En genética de poblaciones , la fijación es el cambio en un acervo genético de una situación en la que existen al menos dos variantes de un gen particular ( alelo ) en una población determinada a una situación en la que solo queda uno de los alelos. [1] En ausencia de mutación o ventaja heterocigota , cualquier alelo debe eventualmente perderse por completo de la población o fijarse (establecido permanentemente al 100% de frecuencia en la población). [2] El hecho de que un gen finalmente se pierda o se arregle depende de los coeficientes de selección y de las fluctuaciones de probabilidad en las proporciones alélicas. [3]La fijación puede referirse a un gen en general oa una posición particular de un nucleótido en la cadena de ADN ( locus ).
En el proceso de sustitución , un alelo previamente inexistente surge por mutación y sufre fijación al propagarse a través de la población por deriva genética aleatoria o selección positiva . Una vez que la frecuencia del alelo es del 100%, es decir, siendo la única variante genética presente en cualquier miembro, se dice que está "fijo" en la población. [1]
De manera similar, se dice que las diferencias genéticas entre taxones se han fijado en cada especie .
Historia
La primera mención de la fijación de genes en trabajos publicados se encontró en el artículo de Kimura de 1962 "Sobre la probabilidad de fijación de genes mutantes en una población". En el artículo, Kimura utiliza técnicas matemáticas para determinar la probabilidad de fijación de genes mutantes en una población. Mostró que la probabilidad de fijación depende de la frecuencia inicial del alelo y la media y varianza del cambio de frecuencia genética por generación. [4]
Probabilidad
En condiciones de deriva genética únicamente, cada conjunto finito de genes o alelos tiene un "punto coalescente" en el que todos los descendientes convergen en un solo antepasado ( es decir, se "fusionan"). Este hecho se puede utilizar para derivar la tasa de fijación genética de un alelo neutro (es decir, uno que no está bajo ninguna forma de selección) para una población de tamaño variable (siempre que sea finita y distinta de cero). Debido a que se estipula que el efecto de la selección natural es insignificante, la probabilidad en un momento dado de que un alelo finalmente se fije en su locus es simplemente su frecuencia.en la población en ese momento. Por ejemplo, si una población incluye el alelo A con una frecuencia igual al 20% y el alelo a con una frecuencia igual al 80%, existe una probabilidad del 80% de que después de un número infinito de generaciones a se fije en el locus (asumiendo una deriva genética es la única fuerza evolutiva operativa).
Para una población diploide de tamaño N y tasa de mutación neutra , la frecuencia inicial de una nueva mutación es simplemente 1 / (2 N ), y el número de nuevas mutaciones por generación es. Dado que la tasa de fijación es la tasa de mutación neutra nueva multiplicada por su probabilidad de fijación, la tasa de fijación general es. Por tanto, la tasa de fijación de una mutación no sujeta a selección es simplemente la tasa de introducción de tales mutaciones. [5] [6]
Para los tamaños de población fija, la probabilidad de la fijación de un nuevo alelo con ventaja selectiva s puede ser aproximado utilizando la teoría de los procesos de ramificación. Una población con generaciones no superpuestas n = 0, 1, 2, 3, ..., y congenes (o "individuos") en el momento n forman una cadena de Markov bajo los siguientes supuestos. La introducción de un individuo que posee un alelo con una ventaja selectiva corresponde a. El número de descendientes de cualquier individuo debe seguir una distribución fija y se determina de forma independiente. En este marco, las funciones generadoras para cada satisfacer la relación de recursividad y se puede utilizar para calcular las probabilidades sin descendientes en el momento n. Se puede demostrar que, y además, que el converger a un valor específico , que es la probabilidad de que el individuo no tenga descendientes. La probabilidad de fijación es entonces ya que la supervivencia indefinida del alelo beneficioso permitirá su aumento de frecuencia hasta un punto en el que las fuerzas selectivas asegurarán la fijación.
