Il documento tratta della genetica di popolazioni, con particolare attenzione alla deriva genetica e ai suoi effetti sulle frequenze alleliche. La deriva genetica riduce la diversità genetica all'interno delle popolazioni e aumenta quella fra di esse, influenzata da fattori come l'effetto del fondatore e il collo di bottiglia. Viene enfatizzata l'importanza evolutiva e biomedica della deriva, soprattutto nelle piccole popolazioni.

1. Genetica di popolazioni 6:
Deriva genetica

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. 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. Se gli individui portano alleli differenti:
fissazione degli alleli

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. Esperimento di Buri
(1956)
Anche l’eterozigosi si riduce
attraverso le generazioni
Buri P. (1956) Gene frequency in small populations of mutant Drosophila. Evolution 10:367-402

7. Condizioni dell’esperimento di Buri
•
•
•
•
•
•
•
•
Organismo diploide, riproduzione sessuata
Generazioni non sovrapposte
Unione casuale
Popolazione grande
Mutazione trascurabile
Migrazione trascurabile
Mortalità indipendente dal genotipo
Fertilità indipendente dal genotipo

8. Simulazione di deriva
genetica in popolazioni
diploidi di 9 e 50
individui

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. Tre simulazioni di
deriva genetica in
popolazione diploide di
50 individui

11. La frequenza allelica iniziale influenza il probabile esito finale

12. La frequenza allelica iniziale influenza il probabile esito finale

13. 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?

14. Vediamo se ci siamo capiti
Alla luce delle simulazioni qui riportate, quale
di queste affermazioni è sbagliata?
a.
b.
c.
d.
La deriva tende a far fissare o a far
perdere gli alleli;
La deriva ha effetti solo in popolazioni
molto piccole;
La deriva agisce indipendentemente
nelle diverse popolazioni;
La deriva produce indifferentemente
fluttuazioni verso l’alto o verso il basso
delle frequenze alleliche.

15. Perché è importante la deriva
genetica?
• Importanza evolutiva: cambiamento non adattativo,
specie in piccole popolazioni
• Importanza per la conservazione: perdita di diversità
genetica, specie in piccole popolazioni
• Importanza biomedica: alleli patologici altrove rari
possono essere comuni in piccole popolazioni

16. La deriva in teoria

17. La deriva in teoria
(modello di Wright-Fisher)
• Ci sono molte sottopopolazioni isolate, ciascuna di dimensioni
costanti, N, di cui ½ maschi e ½ femmine
• L’accoppiamento è casuale
• Ogni individuo ha la stessa probabilità di trasmettere I suoi geni alla
generazione successiva
• Le generazioni non si sovrappongono

18. La deriva in teoria
–
–
–
–
2 alleli, A1 e A2
Xt = numero di alleli A1 al tempo t
pij = Pr {Xt+1 = j | Xt = i}
Campionamento binomiale
pi0 = 1 x fr(A1)0 x fr(A2)2N = fr(A2)2N
per j = 0, pij corrisponde alla probabilità di campionare 2N volte A2

19. La deriva in teoria
P4,6 = 10 x (0.6)4 x (0.4)6
4
P (4 blu)
P (6 rossi)
= 210 * 0.004096 * 0.1296 =
= 210 * 0.0053 = 0.111

20. 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

21. Colli di bottiglia

22. Colli di bottiglia e alleli rari

23. Effetto del fondatore

24. Gli effetti di fondatore generano linkage disequilibrium
D’ = 0
D’ = 1, LD completo

25. Effetti del fondatore
nell’evoluzione
umana

26. Effetti del fondatore nell’evoluzione umana

27. Effetti del fondatore nell’evoluzione umana

31. Effetti della deriva
Gruppi sanguigni in amerindi
Collo di bottiglia
Corea di Huntigton nella regione
di Maracaibo:
Effetto del fondatore (Maria
Concepcion Soto)

32. 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%
-----

33. Variabilità 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

34. Livelli di eterozigosi per marcatori VNTR
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
Menotti-Raymond & O’Brien 1993
Bottleneck datato al Pleistocene

36. NB: i valori di eterozigosi differiscono da quelli visti in precedenza (0.224;
0.280) perché qui sono calcolati come media di 3 studi
I livelli di eterozigosi osservati per il ghepardo a livello di allozimi
sottostimano la variabilità genetica presente nella specie
Però i problemi restano: nei leoni di Gir soprattutto

37. E forse sappiamo anche perché

38. Mentre i ghepardi sembra che se la passino meglio

39. Meccanismi di speciazione

40. Deriva genetica e speciazione
La probabilità che una nuova specie sia polimorfica dipende dalle frequenze
alleliche nella popolazione fondatrice e dal numero di fondatori (non
imparentati)

41. Dimensioni effettive: Ne
• Ne è il numero di individui per il quale ci si attende un effetto della
deriva pari a quello osservato
• Problema: Si può misurare Ne per la generazione in corso o per alcune
generazioni, ma quello che conta è il suo valore nel lungo periodo
(long-term Ne), che si può solo stimare
• Ne dipende dalla struttura d’età della popolazione; nell’uomo è
comune approssimarlo ad 1/3 della popolazione censita

42. Ne: 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

43. Cosa succede quando
Ne fluttua nel corso del tempo
(es. Lince canadese)?
L’effetto di deriva è forte e non viene espresso dalla media aritmetica ma
dalla media armonica dei valori di Ne.
Esempio:

44. Cosa succede quando
Il rapporto-sessi non è 1 femmina : 1 maschio?

45. Un esempio: I babbuini di San Antonio
300
Ne = (4 x 30 x 300) / (30 + 300) = 109
30
= 330

46. Sintesi
• La deriva genetica riduce la diversità entro popolazioni e aumenta
quella fra popolazioni
• 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
• L’effetto principale della deriva genetica è legato alla perdita o alla
fissazione di alleli, il che può contribuire a fenomeni di speciazione
• Per ogni allele, la probabilità di fissazione è pari alla sua frequenza
• L’effetto della deriva genetica è stimato dalla dimensione effettiva
della popolaione, Ne
• Fluttuazioni delle dimensioni della popolazione, o rapporti-sessi
sbilanciati, abbassano sensibilmente il valore medio di Ne