En genética de poblaciones , la fijación es el cambio en un acervo genético de una situación en la que existen al menos dos variantes de un gen particular ( alelo ) en una población determinada a una situación en la que solo permanece uno de los alelos. Es decir, el alelo queda fijo . [1] En ausencia de mutación o ventaja heterocigota , cualquier alelo eventualmente debe perderse por completo de la población o fijarse, es decir, establecerse permanentemente con una frecuencia del 100% en la población. [2] Que un gen finalmente se pierda o se recupere depende de los coeficientes de selección y de las fluctuaciones aleatorias en las proporciones alélicas. [3] La fijación puede referirse a un gen en general o a una posición particular de nucleótido en la cadena de ADN ( locus ).
En el proceso de sustitución , un alelo previamente inexistente surge por mutación y se fija al propagarse a través de la población mediante deriva genética aleatoria o selección positiva . Una vez que la frecuencia del alelo está al 100%, es decir, siendo 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 fijaron en cada especie .
La primera mención de la fijación de genes en trabajos publicados se encontró en el artículo de 1962 de Motoo Kimura "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 fusión" 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 genética de un alelo neutro (es decir, uno que no está sometido a ninguna forma de selección) para una población de tamaño variable (siempre que sea finita y distinta de cero). Como se estipula que el efecto de la selección natural es insignificante, la probabilidad en un momento dado de que un alelo finalmente quede fijado 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%, hay un 80% de probabilidad de que después de un número infinito de generaciones a quede fijado en el locus (asumiendo deriva genética). es la única fuerza evolutiva operativa).
Para una población diploide de tamaño N y tasa de mutación neutra , la frecuencia inicial de una nueva mutación es simplemente 1/(2 N ), y el número de nuevas mutaciones por generación es . Dado que la tasa de fijación es la tasa de nueva mutación neutra multiplicada por su probabilidad de fijación, la tasa de fijación general es . Por tanto, la tasa de fijación de una mutación no sujeta a selección es simplemente la tasa de introducción de tales mutaciones. [5]
Para tamaños de población fijos, la probabilidad de fijación de un nuevo alelo con ventajas selectivas se puede aproximar utilizando la teoría de los procesos de ramificación. Una población con generaciones no superpuestas n = 0, 1, 2, 3, ... y con genes (o "individuos") en el momento n forma una cadena de Markov bajo los siguientes supuestos. La introducción de un individuo que posee un alelo con 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 una satisfacen la relación de recursividad y pueden usarse para calcular las probabilidades de que no haya descendientes en el momento n. Se puede demostrar que , y además, que convergen a un valor específico , que es la probabilidad de que el individuo no tenga descendencia. La probabilidad de fijación es entonces dado que la supervivencia indefinida del alelo beneficioso permitirá su aumento en frecuencia hasta un punto en el que fuerzas selectivas asegurarán la fijación.
Las mutaciones débilmente deletéreas pueden fijarse en poblaciones más pequeñas mediante el azar, y la probabilidad de fijación dependerá de las tasas de deriva (~ ) y selección (~ ), donde es el tamaño efectivo de la población . La proporción determina si domina la selección o la deriva, y mientras esta proporción no sea demasiado negativa, habrá una probabilidad apreciable de que un alelo levemente deletéreo se solucione. Por ejemplo, en una población diploide de tamaño , un alelo nocivo 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 nocivos con coeficientes de selección satisfactorios son efectivamente neutrales y, en consecuencia, tienen una probabilidad de fijación aproximadamente igual a .
La probabilidad de fijación también está influenciada por los cambios en el tamaño de la población. Para poblaciones en crecimiento, los coeficientes de selección son más efectivos. Esto significa que es más probable que los alelos beneficiosos se arreglen, mientras que es más probable que los alelos perjudiciales se pierdan. En poblaciones que están disminuyendo de tamaño, los coeficientes de selección no son tan efectivos. Por lo tanto, existe una mayor probabilidad de que se pierdan los alelos beneficiosos y se arreglen los alelos perjudiciales. Esto se debe a que si una mutación beneficiosa es rara, puede perderse 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 cada vez más reducidas, el individuo promedio tiene un número menor de descendencia esperada. Por 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 cada vez más reducida, 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 neutra en repararse. Kimura y Ohta (1969) demostraron que una nueva mutación que eventualmente se corrige 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 necesarios 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 en diferentes tamaños de población y generaciones. Por ejemplo, en The Biology Project Genetic Drift Simulator puedes modelar la deriva genética y ver qué tan rápido el gen del color del gusano se fija en términos de generaciones para diferentes tamaños de población.
Además, las tasas de fijación se pueden modelar utilizando árboles coalescentes. Un árbol coalescente traza la descendencia de los alelos de un gen en una población. [8] Su objetivo es rastrear hasta una única copia ancestral denominada ancestro común más reciente. [9]
En 1969, Schwartz de la Universidad de Indiana pudo inducir artificialmente la fijación de genes en el maíz, sometiendo muestras a condiciones subóptimas. Schwartz localizó una mutación en un gen llamado Adh1, que cuando es homocigótico provoca que el maíz no pueda producir alcohol deshidrogenasa. Luego, Schwartz sometió 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 inundaban, sólo germinaban semillas con actividad de alcohol deshidrogenasa. En última instancia, esto provocó la fijación genética del alelo de tipo salvaje Adh1. La mutación Adh1 se perdió en la población experimentada. [10]
En 2014, Lee, Langley y Begun realizaron otro estudio de investigación relacionado con la fijación de genes. Se centraron en los datos de población de Drosophila melanogaster y los efectos del autostop genético causado por los 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 conducidas a la fijación, aunque no estén seleccionadas para ello. [11] Al observar los datos de población de Drosophila melanogaster , Lee et al. encontró una cantidad reducida de heterogeneidad dentro de 25 pares de bases de sustituciones focales. Lo atribuyen a los efectos del autostop a pequeña escala. También descubrieron 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, descubrieron que las sustituciones en genes que evolucionaban lentamente se asociaban con efectos genéticos más fuertes. [12]
