La mutación, recombinación, flujo génico, selección natural y deriva

Detectando la estructura genética de la
población
La mutación, recombinación, flujo
génico, selección natural y deriva,
se
combinan
para
formar
la
estructura genética de la población
1. ¿Cómo se determina la estructura
genética de la población?
2. ¿Cual es la estructura genética de
la población?
3. ¿Cómo se han involucrado las
fuerzas evolutivas básicas para
producir la estructura genética
observada?
(a) Estudiar un conjunto específico
de loci Ejemplo: isoenzimas
(Lewontin & Hubby 1966, Harry
1966)
(b) Estudiar una muestra aleatoria
del genoma. Ejemplo: RAPDs
(Welsh & McClelland 1990;
Williams et al 1990)
Locus
nombre Wild Sheep
Nelson
Bogotá,
de cada Rose, Ranch, Cerbat, Ranch, Austin, Guate- Colomalelo
Calif Nev.
Larval acid phosphatase-4 0.93
1.00
1.05
1.00
Octanol dehydrogenase-1
0.03
Esterase-5
0.75
0.86
1.00
1.05
1.22
null
0.85
0.90
0.95
0.97
1.00
1.02
1.03
1.04
1.07
1.09
1.12
1.16
Ariz.
1.00
1.00
0.06
0.87 0.90
0.08 0.03
0.03 0.01
0.02
0.94
0.01
0.03
Colo.
Texas mala
bia
polimórficos en
1.00
0.03
0.86
0.11
1.00
Drosophila
pseudobscura
1.00
(Adaptado de
0.89
0.11
1.00
1.00
1.00
0.02
0.01 0.05
0.03
0.15 0.14
0.03
0.46 0.42
0.01
Loci
0.11
0.11
0.32
0.34
0.18
0.02
0.03
0.03
0.29
0.11
0.04 0.20
0.24 0.17
0.21
0.26
0.05
0.27
0.15
0.26
0.03 0.02
0.08
0.05
0.05
0.06
0.16
0.03
0.58
0.05
0.97
0.21
Lewontin, 1974)
Heterocigocidad en
diferentes loci
promediados
sobre 10
localidades
(adaptado de
Lewontin, 1974)
Note: Average overall 24
loci is 0.128. Average over
the 13 polymorphic loci is
0.238
11 monomorphic loci
0.000
Acetaldehyde oxidae-2
0.012
Larval acid phosphatase
0.025
Protein-7
0.063
Protein-13
0.070
Malic dehydrogenase
0.102
Octanol dehydrogenase
0.109
Leucine aminopeptidase
0.155
Protein-10
0.229
Protein-12
0.234
Alfa-Amylase-1
0.353
Xanthine dehydrogenase
0.492
Protein-8
0.513
Protein-5
0.741
Datos de variabilidad genética resumidos para 13
especies (Adaptado de Lewontin,1974)
Species
Number
Number Proportions
Populations of loci
Proportion
of Loci
Heterozygous at the
Polymorphic
Polymorphic Loci
Homo sapiens
1
71
0.280
0.239
Mus musculus musculus
M. m. brevirrostris
M. m. domesticus
4
41
0.290
0.214
1
40
0.300
0.367
2
41
0.200
0.280
Peromyscus polionotus
Drosophila pseudo-obscura
D. persimilis
7
32
0.230
0.248
10
24
0.540
0.238
1
24
0.250
0.424
3
30
0.530
0.204
6
31
0.470
0.162
2 - 21
28
0.860
0.214
1
19
0.420
0.283
1
18
0.610
0.262
4
25
0.250
0.244
D. obscura
D. suboscura
D. willinstoni
D. melanogaster
D. simulans
Lymulus polyphemus
HISTORIA DE LA TEORÍA NEUTRALISTA
1960s
•
Casi todos los alelos difieren en sus efectos sobre
el “fitness” de los organismos => selección natural.
Ernst Mayr (1963)
•
“it is altogether unlikely that two genes would have
identical selective values under all the conditions under
they may coexist in a population”. Thus, “cases of
neutral polymorphism do no exist” and “it appears
probable
that
random
evolutionary importance”.
fixation
is
of
negligible
HISTORIA DE LA TEORÍA NEUTRALISTA
Lewontin & Hubby (1966)
Demostraron que una alta proporción de los loci
eran polimórficos y argumentaron que la selección
no podía mantener tanta variación genética =>
mucha de la variación podría ser selectivamente
neutra.
