Los costos del sexo.

A menudo se han planteado la hipótesis de tres amplios costos del sexo:

1. El costo del apareamiento. Encontrar y atraer pareja es costoso y puede ser imposible, y el apareamiento puede ser peligroso.
2. El costo de la recombinación. ¿Por qué arriesgarse a romperlo un genotipo ganador? Si has logrado sobrevivir para reproducirte eres genotipo probablemente no pueda ser un ajuste terrible al medio ambiente. Pero si te involucras en la reproducción sexual, es decir, la meiosis, estás barajando tu genoma con el de tu pareja. No hay garantía de que este nuevo genotipo funcione bien en el entorno actual.
3. El doble costo del sexo. La descendencia de organismos sexuales tiene dos padres. Por lo tanto, los padres sexuales solo aportan la mitad de su genoma a su descendencia. Mientras que los organismos asexuales aportan todo su genoma a la siguiente generación. Así un organismo sexual tiene que tener el doble de hijos para dejar el mismo número de copias de su genoma a la siguiente generación. Eso podría ser factible si ambos padres sexuales estuvieran igualmente comprometidos a contribuir a esas crías. Sin embargo, ese rara vez es el caso. A este costo se le llama a veces el costo doble de los varones, ya que los varones suelen proporcionar poco en términos de recursos a sus hijos. Por lo tanto, cualquier alelo que haga asexual a su anfitrión debería inicialmente extenderse todo lo demás siendo igual.

Sin embargo, persiste el sexo y otras formas de intercambio genético, a pesar de estas ventajas a corto plazo para la reproducción asexual. De hecho, los linajes asexuales a menudo surgen y se propagan dentro de algunas poblaciones sexuales debido a estas ventajas.

Los beneficios del sexo.

Se han sugerido numerosos beneficios para la reproducción sexual. A lo largo de este capítulo encontraremos una gama de modelos que tocan las ventajas del sexo. Veremos que la selección permite que los alelos benéficos arrojan su fondo de alelos deletéreos a medida que barren a través de la población. En ausencia de sexo y recombinación, los alelos beneficiosos pueden bloquear la progresión de los demás hacia la fijación, la llamada 'interferencia clonal'. Otra ventaja importante del sexo es que los alelos benéficos se pueden reunir en el mismo fondo genético a través de la recombinación, permitiendo tasas de adaptación más rápidas.

El autostop de los alelos neutros

[fig:Neutral_HH]

Comencemos revisitando nuestro autostop neutro en este escenario de dos locus en el capítulo anterior, vimos que los alelos neutros pueden hacer autostop junto con nuestro alelo seleccionado si están lo suficientemente unidos. La Figura [Fig:Neutral_HH] muestra las trayectorias de frecuencia de los diversos haplotipos para el alelo neutro (\(A\)) que está presente en\(10\%\) frecuencia en la población cuando nuestro alelo beneficioso (\(B\)) surge en su fondo. Cuando la tasa de recombinación (\(c\)) es baja entre los loci,\(A\) llega a autostop a alta frecuencia, pero para mayores tasas de recombinación solo se arrastra a frecuencias intermedias. Para la tasa de recombinación más alta mostrada (\(c \approx s\)) la dinámica del alelo neutro (\(p_{Ab}+p_{AB}\)) apenas cambia en absoluto, ya que se recombina dentro y fuera del alelo de barrido frecuentemente y así apenas percibe el barrido.