Las mutaciones débilmente deletéreas pueden fijarse en poblaciones más pequeñas a través del azar, y la probabilidad de fijación dependerá de las tasas de deriva (~) y selección (~), dónde es el tamaño efectivo de la población . El radiodetermina si domina la selección o la deriva, y siempre que esta relación no sea demasiado negativa, habrá una posibilidad apreciable de que se fije un alelo levemente deletéreo. Por ejemplo, en una población diploide de tamaño, un alelo deletéreo con coeficiente de selección tiene una fijación de probabilidad igual a . Esta estimación se puede obtener directamente del trabajo de Kimura de 1962. [4] Alelos deletéreos con coeficientes de selección satisfactorio son efectivamente neutrales y, en consecuencia, tienen una probabilidad de fijación aproximadamente igual a .
La probabilidad de fijación también se ve influida por los cambios en el tamaño de la población. Para poblaciones en crecimiento, los coeficientes de selección son más efectivos. Esto significa que es más probable que se fijen los alelos beneficiosos, mientras que es más probable que se pierdan los alelos perjudiciales. En poblaciones que están disminuyendo de tamaño, los coeficientes de selección no son tan efectivos. Por tanto, existe una mayor probabilidad de que se pierdan los alelos beneficiosos y se fijen los alelos perjudiciales. Esto se debe a que si una mutación beneficiosa es rara, se puede perder simplemente debido a la posibilidad de que ese individuo no tenga descendencia, sin importar el coeficiente de selección. En poblaciones en crecimiento, el individuo promedio tiene un número esperado más alto de descendencia, mientras que en poblaciones en disminución, el individuo promedio tiene un número menor de descendencia esperada. Por lo tanto, en poblaciones en crecimiento, es más probable que el alelo beneficioso se transmita a más individuos en la próxima generación. Esto continúa hasta que el alelo florece en la población y finalmente se fija. Sin embargo, en una población que se reduce es más probable que el alelo no se transmita, simplemente porque los padres no producen descendencia. Esto haría que se perdiera incluso una mutación beneficiosa. [7]
Hora
Además, se han realizado investigaciones sobre el tiempo medio que tarda una mutación neutra en fijarse. Kimura y Ohta (1969) demostraron que una nueva mutación que finalmente se corrige pasará un promedio de 4N e generaciones como polimorfismo en la población. [2] Tiempo promedio para la fijación N e es el tamaño efectivo de la población , el número de individuos en una población idealizada bajo deriva genética requerida para producir una cantidad equivalente de diversidad genética. Por lo general, la estadística de población que se usa para definir el tamaño efectivo de la población es la heterocigosidad, pero se pueden usar otras. [8]
Las tasas de fijación también se pueden modelar fácilmente para ver cuánto tiempo tarda un gen en fijarse con diferentes tamaños de población y generaciones. Por ejemplo, en The Biology Project Genetic Drift Simulation puede modelar la deriva genética y ver qué tan rápido se fija el gen del color del gusano en términos de generaciones para diferentes tamaños de población.
Además, las tasas de fijación se pueden modelar utilizando árboles coalescentes. Un árbol coalescente rastrea el descenso de los alelos de un gen en una población. [9] Su objetivo es rastrear hasta una única copia ancestral llamada el ancestro común más reciente. [10]
Ejemplos en investigación
En 1969, Schwartz, de la Universidad de Indiana, pudo inducir artificialmente la fijación de genes en el maíz, sometiendo las muestras a condiciones subóptimas. Schwartz localizó una mutación en un gen llamado Adh1, que cuando es homocigoto hace que el maíz no pueda producir alcohol deshidrogenasa. Luego, Schwartz sometió las semillas, tanto con actividad normal de alcohol deshidrogenasa como sin actividad, a condiciones de inundación y observó si las semillas podían germinar o no. Encontró que cuando se someten a inundaciones, solo germinan las semillas con actividad de alcohol deshidrogenasa. Esto finalmente provocó la fijación genética del alelo de tipo salvaje Adh1. La mutación Adh1 se perdió en la población experimentada. [11]
En 2014, Lee, Langley y Begun realizaron otro estudio de investigación relacionado con la fijación de genes. Se centraron en los datos de la población de Drosophila melanogaster y los efectos del autostop genético causado por los barridos selectivos . El autostop genético ocurre cuando un alelo es fuertemente seleccionado y conducido a la fijación. Esto hace que las áreas circundantes también se dirijan a la fijación, aunque no se seleccionen para ellas. [12] Al observar los datos de la población de Drosophila melanogaster , Lee et al. encontraron una cantidad reducida de heterogeneidad dentro de 25 pares de bases de sustituciones focales. Acreditan esto a los efectos del autostop a pequeña escala. También encontraron que las fijaciones vecinas que cambiaban las polaridades de los aminoácidos mientras mantenían la polaridad general de una proteína estaban bajo presiones de selección más fuertes. Además, encontraron que las sustituciones en genes de evolución lenta estaban asociadas con efectos genéticos de autostop más fuertes. [13]
Referencias
- ↑ a b Arie Zackay (2007). Deriva genética aleatoria y fijación genética (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 29 de agosto de 2013 .
