Elemento genético egoísta

Elementos genéticos egoístas (históricamente también denominados genes egoístas, genes ultraegoístas, ADN egoísta, ADN parásito y proscritos genómicos) son segmentos genéticos que pueden potenciar su propia transmisión a expensas de otros genes en el genoma, incluso si esto no tiene efectos positivos o negativos netos. efecto sobre la aptitud del organismo. Los genomas se han visto tradicionalmente como unidades cohesivas, con genes que 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 los elementos genéticos egoístas se realizaron hace casi un siglo, pero el tema no recibió una atención generalizada hasta varias décadas después. Inspirándose en los puntos de vista de la evolución centrados en los genes popularizados por George Williams y Richard Dawkins, en 1980 se publicaron dos artículos consecutivos en Nature: Leslie Orgel y Francis Crick y Ford Doolittle y Carmen. Sapienza: presenta el concepto de elementos genéticos egoístas (en ese momento llamados "ADN egoísta") a la comunidad científica en general. Ambos documentos 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.

Los elementos genéticos egoístas ahora se han descrito en la mayoría de los grupos de organismos y demuestran una notable diversidad en las formas en que promueven su propia transmisión. Aunque durante mucho tiempo se descartaron 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.

Historia

Primeras observaciones

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 impulsor en Drosophila obscura. Crucialmente, señaló que la proporción de sexos sesgada por las hembras resultante puede llevar a la extinción de una población (ver Extinción de especies). La declaración clara más temprana de cómo los cromosomas pueden propagarse en una población no debido a sus efectos positivos de aptitud en el organismo individual, sino a causa de su propio 'parásito'. La naturaleza vino del botánico y citogenético sueco Gunnar Östergren en 1945. Hablando de los cromosomas B en las plantas, escribió:

En muchos casos estos cromosomas no tienen ninguna función útil para las especies que los llevan, pero que a menudo conducen una existencia exclusivamente parasitaria... [B cromosomas] no necesitan 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 de maíz estadounidense Marcus Rhoades describió cómo las protuberancias cromosómicas conducían al impulso meiótico femenino en el maíz. De manera similar, esto también fue cuando se sugirió por primera vez que un conflicto intragenómico entre los genes mitocondriales heredados uniparentalmente y los genes nucleares heredados biparentalmente podría conducir a la esterilidad masculina citoplasmática en las plantas. Luego, a principios de la década de 1950, Barbara McClintock publicó una serie de artículos que describían la existencia de elementos transponibles, que ahora se reconocen como uno de los elementos genéticos egoístas más exitosos. El descubrimiento de los elementos transponibles le valió el Premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1983.

Desarrollos conceptuales

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. En contraste con la formulación original de Darwin de la teoría de la evolución por selección natural que se enfocaba en los organismos individuales, la perspectiva del gen toma al gen como la unidad central de selección en la evolución. Concibe la evolución por selección natural como un proceso que involucra dos entidades separadas: replicadores (entidades que producen copias fieles de sí mismos, generalmente genes) y vehículos (o interactores; entidades que interactúan con el entorno ecológico, generalmente organismos).

Dado que los organismos son sucesos temporales, presentes en una generación y desaparecidos en la siguiente, los genes (replicadores) son la única entidad que se transmite fielmente de padres a hijos. Ver la evolución como una lucha entre replicadores en competencia hizo más fácil reconocer que no todos los genes en un organismo compartirían el mismo destino evolutivo.

El punto de vista del gen fue una síntesis de los modelos genéticos de población de la síntesis moderna, en particular el trabajo de RA Fisher, y los modelos de evolución social de W. D. Hamilton. El punto de vista fue popularizado por Adaptación y selección natural de George Williams y el éxito de ventas El gen egoísta de Richard Dawkins. Dawkins resumió un beneficio clave de la vista del gen de la siguiente manera:

"Si nos permitimos la licencia de hablar de genes como si tuvieran objetivos conscientes, siempre asegurándonos de que podríamos traducir nuestro lenguaje descuidado en términos respetables si quisiéramos, podemos hacer la pregunta, ¿qué es un solo gen egoísta tratando de hacer?" — Richard Dawkins, The Selfish Gene

En 1980, dos artículos de alto perfil publicados uno tras otro 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. Los documentos 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 eucarióticos 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 documentos llevaron a una serie de intercambios en Nature.

