Equilibrio mutación-selección

Equilibrio alélico en una población cuando la creación es igual a la eliminación por selección negativa

El equilibrio mutación-selección es un equilibrio en el número de alelos deletéreos en una población que ocurre cuando la tasa a la que se crean alelos deletéreos por mutación es igual a la tasa a la que se eliminan alelos deletéreos por selección . ^{[1] [2] [3] [4]} La mayoría de las mutaciones genéticas son neutrales o deletéreas; las mutaciones beneficiosas son relativamente raras. La afluencia resultante de mutaciones deletéreas en una población a lo largo del tiempo es contrarrestada por la selección negativa , que actúa para purgar las mutaciones deletéreas. Dejando de lado otros factores (por ejemplo, la selección equilibradora y la deriva genética ), el número de equilibrio de alelos deletéreos se determina entonces por un equilibrio entre la tasa de mutación deletérea y la tasa a la que la selección purga esas mutaciones.

El equilibrio mutación-selección se propuso originalmente para explicar cómo se mantiene la variación genética en las poblaciones, aunque ahora se reconocen varias otras formas de que persistan las mutaciones deletéreas, en particular la selección en equilibrio . ^[3] Sin embargo, el concepto todavía se usa ampliamente en genética evolutiva , por ejemplo, para explicar la persistencia de alelos deletéreos como en el caso de la atrofia muscular espinal , ^{[5] [4]} o, en modelos teóricos, el equilibrio mutación-selección puede aparecer de diversas formas e incluso se ha aplicado a mutaciones beneficiosas (es decir, el equilibrio entre la pérdida selectiva de variación y la creación de variación por mutaciones beneficiosas). ^[6]

Población haploide

Como ejemplo simple de equilibrio mutación-selección, considere un solo locus en una población haploide con dos alelos posibles: un alelo normal A con frecuencia , y un alelo deletéreo mutado B con frecuencia , que tiene una pequeña desventaja de aptitud relativa de . Supongamos que las mutaciones deletéreas de A a B ocurren a una tasa , y la mutación beneficiosa inversa de B a A ocurre lo suficientemente raramente como para ser insignificante (p. ej. porque la tasa de mutación es tan baja que es pequeña). Entonces, cada selección generacional elimina mutantes deletéreos reduciendo en una cantidad , mientras que la mutación crea más alelos deletéreos aumentando en una cantidad . El equilibrio mutación-selección ocurre cuando estas fuerzas se cancelan y es constante de generación en generación, lo que implica . ^[3] Por lo tanto, siempre que el alelo mutante no sea débilmente deletéreo (muy pequeño ) y la tasa de mutación no sea muy alta, la frecuencia de equilibrio del alelo deletéreo será pequeña. ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle spq}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle \mu p}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle q=\mu /s}$ ${\displaystyle s}$

Población diploide

En una población diploide , un alelo deletéreo B puede tener diferentes efectos en la aptitud individual en heterocigotos AB y homocigotos BB dependiendo del grado de dominancia del alelo normal A . Para representar esto matemáticamente, sea la aptitud relativa de homocigotos y heterocigotos deletéreos menor que la de homocigotos normales AA por factores de y respectivamente, donde es un número entre y que mide el grado de dominancia ( indica que A es completamente dominante mientras que indica que no hay dominancia). Para simplificar, supongamos que el apareamiento es aleatorio . ${\displaystyle 1-hs}$ ${\displaystyle 1-s}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle 0}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle h=0}$ ${\displaystyle h=1/2}$

El grado de dominancia afecta la importancia relativa de la selección en heterocigotos versus homocigotos. Si A no es completamente dominante (es decir, no está cerca de cero), entonces las mutaciones deletéreas son eliminadas principalmente por la selección en heterocigotos porque los heterocigotos contienen la gran mayoría de alelos B deletéreos (asumiendo que la tasa de mutación deletérea no es muy grande). Este caso es aproximadamente equivalente al caso haploide anterior, donde la mutación convierte homocigotos normales en heterocigotos a una tasa y la selección actúa sobre heterocigotos con coeficiente de selección ; por lo tanto . ^[1] ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle hs}$ ${\displaystyle q\approx \mu /hs}$

En el caso de dominancia completa ( ), los alelos deletéreos solo se eliminan por selección en homocigotos BB . Sean , y las frecuencias de los genotipos correspondientes . La frecuencia de los alelos normales A aumenta a una tasa debido a la eliminación selectiva de homocigotos recesivos, mientras que la mutación hace que disminuya a una tasa (ignorando las retromutaciones ). El equilibrio mutación-selección da entonces , y por lo tanto la frecuencia de alelos deletéreos es . ^[1] Esta frecuencia de equilibrio es potencialmente sustancialmente mayor que para el caso de dominancia parcial, porque una gran cantidad de alelos mutantes son transportados en heterocigotos y están protegidos de la selección. ${\displaystyle h=0}$ ${\displaystyle p_{AA}}$ ${\displaystyle 2p_{AB}}$ ${\displaystyle p_{BB}}$ ${\displaystyle p=p_{AA}+p_{AB}}$ ${\displaystyle 1/(1-sp_{BB})}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle 1-\mu }$ ${\displaystyle p_{BB}=\mu /s}$ ${\displaystyle q={\sqrt {\mu /s}}}$

