Biología evolutiva. Bloque 1.

Tema 1. Mecanismos Genéticos de la Evolución.

Evolución adaptativa por selección natural.

El razomaniento de Darwin se basa en tres premisas y dos conclusiones.

1. Las poblaciones presentan una gran capacidad reproductora potencial que las haría

crecer indefinidamente. (Trabajos de Malthus).

2. Los recursos disponibles para las poblaciones son limitados.

Se deduce que en las poblaciones se genera una competición entre sus miembros por

conseguir recursos es lo que se conoce como la lucha por la supervivencia y determina que

solo una parte de los individuos de la población consiga llegar a la edad madura y dejar

descendientes, existe por tanto selección a favor de los individuos más aptos y de ahí la tercera

premisa.

3. La variabilidad observada entre los individuos de una población para ciertos caracteres

debe tener una base genética, es decir, variabilidad genética.

Entonces los individuos seleccionados dejarán más descendencia y con ellos más genes a la

siguiente generación, la cual tendrá una composición genética en la que estarán más

representados aquellos caracteres que favorecen la aptitud de sus individuos portadores. A

este proceso es lo que Darwin llamó selección natural y que era capaz de originar nuevas

especies.

A este razonamiento llegó también el naturalista Alfred Wallace pero Darwin lo dejó plasmado

antes en su libro El origen de las especies donde intenta explicar lo que había descubierto pero

existía mucho escepticismo que se fundamentaba básicamente en el desconocimiento de la

naturaleza genética de la variabilidad y de las leyes de transmisión hereditaria. Una vez

descubiertas las leyes de Mendel se pudo demostrar la fuerza de la selección natural para el

cambio evolutivo y nació la síntesis neodarwinista que integró la teoría de Darwin y la teoría

moderna de la herencia (principios del s. XX.).

Conceptos clave:

- La unidad evolutiva es la población.

- Se conoce como población mendeliana al grupo de individuos que comparten en el

tiempo y en el espacio un acervo genético común. (especies con reproducción sexual).

- Evolución: transformación progresiva de la variabilidad intrapoblacional heredable que

existe en un momento dado en el cambio temporal y diversidad entre poblaciones y

especies.

- Los agentes esenciales del cambio evolutivo son: mutación, la cual es imprescindible,

azar y adaptación por selección natural.

Variabilidad genética poblacional. Un carácter, un locus.

Conceptos clave

- Población panmíctica: población en la sus miembros se aparean al azar.

- Equilibrio de Hardy-Weinberg: estado de una población panmíctica, sometida

exclusivamente a las leyes de la transmisión mendeliana, en que las frecuencias

génicas y genotípicas se mantienen constantes.

Ley de Hardy – Weinberg

Cuando hay ausencia de cambio genético y se produce:

- Censo infinito.

- Ausencia de selección, mutación y migración.

- Apareamientos al azar, panmixia.

- Frecuencias génicas iguales en machos y hembras (solo tiene importancia en

poblaciones grandes).

Las frecuencias génicas permanecen constantes y en una generación, se alcanza un equilibrio

en que las frecuencias genotípicas son función de las génicas:

Donde f(A)= p y F(a)= q son las frecuencias de los genes A y a; y p² , q² y 2pq son las

frecuencias genotípicas AA, Aa y aa.

Para comprobar el equilibrio, a veces solo hay datos de una generación y se puede comprobar

mediante un test estadístico de X²:

X²= Ʃ

Probabilidades del alelo A₁ y A₂

Situación de equilibrio H-W.

Ejemplo:

Genotipos de una población:

MM: 830 MN: 160 NN: 990

Cálculos de las frecuencias génicas:

f (M) = f (MM) +

f(MN) =

Igual para f(N) = 0,5404. A partir de estas, calculamos las frecuencias genotípicas esperadas en

el equilibrio H-W:

Para saber el número de individuos esperados de cada genotipo multiplicamos el total de

individuos por las frecuencias genotípicas y da:

MM= 418,176 MN= 983,664 NN= 578,160

Estos valores difieren de los observados y se realiza el test estadístico:

Tiene un grado de libertad y el grado de libertad es siempre el numero de sumandos del

estadístico menos uno y menos el total de parámetros estimados (suele ser 1 parámetro).

