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21 genetica di popolazioni

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21 genetica di popolazioni

  1. 1. 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
  2. 2. Domande 21 <ul><li>In che modo possiamo caratterizzare geneticamente, anziché individui, popolazioni? </li></ul><ul><li>Come si quantifica la diversità genetica in una popolazione? </li></ul><ul><li>In che condizioni le caratteristiche genetiche delle popolazioni sono stabili, e in che casi no? </li></ul><ul><li>Quali sono i fattori che portano le caratteristiche genetiche delle popolazioni a cambiare, e le popolazioni ad evolvere? </li></ul><ul><li>Qual è il ruolo del caso e quale quello della necessità nell’evoluzione? </li></ul>
  3. 3. 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
  4. 4. Un bel problema L’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?
  5. 5. Figura 21.1 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A La sintesi moderna: Fisher, Wright, Dobzhansky, Haldane
  6. 6. Prima di tutto: non c’ è genetica senza variabilità E la variabilità è prodotta dal processo di mutazione
  7. 7. La genetica di popolazioni studia i polimorfismi Polimorfismi morfologici Polimorfismi elettroforesici Polimorfismi di restrizione (RFLP) Polimorfismi di lunghezza Polimorfismi di sequenza Polimorfismi di numero di copie Polimorfismi di comportamento
  8. 8. Quand’ è che una popolazione può dirsi variabile? A B N alleli = 5 N alleli = 2 H O = 0.4 H O = 0.6 Quando il genotipo individuale è difficile da prevedere
  9. 9. Elettroforesi L’elettroforesi separa macromolecole in relazione alla loro carica o alle loro dimensioni
  10. 10. 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 = 0,4 q = (4 + 2)/10 = 0,6 q = (8 + 4)/20 = 0,6 p+q = 0,4 + 0,6 = 1
  11. 11. Figura 21.2 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A 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
  12. 12. Tipi di polimorfismo studiati nel DNA <ul><li>Single Nucleotide Polymorphism: SNP </li></ul><ul><li>Inserzione/delezione </li></ul><ul><li>Variazione del numero di copie: STR, VNTR, CNV </li></ul>
  13. 13. Figura 21.8 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Polimorfismi di restrizione
  14. 14. Polimorfismi di restrizione
  15. 15. Polimorfismi di sequenza del DNA Qual è il vantaggio del sequenziamento rispetto alla restrizione?
  16. 16. Si possono rappresentare le frequenze alleliche con diagrammi a torta
  17. 17. E la variabilità delle frequenze alleliche aiuta a definire le origini degli individui
  18. 18. 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
  19. 19. Perciò alla generazione 1 avremo: F(AA) = p 2 F(Aa) = 2pq F(aa) = q 2 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: p 2 , 2pq, q 2 Frequenze alleliche alla generazione 1: F(A) = (NF + ½ NH) / NT = (p + ½ 2 pq) / 1 = p <ul><li>Se l’unione dei gameti è casuale, le frequenze alleliche non cambiano attraverso le generazioni: </li></ul><ul><li>Equilibrio di Hardy-Weinberg </li></ul>