El autostop de los alelos deletéreos

Los alelos deletéreos también pueden hacer autostop junto con mutaciones beneficiosas si no son demasiado deletéreos en comparación con los beneficios que ofrece el alelo seleccionado. Nuevamente nuestro alelo\(A\) se encuentra en\(10\%\) frecuencia en la población de la Figura [Fig:Deleterious_HH], pero esta vez es deletéreo y por lo tanto inicialmente disminuye en frecuencia a través de las generaciones cuando la mutación beneficiosa (\(B\)) surge en su antecedentes. Si los loci están estrechamente vinculados, y A fuera demasiado deletéreo, B nunca llegaría a despegar en la población. Sin embargo, si los beneficios de B superan el costo de A, incluso en el caso de que no haya recombinación entre nuestros loci, el alelo\(A\) llega a autostop a la fijación y simplemente ralentiza\(B\) la tasa de aumento y su la aptitud combinada se reduce. Con cantidades moderadas de recombinación entre los loci, nuestro deletéreo comienza a hacer autostop pero antes de que pueda llegar a la fijación el alelo beneficioso logra recombinarse de su fondo. Este haplotipo aB recombinante, que tiene mayor aptitud ya que carece del alelo deletéreo, ahora puede barrer a través de la población desplazando al haplotipo AB. Para eventos de recombinación más altos tenemos que esperar menos tiempo para que una recombinación rompa el alelo deletéreo autostop, por lo que el alelo adaptativo escapa fácilmente de su fondo. Para fines ilustrativos aquí, hemos utilizado un alelo deletéreo relativamente común, pero en realidad estos alelos probablemente serán a menudo raros en la población y en el equilibrio mutación-selección. Si son raros, es probable que surja una mutación beneficiosa sobre el fondo de un alelo deletéreo específico, pero como hemos visto es probable que haya muchos alelos nocivos raros en la población, por lo que es probable que una mutación beneficiosa a menudo tenga que enfrentarse con autoestopistas deletéreos.

[Fig:Deleterios_HH]

Interferencia clonal entre alelos favorables.

Cuando las tasas de sexo y recombinación son cero, o muy bajas, los alelos seleccionados positivamente pueden impedir que los demás alcancen la fijación y así se puede ralentizar la velocidad de adaptación. En ausencia de sexo y recombinación, cuando dos alelos seleccionados positivamente surgen en diferentes orígenes genéticos en la población, ambos no pueden fijar (lado izquierdo de la Figura [Fig:Interferencia]). Inicialmente pueden aumentar en frecuencia, pero necesariamente competir entre sí cuando se vuelven comunes. Esto se llama interferencia selectiva, o alguna vez interferencia clonal. Si uno de los alelos tiene un coeficiente de selección mucho mayor se fijará, obligando al otro alelo de la población, pero cuando están relativamente igualados puede tomar algún tiempo para que esta situación se resuelva dando como resultado un atasco en la población. Así, en un asexual los alelos adaptativos necesariamente tienen que fijar secuencialmente. Sin embargo, incluso con una pequeña cantidad de recombinación, los alelos beneficiosos pueden recombinarse entre sí, permitiendo que se fijen en paralelo (lado derecho de la Figura [Fig:Interferencia]).

[fig:HIV_Interferencia]

[fig:VIH_interference_m]

Dada la rápida evolución del VIH, podemos ver que la interferencia se produce en periodos de tiempo muy cortos. El VIH utiliza su gen de transcriptasa inversa (RT) para escribirse a partir de un virus de ARN en el ADN de su huésped, lo que permite que el VIH secuestre la maquinaria reguladora de los huéspedes, una parte crítica de su ciclo de vida. Uno de los primeros medicamentos contra el VIH fue Efavirenz, que inhibe la proteína RT del VIH. Lamentablemente, las mutaciones son comunes en el gen RT del VIH, y estas mutaciones, en presencia del fármaco, confieren una profunda ventaja de aptitud, lo que les permite propagarse a través de la población VIH en pacientes sometidos a tratamiento anti-VIH. En la Figura [Fig:VIH_interferencia] vemos que al día 224 después del inicio del tratamiento farmacológico dos cambios diferentes de aminoácidos farmacorresistentes comienzan a extenderse dentro de un paciente (también se muestra como un diagrama de Muller en la Figura [Fig:VIH_Interference_M]). Debido a que estos alelos ocurren en diferentes orígenes genéticos, con pocas posibilidades de intercambio genético entre ellos, interfieren en el progreso de los demás a medida que compiten para fijarse dentro de la población. Finalmente, el cambio de aminoácidos en el sitio 188 gana.

Combinaciones epistáticas de alelos y costo de recombinación.

La recombinación tiene un costo. Si bien la recombinación puede unir combinaciones beneficiosas de alelos, también los destrozará. Para ver esto imagina un par de alelos A y B en dos loci que funcionan muy bien juntos, y ofrecen una ventaja de fitness sobre la combinación ancestral del alelo a y b. podrías por ejemplo imaginar que A y B son cambios en una proteína y su receptor, y que ofrecen una respuesta de señalización mucho más eficiente. No obstante, imagina que A no funciona con b, ni el alelo a funciona bien con B. Quizás la proteína elaborada por el alelo A encía el receptor b, y de manera similar para el otro la otra combinación.

