elemento genético egoísta

Las observaciones de lo que ahora se denomina elementos genéticos egoístas se remontan a los inicios 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 . ^{[ 13 ]} Fundamentalmente, señaló que la proporción sexual resultante sesgada hacia las hembras puede llevar a la extinción de una población (véase Extinción de especies ). La primera declaración clara de cómo los cromosomas pueden propagarse en una población no debido a sus efectos positivos en la aptitud del organismo individual, sino debido a su propia naturaleza "parasitaria", provino del botánico y citogenetista sueco Gunnar Östergren en 1945. ^{[ 14 ]} Al hablar de los cromosomas B en las plantas, escribió: ^{[ 14 ]}

En muchos casos, estos cromosomas no tienen ninguna función útil para las especies que los portan, sino que a menudo llevan una existencia exclusivamente parasitaria... [Los cromosomas B] no necesitan ser útiles para las plantas. Solo necesitan ser útiles para sí mismos.

Por la misma época, se informaron otros ejemplos de elementos genéticos egoístas. Por ejemplo, el genetista estadounidense de maíz Marcus Rhoades describió cómo los nódulos cromosómicos conducían a la segregación meiótica femenina en el maíz. ^{[ 15 ]} De manera similar, también fue entonces cuando se sugirió por primera vez que un conflicto intragenómico entre genes mitocondriales heredados uniparentalmente y genes nucleares heredados biparentalmente podría conducir a la esterilidad masculina citoplasmática en las plantas. ^{[ 16 ]} 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 algunos de los elementos genéticos egoístas más exitosos. ^{[ 17 ]} El descubrimiento de los elementos transponibles la llevó a recibir el Premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1983 .

El estudio empírico de los elementos genéticos egoístas se benefició enormemente del surgimiento de la llamada visión centrada en el gen de la evolución en las décadas de 1960 y 1970. ^{[ 18 ]} A diferencia de la formulación original de Darwin de la teoría de la evolución por selección natural, que se centraba en los organismos individuales, la visión centrada en el gen considera al gen como la unidad central de la selección en la evolución. ^{[ 19 ]} Concibe la evolución por selección natural como un proceso que involucra dos entidades separadas: replicadores (entidades que producen copias fieles de sí mismas, generalmente genes) y vehículos (o interactuadores; entidades que interactúan con el entorno ecológico, generalmente organismos). ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

Dado que los organismos son fenómenos 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. Considerar la evolución como una lucha entre replicadores que compiten entre sí facilitó reconocer que no todos los genes de un organismo compartirían el mismo destino evolutivo. ^{[ 18 ]}

La perspectiva desde el punto de vista del gen fue una síntesis de los modelos de genética de poblaciones de la síntesis moderna, en particular el trabajo de R. A. Fisher y los modelos de evolución social de W. D. Hamilton . Esta perspectiva fue popularizada por Adaptación y selección natural de George Williams ^{[ 7 ]} y el éxito de ventas de Richard Dawkins , El gen egoísta ^{[ 8 ]} . Dawkins resumió un beneficio clave de la perspectiva desde el punto de vista del gen de la siguiente manera:

«Si nos permitimos hablar de los genes como si tuvieran propósitos conscientes, tranquilizándonos siempre pensando que podríamos reformular nuestro lenguaje impreciso en términos respetables si quisiéramos, podemos preguntarnos: ¿qué intenta hacer un solo gen egoísta?» — Richard Dawkins, El gen egoísta ^{[ 8 ] : pág. 88}

En 1980, dos artículos de gran repercusión publicados consecutivamente 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. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Los artículos partieron del debate contemporáneo sobre 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 visión predominante de 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 eucariotas persiste, no debido a sus efectos fenotípicos, sino que puede entenderse desde la perspectiva de un gen, sin invocar explicaciones a nivel individual. Los dos artículos dieron lugar a una serie de intercambios en Nature . ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

