Fijación (genética de poblaciones)

En genética de poblaciones , la fijación es el cambio en un acervo genético desde una situación donde existen al menos dos variantes de un gen particular ( alelo ) en una población dada a una situación donde solo uno de los alelos permanece. Es decir, el alelo se vuelve fijo . ^[1] En ausencia de mutación o ventaja heterocigótica , cualquier alelo eventualmente debe perderse completamente de la población, o fijarse, es decir, establecerse permanentemente en una frecuencia del 100% en la población. ^[2] Si un gen finalmente se perderá o se fija depende de los coeficientes de selección y las fluctuaciones aleatorias en las proporciones alélicas. ^[3] La fijación puede referirse a un gen en general o a la 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, es la única variante genética presente en cualquier miembro, se dice que está "fijado" en la población. ^[1]

De manera similar, se dice que las diferencias genéticas entre taxones se han fijado en cada especie .

La primera mención de la fijación de genes en trabajos publicados se encontró en el artículo de Motoo 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. Demostró que la probabilidad de fijación depende de la frecuencia inicial del alelo y de la media y la varianza del cambio de frecuencia del gen por generación. ^[4]

En condiciones de deriva genética únicamente, cada conjunto finito de genes o alelos tiene un "punto de coalescencia" en el que todos los descendientes convergen en un único ancestro ( es decir, se "fusionan"). Este hecho se puede utilizar para derivar la tasa de fijación génica de un alelo neutro (es decir, uno que no está sujeto a ninguna forma de selección) para una población de tamaño variable (siempre que sea finito y distinto 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 (suponiendo que la deriva genética es la única fuerza evolutiva operativa).${\estilo de visualización p}$

Para una población diploide de tamaño N y una tasa de mutación neutra , la frecuencia inicial de una mutación nueva 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 lo tanto, la tasa de fijación para una mutación no sujeta a selección es simplemente la tasa de introducción de dichas mutaciones. ^[5]${\estilo de visualización \mu}$${\displaystyle 2N\mu }$${\displaystyle 2N\mu \times {\frac {1}{2N}}=\mu }$

Para tamaños de población fijos, la probabilidad de fijación para un nuevo alelo con ventaja selectiva s puede aproximarse utilizando la teoría de procesos de ramificación. Una población con generaciones no superpuestas n = 0, 1, 2, 3, ... , y con genes (o "individuos") en el tiempo n forma 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 uno satisfacen la relación de recursión y pueden usarse para calcular las probabilidades de que no haya descendientes en el tiempo n. Puede demostrarse que , y además, que convergen 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 en frecuencia hasta un punto donde las fuerzas selectivas asegurarán la fijación.${\displaystyle X_{n}}$${\displaystyle X_{0}=1}$${\displaystyle p_{n}(x)}$${\displaystyle X_{n}}$${\displaystyle p_{n}(x)=p_{1}(p_{n-1}(x))}$${\displaystyle \pi _{n}=P(X_{n}=0)}$${\displaystyle \pi _{n}=p_{1}(\pi _{n-1})}$${\displaystyle \pi _{n}}$${\displaystyle \pi }$${\displaystyle 1-\pi \approx 2s/\sigma ^{2}}$

Las mutaciones débilmente deletéreas pueden fijarse en poblaciones más pequeñas por casualidad, y la probabilidad de fijación dependerá de las tasas de deriva (~ ) y selección (~ ), donde es el tamaño efectivo de la población . La relación determina si domina la selección o la deriva, y mientras esta relación no sea demasiado negativa, habrá una probabilidad apreciable de que un alelo ligeramente deletéreo se fije. 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] Los alelos deletéreos con coeficientes de selección que satisfacen son efectivamente neutrales y, en consecuencia, tienen una probabilidad de fijación aproximadamente igual a .${\displaystyle 1/N_{e}}$${\displaystyle s}$${\displaystyle N_{e}}$${\displaystyle N_{e}s}$${\displaystyle N_{e}}$${\displaystyle -s}$${\displaystyle (1-e^{-2s})/(1-e^{-4N_{e}s})}$${\displaystyle -s}$${\displaystyle 2N_{e}s\ll 1}$${\displaystyle 1/2N_{e}}$

