La purga genética es la mayor presión de la selección natural contra los alelos deletéreos provocada por la endogamia . [1]
La purga se produce porque los alelos deletéreos tienden a ser recesivos, lo que significa que solo expresan todos sus efectos nocivos cuando están presentes en las dos copias del individuo (es decir, en homocigosis). Durante la endogamia, a medida que los individuos relacionados se aparean, producen descendencia que tiene más probabilidades de ser homocigota, de modo que los alelos deletéreos expresan todos sus efectos nocivos con mayor frecuencia, lo que hace que los individuos sean menos aptos. Esos individuos menos aptos transmiten menos copias de sus genes a las generaciones futuras. En otros términos, la selección natural purga los alelos deletéreos recesivos en los individuos endogámicos .
La purga reduce tanto el número total de alelos recesivos deletéreos como la disminución de la aptitud media causada por la endogamia (la depresión endogámica de la aptitud).
El término "purga" se utiliza a veces para la selección contra alelos nocivos de forma general. Se evitaría la ambigüedad si se utilizara " selección purificadora " en ese contexto general y se reservara "purga" para su significado más estricto, definido anteriormente.
Los alelos deletéreos que se segregan en poblaciones de organismos diploides tienen una notable tendencia a ser, al menos, parcialmente recesivos. Esto significa que, cuando se dan en homocigosis (copias dobles), reducen la aptitud en más del doble que cuando se dan en heterocigosis (copia única). En otras palabras, parte de su potencial efecto deletéreo está oculto en la heterocigosis pero se expresa en la homocigosis, de modo que la selección es más eficiente contra ellos cuando se dan en homocigosis. Dado que la endogamia aumenta la probabilidad de ser homocigoto, aumenta la fracción del potencial efecto deletéreo que se expresa y, por lo tanto, se expone a la selección. Esto provoca cierto aumento en la presión selectiva contra los alelos deletéreos (parcialmente) recesivos, lo que se conoce como purga. Por supuesto, también causa cierta reducción en la aptitud, lo que se conoce como depresión endogámica .
La purga puede reducir la frecuencia media de alelos deletéreos en el genoma por debajo del valor esperado en una población no endogámica durante largos períodos [2] , lo que reduce el impacto negativo de la endogamia en la aptitud. Si la endogamia se debe solo al apareamiento aleatorio en una población finita, debido a la purga, la aptitud media disminuye menos de lo que se esperaría solo por endogamia y, después de un cierto descenso inicial, incluso puede recuperarse hasta casi su valor anterior a la endogamia. Otra consecuencia es la reducción de la llamada carga endogámica. Esto significa que, después de la purga, se espera que la endogamia posterior sea menos dañina. La eficiencia de la purga se reduce por la deriva genética y, por lo tanto, a largo plazo, la purga es menos eficiente en poblaciones más pequeñas [1] . La purga puede aumentar si los individuos se aparean con parientes con más frecuencia de lo esperado por apareamiento aleatorio.
La consideración de la purga a la hora de predecir la depresión endogámica es importante en genética evolutiva, porque la disminución de la aptitud causada por la endogamia puede ser determinante en la evolución de la diploidía , la reproducción sexual y otras características biológicas principales. También es importante en la cría de animales y, por supuesto, en la genética de la conservación , porque la depresión endogámica puede ser un factor relevante que determine el riesgo de extinción de poblaciones en peligro, y porque los programas de conservación pueden permitir cierto manejo de la cría para controlar la endogamia. [3]
En resumen: debido a la purga, la depresión endogámica no depende de la medida estándar de endogamia (coeficiente de endogamia de Wright F ), ya que esta medida solo se aplica a alelos neutros . En cambio, la disminución de la aptitud depende del "coeficiente de endogamia purgado" g , que tiene en cuenta cómo se están purgando los alelos deletéreos.
La purga reduce la depresión endogámica de dos maneras: primero, retarda su progreso; segundo, reduce la depresión endogámica general esperada a largo plazo. Cuanto más lento sea el progreso de la endogamia, más eficiente será la purga.
En ausencia de selección natural, se esperaría que la aptitud media disminuyera exponencialmente a medida que aumenta la endogamia, donde la endogamia se mide utilizando el coeficiente de endogamia de Wright F [4] (la razón por la que la disminución es exponencial en F en lugar de lineal es simplemente que la aptitud generalmente se considera un rasgo multiplicativo). La tasa a la que la aptitud disminuye a medida que aumenta F (la tasa de depresión endogámica δ ) depende de las frecuencias y los efectos nocivos de los alelos presentes en la población antes de la endogamia.
