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Genetica di Popolazioni 1
 

Genetica di Popolazioni 1

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    Genetica di Popolazioni 1 Genetica di Popolazioni 1 Presentation Transcript

    • Genetica di popolazioni Guido Barbujani Dip. Scienze della Vita e Biotecnologie Università di Ferrara g.barbujani@unife.it
    • Obiettivi del corso: Capire le basi genetiche dell’evoluzione Arrivare a porsi domande scientificamente corrette Arrivare a poter leggere criticamente un articolo POWERPOINT: http://utenti.unife.it/guido.barbujani/index.php?lng=it&p=5 ESERCIZI: http://darwin.eeb.uconn.edu/simulations/simulations.html
    • TESTO ADOTTATO J.H. Relethford (2013) Genetica delle popolazioni umane. Ambrosiana, 36 Euro .
    • Frankham, Ballou, Briscoe. Fondamenti di Genetica della conservazione, Zanichelli Conner & Hartl. Elementi di Genetica ecologica, Piccin Hartl & Clark. Principles of poplation genetics. Sinauer
    • ALCUNE DOMANDE IMPORTANTI • Con che frequenza troviamo unioni consanguinee nelle popolazioni, e quali effetti hanno? • Cosa ci dice la diversità genetica riguardo alla storia delle diverse specie? • Come possiamo utilizzare dati genetici per ricostruire la storia delle migrazioni? • Perché alcune popolazioni presentano frequenze elevate di alleli patologici? • Perché alcune piccole popolazioni sono così diverse da quelle vicine?
    • Cose da ricordare, per cominciare 1. 2. 3. 4. 5. Cos’è un gene, un allele, un aplotipo Com’è fatto il DNA Com’è fatto un gene Eucariote Com’è fatto un gene procariote Com’è la struttura dei geni (siti codificanti, siti di regolazione, introni, esoni) 6. Come funzionano i geni
    • Cosa si intende per locus genico? Cosa si intende per allele? Cosa vuol dire che due geni sono indipendenti? Se le coppie A,a e B,b sono indipendenti che gameti produce il genotipo AaBb? E il genotipo Aa BB? Cosa vuol dire che due geni sono associati? Se le coppie A,a e B,b sono associate che gameti produce il genotipo AaBb e il genotipo Aa BB? Se AaBb si incrocia con AaBb che tipi di figli può avere? Se AaBb si incrocia con aabb che tipi di figli può avere?
    • Qual è la differenza tra meiosi e mitosi? Che cos’è il crossing-over? Se c’è crossing-over tra due geni associati, gli effetti del crossing-over sono evidenziabili nei gameti? Cosa significa dire che i gameti sono aploidi? In che modo i geni codificano le proteine? Che differenza c’è tra popolazione e specie? Quanti alleli di un dato locus ci sono in una popolazione? Specie diverse con lo stesso numero di cromosomi si possono incrociare?