Vistas actuales

Si los artículos sobre el ADN egoísta marcaron el comienzo del estudio serio de los elementos genéticos egoístas, las décadas posteriores 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 de la madre y los genes nucleares heredados de los dos padres. El documento 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. Este documento logró tres cosas. Primero, acuñó el término elemento genético egoísta, poniendo fin a una terminología a veces confusamente diversa (genes egoístas, genes ultraegoístas, ADN egoísta, ADN parasitario, 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).

A fines de la década de 1980, la mayoría de los biólogos moleculares consideraban que los elementos genéticos egoístas eran la excepción, y que los genomas se consideraban mejor como redes altamente integradas con un efecto coherente en la aptitud del organismo. En 2006, cuando Austin Burt y Robert Trivers publicaron el primer libro sobre el tema, la marea estaba cambiando. 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 la genética tiene sentido excepto a la luz de los conflictos genómicos".

Lógica

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 D.D. Hurst y John H. Werren propusieron dos "reglas" de elementos genéticos egoístas.

Regla 1: la propagación requiere sexo y consanguinidad

La reproducción sexual implica la mezcla de genes de dos individuos. De acuerdo con la Ley de Segregación de Mendel, los alelos en un organismo que se reproduce sexualmente tienen un 50% de posibilidades de ser transmitidos de padres a hijos. Por lo tanto, a veces se hace referencia a la meiosis como "justa".

Se espera que los genomas altamente autofecundados o asexuales experimenten menos conflictos entre los elementos genéticos egoístas y el resto del genoma huésped que los genomas sexuales cruzados. Hay varias razones para esto. Primero, el sexo y el cruzamiento ponen 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. El aumento de la variación debería resultar en una selección purificadora más fuerte en autoasexuales/asexuales, ya que un linaje sin los elementos genéticos egoístas debería superar a un linaje con el elemento genético egoísta. En segundo lugar, el aumento de la homocigosidad en autofecundaciones elimina la oportunidad de competencia entre alelos homólogos. En tercer lugar, el trabajo teórico ha demostrado que el mayor desequilibrio de ligamiento en la autofecundación en comparación con los genomas cruzados puede, en algunos casos, aunque bastante limitados, causar selección para tasas de transposición reducidas. En general, este razonamiento conduce a la predicción de que los asexuales/egoístas deberían experimentar una menor carga de elementos genéticos egoístas. Una advertencia a esto es que la evolución de la autofecundación está asociada con una reducción en el tamaño efectivo de la población. 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 autofecundadores en comparación con los cruzados.

La evidencia empírica de la importancia del sexo y el cruzamiento proviene de una variedad de elementos genéticos egoístas, que incluyen elementos transponibles, plásmidos de autopromoción y cromosomas B.

Regla 2: La presencia a menudo se revela en los híbridos

La presencia de elementos genéticos egoístas puede ser 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 se fijan rápidamente y, por lo tanto, los efectos fenotípicos no se segregarán en la población. Los eventos de hibridación, sin embargo, producirán descendencia con y sin los 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 silenciamiento de elementos transponibles administrado por ARN pequeño. 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 otro lado, puede heredar un elemento genético egoísta dado, pero no el supresor correspondiente y así revelar el efecto fenotípico del elemento genético egoísta.

Ejemplos

Distorsionadores de segregación

Los distorsionadores de segregación (aquí se muestra en rojo) se transmiten a √50% de los gametos.

Algunos elementos genéticos egoístas manipulan el proceso de transmisión genética para su propio beneficio y, por lo tanto, terminan estando sobrerrepresentados en los gametos. Tal distorsión puede ocurrir de varias maneras, y el término general que las abarca a todas es distorsión de segregación. Algunos elementos pueden transmitirse preferentemente en los óvulos en lugar de en 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 en frecuencia en una población.

