Barrido selectivo

En genética , la selección direccional es el proceso mediante el cual una nueva mutación beneficiosa , que aumenta su frecuencia y se fija (es decir, alcanza una frecuencia de 1) en la población, conduce a la reducción o eliminación de la variación genética entre las secuencias de nucleótidos cercanas a la mutación . En la selección direccional, la selección positiva provoca que la nueva mutación se fije tan rápidamente que los alelos ligados pueden "transportarse" y también fijarse.

Un barrido selectivo puede ocurrir cuando un alelo raro o previamente inexistente que aumenta la aptitud del portador (en relación con otros miembros de la población ) aumenta rápidamente en frecuencia debido a la selección natural . A medida que aumenta la prevalencia de dicho alelo beneficioso, las variantes genéticas que se encuentran en el contexto genómico (el entorno de ADN) del alelo beneficioso también se vuelven más frecuentes. Esto se denomina arrastre genético . Un barrido selectivo debido a un alelo fuertemente seleccionado, que surgió en un único contexto genómico, resulta, por lo tanto, en una región del genoma con una gran reducción de la variación genética en esa región cromosómica . La idea de que una fuerte selección positiva podría reducir la variación genética cercana debido al arrastre genético fue propuesta por John Maynard-Smith y John Haigh en 1974. ^{[ 1 ]}

No todos los barridos genéticos reducen la variación genética de la misma manera. Los barridos genéticos se pueden clasificar en tres categorías principales:

1. Se espera que la "barrida selectiva clásica" o "barrida selectiva dura" ocurra cuando las mutaciones beneficiosas son raras, pero una vez que ocurre una mutación beneficiosa, su frecuencia aumenta rápidamente, reduciendo así drásticamente la variación genética en la población. ^{[ 1 ]}
2. Otro tipo de barrido, un "barrido suave a partir de la variación genética existente", ocurre cuando una mutación previamente neutra presente en una población se vuelve beneficiosa debido a un cambio ambiental. Dicha mutación puede estar presente en varios contextos genómicos, de modo que cuando aumenta rápidamente su frecuencia, no borra toda la variación genética de la población. ^{[ 2 ]}
3. Finalmente, se produce un "barrido suave de origen múltiple" cuando las mutaciones son comunes (por ejemplo, en una población grande) de modo que las mismas mutaciones beneficiosas o similares ocurren en diferentes contextos genómicos, de manera que ningún contexto genómico individual puede alcanzar una alta frecuencia. ^{[ 3 ]}

Los barridos selectivos no ocurren cuando la selección causa simultáneamente cambios muy pequeños en las frecuencias alélicas en muchos loci, cada uno con variación existente ( adaptación poligénica ).

La existencia de una selección direccional puede investigarse de diversas maneras. Un método consiste en medir el desequilibrio de ligamiento , es decir, si un haplotipo determinado está sobrerrepresentado en la población. En la evolución neutra, la recombinación genética produce una redistribución de los diferentes alelos dentro de un haplotipo, y ningún haplotipo domina la población. Sin embargo, durante una selección direccional, la selección de una variante genética con selección positiva también conlleva la selección de alelos vecinos y una menor oportunidad de recombinación. Por lo tanto, la presencia de un fuerte desequilibrio de ligamiento podría indicar una selección direccional reciente y puede utilizarse para identificar sitios sometidos recientemente a selección.

Se han realizado numerosos análisis de barridos selectivos en humanos y otras especies, utilizando diversos enfoques y supuestos estadísticos. ^{[ 4 ]}

En el maíz, una comparación reciente de genotipos de maíz amarillo y blanco alrededor de Y1 —el gen de la fitoeno sintetasa responsable del color amarillo del endospermo— muestra una fuerte evidencia de una selección direccional en el germoplasma amarillo que reduce la diversidad en este locus y un desequilibrio de ligamiento en las regiones circundantes. Las líneas de maíz blanco presentaron una mayor diversidad y ninguna evidencia de desequilibrio de ligamiento asociado a una selección direccional. ^{[ 5 ]}

