Teoría de la coalescencia
From Wikipedia, the free encyclopedia
La teoría de la coalescencia[1] es una teoría dentro de la genética de poblaciones que propone que, en una población dotada de una cierta variabilidad genética, y para genes neutros que no afecten a la viabilidad de un individuo, las diferentes secuencias genéticas (alelos) presentes en ella deberían haber tenido un solo ancestro común, es decir, provenir de una única secuencia (gen) original (ancestro común más reciente o MRCA por sus siglas en inglés). La historia de la población, inferida a través de estos cambios, explicaría esas variaciones.
La teoría coalescente es además una teoría matemática y estadística que describe el proceso de rastrear las secuencias genéticas hacia atrás en el tiempo. Se diferencia de la genética de poblaciones clásica en dos aspectos principales: el primero es que la teoría coalescente analiza los procesos mirando hacia el pasado, mientras que la genética clásica lo hace proyectándose hacia el futuro; y el segundo, que se enfoca en muestras de una población en lugar de considerar la población completa, como suele ocurrir en los modelos tradicionales.[2]
El modelo utilizado para describir la dinámica de unión entre linajes es la base de la genética de poblaciones que representa una aproximación a los modelos de Sewall Wright y Ronald Fisher para grandes poblaciones descrito en la década de 1980;[3][4] en el que los cruzamientos entre individuos se realizan de forma totalmente estocástica.
La teoría de la coalescencia proporciona la distribución de probabilidad de la historia genealógica genética (o árbol genético) para una muestra aleatoria de n secuencias en un locus neutro no recombinante.[5]
Si se puede estimar el tiempo necesario para la diferenciación entre la secuencia original y las secuencias que se observan en un momento dado en la población (llamado tiempo de coalescencia), en ese caso se podrían deducir el tipo de efectos que los procesos evolutivos como: mutación, migración, recombinación o deriva, han tenido sobre la secuencia original o ancestral.[6] De la misma manera, si se conoce el tiempo de coalescencia de un gen, se puede inferir el tamaño de la población final. Las poblaciones más grandes suelen conservar las variaciones genéticas por más tiempo, ya que éstas se pierden más lentamente por deriva genética si un mayor número de individuos las poseen.
Probabilidad de coalescencia
Teniendo en cuenta las condiciones de la teoría de la coalescencia (población estable genéticamente, genes neutros, cruzamientos al azar), el tiempo medio de coalescencia puede calcularse siguiendo la fórmula 4N(1-(1/i), donde T es el número de generaciones hasta la coalescencia, N es el tamaño efectivo de la población e i es el número de genes muestreados, siempre y cuando la varianza sea grande.[7]
Para estimar la probabilidad de que dos linajes confluyan en la generación inmediatamente anterior; es decir que compartan un ancestro común más reciente; se considera lo siguiente: En una población con tamaño efectivo copias por locus, existen posibles progenitores en la generación anterior; Bajo un modelo de apareamiento aleatorio, la probabilidad de que ambos alelos provengan del mismo progenitor (probabilidad de coalescencia) es ; siendo así la probabilidad de no coalescencia . [8]
A su vez, para estimar la probabilidad de coalescencia en un tiempo , se utiliza la siguiente fórmula exponencial: ; donde es el tamaño efectivo de la población. El término representa la probabilidad de que dos copias de un gen coalescan en una generación dada, mientras que el factor exponencial describe la probabilidad de que no hayan coalescencia en las generaciones anteriores. En conjunto, esta ecuación modela la distribución geométrica (o exponencial en tiempo continuo) del tiempo hasta el ancestro común más reciente.[8]
Aplicaciones
Cartografiar genes de enfermedades
La teoría de la coalescencia ha sido aplicada en algunos estudios mediante algoritmos genéticos para analizar el genoma humano y localizar los genes que producen el desarrollo de una enfermedad.[9][10][11]
Inferencia demográfica y evolución poblacional
Otra aplicación fundamental de la teoría de la coalescencia es la reconstrucción de la historia demográfica de las poblaciones. A partir de datos genéticos contemporáneos, los modelos coalescentes permiten inferir eventos pasados como cuellos de botella, poblacionales, expansiones demográficas, migraciones, o flujo génico entre poblaciones. [12][13][14]
Representación gráfica
Los esquemas basados en esta teoría suelen representarse bajo la forma de dendrogramas en los que se muestran las relaciones entre las diferentes ramas de una población. En estos esquemas, cada rama corresponde a la historia evolutiva de un alelo, y los nodos (puntos donde dos ramas se unen) representan eventos de coalescencia, es decir, momentos en los que dos linajes genéticos comparten un ancestro común. [15]
El eje vertical de estos diagramas suele reflejar el tiempo hacia el pasado, de modo que las ramas descienden desde el presente (los individuos muestreados) hacia el ancestro común más reciente (MRCA, most recent common ancestor). La longitud de las ramas puede interpretarse en función del tiempo de coalescencia o de la divergencia genética acumulada.[15]