La distorsión de la segregación puede ocurrir de varias formas. 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 segregación (SD) en Drosophila melanogaster es el ejemplo mejor estudiado, e involucra una proteína de envoltura nuclear Ran-GAP y la matriz de repetición ligada al X llamada Responder (Rsp), donde el alelo SD de Ran-GAP favorece su propia transmisión solo en presencia de un alelo Rsp^sensible en el cromosoma homólogo. SD actúa para matar a los espermatozoides ^sensibles a RSP, en un proceso posmeiótico (por lo tanto, no es estrictamente un impulso meiótico). Sistemas como este pueden tener dinámicas interesantes de piedra, papel o tijera, oscilando entre SD-RSP^insensible, SD+-RSP^insensible y SD+-RSP^sensible haplotipos. El haplotipo SD-RSP^sensible no se ve porque esencialmente se suicida.

Cuando la distorsión de la segregación actúa sobre los cromosomas sexuales, pueden sesgar la proporción de sexos. El sistema SR en Drosophila pseudoobscura, por ejemplo, está en el cromosoma X, y los machos XSR/Y producen solo hijas, mientras que las hembras experimentan una meiosis normal con proporciones mendelianas de gametos. 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, otro es el efecto sobre la fertilidad masculina del sistema Sex Ratio en D. pseudoobscura.

Endonucleasas autodirigidas

Los endonucleas de aficionado pueden reconocer una secuencia de destino, cortarla y luego utilizar su propia secuencia como una plantilla durante la reparación de dobles roturas. Esto convierte a un heterocigoto en un homozygote.

Un fenómeno estrechamente relacionado con la distorsión de la segregación son las endonucleasas autodirigidas. Estas son enzimas que cortan el ADN de una manera específica de secuencia, y esos cortes, generalmente roturas de doble cadena, luego se "curan" por la maquinaria normal de reparación del ADN. Las endonucleasas autodirigidas se insertan en el genoma en el sitio homólogo al primer sitio de inserción, lo que da como resultado la conversión de un heterocigoto en un homocigoto que lleva una copia de la endonucleasa autodirigida en ambos cromosomas homólogos. Esto le 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 opongan 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 llamados "impulsos genéticos" Los sistemas plantean una combinación de gran promesa para el biocontrol pero también de riesgo potencial.

Elementos transponibles

Los elementos transponibles se auto-replican a través de dos mecanismos principales: a través de un RNA intermedio ("copi-y-paste"; clase 1) o la incisión recta ("corte-y-paste"; clase 2).

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 intermediario de ARN para moverse. Los TE fueron descubiertos por primera vez en el maíz por Barbara McClintock en la década de 1940 y McClintock también aclaró por primera vez su capacidad para ocurrir tanto en estados activos como inactivos en el genoma. Los TE se han denominado 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 interrumpir funciones genéticas críticas con resultados devastadores. Por ejemplo, los TE se han relacionado con una variedad de enfermedades humanas, que van desde el cáncer hasta la hemofilia. Los TE que tienden a evitar la interrupción 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 lugares inocuos.

Tanto los huéspedes vegetales como los animales han desarrollado medios para reducir el impacto en la aptitud física de los TE, tanto al silenciarlos directamente como al reducir su capacidad de transposición en el genoma. Parecería que los anfitriones en general son bastante tolerantes a los TE en sus genomas, ya que una parte considerable (30-80%) del genoma de muchos animales y plantas son TE. Cuando el anfitrión puede detener su movimiento, los TE pueden simplemente congelarse en su lugar y luego pueden pasar millones de años antes de 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 la aptitud del huésped de manera demasiado drástica. El efecto de los TE en el genoma no es del todo egoísta. Debido a que su inserción en el genoma puede interrumpir la función del gen, a veces esas interrupciones pueden tener un valor de aptitud positivo para el huésped. Muchos cambios adaptativos en Drosophila y perros, por ejemplo, están asociados con las inserciones de TE.

Cromosomas B

Los cromosomas B se refieren a los cromosomas que no son necesarios para la viabilidad o la fertilidad del organismo, pero existen además del conjunto normal (A). Persisten en la población y se acumulan porque tienen la capacidad de propagar su propia transmisión independientemente de los cromosomas A. Suelen variar en el número de copias entre individuos de la misma especie.

