Los elementos genéticos egoístas (históricamente también denominados genes egoístas , genes ultraegoístas , ADN egoísta , ADN parásito y forajidos genómicos ) son segmentos genéticos que pueden mejorar su propia transmisión a expensas de otros genes en el genoma, incluso si este no tiene ningún efecto. efecto positivo o negativo neto sobre la aptitud del organismo. [1] [2] [3] [4] [5] [6] Tradicionalmente, los genomas se han visto como unidades cohesivas, en las que los genes actúan juntos para mejorar la aptitud del organismo. Sin embargo, cuando los genes tienen cierto control sobre su propia transmisión, las reglas pueden cambiar y, al igual que todos los grupos sociales, los genomas son vulnerables al comportamiento egoísta de sus partes .
Las primeras observaciones de elementos genéticos egoístas se hicieron hace casi un siglo, pero el tema no recibió una atención generalizada hasta varias décadas después. Inspirándose en las visiones de la evolución centradas en los genes popularizadas por George Williams [7] y Richard Dawkins , [8] se publicaron dos artículos consecutivos en Nature en 1980: Leslie Orgel y Francis Crick [9] y Ford Doolittle. y Carmen Sapienza [10] – introduciendo el concepto de elementos genéticos egoístas (en ese momento llamados "ADN egoísta") a la comunidad científica en general. Ambos artículos enfatizaron que los genes pueden propagarse en una población independientemente de su efecto sobre la aptitud del organismo, siempre que tengan una ventaja de transmisión.
Actualmente se han descrito elementos genéticos egoístas en la mayoría de los grupos de organismos, y demuestran una notable diversidad en las formas en que promueven su propia transmisión. [11] Aunque durante mucho tiempo fueron descartadas como curiosidades genéticas, con poca relevancia para la evolución, ahora se reconoce que afectan una amplia gama de procesos biológicos, que van desde el tamaño y la arquitectura del genoma hasta la especiación. [12]
Las observaciones de lo que ahora se conoce como elementos genéticos egoístas se remontan a los primeros días de la historia de la genética . Ya en 1928, el genetista ruso Sergey Gershenson informó del descubrimiento de un cromosoma X conductor en Drosophila obscura . [13] Fundamentalmente, señaló que la proporción de sexos resultante, sesgada por las mujeres, puede provocar la extinción de una población (ver Extinción de especies). La primera declaración clara de cómo los cromosomas pueden propagarse en una población, no debido a sus efectos positivos sobre la aptitud del organismo individual, sino debido a su propia naturaleza "parasitaria", provino del botánico y citogenetista sueco Gunnar Östergren en 1945. [14] Discusión de B cromosomas en plantas escribió: [14]
En muchos casos, estos cromosomas no tienen ninguna función útil para las especies que los portan, pero a menudo llevan una existencia exclusivamente parasitaria... [los cromosomas B] no tienen por qué ser útiles para las plantas. Sólo necesitan ser útiles para sí mismos.
Casi al mismo tiempo, se informaron varios otros ejemplos de elementos genéticos egoístas. Por ejemplo, el genetista estadounidense del maíz Marcus Rhoades describió cómo las protuberancias cromosómicas conducían al impulso meiótico femenino en el maíz. [15] De manera similar, fue también cuando se sugirió por primera vez que un conflicto intragenómico entre genes mitocondriales heredados uniparentalmente y genes nucleares heredados biparentalmente podría conducir a la esterilidad masculina citoplasmática en las plantas. [16] Luego, a principios de la década de 1950, Barbara McClintock publicó una serie de artículos que describen la existencia de elementos transponibles , que ahora se reconoce que se encuentran entre los elementos genéticos egoístas de mayor éxito. [17] El descubrimiento de los elementos transponibles le valió el Premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1983 .