Con un grado de libertad y con un nivel de significación del 0,05 tiene un valor significativo

porque excede del valor crítico de 3.841 y por tanto no está en eq H-W. Se han obtenido

menos heterocigotos de los esperados y su causa puede ser que falla la panmixia porque la

población está dividida o estructurada de alguna forma.

Hemos supuesto que las frecuencias génicas eran iguales en machos y hembras pero si esto

no es así el eq se retrasa una generación.

Medidas de la diversidad para un locus

- % de loci polimórficos: que % de loci son polimórficos.

- Heterocigosidad (H₀): es la heterocigosidad observada promediada de los loci que se

están observando.

- Heterocigosidad esperada: equilibrio de H-W

Para dos alelos la H= 0,5 y no puede valer más ya que p= ½ y q= ½.

- Diversidad alélica: promedio del número de alelos que segrega cada loci.

Equilibrio genético en un sistema multilocus

Para entender la evolución de muchos caracteres es preciso considerar simultáneamente los

distintos loci que determinan un mismo carácter. El equilibrio de H-W no puede extenderse a

los sistemas multilocus porque el equilibrio de cada locus individual no implica equilibrio de las

frecuencias genotípicas en estos sistemas. Las poblaciones presentan muchas veces una

distribución de genotipos multilocus en desequilibrio debido a causas diversas como

disminuciones en el tamaño de la población que genera desviaciones al azar del eq o el efecto

de la selección sobre combinaciones génicas favorables. Este desequilibrio se traduce en

excesos y defectos de gametos respecto a lo que esperaríamos en el eq.

Desequilibrio gamético

Las frecuencias observadas para cada gameto diferirán en general, de las esperadas por

apareamiento al azar en un valor que llamaremos D, coeficiente de desequilibrio o de

ligamiento.

Dos loci: locus A y locus B

Locus A: A₁A₂ Locus B: B₁B₂

Frecuencias alélicas:

A1= p B1= r

A2= q B2 = s

Frecuencias gaméticas esperadas: E (G)

E (G)

Cálculo de D:

- =

Representa el desequilibrio en la fase gamética y expresa el exceso de ese cierto gameto:

gametos de más, D= +, gametos de menos D = -. Si D=0, G corresponde al muestreo

independiente de un alelo A y otro alelo B estén o no ligados. t

En las condiciones de eq de H-W:

Donde c es la fracción de recombinación o los gametos recombinantes.

c> ½ están ligados y el desequilibrio gamético disminuye según aumenta C

C< ½ no están ligados y el equilibrio gamético tarda mas generaciones en producirse.

C = 0,5 coeficiente de recombinación máximo y D = 0,25 desequilibrio máximo.

Tema 2. Genética Poblacional de los Caracteres Cuantitativos.

Conceptos clave

- Carácter cuantitativo: es aquel en que las diferencias fenotípicas medias entre

genotipos son pequeñas y del mismo orden que la variación entre individuos con un

genotipo común. Por ello el carácter cuantitativo exhibe, cuando es medido, una

distribución continua de valores numéricos.

- Pleiotropía: se dice de un gen que tiene efecto pleiotrópico cuando su expresión afecta

a más de un carácter.

- Heredabilidad: propiedad de un carácter cuantitativo en una población que expresa la

proporción de variación fenotípica debida a la variación genética.

Consideración de las diversas causas que determinan la variación de un carácter X.

Podemos distinguir dos grandes factores que contribuyen a la variación continua en los

fenotipos: el efecto combinado de muchos genes y el ambiente. En el primero de ellos, la

acción de varios loci contribuye al carácter de forma acumulativa, es decir, que el número de

clases fenotípicas crece con el número de loci afectando a un carácter cuantitativo. Pero a esto

hay que añadir que el grado de expresión también va a variar según el ambiente donde se

encuentre.

El modelo básico que lo define es:

Causas que determinan la variación de un carácter X

- Efectos medios de los genes.

- Efectos medios del ambiente.

- Toda clase de interacciones.

El efecto medio de un gen es la media de los individuos a los que se asigna ese gen en una

posición al azar – la media general. Es decir, en cuanto se diferencia un individuo de la media

general por llevar un genotipo determinado.

Ejemplo:

μ = 1,70 X= 1,73 G = 1,72 – 1,70 = 0,02 E= 1,71- 1,70 = 0,01

P = 1,73 – 1,70 = 0,03 P = G + E = 0,02 + 0,01 = 0,03

Si los promedios dan P no hay I y son aditivos.

