Fixación dun alelo

En xenética de poboacións, a fixación dun alelo é o cambio producido na poza xénica desde unha situación na que existen polo menos dúas variantes dun determinado xene (alelos) a unha situación na que só queda un dos alelos.^[1] En ausencia de mutación, todos os alelos deben finalmente ou ben perderse totalmente na poboación ou ben quedar fixados (estabilizados permanentemente na poboación).^[2] Que un xene acabe finalmente por perderse ou quedar fixado depende dos coeficientes de selcción e as flutuacións aleatorias nas proporcións alélicas.^[3] A fixación pode referirse a un xene en xeral ou a unha posición nucleotídica en particular da cadea de ADN (locus).

No proceso de substitución, un alelo que previamente non existía orixínase por mutación e sofre fixación ao estenderse pola poboación por deriva xenética aleatoria ou por selección positiva. Unha vez que a frecuencia dun alelo é do 100%, é dicir, é a única variante do xene presente en todos os individuos, dise que está "fixado" na poboación.^[1]

De xeito similar, as diferenzas xenéticas entres taxons dise que están fixadas en cada especie.

Historia da fixación

A primeira mención da fixación dun xene en traballos publicados encóntrase na obra de Kimura On Probability of Fixation of Mutant Genes in a Population. Neste traballo de Kimura publicado en 1962, usábanse técnicas matemáticas para determinar a probabilidade de fixación de xenes mutantes nunha poboación. Kimura determinou que a probabilidade de fixación depende da frecuencia inicial dun alelo e a varianza media do cambio de frecuencia xénica por xeración.^[4]

Probabilidade de fixación

Cando só actúa a deriva xenética, cada conxunto finito de xenes ou alelos ten un "punto de coelescencia" no cal todos os descendentes converxen cun só antepasado (é dicir, 'coalescen'). Este feito pode utilizarse para obter a frecuencia de fixación xénica dun alelo neutro (que non está baixo ningunha forma de selección) para unha poboación de tamaño variable (con tal que sexa finito e distinto de cero). Como o efecto da selección natural se estipula que é desprezable, a probabilidade de que nun tempo dado ese alelo finalmente quede fixado no seu locus é simplemente a súa frecuencia $p$ na poboación nese tempo. Por exemplo, se unha poboación ten o alelo A cunha frecuencia do 20%, e un alelo a cunha frecuencia do 80%, hai un 80% de posibilidades de que despois dun número infinito de xeracións a quede fixado no locus (asumindo que a deriva xenética é a única forza evolutiva que está actuando).

Para unha poboación diploide de tamaño N e unha taxa de mutación neutra $\mu$ , a frecuencia inicial dunha nova mutación é simplemente 1/(2N), e o número de novas mutacións por xeración é $2N\mu$ . Como a taxa de fixación é a taxa da da mutación neutra nova multiplicada pola súa probabilidade de fixación, a taxa de fixación global é $2N\mu \times {\frac {1}{2N}}=\mu$ . Así, a taxa de fixación para unha mutación non suxeita a selección é simplemente a taxa de introdución de ditas mutacións.^[5]^[6]

Para tamaños de poboación fixados, a probabilidade de fixación dun novo alelo con vantaxe selectiva s pode ser aproximada usando a teoría dos procesos de ramificación. Unha poboación con xeracións que non se solapan n = 0, 1, 2, 3, ... , e con $X_{n}$ xenes (ou "individuos") no tempo n forma unha cadea de Markov baixo as seguintes asuncións. A introdución dun individuo que posúa un alelo cunha vantaxe selectiva corresponde a $X_{0}=1$ . O número de descendentes de calquera individuo debe seguir unha distribución fixada e está determinado independentemente. Neste marco as funcións xeradoras $p_{n}(x)$ para cada $X_{n}$ satisfan a relación de recorrencia $p_{n}(x)=p_{1}(p_{n-1}(x))$ e poden utilizarse para computar as probabilidades $\pi _{n}=P(X_{n}=0)$ de non ter descendentes no tempo n. Pode demostrarse que $\pi _{n}=p_{1}(\pi _{n-1})$ , e ademais, que a $\pi _{n}$ converxe nun valor específico $\pi$ , que é a probabilidade de que o individuo non teña descendentes. A probabilidade de fixación é entón $1-\pi \approx {2s \over \sigma ^{2}}$ , xa que a supervivencia indefinida do alelo beneficioso permiirá o seu incremento de frecuencia ata un punto no que as forzas selectivas aseguren a fixación.