    • Programma del corso 1. Diversità genetica 2. Equilibrio di Hardy-Weinberg 3. Inbreeding 4. Linkage disequilibrium 5. Mutazione 6. Deriva genetica 7. Flusso genico e varianze genetiche 8. Selezione 9. Mantenimento dei polimorfismi e teoria neutrale 10. Introduzione alla teoria coalescente 11. Struttura e storia della popolazione umana + Lettura critica di articoli
    • Programma del corso 1. Diversità genetica 2. Equilibrio di Hardy-Weinberg 3. Inbreeding 4. Linkage disequilibrium 5. Mutazione 6. Deriva genetica 7. Flusso genico e varianze genetiche 8. Selezione 9. Mantenimento dei polimorfismi e teoria neutrale 10. Introduzione alla teoria coalescente 11. Struttura e storia della popolazione umana + Lettura critica di articoli
    • Conosciamo 1,6 milioni di specie, stimiamo che ne esistano >10 milioni
    • Prima di tutto: non c’è genetica senza variabilità Variabilità morfologica
    • 1. 2. 3. 4. Variabilità morfologica Variabilità serologica Variabilità proteica Variabilità del DNA 4.1. Varianti di singolo nucleotide: Single-Nucleotide Polymorphisms (SNP) 4.2. Varianti di lunghezza: Inserzioni/delezioni (Indel), Variable Number of Tandem Repeats (VNTR), Short Tandem Repeats (STR) 4.3. Varianti strutturali: Copy-Number Variation (CNV)
    • Quanto DNA in una cellula? 5-20 μ Nell’uomo: 6 miliardi di paia di basi nei 46 cromosomi 1 base ≈ 0,8 mμ 6 miliardi di basi ≈ 5 m di DNA in 5-20 μ
    • Quanto DNA in una cellula? 6 miliardi di paia di basi 1 base ≈ 0,8 mμ 6 miliardi di basi ≈ 5 m di DNA in 5-20 μ Foglio A4, 60 battute per riga. 30 righe = 1800 basi su ogni foglio, due facciate ≈ 2000 basi Se 100 fogli = 1 cm 6 miliardi di paia di basi ≈ 15000 cm = 150 m
    • J.B.S. Haldane: Frequenza dell’allele AB0*B in Europa Variabilità genetica: Proteine, Test serologici
    • Variabilità genetica: Proteine, sequenze amminoacidiche
    • Variabilità genetica: Sequenze di DNA
    • Applicazioni: Confronti fra sequenze in casi forensi
    • Applicazioni: Genetic variation in Arabidopsis thaliana: SNPs Nordborg et al., 2005 PLoS Biology
    • Some human genome statistics Total size 3 190 491 286 bp (male, haploid) [was 3 283 984 159 in Dec. 2011] N of protein-coding genes 21 224 [were 20 442] N of RNA genes 15 952 N of pseudogenes 14 427 N of gene exons 679 045 N of gene transcripts 194 015 N of short variants 52 126 039 (+ 13.4 million: Lachance et al. 2012) N of structural variants 6 303 392 From Ensembl Release 68, July 2012 Nucleotide differences with chimp Structural differences with chimp Human genes missing in chimp 1.5 % 4% 60 (expressed mainly in cerebral cortex and testes) From Wu et al. (2011) PLoS Genet
    • Some human genome statistics
    • I geni trascritti in proteine rappresentano negli Eucarioti fra il 5% e il 10% del genoma Parte del restante 90-95% non è funzionale (junk DNA), ma un’altra parte contiene importanti siti di regolazione
    • Human-mouse alignment Human-chimp alignment
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 1. 2. 3. 4. Single Nucleotide Polymorphism: SNP Inserzione/delezione Variazione del numero di copie: Indel, STR, VNTR, Variazione strutturale: CNV
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 1. SNP 2010: Almeno 4 milioni di SNPs nel genoma umano (Schuster et al. 2010) 2012: Almeno 65 milioni di SNPs nel genoma umano (Lachance et al. 2012)
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 1. SNP: Restrizione
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 1. SNP: Fasi preparatorie al sequenziamento
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 1. SNP: Sequenziamento Qual è il vantaggio del sequenziamento rispetto alla restrizione?
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 1. SNP: Costruzione di aplotipi
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 1. SNP: Effetti fenotipici Cioè in regioni: regolatrici codificanti Con sostituzioni: nonsinonime intergeniche sinonime introniche
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 1. SNP: Effetti fenotipici
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 2. Inserzione/delezione: Indel
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 2. Inserzione/delezione: Indel Pereira et al. Genet. Mol. Res. 5 (1): 63-71 (2006)
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 2. Inserzione/delezione: Indel, inserzione di un retrovirus
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 3. Variazione del numero di copie: STR
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 3. Variazione del numero di copie: STR
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 3. Variazione del numero di copie: STR
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 3. Variazione del numero di copie: STR & VNTR
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 3. Variazione del numero di copie: CNV
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 3. Variazione del numero di copie: CNV An ~11kb deletion on chromosome 8 revealed by ultra-high resolution CGH. Blue lines: individuals with two copies. Red line: individual with zero copies.