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 en los avances teóricos y los descubrimientos empíricos. Leda Cosmides y John Tooby escribieron una revisión fundamental sobre el conflicto entre los genes citoplasmáticos heredados de la madre y los genes nucleares heredados de ambos progenitores. ^{[ 27 ]} El artículo también proporcionó una introducción completa a la lógica de los conflictos genómicos, anticipando muchos temas que más tarde serían objeto de mucha investigación. Luego, en 1988, John H. Werren y sus colegas escribieron la primera revisión empírica importante sobre el tema. ^{[ 1 ]} Este artículo logró tres cosas. Primero, acuñó el término elemento genético egoísta, poniendo fin a una terminología a veces confusa y diversa (genes egoístas, genes ultra-egoístas, ADN egoísta, ADN parásito, proscritos genómicos). Segundo, definió formalmente el concepto de elementos genéticos egoístas. Finalmente, fue el primer artículo en reunir todos los diferentes tipos de elementos genéticos egoístas conocidos en ese momento ( por ejemplo, no se abordó la impronta genómica ). ^{[ 1 ]}

A finales 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 entendían mejor como redes altamente integradas con un efecto coherente en la aptitud de los organismos. ^{[ 1 ] [ 11 ]} En 2006, cuando Austin Burt y Robert Trivers publicaron el primer libro que trataba el tema en profundidad, la situación estaba cambiando. ^{[ 11 ]} 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 genética tiene sentido excepto a la luz de los conflictos genómicos". ^{[ 28 ]}

La reproducción sexual implica la mezcla de genes de dos individuos. Según la Ley de Segregación de Mendel , los alelos en un organismo que se reproduce sexualmente tienen un 50 % de probabilidad de transmitirse de padres a hijos. Por lo tanto, a la meiosis a veces se la denomina "justa". ^{[ 29 ]}

Se espera que los genomas altamente autofecundantes o asexuales experimenten menos conflicto entre los elementos genéticos egoístas y el resto del genoma del huésped que los genomas sexuales de polinización cruzada. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} Hay varias razones para esto. Primero, el sexo y la polinización cruzada introducen elementos genéticos egoístas en nuevos linajes genéticos. Por el contrario, en un linaje altamente autofecundante o asexual, cualquier elemento genético egoísta está esencialmente confinado a 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 los autofecundantes/asexuales, ya que un linaje sin los elementos genéticos egoístas debería competir más que un linaje con el elemento genético egoísta. Segundo, la mayor homocigosidad en los autofecundantes elimina la oportunidad de competencia entre alelos homólogos. Tercero, el trabajo teórico ha demostrado que el mayor desequilibrio de ligamiento en los genomas autofecundantes en comparación con los de polinización cruzada puede, en algunos casos, aunque bastante limitados, causar selección para tasas de transposición reducidas. ^{[ 33 ]} En general, este razonamiento lleva a la predicción de que los organismos asexuales/autofecundados deberían experimentar una menor carga de elementos genéticos egoístas. Una salvedad a esto es que la evolución de la autofecundación está asociada con una reducción en el tamaño efectivo de la población . ^{[ 34 ]} Una reducción en el tamaño efectivo de la población debería reducir la eficacia de la selección y, por lo tanto, lleva a la predicción opuesta: mayor acumulación de elementos genéticos egoístas en los organismos autofecundados en relación con los organismos de polinización cruzada.

La evidencia empírica de la importancia del sexo y el cruzamiento proviene de una variedad de elementos genéticos egoístas, incluidos los elementos transponibles, ^{[ 35 ] [ 36 ]} los plásmidos autopromotores, ^{[ 37 ]} y los cromosomas B. ^{[ 38 ]}

La presencia de elementos genéticos egoístas puede ser difícil de detectar en poblaciones naturales. En cambio, sus consecuencias fenotípicas suelen hacerse evidentes en los híbridos. La primera razón es que algunos elementos genéticos egoístas se fijan rápidamente, por lo que sus efectos fenotípicos no se segregan en la población. Sin embargo, los eventos de hibridación producen descendencia con y sin los elementos genéticos egoístas, revelando así su presencia. La segunda razón es que los genomas del huésped han desarrollado mecanismos para suprimir la actividad de los elementos genéticos egoístas, como el silenciamiento de elementos transponibles mediante ARN pequeños. ^{[ 39 ]} La coevolución entre los elementos genéticos egoístas y sus supresores puede ser rápida y seguir una dinámica de la Reina Roja , lo que puede enmascarar la presencia de elementos genéticos egoístas en una población. La descendencia híbrida, por otro lado, puede  heredar un elemento genético egoísta determinado, pero no el supresor correspondiente, revelando así el efecto fenotípico del elemento genético egoísta. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