Muchas propiedades de una población de apareamiento no aleatorio pueden explicarse mediante una población de apareamiento aleatorio cuyo tamaño poblacional efectivo está ajustado. Sin embargo, en dinámicas poblacionales no estables puede haber una prevalencia menor de trastornos recesivos en una población de apareamiento aleatorio durante y después de una fase de crecimiento. ^{[7] [8]}

Ejemplo

El primer artículo sobre el tema fue ( Haldane , 1935), que utilizó la prevalencia y la tasa de fertilidad de la hemofilia en hombres para estimar la tasa de mutación en los genes humanos. ^{[9] [10]}

La prevalencia de la hemofilia entre los hombres es de . La tasa de fertilidad de los hombres con hemofilia en comparación con los hombres sin hemofilia es de , donde . ${\displaystyle p\in [4,17]\times 10^{-5}}$ ${\displaystyle f\in [0.1,0.25]}$ ${\displaystyle f={\frac {\#({\text{offsprings of abnormal allele)}}}{\#({\text{offsprings of normal allele)}}}}}$

Suponiendo que la hemofilia se debe puramente a mutaciones en el cromosoma X, la tasa de mutación se puede estimar de la siguiente manera.

En el equilibrio mutación-selección, la tasa de nuevos casos de hemofilia debido a mutaciones debería ser igual a la tasa de casos de hemofilia perdidos debido a la menor aptitud de los pacientes con hemofilia. Dado que cada hombre tiene un cromosoma X, la tasa de nuevos casos de hemofilia debido a mutaciones es . Por otro lado, la aptitud relativa de los pacientes con hemofilia es , por lo que veces los casos de hemofilia existentes se pierden cada generación debido a la selección. El equilibrio mutación-selección da entonces Sin embargo, dado que las mujeres tienen dos cromosomas X, solo alrededor de 1/3 de las nuevas mutaciones aparecerían en los hombres (asumiendo una proporción de sexos igual al nacer). Así, se obtiene la ecuación, donde el rango numérico se obtuvo introduciendo los rangos para y . Investigaciones posteriores que utilizaron diferentes métodos mostraron que la tasa de mutación en muchos genes es de hecho del orden de por generación. ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle (1-f)}$ $${\displaystyle \mu =(1-f)p.}$$ $${\displaystyle \mu \approx (1-f)p/3\in [1,5]\times 10^{-5},}$$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle 10^{-5}}$

Véase también

• Selección negativa
• Disgenesia
• Cuasiespecie viral

Referencias

1. Crow, James F.; Kimura, Motoo (1970). Introducción a la teoría de la genética de poblaciones (ed. [Reimpresión]). Nueva Jersey: Blackburn Press. ISBN 9781932846126.
2. Lynch, Michael (agosto de 2010). "Evolución de la tasa de mutación". Tendencias en genética . 26 (8): 345–352. doi :10.1016/j.tig.2010.05.003. PMC 2910838 . PMID  20594608. 
3. Barton, Nicholas H. (2007). Evolución . Cold Spring Harbor, Nueva York: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 9780879696849.
4. Herron, JC y S Freeman. 2014. Análisis evolutivo, 5.ª edición. Pearson.
5. Wirth, B; Schmidt, T; Hahnen, E; Rudnik-Schöneborn, S; Krawczak, M; Müller-Myhsok, B; Schönling, J; Zerres, K (1997). "Reordenamientos de novo encontrados en el 2% de los pacientes índice con atrofia muscular espinal: mecanismos mutacionales, origen parental, tasa de mutación e implicaciones para el asesoramiento genético". The American Journal of Human Genetics . 61 (5): 1102–1111. doi :10.1086/301608. PMC 1716038 . PMID  9345102. 
6. Fisher, Daniel S.; Desai, Michael M. (1 de julio de 2007). "Balance beneficioso entre mutación y selección y el efecto del ligamiento en la selección positiva". Genética . 176 (3): 1759–1798. doi :10.1534/genetics.106.067678. PMC 1931526 . PMID  17483432. 
7. La Rocca, Luis A.; Frank, Julia; Bentzen, Heidi Beate; Pantel, Jean-Tori; Gerischer, Konrad; Bovier, Anton; Krawitz, Peter M. (22 de diciembre de 2020). "Una menor prevalencia de trastornos recesivos en una población de apareamiento aleatorio es un fenómeno transitorio durante y después de una fase de crecimiento". arXiv : 2012.04968 [q-bio.PE].
8. "Visualización de los efectos de diferentes esquemas de apareamiento". YouTube . 7 de junio de 2020.
9. Haldane, JBS (octubre de 1935). "La tasa de mutación espontánea de un gen humano". Journal of Genetics . 31 (3): 317–326. doi :10.1007/bf02982403. ISSN  0022-1333.
10. Nachman, Michael W. "Haldane y las primeras estimaciones de la tasa de mutación humana". Journal of Genetics 83 (2004): 231-233.