El coeficiente F anterior es la medida estándar de endogamia y da la probabilidad de que, en cualquier locus neutral dado, un individuo haya heredado dos copias de un mismo gen de un ancestro común (es decir, la probabilidad de ser homocigoto "por descendencia"). En condiciones simples, F se puede calcular fácilmente en términos de tamaño de la población o de información genealógica. F se denota a menudo utilizando minúsculas ( f ), pero no debe confundirse con el coeficiente de coancestría.
Sin embargo, la predicción anterior sobre la disminución de la aptitud rara vez se aplica, ya que se dedujo asumiendo que no hubo selección, y la aptitud es precisamente el rasgo objetivo de la selección natural . Por lo tanto, el coeficiente de endogamia de Wright F para loci neutrales no se aplica a alelos deletéreos, a menos que la endogamia aumente tan rápido que el cambio en la frecuencia de los genes esté gobernado solo por un muestreo aleatorio (es decir, por la deriva genética ).
Por lo tanto, según el modelo, la disminución de la aptitud puede predecirse utilizando, en lugar del coeficiente de endogamia estándar F , un "coeficiente de endogamia purgado" ( g ) que da la probabilidad de ser homocigoto por descendencia para alelos deletéreos (parcialmente) recesivos, teniendo en cuenta cómo se reduce su frecuencia por la purga. [1] Debido a la purga, la aptitud disminuye al mismo ritmo δ que en ausencia de selección, pero como una función de g en lugar de F .
Este coeficiente de endogamia depurado g también se puede calcular, con una buena aproximación, utilizando expresiones simples en términos del tamaño de la población o de la genealogía de los individuos (véase el CUADRO 1). Sin embargo, esto requiere cierta información sobre la magnitud de los efectos nocivos que están ocultos en la condición heterocigótica pero que se expresan en la homocigosis. Cuanto mayor sea esta magnitud, denominada coeficiente de depuración d , más eficiente será la depuración.
Una propiedad interesante de la purga es que, durante la endogamia, mientras que F aumenta acercándose a un valor final F = 1 , g puede acercarse a un valor final mucho menor. Por lo tanto, no es solo que la purga frene la disminución de la aptitud, sino que también reduce la pérdida general de aptitud producida por la endogamia a largo plazo. Esto se ilustra a continuación para el caso extremo de depresión endogámica causada por letales recesivos, que son alelos que causan la muerte antes de la reproducción pero solo cuando ocurren en homocigosis. La purga es menos efectiva contra alelos levemente deletéreos que contra los letales pero, en general, cuanto más lento es el aumento de la endogamia F , menor se vuelve el valor final del coeficiente de endogamia purgado g y, por lo tanto, la reducción final en la aptitud. Esto implica que, si la endogamia progresa lo suficientemente lento, no se espera una depresión endogámica relevante a largo plazo. Esto implica, por ejemplo, que la aptitud física promedio de una población que ha sido moderadamente pequeña durante mucho tiempo puede ser muy similar a la de una población grande con mayor diversidad genética. En genética de la conservación, sería muy útil determinar la tasa máxima de aumento de la endogamia que permita una depuración tan eficiente.
Consideremos una gran población no endogámica con una aptitud media W. Luego, el tamaño de la población se reduce a un nuevo valor más pequeño N (de hecho, aquí se debería utilizar el tamaño efectivo de la población ), lo que lleva a un aumento progresivo de la endogamia.
Entonces, la depresión endogámica ocurre a una tasa δ , debido a alelos deletéreos (parcialmente) recesivos que estaban presentes en frecuencias bajas en diferentes loci. Esto significa que, en ausencia de selección, el valor esperado para la aptitud media después de t generaciones de endogamia sería:
donde es la media poblacional del coeficiente de endogamia de Wright después de t generaciones de endogamia. [4]
Sin embargo, dado que la selección opera sobre la aptitud, la aptitud media debería predecirse teniendo en cuenta tanto la endogamia como la purga, como
En la ecuación anterior, es el "coeficiente de endogamia depurado" promedio después de t generaciones de endogamia. [1] Depende del "coeficiente de depuración" d , que representa los efectos nocivos que están ocultos en la heterocigosis pero expuestos en la homocigosis.
El "coeficiente de endogamia depurado" promedio se puede aproximar utilizando la expresión recurrente
También existen ecuaciones predictivas que se pueden utilizar con información genealógica.