Algunos elementos genéticos egoístas manipulan el proceso de transmisión genética en su propio beneficio, y por lo tanto terminan sobrerrepresentados en los gametos. Esta distorsión puede ocurrir de diversas maneras, y el término general que las engloba es distorsión de la segregación. Algunos elementos pueden transmitirse preferentemente en los óvulos en lugar de en los corpúsculos polares durante la meiosis, donde solo los primeros serán fertilizados y transmitidos a la siguiente generación. Cualquier gen que pueda manipular la probabilidad de terminar en el óvulo en lugar del corpúsculo polar tendrá una ventaja de transmisión y aumentará su frecuencia en una población. ^{[ 5 ]}

La distorsión de la segregación puede ocurrir de varias maneras. 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 hay una mortalidad diferencial de espermátidas durante el proceso de maduración de los espermatozoides o espermiogénesis . El distorsionador de la segregación (SD) en Drosophila melanogaster es el ejemplo mejor estudiado, e involucra una proteína de la envoltura nuclear Ran-GAP y la matriz de repeticiones ligada al cromosoma X llamada Responder (Rsp), donde el alelo SD de Ran-GAP favorece su propia transmisión solo en presencia de un alelo ^sensible a Rsp en el cromosoma homólogo . ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} SD actúa para matar espermatozoides ^sensibles a RSP , en un proceso postmeiótico (por lo tanto, no es estrictamente hablando impulso meiótico). Sistemas como este pueden tener una dinámica de piedra, papel o tijera, oscilando entre los haplotipos SD-RSP ^insensibles , SD+-RSP ^insensibles y SD+-RSP ^sensibles . El haplotipo SD-RSP ^sensible no se observa porque esencialmente se autodestruye. ^{[ 43 ]}

Cuando la distorsión de la segregación actúa sobre los cromosomas sexuales, puede alterar la proporción de sexos. El sistema SR en Drosophila pseudoobscura , por ejemplo, se encuentra 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. ^{[ 47 ] [ 48 ]} Los sistemas de distorsión de la segregación llevarían al alelo favorecido a la fijación, excepto que en la mayoría de los casos donde se han identificado estos sistemas, el alelo impulsado se ve contrarrestado por alguna otra fuerza selectiva. Un ejemplo es la letalidad del haplotipo t en ratones, ^{[ 49 ]} otro es el efecto sobre la fertilidad masculina del sistema de proporción de sexos en D. pseudoobscura . ^{[ 47 ]}

Un fenómeno estrechamente relacionado con la distorsión de la segregación son las endonucleasas de homing . ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]} Estas son enzimas que cortan el ADN de forma específica de secuencia, y esos cortes, generalmente roturas de doble cadena, son luego "reparados" por la maquinaria de reparación del ADN habitual. Las endonucleasas de homing se insertan en el genoma en el sitio homólogo al primer sitio de inserción, lo que resulta en la conversión de un heterocigoto en un homocigoto que porta una copia de la endonucleasa de homing en ambos cromosomas homólogos. Esto confiere a las endonucleasas de homing una dinámica de frecuencia alélica bastante similar a la de un sistema de distorsión de la segregación, y generalmente, a menos que se vean contrarrestadas por una fuerte selección compensatoria, se espera que se fijen en una población. La tecnología CRISPR-Cas9 permite la construcción artificial de sistemas de endonucleasas de homing. Estos llamados sistemas de "impulso genético" presentan una combinación de gran promesa para el biocontrol, pero también de riesgo potencial. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

Los elementos transponibles (ET) 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 lo hacen mediante un mecanismo directo de corte y pegado, mientras que los retrotransposones necesitan producir un intermediario de ARN para moverse. Los ET fueron descubiertos por primera vez en el maíz por Barbara McClintock en la década de 1940 ^{[ 17 ]} y su capacidad para ocurrir tanto en estados activos como quiescentes en el genoma también fue dilucidada por primera vez por McClintock. ^{[ 55 ]} Los ET han sido denominados 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 alterar funciones génicas críticas con resultados devastadores. ^{[ 56 ]} Por ejemplo, los ET se han relacionado con una variedad de enfermedades humanas, que van desde el cáncer hasta la hemofilia. ^{[ 57 ]} Los TE que tienden a evitar alterar funciones vitales en el genoma tienden a permanecer en el genoma durante más tiempo y, por lo tanto, es más probable que se encuentren en ubicaciones inocuas. ^{[ 57 ]}