A probabilidade de fixación está tamén influenciada polos cambios no tamaño de poboación. En poboacións en crecemento, os coeficientes de selección son máis efectivos. Isto significa que é máis probable que os alelos beneficiosos acaben fixados, mentres que os alelos deletéreos é máis probable que se perdan. En poboacións cuxo tamaño está diminuíndo, os coeficientes de selección son máis efectivos. Así, hai unha maior probabilidade de que se perdan alelos beneficiosos e os deletéreos queden fixados. Isto é debido a que se unha mutación beneficiosa é rara, pode perderse simplemente debido á posibilidade de que un individuo non teña descendencia, sen importar o seu coeficiente de selección. En poboacións en crecemento, o individuo medio ten un maior número esperado de descendentes, mentres que en poboacións en diminución o individuo medio ten un número máis baixo de descendentes esperados. Así, en poboacións en crecemento é máis probable que o alelo beneficioso se transmita a máis individuos na seguinte xeración. Isto continúa ata que o alelo aumente na poboación e sexa finalmente fixado. Porén, na poboación en diminución é máis probable que o alelo non poida transmitirse, simplemente porque os pais non producen descendencia. Isto causaría que incluso se perdese unha mutación beneficiosa.^[7]

Tempo de fixación

Adicionalmente, fixéronse investigacións sobre o tempo medio que tarda unha mutación neutra en ser fixada. Kimura e Ohta (1969) demostraron que unha nova mutación que finalmene se fixa pasará unha media de 4N_e xeracións como polimorfismo na poboación.^[2] O tempo de fixación medio N_e é o tamaño efectivo de poboación, é dicir, o número de individuos nunha poboación idealizada baixo deriva xenética necesarios para producir unha cantidade equivalente de diversidade xenética. Xeralmente o estatístico da poboación usado para definir o tamaño efectivo de poboación é o grao de heterocigose, pero poden usarse outros.^[8]

As taxas de fixación poden ser facilmente modeladas tamén para ver canto tarda un xene en acabar fixado con tamaños de poboación e xeracións variables. Por exemplo, en The Biology Project Genetic Drift Simulation pódese modelar a deriva xenética e ver o rápido que un xene para a cor vai fixarse en número de xeracións para diferentes tamaños de poboación nun organismo idealizado.

Adicionalmente, as taxas de fixación poden ser modeladas usando árbores coalescentes. Unha árbore coalescente rastrea os descendentes dos alelos dun xene na poboación.^[9] Pretende rastrear ata unha soa copia ancestral chamada o antepasado común máis recente.^[10]

Exemplos de fixación en investigacións

En 1969, Schwartz na Universidade de Indiana induciu artificialmente a fixación dun xene no millo ao someter mostras a condiciós subtropicais. Schwartz localizou unha mutación nun xene chamado Adh1. Cando está en homocigose o millo é incapaz de producir o encima alcohol deshidroxenase. Schwartz despois someteu sementes, unhas con actividade normal de alcohol deshidroxenase e outras sen esa actividade, a condicións de asolagamento e observou se as sementes podían xerminar ou non. Atopou que cando estaban sometidas a esas condicións, só xerminaron as sementes con actividade de alcohol deshidroxenase. Isto causou finalmente a fixación do alelo de tipo silvestre do xene Adh1. A mutación do Adh1 perdeuse na poboación experimental.^[11]

En 2014, Lee, Langley, e Begun realizaron outro estudo de investigación relacionado coa fixación de xenes. Estudaron datos de poboacións de Drosophila melanogaster e os efectos do autostop xenético causado por varrido selectivo. O autostop xenético ocorre cando un alelo é fortemente seleccionado e levado á fixación. Isto causa que as áreas do xenoma que o rodean sexan tamén levadas á fixación, mesmo se non son seleccionadas.^[12] Atoparon nos datos das poboacións das moscas que había unha reducida cantidade de heteroxeneidade en 25 pares de bases de substitucións focais. Explicaron isto como efectos de autostop xenético a pequena escala. Atoparon tamén que as fixacións en zonas veciñas que cambiaban as polaridades de aminoácidos á vez que mantiñan a polaridade global dunha proteína estaban baixo fortes presións de selección. Ademais, atoparon que as substitucións en xenes que evolucionan lentamente estaban asociadas con efectos de autostop xenético máis fortes.^[13]