El haplotipo AB puede propagarse desde baja frecuencia si la recombinación no lo rompe a una velocidad demasiado alta. Cuando las tasas de recombinación son mayores, la recombinación evita que el alelo A o el B se propague porque la recombinación ensancha el alelo A del fondo B sobre el b fondo, donde sufre baja aptitud (y de manera similar para el alelo B). El haplotipo ab no sufre la misma consecuencia porque está en la mayoría, por lo que cuando se produce la recombinación, el alelo a suele recombinarse de nuevo en el fondo b sin ninguna consecuencia. Así, la recombinación puede prevenir la propagación de combinaciones epistáticas beneficiosas de alelos. Analizaremos esto más cuando discutamos la evolución de los supresores de recombinación en la Sección 1.3.7.

[fig Epistasis_vs_recom]

Trinquete de Muller

Hay una afluencia constante de mutaciones deletéreas a lo largo de cualquier cromosoma (alelos rojos en la Figura [Fig:Mullers_Ratchet]). En poblaciones asexuales, o regiones del genoma que carecen de recombinación, esto conduce a una disminución casi inevitable de la aptitud debido a la pérdida de haplotipos de alta aptitud, un proceso conocido como 'trinquete de Muller'.

Los diferentes haplotipos varían en el número de alelos deletéreos que portan. Los haplotipos que portan los alelos más deletéreos se pueden perder por deriva, y por selección actuando contra ellos, pero los haplotipos que portan un alto número de alelos deletéreos son rápidamente recreados por nuevas mutaciones. Lo contrario también puede suceder, si la selección contra estos cada alelos deletéreos es relativamente débil, la población puede perder accidentalmente el haplotipo que porta el menor número de alelos deletéreos (panel medio de la Figura [Fig:Mullers_Ratchet]).

[Fig:Mullers_Ratchet]

Una vez que hemos perdido este haplotipo es difícil de recrear, ya que eso requeriría retromutaciones poco probables para eliminar las mutaciones deletéreas de la población. Después de la pérdida del haplotipo menos perjudicial, hemos aumentado las mutaciones deletéreas medias en la población y reducido la aptitud media de la población. Esto seguirá sucediendo, por casualidad podemos seguir perdiendo el haplotipo con menos alelos deletéreos (panel inferior izquierdo de la Figura [Fig:Mullers_Ratchet]). Así, el número de alelos deletéreos transportados en nuestra población asexual irá aumentando gradualmente. Esto eventualmente puede condenar a la población asexual a la extinción, ya que su condición media disminuye con el tiempo.

En una población sexual, puede comenzar el mismo proceso. Podemos perder por casualidad el haplotipo con la menor cantidad de mutaciones deletéreas (panel medio derecho de la Figura [Fig:Mullers_Ratchet]). Sin embargo, la recombinación entre haplotipos deletéreos puede recrear este haplotipo portando pocos alelos deletéreos. Dicho cruce se muestra como una X roja en el panel medio derecho de la Figura [Fig:Mullers_Ratchet], y el haplotipo recombinante resultante pocos de deletéreos se muestra en el panel inferior derecho. Por lo tanto, el trinquete de Muller no avanza en las poblaciones sexuales, ya que incluso una pequeña cantidad de recombinación es suficiente para detener su progresión.

Un ejemplo de los costos de la asexualidad.

En el género onagra (Oenothera), hay una serie de especies jóvenes, de origen independiente, asexuales. En cada especie esta asexualidad se debe a una complicada serie de translocaciones recíprocas, que forman un anillo en la meosis previniendo la recombinación y segregación, y aseguran que cada planta sea permanentemente heterocigota para estos reordenamientos debido a la letalidad. Este sistema es bastante complicado, y super cool. No necesitamos preocuparnos por los detalles, pero lo más importante es que cada especie es funcionalmente asexual. muestreó datos de transcriptoma de todo el clado de onagra y aprovechó 7 pares de hermanas independientes asexual-sexuales para examinar el impacto de la evolución de la asexualidad para la evolución molecular.