Tanto las plantas como los animales hospedadores han desarrollado mecanismos para reducir el impacto de los TE en su aptitud, ya sea silenciándolos directamente o reduciendo su capacidad de transposición en el genoma. Parece que los hospedadores en general son bastante tolerantes a los TE en sus genomas, dado que una porción considerable (30-80%) del genoma de muchos animales y plantas está compuesta por TE. ^{[ 58 ] [ 59 ]} Cuando el hospedador puede detener su movimiento, los TE pueden simplemente quedar congelados en su lugar, y entonces pueden tardar millones de años en mutar y desaparecer. La aptitud de un TE es una combinación de su capacidad para expandirse en número dentro de un genoma, para evadir las defensas del hospedador, pero también para evitar erosionar la aptitud del hospedador de forma demasiado drástica. El efecto de los TE en el genoma no es del todo egoísta. Debido a que su inserción en el genoma puede alterar la función génica, a veces esas alteraciones pueden tener un valor positivo para la aptitud del hospedador. Muchos cambios adaptativos en Drosophila ^{[ 60 ]} y perros ^{[ 61 ]} , por ejemplo, están asociados con inserciones de TE.

Los cromosomas B son aquellos que no son necesarios para la viabilidad o fertilidad del organismo, pero que existen además del conjunto normal (A). ^{[ 62 ]} Persisten en la población y se acumulan porque tienen la capacidad de propagarse independientemente de los cromosomas A. Suelen variar en número de copias entre individuos de la misma especie.

Los cromosomas B se detectaron por primera vez en 1908. ^{[ 63 ]} Aunque típicamente 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 exhaustivamente y se estima que se presentan en el 15% de todas las especies eucariotas. ^{[ 64 ]} En general, parecen ser particularmente comunes entre las plantas eudicotiledóneas, raros en mamíferos y ausentes en aves. En 1945, fueron el tema del artículo clásico de Gunnar Östergren "Naturaleza parasitaria de los cromosomas de fragmentos extra", donde argumenta que la variación en la abundancia de cromosomas B entre y dentro de las especies se debe a las propiedades parasitarias de los B. ^{[ 14 ]} Esta fue la primera vez que se hizo referencia al material genético como "parasitario" o "egoísta". El número de cromosomas B se correlaciona positivamente con el tamaño del genoma ^{[ 65 ]} y también se ha relacionado con una disminución en la producción de huevos en el saltamontes Eyprepocnemis plorans . ^{[ 66 ]}

Los conflictos genómicos suelen surgir porque no todos los genes se heredan de la misma manera. Probablemente el mejor ejemplo de esto sea el conflicto entre los genes mitocondriales de herencia uniparental (generalmente, aunque no siempre, materna) y los genes nucleares de herencia biparental. De hecho, una de las primeras afirmaciones claras sobre la posibilidad de un conflicto genómico la hizo el botánico inglés Dan Lewis en referencia al conflicto entre los genes mitocondriales de herencia materna y los genes nucleares de herencia biparental en la determinación del sexo en plantas hermafroditas . ^{[ 16 ]}

Una sola célula contiene típicamente 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 asegura que todas las mitocondrias compartan el mismo genoma, eliminando así la oportunidad de competencia. ^{[ 27 ] [ 67 ] [ 68 ]} Esta visión sigue siendo ampliamente aceptada, pero ha sido cuestionada. ^{[ 69 ]} 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. ^{[ 70 ]}

El conflicto entre los genes mitocondriales y nucleares es especialmente fácil de estudiar en las plantas con flores. ^{[ 71 ] [ 72 ]} Las plantas con flores son típicamente hermafroditas, ^{[ 73 ]} y el conflicto, por lo tanto, ocurre dentro de un solo individuo. Los genes mitocondriales generalmente solo se transmiten a través de los 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 masculinas mejora su propia probabilidad de transmisión. La esterilidad masculina citoplasmática es la pérdida de la fertilidad masculina, generalmente por la pérdida de la producción funcional de polen, como resultado de una mutación mitocondrial. ^{[ 74 ]} En muchas especies donde ocurre la 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. ^{[ 75 ] [ 76 ]}

