21 genetica di popolazioni

Capitolo 21

Genetica di popolazioni

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

http://web.unife.it/progetti/genetica/Guido/index.php?lng=it&p=4

Domande 21

• In che modo possiamo caratterizzare geneticamente, anziché individui, popolazioni?• Come si quantifica la diversità genetica in una popolazione?• In che condizioni le caratteristiche genetiche delle popolazioni sono stabili, e in che casi no?• Quali sono i fattori che portano le caratteristiche genetiche delle popolazioni a cambiare, e le popolazioni ad evolvere?• Qual è il ruolo del caso e quale quello della necessità nell’evoluzione?

Gli individui nascono e muoiono, le popolazioni possono espandersi, contrarsi ed estinguersi: genetica della conservazione

Individui, popolazioni

Gli individui hanno i loro alleli e genotipi, le popolazioni le loro frequenze alleliche e genotipiche

Ogni individuo è come è, le frequenze alleliche cambiano nel tempo e questa è l’evoluzione: genetica evoluzionistica

Gli individui si ammalano e guariscono, le popolazioni sono caratterizzate da frequenze di alleli patologici: epidemiologia genetica

Un bel problemaL’evoluzione, guidata dalla selezione naturale, modifica i caratteri in maniera graduale ed ereditaria; la variazione biologica è continua

La trasmissione dei caratteri dipende da fattori discreti (i geni) che, ereditati dai genitori, non si mescolano nella cellula; la variazione biologica è discontinua

Come è possibile che fattori discreti determinino una variabilità continua?

Figura 21.1

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La sintesi moderna: Fisher, Wright, Dobzhansky, Haldane

Prima di tutto: non c’è genetica senza variabilità

E la variabilità è prodotta dal processo di mutazione

La genetica di popolazioni studia i polimorfismi

Polimorfismi morfologiciPolimorfismi elettroforesiciPolimorfismi di restrizione (RFLP)Polimorfismi di lunghezzaPolimorfismi di sequenzaPolimorfismi di numero di copiePolimorfismi di comportamento

Quand’è che una popolazione può dirsi variabile?

A BN alleli = 5 N alleli = 2HO = 0.4 HO = 0.6

Quando il genotipo individuale è difficile da prevedere

Elettroforesi

L’elettroforesi separa macromolecole in relazione alla loro carica o alle loro dimensioni

Frequenze alleliche

F S S FS S FS F FS FS S fenotipo osservato

FF SS SS FS SS FS FF FS FS SS genotipo dedotto

Freq. genotipiche: FF=0,2 FS=0,4 SS=0,4

Freq. alleliche: f(F)=p, f(S)=q p+q=1

p = (NF + ½ NH) / NT = (2NF + NH)/2NT

p = (2 + 2)/10 = 0,4 p= (4 + 4)/20 = 0,4q = (4 + 2)/10 = 0,6 q = (8 + 4)/20 = 0,6 p+q = 0,4 + 0,6 = 1

Figura 21.2

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BB

Bb

bb

La frequenza allelica è il rapporto fra il numero di copie di alleli di un certo allele e il numero totale di alleli di quel gene nella popolazione

Pigmentazione nella falena tigre, Panaxia dominula

Tipi di polimorfismo studiati nel DNA

1. Single Nucleotide Polymorphism: SNP2. Inserzione/delezione3. Variazione del numero di copie: STR, VNTR, CNV

Figura 21.8

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Polimorfismi di restrizione

Polimorfismi di restrizione

Polimorfismi di sequenza del DNA

Qual è il vantaggio del sequenziamento rispetto alla restrizione?

Si possono rappresentare le frequenze alleliche con diagrammi a torta

E la variabilità delle frequenze alleliche aiuta a definire le origini degli individui

Che relazione lega frequenze alleliche e genotipiche?

Generazione 0:N(AA) = d N(Aa) = h N(aa) = r Totale = T

F(A) = (NF + ½ NH) / NT = (d + ½ h) / T = p

Assunzione: l’unione fra i genotipi è casuale.Panmissia

Conseguenza: l’unione fra i gameti è casuale

Perciò alla generazione 1 avremo:

F(AA) = p2 F(Aa) = 2pq F(aa) = q2 Totale =1

1. Se l’unione dei gameti è casuale, le frequenze genotipiche dipendono dalle frequenze alleliche secondo la relazione Fr. alleliche: p, q Fr. Genotipiche: p2, 2pq, q2

Frequenze alleliche alla generazione 1:

F(A) = (NF + ½ NH) / NT = (p + ½ 2 pq) / 1 = p

2. Se l’unione dei gameti è casuale, le frequenze alleliche non cambiano attraverso le generazioni:

Equilibrio di Hardy-Weinberg

Accoppiamento casuale o random matingMATING MAT. FREQ. PROGENIE

AA Aa aaAA x AA

(p2)(p2)p4 p4

AA x Aa(p2)(2pq)