[fig:evening_primrose_omega]

El\(\frac{d_N}{d_S}\) para las especies sexuales y asexuales para cada una de las siete parejas (C1-C7) se muestra en la Figura [fig:evening_primrose_omega]. En cada par\(\frac{d_N}{d_S}\) es mayor en las especies asexuales. Los genomas de las especies asexuales están evolucionando de una manera menos restringida, probablemente debido a mutaciones débilmente deletéreas que se acumulan debido al autostop con alelos beneficiosos y la lenta manivela del trinquete de Muller.

El mantenimiento de combinaciones de alelos ante la recombinación.

En algunos casos, equilibrar la selección puede estar intentando mantener múltiples combinaciones de alelos en la población que funcionen bien juntos. Sin embargo, la recombinación puede estar arrancando constantemente esos alelos entre sí, lo que dificulta el mantenimiento de estos alelos. Esto puede seleccionar para la supresión de la recombinación. Algunas de las demostraciones más dramáticas de esta tensión involucran la evolución de los llamados súper genes. Primero consideraremos la evolución de un supergén de mimetismo en Heliconius numata como ejemplo de estas dinámicas.

Algunos de los ejemplos más espectaculares de mimetismo lleriano M ü en el mundo se encuentran en las mariposas Heliconius. Estas mariposas son poco apetecibles para los depredadores, y diferentes especies se imitan entre sí beneficiándose de no ser devoradas por depredadores, que rápidamente aprenden a evitar todas estas especies). En muchas de estas especies se encuentran múltiples formas de mimetismo a medida que nos movemos por el espacio geográfico. En Heliconius numata, varios morfos diferentes imitan morfos de una especie de Melinaea lejanamente relacionada, ver Figura [Fig:H_numata].

[Fig:H_numata]

Para mantener las cosas relativamente simples, centrémonos en dos diferencias entre silvana y bicoloratus, la franja amarilla en el ala superior de silvana y el ala inferior negra de bicoloratus. Imaginemos que estas dos diferencias se deben a un simple sistema de dos locus (ver columna izquierda de la Figura [fig:numata_two_loc_freqs]). El primer locus se segrega para Y/y, donde el alelo Y codifica para una banda amarilla del ala superior, y codifica para la ausencia de la banda amarilla. El segundo locus segrega para b/b donde B codifica para que el ala inferior sea negro, y b para la ausencia de negro en el ala inferior. Si Y es recesivo y B es dominante, entonces el fenotipo silvana corresponde a un genotipo YY bb. Debido a la dominancia de los alelos y y B el fenotipo bicoloratus se puede lograr mediante diversos genotipos (Yy Bb, yy BB, Yy BB, yy Bb). Supongamos que ambos fenotipos ofrecen una ventaja ya que imitan un modelo de M. menophilus. Pero también hay genotipos que no les va tan bien; los individuos YY BB tienen una banda amarilla y un fondo negro y así no hacen un gran trabajo imitando nada y así se comerán. Pensando en los cuatro posibles haplotipos, Y-b tiene una alta aptitud marginal ya que debido a su combinación de alelos dominantes siempre producirá un fenotipo bicoloratus. De igual manera, el haplotipo Y-b presenta una alta aptitud marginal, ya que le va bien en el estado homocigótico (fenotipo silvana) y cuando se aparea con el alelo y-b. Sin embargo, los haplotipos Y-B e y-b son justos menos bien, ya que portan dos alelos que no funcionan bien entre sí y por lo tanto suelen ser individuos que sufren altas tasas de depredación.

[fig:numata_two_loc_freqs]

Si no se produce recombinación entre estos loci (\(c=0\), Figura [fig:numata_two_loc_freqs]), entonces el Y-B y y-b se seleccionan de la población, y los y-B y y y-b se puede mantener de manera estable. Sin embargo, cuando hay demasiada recombinación entre nuestros loci (por ejemplo\(c=0.4\), Figura [fig:numata_two_loc_freqs]) los haplotipos de alta aptitud siguen siendo desgarrados por recombinación y el Y-b se pierde de la población como su ventaja recesiva se pierde porque con demasiada frecuencia se rompe por recombinación en heterocigotos.

¡Supergenes al rescate!