El estudio empírico de los elementos genéticos egoístas se benefició enormemente del surgimiento de la llamada visión de la evolución centrada en los genes en los años sesenta y setenta. [18] En contraste con la formulación original de Darwin de la teoría de la evolución por selección natural que se centraba en organismos individuales, la visión del gen considera que el gen es la unidad central de selección en la evolución. [19] Concibe la evolución por selección natural como un proceso que involucra dos entidades separadas: replicadores (entidades que producen copias fieles de sí mismas, generalmente genes) y vehículos (o interactores; entidades que interactúan con el entorno ecológico, generalmente organismos). [20] [21] [22]
Dado que los organismos son sucesos temporales, presentes en una generación y desaparecidos en la siguiente, los genes (replicadores) son la única entidad transmitida fielmente de padres a hijos. Ver la evolución como una lucha entre replicadores en competencia hizo más fácil reconocer que no todos los genes de un organismo compartirían el mismo destino evolutivo. [18]
La visión del gen fue una síntesis de los modelos genéticos poblacionales de la síntesis moderna, en particular el trabajo de RA Fisher , y los modelos de evolución social de WD Hamilton . Esta visión fue popularizada por Adaptación y selección natural de George Williams [7] y el best seller de Richard Dawkins El gen egoísta . [8] Dawkins resumió un beneficio clave de la visión del gen de la siguiente manera:
"Si nos permitimos la licencia de hablar de los genes como si tuvieran objetivos conscientes, asegurándonos siempre de que podríamos traducir nuestro lenguaje descuidado a términos respetables si quisiéramos, podemos preguntarnos: ¿qué es lo que intenta un solo gen egoísta? ¿hacer?" — Richard Dawkins, El gen egoísta [8] : pág. 88
En 1980, dos artículos de alto perfil publicados consecutivamente en Nature por Leslie Orgel y Francis Crick, y por Ford Doolittle y Carmen Sapienza, llevaron el estudio de los elementos genéticos egoístas al centro del debate biológico. [9] [10] Los artículos tomaron su punto de partida en el debate contemporáneo de la llamada paradoja del valor C , la falta de correlación entre el tamaño del genoma y la complejidad percibida de una especie. Ambos artículos intentaron contrarrestar la opinión predominante en la época de que la presencia de cantidades diferenciales de ADN no codificante y elementos transponibles se explica mejor desde la perspectiva de la aptitud individual, descrita como el "paradigma fenotípico" por Doolittle y Sapienza. En cambio, los autores argumentaron que gran parte del material genético en los genomas eucariotas persiste, no debido a sus efectos fenotípicos, sino que puede entenderse desde el punto de vista de un gen, sin invocar explicaciones a nivel individual. Los dos artículos dieron lugar a una serie de intercambios en Nature . [23] [24] [25] [26]
Si los artículos sobre el ADN egoísta marcaron el comienzo del estudio serio de los elementos genéticos egoístas, las décadas siguientes han visto una explosión de avances teóricos y descubrimientos empíricos. Leda Cosmides y John Tooby escribieron una reseña histórica sobre el conflicto entre los genes citoplasmáticos heredados por la madre y los genes nucleares heredados por los dos padres. [27] El artículo también proporcionó una introducción completa a la lógica de los conflictos genómicos, presagiando muchos temas que luego serían objeto de mucha investigación. Luego, en 1988, John H. Werren y sus colegas escribieron la primera revisión empírica importante del tema. [1] Este artículo logró tres cosas. En primer lugar, acuñó el término elemento genético egoísta, poniendo fin a una terminología a veces confusamente diversa (genes egoístas, genes ultraegoístas, ADN egoísta, ADN parásito, forajidos genómicos). En segundo lugar, definió formalmente el concepto de elementos genéticos egoístas. Finalmente, fue el primer artículo que reunió todos los diferentes tipos de elementos genéticos egoístas conocidos en ese momento ( la impronta genómica , por ejemplo, no estaba cubierta). [1]
A finales de la década de 1980, la mayoría de los biólogos moleculares consideraban que los elementos genéticos egoístas eran la excepción y que era mejor considerar los genomas como redes altamente integradas con un efecto coherente sobre la aptitud del organismo. [1] [11] En 2006, cuando Austin Burt y Robert Trivers publicaron el primer libro sobre el tema, la marea estaba cambiando. [11] Si bien su papel en la evolución siguió siendo controvertido durante mucho tiempo, en una revisión publicada un siglo después de su primer descubrimiento, William R. Rice concluyó que "nada en genética tiene sentido excepto a la luz de los conflictos genómicos". [28]
Aunque los elementos genéticos egoístas muestran una notable diversidad en la forma en que promueven su propia transmisión, se pueden hacer algunas generalizaciones sobre su biología. En una reseña clásica de 2001, Gregory DD Hurst y John H. Werren propusieron dos "reglas" de elementos genéticos egoístas. [4]
La reproducción sexual implica la mezcla de genes de dos individuos. Según la Ley de Segregación de Mendel , los alelos en un organismo que se reproduce sexualmente tienen un 50% de posibilidades de transmitirse de padres a hijos. Por lo tanto, a veces se hace referencia a la meiosis como "justa". [29]
Se espera que los genomas altamente autofertilizantes o asexuales experimenten menos conflictos entre los elementos genéticos egoístas y el resto del genoma del huésped que los genomas sexuales cruzados. [30] [31] [32] Hay varias razones para esto. En primer lugar, el sexo y el cruzamiento introducen elementos genéticos egoístas en nuevos linajes genéticos. Por el contrario, en un linaje altamente egoísta o asexual, cualquier elemento genético egoísta está esencialmente atrapado en ese linaje, lo que debería aumentar la variación en la aptitud entre los individuos. La mayor variación debería dar como resultado una selección purificadora más fuerte en los egoístas/asexuales, ya que un linaje sin los elementos genéticos egoístas debería competir con un linaje con el elemento genético egoísta. En segundo lugar, el aumento de la homocigosidad en los individuos autónomos elimina la oportunidad de competencia entre alelos homólogos. En tercer lugar, el trabajo teórico ha demostrado que el mayor desequilibrio de ligamiento en los genomas de autofecundación en comparación con los de entrecruzamiento puede en algunos casos, aunque bastante limitados, causar selección para tasas de transposición reducidas. [33] En general, este razonamiento conduce a la predicción de que los asexuales/selfers deberían experimentar una menor carga de elementos genéticos egoístas. Una advertencia a este respecto es que la evolución de la autofecundación está asociada con una reducción en el tamaño efectivo de la población . [34] Una reducción en el tamaño efectivo de la población debería reducir la eficacia de la selección y, por lo tanto, conduce a la predicción opuesta: una mayor acumulación de elementos genéticos egoístas en los autocruzadores en relación con los exocruzadores.