I = diferencia entre los efectos de genes cuando actúan conjuntamente y por separado.

Interacciones que se pueden producir. (dominancia y epistasias).

Valor aditivo o mejorante (A)

Supone la inexistencia de interacción entre genotipo y ambiente o que ésta en mínima.

P = G + E

La suma de los efectos medios de los genes se llaman valor aditivo o mejorante.

μ = μi + ½ A

A = αI + αJ αI = μI – μ

Entonces: G= A + D + I A = desviación aditiva

D = desviación dominante

Entre dos alelos del mismo loci se dan interacciones de dominancia D.

Todas las demás interacciones se las llama I son extralocus, es decir, epistasias.

Importancia del valor aditivo.

Los individuos no transmiten a su descendencia sus genotipos sino sus genes. La herencia de

padres a hijos depende del efecto medio de esos genes.

P = G + E = A + D +I +E

Varianza genotípica considerando n loci

La independencia de las frecuencias indica ausencia de covarianzas.

Cuando hay independencia de los efectos de los loci hay ausencia de epistasa y VI = 0 y la

CoV = 0 y la población está en equilibrio:

Sin covarianza genotipo – ambiente y sin interacción G-E.

Heredabilidad

El término heredabilidad hace referencia a que la variación fenotípica de un carácter en una

población es debida en parte a la existencia de variación genética y podemos expresar la

heredabilidad en términos de varianza, es decir, que si queremos expresar que proporción de

la varianza fenotípica es debida a varianza genética tendremos la denominada heredabilidad

en sentido amplio:

También podemos conocer la proporción de variación que es debido a varianza aditiva,

denominada heredabilidad en sentido estricto por el efecto medio de los genes en los

individuos.

Ejemplo:

Efecto de uno de esos loci diapositivas campus

Afecta a la variabilidad del carácter.

d = 0 no hay dominancia; hay varianza aditiva.

d = 0 hay dominancia, en este caso desviado a A₁A₁ grados de dominancia.

d = a hay dominancia completa.

Los genes raros tienen efectos medios mayores

Si d = 0 la media sólo depende de las frecuencias génicas no del equilibrio H-W ni de los

genotipos.

Los recesivos a frecuencia baja tienen una varianza aditiva muy baja y por lo tanto disminuyen

los efectos medios.

Varianza ambiental

Depende de:

- Factores externos.

- Factores de desarrollo.

- Factores maternos: genotipo y ambiente materno, prenatales y postnatales.

- CoV ambiental entre parientes (Vec): Ve = Vec + Vew.

Vec: los factores ambientales actúan de modo común sobre los individuos. (Ambiente

común)

Vew: es el que hace que los individuos no estén sometidos a las mismas condiciones.

(Ambiente interno).

Heredabilidad y parecido entre parientes

Es la manifestación poblacional de la herencia genética: parecidos vs diferencias.

Componentes causales: Vp = VA + VD + (VI) + VEC + VEW

VI: vza espistática, de momento no.

Parecido entre padres e hijos (parrents – offspring)

El parecido entre padres e hijos o covarianza fenotípica es un procedimiento habitual para

poder estimar la varianza aditiva y por tanto la heredablidad. Para simplificar se considera un

solo locus con dos alelos, que la población parental tiene apareamiento al azar y por lo tanto

esta en equilibrio H – W.

Con la regresión lineal (b) de la descendencia a un padre:

Regresión con los valores medios (p):

La respuesta a la selección (R) se define como la diferencia entre los valores fenotípicos medios

de la población filial y la población parental.

S es el diferencial de selección que se define como la diferencia entre el valor medio de los

progenitores seleccionados y la media parental.

Media ₁ - media ₀ = = Media seleccionada – media ₀

Parecido entre medio hermanos

Pbb del gen del padre = ½ por la pbb de coger otro individuo que posee ese gen = ½

r = ½ x ½ = ¼

CoVHS =VA ¼

Parecido entre hermanos

La pbb de volver a coger A1 por ej es de ½ .

r FS = ½

La pbb de compartir todo el genotipo es un ¼ .

u = ½

Tienen en común la desviación dominante VD.