Por lo que nuestros polimorfismos solo pueden mantenerse si están estrechamente vinculados, es decir, si estos alelos surgieron en loci que están genéticamente cercanos entre sí. Pero, ¿cómo es posible que estos alelos surgieran cerca unos de otros? El truco es que no necesariamente tienen que surgir muy cerca el uno del otro. Si tal sistema es polimórfico pero se descompone regularmente por recombinación, puede surgir una inversión cromosómica, volteando una sección completa del cromosoma, y suprimirá la recombinación. Imagínese que nuestros dos loci están muy separados genéticamente, y surge una inversión cromosómica en el fondo Y-b formando el haplotipo B-y. Este haplotipo invertido no se recombinará con el haplotipo y-B cuando esté presente en un heterocigoto, por lo que no se descompone por recombinación. Este haplotipo invertido, que disfruta de los beneficios de aptitud del Y-b, puede por lo tanto reemplazar al haplotipo Y-b en la población. Los otros dos haplotipos de baja aptitud desaparecerán ya que ya no se están generando por recombinación, dejando solo los y-b y B-y. El sistema de polimorfismo ahora se comporta como alelos en un solo locus, un súper gen (por ejemplo, como\(c=0\) en la Figura [fig:numata_two_loc_freqs]).

Ahora el sistema H. numata es muchísimo más complicado que nuestro sistema de dos locus de juguete, presumiblemente implica muchos cambios y refinamientos, pero el mismo principio se sostiene. Las diferencias entre los diferentes morfos de mimetismo de H. numata se encuentran en un solo cromosoma, y la herencia se comporta como si estuviera controlada por un solo locus (aunque con muchos alelos). Los individuos de H. n. f. silvana portan un haplotipo recesivo de alelos que se sabe que están encerrados entre sí por una inversión\(\sim 400\) kb, es decir, una orientación cromosómica diferente del alelo bicoloratus (haplotipo) que actúa como alelo dominante. Otros alelos en esta misma región cromosómica proporcionan la base genética de los otros morfos, y a veces corresponden a inversiones adicionales con un rango de relaciones de dominancia.

[fig:anual_perennial_fitness]

Los cromosomas sexuales y la dinámica de selección y recombinación.

La evolución de los cromosomas sexuales y los nuevos sistemas de determinación genética del sexo proporcionan una hermosa demostración de la interacción de selección y recombinación. Pero primero vale la pena dar un paso atrás y pensar la diferencia entre que una especie sea sexual, tener gametos masculinos y femeninos, y tener sexos separados (es decir, machos y hembras), y los mecanismos para determinar los sexos. Muchas especies son sexuales pero sin sexos separados o incluso gametos masculinos o femeninos. La producción de gametos de diferentes tamaños (anisogamia) ha surgido varias veces en la vida multicelular, siendo los gametos masculinos y femeninos definidos por sus tamaños relativos. Los gametos más pequeños, y a menudo más móviles, se definen como gametos masculinos (por ejemplo, espermatozoides), mientras que los más grandes, bien aprovisionados y a menudo menos móviles se definen como gametos femeninos (por ejemplo, óvulos). Se cree que la evolución de la anisogamia se debe a una selección disruptiva debido a una compensación que tira en direcciones opuestas hacia gametos móviles capaces de avanzar más y en dirección opuesta hacia gametos mejor aprovisionados, más capaces de construir cigotos más grandes. En muchos organismos, los individuos pueden producir gametos tanto masculinos como femeninos, mientras que algunas especies han desarrollado sexos separados, probablemente en parte como un mecanismo de evitación de endogamia. Existe una gran diversidad en los mecanismos de determinación del sexo a través del árbol eucariota (Figura [Fig:Tree_of_sex]). Esto es todo para decir, la biología es maravillosamente diversa y complicada.

En los mamíferos, y en muchos otros sistemas con determinación genética del sexo, los genes responsables de la determinación del sexo se encuentran en un par de cromosomas sexuales heteromórficos, es decir, un par de cromosomas que son bastante diferentes en tamaño. En los mamíferos, la mayoría de los machos son XY y hembras XY, y el cromosoma Y que tiene un contenido genético muy pequeño en comparación con el cromosoma X. Pero en otros grupos como las aves, y algunas serpientes, la determinación del sexo es un sistema ZW con hembras siendo ZW y machos ZZ. En esos sistemas las hembras portan un gen pobre W siendo los machos el sexo homogamético, portando dos Zs. Si aún estás leyendo envíale a Graham una foto de Nettie Stevens, descubrió los cromosomas sexuales en 1905. Se cree que estos ejemplos de cromosomas sexuales heteromórficos, y muchos otros como ellos, surgieron de un par ancestral de autosomas. ¿Qué explica entonces su evolución?