2p3q p3q p3q

AA x aa(p2)(q2)

p2q2 p2q2

Aa x AA(2pq)(p2)

2p3q p3q p3q

Aa x Aa(2pq)(2pq)

4p2q2 p2q2 2p2q2 p2q2

Aa x aa(2pq)(q2)

2pq3 pq3 pq3

aa x AA(q2)(p2)

p2q2 p2q2

aa x Aa(q2)(2pq)

2pq3 pq3 pq3

aa x aa(q2)(q2)

q4 q4

E alla fine nella progenie

f(AA) = p4 + 2p3q + p2q2= p2 (p2+ 2pq +q2) = p2

f(Aa) = 2p3q + 4p2q2 + 2pq3 = 2pq (p2 + 2pq +q2) = 2pqf(aa) = p2q2 + 2pq3 + q4 = q2 (p2 + 2pq +q2) = q2

Cioè esattamente le frequenze che si ottengono immaginando di accoppiare a caso i gameti del pool genico parentale

Dopo la prima generazione di panmissia

p, q

p2, 2pq, q2

Quindi, in una popolazione panmittica:

•Le frequenze genotipiche dipendono esclusivamente dalle frequenze alleliche della generazione precedente

•Le frequenze alleliche non cambiano attraverso le generazioni

Quindi, se c’è equilibrio non c’è evoluzione, e viceversa

L’equilibrio di Hardy-Weinberg

Dopo una generazione di accoppiamento casuale: Genotipo AA Aa aa

Frequenza p2 2pq q2

Figura 21.3

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Figura 21.3

Cosa vuol dire equilibrio

Se in una popolazione ho 80 alleli A e 120 a

Allora p = 80/200 = 0,4, q = 0,6 0,16, 0,48, 0,36

Possibili distribuzioni dei genotipi: AA Aa aa p

40 0 60 0,4 35 10 55 0,4 20 40 40 0,4 16 48 36 0,4 10 60 30 0,4 0 80 20 0,4

Condizioni per l’equilibrio di Hardy-Weinberg

• Organismo diploide, riproduzione sessuata• Generazioni non sovrapposte• Unione casuale• Popolazione grande• Mutazione trascurabile• Migrazione trascurabile• Mortalità indipendente dal genotipo• Fertilità indipendente dal genotipo

Se non si incontrano queste condizioni:

• Unione casuale Inbreeding• Popolazione grande Deriva genetica• Mutazione trascurabile Mutazione• Migrazione trascurabile Migrazione• Mortalità indipendente dal genotipo Selezione• Fertilità indipendente dal genotipo Selezione

Figura 21.5

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E se un allele è recessivo?

Albini: 2Non albini: 48

aaAa + AA

4 alleli a, 0 alleli ATanti alleli A, pochi a, ma quanti?

Ma, se c’è equilibrio di Hardy-Weinberg, Fr(aa)=q2

Perciò, qui 0.04 = q2, q = 0.2, p = 0.8

Figura 21.6

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Variabilità geografica: frequenza di alleli per la LAP (leucina amminopeptidasi) nel mitilo

Variabilità geografica: frequenza di cromosomi Y del gruppo allelico R1b in popolazioni umane europee

Studio di polimorfismi di inserzione al locus PLAT nell’uomo

Alu

Frequenze genotipiche ed alleliche: Inserzioni al locus PLAT in 27 popolazioni umane

Figura 21.7

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Variazione temporale delle frequenze dell’allele Est4F in popolazioni di arvicola Microtus ochrogaster del Kansas.

Figura 21.9

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Esperimento di Buri (1956)

109 popolazioni8 maschi, 8 femmineInizialmente, tutti eterozigoti bw+ bw

Condizioni dell’esperimento di Buri

• Organismo diploide, riproduzione sessuata • Generazioni non sovrapposte• Unione casuale• Popolazione grande• Mutazione trascurabile• Migrazione trascurabile• Mortalità indipendente dal genotipo• Fertilità indipendente dal genotipo

Simulazione di deriva genetica in popolazioni diploidi di 10000 e 4 individui

La deriva riduce la variabilità entro popolazioni e aumenta quella fra popolazioni

Colli di bottiglia

Variabilità genetica nel ghepardo

Acinonyx Jubatus Jubatus

(S. Africa) 2,500 (Namibia) 1,500 (Botswana) 1,500 (Kenya/Tanzania)