Los cromosomas B se detectaron por primera vez hace más de un siglo. Aunque normalmente son más pequeños que los cromosomas normales, su estructura pobre en genes y rica en heterocromatina los hizo visibles para las primeras técnicas citogenéticas. Los cromosomas B se han estudiado a fondo y se estima que se encuentran en el 15% de todas las especies eucariotas. En general, parecen ser particularmente comunes entre las plantas eudicot, raras en los mamíferos y ausentes en las aves. En 1945, fueron el tema del artículo clásico de Gunnar Östergren 'La naturaleza parasitaria de los cromosomas extrafragmentados', donde argumenta que la variación en la abundancia de los cromosomas B entre y dentro de las especies se debe a la naturaleza parasitaria propiedades de las Bs. Esta fue la primera vez que se hizo referencia al material genético como "parásito" o "egoísta". El número de cromosomas B se correlaciona positivamente con el tamaño del genoma y también se ha relacionado con una disminución en la producción de huevos en el saltamontes Eyprepocnemis plorans.

Los conflictos genéticos a menudo surgen porque no todos los genes son heredados de la misma manera. Ejemplos incluyen esterilidad masculina citoplasmática (ver mitocondria egoísta). Mientras que los genes mitocondriales y cloroplastos son generalmente heredados maternamente, los cromosomas B pueden ser transmitidos preferentemente a través de hombres y mujeres.

Mitocondrias egoístas

Los conflictos genómicos suelen surgir porque no todos los genes se heredan de la misma manera. Probablemente el mejor ejemplo de esto es el conflicto entre los genes mitocondriales heredados uniparentalmente (generalmente, pero no siempre, por vía materna) y los genes nucleares heredados biparentalmente. De hecho, una de las primeras declaraciones claras sobre la posibilidad de un conflicto genómico fue hecha por el botánico inglés Dan Lewis en referencia al conflicto entre los genes mitocondriales heredados de la madre y los genes nucleares heredados biparentalmente sobre la asignación de sexos en las plantas hermafroditas.

Por lo general, una sola célula 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. Este punto de vista sigue estando muy extendido, pero ha sido cuestionado. 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.

El conflicto entre los genes mitocondriales y nucleares es especialmente fácil de estudiar en las plantas con flores. Las plantas con flores son típicamente hermafroditas y, por lo tanto, el conflicto ocurre dentro de un solo individuo. Los genes mitocondriales generalmente solo 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 evolutivo. 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 su propia posibilidad de transmisión. La esterilidad masculina citoplasmática es la pérdida de la fertilidad masculina, típicamente a través de la pérdida de la producción funcional de polen, como resultado de una mutación mitocondrial. En muchas especies en las que 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, haciendo que la planta vuelva a ser hermafrodita.

La carrera armamentista coevolutiva entre los genes mitocondriales egoístas y los alelos compensatorios nucleares a menudo se puede detectar al cruzar individuos de diferentes especies que tienen diferentes combinaciones de genes de esterilidad masculina y restauradores nucleares, lo que da como resultado híbridos con una falta de coincidencia.

Otra consecuencia de la herencia materna del genoma mitocondrial es la llamada maldición de la madre. Debido a que los genes en el genoma mitocondrial se heredan estrictamente de la madre, las mutaciones que son beneficiosas para las mujeres pueden propagarse en una población incluso si son perjudiciales para los hombres. Exámenes explícitos en moscas de la fruta han identificado con éxito tales mutaciones de ADNmt neutrales para las hembras pero que dañan a los machos. Además, un artículo de 2017 mostró cómo una mutación mitocondrial que causa la neuropatía óptica hereditaria de Leber, una enfermedad ocular con sesgo masculino, fue traída por una de las Filles du roi que llegó a Quebec, Canadá, en el siglo XVII y posteriormente esparcido entre muchos descendientes.