La evidencia empírica de la importancia del sexo y el cruzamiento proviene de una variedad de elementos genéticos egoístas, incluidos elementos transponibles, [35] [36] plásmidos autopromocionados, [37] y cromosomas B. [38]
La presencia de elementos genéticos egoístas puede resultar difícil de detectar en poblaciones naturales. En cambio, sus consecuencias fenotípicas a menudo se hacen evidentes en los híbridos. La primera razón de esto es que algunos elementos genéticos egoístas rápidamente se fijan y, por lo tanto, los efectos fenotípicos no se segregarán en la población. Los eventos de hibridación, sin embargo, producirán descendencia con y sin elementos genéticos egoístas y así revelarán su presencia. La segunda razón es que los genomas del huésped han desarrollado mecanismos para suprimir la actividad de los elementos genéticos egoístas, por ejemplo, el pequeño ARN administrado para silenciar los elementos transponibles. [39] La coevolución entre elementos genéticos egoístas y sus supresores puede ser rápida y seguir una dinámica de Reina Roja , que puede enmascarar la presencia de elementos genéticos egoístas en una población. La descendencia híbrida, por otra parte, puede heredar un elemento genético egoísta determinado, pero no el supresor correspondiente y, por tanto, revelar el efecto fenotípico del elemento genético egoísta. [40] [41]
Algunos elementos genéticos egoístas manipulan el proceso de transmisión genética en su propio beneficio y, por tanto, acaban estando sobrerrepresentados en los gametos. Esta distorsión puede ocurrir de varias maneras, y el término general que las abarca todas es distorsión de la segregación. Algunos elementos pueden transmitirse preferentemente en óvulos a diferencia de los cuerpos polares durante la meiosis, donde solo los primeros serán fertilizados y transmitidos a la siguiente generación. Cualquier gen que pueda manipular las probabilidades de terminar en el óvulo en lugar del cuerpo polar tendrá una ventaja de transmisión y aumentará su frecuencia en una población. [5]
La distorsión de la segregación puede ocurrir de varias maneras. Cuando este proceso ocurre durante la meiosis se denomina impulso meiótico . Muchas formas de distorsión de la segregación ocurren en la formación de gametos masculinos, donde existe una mortalidad diferencial de las espermátidas durante el proceso de maduración de los espermatozoides o espermiogénesis . El distorsionador de la segregación (SD) en Drosophila melanogaster es el ejemplo mejor estudiado, e involucra una proteína de la envoltura nuclear Ran-GAP y la matriz de repetición ligada al cromosoma X llamada Responder (Rsp), donde el alelo SD de Ran-GAP favorece su propia transmisión. sólo en presencia de un alelo sensible a Rsp en el cromosoma homólogo. [42] [43] [44] [45] [46] La SD actúa para matar los espermatozoides sensibles a RSP , en un proceso posmeiótico (por lo tanto, no es un impulso meiótico estrictamente hablando). Sistemas como este pueden tener una dinámica interesante de piedra, papel y tijera, oscilando entre los haplotipos SD-RSP insensible , SD+-RSP insensible y SD+-RSP sensible . El haplotipo sensible a SD-RSP no se ve porque esencialmente se suicida. [43]
Cuando la distorsión de la segregación actúa sobre los cromosomas sexuales, puede sesgar la proporción de sexos. El sistema SR en Drosophila pseudoobscura , por ejemplo, está en el cromosoma X, y los machos XSR/Y sólo producen hijas, mientras que las hembras experimentan una meiosis normal con proporciones mendelianas de gametos. [47] [48] Los sistemas de distorsión de la segregación conducirían al alelo favorecido a la fijación, excepto que en la mayoría de los casos en los que se han identificado estos sistemas el alelo impulsado se opone a alguna otra fuerza selectiva. Un ejemplo es la letalidad del haplotipo t en ratones, [49] otro es el efecto sobre la fertilidad masculina del sistema Sex Ratio en D. pseudoobscura . [47]
Un fenómeno estrechamente relacionado con la distorsión de la segregación son las endonucleasas homing . [50] [51] [52] Estas son enzimas que cortan el ADN de una manera específica de secuencia, y esos cortes, generalmente roturas de doble cadena, luego son "curados" por la maquinaria regular de reparación del ADN. Las endonucleasas homing se insertan en el genoma en el sitio homólogo al primer sitio de inserción, lo que da como resultado una conversión de un heterocigoto en un homocigoto que porta una copia de la endonucleasa homing en ambos cromosomas homólogos. Esto da a las endonucleasas dirigidas una dinámica de frecuencia alélica bastante similar a un sistema de distorsión de segregación y, en general, a menos que se oponga a una fuerte selección compensatoria, se espera que se fijen en una población. La tecnología CRISPR-Cas9 permite la construcción artificial de sistemas de endonucleasas homing. Estos sistemas llamados "impulsores genéticos" representan una combinación de gran promesa para el control biológico pero también de riesgos potenciales. [53] [54]