- ^ a b Kimura, Motoo; Ohta, Tomoko (26 de julio de 1968). "El número medio de generaciones hasta la fijación de un gen mutante en una población finita" . Genética . 61 (3): 763–771. PMC 1212239 . PMID 17248440 .
- ^ Kimura, Motoo (1983). La teoría neutral de la evolución molecular . El edificio de Edimburgo, Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-23109-1. Consultado el 16 de noviembre de 2014 .
- ^ a b Kimura, Motoo (29 de enero de 1962). "Sobre la probabilidad de fijación de genes mutantes en una población" . Genética . 47 : 713–719. PMC 1210364 . PMID 14456043 .
- ^ "Probabilidad de fijación" .
- ^ David HA Fitch (1997). Desviaciones de las hipótesis nulas: tamaños de poblaciones finitas y deriva genética, mutación y flujo de genes .
- ^ Otto, Sarah; Whitlock, Michael (7 de marzo de 1997). "La probabilidad de fijación en poblaciones de tamaño cambiante" (PDF) . Genética . 146 (2): 723–733. PMC 1208011 . PMID 9178020 . Consultado el 14 de septiembre de 2014 .
- ^ Caballero, Armando (9 de marzo de 1994). "Avances en la predicción del tamaño efectivo de la población" . Herencia . 73 (6): 657–679. doi : 10.1038 / hdy.1994.174 . PMID 7814264 .
- ^ Griffiths, RC; Tavare, Simon (1998). "La edad de una mutación en un árbol coalescente general". Comunicaciones en estadística. Modelos estocásticos . 14 (1 y 2): 273–295. doi : 10.1080 / 15326349808807471 .
- ^ Walsh, Bruce (22 de marzo de 2001). "Estimación del tiempo hasta el antepasado común más reciente para el cromosoma Y o ADN mitocondrial para un par de individuos" . Genética . 158 (2): 897–912. PMC 1461668 . PMID 11404350 .
- ^ Schwartz, Drew (1969). "Un ejemplo de fijación de genes resultante de la ventaja selectiva en condiciones subóptimas". El naturalista estadounidense . 103 (933): 479–481. doi : 10.1086 / 282615 . JSTOR 2459409 . S2CID 85366302 .
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- ^ Lee, Yuh; Langley, Charles; Iniciado, David (2014). "Fortalezas diferenciales de selección positiva reveladas por efectos de autostop en pequeñas escalas físicas en Drosophila melanogaster" . Biología Molecular y Evolución . 31 (4): 804–816. doi : 10.1093 / molbev / mst270 . PMC 4043186 . PMID 24361994 . Consultado el 16 de noviembre de 2014 .
Otras lecturas
- Gillespie, JH (1994) Las causas de la evolución molecular . Prensa de la Universidad de Oxford.
- Hartl, DL y Clark, AG (2006) Principles of Population Genetics (cuarta edición). Asociados Sinauer.
- Kimura, M. (1962). "Sobre la probabilidad de fijación de genes mutantes en una población" . Genética . 47 : 713–719. PMC 1210364 . PMID 14456043 .