Genetica di popolazioni 5

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Genetica di popolazioni 5

  1. 1. Genetica di popolazioni 5
  2. 2. Programma del corso <ul><li>1. Diversit à genetica </li></ul><ul><li>2. Equilibrio di Hardy-Weinberg </li></ul><ul><li>3. Unione assortativa </li></ul><ul><li>4. Linkage disequilibrium </li></ul><ul><li>5. Mutazione </li></ul><ul><li>6. Deriva genetica </li></ul><ul><li>7. Flusso genico e varianze genetiche </li></ul><ul><li>8. Selezione </li></ul><ul><li>9. Mantenimento dei polimorfismi e teoria neutrale </li></ul><ul><li>10. Introduzione al coalescente </li></ul><ul><li>11. Evidenze genetiche sull’evoluzione umana </li></ul>
  3. 3. Deriva genetica significa che c’ è una componente casuale nel successo riproduttivo Riproduzione asessuata; N costante; ogni individuo lascia 1 discendente Riproduzione asessuata; N costante; numero variabile di discendenti
  4. 4. Se gli individui portano alleli differenti: fissazione degli alleli
  5. 5. Esperimento di Buri (1956) bw bw = occhi bianchi bw75 bw = occhi arancio bw75 bw75 = occhi marrone 109 popolazioni 8 maschi , 8 femmine Inizialmente, tutti eterozigoti bw75 bw
  6. 6. Esperimento di Buri (1956) Buri P. (1956) Gene frequency in small populations of mutant Drosophila . Evolution 10:367-402 Anche l’eterozigosi si riduce attraverso le generazioni
  7. 7. Condizioni dell’esperimento di Buri <ul><li>Organismo diploide, riproduzione sessuata </li></ul><ul><li>Generazioni non sovrapposte </li></ul><ul><li>Unione casuale </li></ul><ul><li>Popolazione grande </li></ul><ul><li>Mutazione trascurabile </li></ul><ul><li>Migrazione trascurabile </li></ul><ul><li>Mortalit à indipendente dal genotipo </li></ul><ul><li>Fertilit à indipendente dal genotipo </li></ul>
  8. 8. Simulazione di deriva genetica in popolazioni diploidi di 18 e 100 individui
  9. 9. Simulazione di deriva genetica in popolazioni diploidi di 10000 e 4 individui La deriva riduce la variabilità entro popolazioni e aumenta quella fra popolazioni
  10. 10. Vediamo se ci siamo capiti Nei tre grafici abbiamo la variazione di frequenze alleliche nel tempo per effetto della deriva, in tre serie di esperimenti, ciascuno effettuato su popolazioni di dimensioni uguali. In quale serie le popolazioni erano più grandi, e in quale più piccole?
  11. 11. Vediamo se ci siamo capiti <ul><li>Alla luce delle simulazioni qui riportate, quale di queste affermazioni è sbagliata? </li></ul><ul><li>La deriva tende a far fissare o a far perdere gli alleli; </li></ul><ul><li>La deriva ha effetti solo in popolazioni molto piccole; </li></ul><ul><li>La deriva agisce indipendentemente nelle diverse popolazioni; </li></ul><ul><li>La deriva produce indifferentemente fluttuazioni verso l’alto o verso il basso delle frequenze alleliche. </li></ul>
  12. 12. Perch é è importante la d eriva genetica? <ul><li>Importanza evolutiva : cambiamento non adattativo, specie in piccole popolazioni </li></ul><ul><li>Importanza per la conservazione : perdita di diversit à genetica, specie in piccole popolazioni </li></ul><ul><li>Importanza biomedica : alleli patologici altrove rari possono essere comuni in piccole popolazioni </li></ul>
  13. 13. La deriva in teoria
  14. 14. La deriva in teoria (modello di Wright-Fisher) <ul><li>Ci sono molte sottopopolazioni isolate, ciascuna di dimensioni costanti, N, di cui ½ maschi e ½ femmine </li></ul><ul><li>L’accoppiamento è casuale </li></ul><ul><li>Ogni individuo ha la stessa probabilità di trasmettere I suoi geni alla generazione successiva </li></ul><ul><li>Le generazioni non si sovrappongono </li></ul>
  15. 15. La deriva in teoria <ul><ul><li>2 alleli, A1 e A2 </li></ul></ul><ul><ul><li>X t = numero di alleli A1 al tempo t </li></ul></ul><ul><ul><li>p ij = Pr {X t+1 = j | X t = i} </li></ul></ul><ul><ul><li>Campionamento binomiale </li></ul></ul>p i0 = 1 x fr(A1) 0 x fr(A2) 2N = fr(A2) 2N per j = 0, p ij corrisponde alla probabilit à di campionare 2N volte A2