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Los elementos transponibles (TE) incluyen una amplia variedad de secuencias de ADN que tienen la capacidad de moverse a nuevas ubicaciones en el genoma de su huésped. Los transposones hacen esto mediante un mecanismo directo de cortar y pegar, mientras que los retrotransposones necesitan producir un ARN intermedio para moverse. Los TE fueron descubiertos por primera vez en el maíz por Barbara McClintock en la década de 1940 [17] y McClintock también fue el primero en dilucidar su capacidad para ocurrir en estados tanto activos como inactivos en el genoma. [55] Se ha hecho referencia a los TE como elementos genéticos egoístas porque tienen cierto control sobre su propia propagación en el genoma. La mayoría de las inserciones aleatorias en el genoma parecen ser relativamente inocuas, pero pueden alterar funciones genéticas críticas con resultados devastadores. [56] Por ejemplo, los TE se han relacionado con una variedad de enfermedades humanas, que van desde el cáncer hasta la hemofilia. [57] Los TE que tienden a evitar la alteración de funciones vitales en el genoma tienden a permanecer en el genoma por más tiempo y, por lo tanto, es más probable que se encuentren en ubicaciones inocuas. [57]
Tanto los huéspedes vegetales como los animales han desarrollado medios para reducir el impacto de los TE en la aptitud, tanto silenciándolos directamente como reduciendo su capacidad de transposición en el genoma. Parecería que los huéspedes en general son bastante tolerantes a los TE en sus genomas, ya que una porción considerable (30-80%) del genoma de muchos animales y plantas son TE. [58] [59] Cuando el huésped es capaz de detener su movimiento, los TE pueden simplemente congelarse en su lugar, y luego pueden pasar millones de años hasta que muten. La aptitud de un TE es una combinación de su capacidad para expandirse en número dentro de un genoma, para evadir las defensas del huésped, pero también para evitar erosionar demasiado drásticamente la aptitud del huésped. El efecto de los TE en el genoma no es del todo egoísta. Debido a que su inserción en el genoma puede alterar la función genética, a veces esas alteraciones pueden tener un valor positivo para la aptitud del huésped. Muchos cambios adaptativos en Drosophila [60] y perros [61] , por ejemplo, están asociados con inserciones de TE.
Los cromosomas B se refieren a cromosomas que no son necesarios para la viabilidad o fertilidad del organismo, pero que existen además del conjunto normal (A). [62] Persisten en la población y se acumulan porque tienen la capacidad de propagar su propia transmisión independientemente de los cromosomas A. A menudo varían en el número de copias entre individuos de la misma especie.
Los cromosomas B se detectaron por primera vez hace más de un siglo. [ ¿cuando? ] [63] Aunque generalmente son más pequeños que los cromosomas normales, su estructura rica en heterocromatina y pobre en genes los hizo visibles para las primeras técnicas citogenéticas. Los cromosomas B se han estudiado exhaustivamente y se estima que se encuentran en el 15% de todas las especies eucariotas. [64] En general, parecen ser particularmente comunes entre las plantas eudicotiledóneas, raras en los mamíferos y ausentes en las aves. En 1945, fueron el tema del artículo clásico de Gunnar Östergren "Naturaleza parasitaria de los cromosomas extra fragmentados", donde sostiene que la variación en la abundancia de los cromosomas B entre y dentro de las especies se debe a las propiedades parasitarias de los Bs. [14] Esta fue la primera vez que se hizo referencia al material genético como "parásito" o "egoísta". El número de cromosoma B se correlaciona positivamente con el tamaño del genoma [65] y también se ha relacionado con una disminución en la producción de huevos en el saltamontes Eyprepocnemis plorans . [66]
Los conflictos genómicos suelen surgir porque no todos los genes se heredan de la misma manera. Probablemente el mejor ejemplo de esto sea el conflicto entre genes mitocondriales heredados uniparentalmente (normalmente, pero no siempre, maternalmente) y genes nucleares heredados biparentalmente. De hecho, una de las primeras declaraciones claras sobre la posibilidad de un conflicto genómico la hizo el botánico inglés Dan Lewis en referencia al conflicto entre los genes mitocondriales heredados por vía materna y los genes nucleares heredados por biparental sobre la asignación de sexos en plantas hermafroditas . [dieciséis]
Una sola célula normalmente contiene múltiples mitocondrias, lo que crea una situación de competencia por la transmisión. Se ha sugerido que la herencia uniparental es una forma de reducir la oportunidad de que las mitocondrias egoístas se propaguen, ya que garantiza que todas las mitocondrias compartan el mismo genoma, eliminando así la oportunidad de competencia. [27] [67] [68] Esta opinión sigue siendo ampliamente compartida, pero ha sido cuestionada. [69] También se debate mucho por qué la herencia terminó siendo materna, en lugar de paterna, pero una hipótesis clave es que la tasa de mutación es menor en los gametos femeninos en comparación con los masculinos. [70]