La probabilidad de fijación también se ve influida por los cambios en el tamaño de la población. En el caso de poblaciones en crecimiento, los coeficientes de selección son más eficaces. Esto significa que los alelos beneficiosos tienen más probabilidades de fijarse, mientras que los alelos perjudiciales tienen más probabilidades de perderse. En poblaciones que se están reduciendo en tamaño, los coeficientes de selección no son tan eficaces. Por lo tanto, existe una mayor probabilidad de que se pierdan alelos beneficiosos y de que se fijen los alelos perjudiciales. Esto se debe a que si una mutación beneficiosa es rara, se puede perder simplemente por la posibilidad de que ese individuo no tenga descendencia, sin importar el coeficiente de selección. En poblaciones en crecimiento, el individuo promedio tiene un mayor número esperado de descendencia, mientras que en poblaciones en disminución, el individuo promedio tiene un menor número esperado de descendencia. Por lo tanto, en poblaciones en crecimiento es más probable que el alelo beneficioso se transmita a más individuos en la siguiente generación. Esto continúa hasta que el alelo florece en la población y finalmente se fija. Sin embargo, en una población en disminución es más probable que el alelo no se transmita, simplemente porque los padres no producen descendencia. Esto provocaría que se perdiera incluso una mutación beneficiosa. ^[6]

Además, se han realizado investigaciones sobre el tiempo promedio que tarda una mutación neutral en fijarse. Kimura y Ohta (1969) demostraron que una nueva mutación que finalmente se fija pasará un promedio de 4N _e generaciones como polimorfismo en la población. ^[2] Tiempo promedio hasta la fijación N _e es el tamaño efectivo de la población , el número de individuos en una población idealizada bajo deriva genética requerido para producir una cantidad equivalente de diversidad genética. Por lo general, la estadística de población utilizada para definir el tamaño efectivo de la población es la heterocigosidad, pero se pueden utilizar otras. ^[7]

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, la simulación de deriva genética de The Biology Project permite 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 la descendencia de los alelos de un gen en una población. ^[8] Su objetivo es rastrear hasta una única copia ancestral llamada el ancestro común más reciente. ^[9]

En 1969, Schwartz, de la Universidad de Indiana, logró 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 sea incapaz de producir alcohol deshidrogenasa. Schwartz sometió entonces semillas, tanto con actividad normal de alcohol deshidrogenasa como sin actividad, a condiciones de inundación y observó si las semillas podían germinar o no. Descubrió que cuando se sometían a inundación, solo las semillas con actividad de alcohol deshidrogenasa germinaban. Esto finalmente provocó la fijación génica del alelo de tipo salvaje Adh1. La mutación Adh1 se perdió en la población experimentada. ^[10]

En 2014, Lee, Langley y Begun llevaron a cabo otro estudio de investigación relacionado con la fijación genética. Se centraron en los datos de la población de Drosophila melanogaster y en los efectos del autostop genético causado por barridos selectivos . El autostop genético ocurre cuando un alelo es fuertemente seleccionado y llevado a la fijación. Esto hace que las áreas circundantes también sean llevadas a la fijación, aunque no estén siendo seleccionadas. ^[11] Al observar los datos de la población de Drosophila melanogaster , Lee et al. encontraron una cantidad reducida de heterogeneidad dentro de los 25 pares de bases de las sustituciones focales. Atribuyeron esto a efectos de 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 de autostop genético más fuertes. ^[12]

• Gillespie, JH (1994) Las causas de la evolución molecular . Oxford University Press.
• Hartl, DL y Clark, AG (2006) Principios de genética de poblaciones (4ª edición). Sinauer Associates.
• Kimura, M (1962). "Sobre la probabilidad de fijación de genes mutantes en una población". Genética . 47 (6): 713–719. doi :10.1093/genetics/47.6.713. PMC  1210364 . PMID  14456043.