3 I geni nelle popolazioni 1 - Docenti geni nelle... · Un locus e due alleli: codominanza Genotipi…

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Lezione3

Igeninellepopolazioni

Lezione modificata da Rosenblum http://people.ibest.uidaho.edu/~bree/

Graur andLi:Capitolo2

Graur lectures 89101112

Levoluzione Ilprocessocherisultadalcambiamentodellecaratteristichegenetichedellepopolazioni

Lacomponentedibasedelprocessoevolutivoilcambiamentonellefrequenzeallelicheneltempo

Lageneticadipopolazionisioccupadelcambiamentodellefrequenzeallelichecheavvienenellepopolazioni

Igeninegliindividui

Omozigote:lostessoalleleadunlocusinorganismidiploidi(opoliplodi)

Eterozigote:Allelidiversiadunlocusinorganismidiploidi(opoliplodi)

Igeninellepopolazioni Poolgenico:ilsetdialleliuniciatuttiilociinunapopolazione

Dimensionedellapopolazione:ingenereindicataconNperlacomponenteaploide,2Nperladiploide

Igeninellepopolazioni Polimorfico:presenzadi>1tipogeneticodistintonellapopolazione(variante,formaalternativa)

Monomorfico:nellapopolazioneesisteunsolotipogenetico

Igeninellepopolazioni Polimorfico:presenzadi>1tipogeneticodistintonellapopolazione

(variante,formaalternativa) Monomorfico:nellapopolazioneesisteunsolotipogenetico

Ilpolimorfismo puessereintesosuscalagenetica(esempio:singlenucleotidepolymorphism,SNP)

Osuscalapopolazionistica (colori,tipidigiaguariinSudAmerica)

Igeninellepopolazioni Frequenzaallelica(allelefrequency,genefrequency):

proporzionerelativadiunalleleinunapopolazione

Per un locus con 2 alleli:

p = frequenza dellallele Aq = frequenza dellallele a (1-p)

p+q = 1

Igeninellepopolazioni

Lefrequenzeallelicherimangonocostantineltempoinunapopolazioneideale

QuestosichiamaEquilibriodiHardyWeinberg(HWE)

Che cos una popolazione ideale?

1. Generazioni discrete,nonsovrapposte

2.Stesse frequenze alleliche inmaschi efemmine

3.Panmissia:gli individui si accoppiano inmaniera casuale (unionecasuale dei gameti)

4.Ladimensione della popolazione moltogrande (tendenteallinfinito)

5.Nonc migrazione (lapopolazione chiusa)

6.Lamutazione pu essere ignorata

7.Laselezione noninfluenzalefrequenze alleliche (alleli neutrali)

Popolazioneideale:realistica?

Ingenereno,maHWEfornisceunimportanteIPOTESINULLA

DeviazionidallHWEcisuggerisconochequalchecosadi importantestaavvenendonellapopolazione(evoluzione!)

Implicazioni dellHWE

1. Lefrequenzealleliche sonostabilineltempo,enondipendonodalmodellodidominanzatraglialleli

2. Poich lefrequenzegenotipichepossonoessereprdette daquellealleliche,anchequesterimangonostabilineltempo

3. DateleleggidiMendel HWEvieneraggiuntodopounasingolagenerazionediincrocicasuali.

4. Poich levoluzionesidefiniscecomeilcambiamentodellefrequenzealleliche egenotipicheneltempo,unapopolazioneidealenonevolve

5. Levoluzioneavvieneperch vengonoviolatealcunedelleassunzionidiunapopolazioneideale

a) Incrocinoncasualib) Dimensionifinite(derivagenetica,caso)c) Migrazioned) Mutazionie) Selezione

Forzeevolutive

SeunapopolazioneinHWE,qualisarannolesuefrequenzegenotipiche?

Per un locus con 2 alleli:

p = frequenza dellallele Aq = frequenza dellallele a (1-p)

p+q = 1

Cos sappiamo quali sono le frequenze alleliche, ma non quelle genotipiche

Con 2 alleli ci sono 3 possibili genotipi:

SeunapopolazioneinHWE,qualisarannolefrequenzegenotipiche?

Da dove si ottengono queste frequenze genotipiche?

Quadrato di Punnett per popolazione

Femmine

Maschi

Genotipi

Frequenze

HWpuessereusatoper

CalcolarelefrequenzegenotipicheperunapopolazioneinHWE

TestareperdeviazionistatisticamentesignificativedallHWE

Esempio:Malattie1/1700neonatihalafibrosicisticaQuallaproporzionediportatoriasintomaticinellapopolazione?

2pq=0.047p2+2pq+q2=14.7%portatori

Tuttiicambiamentievolutiviinizianoconcambiamentiintrapopolazione

Domandechiave: Comecambianolefrequenzediunallelemutatoneltemposottolinfluenzadellediverseforzeevolutive?

Comevienemantenutalavariabilitnellepopolazioninaturali?

Quallaprobabilitcheunnuovomutanterimpiazzicompletamentelevariantiesistentieconchevelocitquestoaccade?

Chance!

N= dimensione della popolazione

Mutazione nuova variante allelica con frequenza 1/N

La frequenza di a cresce nel tempo fino ad arrivare a sostituire A quindi a FISSARSI EVOLUZIONE

DerivageneticaSelezione

MigrazioneRicombinazione

Mutazione

DerivageneticaSelezione

Casuale non casuale

Mutazione=variabilitgenetica(nessunadirezionalit!):lefrequenzeallelichecambianograzieallamutazione

Ingeneraleunaforzaevolutivadebole

Mutazione

Mutazione

Generating variation..

