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Genetica di popolazioni 4:
Linkage disequilibrium
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
Linkage e linkage disequilibrium
Linkage: l’associazione fisica dei loci sui cromosomi,

Linkage disequilibrium: l’associazione non casuale degli alleli
di diversi loci nei cromosomi/gameti, a formare aplotipi.
Il linkage è una causa (non la sola) del linkage disequilibrum
Equilibrio e disequilibrio
pB1

pB2

pB1

pA1

pA1

pA2

pA2

pB2
Il genoma è diviso in blocchi di aplotipi, al cui interno la
ricombinazione è rara

Nove diversi aplotipi in questa regione
Origini del linkage disequilibrium (LD)

Alla sua comparsa, una nuova mutazione è in LD (grigio) con tutti I loci dello
stesso cromosoma. Attraverso le generazioni la ricombinazione riduce
progressivamente l’area di LD. Contano soprattutto:

1. Tasso di ricombinazione

2. Numero di generazioni
Quindi: Equilibrio di Hardy-Weinberg e
linkage disequilibrium
• Basta una generazione di accoppiamento casuale per
raggiungere l’equilibrio di HW a un locus
• Se si studiano più loci, possono essere necessarie
parecchie generazioni perché si raggiunga anche un
linkage equilibrium, cioé perché gli alleli siano associati
casualmente nei gameti
Attraverso le generazioni, il LD si riduce in
maniera esponenziale
cromosomi in LD
ricombinazione

cromosomi con assoc.
casuale degli alleli

r

(1-r)

non ricombinazione

cromosomi in LD

LD fra due loci al tempo t: Dt = (1-r)t D0
Attraverso le generazioni, il LD si riduce in
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Clegg, Kidwell e Horch (1980)
Dynamics of correlated
genetic systems. V. Rates of
decay of linkage
disequilibrium in
experimental populations of
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Genetics 94:217-224.
Vediamo se ci siamo capiti
Perché il LD declina più
rapidamente del
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Perché nell’esperimento
indicato dalla linea blu
alla fine si ottiene un LD
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partenza?
E attraverso le generazioni si riduce anche
l’area di LD
Nature Reviews Genetics 4; 701-709 (2003)
Se gli alleli ai due loci non sono associati in maniera casuale,
ci sarà una deviazione delle frequenze degli aplotipi (D)
rispetto alle frequenze attese:
p11 = p1q1 + D
p12 = p1q2 – D
p21 = p2q1 – D
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Il parametro D è il coefficiente di linkage disequilibrium,
proposto per primi da Lewontin e Kojima (1960).
Dmax è uguale a min (p1q2, p2q1) per D>0,
o a max (-p1q1, -p2q2) per D < 0.
Il valore assoluto di D dipende dalle frequenze alleliche,
il suo segno dalle etichette arbitrarie attribuite agli alleli
(1 o 2)
D = p11 – pA1pB1 = p11p22 – p12p21

Se pA1= pB1 = 0.50
Dmax = 0.50 - 0.25 = 0.25 (p11=0.5, p22=0.5)
Dmin = 0.00 - 0.25 = -0.25 (p12=0.5, p21=0.5)
Se pA1≠ 0.50 o pB1 ≠ 0.50, p. es. 0.20 e 0.80
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Dmin = 0.00 - 0.16 = -0.16 (p12=0.8, p21=0.2)
Un sito web che calcola LD
http://www.evotutor.org/EvoGen/EG4A.html
Non tutti i geni sono trasmessi indipendentemente,
perché ci sono più loci che cromosomi

da Kidd et al. 1999
Le associazioni di alleli in aplotipi variano
attraverso le popolazioni

24 = 16 possibili aplotipi
I livelli di linkage disequilibrium variano
attraverso le popolazioni
Arabidopsis, Nordborg et al. 2005
Solo una frazione degli aplotipi possibili è presente
nelle popolazioni

Crawford et al. 2004
Ma una larga parte degli aplotipi presenti è
condivisa fra popolazioni
Una media di 5.3 blocchi di
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genoma (15 Mb
complessivamente)
Rappresentazione
grafica del linkage
disequilibrium e
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SNP associati con una forma
di schizofrenia (parte alta del
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blocchi di LD (in rosso, in
basso) attraverso 209 kb.
Shi et al. (2009) Common
variants on chromosome
6p22.1 are associated with
schizophrenia. Nature 460:
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Una review non recentissima, ma ancora buona
Sintesi
• Due loci sono in linkage equilibrium se le frequenze
genotipiche a un locus sono indipendenti da quelle all’altro
locus
• Il linkage disequilibrium è causato dalla mutazione e ridotto
dalla ricombinazione
• Basta una generazione di accoppiamento casuale per
raggiungere l’equilibrio di Hardy-Weinberg, ma non il LD
• Si misura il LD confrontando frequenze genotipiche
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Gen pop4ld

