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Gen pop5mut

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Gen pop5mut

  1. 1. Genetica di popolazioni 5: Mutazione
  2. 2. 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
  3. 3. 1. Lamarck: L’ambiente crea variabilità (mutazione diretta) Due ipotesi alternative Da dove viene la variabilità genetica?
  4. 4. 2. Darwin: La variabilità preesiste all’interazione con i fattori ambientali (mutazione spontanea)
  5. 5. Come provarlo? Colture del batterio Escherichia coli. Crescita in brodo di coltura liquido Piastramento su terreno solido
  6. 6. Se nel terreno di coltura è presente il batteriofago T2, un parassita di E.coli, non si osserva crescita batterica a meno che qualche batterio non abbia acquisito, per mutazione, la resistenza al batteriofago
  7. 7. http://evilutionarybiologist.blogspot.com/2008/07/this-weeks-citation-classic-fluctuation.html Mutazione diretta e spontanea hanno conseguenze diverse
  8. 8. Se ha ragione Lamarck (mutazione diretta, post-adattativa) Se ha ragione Darwin (mutazione spontanea, pre-adattativa) Ci si attende lo stesso numero di colonie mutanti in ogni esperimento, perché l’esposizione al fattore selettivo è stata simultanea in ogni coltura (varianza = media) Ci si attendono numeri diversi di colonie mutanti nei diversi esperimenti, perché la resistenza si è sviluppata in momenti diversi (varianza > media)
  9. 9. Luria e Delbrück (1943): Il test di fluttuazione
  10. 10. Joshua e Esther Lederberg (1952): Il replica-plating
  11. 11. Il replica-plating permette di identificare mutanti
  12. 12. Lederberg (1952): Il replica-plating e la resistenza al fago T2 La mutazione è spontanea, pre-adattativa
  13. 13. Classificazione delle mutazioni A seconda della cellula interessata: somatica – germinale A seconda dell’entità: puntiforme – genica – cromosomica – genomica A seconda della loro origine: spontanee – indotte A seconda dell’effetto
  14. 14. Classificazione delle mutazioni puntiformi in base ai loro effetti sulla sequenza del DNA Transizione: purina sostituita da purina: A → G o G → A        pirimidina da pirimidina: C → T o T → C        Sostituzione Trasversione: purina sostituita da pirimidina pirimidina sostituita da purina Inserzione Delezione
  15. 15. Classificazione delle sostituzioni nucleotidiche
  16. 16. Classificazione delle mutazioni puntiformi in base ai loro effetti sulla funzione genica Silenti: la mutazione cambia il codone per un aa in un altro codone per lo stesso aa Missenso: la mutazione cambia il codone per un aa in un codone per un altro aa Nonsenso: la mutazione cambia il codone per un aa in un codone di stop
  17. 17. Effetti delle mutazioni nucleotidiche
  18. 18. Frameshift: Inserzioni o delezioni di 1, 2, 4, 5… nucleotidi provocano la lettura errata di tutto il tratto di DNA a valle.
  19. 19. Inserzioni o delezioni di 3, 6… nucleotidi hanno conseguenze più limitate sulla proteina
  20. 20. Liao et al. (2007) A Heterozygous Frameshift Mutation in the V1 Domain of Keratin 5 in a Family with Dowling–Degos Disease Journal of Investigative Dermatology (2007) 127, 298–300 Papillomi ∗ Invaginazioni che si riempiono di cheratina Effetti di una mutazione frameshift nel gene KRT5 per la cheratina
  21. 21. Effetti delle mutazioni nucleotidiche
  22. 22. Classificazione delle mutazioni cromosomiche
  23. 23. Se la mutazione è unidirezionale può alterare le frequenze alleliche, ma non di molto Allele A1 mutazione μ (1-μ) non mutazione Allele A2 Allele A1 p1 = p0 (1-μ)
  24. 24. Se la mutazione è unidirezionale può alterare le frequenze alleliche, ma non di molto p1 = p0 (1-μ) p2 = p1 (1-μ) p2 = p0 (1-μ) (1-μ) = p0 (1-μ)2 pt = p0 (1-μ)t
  25. 25. Se la mutazione è bidirezionale può alterare le frequenze alleliche, ma non di molto 1-μ μ 1-ν ν t-1 t pt-1 1- pt-1 pt = (1-μ) pt-1 + ν(1-pt-1) pt ≈ p0 –tμ Frequenza di equilibrio: p = ν / (μ + ν)
  26. 26. Cambiamenti nella frequenza allelica per effetto di un processo di mutazione bidirezionale; μ = 0.00003, ν = 0.00001 generazioni 10000 20000 30000 40000 Frequenza di equilibrio: p = ν / (μ + ν) = 0.25 Frequenza di equilibrio: p = ν / (μ + ν)