El conflicto entre los genes mitocondriales y nucleares es especialmente fácil de estudiar en las plantas con flores. [71] [72] Las plantas con flores son típicamente hermafroditas, [73] y, por lo tanto, el conflicto ocurre dentro de un solo individuo. Los genes mitocondriales normalmente sólo se transmiten a través de gametos femeninos y, por lo tanto, desde su punto de vista, la producción de polen conduce a un callejón sin salida en la evolución. Cualquier mutación mitocondrial que pueda afectar la cantidad de recursos que la planta invierte en las funciones reproductivas femeninas a expensas de las funciones reproductivas masculinas mejora sus propias posibilidades de transmisión. La esterilidad masculina citoplasmática es la pérdida de la fertilidad masculina, generalmente debido a la pérdida de la producción funcional de polen, como resultado de una mutación mitocondrial. [74] En muchas especies donde se produce esterilidad masculina citoplasmática, el genoma nuclear ha desarrollado los llamados genes restauradores, que reprimen los efectos de los genes de esterilidad masculina citoplasmática y restauran la función masculina, convirtiendo a la planta en hermafrodita nuevamente. [75] [76]
La carrera armamentista coevolutiva entre genes mitocondriales egoístas y alelos compensadores nucleares a menudo puede detectarse cruzando individuos de diferentes especies que tienen diferentes combinaciones de genes de esterilidad masculina y restauradores nucleares, lo que da como resultado híbridos con un desajuste. [77]
Otra consecuencia de la herencia materna del genoma mitocondrial es la llamada Maldición de la Madre . [78] Debido a que los genes del genoma mitocondrial se heredan estrictamente por vía materna, las mutaciones que son beneficiosas en las mujeres pueden propagarse en una población incluso si son perjudiciales en los hombres. [79] Los análisis explícitos en moscas de la fruta han identificado con éxito mutaciones del ADNmt que son neutrales para las hembras pero perjudiciales para los machos. [80] [81] Además, un artículo de 2017 mostró cómo una de las Filles du roi que llegó a Quebec, Canadá, en el siglo XVII trajo una mutación mitocondrial que causa la neuropatía óptica hereditaria de Leber , una enfermedad ocular masculina. y posteriormente se extendió entre muchos descendientes. [82]
Otro tipo de conflicto al que se enfrentan los genomas es aquel entre la madre y el padre que compiten por el control de la expresión genética en la descendencia, incluido el silenciamiento completo de un alelo parental. Debido a las diferencias en el estado de metilación de los gametos, existe una asimetría inherente en los genomas maternos y paternos que puede usarse para impulsar una expresión diferencial del padre de origen. Esto da como resultado una violación de las reglas de Mendel a nivel de expresión, no de transmisión, pero si la expresión genética afecta la aptitud física, puede llegar a un resultado similar. [84]
La impronta parece un fenómeno de mala adaptación, ya que esencialmente significa renunciar a la diploidía, y los heterocigotos para un alelo defectuoso están en problemas si el alelo activo es el que está silenciado. Varias enfermedades humanas, como los síndromes de Prader-Willi y Angelman , están asociadas con defectos en genes impresos. La asimetría de la expresión materna y paterna sugiere que algún tipo de conflicto entre estos dos genomas podría estar impulsando la evolución de la impronta. En particular, varios genes en mamíferos placentarios muestran la expresión de genes paternos que maximizan el crecimiento de la descendencia y genes maternos que tienden a mantener ese crecimiento bajo control. Se han propuesto muchas otras teorías basadas en conflictos sobre la evolución de la impronta genómica. [85] [86]
Al mismo tiempo, el conflicto genómico o sexual no son los únicos mecanismos posibles por los que puede evolucionar la impronta. [84] Se han descrito varios mecanismos moleculares para la impronta genómica, y todos tienen el aspecto de que los alelos derivados de la madre y del padre tienen marcas epigenéticas distintas, en particular el grado de metilación de las citosinas. Un punto importante a tener en cuenta con respecto a la impronta genómica es que es bastante heterogénea, con diferentes mecanismos y diferentes consecuencias de tener una expresión de origen único. Por ejemplo, examinar el estado de impronta de especies estrechamente relacionadas permite ver que un gen que se mueve mediante una inversión hacia las proximidades de genes impresos puede adquirir un estado de impronta, incluso si no hay ninguna consecuencia particular de aptitud de la impronta. [84]
Un gen de barba verde es un gen que tiene la capacidad de reconocer copias de sí mismo en otros individuos y luego hacer que su portador actúe preferentemente hacia dichos individuos. El nombre en sí proviene del experimento mental presentado por primera vez por Bill Hamilton [87] y luego fue desarrollado y le dio su nombre actual por Richard Dawkins en The Selfish Gene. El objetivo del experimento mental era resaltar que desde el punto de vista de un gen, lo que importa no es la relación en todo el genoma (que es normalmente como opera la selección de parentesco, es decir, el comportamiento cooperativo se dirige hacia los parientes), sino la relación en el nivel locus particular que subyace al comportamiento social. [8] [87]
Siguiendo a Dawkins, una barba verde generalmente se define como un gen, o un conjunto de genes estrechamente relacionados, que tiene tres efectos: [88]
Durante mucho tiempo se pensó que los barbas verdes eran una idea teórica divertida, con posibilidades limitadas de que realmente existieran en la naturaleza. Sin embargo, desde su concepción, se han identificado varios ejemplos, incluso en levaduras, [89] mohos mucilaginosos, [90] y hormigas bravas. [91]
