illuminare l’interpretazione dei dati per affermare, come fanno Kern e Hahn (2018), che gli effetti dell’autostop implicano che i livelli di polimorfismo non sono all’equilibrio di mutazione‐deriva, e “pertanto, i dati attuali sembrano essere fondamentalmente incompatibili con la teoria neutrale.”

Tutti e cinque i punti sono pienamente coerenti con il lavoro innovativo di Kimura e Ohta. Inoltre, gli sviluppi fatti alla luce delle osservazioni empiriche successive alla pubblicazione iniziale di Kimura sono semplici estensioni della Teoria Neutrale. Dimostrano la sua continua importanza, piuttosto che demolirla. Negli ultimi cinque decenni, tali approfondimenti hanno migliorato la nostra comprensione dell’interazione tra la popolazione con la deriva di selezione dinamica (Ohta 1973), e ha descritto l’autostop effetti della selezione indotta dalla relativamente rara classe di mutazioni benefiche (Maynard Smith e Haigh 1974), nonché quelli causati dal molto più comune classe di mutazioni deleterie (Casavola et al. 1993). Questo quadro ha anche servito come principio organizzativo per comprendere i modelli di variazione nell’architettura del genoma (Lynch 2007) e per comprendere l’evoluzione delle caratteristiche cellulari, incluso il tasso di mutazione stesso (Lynch et al. 2016).

Quindi, il nostro uso del termine “innovativo” per descrivere la Teoria neutrale non intende implicare un progresso scientifico che si è formato completamente all’inizio. Come altri importanti progressi scientifici, la Teoria Neutrale è stata aggiustata e modificata nel tempo alla luce di osservazioni e pensieri successivi, ma mantiene il suo valore. Ad esempio, le scoperte e il ragionamento di Darwin a sostegno del funzionamento della selezione naturale non furono abbandonati a causa della sua mancanza di una teoria soddisfacente dell’ereditarietà—anzi, l’incorporazione di quella conoscenza successiva rafforzò solo i concetti sottostanti (Fisher 1930). Allo stesso modo, la Teoria neutrale non dovrebbe essere respinta a causa della mancanza di enfasi sugli effetti della selezione nei siti collegati nella sua formulazione iniziale, poiché studi successivi sono serviti solo a sottolineare il ruolo fondamentale della neutralità vicina e della deriva genetica nel plasmare la variazione osservata all’interno e tra le specie. Infatti, Ohta e Kimura sono stati tra i primi a studiare tali effetti, nella loro analisi dell’apparente sovradominanza in siti neutri indotti dal collegamento a siti soggetti a vantaggio eterozigote o selezione contro mutazioni deleterie (Ohta e Kimura 1970; Ohta 1971).

In sintesi, la transizione alla biologia molecolare ha aumentato l’importanza della genetica delle popolazioni per la nostra comprensione dell’evoluzione. Inoltre, invece di svelare il quadro teorico precedente, l’afflusso di dati molecolari ha prestato supporto a molti sviluppi teorici pre‐genomici. Anche se l’edificio potrebbe non essere ancora completo, la Teoria Neutrale ha cambiato il modo in cui le persone pensavano all’evoluzione a livello molecolare, e questo quadro continua appropriatamente a servire come base della moderna genomica evolutiva. Quindi, grande merito è dovuto agli scienziati che hanno elaborato questa teoria in dettaglio e anticipato molto di ciò che potrebbe dirci una volta che i geni (e i genomi) potrebbero essere sequenziati.