  20. 20. Accoppiamento casuale o random mating MATING MAT. FREQ. PROGENIE     AA Aa aa AA x AA ( p 2)( p 2) p 4 p 4     AA x Aa ( p 2)( 2pq ) 2p 3 q p 3 q p 3 q   AA x aa ( p 2)( q 2) p 2 q 2   p 2 q 2   Aa x AA (2pq)(p 2 ) 2p 3 q p 3 q p 3 q   Aa x Aa (2pq)(2pq) 4p 2 q 2 p 2 q 2 2p 2 q 2 p 2 q 2 Aa x aa (2pq)(q 2 ) 2pq 3   pq 3 pq 3 aa x AA ( q 2)( p 2) p 2 q 2   p 2 q 2   aa x Aa ( q 2)( 2pq) 2pq 3   pq 3 pq 3 aa x aa ( q 2)( q 2) q 4     q 4
  21. 21. E alla fine nella progenie f(AA) = p 4 + 2p3q + p 2 q 2 = p 2 (p 2 + 2pq +q 2 ) = p 2 f(Aa) = 2p3q + 4p 2 q 2 + 2pq 3 = 2pq (p 2 + 2pq +q 2 ) = 2pq f(aa) = p 2 q 2 + 2pq 3 + q 4 = q 2 (p 2 + 2pq +q 2 ) = q 2   Cio è esattamente le frequenze che si ottengono immaginando di accoppiare a caso i gameti del pool genico parentale
  22. 22. Dopo la prima generazione di panmissia p, q p 2 , 2pq, q 2 <ul><li>Quindi, in una popolazione panmittica: </li></ul><ul><li>Le frequenze genotipiche dipendono esclusivamente dalle frequenze alleliche della generazione precedente </li></ul><ul><li>Le frequenze alleliche non cambiano attraverso le generazioni </li></ul><ul><li>Quindi, se c’ è equilibrio non c’ è evoluzione, e viceversa </li></ul>
  23. 23. L’equilibrio di Hardy-Weinberg Dopo una generazione di accoppiamento casuale: Genotipo AA Aa aa Frequenza p 2 2pq q 2 Figura 21.3 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Figura 21.3
  24. 24. 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
  25. 25. Condizioni per l’equilibrio di Hardy-Weinberg <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>
  26. 26. Se non si incontrano queste condizioni: <ul><li>Unione casuale Inbreeding </li></ul><ul><li>Popolazione grande Deriva genetica </li></ul><ul><li>Mutazione trascurabile Mutazione </li></ul><ul><li>Migrazione trascurabile Migrazione </li></ul><ul><li>Mortalit à indipendente dal genotipo Selezione </li></ul><ul><li>Fertilit à indipendente dal genotipo Selezione </li></ul>
  27. 27. Figura 21.5 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A E se un allele è recessivo? Albini: 2 Non albini: 48 aa Aa + AA 4 alleli a, 0 alleli A Tanti alleli A, pochi a, ma quanti? Ma, se c’è equilibrio di Hardy-Weinberg, Fr(aa)=q 2 Perciò, qui 0.04 = q 2 , q = 0.2, p = 0.8
  28. 28. Figura 21.6 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Variabilità geografica: frequenza di alleli per la LAP (leucina amminopeptidasi) nel mitilo
  29. 29. Variabilità geografica: frequenza di cromosomi Y del gruppo allelico R1b in popolazioni umane europee
  30. 30. Studio di polimorfismi di inserzione al locus PLAT nell’uomo Alu
  31. 31. Frequenze genotipiche ed alleliche: Inserzioni al locus PLAT in 27 popolazioni umane
  32. 32. Figura 21.7 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Variazione temporale delle frequenze dell’allele Est4F in popolazioni di arvicola Microtus ochrogaster del Kansas.