Debido a que los barridos selectivos permiten una rápida adaptación, se los ha citado como un factor clave en la capacidad de las bacterias y los virus patógenos para atacar a sus huéspedes y sobrevivir a los medicamentos que usamos para tratarlos. ^{[ 6 ]} En tales sistemas, la competencia entre huésped y parásito a menudo se caracteriza como una "carrera armamentística" evolutiva , por lo que cuanto más rápido un organismo pueda cambiar su método de ataque o defensa, mejor. Esto se ha descrito en otros lugares mediante la hipótesis de la Reina Roja . No hace falta decir que un patógeno más eficaz o un huésped más resistente tendrá una ventaja adaptativa sobre sus congéneres, proporcionando el combustible para un barrido selectivo.

Un ejemplo proviene del virus de la influenza humana , que ha estado involucrado en una competencia adaptativa con los humanos durante cientos de años. Si bien la deriva antigénica (el cambio gradual de antígenos de superficie) se considera el modelo tradicional para los cambios en el genotipo viral, evidencia reciente ^{[ 7 ]} sugiere que los barridos selectivos también juegan un papel importante. En varias poblaciones de influenza, el tiempo hasta el ancestro común más reciente (TMRCA) de cepas "hermanas", un indicador de parentesco, sugirió que todas habían evolucionado a partir de un progenitor común en tan solo unos pocos años. Los períodos de baja diversidad genética, presumiblemente resultantes de barridos genéticos, dieron paso a una diversidad creciente a medida que las diferentes cepas se adaptaron a sus propios entornos.

Un caso similar se encuentra en Toxoplasma gondii , un parásito protozoario extraordinariamente potente capaz de infectar animales de sangre caliente. Recientemente se descubrió que T. gondii existe en solo tres linajes clonales en toda Europa y América del Norte. ^{[ 8 ]} En otras palabras, solo hay tres cepas genéticamente distintas de este parásito en todo el Viejo Mundo y gran parte del Nuevo Mundo. Estas tres cepas se caracterizan por una única versión monomórfica del gen Chr1a, que surgió aproximadamente al mismo tiempo que los tres clones modernos. Parece entonces que surgió un nuevo genotipo que contenía esta forma de Chr1a y se extendió por toda la población europea y norteamericana de Toxoplasma gondii , trayendo consigo el resto de su genoma a través de transporte genético . Las cepas sudamericanas de T. gondii , de las cuales hay muchas más que en otros lugares, también portan este alelo de Chr1a.

Rarely are genetic variability and its opposing forces, including adaptation, more relevant than in the generation of domestic and agricultural species. Cultivated crops, for example, have essentially been genetically modified for more than ten thousand years,^[9] subjected to artificial selective pressures, and forced to adapt rapidly to new environments. Selective sweeps provide a baseline from which different varietals could have emerged.^[10]

For example, recent study of the corn (Zea mays) genotype uncovered dozens of ancient selective sweeps uniting modern cultivars on the basis of shared genetic data possibly dating back as far as domestic corn's wild counterpart, teosinte. In other words, though artificial selection has shaped the genome of corn into a number of distinctly adapted cultivars, selective sweeps acting early in its development provide a unifying homoplasy of genetic sequence. In a sense, the long-buried sweeps may give evidence of corn's, and teosinte's, ancestral state by elucidating a common genetic background between the two.

Another example of the role of selective sweeps in domestication comes from the chicken. A Swedish research group recently used parallel sequencing techniques to examine eight cultivated varieties of chicken and their closest wild ancestor with the goal of uncovering genetic similarities resultant from selective sweeps.^[11] They managed to uncover evidence of several selective sweeps, most notably in the gene responsible for thyroid-stimulating hormone receptor (TSHR), which regulates the metabolic and photoperiod-related elements of reproduction. What this suggests is that, at some point in the domestication of the chicken, a selective sweep, probably driven by human intervention, subtly changed the reproductive machinery of the bird, presumably to the advantage of its human manipulators.

Examples of selective sweeps in humans are in variants affecting lactase persistence,^[12][13] and adaptation to high altitude.^[14]

• International HapMap Project
• Hill-Robertson effect
• Soft selective sweep