HISTORIA DE LA TEORÍA NEUTRALISTA
Motoo Kimura (1968)
• Calculó las tasa de evolución de proteínas de
varias especies.
• Encontró que una proteína determinada
evoluciona a velocidades similares en diferentes
linajes.
• Concluyó que tal consistencia se puede esperar
si la mayoría de los cambios a nivel evolutivo son
causados por mutación y deriva genética; no por
selección natural.
HIPÓTESIS NEUTRALISTA
la gran mayoría de las mutaciones en el DNA o
en las secuencias de proteínas, y que son
fijadas
en
la
población,
son
efectivamente
neutras con respecto al “fitness”; aunque una
pequeña minoría son ventajosas y son fijadas
por
selección
desventajosas
natural.
son
Las
eliminadas
natural “purificadora”.
mutaciones
por
selección
HIPÓTESIS SELECCIONISTA
supone que los varios alelos proteicos
tienen un efecto importante sobre el
“fitness”
=>
los
loci
polimórficos
son
mantenidos activamente por la selección
natural.
Interpretaciones de las hipótesis
rate-limiting step:
Métodos para resolver las hipótesis
• derivando predicciones de la hipótesis
neutralista y probándolas contra los datos.
• buscando evidencias experimentales de
la clase de selección natural que produce el
polimorfismo.
Predicciones de la teoría neutralista
•La tasa de fijación de las mutaciones es teóricamente
constante e iguala la tasa de mutación neutra. En
promedio se tardará 4Neµ generaciones para alcanzar
la fijación.
•Los loci que codifican para enzimas con una
composición aminoacídica muy crítica tendrán pocos
alelos respecto a los loci cuya composición no es
crítica.
•La tasa de mutación neutral será menor que la total;
pero la tasa a la que se producen alelos neutros será
alta respecto a la tasa de mutación total.
Predicciones de la teoría neutralista
•El número posible de alelos neutros en un locus es mayor
que el número real de alelos.
•Se puede predecir la media y la varianza del número de
alelos en un locus => Se deriva un test de neutralidad.
•La tasa de mutación neutra debe ser más alta en
regiones del DNA no-transcritas y sin función conocida
tales como intrones y pseudogenes.
•Para un locus determinado el polimorfismo se espera
correlacionado con la divergencia.
En promedio se
requieren 4Ne
generaciones para
fijarse una mutación
neutra, a una tasa
constante, igual a µ
Buscando evidencias de la selección
Hay que identificar todos los alelos y
obtener datos sobre la supervivencia y
fertilidad de varios genotipos en diferentes
ambientes.
Aplicar experimentos y modelos
matemáticos para comprobar la superioridad
de los heterocigotes.
Buscando evidencias de la selección
Experimentos
producir experimentalmente una población con
bajo grado de heterocigocidad y comparar su
eficacia biológica con la población silvestre.
Buscar presiones de selección diferente a la
superioridad del heterocigote; p. ej.
heterogeneidad espacial del ambiente,
competencia intra- e inter-específica.
Nota
la hipótesis neutralista no mantiene que
los rasgos morfológicos, fisiológicos y de
comportamiento de los organismos
evolucionen por Deriva genética.
Probablemente la mayoría evolucionen por
Selección natural.
RELOJ MOLECULAR
Las sustituciones en el
DNA proceden a una
tasa más o menos
constante.
El grado de diferencias
entre las especies sirve
como un reloj
molecular.
Se puede determinar el
tiempo de divergencia
de las especies.
Estado actual de la controversia
De la hipótesis neutralista se espera una correlación
positiva entre la heterocigocidad de un locus y su tasa de
evolución
=>
el
polimorfismo
intra-especie
está
relacionado con la tasa de divergencia inter-especie.
Evidencia: el grado de heterocigocidad de isoenzimas en
cada uno de varios loci demostró estar fuertemente
correlacionado con el grado de divergencia de ese locus
en varias especies de mamíferos.
Pero: Se ha notado que la tasa de sustituciones sinónimas es
mucho mayor que la tasa de reemplazo de aminoácidos.
Guillespie (1991) encontró evidencias de que la tasa de
reemplazo de aminoácidos no es tan alta para ajustarse a las
predicciones de la hipótesis neutralista.
Conclusión
Aun no es posible hacer afirmaciones generales acerca de la
exactitud del reloj molecular y de su aplicabilidad a la
hipótesis neutralista.