La genética de poblaciones es la rama de la genética que estudia la distribución de la variación genética dentro y entre poblaciones y las fuerzas que cambian las frecuencias alélicas a lo largo del tiempo. El campo proporciona la base matemática para comprender la evolución, la biología de la conservación y la base genética de las enfermedades humanas.
Frecuencias de alelos y genotipos
Las cantidades fundamentales en genética de poblaciones son las frecuencias alélicas (la proporción de cada alelo en un locus de una población) y las frecuencias genotípicas (la proporción de cada genotipo). Para un locus diploide con dos alelos A y a, si p representa la frecuencia de A y q representa la frecuencia de a, entonces p + q = 1 cuando solo existen dos alelos. Las frecuencias genotípicas son las proporciones de individuos AA, Aa y aa en la población. Estas frecuencias están relacionadas pero no son idénticas: las frecuencias genotípicas pueden derivarse de las frecuencias alélicas sólo bajo suposiciones específicas, y uno de los objetivos centrales de la genética de poblaciones es comprender cuándo y por qué las frecuencias genotípicas observadas se desvían de las expectativas.
El principio de Hardy-Weinberg
El principio de Hardy-Weinberg establece que las frecuencias de alelos y genotipos en una población permanecen constantes de generación en generación en ausencia de fuerzas evolutivas. Para un locus con dos alelos, las frecuencias genotípicas esperadas en el equilibrio de Hardy-Weinberg son p² para AA, 2pq para Aa y q² para aa. Este equilibrio se alcanza después de una generación de apareamiento aleatorio, independientemente de las frecuencias genotípicas iniciales. El principio sirve como modelo nulo para la genética de poblaciones: cuando las frecuencias genotípicas observadas difieren significativamente de las expectativas de Hardy-Weinberg, indica que están operando una o más fuerzas evolutivas. El principio de Hardy-Weinberg se aplica bajo cinco supuestos: una población infinitamente grande, apareamiento aleatorio, ninguna mutación, ningún flujo de genes (migración) y ninguna selección natural. Las poblaciones reales nunca cumplen con todos los supuestos, lo que convierte al principio en una línea de base contra la cual se mide el cambio evolutivo.
Selección natural
La selección natural cambia las frecuencias alélicas cuando los genotipos difieren en aptitud, que es la capacidad de sobrevivir y reproducirse. La aptitud de un genotipo se expresa en relación con el genotipo más apto, y los coeficientes de selección miden la reducción de la aptitud. La selección direccional favorece un alelo sobre otro, lo que hace que su frecuencia aumente con el tiempo. Para un alelo dominante ventajoso, la selección actúa eficientemente porque el alelo se expresa tanto en homocigotos como en heterocigotos. Para un alelo recesivo ventajoso, la selección avanza más lentamente porque el alelo está oculto a la selección en heterocigotos. La selección equilibrada mantiene múltiples alelos en la población a través de mecanismos como la ventaja de los heterocigotos (sobredominancia), donde los heterocigotos tienen una mayor aptitud que ambos homocigotos, como se observa con el rasgo de células falciformes que confiere resistencia a la malaria. La selección dependiente de la frecuencia ocurre cuando la aptitud de un genotipo depende de su frecuencia en la población, y los genotipos raros a veces tienen una ventaja.
Deriva genética
La deriva genética es la fluctuación aleatoria de las frecuencias alélicas debido al tamaño finito de la población. En poblaciones pequeñas, las frecuencias alélicas pueden cambiar drásticamente por pura casualidad, incluso en ausencia de selección. La magnitud de la deriva está inversamente relacionada con el tamaño de la población: en una población de tamaño N, la variación en el cambio de frecuencia alélica por generación es pq/2N para un locus diploide, lo que significa que las poblaciones más pequeñas experimentan fluctuaciones aleatorias más grandes. La deriva conduce a la pérdida de diversidad genética con el tiempo, y eventualmente un alelo se fija (frecuencia = 1) y otros se pierden (frecuencia = 0). La probabilidad de que una nueva mutación neutra se fije únicamente por deriva es igual a su frecuencia inicial, 1/2N. El tamaño efectivo de la población (Ne) es el tamaño de una población ideal que experimenta la misma tasa de deriva que la población real, teniendo en cuenta factores como proporciones desiguales de sexos, variación en el éxito reproductivo y cuellos de botella poblacionales.
Flujo genético y migración
El flujo de genes, también llamado migración, es el movimiento de alelos entre poblaciones. La migración introduce nuevos alelos en una población y reduce la diferenciación genética entre poblaciones. El alcance del flujo genético se mide mediante FST, una estadística que cuantifica la proporción de variación genética atribuible a diferencias entre poblaciones, que van desde 0 (sin diferenciación) a 1 (diferenciación completa). Los valores bajos de FST indican un alto flujo de genes, mientras que los valores altos indican un flujo de genes restringido y una mayor estructura poblacional. Los modelos de islas y los modelos de trampolín describen patrones de migración entre poblaciones y predicen cómo se divide la variación genética en el espacio geográfico.
Mutación
La mutación introduce nueva variación genética en las poblaciones a tasas bajas, típicamente de 10⁻⁸ a 10⁻⁹ por par de bases por generación para mutaciones puntuales. A pesar de su rareza, las mutaciones son la fuente última de toda variación genética y son esenciales para la evolución a largo plazo. El equilibrio mutación-selección describe la frecuencia de equilibrio de un alelo nocivo determinado por las fuerzas opuestas de la mutación que crean nuevas copias y la selección las elimina. Para un alelo deletéreo recesivo, la frecuencia de equilibrio es aproximadamente la raíz cuadrada de la tasa de mutación dividida por el coeficiente de selección, mientras que para un alelo deletéreo dominante, es aproximadamente el doble de la tasa de mutación dividida por el coeficiente de selección.
Apareamiento no aleatorio
Los patrones de apareamiento no aleatorios afectan las frecuencias de los genotipos sin cambiar directamente las frecuencias de los alelos. El apareamiento selectivo positivo, donde los individuos con fenotipos similares se aparean preferentemente, aumenta la homocigosidad. El apareamiento selectivo negativo (apareamiento desasortativo) aumenta la heterocigosidad. La endogamia, el apareamiento entre parientes, aumenta la proporción de homocigotos en todo el genoma y se cuantifica mediante el coeficiente de endogamia F, que mide la probabilidad de que dos alelos en un locus sean idénticos por descendencia. La endogamia expone alelos nocivos recesivos en los homocigotos, lo que lleva a la depresión endogámica, la aptitud reducida observada en la descendencia de individuos relacionados.
Aplicaciones en genética humana
Los principios de la genética de poblaciones se aplican ampliamente en la genética humana. Los estudios de asociación de todo el genoma (GWAS) utilizan muestras basadas en la población para identificar variantes genéticas asociadas con enfermedades, pero la estratificación de la población (diferencias de frecuencia de alelos entre grupos ancestrales) puede producir asociaciones espurias si no se controla adecuadamente. El mapeo de mezclas aprovecha la ascendencia mixta de poblaciones como los afroamericanos para identificar variantes de riesgo de enfermedades. La genética forense utiliza los supuestos de Hardy-Weinberg para calcular la probabilidad de coincidencias aleatorias en los perfiles de ADN. La genética de la conservación aplica estos principios para gestionar la diversidad genética en especies en peligro de extinción, utilizando estimaciones efectivas del tamaño de la población y medidas de diferenciación genética para guiar los programas de reproducción y la gestión del hábitat.
