Genética de poblaciones

Genética de poblaciones Concepto: Estudio genético del proceso de la evolución

Genética de poblaciones La Genética de Poblaciones es el campo de la biología que estudia la composición genética de las poblaciones, y los cambios en la composición genética que resultan de la intervención de factores evolutivos. Constituye un conjunto de teorías que permiten entender la variabilidad natural y explicar su presencia en las poblaciones.

Tanto la genética de poblaciones de caracteres cualitativos como la genética de poblaciones de caracteres cuantitativos estudian la base genética de la variación fenotípica entre individuos de una población. Tradicionalmente, la genética de poblaciones trata con frecuencias de alelos y genotipos, mientras que la genética cuantitativa se centra en caracteres continuos a nivel morfológico y estudia las formas en que la variabilidad genotípica individual y el medio ambiente contribuyen a la variación del fenotipo. Para su estudio se consideran medias y varianzas de las poblaciones y no valores discretos.

La genética de poblaciones depende de modelos matemáticos lo cual permite hacer predicciones. Los genetistas construyen modelos matemáticos abstractos que incorporan los efectos de la selección, deriva genética, flujo génico y mutación sobre la dinámica de la frecuencia génica. A partir de estos modelos extraen conclusiones sobre los posibles patrones de la variabilidad genética en las poblaciones reales, posteriormente sus conclusiones son testeadas con datos empíricos.

La selección natural, la mutación y el flujo génico son procesos microevolutivos determinísticos: estimando el valor de ciertos parámetros es posible generar modelos matemáticos que permiten predecir el comportamiento del proceso a través de las generaciones. Se puede predecir la frecuencia alélica de una generación en función de la frecuencia en la generación anterior. En cambio, la deriva genética es un proceso microevolutivo de tipo aleatorio o estocástico, admite un tratamiento matemático descrito en término de probabilidades. Conociendo la frecuencia alélica de una generación no se puede predecir la frecuencia alélica en la siguiente generación. Se puede predecir, eso sí, la probabilidad de tener cierta frecuencia alélica.

Los datos y teoría de la genética de poblaciones son ampliamente utilizados en la conservación de poblaciones naturales, en el control de las plagas y epidemias, en la agricultura, la medicina, la antropología física, y en genómica.

Desarrollo histórico de la genética de poblaciones

La historia de la genética de poblaciones está ligada al desarrollo y formalización de la teoría evolutiva, resultando en la Teoría Sintética de la Evolución en las décadas de 1930 y 1940. Comienza a desarrollarse a partir de comienzos del siglo XX, cuando independientemente Godfrey Harold Hardy y Wilhelm Weinberg utilizan principios mendelianos de la segregación y de la probabilidad para explicar las relaciones entre las frecuencias alélicas y genotípicas en una población.

Entre 1918 y 1932 la larga polémica entre biométricos y mendelianos se zanja finalmente cuando Ronald Aymer Fisher (1890-1962), John Burdon Sanderson Haldane (1892-1964) en Inglaterra y Sewall Green Wright (1889-1988) en Estados Unidos llevaron a cabo la síntesis del darwinismo, el mendelismo y la biometría y fundaron la teoría de la genética de poblaciones. Estos autores lograron la armonización de las teorías desarrolladas por las dos escuelas que existían a comienzos del siglo XX. Por un lado, la escuela mendeliana, liderada por William Bateson y sus discípulos, consideraba que los caracteres de herencia simple y naturaleza cualitativa eran los únicos con relevancia evolutiva. Para esta escuela, las pequeñas diferencias entre individuos no eran de naturaleza genética sino ambiental. La otra escuela, la escuela biométrica, liderada por Francis Galton, Walter Weldon y Karl Pearson consideraba que las diferencias hereditarias eran cuantitativas y continuas, negando la necesidad de la existencia de los genes como entidades discretas.