CoVFS =

Ejemplos de heredabilidades

- Caracteres morfológicos.

- Caracteres de la eficacia : tamaño de la puesta, éxito en el parto etc.

Los caracteres morfológicos no dependen tanto de la eficacia biológica y pueden aumentar su

VA y la heredabilidad. Pasa lo contrario con los caracteres de la eficacia donde la VA se va

perdiendo.

Correlación genética entre dos caracteres

Es la parte heredable de la correlación fenotípica. Es decir, que el concepto de respuesta a la

selección de un carácter cuando se está seleccionando otro requiere previamente la

estimación de la correlación genética entre ellos.

Las causas son el desequilibrio gamético y la pleiotropia (un mismo gen afecta a dos

caracteres).

Tema 3.1. Mutación.

La mutación es la fuente primera del cambio evolutivo y por tanto su comprensión es

fundamental para apreciar su relevancia para el cambio de la estructura genética de las

poblaciones y en último término la evolución. Las mutaciones tienen contribuciones bien

distintas a la aptitud de los individuos portadores de las mismas, por un lado se tiene una

amplia gama de mutaciones deletéreas letales o casi letales, después tenemos las mutaciones

neutras y por último las mutaciones ventajosas.

Equilibrio mutación-deriva

Comencemos considerando la dinámica poblacional de las mutaciones neutras. Una

consideración importante para el estudio del equilibrio mutación-deriva es suponer que cada

nueva mutación que acontece en un locus genera un nuevo alelo, un alelo que difiere de

cualquiera de los que ya existían en la población.

La deriva siempre contribuye a la disminución de la variación genética , por otro lado, el

incremento de la mutación contribuye siempre al aumento de la variación genética. El

equilibrio se alcanza cuando ambos incrementos se igualan a un valor absoluto. Si 4Nμ es un

valor muy pequeño entonces la heterocigosis H en equilibrio será nula o lo que es lo mismo la

deriva tiende disminuir la variación genética. Por el contario si el valor de 4Nμ es muy elevado

nos aproximamos a un valor de heterocigosis de 1, es decir, un estado donde todos los alelos

son distintos y la mutación es lo que prevalece.

Otra forma de entender la interacción deriva y mutación es por medio del tiempo necesario

para que una mutación tenga un efecto definido sobre la variabilidad genética de una

población. Como referencia tenemos el tiempo que un gen tarda en reducir su heterocigosis a

la mitad, t ½ .

El tiempo de reducción de heterocigosis a la mitad es proporcional al tamaño de la población.

Si 1/μ <<N el efecto de la mutación es predominante sobre la deriva en cambio si es al revés,

μGn (long del genoma) = λ

En el eq M-D la heterocigosidad

es cte y cuando aparece una

mutación nueva con seguridad

produce un heterocigoto a nivel

de nucleótidos.

predomina la deriva y determina la evolución de la población hacia un estado de falta de

variabilidad genética.

Más resultados de la teoría de la difusión:

- Tiempo medio hasta la fijación de una mutación nueva = 4N

El equilibrio M-D se alcanza virtualmente en 6N generaciones.

- Tiempo medio que segrega ≈ 2 [ 1+ log (2N)]. El número medio de sitios segregantes

es aproximadamente E (s) ≈ 4Nλlog (2N)

- No hace falta saberse las fórmulas!!!

La teoría neutra de la evolución molecular.

Esta teoría afirma que la mayor parte de los cambios evolutivos a escala molecular de la

variabilidad genética de las especies no son el producto de la selección sino de la deriva

genética de mutantes son selectivamente neutros o casi neutros, no es que niegue el efecto de

la selección, sino que ésta no es lo suficientemente intensa para superar los efectos aleatorios.

D = Ztμ

Tema 3. Poblaciones de censo finito. Consecuencias del censo finito. El

azar como causa de cambio genético.

Las poblaciones son finitas y hay un proceso aleatorio de reproducción, no todos los individuos

se reproducen y no todos tienen los mismos hijos pero además a los hijos no siempre se le

transmiten los mismos genes.

Conceptos clave

Homogamia: sistema de cruzamientos preferenciales entre individuos más parecidos que dos

individuos tomados al azar en la población.

Heterogamia: sistema de cruzamientos preferenciales entre individuos menos parecidos que

dos individuos tomados al azar en la población.