Impresión genómica

Igf2es un ejemplo de impresión genómica. En ratones, el gen del factor de crecimiento similar a la insulina 2Igf2, que está vinculado a la producción hormonal y el crecimiento de la descendencia aumentada se expresa paternalmente (maternalmente silenciado) y el factor de crecimiento similar a la insulina 2 gen receptorIgf2r, que une la proteína de crecimiento y tan lento crecimiento, se expresa maternalmente (paternalmente silenciado). La descendencia es de tamaño normal cuando ambos genes están presentes, o ambos genes están ausentes. Cuando el gen maternamente expresado (Igf2r) se llama experimentalmente la descendencia tiene un tamaño inusualmente grande, y cuando el gen paternalmente expresado (Igf2) está apagado, la descendencia es inusualmente pequeña.

Otro tipo de conflicto al que se enfrentan los genomas es el que existe entre la madre y el padre compitiendo por el control de la expresión génica 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 a los genomas materno y paterno que se puede utilizar 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 génica afecta la aptitud, puede llegar a un resultado similar.

La impronta parece un fenómeno de mala adaptación, ya que esencialmente significa renunciar a la diploidía, y los heterocigotos para un alelo defectuoso tienen 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 los 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 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.

Al mismo tiempo, el conflicto genómico o sexual no son los únicos mecanismos posibles por los que puede evolucionar la impronta. Se han descrito varios mecanismos moleculares para la impronta genómica, y todos tienen el aspecto de que los alelos derivados de la madre y el 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 un solo padre de origen. Por ejemplo, examinar el estado de impronta de especies estrechamente relacionadas permite ver que un gen que es movido por una inversión a una proximidad cercana de genes improntados puede adquirir un estado de impronta, incluso si no hay una consecuencia de aptitud particular de la impronta.

Barbas verdes

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 de un experimento mental presentado por primera vez por Bill Hamilton y luego fue desarrollado y dado su nombre actual por Richard Dawkins en The Selfish Gene. El objetivo del experimento mental era resaltar que desde un punto de vista Desde el punto de vista del gen, lo que importa no es la relación de todo el genoma (que suele ser la forma en que opera la selección de parentesco, es decir, el comportamiento cooperativo se dirige hacia los parientes), sino la relación en el locus particular que subyace al comportamiento social.

La forma más simple de mecanismo de barba verde. Un individuo con el alelo de barba verde ayuda preferentemente a un individuo de barba verde.

Siguiendo a Dawkins, una barba verde generalmente se define como un gen, o un conjunto de genes estrechamente vinculados, que tiene tres efectos:

1. Da a los portadores del gen una etiqueta fenotípica, como una barba verde.
2. El transportista es capaz de reconocer a otros individuos con la misma etiqueta.
3. El transportista se comporta altruistamente hacia individuos con la misma etiqueta.

Durante mucho tiempo se pensó que las barbas verdes eran una idea teórica divertida, con una posibilidad limitada de que realmente existieran en la naturaleza. Sin embargo, desde su concepción, se han identificado varios ejemplos, incluso en levaduras, mohos mucilaginosos y hormigas rojas.

Ha habido cierto debate sobre si los genes de barba verde deben considerarse elementos genéticos egoístas. El conflicto entre un locus de barba verde y el resto del genoma puede surgir porque durante una interacción social determinada entre dos individuos, la relación en el locus de barba verde puede ser mayor que en otros loci del genoma. Como consecuencia, puede ser del interés del locus de barba verde realizar un acto social costoso, pero no del interés del resto del genoma.

Junto con los elementos genéticos egoístas, la selección de barba verde también se ha utilizado como explicación teórica del suicidio.

Consecuencias para el anfitrión

Extinción de especies

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, resultar en la extinción de especies. Esta posibilidad ya fue señalada en 1928 por Sergey Gershenson y luego, en 1967, Bill Hamilton desarrolló un modelo genético de población formal para un caso de distorsión de la segregación de los cromosomas sexuales que llevaba 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 resultaría en última instancia en el cromosoma Y yendo a la fijación en la población, produciendo una proporción de sexos extremadamente sesgada hacia los hombres. En especies con problemas ecológicos, tales proporciones sexuales sesgadas implican que la conversión de recursos en descendencia se vuelve muy ineficiente, hasta el punto de correr el riesgo de extinción.

Especialización

Se ha demostrado que los elementos genéticos egoístas desempeñan un papel en la especiación. 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 los elementos genéticos egoístas y sus supresores pueden causar aislamiento reproductivo a través de los llamados Bateson-Dobzhansky-Muller. incompatibilidades ha recibido especial atención.