  16. 16. La deriva in teoria P 4,6 = x (0.6) 4 x (0.4) 6 10 4 P (4 blu ) P (6 rossi )
  17. 17. Distribuzione delle frequenze alleliche secondo Wright e Fisher La probabilità si fissi ciascun allele è pari alla loro frequenza; quindi probabilità che un nuovo allele arrivi a fissarsi = 1/2N
  18. 18. Colli di bottiglia
  19. 19. Colli di bottiglia e alleli rari
  20. 20. Effetto del fondatore
  21. 21. Gli effetti di fondatore generano linkage disequilibrium D’ = 0 D’ = 1, LD completo
  22. 22. Effetti del fondatore nell’evoluzione umana: 1   © 1999 Kenneth K Kidd, Yale University Più di 60 mila anni fa
  23. 23. Effetti del fondatore nell’evoluzione umana: 2 © 1999 Kenneth K Kidd, Yale University Homo sapiens sapiens esce dall’Africa 56 mila – 51 mila anni fa
  24. 24. Effetti del fondatore nell’evoluzione umana: 3 © 1999 Kenneth K Kidd, Yale University Homo sapiens sapiens colonizza l’Eurasia 40 mila anni fa
  25. 25. Da Tishkoff et al. 1996
  26. 26. Da Tishkoff et al. 1996
  27. 27. Da Tishkoff et al. 1998
  28. 28. Effetti della deriva Corea di Huntigton nella regione di Maracaibo: Effetto del fondatore (Maria Concepcion Soto) Gruppi sanguigni in amerindi Collo di bottiglia
  29. 29. Effetti della deriva: gruppo sanguigno AB0 Races A B O AB Un. States      42%        10%        45%        3%    Chinese 31% 28% 34% 7% Blackfoot 76% ----- 24% ----- Navajo 24% ----- 76% -----
  30. 30. Variabilit à 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
  31. 31. Livelli di eterozigosi per marcatori VNTR Menotti-Raymond & O’Brien 1993 Bottleneck 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
  32. 32. Meccanismi di speciazione
  33. 33. Deriva genetica e speciazione La probabilit à che una nuova specie sia polimorfica dipende dalle frequenze alleliche nella popolazione fondatrice e dal numero di fondatori (non imparentati)
  34. 34. Dimensioni effettive: N e <ul><li>N e è il numero di individui per il quale ci si attende un effetto della deriva pari a quello osservato </li></ul><ul><li>Problema: Si può misurare N e per la generazione in corso o per alcune generazioni, ma quello che conta è il suo valore nel lungo periodo (long-term N e ), che si può solo stimare </li></ul><ul><li>N e dipende dalla struttura d’età della popolazione; nell’uomo è comune approssimarlo ad 1/3 della popolazione censita </li></ul>
  35. 35. N e : stime nell’uomo Atkinson, Gray e Drummond (2008) mtDNA variation predicts population size in humans and reveals a major Southern Asian chapter in human prehistory. Mol Biol Evol 25:468-474
  36. 36. Cosa succede quando <ul><li>Ne fluttua nel corso del tempo (es. Lince canadese)? </li></ul>L’effetto di deriva è forte e non viene espresso dalla media aritmetica ma dalla media armonica dei valori di N e . Esempio: N media aritmetica media armonica 100 25 150 125 150 110 70
  37. 37. Cosa succede quando <ul><li>Il rapporto-sessi non è 1 femmina : 1 maschio? </li></ul>
  38. 38. Sintesi <ul><li>La deriva genetica riduce la diversit à entro popolazioni e aumenta quella fra popolazioni </li></ul><ul><li>La deriva genetica dipende dalla variazione casuale del successo riproduttivo, ed è amplificata da fenomeni quali collo di bottiglia, effetto del fondatore, fluttuazioni periodiche della popolazione e rapporto-sessi sbilanciato </li></ul><ul><li>L’effetto principale della deriva genetica è legato alla perdita o alla fissazione di alleli, il che può contribuire a fenomeni di speciazione </li></ul><ul><li>Per ogni allele, la probabilità di fissazione è pari alla sua frequenza </li></ul><ul><li>L’effetto della deriva genetica è stimato dalla dimensione effettiva della popolaione, N e . </li></ul>

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