Acinonyx Jubatus Rainey

(E. Africa) less than 1,000

Acinonyx Jubatus Hecki

(N. Africa) less than 1,000

Acinonyx Jubatus Venaticus

(Asia) virtually extinct

Acinonyx Jubatus Raddei

(Iran/Turkestan) approx. 200

Livelli di eterozigosi per marcatori VNTR

Menotti-Raymond & O’Brien 1993Bottleneck datato al Pleistocene

N H media

A. jubatus jubatus 7 0.280

A. jubatus raineyi 9 0.224

Felis catus 17 0.460

Panthera Leo (Serengeti) 76 0.481

Panthera Leo (Ngorongoro) 6 0.435

Flusso genico

Migrazione di individui (dalla popolazione A alla popolazione B)

Colonizzazione di habitat precedentemente non occupati

Dispersione dei propaguli

Figura 21.13

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Il flusso genico introduce nuovi alleli nelle sottopopolazioni e riduce le differenze fra sottopopolazioni

Flusso genico

deriva

Flusso genico e deriva hanno effetti opposti

Figura 21.14

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Mimetismo in lucertola (Sceloporus)

Figura 21.16

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Un caso tipico: Biston betularia

Frequenza della forma melanica (DD e Dd) in Nord America (Grant & Wiseman 2002 )

Un caso tipico: Biston betularia

Per l’evoluzione darwiniana servono quattro cose

1. Esiste una variabilità2. Questa variabilità è, almeno in parte, ereditaria3. Nel contesto ambientale in cui si trovano,

individui con caratteristiche ereditarie diverse hanno fertilità o mortalità diverse

4. Le caratteristiche degli individui che lasciano più discendenti si diffondono nella popolazione: adattamento

1. Variabilità

Fr = 3/8, H = 21/32

2. Eredità

3. Diversa speranza di progenie

3. Diversa speranza di progenie

4. Adattamento

Fr = 5/8 (3/8), H = 17/32 (21/32)

Fitness

Misura la speranza di progenie.Ha due componenti, legate a differenze in

fertilità e mortalità

Genotipo AA Aa aa

Vita riproduttiva media 2.0 1.8 1.4Fitness di sopravvivenza 2.0/2.0 =1.0 1.8/2.0 =0.9 1.4/2.0 =0.7

Genotipo AA Aa aa

N medio discendenti 2.4 2.4 3.0Fitness riproduttiva 2.4/3.0 =0.8 2.4/3.0=0.8 3.0/3.0=1.0

Fitness

Genotipo AA Aa aa

Fitness riprod. 0.8 0.8 1.0

Fitness sopravv. 1.0 0.9 0.7

Prodotto 0.8 0.72 0.7

Fitness totale ω 0.8/0.8=1.0 0.72/0.8=0.9 0.7/0.88

Complessivamente:

Coefficiente di selezione: s = 1 – ω

  Birmingham Dorset

Genotipo DD + Dd dd DD + Dd dd

Rilasciate 154 64 406 393

Ricatturate 82 16 19 54

Sopravvivenza 0.53 0.25 0.047 0.137

ω 1 0.47 0.343 1

Misure sperimentali della fitness in Biston betularia

La selezione può avvenire in forme diverse

Contro l’allele dominante ωAA < 1, ωAa < 1 Perdita rapida dell’allele

Contro l’allele recessivo ωaa < 1 Calo di frequenza dell’allele

Contro un allele codominante ωAA < ωAa < ωaa Perdita dell’allele

Figura 21.17

Anemia falciforme

Stima empirica dei coefficienti di selezione per HbS in Nigeria

Figura 21.19

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Vantaggio dell’eterozigote: Frequenze dell’allele Hb-S

Ma perché, dopo tutta questa selezione, non siamo diventati perfetti?

1. L’ambiente cambia

“Stone agers in the fast lane”

“Red queen” hypothesis (John Maynard Smith)

2. Selezione sessuale

In specie sessualmente dimorfiche le femmine scelgono il partner in base a criteri che possono promuovere o meno l’adattamento. Due ipotesi principali:

1. “Good genes”

2. “Sexy sons”

Sintesi 211. Una popolazione è caratterizzata dalle frequenze dei diversi genotipi e dei

diversi alleli al suo interno2. Una popolazione si dice panmittica o in equilibrio quando le sue

frequenze genotipiche possono essere predette sulla base delle frequenze alleliche, e le frequenze alleliche non cambiano attraverso le generazioni

3. I fattori che provocano scostamento dall’equilibrio comprendono unione non casuale dei gameti, mutazione, selezione, migrazione e gli effetti del caso

4. Popolazioni in equilibrio non si evolvono. I fattori che provocano scostamento dall’equilibrio sono i fattori dell’evoluzione

5. La deriva genetica riduce la variabilità interna alle popolazioni e aumenta la variabilità fra popolazioni; il flusso genico fa il contrario

6. La selezione tipicamente riduce le frequenze degli alleli associati a fitness ridotta, ma può determinare equilibrio se avviene nella forma del vantaggio dell’eterozigote

7. La selezione sessuale può interferire con la selezione naturale, a volte favorendo il mantenimento di caratteri svantaggiosi