[Fig:Neo_y_evol]

Una explicación amplia para la evolución del cromosoma sexual se ilustra en la Figura [Fig:Neo_y_evol] y es la siguiente:

1. Hay un par de autosomas ancestrales con alelos sexualmente antagónicos, beneficiosos para hombres y mujeres perjudiciales que se segregan en ellos (lo contrario puede ocurrir pero no son centrales para la evolución de los cromosomas Y). Estos alelos pueden persistir en la población por algún tiempo pero eventualmente se pierden debido a su costo en hembras.
2. Un alelo dominante determinante masculino surge en uno de los cromosomas. Llamemos a este cromosoma nuestro Proto-Y y al otro nuestro Proto-X. Todos los individuos que sean heterocigotos para el proto-Y serán machos, individuos que son homocigotos para el proto-X. Ningún individuo será homocigoto para el Proto-Y, ya que los individuos pueden recibir como máximo un Proto-Y, el de su padre.
3. Nuestros alelos sexualmente antagónicos se benefician de estar en el mismo cromosoma que nuestro alelo determinante masculino porque entonces se garantiza que estarán en los machos. No obstante, si se recombinan del Proto-Y al Proto-X, están en desventaja.
4. Si surge una inversión en el fondo del cromosoma proto-Y, puede bloquear el alelo determinante masculino y algunos de nuestros alelos sexualmente antagónicos. Esta inversión puede extenderse inicialmente a medida que gana el beneficio de los alelos sexualmente antagónicos sin el costo de la recombinación. Esta inversión no puede extenderse a la fijación ya que la selección fisheriana sobre la proporción de sexos la mantiene bajo control (consulte la Sección [sección:sex_ratios] para más información sobre la selección de relaciones sexuales).
5. Otras inversiones pueden potencialmente cimentar alelos adicionales sexualmente antagónicos en un vínculo estrecho con el alelo determinante masculino.

Los cromosomas sexuales, bajo esta hipótesis, son súper genes que unen la determinación del sexo y los alelos sexualmente antagónicos. Nuestros alelos beneficiosos para hombres y perjudiciales para mujeres funcionan bien en el fondo del alelo determinante masculino y mal fuera de él, esa es exactamente la configuración de supergenes que encontramos en la Sección 1.3.8. Este boceto se puede voltear para describir la evolución de los sistemas ZY.

Un colorido ejemplo de las condiciones iniciales para la evolución de un novedoso sistema de determinación del sexo lo ofrecen las cíquideas del lago Malawi, donde hay muchas especies de cíclidos muy estrechamente relacionadas. En muchas de estas especies los machos son de colores brillantes para atraer a las hembras, mientras que las hembras suelen ser marrones para ayudarles a evitar a los depredadores. En algunas de estas especies existe un morfo naranja alternativo, llamado el morfo de gato de mermelada, que son crípticos contra el fondo rocoso del lago. Esta transformación se debe a una mutación dominante llamada OB en el pax7, y el alelo parece compartirse entre muchas de estas especies. Este alelo OB funciona bien en las hembras, sin embargo, en los machos el alelo OB altera su coloración brillante. Por lo tanto, el polimorfismo OB es sexualmente antagónico, es decir, funciona bien en mujeres y mal en hombres.

Los machos portadores del alelo OB deletéreo masculino rara vez se encuentran, a pesar de que el alelo es común en las hembras. ¿Por qué es eso? Pues porque el alelo OB está estrechamente ligado a un alelo determinante femenino recién emergido (W), con machos portando dos copias del alelo Z. Los machos suelen ser homocigotos para el haplotipo OB-Z, mientras que las hembras pueden ser anaranjadas (OB-W/OB-Z) o marrones (OB-W/OB-Z). La recombinación entre estos dos loci parece ser muy rara, por lo que el alelo sexualmente antagónico OB parece ser principalmente específico de mujeres. Así, la propagación de este alelo determinante del sexo ha ayudado potencialmente a resolver el antagonismo sexual, mientras que ayudó a su propia propagación. Una inversión en el fondo Z cerraría juntos estos dos alelos, y se extendería.