  33. 33. Figura 21.9 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Esperimento di Buri (1956) 109 popolazioni 8 maschi , 8 femmine Inizialmente, tutti eterozigoti bw+ bw
  34. 34. 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>
  35. 35. Simulazione di deriva genetica in popolazioni diploidi di 10000 e 4 individui La deriva riduce la variabilità entro popolazioni e aumenta quella fra popolazioni
  36. 36. Colli di bottiglia
  37. 37. 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
  38. 38. 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
  39. 39. Flusso genico Migrazione di individui (dalla popolazione A alla popolazione B) Colonizzazione di habitat precedentemente non occupati Dispersione dei propaguli
  40. 40. Figura 21.13 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  41. 41. Il flusso genico introduce nuovi alleli nelle sottopopolazioni e riduce le differenze fra sottopopolazioni Flusso genico deriva Flusso genico e deriva hanno effetti opposti
  42. 42. Figura 21.14 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Mimetismo in lucertola ( Sceloporus )
  43. 43. Figura 21.16 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Un caso tipico: Biston betularia
  44. 44. Frequenza della forma melanica (DD e Dd) in Nord America (Grant & Wiseman 2002 ) Un caso tipico: Biston betularia
  45. 45. Per l’evoluzione darwiniana servono quattro cose <ul><li>Esiste una variabilità </li></ul><ul><li>Questa variabilità è, almeno in parte, ereditaria </li></ul><ul><li>Nel contesto ambientale in cui si trovano, individui con caratteristiche ereditarie diverse hanno fertilità o mortalità diverse </li></ul><ul><li>Le caratteristiche degli individui che lasciano più discendenti si diffondono nella popolazione: adattamento </li></ul>
  46. 46. 1. Variabilit à Fr = 3/8, H = 21/32
  47. 47. 2. Eredit à
  48. 48. 3. Diversa speranza di progenie
  49. 49. 3. Diversa speranza di progenie
  50. 50. 4. Adattamento Fr = 5/8 (3/8), H = 17/32 (21/32)
  51. 51. Fitness <ul><li>Misura la speranza di progenie. </li></ul><ul><li>Ha due componenti, legate a differenze in fertilità e mortalit à </li></ul>Genotipo AA Aa aa Vita riproduttiva media 2.0 1.8 1.4 Fitness 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 3.0 Fitness riproduttiva 2.4/3.0 =0.8 2.4/3.0=0.8 3.0/3.0=1.0
  52. 52. Fitness Complessivamente: Coefficiente di selezione: s = 1 – ω 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
  53. 53.   Misure sperimentali della fitness in Biston betularia   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
  54. 54. La selezione può avvenire in forme diverse Contro l’allele dominante ω AA < 1, ω Aa < 1 Perdita rapida dell’allele Contro l’allele recessivo ω aa < 1 Calo di frequenza dell’allele Contro un allele codominante ω AA < ω Aa < ω aa Perdita dell’allele Figura 21.17
  55. 55. Anemia falciforme
  56. 56. Stima empirica dei coefficienti di selezione per HbS in Nigeria
  57. 57. Figura 21.19 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Vantaggio dell’eterozigote: Frequenze dell’allele Hb-S
  58. 58. Ma perché, dopo tutta questa selezione, non siamo diventati perfetti?
  59. 59. 1. L’ambiente cambia “ Stone agers in the fast lane” “ Red queen” hypothesis (John Maynard Smith)
  60. 60. 2. Selezione sessuale <ul><li>In specie sessualmente dimorfiche le femmine scelgono il partner in base a criteri che possono promuovere o meno l’adattamento. Due ipotesi principali: </li></ul><ul><li>“ Good genes” </li></ul><ul><li>“ Sexy sons” </li></ul>
  61. 61. Sintesi 21 <ul><li>Una popolazione è caratterizzata dalle frequenze dei diversi genotipi e dei diversi alleli al suo interno </li></ul><ul><li>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 </li></ul><ul><li>I fattori che provocano scostamento dall’equilibrio comprendono unione non casuale dei gameti, mutazione, selezione, migrazione e gli effetti del caso </li></ul><ul><li>Popolazioni in equilibrio non si evolvono. I fattori che provocano scostamento dall’equilibrio sono i fattori dell’evoluzione </li></ul><ul><li>La deriva genetica riduce la variabilità interna alle popolazioni e aumenta la variabilità fra popolazioni; il flusso genico fa il contrario </li></ul><ul><li>La selezione tipicamente riduce le frequenze degli alleli associati a fitness ridotta, ma può determinare equilibrio se avviene nella forma del vantaggio dell’eterozigote </li></ul><ul><li>La selezione sessuale può interferire con la selezione naturale, a volte favorendo il mantenimento di caratteri svantaggiosi </li></ul>

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