La carrera armamentística coevolutiva entre los genes mitocondriales egoístas y los alelos nucleares compensatorios a menudo se puede detectar cruzando individuos de diferentes especies que tienen diferentes combinaciones de genes de esterilidad masculina y restauradores nucleares, lo que da como resultado híbridos con un desajuste. ^{[ 77 ]}

Otra consecuencia de la herencia materna del genoma mitocondrial es la llamada maldición materna . ^{[ 78 ]} Debido a que los genes en el genoma mitocondrial se heredan estrictamente por vía materna, las mutaciones que son beneficiosas en las hembras pueden propagarse en una población incluso si son perjudiciales en los machos. ^{[ 79 ]} Los análisis específicos en moscas de la fruta han identificado con éxito tales mutaciones de ADNmt neutras para las hembras pero perjudiciales para los machos. ^{[ 80 ] [ 81 ]} Además, un artículo de 2017 mostró cómo una mutación mitocondrial que causa la neuropatía óptica hereditaria de Leber , una enfermedad ocular con mayor prevalencia en los machos, fue introducida por una de las Filles du roi que llegaron a Quebec, Canadá, en el siglo XVII y posteriormente se propagó entre muchos descendientes. ^{[ 82 ]}

Otro tipo de conflicto al que se enfrentan los genomas es el que se produce entre la madre y el padre, que compiten por el control de la expresión génica en la descendencia, incluyendo el silenciamiento completo de un alelo parental. Debido a las diferencias en el estado de metilación de los gametos, existe una asimetría inherente entre los genomas materno y paterno que puede utilizarse para impulsar una expresión diferencial según el progenitor de origen. Esto resulta en una violación de las leyes de Mendel a nivel de expresión, no de transmisión, pero si la expresión génica afecta la aptitud, puede equivaler a un resultado similar. ^{[ 84 ]}

La impronta genómica parece un fenómeno desadaptativo, ya que implica esencialmente renunciar a la diploidía, y los heterocigotos para un alelo defectuoso se ven afectados si el alelo activo es el que se silencia. Varias enfermedades humanas, como los síndromes de Prader-Willi y Angelman , están asociadas con defectos en genes con impronta genómica. 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 genómica. 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 controlar dicho crecimiento. Se han propuesto muchas otras teorías basadas en el conflicto sobre la evolución de la impronta genómica. ^{[ 85 ] [ 86 ]}

Al mismo tiempo, el conflicto genómico o sexual no son los únicos mecanismos posibles por los que puede evolucionar la impronta. ^{[ 84 ]} 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 se hacen tener 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 origen parental único. Por ejemplo, examinar el estado de impronta de especies estrechamente relacionadas permite ver que un gen que se mueve por una inversión cerca de genes improntados puede adquirir a su vez un estado de impronta, incluso si no hay una consecuencia particular de aptitud de la impronta. ^{[ 84 ]}

Un gen greenbeard es un gen que tiene la capacidad de reconocer copias de sí mismo en otros individuos y, por lo tanto, hacer que su portador actúe preferentemente hacia dichos individuos. El nombre proviene de un experimento mental presentado por primera vez por William Hamilton ^{[ 87 ]} y luego desarrollado y denominado con su nombre actual por Richard Dawkins en El gen egoísta. El objetivo del experimento mental era resaltar que, desde la perspectiva de un gen, no es el parentesco a nivel genómico lo que importa (que es como suele operar la selección de parentesco, es decir, el comportamiento cooperativo se dirige hacia los parientes), sino el parentesco en el locus particular que subyace al comportamiento social. ^{[ 8 ] [ 87 ]}

Siguiendo a Dawkins, un greenbeard se define generalmente como un gen, o un conjunto de genes estrechamente ligados, que tiene tres efectos: ^{[ 88 ]}

1. Este gen otorga a los portadores del gen una etiqueta fenotípica, como por ejemplo "barba verde".
2. El portador es capaz de reconocer a otras personas con la misma etiqueta.
3. El portador se comporta entonces de forma altruista hacia las personas con la misma etiqueta.