Como ejemplo de purga genética, considere una población grande donde hay alelos recesivos letales que se segregan con una frecuencia muy baja en muchos loci, de modo que cada gameto lleva en promedio uno de estos alelos. Aunque alrededor del 63% de los gametos llevan al menos uno de estos alelos letales, casi ningún individuo lleva dos copias del mismo letal. Por lo tanto, dado que los letales se consideran completamente recesivos (es decir, son inofensivos en heterocigosis), casi no causan muertes. Ahora suponga que el tamaño de la población se reduce a un valor pequeño (digamos N = 10), y permanece así de pequeño durante muchas generaciones. A medida que aumenta la endogamia, la probabilidad de ser homocigoto para uno (o más) de estos alelos letales también aumenta, lo que hace que la aptitud disminuya. Sin embargo, a medida que esos letales comienzan a ocurrir en homocigosis, la selección natural comienza a purgarlos. La figura de la derecha muestra la disminución esperada de la aptitud en relación con el número de generaciones, teniendo en cuenta solo el aumento de la endogamia F (línea roja), o tanto la endogamia como la purga (línea azul, calculada utilizando el coeficiente de endogamia purgado g ). Este ejemplo muestra que la purga puede ser muy eficiente para prevenir la depresión endogámica. Sin embargo, para alelos deletéreos no letales, la eficiencia de la purga sería menor y puede requerir poblaciones más grandes para superar la deriva genética.
La depresión endogámica y la purga desempeñan un papel importante en la evolución de los sistemas reproductivos. Por ejemplo, determinan cuándo la autofecundación resulta ventajosa en comparación con la exogamia. [5] [6] Otro ejemplo es la renovación genómica en levaduras. Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces paradoxus tienen un ciclo de vida que alterna entre largos períodos de reproducción asexual como diploide, que termina en meiosis que suele seguir inmediatamente a la autofecundación , con solo una rara exogamia . [7] Las mutaciones deletéreas recesivas se acumulan durante la fase de expansión diploide y se purgan durante la autofecundación: esta purga se ha denominado "renovación genómica". [8] [9]
Cuando una población previamente estable sufre endogamia, si nada más cambia, la selección natural debería consistir principalmente en purgas. Las consecuencias conjuntas de la endogamia y las purgas sobre la aptitud varían dependiendo de muchos factores: la historia previa de la población, la tasa de aumento de la endogamia, la dureza del entorno o de las condiciones competitivas, etc. Los efectos de las purgas fueron observados por primera vez por Darwin [10] en plantas, y han sido detectados en experimentos de laboratorio y en poblaciones de vertebrados que sufren endogamia en zoológicos o en la naturaleza, así como en humanos. [11] La detección de las purgas a menudo se ve oscurecida por muchos factores, pero hay evidencia consistente de que, de acuerdo con las predicciones explicadas anteriormente, la endogamia lenta da como resultado una purga más eficiente, de modo que una F de endogamia dada conduce a una menor amenaza para la viabilidad de la población si se ha producido más lentamente. [12] [13]
Sin embargo, en situaciones prácticas, el cambio genético en la aptitud depende también de muchos otros factores, además de la endogamia y la purga. Por ejemplo, la adaptación a condiciones ambientales cambiantes a menudo causa cambios genéticos relevantes durante la endogamia. Además, si la endogamia se debe a una reducción en el tamaño de la población, la selección contra nuevas mutaciones deletéreas puede volverse menos eficiente, y esto puede inducir un declive adicional de la aptitud a mediano y largo plazo.
Además, parte de la depresión endogámica podría no deberse a alelos deletéreos, sino a una ventaja intrínseca de ser heterocigoto en comparación con ser homocigoto para cualquier alelo disponible, lo que se conoce como sobredominancia. La depresión endogámica causada por la sobredominancia no se puede eliminar, pero parece ser una causa menor de la depresión endogámica general, aunque su importancia real aún es un tema de debate. [14]
Por lo tanto, predecir la evolución real de la aptitud durante la endogamia es muy difícil. Sin embargo, el componente de disminución de la aptitud esperado a partir de la endogamia y la purga de alelos deletéreos podría predecirse utilizando g .
Comprender la purga genética y predecir sus consecuencias es de gran importancia en la genética evolutiva y de la conservación. Las poblaciones en peligro de extinción suelen sufrir endogamia debido a su reducido número, y la purga puede desempeñar un papel relevante en la determinación de su riesgo de extinción y el éxito de las estrategias de conservación. [15]
![{\displaystyle g_{t}=\left[\left(1-{\frac {1}{2N}}\right)g_{t-1}+{\frac {1}{2N}}\right]\left[1-2dF_{t-1}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/79f5343c6d07102ddc3f1066b12a9880094ce9c7)