Ha habido cierto debate sobre si los genes de barba verde deberían considerarse elementos genéticos egoístas. [92] [93] [94] El conflicto entre un locus de barba verde y el resto del genoma puede surgir porque durante una determinada interacción social entre dos individuos, la relación en el locus de barba verde puede ser mayor que en otros loci del genoma. Como consecuencia, puede que al locus de barba verde le interese realizar un acto social costoso, pero no al resto del genoma. [94]
Junto con elementos genéticos egoístas, la selección de barba verde también se ha utilizado como explicación teórica del suicidio. [95]
Quizás una de las formas más claras de ver que el proceso de selección natural no siempre tiene la aptitud del organismo como único impulsor es cuando los elementos genéticos egoístas se salen con la suya sin restricciones. En tales casos, los elementos egoístas pueden, en principio, provocar la extinción de especies. Esta posibilidad ya fue señalada en 1928 por Sergey Gershenson [13] y luego, en 1967, Bill Hamilton [96] desarrolló un modelo genético poblacional formal para un caso de distorsión de la segregación de los cromosomas sexuales que llevó a una población a la extinción. En particular, si un elemento egoísta fuera capaz de dirigir la producción de espermatozoides, de modo que los machos que portan el elemento en el cromosoma Y produjeran un exceso de espermatozoides portadores de Y, entonces, en ausencia de cualquier fuerza compensatoria, esto en última instancia daría como resultado en el cromosoma Y se fija en la población, produciendo una proporción de sexos extremadamente sesgada hacia los hombres. En especies con problemas ecológicos, estas proporciones de sexos sesgadas implican que la conversión de recursos en descendencia se vuelve muy ineficiente, hasta el punto de correr el riesgo de extinción. [97]
Se ha demostrado que elementos genéticos egoístas desempeñan un papel en la especiación . [40] [41] [98] Esto podría suceder porque la presencia de elementos genéticos egoístas puede resultar en cambios en la morfología y/o la historia de vida, pero las formas en que la coevolución entre elementos genéticos egoístas y sus supresores pueden causar aislamiento reproductivo a través de las llamadas incompatibilidades Bateson-Dobzhansky-Muller ha recibido especial atención.
Un ejemplo sorprendente de disgenesia híbrida inducida por un elemento genético egoísta fue el elemento P en Drosophila . [99] [100] Si los machos que portaban el elemento P se cruzaban con hembras que carecían de él, la descendencia resultante sufría una aptitud física reducida. Sin embargo, la descendencia del cruce recíproco fue normal, como era de esperar ya que los ARNpi se heredan por vía materna. El elemento P suele estar presente sólo en cepas silvestres, y no en cepas de laboratorio de D. melanogaster , ya que estas últimas se recolectaron antes de que los elementos P se introdujeran en la especie, probablemente de una especie de Drosophila estrechamente relacionada . La historia del elemento P es también un buen ejemplo de cómo la rápida coevolución entre elementos genéticos egoístas y sus silenciadores puede conducir a incompatibilidades en escalas de tiempo evolutivas cortas, tan solo en unas pocas décadas. [40]
Desde entonces se han demostrado varios otros ejemplos de elementos genéticos egoístas que causan aislamiento reproductivo. El cruce de diferentes especies de Arabidopsis da como resultado una mayor actividad de los elementos transponibles [101] y una interrupción en la impronta, [102] los cuales se han relacionado con una reducción de la aptitud en los híbridos resultantes. También se ha demostrado que la disgenesia híbrida es causada por un impulso centromérico en la cebada [103] y en varias especies de angiospermas por un conflicto mitonuclear. [104]
Los intentos de comprender la extraordinaria variación en el tamaño del genoma ( valor C ) (los animales varían 7.000 veces y las plantas terrestres unas 2.400 veces) tienen una larga historia en biología. [105] Sin embargo, esta variación está poco correlacionada con el número de genes o cualquier medida de la complejidad del organismo, lo que llevó a CA Thomas a acuñar el término paradoja del valor C en 1971. [106] El descubrimiento del ADN no codificante resolvió parte de la paradoja. , y la mayoría de los investigadores actuales utilizan ahora el término "enigma del valor C". [107]
Se ha demostrado que dos tipos de elementos genéticos egoístas en particular contribuyen a la variación del tamaño del genoma: los cromosomas B y los elementos transponibles. [65] [108] La contribución de los elementos transponibles al genoma está especialmente bien estudiada en plantas. [58] [59] [109] Un ejemplo sorprendente es cómo el genoma del organismo modelo Arabidopsis thaliana contiene el mismo número de genes que el de la picea noruega ( Picea abies ), alrededor de 30.000, pero la acumulación de transposones significa que el genoma de este último es unas 100 veces mayor. También se ha demostrado que la abundancia de elementos transponibles causa los genomas inusualmente grandes que se encuentran en las salamandras. [110]