Durante mucho tiempo se pensó que los "barbas verdes" eran una idea teórica divertida, con escasa posibilidad de que existieran realmente en la naturaleza. Sin embargo, desde su concepción, se han identificado varios ejemplos, incluyendo levaduras, ^{[ 89 ]} mohos mucilaginosos ^{[ 90 ]} y hormigas rojas. ^{[ 91 ]} 

Se ha debatido si los genes greenbeard deben considerarse elementos genéticos egoístas. ^{[ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]} El conflicto entre un locus greenbeard y el resto del genoma puede surgir porque, durante una interacción social determinada entre dos individuos, el parentesco en el locus greenbeard puede ser mayor que en otros loci del genoma. En consecuencia, puede ser beneficioso para el locus greenbeard realizar un acto social costoso, pero no para el resto del genoma. ^{[ 94 ]}

En conjunto con elementos genéticos egoístas, la selección de barba verde también se ha utilizado como explicación teórica del suicidio. ^{[ 95 ]}

Quizás una de las maneras más claras de ver que el proceso de selección natural no siempre tiene la aptitud del organismo como único motor es cuando los elementos genéticos egoístas se salen con la suya sin restricciones. En tales casos, los elementos egoístas pueden, en principio, provocar la extinción de la especie. Esta posibilidad ya fue señalada en 1928 por Sergey Gershenson ^{[ 13 ]} y luego, en 1967, Bill Hamilton ^{[ 96 ]} desarrolló un modelo formal de genética de poblaciones para un caso de distorsión de la segregación de los cromosomas sexuales que lleva a una población a la extinción. En particular, si un elemento egoísta pudiera dirigir la producción de esperma, de tal manera que los machos portadores del elemento en el cromosoma Y produjeran un exceso de espermatozoides portadores del cromosoma Y, entonces, en ausencia de cualquier fuerza compensatoria, esto resultaría en la fijación del cromosoma Y en la población, produciendo una proporción sexual extremadamente sesgada hacia los machos. En especies con dificultades ecológicas, tales proporciones sexuales sesgadas implican que la conversión de recursos en descendencia se vuelve muy ineficiente, hasta el punto de arriesgarse a la extinción. ^{[ 97 ]}

Se ha demostrado que los elementos genéticos egoístas desempeñan un papel en la especiación . ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 98 ]} Esto podría ocurrir porque la presencia de elementos genéticos egoístas puede dar lugar a cambios en la morfología y/o la historia de vida, pero se ha prestado especial atención a las formas en que la coevolución entre los elementos genéticos egoístas y sus supresores puede causar aislamiento reproductivo a través de las llamadas incompatibilidades de Bateson-Dobzhansky-Muller .

Un ejemplo temprano y llamativo de disgenesia híbrida inducida por un elemento genético egoísta fue el elemento P en Drosophila . ^{[ 99 ] [ 100 ]} Si los machos portadores del elemento P se cruzaban con hembras que carecían de él, la descendencia resultante sufría una aptitud reducida. Sin embargo, la descendencia del cruce recíproco era normal, como cabría esperar dado que los piRNA se heredan por vía materna. El elemento P suele estar presente solo en cepas silvestres, y no en cepas de laboratorio de D. melanogaster , ya que estas últimas 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 también es un buen ejemplo de cómo la rápida coevolución entre elementos genéticos egoístas y sus silenciadores puede conducir a incompatibilidades en escalas de tiempo evolutivas cortas, incluso en unas pocas décadas. ^{[ 40 ]}

Desde entonces, se han demostrado otros ejemplos de elementos genéticos egoístas que causan aislamiento reproductivo. El cruce de diferentes especies de Arabidopsis produce una mayor actividad de los elementos transponibles ^{[ 101 ]} y una alteración en la impronta genómica ^{[ 102 ],} ambos factores vinculados a una reducción de la aptitud en los híbridos resultantes. También se ha demostrado que la disgenesia híbrida es causada por la segregación centromérica en la cebada ^{[ 103 ]} y, en varias especies de angiospermas, por el conflicto mitocondrial-nuclear ^{[ 104 ] .}

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— tienen una larga historia en biología. ^{[ 105 ]} Sin embargo, esta variación está poco correlacionada con el número de genes o cualquier medida de complejidad del organismo, lo que llevó a CA Thomas a acuñar el término paradoja del valor C en 1971. ^{[ 106 ]} El descubrimiento del ADN no codificante resolvió parte de la paradoja, y la mayoría de los investigadores actuales utilizan ahora el término "enigma del valor C". ^{[ 107 ]}