  27. 27. Spiegare se questa affermazione è vera, e perché: Le frequenze alleliche nelle popolazioni raggiungono l’equilibrio perché i tassi di mutazione nei due sensi si bilanciano. Frequenza di equilibrio: p = ν / (μ + ν) generazioni 10000 20000 30000 40000 Vediamo se ci siamo capiti
  28. 28. Con le mutazioni si possono calcolare delle date Più tempo passa, più mutazioni si accumulano Il numero di mutazioni che separa due specie è proporzionale al tempo intercorso dall’antenato comune
  29. 29. Conoscendo (p.e.s., sulla base di dati fossili) il tempo di separazione fra la specie A e la specie B, possiamo calcolare un tasso di differenziazione molecolare, che poi ci permetterà di stimare i tempi di separazione fra A e C, D, E, ecc. L’orologio molecolare Uomo e scimpanzè si sono separati fra 8 e 6 milioni di anni fa (diciamo 6). Se per un certo tratto di DNA troviamo fra loro 15 differenze Tasso di divergenza = TD = 15/6milioni = 2,5 per milione di anni Se fra uomo e gorilla ci sono 17 differenze, l’antenato comune fra uomo e gorilla sarà vissuto 17 / 2,5 ≅ 7 milioni di anni fa
  30. 30. Si possono fare ragionamenti simili (con molte precauzioni!) anche riguardo alle differenze molecolari fra aplotipi della stessa specie
  31. 31. Tre modelli di mutazione Alleli infiniti: ogni evento mutazionale genera un allele diverso Siti infiniti: ogni evento mutazionale colpisce un sito diverso Stepwise: ogni evento mutazionale allunga o accorcia di un repeat un locus STR o VNTR
  32. 32. Alleli infiniti : ogni evento mutazionale genera un allele diverso (Kimura e Crow 1964) si chiedono a che proporzione dei loci un individuo sia, in media, omozigote In una popolazione di dimensioni N, per loci a cui non c’è selezione, calcolano: Omozigosi: Fatt = 1 / (1+ 4Nμ) Eterozigosi: Hatt = 4Nμ / (1+ 4Nμ) Kimura, M. and Crow, J (1964). The number of alleles that can be maintained in a finite population. Genetics 49: 725–738. Il numero n di alleli che può essere mantenuto nella popolazione è l’inverso dell’omozigosi: n = 1+ 4Nμ
  33. 33. Nel modello ad alleli infiniti il livello di eterozigosi è associato in modo non banale al tasso di mutazione Hatt = (4Neµ) / (4Neµ + 1) Popolazione grande: (4Neµ) ≈ (4Neµ + 1) Popolazione piccola: (4Neµ) < (4Neµ + 1) Es.: con µ= 10-7 , Ne = 106 Ne µ = 0.1 e Hatt = (0.4)/(0.4 + 1) = 0.29 Nell’uomo Hoss = 0.20
  34. 34. Siti infiniti: ogni evento mutazionale colpisce un sito diverso
  35. 35. Stepwise: ogni evento mutazionale allunga o accorcia di un repeat un locus STR o VNTR
  36. 36. Il livello di eterozigosi è associato in modo non banale al tasso di mutazione Ma l’eterozigosi riflette l’equilibrio fra la comparsa di nuovi alleli dovuta alla mutazione e la loro perdita dovuta alla deriva
  37. 37. Associare a ciascuna definizione il termine corrispondente. 1.Sostituzione nucleotidica che genera un codone di stop 2.Perdita o acquisto di un tratto di DNA 3.Sostituzione nucleotidica che provoca il cambio di un codone in un altro codone per lo stesso amminoacido 4.Sostituzione di una pirimidina con una purina, o viceversa 5.Sostituzione nucleotidica che provoca il cambio di un codone in un codone per un altro amminoacido 6.Perdita o acquisto di pochi nucleotidi, che alterano la lettura della sequenza in tutto il tratto a valle 7.Sostituzione, perdita o acquisto di un singolo nucleotide a. Indel b. Trasversione c. Puntiforme d. Silente e. Nonsenso f. Missenso g. Frameshift Vediamo se ci siamo capiti
  38. 38. Sintesi • La mutazione avviene a bassa frequenza e quindi ha solo un debole impatto diretto sulla diversità genetica (e un forte impatto sulla divergenza fra sequenze) • Assumendo che il tasso di mutazione sia costante, si possono stimare da dati genetici le date di divergenze fra diverse specie o diverse molecole • Per descrivere gli effetti della mutazione esistono vari modelli: ad alleli infiniti, a siti infiniti, stepwise

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