    • Tipi di polimorfismo studiati nel DNA 3. Variazione del numero di copie: CNV La CGH (Comparative Genomic Hybridization) rileva variazioni del numero di copie di geni. Competizione per il legame su cromosomi in metafase di due DNA genomici marcati con fluorocromi diversi. Un DNA è estratto dal paziente in esame mentre l’altro DNA è un pool di DNA genomico di riferimento. Si legherà in proporzione più DNA se maggiore sarà il numero di copie presenti in quel locus rispetto al numero di copie presenti nel DNA genomico di controllo. Viceversa se ne legherà meno se minore sarà il numero di copie presenti in quel locus rispetto al numero di copie presenti nel DNA genomico di controllo.
    • 3. Variazione del numero di copie: CNV Marques-Bonet et al. (2009) Trends in Genetics 25:443-454
    • Average mutation rates for different polymorphisms (per locus per generation) VNTR 10-1 – 10-2 STR 10-2 – 10-4 SNPs 10-6 – 10-8 Indel (retrovirus) 10-10 – 10-11 CNV ? In the mitochondrial DNA hypervariable region, up to 5 x 10 -5 per site per generation
    • Quand’è che una popolazione può dirsi variabile? A B
    • Misure di diversità genetica • • N di alleli Eterozigosi osservata: Ho = N genotipi eteroz./N genotipi totali • Eterozigosi attesa: H = 1 –Σ pi2 (la frazione di individui che ci si aspetta siano eterozigoti a un gene sconosciuto)
    • Quand’è che una popolazione può dirsi variabile? A N alleli = 5 HO = 0.4 H = 0.35 B N alleli = 2 HO = 0.6 H = 0.5 Quando il genotipo individuale è difficile da prevedere
    • Quand’è che una popolazione può dirsi variabile? • Quando molti siti del DNA sono variabili diversità nucleotidica: π = N siti polimorfici / N totale siti • Quando ci sono grandi differenze molecolari fra I suoi membri mismatch medio: k = Σ dij / [N (N-1) / 2]
    • Il mismatch è il numero di sostituzioni fra coppie di individui TCTAGA 1 CCTAGA 1 2 1 2 2 CCTAGG 2 2 CTTAGA CTTAAA Σ dij = 17 1 k = 1.7 3
    • Un’applicazione: variabilità STR in popolazioni di lupi scandinavi (Flagstad et al. 2003) N alleli HO H 1829-1889 5.0 0.66 0.74 1890-1939 4.4 0.61 0.68 1940-1980 3.1 0.45 0.52 Finlandia 4.9 0.69 0.72
    • Quanto polimorfismo c’è nel DNA della nostra specie? Goldman et al. (1987) PNAS
    • Livelli di diversità fra uomo e scimpanzè Tempi di dissociazione indicano una differenza pari all’1.76% (Sibley & Ahlquist, 1984)
    • Livelli di polimorfismo nell’uomo: SNP Kaessmann et al. (2001) 35 milioni di SNP fra uomo e scimpanzè. Su un totale di 3 miliardi di basi (genoma aploide)  1.23% (Chimpanzee Genome Sequencing Consortium, 2005) Di questi SNP, 1.06% fissati fra specie 0.17% polimorfici nell’uomo
    • Livelli di polimorfismo nell’uomo: Indel Marquès-Bonet et al. (2009) Origine della duplicazione Siti di inserzione
    • Livelli di polimorfismo nell’uomo: genomi completi Nel 2010 erano 14 i genomi interamente sequenziati (6 miliardi di paia di basi)
    • Nel 2010 erano 14 i genomi interamente sequenziati (6 miliardi di paia di basi) Africa del sud Americani bianchi Yoruba Asiatici Polimorfici almeno lo 0.13% dei siti
    • Nel 2014 i genomi umani interamente sequenziati sono migliaia Population African Caribbean in Barbados [ACB] Number of Individual DNA Samples 79 African Ancestry in SW USA [ASW] 62 British From England and Scotland [GBR] 100 Chinese Dai in Xishuangbanna, China [CDX] 100 Colombian in Medellín, Colombia [CLM] 105 Finnish in Finland [FIN] 100 Han Chinese in Beijing, China [CHB] Han Chinese South [CHS] Iberian Populations in Spain [IBS] Japanese in Tokyo, Japan [JPT] 120 150 150 120 Kinh in Ho Chi Minh City, Vietnam [KHV] 100 Luhya in Webuye, Kenya [LWK] Mexican Ancestry in Los Angeles [MXL] Peruvian in Lima Peru [PEL] Puerto Rican in Puerto Rico [PUR] Toscani in Italia [TSI] Yoruba in Ibadan, Nigeria [YRI] 120 71 105 105 114 62