Consanguinidad: sistema de cruzamientos que favorece el apareamiento entre parientes.

Coeficiente individual de consanguinidad (ft): probabilidad de que en un individuo dos alelos

sean dos copias idénticas de un alelo de un antepasado.

Coeficiente de parentesco: probabilidad de que dos individuos compartan dos genes que son

copias idénticas de un gen de un antepasado común. Equivale al coeficiente de consanguinidad

de un descendiente de ambos.

Índice de panmixia: proporción de heterocigosis respecto a la inicial que queda en una

población consanguínea. Equivale al valor complementario del coeficiente de consanguinidad.

Depresión consanguínea: disminución de la aptitud en líneas consanguíneas debido a la

homocigosis de genes deletéreos provocada por la consanguinidad.

Consecuencias del censo finito

El azar es consecuencia del cambio genético y sus consecuencias generales son:

- Cambios por la deriva de las frecuencias génicas.

- Pérdida de diversidad genética.

- Aumento de la consanguinidad.

Consideramos que seguimos en el eq de H-W y no hay mutación.

Modelo de la población ideal subdividida de Wright

A partir de la población 0, la población se va a dividir en otras poblaciones finitas con las

condiciones de eq de H-W. Además la probabilidad para contribuir en la descendencia es igual

que la de otro individuo.

Pero el apareamiento entre individuos emparentados hace que aumente la probabilidad de

que en un individuo los dos alelos sean dos copias idénticas de un mismo gen de un

antepasado común, es decir, que haya consanguinidad que es la identidad por descendencia.

La probabilidad de que los dos alelos sean idénticos por descendencia se llama coeficiente

individual de consanguinidad (F) y es siempre significativa independientemente del tamaño

poblacional. El índice de panmixia es entonces:

En una población con autofecundación y consanguinidad tenemos en un principio:

De donde se acaba deduciendo que:

Este término tiende a 1.

También se puede deducir la tasa de aumento de consanguinidad respecto a la población

panmíctica, donde la consanguinidad aumenta de forma cte a expensas de la disminución de la

panmixia tb de forma cte. Determina el descenso de heterocigosis.

Los sistemas altamente consanguíneos son la autofecundación y los cruzamientos

consanguíneos.

Evolución de las frecuencias genotípicas

Utilizando el parámetro F podemos calcular la frecuencia de homocigotos y heterocigotos en

una población de consanguinidad F para un locus de dos alelos A y a de frecuencias p y q.

Como consecuencia de la consanguinidad, la homocigosis aumenta y la heterocigosis

disminuye con respecto a lo esperado en panmixia.

En el caso de una población sin consanguinidad, es decir, panmíctica, F= 0 y las frecuencias

genotípicas revierten a las del eq de H-W (p2, q2 y 2pq). Si en la población la consanguinidad es

total F=1 y se consigue con un t = ∞, todos los individuos tienen los alelos idénticos por

descendencia y las frecuencias genotípicas son p , 0 y q y la población carece de heterocigotos.

Las poblaciones consanguíneas fijadas por la deriva sólo presentan un genotipo AA o aa y sólo

podemos predecir la probabilidad de fijación de un alelo, igual a la frecuencia inicial o lo que es

lo mismo, la frecuencia esperada de poblaciones que terminarán fijándose para A (p) o a (q). el

cambio en las frecuencias génicas es debido a la consanguinidad pero la pérdida de uno de los

dos alelos es por la deriva.

Varianza de la frecuencia génica:

Poblaciones de estructura reproductiva no ideal: censo efectivo Ne

El modelo empleado para las deducciones anteriores se basaba en un sistema de

autofecundación si la población está constituida por organismos que no pueden

autofecundarse, la tasa de descenso de la heterocigosis debe corregirse. Cuando el número de

hembras y machos es una población sin autofecundación es igual se introducen pequeños

cambios pero que no son muy significativos. En cambio, cuando aparece la deriva si hay

importantes desviaciones y aparece el concepto de censo efectivo que es el tamaño de una

población ideal que genera un descenso de heterocigosis o cambio de índice de fijación igual al

observado en la población real. Esto va a permitir definir y comparar poblaciones sin

preocuparse por su estructura reproductiva.

El censo efectivo tb se puede definir como el número de reproductores que si se comportaran

como una población ideal darían una tasa de consanguinidad de la población.