El biometrista y entomólogo ruso Sergey Chetverikov incorpora a la genética el pensamiento poblacional. Sus trabajos jugaron un papel fundamental al promover la aplicación de la genética de poblaciones a otros campos de la biología evolutiva. El evolucionista ruso, Theodosius Dobzhansky, creó un puente entre los planteamientos teóricos de los primeros genetistas y los resultados obtenidos por biólogos de campo. La obra principal de Dobzhansky, Genetics and the Origin of Species, se publicó por primera vez en 1937. La la­bor que rea­li­zó este genetista y zoólogo, en con­jun­ción con la de otros evo­lu­cio­nis­tas ta­les co­mo E. Mayr y G. G. Simp­son, permitió la aplicación de los prin­ci­pios teó­ri­cos de la ge­né­ti­ca de po­bla­cio­nes a otras áreas de la bio­lo­gía. Erwin Baur, genetista y botánico, contribuyó a la comprensión de algunos capítulos de la genética de gran interés, tanto desde el punto de vista de las aplicaciones como de la biología general. Los biólogos naturalistas, como Dobzhansky y Mayr, postulaban que la evolución no solo consiste en el cambio de la frecuencia de los genes en las poblaciones, tal como lo afirmaban los genetistas, sino que es al mismo tiempo un proceso que afecta a los órganos, las conductas y las interacciones de los individuos y las poblaciones.

Por otra parte, muchos de los genéticos mendelianos, como Hugo Marie de Vries, Thomas H. Mor­gan, y Hermann Joseph Mu­ller, consideraban que la va­ria­bi­li­dad ge­né­ti­ca en las poblaciones era mí­ni­ma y que la ma­yo­ría de los or­ga­nis­mos eran ho­mo­ci­go­tas en casi to­dos sus lo­ci, suponían que los heterocigotas lo eran debido a mutaciones de reciente aparición (pun­to de vis­ta clá­si­co), mientras que otros evolucionistas, co­mo Dobz­hansky, consideraban que los or­ga­nis­mos eran he­te­ro­ci­go­tas en la ma­yo­ría de sus lo­ci, siendo los loci homocigóticos una excepción (pun­to de vis­ta equi­li­bra­do). A mediados de la dé­ca­da del sesenta, los resultados obtenidos de la apli­ca­ción de la téc­ni­ca de separación de proteínas por elec­tro­fo­re­sis al estudio de la variabilidad poblacional, revelaron que las po­bla­cio­nes na­tu­ra­les ex­hi­ben una enorme va­ria­bi­li­dad nucleotídica. Estos resultados favorecían a la teoría equilibrada en detrimento de la teoría clásica.

A finales de los años sesenta, el científico japonés Motoo Kimura propuso la Teoría Neutralista de la Evolución Molecular (hipótesis neutralista) que postula que la mayoría de la variabilidad molecular observada no es detectada por la selección natural, en otras palabras, es adaptativamente neutra. Por lo tan­to, en el ni­vel mo­le­cu­lar (ADN y proteínas) la de­ri­va genética se­ría la prin­ci­pal fuer­za evo­lu­ti­va y la selección no tendría un papel preponderante. Kimura llegó a dos conclusiones: 1ª la mayoría de las sustituciones de nucleótidos resultan de la fijación al azar de mutantes neutros más que de una selección darwiniana; 2ª muchos de los polimorfismos proteicos son selectivamente neutros y su persistencia en la población se debería al equilibrio existente entre el aporte de variabilidad por mutación y su eliminación al azar por deriva genética.

En cambio, otros genetistas evolutivos consideran que la variabilidad proteica no es neutra y por lo tanto el genoma es mayoritariamente polimórfico y heterocigótico para la aptitud. La se­lec­ción na­tu­ral po­si­ti­va, que favorece mutaciones ventajosas o adaptativas, se­ría im­por­tan­te tan­to en el ni­vel mor­fo­ló­gi­co co­mo en el mo­le­cu­lar (hipótesis se­lec­ti­va). La teoría neutralista constituye una hipótesis nula en la que el azar y la mutación explican la variabilidad molecular y contra la cual puede contrastarse cualquier hipótesis selectiva. Esto permite detectar selección cuando ésta existe, por muy sutil que sea su operación a nivel molecular. Se han desarrollado numerosos métodos para detectar la acción de la selección positiva a nivel molecular. Estos tests utilizan diversos estados de la variación neutra como hipótesis nula y, en principio, cualquier desviación de los datos indicaría la acción de la selección.