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. ^{[ 65 ] [ 108 ]} La contribución de los elementos transponibles al genoma está especialmente bien estudiada en plantas. ^{[ 58 ] [ 59 ] [ 109 ]} 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 ), alrededor de 30 000, pero la acumulación de transposones significa que el genoma de este último es unas 100 veces mayor. También se ha demostrado que la abundancia de elementos transponibles causa los genomas inusualmente grandes que se encuentran en las salamandras. ^{[ 110 ]}

La presencia de una abundancia de elementos transponibles en muchos genomas eucariotas fue un tema central de los artículos originales sobre el ADN egoísta mencionados anteriormente (véase Desarrollos conceptuales ). La mayoría aceptó rápidamente el mensaje central de esos artículos: que la existencia de elementos transponibles puede explicarse por la selección egoísta a nivel genético y que no es necesario invocar la selección a nivel individual. Sin embargo, la idea de que los organismos conservan elementos transponibles como reservorio genético para "acelerar la evolución" o para otras funciones reguladoras persiste en algunos ámbitos. ^{[ 111 ]} En 2012, cuando el Proyecto ENCODE publicó un artículo que afirmaba que al 80 % del genoma humano se le puede asignar una función, una afirmación interpretada por muchos como la muerte de la idea del ADN basura , este debate se reavivó. ^{[ 112 ] [ 113 ]}

Un problema común para los fitomejoradores es la autofecundación no deseada. Esto es particularmente problemático cuando intentan cruzar dos cepas diferentes para crear una nueva cepa híbrida. Una forma de evitarlo es la emasculación manual, es decir, la eliminación física de las anteras para esterilizar al macho. La esterilidad masculina citoplasmática ofrece una alternativa a este laborioso proceso. ^{[ 114 ]} Los fitomejoradores cruzan una cepa portadora de una mutación de esterilidad masculina citoplasmática con una cepa que no la posee, actuando esta última como donante de polen. Si la descendencia híbrida se va a cosechar por sus semillas (como el maíz) y, por lo tanto, necesita ser fértil masculinamente, las cepas parentales deben ser homocigotas para el alelo restaurador. En cambio, en especies que se cosechan por sus partes vegetales, como las cebollas, esto no representa un problema. Esta técnica se ha utilizado en una amplia variedad de cultivos, incluyendo arroz, maíz, girasol, trigo y algodón. ^{[ 115 ]}

Si bien muchos elementos transponibles parecen no ser beneficiosos para el huésped, algunos han sido "domesticados" por biólogos moleculares para que puedan insertarse y eliminarse a voluntad del científico. Estos elementos son especialmente útiles para realizar manipulaciones genéticas, como la inserción de ADN extraño en los genomas de diversos organismos. ^{[ 116 ]}

Un excelente ejemplo de esto es PiggyBac , un elemento transponible que puede moverse eficientemente entre vectores de clonación y cromosomas mediante un mecanismo de "corte y pegado". ^{[ 117 ]} El investigador construye un elemento PiggyBac con la carga útil deseada insertada, y un segundo elemento (la transposasa PiggyBac), ubicado en otro vector plasmídico, puede ser cotransfectado en la célula diana. La transposasa PiggyBac corta en las secuencias de repetición terminal invertida ubicadas en ambos extremos del vector PiggyBac y mueve eficientemente el contenido desde los sitios originales y lo integra en posiciones cromosómicas donde se encuentra la secuencia TTAA. Las tres características que hacen que PiggyBac sea tan útil son la notable eficiencia de esta operación de corte y pegado, su capacidad para transportar cargas útiles de hasta 200 kb y su capacidad para dejar un corte perfectamente limpio de un sitio genómico, sin dejar secuencias ni mutaciones. ^{[ 118 ]}

CRISPR permite la construcción de endonucleasas de homing artificiales, donde el constructo produce ARN guía que cortan el gen diana, y las secuencias flanqueantes homólogas permiten la inserción del mismo constructo que contiene el gen Cas9 y los ARN guía. Estos sistemas de impulso genético deberían tener la capacidad de propagarse rápidamente en una población (véase Sistemas de impulso genético ), y una aplicación práctica de dicho sistema que se ha propuesto es aplicarlo a una población de plagas, reduciendo drásticamente su número o incluso llevándola a la extinción. ^{[ 54 ]} Esto aún no se ha intentado en el campo, pero los constructos de impulso genético se han probado en el laboratorio, y se ha demostrado la capacidad de insertarse en el alelo homólogo de tipo silvestre en heterocigotos para el impulso genético. ^{[ 53 ]} Desafortunadamente, la ruptura de doble cadena que introduce Cas9 puede corregirse mediante reparación dirigida por homología , lo que crearía una copia perfecta del impulso, o mediante unión de extremos no homólogos , lo que produciría alelos "resistentes" incapaces de propagarse por sí mismos. Cuando Cas9 se expresa fuera de la meiosis, parece que predomina la unión de extremos no homólogos, lo que constituye el mayor obstáculo para la aplicación práctica de los impulsores genéticos. ^{[ 119 ]}

