Purga genética

En ausencia de selección natural, se esperaría que la aptitud media disminuya exponencialmente a medida que aumenta la consanguinidad, donde la consanguinidad se mide utilizando el coeficiente de consanguinidad de Wright, F[6] (la razón por la que la disminución es exponencial en F lugar de lineal es solo 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 por endogamia δ) depende de las frecuencias y los efectos deletéreos de los alelos presentes en la población antes de la endogamia.

El coeficiente F anterior es la medida estándar de consanguinidad 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 a menudo se denota usando minúsculas (f), pero no debe confundirse con el coeficiente de coancestría.

Sin embargo, la predicción anterior para la disminución de la aptitud rara vez se aplica, ya que se derivó asumiendo que no hay selección, y la aptitud es precisamente el rasgo objetivo de la selección natural. Por lo tanto, el coeficiente de consanguinidad F Wright para loci neutros no se aplica a los alelos deletéreos, a menos que la consanguinidad aumente tan rápido que el cambio en la frecuencia de los genes se rija solo por muestreo aleatorio (es decir, por deriva genética).

Por lo tanto, la disminución de la aptitud debe predecirse usando, en lugar del coeficiente de consanguinidad estándar F, un "coeficiente de consanguinidad purgado" (g) que da la probabilidad de ser homocigoto por descendencia para alelos deletéreos (parcialmente) recesivos, teniendo en cuenta cómo su la frecuencia se reduce mediante la purga.[4] Debido a la purga, la aptitud disminuye al mismo ritmo δ que en ausencia de selección, pero en función de g lugar de F

Este coeficiente consanguinidad purgado 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. Sin embargo, esto requiere cierta información sobre la magnitud de los efectos deletéreos que están ocultos en la condición heterocigótica, pero que se expresan en la homocigosis. Cuanto mayor sea esta magnitud, denominada coeficiente de purga d, más eficiente será el purgado.

Una propiedad interesante de la purga es que, durante la consanguinidad, mientras F aumenta acercándose a un valor final F = 1, g puede acercarse a un valor final mucho menor. Por lo tanto, no se trata solo de que la purga ralentice el deterioro de la aptitud, sino también de que reduce la pérdida de aptitud general producida por la endogamia a largo plazo.

La purga es menos eficaz 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, por lo tanto, la reducción final de la aptitud. Esto implica que, si la consanguinidad progresa con la suficiente lentitud, no se espera una depresión consanguínea relevante a largo plazo. Esto da como resultado que la aptitud de una población pequeña, que ha sido una población pequeña durante mucho tiempo, puede ser la misma que una población grande con más diversidad genética. En genética de conservación, sería muy útil determinar la tasa máxima de aumento de la endogamia que permite una purga tan eficiente.

Considere una gran población no consanguínea con aptitud media W . Entonces, el tamaño de la población se reduce a un nuevo valor más pequeño N (de hecho, el tamaño efectivo de la población debería usarse aquí), lo que lleva a un aumento progresivo de la endogamia.

Luego, la depresión por endogamia ocurre a una tasa δ, debido a alelos deletéreos (parcialmente) recesivos que estaban presentes a bajas frecuencias en diferentes loci. Esto significa que, en ausencia de selección, el valor esperado para la aptitud media después de t generaciones de consanguinidad sería:

${\displaystyle W_{t}=We^{-\delta F_{t}}}$

donde ${\displaystyle F_{t}}$ es la media poblacional del coeficiente de endogamia de Wright después de t generaciones de endogamia.[6]

Sin embargo, dado que la selección opera sobre la aptitud, la aptitud media debe predecirse teniendo en cuenta tanto la endogamia como la purga, como

${\displaystyle W_{t}=We^{-\delta g_{t}}}$

En la ecuación anterior, ${\displaystyle g_{t}}$ es el "coeficiente de consanguinidad purgado" medio después de t generaciones de consanguinidad.[4] Depende del "coeficiente de purga" d, que representa los efectos deletéreos ocultos en la heterocigosis pero expuestos en la homocigosis.

El "coeficiente de consanguinidad purgado" promedio puede aproximarse usando la expresión recurrente

${\displaystyle g_{t}=\left[\left(1-{\frac {1}{2N}}\right)g_{t-1}+{\frac {1}{2N}}\right]\left[1-2dF_{t-1}\right]}$

También hay ecuaciones predictivas para usar con información genealógica.

Aptitud poblacional promedio (W) frente al número de generaciones (t) de mantenimiento con tamaño de población N = 10 cuando, en la población original, los individuos portaban en promedio un letal recesivo raro. Evolución de W esperada solo por consanguinidad (línea roja) o por consanguinidad y purga (línea azul).

Como ejemplo de depuración genética, considérese una gran población en la que hay alelos letales recesivos que se segregan con una frecuencia muy baja en muchos loci, de modo que cada individuo porta en promedio uno de estos alelos. Aunque alrededor del 63% de los individuos portan al menos uno de estos alelos letales, casi ninguno 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 consanguinidad, la probabilidad de ser homocigoto para uno (o más) de estos alelos letales también aumenta, lo que hace que disminuya la aptitud. Sin embargo, a medida que esos letales comienzan a ocurrir en homocigosis, la selección natural comienza a purgarlos. La figura de la derecha da la disminución esperada de la aptitud contra el número de generaciones, teniendo en cuenta solo el aumento en 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 eficaz para prevenir la depresión por endogamia. Sin embargo, para los alelos deletéreos no letales, la eficiencia de la purga sería menor y puede requerir poblaciones más grandes para superar la deriva genética.

Las levaduras Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces paradoxus tienen un ciclo de vida que alterna entre períodos largos de reproducción asexual como un diploide, que terminan en la meiosis que por lo general es seguida inmediatamente autofecundación, con solo el raro cruzamiento.[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 del genoma".[8][9]