Tassodimutazione:frequenzadimutazionepergenerazione(operanno)eperentitbiologica(nucleotide,gamete,individuo)

Alcuniconcettiimportanti:

Iltassodimutazionenoncasuale:variaasecondadellespecie

Sesiamonelnucleoonegliorganelli

mut

mut

Iltassodimutazionenoncasuale:variaasecondadelleregionigenomiche

Esistono Hotspotmutazionali(regioneproneallamutazione)

sequenzeripetitiveletransizionisonopicomunidelletrasversionialcuninulceotidi sonopimutabili(es.GeCnelgenomadeimammiferi)

Mutazione

mut

Lamutazionecasualerispettoalleconseguenze(fitness):

Nondirettaafornirelavariazionedicuilorganismonecessita

Lesposizioneagliantibioticiselezionaibatteriresistentimanonlacausadellaresistenza

Mutazione

Ancheselemutazioninonsonodistribuiteequamentenelgenoma,approssimandopossibileutilizzareunorologiomolecolare (contuttiilimitidiquestoapproccio)specialmentesecalibratocondatifossili

Mutazione

Destinodellemutazioni

Mutazione

Perdita

Polimorfismo

Fissazione

Approcciperstudiareicambiamentigeneticinellepopolazioni

Modellideterministici Pisemplici Icambiamentidigenerazioneingenerazioneavvengonoinununicomodo

Questopuesserepredettoconoscendolecondizioniiniziali

Modellistocastici Icambiamentiavvengonoinmodoprobabilistico

Conoscendolostato1nonpossiamopredireinmodocertolefallelichedellostato2

Possiamosolocalcolaredelleprobabilit

Funzionanosolose1. Ninfinita2. Lambientecostante

PreferibiliperchpirealisticiNonsempretrattabilimatematicamente

Selezionenaturale

Un approccio deterministico

Successoriproduttivodifferenzialedialcunigenotipirispettoadaltri

Dipendeda

Mortalit Fertilit Fecondit

Successonellaccoppiamento Vitalitdellaprole

w =fitnessmisuradellepotenzialitdiunindividuodisopravvivereeriprodursi

Lafitnessdiuncertogenotipovarianeltempoasecondadellambiente:unconcettorelativo,mafissiamolapertrattarlamatematicamente

http://evolution.berkeley.edu

Lafitness (w) diungenotipounamisuradellacapacitdiunindividuodisopravvivereeriprodursi.

Ledimensionidiunapopolazionesonodeterminatedallacapacitportantedellambiente.

Quindiilsuccessoevolutivodiunindividuodeterminatonondallasuafitnessassoluta,madaquelladelsuogenotiporispettoaglialtrigenotipidellapopolazione(fitnessrelativa).

Selezionenaturale

Laselezionenaturalecambialefrequenzeallelicherelativenellapopolazione

Laselezionenaturaleunaforzaevolutivadigrandeefficacia,ilsuoeffettoquellodimigliorareladattamentodegliindividuialloroambiente

Laselezionenonhaunoscopofinale,noncisonovariantigenetichebuone

Unavariantebeneficaperilsuoportatoreinundeterminatoambienteedannosainunaltro

Selezionenaturale

SelezionenaturaleUnlocuseduealleli

Genotipi A1A1 A1A2 A2A2

Fitness w11 w12 w22

Frequenze p2 2pq q2

FrequenzadiA1=p

FrequenzadiA2=q o1p

Calcolodellafrequenzaallelicadallafrequenzagenotipica

Randommating:

Selezionenaturale

Unlocuseduealleli

Genotipi A1A1 A1A2 A2A2

Fitness w11 w12 w22

Frequenze p2 2pq q2

Dopo una generazione e lazione dellaselezione

Frequenze p2w11 2pqw12 q2w22

Selezionenaturale

Unlocuseduealleli

Genotipi A1A1 A1A2 A2A2

Frequenze p2w11 2pqw12 q2w22

Frequenza di A2 dopo una generazione

di quanto cambiata la frequenza del nuovo allele A2 dopo una generazione?

Selezionenaturale

Unlocuseduealleli:A2 dominante

Unlocuseduealleli:A2 recessivo

Genotipi A1A1 A1A2 A2A2

Fitness (w) 1 1+s 1+s

s pu essere negativo

Genotipi A1A1 A1A2 A2A2

Fitness (w) 1 1 1+s

s pu essere negativo

Selezionenaturale

Unlocuseduealleli:codominanza

Genotipi A1A1 A1A2 A2A2

Fitness (w) 1 1+s 1+2s

s pu essere negativo

Sespiccolo(disolitolo)ildenominatorecirca1

Sipuapprossimarecon

Selezionenaturale

Unlocuseduealleli:codominanza

Sespiccolo(disolitolo)ildenominatorecirca1

Sipuapprossimarecon Lasoluzione

Selezionenaturale

Unlocuseduealleli:codominanza

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480

freq

uenza s=0.01

s=0.02

s=0.01

generazioni

Inalternativasipuesprimeret infunzionediq

dallequazionesipucalcolareilnumerodigenerazioninecessarieperchlafrequenzadiA2passidaq0 aqt

Selezionenaturale

Unlocuseduealleli:overdominance

Genotipi A1A1 A1A2 A2A2

Fitness (w) 1 1+s1 1+s2

in questo caso s1 > 0 e s1 > s2

Selezionenaturale

A1=formaancestraleA2=fo