Un ejemplo temprano sorprendente de disgenesia híbrida inducida por un elemento genético egoísta fue el elemento P en Drosophila. Si los machos que portaban el elemento P se cruzaban con hembras que carecían de él, la descendencia resultante sufría de aptitud física reducida. Sin embargo, la descendencia del cruce recíproco era normal, como era de esperar, ya que los piRNA se heredan por vía materna. El elemento P normalmente está presente solo en las cepas silvestres y no en las cepas de laboratorio de D. melanogaster, ya que estos últimos se recolectaron antes de que se introdujeran los elementos P 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 los elementos genéticos egoístas y sus silenciadores puede conducir a incompatibilidades en escalas de tiempo evolutivas cortas, tan solo en unas pocas décadas.

Desde entonces, se han demostrado varios otros ejemplos de elementos genéticos egoístas que causan el aislamiento reproductivo. Cruzar diferentes especies de Arabidopsis da como resultado una mayor actividad de los elementos transponibles y una interrupción en la impresión, los cuales se han relacionado con la reducción de la aptitud en los híbridos resultantes. También se ha demostrado que la disgenesia híbrida es causada por el impulso centromérico en la cebada y en varias especies de angiospermas por el conflicto mitonuclear.

Variación del tamaño del genoma

Los intentos por comprender la extraordinaria variación en el tamaño del genoma (valor C) (los animales varían 7000 veces y las plantas terrestres unas 2400 veces) tiene una larga historia en biología. 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. El descubrimiento del ADN no codificante resolvió parte de la paradoja, y la mayoría de los investigadores actuales ahora utilice el término "enigma de valor C".

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. La contribución de los elementos transponibles al genoma está especialmente bien estudiada en las plantas. Un ejemplo llamativo es cómo el genoma del organismo modelo Arabidopsis thaliana contiene el mismo número de genes que el del abeto noruego (Picea abies), unos 30.000, pero acumulación de transposones significa que el genoma de este último es unas 100 veces más grande. También se ha demostrado que la abundancia de elementos transponibles causa los genomas inusualmente grandes que se encuentran en las salamandras.

La presencia de una gran cantidad de elementos transponibles en muchos genomas eucariotas fue un tema central de los artículos originales sobre el ADN egoísta mencionados anteriormente (ver Desarrollos conceptuales). La mayoría de las personas aceptaron rápidamente el mensaje central de esos documentos, que la existencia de elementos transponibles puede explicarse mediante una selección egoísta a nivel genético y que no hay necesidad de invocar la selección a nivel individual. Sin embargo, la idea de que los organismos mantienen elementos transponibles como reservorio genético para "acelerar la evolución" o para otras funciones reguladoras persiste en algunos sectores. En 2012, cuando el Proyecto ENCODE publicó un artículo que afirmaba que al 80 % del genoma humano se le puede asignar una función, afirmación que muchos interpretaron como la muerte de la idea del ADN basura, se reavivó este debate.

Aplicaciones en agricultura y biotecnología

Esterilidad masculina citoplasmática en fitomejoramiento

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 emasculación 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. Los criadores cruzan una cepa que lleva una mutación de esterilidad masculina citoplasmática con una cepa que no la tiene, y esta última actúa como donante de polen. Si la descendencia híbrida se va a cosechar para su semilla (como el maíz) y, por lo tanto, debe ser fértil masculina, las cepas parentales deben ser homocigóticas 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.

Vectores PiggyBac

Si bien muchos elementos transponibles parecen no ser buenos para el anfitrión, algunos elementos transponibles han sido "domesticados" por biólogos moleculares para que los elementos puedan insertarse y extirparse a voluntad del científico. Dichos elementos son especialmente útiles para realizar manipulaciones genéticas, como insertar ADN extraño en los genomas de una variedad de organismos.