Muchos genetistas de poblaciones reconocen actualmente que la teoría neutra de la evolución molecular no explica todas las observaciones de la variabilidad nucleotídica en las poblaciones naturales. Por eso, la teoría neutra de la evolución molecular ha sido sustituida por la teoría casi neutra, en la que las mutaciones a nivel del ADN no precisan ser estrictamente neutras para que las sustituciones nucleotídicas estén sujetas al azar de la deriva genética.

Las herramientas y técnicas matemáticas de la genética de poblaciones se refinaron progresivamente a lo largo del siglo pasado hasta el presente, y continúan siendo parte importante de todo estudio genético o genómico. En las poblaciones naturales, los métodos moleculares han facilitado enormemente el análisis de los patrones de variación genética y proporcionan una oportunidad sin precedentes para el estudio empírico de la evolución y los procesos demográficos que la forman. Además, el uso de estas herramientas moleculares se ha convertido en un enfoque fundamental para la conservación de las especies.

El papel de la genética de poblaciones en el estudio de la evolución arranca de la idea que no es necesario conocer los procesos de desarrollo para predecir los cambios evolutivos. Sin embargo, actualmente la genética molecular permite indagar en dichos procesos y se plantea de nuevo el problema de si la evolución de la forma se debe a cambios graduales o saltacionales. En las últimas décadas, con la consolidación del área de evolución y desarrollo (evo-devo), se ha propuesto que la macroevolución (evolución por encima del nivel de especie) consistiría sobre todo en innovaciones evolutivas generadas a partir de cambios en los genes reguladores del desarrollo. De ser así la macroevolución estaría desacoplada de la microevolución.

Concepto de población

La unidad de los procesos evolutivos no son los individuos sino las poblaciones. Estas son entidades supraindividuales que tienen continuidad biológica de generación en generación y en su seno se producen los cambios transgeneracionales que constituyen la evolución. Dobzhansky definió a la población mendeliana como un grupo de individuos que comparten, en el tiempo y en el espacio, un conjunto genético común. En otras palabras, una población mendeliana es un grupo de individuos de una misma especie que se cruzan libremente entre sí. Los alelos compartidos por los individuos constituye el acervo génico de la población. Si existen dos sexos y cada individuo tiene la misma probabilidad de aparearse con cada uno de los otros individuos del sexo opuesto, entonces se dice que la población es panmítica.

Principio de Hardy-Weinberg

El Principio de Hardy-Weinberg es la base de la genética matemática de poblaciones, fue descrito en 1908 en forma independiente por el matemático británico Godfrey Harold Hardy y el médico alemán Wilhelm Weinberg. El principio de Hardy-Weinberg, utilizando una aplicación de la distribución binomial, describe y predice las frecuencias genotípicas y alélicas de una población que no evoluciona. Relaciona la frecuencia alélica con la frecuencia de genotipos y explica matemáticamente porqué en la población las mutaciones dominantes no reemplazan a las recesivas. El modelo asume los siguientes supuestos:

• el apareamiento es al azar
• la población es de tamaño infinito, no hay deriva genética
• no hay selección: todos sobreviven y dejan igual número de descendientes
• no hay mutación
• no hay flujo génico : la población está aislada de otras poblaciones de la misma especie

Hardy y Weinberg demostraron que, si se cumplen los supuestos, las frecuencias génicas de la población no dependen del carácter dominante o recesivo de los genes manteniéndose constantes generación tras generación. A pesar que la reproducción sexual supone mezcla de genes, la constante reorganización de éstos no cambia la frecuencia génica en las sucesivas generaciones y se mantiene la variabilidad presente en la población. Es decir, la herencia mendeliana por si misma, no engendra cambio evolutivo, no es un mecanismo que altera las frecuencias génicas en las poblaciones.

La relación general entre la frecuencia alélica y genotípica puede describirse en términos algebraicos: si p es la frecuencia del alelo A₁ y q es la frecuencia del alelo A₂, se cumple que p + q = 1 si existen solo 2 alelos. Las frecuencias genotípicas de equilibrio vienen dadas por p²A₁A₁, 2pq A₁A₂, q²A₂A₂, estas frecuencias resultan del desarrollo del binomio (p+q)². En el caso de alelos múltiples la condición de equilibrio esta dada por una multinomial.