Notas

↑ ^1,0 ^1,1 Arie Zackay (2007). Random Genetic Drift & Gene Fixation (PDF). Arquivado dende o orixinal (PDF) o 04 de marzo de 2016. Consultado o 01 de xuño de 2016.
↑ ^2,0 ^2,1 Kimura, Motoo; Ohta, Tomoko (26 July 1968). "The average number of generations until fixation of a mutant gene in a finite population" (PDF). Genetics 61: 763–771. PMC 1212239. PMID 17248440. Consultado o 12 September 2014.
↑ Kimura, Motoo (1983). The Neutral Theory of Molecular Evolution. The Edinburgh Building, Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-23109-1. Consultado o 16 November 2014.
↑ Kimura, Motoo (29 January 1962). "On the probability of fixation of mutant genes in a population" (PDF). Genetics 47: 713–719. PMC 1210364. PMID 14456043. Consultado o 14 September 2014.
↑ "Probability of fixation".
↑ David H.A. Fitch (1997). Deviations from the null hypotheses: Finite populations sizes and genetic drift, mutation and gene flow.
↑ Otto, Sarah; Whitlock, Michael (7 March 1997). "The probability of fixation in populations of changing size" (PDF). Genetics 146: 723–733. Consultado o 14 September 2014.
↑ Caballero, Armando (9 March 1994). "Developments in the prediction of effective population size". Heredity 73: 657–679. doi:10.1038/hdy.1994.174. Consultado o 12 September 2014.
↑ Griffiths, RC; Tavare, Simon (1998). "The Age of a Mutation in a General Coalescent Tree". Communications in Statistics Stochastic Models 14 (1&2): 273–295. doi:10.1080/15326349808807471. Consultado o 16 November 2014.
↑ Walsh, Bruce (22 March 2001). "Estimating the Time to the Most Recent Common Ancestor for the Y chromosome or Mitochondrial DNA for a Pair of Individuals" (PDF). Genetics 158: 897–912. PMC 1461668. PMID 11404350. Consultado o 16 November 2014.
↑ Schwartz, Drew (1969). "An Example of Gene Fixation Resulting from Selective Advantage in Suboptimal Conditions" (PDF). The American Naturalist 103 (933): 479–481. doi:10.1086/282615. Consultado o 16 November 2014.
↑ Rice, William (12 February 1987). "Genetic Hitchhiking and the Evolution of Reduced Genetic Activity of the Y Sex Chromosome" (PDF). Genetics 116: 161–167. PMC 1203114. PMID 3596229. Consultado o 16 November 2014.
↑ Lee, Yuh; Langley, Charles; Begun, David (2014). "Differential Strengths of Positive Selection Revealed by Hitchhiking Effects at Small Physical Scales in Drosophila melanogaster". Molecular Biology and Evolution 31 (4): 804–816. doi:10.1093/molbev/mst270. Consultado o 16 November 2014.

Véxase tamén

Bibliografía

Gillespie, J.H. (1994) The Causes of Molecular Evolution. Oxford University Press Inc., USA.
Hartl, D.L. and Clark, A.G. (2006) Principles of Population Genetics (4th edition). Sinauer Associates Inc., USA.
Kimura, M (1962). "On the Probability of Fixation of Mutant Genes in a Population". Genetics 47: 713–719. PMC 1210364. PMID 14456043.

[GD-1] 1,0 ^1,1 Arie Zackay (2007). Random Genetic Drift & Gene Fixation (PDF). Arquivado dende o orixinal (PDF) o 04 de marzo de 2016. Consultado o 01 de xuño de 2016.

[Kimura_1968-2] 2,0 ^2,1 Kimura, Motoo; Ohta, Tomoko (26 July 1968). "The average number of generations until fixation of a mutant gene in a finite population" (PDF). Genetics 61: 763–771. PMC 1212239. PMID 17248440. Consultado o 12 September 2014.

[Kimura_1983-3] Kimura, Motoo (1983). The Neutral Theory of Molecular Evolution. The Edinburgh Building, Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-23109-1. Consultado o 16 November 2014.

[Kimura_1962-4] Kimura, Motoo (29 January 1962). "On the probability of fixation of mutant genes in a population" (PDF). Genetics 47: 713–719. PMC 1210364. PMID 14456043. Consultado o 14 September 2014.

[5] "Probability of fixation".

[6] David H.A. Fitch (1997). Deviations from the null hypotheses: Finite populations sizes and genetic drift, mutation and gene flow.

[Otto_1997-7] Otto, Sarah; Whitlock, Michael (7 March 1997). "The probability of fixation in populations of changing size" (PDF). Genetics 146: 723–733. Consultado o 14 September 2014.

[8] Caballero, Armando (9 March 1994). "Developments in the prediction of effective population size". Heredity 73: 657–679. doi:10.1038/hdy.1994.174. Consultado o 12 September 2014.

[Griffiths_1998-9] Griffiths, RC; Tavare, Simon (1998). "The Age of a Mutation in a General Coalescent Tree". Communications in Statistics Stochastic Models 14 (1&2): 273–295. doi:10.1080/15326349808807471. Consultado o 16 November 2014.

[Walsh_2001-10] Walsh, Bruce (22 March 2001). "Estimating the Time to the Most Recent Common Ancestor for the Y chromosome or Mitochondrial DNA for a Pair of Individuals" (PDF). Genetics 158: 897–912. PMC 1461668. PMID 11404350. Consultado o 16 November 2014.

[Schwartz_1969-11] Schwartz, Drew (1969). "An Example of Gene Fixation Resulting from Selective Advantage in Suboptimal Conditions" (PDF). The American Naturalist 103 (933): 479–481. doi:10.1086/282615. Consultado o 16 November 2014.

[Rice_1987-12] Rice, William (12 February 1987). "Genetic Hitchhiking and the Evolution of Reduced Genetic Activity of the Y Sex Chromosome" (PDF). Genetics 116: 161–167. PMC 1203114. PMID 3596229. Consultado o 16 November 2014.

[Lee_2014-13] Lee, Yuh; Langley, Charles; Begun, David (2014). "Differential Strengths of Positive Selection Revealed by Hitchhiking Effects at Small Physical Scales in Drosophila melanogaster". Molecular Biology and Evolution 31 (4): 804–816. doi:10.1093/molbev/mst270. Consultado o 16 November 2014.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]