Detectando la estructura genética de la población

La mutación, recombinación, flujo genético, selección natural y deriva, se combinan para formar la estructura genética de la población

1. ¿Cómo se determina la estructura 1. ¿Cómo se determina la estructura genética de la población?genética de la población?

2. ¿Cual es la estructura genética de 2. ¿Cual es la estructura genética de la población?la población?

3. ¿Cómo se han involucrado las 3. ¿Cómo se han involucrado las fuerzas evolutivas básicas para fuerzas evolutivas básicas para producir la estructura genética producir la estructura genética observada?observada?

(a) Estudiar un conjunto específico de loci Ejemplo: isoenzimas(Lewontin & Hubby 1966, Harry1966)

(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- Colom-

alelo Calif Nev. Ariz. Colo. Texas mala bia

Larval acid phosphatase-4 0.93 0.281.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.86 1.00 1.001.05 0.11

Octanol dehydrogenase-1 0.75 0.260.86 0.06 0.021.00 0.87 0.90 0.94 0.89 1.00 1.00 1.001.05 0.08 0.03 0.01 0.121.22 0.03 0.01 0.03

Esterase-5 null 0.020.85 0.01 0.050.90 0.03 0.020.95 0.15 0.14 0.11 0.11 0.03 0.16 0.030.97 0.03 0.031.00 0.46 0.42 0.32 0.34 0.29 0.58 0.971.02 0.13 0.18 0.11 0.051.031.04 0.04 0.20 0.21 0.45 0.151.07 0.24 0.17 0.26 0.27 0.26 0.211.091.12 0.03 0.02 0.08 0.05 0.051.16 0.06

Locipolimórficos en

Drosophilapseudobscura

(Adaptado de Lewontin, 1974)

11 monomorphic loci 0.000Acetaldehyde oxidae-2 0.012Larval acid phosphatase 0.025Protein-7 0.063Protein-13 0.070Malic dehydrogenase 0.102Octanol dehydrogenase 0.109Leucine aminopeptidase 0.155Protein-10 0.229Protein-12 0.234Alfa-Amylase-1 0.353Xanthine dehydrogenase 0.492Protein-8 0.513Protein-5 0.741

Heterocigocidad en diferentes locipromediadossobre 10

localidades(adaptado de

Lewontin, 1974)

Note: Average overall 24 loci is 0.128. Average over the 13 polymorphic loci is

0.238

Datos de variabilidad genética resumidos para 13 especies (Adaptado de Lewontin,1974)

Species Number Number Proportions Proportion Populations of loci of Loci Heterozygous at the

Polymorphic Polymorphic Loci Homo sapiens 1 71 0.280 0.239Mus musculus musculus 4 41 0.290 0.214M. m. brevirrostris 1 40 0.300 0.367M. m. domesticus 2 41 0.200 0.280Peromyscus polionotus 7 32 0.230 0.248Drosophila pseudo-obscura 10 24 0.540 0.238D. persimilis 1 24 0.250 0.424D. obscura 3 30 0.530 0.204D. suboscura 6 31 0.470 0.162D. willinstoni 2 - 21 28 0.860 0.214D. melanogaster 1 19 0.420 0.283D. simulans 1 18 0.610 0.262Lymulus polyphemus 4 25 0.250 0.244

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 fixation is of negligible evolutionary importance”.

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 natural. Las mutaciones desventajosas son eliminadas por selección natural “purificadora”.

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 seráalta 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.