    • Livelli di polimorfismo nell’uomo: genomi completi
    • Le stime genomiche di FST per la popolazione umana globale sono ∼ 0.12 N of markers 599,356 SNPs 1,034,741 SNPs 1,007,329 SNPs 443,434 SNPs 2,841,354 SNPs 243,855 SNPs 100 Alu insertions 67 CNVs Samples 209 individuals from 4 populations: Caucasian, Chinese, Japanese, Yoruba 71 individuals from 4 populations: Caucasian, Chinese, Japanese, Yoruba 269 individuals from 4 populations: Caucasian, Chinese, Japanese, Yoruba 3845 worldwide distributed individuals FST Reference 0.13 Weir et al. 2005 0.10 Weir et al. 2005 0.12 0.052 International HapMap Consortium 2005 Auton et al. 2009 210 individuals from 4 populations: Caucasian, Chinese, Japanese, Yoruba 554 individuals from 27 worldwide populations 0.11 Barreiro et al. 2008 0.123 Xing et al. 2009 710 individuals from 23 worldwide populations 0.095 Watkins et al. 2008 270 individuals from 4 populations with ancestry in Europe, Africa or Asia 0.11 Redon et al. 2006 Le popolazioni umane esprimono ∼ 12% della varianza massima possibile, date le loro frequenze alleliche
    • Cosa vuol dire? 100% 88% 100% 88% 88% 100% I membri della nostra comunità sono solo un po’ più simili a noi dei membri di comunità molto lontane
    • Due persone dello stesso continente possono essere geneticamente più distanti di persone di continenti diversi.
    • In media, ci sono differenze più grandi fra due africani che fra europei e asiatici In the 117 megabases (Mb) of sequenced exome-containing intervals, the average rate of nucleotide difference between a pair of the Bushmen was 1.2 per kb, compared to an average of 1.0 per kb between a European and Asian individual. Schuster et al. (2010)
    • Nota bene La variabilità interna di una popolazione è solo uno degli aspetti della variabilità genetica: Variabilità tra individui della stessa popolazione Variabilità tra individui di popolazioni diverse Variabilità tra individui di gruppi di popolazioni diverse eccetera
    • PS: Cos’è una popolazione? Hendrick: un gruppo di individui che si accoppiano e coesistono nel tempo e nello spazio In pratica, si usano come unità operative di analisi gruppi di individui localizzati nello spazio, che spesso hanno in comune vari tratti culturali, come mezzi di sussistenza, lingua, casta (in India), religione. La scelta dell’unità operativa di analisi dipende spesso (a) dalla domanda scientifica che ci si pone e (b) dalla effettiva disponibilità di dati
    • Riassunto • La genetica di popolazioni è un ramo della genetica, e quindi si occupa di studiare la variabilità • Si può descrivere la variabilità o diversità genetica a partire dal fenotipo (morfologia o proteina) o dal genotipo (DNA) • La diversità del DNA è dovuta a polimorfismi di singolo nucleotide (SNP), alla presenza di elementi ripetuti (STR e VNTR) e alla presenza di delezioni, inserzioni o duplicazioni (CNV) • Per quantificare la diversità genetica si ricorre a statistiche, fra cui: (1) numero di alleli; (2) eterozigosi osservata; (3) eterozigosi attesa; (4) polimorfismo nucleotidico; (5) differenze a coppie o mismatch