El alelo t del ratón es un ejemplo clásico de un sistema de distorsión de la segregación que se ha modelado con gran detalle. ^{[ 49 ] [ 121 ]} Los heterocigotos para un haplotipo t producen >90% de sus gametos que portan el t (véase Distorsionadores de la segregación ), y los homocigotos para un haplotipo t mueren como embriones. Esto puede resultar en un polimorfismo estable, con una frecuencia de equilibrio que depende de la fuerza del impulso y los impactos directos en la aptitud de los haplotipos t. 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. Siempre que los cromosomas sexuales experimentan 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 involucran cromosomas sexuales incluyen los cromosomas X de "Sex Ratio" de Drosophila pseudoobscura ^{[ 47 ]} y los supresores del impulso del cromosoma Y de Drosophila mediopunctata ^{[ 122 ]} . Un punto crucial sobre la teoría de los distorsionadores de la segregación es que el hecho de que existan efectos de aptitud que actúen en contra del distorsionador no garantiza que habrá un polimorfismo estable. De hecho, algunos impulsores de cromosomas sexuales pueden producir dinámicas de frecuencia con oscilaciones y ciclos extremos ^{[ 123 ] .}

La idea de propagar un gen en una población como medio de control poblacional es bastante antigua, y los modelos para la dinámica de cromosomas compuestos introducidos datan de la década de 1970. ^{[ 124 ]} Posteriormente, la teoría de genética de poblaciones para endonucleasas de homing y sistemas de impulso genético basados ​​en CRISPR se ha vuelto mucho más avanzada. ^{[ 50 ] [ 125 ]} Un componente importante para modelar estos procesos en poblaciones naturales es considerar la respuesta genética en la población objetivo. Por un lado, cualquier población natural albergará variación genética existente, y esa variación bien podría incluir polimorfismo en las secuencias homólogas a los ARN guía, o los brazos de homología que están destinados a dirigir la reparación. Además, diferentes huéspedes y diferentes construcciones pueden tener tasas muy 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 completa adaptación a los factores del huésped supone un desafío considerable para lograr la fijación de una construcción de impulso genético, y Unckless y sus colegas ^{[ 126 ]} demuestran que, de hecho, las construcciones actuales están bastante lejos de alcanzar frecuencias siquiera moderadas en poblaciones naturales. Este es otro excelente ejemplo que muestra que, aunque un elemento parezca tener una fuerte ventaja de transmisión egoísta, su propagación exitosa puede depender de configuraciones sutiles de otros parámetros en la población. ^{[ 125 ]}

Para modelar la dinámica de los elementos transponibles (ET) dentro de un genoma, es necesario comprender que estos elementos se comportan como una población dentro de cada genoma y pueden saltar de un genoma haploide a otro mediante transferencia horizontal. Las matemáticas deben describir las tasas y dependencias de estos eventos de transferencia. Se observó desde el principio que la tasa de salto de muchos ET varía con el número de copias, por lo que los primeros modelos simplemente utilizaron una función empírica para la tasa de transposición. Esto tenía la ventaja de que podía medirse mediante experimentos de laboratorio, pero dejaba abierta la cuestión de por qué la tasa difiere entre elementos y difiere con el número de copias. Stan Sawyer y Daniel L. Hartl ^{[ 127 ]} ajustaron modelos de este tipo a una variedad de ET bacterianos y obtuvieron ajustes bastante buenos entre el número de copias y la tasa de transmisión y la incidencia de los ET 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 ^{[ 33 ] [ 128 ] [ 129 ]} 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 de que la mosca huésped tiene un poderoso mecanismo de defensa en forma de piRNAs. La incorporación de la defensa del huésped junto con la dinámica de los TE en los modelos evolutivos de regulación de los TE todavía está en sus inicios. ^{[ 130 ]}