Al presentar las características de una población no influenciada por fuerzas evolutivas, el principio de H-W permite comparar la estructura genética de una población real con la estructura genética que se espera de una población en equilibrio genético. Si las frecuencias genotípicas observadas se desvían en forma significativa de las calculadas de acuerdo a la asunción de equilibrio del modelo, alguna fuerza evolutiva está actuando en la población de estudio. El modelo de Hardy-Weinberg constituye, entonces, la hipótesis nula de la genética de poblaciones.

Teoría de la coalescencia

La teoría de la coalescencia o simplemente coalescente, definido por Kingman, un matemático, en 1982 es considerado el avance más importante de la genética de poblaciones de las últimas tres décadas y sustenta gran parte de la investigación actual en genética de poblaciones. Se basa en el hecho que, asumiendo que hubo un origen único para todos los seres vivos, todos los genes iguales de una población derivan por copia de un antepasado común.

La teoría de la coalescencia se generó como una alternativa al análisis prospectivo genético-poblacional tradicional que permite hacer predicciones sobre la evolución futura de una población. El coalescente es un modelo matemático retrospectivo basado en la genealogía de genes. A partir de modelos matemáticos describe como se van uniendo los linajes hacia atrás en el tiempo hasta alcanzar el antepasado común (coalescencia) y establece la relación entre tiempo de coalescencia y tamaño poblacional, edad del ancestro en común más reciente y otros parámetros como mutación, migración, etc.

La teoría de la coalescencia aplicada al estudio de la variedad nucleotídica ha permitido reconstruir la historia evolutiva y la estructura poblacional de muchas especies. Entre ellas, la historia reciente de la especie humana. El grupo de Wilson estudió el polimorfismo de restricción del ADN mitocondrial (es transmitido solo por las hembras) de 147 individuos humanos de origen geográfico y étnico muy diverso. Sus resultados muestran que todos los tipos de ADN mitocondrial actuales coalescen en una copia perteneciente a una mujer que vivió hace unos 200 000 de años en África, conocida como la Eva mitocondrial. La población en tiempos de Eva se estima en 7 000 a 14 000 individuos. La interpretación correcta de estos resultados es que de todos los linajes de mujeres sólo uno ha conseguido transmitir su ADN mitocondrial a nuestra generación, habiéndose extinguido todos los demás. En conclusión, la Eva mitocondrial no estaba sola y nuestra herencia nuclear proviene de muchas otras mujeres y hombres que coexistieron o no con ella.

Fuentes

• Birky, C. William. 2007. Population and Evolutionary Genetics. http://www.eeweb.arizona.edu/courses/ecol320/BirkyLectures/Sect18aPopulationGenetics1.pdf
• Fontdevila, Antonio y Andrés Moya. 2000. Introducción a la Genética de Poblaciones. Editorial Síntesis. 349 págs. ISBN: 84-7738-691-9
• Lessa, Enrique. 2004. Guía de estudio de genética de poblaciones. http://evolución.fcien.edu.uy/Lectures/GuiaGP2005.pdf
• Mayr, Ernst.1992. Una larga controversia. Darwin y el darwinismo. Ed. Crítica. Barcelona- ISBN: 84-7423-562-6.
• Ocasha, Samir. 2012. Population Genetics. The Stanford Encyclopedia of Philosophy. Edward N. Zalta (ed) ISSN 1095-5054. <<http://plato.stanford.edu/archives/fall2012/entries/population-genetics>>.
• Piñero, D. y col. 2008. La variabilidad genética de las especies: aspectos conceptuales y sus aplicaciones y perpespectivas en México. En: Capital natural de México. Vol. I. Conocimiento actual de la biodiversidad. Conabio. México. pp 415-435.
• Wade, Michael, 2008 Evolutionary Genetics, The Stanford Encyclopedia of Philosophy, Edward N. Zalta (ed.), ISSN 1095- 5054 URL<http://plato.stanford.edu/archives/fall2008/entries/evolutionary-genetics/>.