La presencia de una abundancia de elementos transponibles en muchos genomas eucariotas fue un tema central de los artículos originales sobre ADN egoísta mencionados anteriormente (ver Desarrollos conceptuales). La mayoría de la gente aceptó rápidamente el mensaje central de esos artículos: que la existencia de elementos transponibles puede explicarse mediante una selección egoísta a nivel genético y que no hay necesidad de invocar una selección a nivel individual. Sin embargo, en algunos sectores persiste la idea de que los organismos mantienen elementos transponibles como reservorio genético para "acelerar la evolución" o para otras funciones reguladoras. [111] En 2012, cuando el Proyecto ENCODE publicó un artículo que afirmaba que al 80% del genoma humano se le puede asignar una función, una afirmación interpretada por muchos como la muerte de la idea del ADN basura , este debate se reavivó. [112] [113]
Un problema común para los fitomejoradores es la autofecundación no deseada. Esto es particularmente un problema cuando los criadores intentan cruzar dos cepas diferentes para crear una nueva cepa híbrida. Una forma de evitar esto es la castración manual, es decir, la eliminación física de las anteras para esterilizar al macho individual. La esterilidad masculina citoplasmática ofrece una alternativa a este laborioso ejercicio. [114] Los criadores cruzan una cepa que porta una mutación de esterilidad masculina citoplasmática con una cepa que no la porta, actuando esta última como donante de polen. Si la descendencia híbrida se va a cosechar para obtener su semilla (como el maíz) y, por lo tanto, debe ser masculinamente fértil, las cepas parentales deben ser homocigotas para el alelo restaurador. Por el contrario, en especies que se cosechan por sus partes vegetales, como las cebollas, esto no es un problema. Esta técnica se ha utilizado en una amplia variedad de cultivos, incluidos arroz, maíz, girasol, trigo y algodón. [115]
Si bien muchos elementos transponibles parecen no ser útiles para el huésped, algunos elementos transponibles han sido "domesticados" por los biólogos moleculares de modo que se pueda hacer que los elementos se inserten y se extirpen a voluntad del científico. Estos elementos son especialmente útiles para realizar manipulaciones genéticas, como insertar ADN extraño en los genomas de una variedad de organismos. [116]
Un excelente ejemplo de esto es PiggyBac , un elemento transponible que puede moverse eficientemente entre vectores de clonación y cromosomas mediante un mecanismo de "cortar y pegar". [117] El investigador construye un elemento PiggyBac con la carga útil deseada empalmada, y un segundo elemento (la transposasa PiggyBac), ubicado en otro vector plasmídico, se puede cotransfectar en la célula objetivo. La transposasa PiggyBac corta en las secuencias repetidas terminales invertidas ubicadas en ambos extremos del vector PiggyBac y mueve eficientemente el contenido de los sitios originales y los integra en posiciones cromosómicas donde se encuentra la secuencia TTAA. Las tres cosas que hacen que PiggyBac sea tan útil son la extraordinariamente alta eficiencia de esta operación de cortar y pegar, su capacidad para aceptar cargas útiles de hasta 200 kb de tamaño y su capacidad para dejar un corte perfecto y sin fisuras de un sitio genómico, sin dejar ningún rastro. secuencias o mutaciones detrás. [118]
CRISPR permite la construcción de endonucleasas homing artificiales, donde la construcción produce ARN guía que cortan el gen objetivo, y las secuencias flanqueantes homólogas permiten la inserción de la misma construcción que alberga el gen Cas9 y los ARN guía. Dichos impulsores genéticos deberían tener la capacidad de propagarse rápidamente en una población (ver Sistemas de impulsores genéticos), y una aplicación práctica de dicho sistema que se ha propuesto es aplicarlo a una población de plagas, reduciendo en gran medida su número o incluso impulsando está extinto. [54] Esto aún no se ha intentado en el campo, pero se han probado construcciones de impulso genético en el laboratorio y se ha demostrado la capacidad de insertarse en el alelo homólogo de tipo salvaje en heterocigotos para el impulso genético. [53] Desafortunadamente, la rotura de doble cadena introducida por Cas9 se puede corregir mediante reparación dirigida por homología , que haría una copia perfecta de la unidad, o mediante unión de extremos no homólogos , que produciría alelos "resistentes" incapaces de propagarse aún más. Cuando Cas9 se expresa fuera de la meiosis, parece que predomina la unión de extremos no homólogos, lo que convierte a este en el mayor obstáculo para la aplicación práctica de los impulsores genéticos. [119]
Gran parte de la confusión respecto de las ideas sobre elementos genéticos egoístas se centra en el uso del lenguaje y la forma en que se describen los elementos y su dinámica evolutiva. [120] Los modelos matemáticos permiten dar los supuestos y las reglas a priori para establecer afirmaciones matemáticas sobre la dinámica esperada de los elementos en las poblaciones. Las consecuencias de tener tales elementos en los genomas podrán entonces explorarse objetivamente. Las matemáticas pueden definir muy claramente las diferentes clases de elementos por su comportamiento preciso dentro de una población, evitando cualquier palabrería que distraiga sobre las esperanzas y deseos internos de genes egoístas y codiciosos. Hay muchos buenos ejemplos de este enfoque, y este artículo se centra en los distorsionadores de la segregación, los sistemas de impulso genético y los elementos transponibles. [120]