En cuanto a la varianza, si es muy elevada, quiere decir que la consanguinidad avanza muy

deprisa y pasa mucho en la naturaleza porque no todos los individuos tienen la oportunidad de

reproducirse o no todos tienen la cantidad de hijos esperada.

Consecuencias del censo reducido sobre las propiedades genéticas de los caracteres

cuantitativos.

Coeficiente de parentesco entre los individuos x e y (f).

Se define como la probabilidad de que un gen de un locus dado en un individuo sea idéntico

por descendencia a un gen del mismo locus de otro individuo. Este coeficiente es igual al

coeficiente de consanguinidad de un hijo de estos dos individuos. Entonces la probabilidad de

que dos genes alélicos sean idénticos por descendencia (coeficiente de consanguinidad) en un

hijo es igual a la probabilidad de que dos gametos idénticos por descendencia de los padres se

unan en el cigoto (coeficiente de parentesco).

Individuos con genealogía conocida

Ya no hay que suponer panmixia pero si ausencia de selección. Los individuos de la cabecera,

vamos a suponer que no son consanguíneos, no hay más parentesco y consanguinidad que la

que deriva de la genealogía en principio.

Ejemplo: consanguinidad de un hijo de dos primos hermanos.

Consanguinidad con uno mismo.

Se llega a un equilibrio sin que la consanguinidad sea muy grande.

Fragmentación poblacional

Una población no constituye generalmente una única unidad panmíctica, sino que, por el

contrario, se encuentra subdividida en unidades pequeñas denominadas subpoblaciones más o

menos interconectadas formando una estructura dinámica donde hay flujo genético,

extinciones y recolonizaciones. A la vez la subpoblación puede estar dividida en otras

subpoblaciones más pequeñas que se denominan metapoblación. Hay que hacer una

consideración: la de si la subpoblación recibe inmigrantes, flujo génico, de las subpoblaciones

adyacentes por lo que es importante tener en cuenta la migración. La variabilidad genética de

la metapoblación tiene dos componentes: la variabilidad entre subpoblaciones y dentro de

cada subpoblación.

La disminución de la heterocigosis en las poblaciones subdividas es debido al efecto de la

deriva. Cuando intentamos hacer una prueba de ajuste de H-W en una metapoblación, y

desconocemos su grado de subdivisión , la falta de ajuste haría pensar que la población no es

panmíctica, lo cual resulta falso en una población subdividida.

Efecto de la migración sobre la diferenciación genética en poblaciones fragmentadas.

En el modelo de islas, la metapoblación está subdividida en numerosos núcleos y cada uno de

ellos intercambia cada generación una fracción m (tasa de migración) de sus individuos con un

conjunto constituido por inmigrantes de todos los núcleos en proporciones iguales. Por

consiguiente estos inmigrantes tienen un contenido genético representativo de toda la

metapoblación, es decir, que sus frecuencias génicas son los valores medios de aquélla.

En el caso en que la migración sea unidireccional (modelo isla-continente), es decir

predominantemente desde una sóla población donadora a otra receptora, el valor de la

frecuencia media debe sustituirse por la frecuencia de la población donadora.

Los efectos de la deriva se producen en el modelo isla-continente porque su el tamaño en

cada isla es pequeño y/o la tasa de migración es pequeña, las frecuencias de cada población

pueden derivar al azar. Sin embargo un mínimo flujo genético es suficiente para contrarrestar

el efecto de la deriva.

La consanguinidad se detiene en un punto determinado, es decir, que se estabiliza y depende

de N y m.

Dado que el número de emigrantes por generación es igual a Nem, esta ecuación indica que el

índice de fijación en el equilibrio disminuye muy rápidamente al aumentar el número de

emigrantes por generación. La conclusión final es que la migración es un mecanismo potente

para oponerse a la divergencia entre subpoblaciones generada por la deriva.

La distribución de las frecuencias alélicas: en el caso de que los emigrantes tengan una

frecuencia alélica de 0,5 y que Nem = 0.05 la mayoría de las poblaciones están fijadas o han

perdido el alelo. Sin embargo cuando la migración es alta Nem > 1 la mayoría de las

poblaciones tiende a mantener frecuencia alélicas intermedias. Además el Ne es proporcional a

m con lo que si m s grande Ne también.