  • 1. Genetica di popolazioni 4: Linkage disequilibrium
  • 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. Linkage e linkage disequilibrium Linkage: l’associazione fisica dei loci sui cromosomi, Linkage disequilibrium: l’associazione non casuale degli alleli di diversi loci nei cromosomi/gameti, a formare aplotipi. Il linkage è una causa (non la sola) del linkage disequilibrum
  • 5. Il genoma è diviso in blocchi di aplotipi, al cui interno la ricombinazione è rara Nove diversi aplotipi in questa regione
  • 6. Origini del linkage disequilibrium (LD) Alla sua comparsa, una nuova mutazione è in LD (grigio) con tutti I loci dello stesso cromosoma. Attraverso le generazioni la ricombinazione riduce progressivamente l’area di LD. Contano soprattutto: 1. Tasso di ricombinazione 2. Numero di generazioni
  • 7. Quindi: Equilibrio di Hardy-Weinberg e linkage disequilibrium • Basta una generazione di accoppiamento casuale per raggiungere l’equilibrio di HW a un locus • Se si studiano più loci, possono essere necessarie parecchie generazioni perché si raggiunga anche un linkage equilibrium, cioé perché gli alleli siano associati casualmente nei gameti
  • 8. Attraverso le generazioni, il LD si riduce in maniera esponenziale cromosomi in LD ricombinazione cromosomi con assoc. casuale degli alleli r (1-r) non ricombinazione cromosomi in LD LD fra due loci al tempo t: Dt = (1-r)t D0
  • 9. Attraverso le generazioni, il LD si riduce in maniera esponenziale Clegg, Kidwell e Horch (1980) Dynamics of correlated genetic systems. V. Rates of decay of linkage disequilibrium in experimental populations of Drosophila melanogaster. Genetics 94:217-224.
  • 10. Vediamo se ci siamo capiti Perché il LD declina più rapidamente del previsto? Perché nell’esperimento indicato dalla linea blu alla fine si ottiene un LD opposto a quello di partenza?
  • 11. E attraverso le generazioni si riduce anche l’area di LD Nature Reviews Genetics 4; 701-709 (2003)
  • 12. Se gli alleli ai due loci non sono associati in maniera casuale, ci sarà una deviazione delle frequenze degli aplotipi (D) rispetto alle frequenze attese: p11 = p1q1 + D p12 = p1q2 – D p21 = p2q1 – D p22 = p2q2 + D Il parametro D è il coefficiente di linkage disequilibrium, proposto per primi da Lewontin e Kojima (1960). Dmax è uguale a min (p1q2, p2q1) per D>0, o a max (-p1q1, -p2q2) per D < 0.
  • 13.
  • 14. Il valore assoluto di D dipende dalle frequenze alleliche, il suo segno dalle etichette arbitrarie attribuite agli alleli (1 o 2) D = p11 – pA1pB1 = p11p22 – p12p21 Se pA1= pB1 = 0.50 Dmax = 0.50 - 0.25 = 0.25 (p11=0.5, p22=0.5) Dmin = 0.00 - 0.25 = -0.25 (p12=0.5, p21=0.5) Se pA1≠ 0.50 o pB1 ≠ 0.50, p. es. 0.20 e 0.80 Dmax = 0.20 - 0.16 = 0.04 (p11=0.2, p22=0.2, p12=0.6) Dmin = 0.00 - 0.16 = -0.16 (p12=0.8, p21=0.2)
  • 15.
  • 16.
  • 17.
  • 18.
  • 19. Un sito web che calcola LD http://www.evotutor.org/EvoGen/EG4A.html
  • 20. Non tutti i geni sono trasmessi indipendentemente, perché ci sono più loci che cromosomi da Kidd et al. 1999
  • 21. Le associazioni di alleli in aplotipi variano attraverso le popolazioni 24 = 16 possibili aplotipi
  • 22. I livelli di linkage disequilibrium variano attraverso le popolazioni
  • 24. Solo una frazione degli aplotipi possibili è presente nelle popolazioni Crawford et al. 2004
  • 25. Ma una larga parte degli aplotipi presenti è condivisa fra popolazioni Una media di 5.3 blocchi di aplotipi per ogni regione di genoma (15 Mb complessivamente)
  • 26. Rappresentazione grafica del linkage disequilibrium e individuazione di blocchi SNP associati con una forma di schizofrenia (parte alta del grafico) e blocchi di LD (in rosso, in basso) attraverso 209 kb. Shi et al. (2009) Common variants on chromosome 6p22.1 are associated with schizophrenia. Nature 460: 753-757
  • 27. Una review non recentissima, ma ancora buona
  • 28. Sintesi • Due loci sono in linkage equilibrium se le frequenze genotipiche a un locus sono indipendenti da quelle all’altro locus • Il linkage disequilibrium è causato dalla mutazione e ridotto dalla ricombinazione • Basta una generazione di accoppiamento casuale per raggiungere l’equilibrio di Hardy-Weinberg, ma non il LD • Si misura il LD confrontando frequenze genotipiche osservate e attese a due loci, tramite le statistiche r, D e D’