Un excelente ejemplo de esto es PiggyBac, un elemento transponible que puede moverse eficientemente entre los vectores de clonación y los cromosomas usando un "cortar y pegar" mecanismo. 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 los contenidos de los sitios originales y los integra en las posiciones cromosómicas donde se encuentra la secuencia TTAA. Las tres cosas que hacen que PiggyBac sea tan útil son la eficiencia notablemente alta 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 perfectamente uniforme desde un sitio genómico, sin dejar secuencias o mutaciones detrás.

Sistemas de impulsor genético CRISPR y endonucleasas de búsqueda

CRISPR permite la construcción de endonucleasas autodirigidas artificiales, en las que 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 (consulte 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 expulsándolo. extinto. Esto aún no se ha intentado en el campo, pero las construcciones de impulsores genéticos se han probado en el laboratorio y se ha demostrado la capacidad de insertarse en el alelo homólogo de tipo salvaje en heterocigotos para el impulsor genético. Desafortunadamente, la rotura de doble hebra que introduce Cas9 se puede corregir mediante una reparación dirigida por homología, que haría una copia perfecta de la unidad, o mediante la unión de extremos no homólogos, lo que produciría una conexión "resistente" alelos incapaces de propagarse más. Cuando Cas9 se expresa fuera de la meiosis, parece que predomina la unión de extremos no homólogos, lo que hace que este sea el mayor obstáculo para la aplicación práctica de los impulsores genéticos.

Teoría matemática

Gran parte de la confusión con respecto a las ideas sobre los elementos genéticos egoístas se centra en el uso del lenguaje y la forma en que se describen los elementos y su dinámica evolutiva. Los modelos matemáticos permiten dar los supuestos y las reglas a priori para establecer enunciados matemáticos sobre la dinámica esperada de los elementos en las poblaciones. Las consecuencias de tener tales elementos en los genomas pueden entonces explorarse objetivamente. Las matemáticas pueden definir muy claramente las diferentes clases de elementos por su comportamiento preciso dentro de una población, eludiendo 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 impulsores genéticos y los elementos transponibles.

Distorsionadores de segregación

El alelo t del ratón es un ejemplo clásico de un sistema distorsionador de la segregación que se ha modelado con gran detalle. Los heterocigotos para un haplotipo t producen >90% de sus gametos que llevan la t (ver 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 t-haplotipos. 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. Cada vez 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 involucra a los cromosomas sexuales incluyen la "proporción de sexos" Los cromosomas X de Drosophila pseudoobscura y los cromosomas Y impulsan supresores de Drosophila mediopunctata. 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 controladores de cromosomas sexuales pueden producir dinámicas de frecuencia con oscilaciones y ciclos salvajes.

Sistemas de impulsores genéticos

La idea de propagar un gen en una población como medio de control de la población es bastante antigua, y los modelos para la dinámica de los cromosomas compuestos introducidos se remontan a la década de 1970. Posteriormente, la teoría de la genética de poblaciones para las endonucleasas homing y los impulsores genéticos basados en CRISPR se ha vuelto mucho más avanzada. 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 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 da como resultado alelos rotos o resistentes que ya no se propagan. La acomodación completa de los factores del huésped presenta un desafío considerable para lograr que una construcción de impulsores genéticos se fije, y Unckless y sus colegas 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 solo porque un elemento parece tener una fuerte ventaja de transmisión egoísta, si puede propagarse con éxito puede depender de configuraciones sutiles de otros parámetros en la población.

Elementos transponibles

Para modelar la dinámica de los elementos transponibles (TE) dentro de un genoma, uno debe darse cuenta de que los elementos se comportan como una población dentro de cada genoma, y pueden saltar de un genoma haploide a otro por transferencia horizontal. Las matemáticas tienen que describir las tasas y dependencias de estos eventos de transferencia. Se observó desde el principio que la tasa de salto de muchos TE varía con el número de copias, por lo que los primeros modelos simplemente usaron 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 pregunta de por qué la tasa difiere entre elementos y difiere con el número de copias. Stan Sawyer y Daniel L. Hartl 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 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 modelaron la evolución del número de copias de TE en Drosophila y otras especies. Lo impresionante de todos estos esfuerzos de modelado es lo bien que se ajustaron a los datos empíricos, dado que esto fue décadas antes del descubrimiento del 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 la regulación de TE aún está en pañales.