El alelo t del ratón es un ejemplo clásico de un sistema distorsionador de la segregación que ha sido modelado con gran detalle. [49] [121] Los heterocigotos para un haplotipo t producen >90% de sus gametos que llevan la t (consulte Distorsionadores de la segregación), y los homocigotos para un haplotipo t mueren como embriones. Esto puede dar como resultado un polimorfismo estable, con una frecuencia de equilibrio que depende de la fuerza del impulso y de los impactos directos en la aptitud de los haplotipos t. Este es un tema común en las matemáticas de los distorsionadores de la segregación: prácticamente todos los ejemplos que conocemos implican un efecto selectivo compensatorio, sin el cual el alelo con transmisión sesgada se fijaría y la distorsión de la segregación ya no se manifestaría. Siempre que los cromosomas sexuales sufren una distorsión de la segregación, la proporción de sexos de la población se altera, lo que hace que estos sistemas sean particularmente interesantes. Dos ejemplos clásicos de distorsión de la segregación que involucran cromosomas sexuales incluyen los cromosomas X de "proporción sexual" de Drosophila pseudoobscura [47] y los supresores del impulso del cromosoma Y de Drosophila mediopunctata . [122] Un punto crucial sobre la teoría de los distorsionadores de la segregación es que el hecho de que haya efectos de aptitud que actúen contra el distorsionador no garantiza que habrá un polimorfismo estable. De hecho, algunos impulsores de los cromosomas sexuales pueden producir dinámicas de frecuencia con oscilaciones y ciclos salvajes. [123]
La idea de difundir un gen en una población como medio de control poblacional es en realidad bastante antigua, y los modelos de la dinámica de los cromosomas compuestos introducidos se remontan a la década de 1970. [124] Posteriormente, la teoría de la genética de poblaciones para las endonucleasas localizadas y los impulsores genéticos basados en CRISPR se ha vuelto mucho más avanzada. [50] [125] Un componente importante del modelado de estos procesos en poblaciones naturales es considerar la respuesta genética en la población objetivo. Por un lado, cualquier población natural albergará una variación genética permanente, y esa variación bien podría incluir polimorfismo en las secuencias homólogas a los ARN guía, o los brazos de homología que están destinados a dirigir la reparación. Además, diferentes huéspedes y diferentes construcciones pueden tener tasas bastante diferentes de unión de extremos no homólogos, la forma de reparación que resulta en alelos rotos o resistentes que ya no se propagan. La acomodación total de los factores del huésped presenta un desafío considerable para lograr que una construcción de impulso genético llegue a la fijación, y Unckless y colegas [126] muestran que, de hecho, las construcciones actuales están bastante lejos de poder alcanzar incluso frecuencias moderadas en poblaciones naturales. Este es otro excelente ejemplo que muestra que sólo porque un elemento parece tener una fuerte ventaja de transmisión egoísta, el hecho de que pueda propagarse con éxito puede depender de configuraciones sutiles de otros parámetros en la población. [125]
Para modelar la dinámica de los elementos transponibles (TE) dentro de un genoma, hay que darse cuenta de que los elementos se comportan como una población dentro de cada genoma y pueden saltar de un genoma haploide a otro mediante transferencia horizontal. Las matemáticas tienen que describir las tasas y dependencias de estos eventos de transferencia. Desde el principio se observó que la tasa de salto de muchos TE varía con el número de copias, por lo que los primeros modelos simplemente utilizaron una función empírica para la tasa de transposición. Esto tenía la ventaja de que podía medirse mediante experimentos en el laboratorio, pero dejaba abierta la cuestión de por qué la tasa difiere entre elementos y difiere con el número de copias. Stan Sawyer y Daniel L. Hartl [127] ajustaron modelos de este tipo a una variedad de TE bacterianos y obtuvieron ajustes bastante buenos entre el número de copias y la tasa de transmisión y la incidencia de los TE en toda la población. Los TE en organismos superiores, como Drosophila , tienen una dinámica muy diferente debido al sexo, y Brian Charlesworth , Deborah Charlesworth , Charles Langley, John Brookfield y otros [33] [128] [129] modelaron la evolución del número de copias de TE en Drosophila y otras especies. . Lo impresionante de todos estos esfuerzos de modelización es lo bien que se ajustaron a los datos empíricos, dado que esto fue décadas antes de que se descubriera el hecho de que la mosca huésped tiene un poderoso mecanismo de defensa en forma de piRNA. La incorporación de la defensa del huésped junto con la dinámica de TE en los modelos evolutivos de regulación de TE está todavía en su infancia. [130]
Este artículo fue adaptado de la siguiente fuente bajo una licencia CC BY 4.0 (2018) (informes de los revisores): J Arvid Ågren; Andrew G. Clark (15 de noviembre de 2018). "Elementos genéticos egoístas". PLOS Genética . 14 (11): e1007700. doi :10.1371/JOURNAL.PGEN.1007700. ISSN 1553-7390. PMC 6237296 . PMID 30439939. Wikidata Q59508983.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: DOI gratuito sin marcar ( enlace )
{{citation}}: Falta o está vacío |url=( ayuda ){{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )