Cap. 22 Genetica di popolazioni, pp. 661-713

Sintesi 22

• Una popolazione è caratterizzata dalle frequenze dei diversi genotipi e dei diversi alleli al suo interno

• 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

• I fattori che provocano scostamento dall’equilibrio comprendono unione non casuale dei gameti, mutazione, selezione, migrazione e gli effetti del caso

• Popolazioni in equilibrio non si evolvono. I fattori che provocano scostamento dall’equilibrio sono i fattori dell’evoluzione

Gli individui nascono e muoiono, le popolazioni hanno dimensioni fluttuanti e possono 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

Prima di tutto: non c’è genetica senza variabilità

E la variabilità è prodotta dal processo di mutazione

La genetica di popolazioni studia i polimorfismi

Polimorfismi morfologiciPolimorfismi elettroforesiciPolimorfismi di restrizione (RFLP)Polimorfismi di lunghezzaPolimorfismi di sequenzaPolimorfismi di comportamento

Quand’è che una popolazione può dirsi variabile?

A BN alleli = 5 N alleli = 2HO = 0.4 HO = 0.6

Quando il genotipo individuale è difficile da prevedere

Elettroforesi

L’elettroforesi separa macromolecole in relazione alla loro carica o alle loro dimensioni

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 = 0,4q = (4 + 2)/10 = 0,6 q = (8 + 4)/20 = 0,6 p+q = 0,4 + 0,6 = 1

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

Perciò alla generazione 1 avremo:

F(AA) = p2 F(Aa) = 2pq F(aa) = q2 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: p2, 2pq, q2

Frequenze alleliche alla generazione 1:

F(A) = (NF + ½ NH) / NT = (p + ½ 2 pq) / 1 = p

1. Se l’unione dei gameti è casuale, le frequenze alleliche non cambiano attraverso le generazioni:

Equilibrio di Hardy-Weinberg

Accoppiamento casuale o random mating

q4 q4 aa x aa(q2)(q2)

pq3pq3 2pq3 aa x Aa(q2)(2pq)

p2q2 p2q2aa x AA(q2)(p2)

pq3pq3 2pq3 Aa x aa(2pq)(q2)

p2q2 2p2q2 p2q24p2q2Aa x Aa(2pq)(2pq)

p3qp3q2p3qAa x AA(2pq)(p2)

p2q2 p2q2AA x aa(p2)(q2)

p3qp3q2p3qAA x Aa(p2)(2pq)

p4p4AA x AA(p2)(p2)

aaAaAA

PROGENIEMAT. FREQ. MATING

E alla fine nella progenie

f(AA) = p4 + 2p3q + p2q2= p2 (p2+ 2pq +q2) = p2

f(Aa) = 2p3q + 4p2q2 + 2pq3 = 2pq (p2 + 2pq +q2) = 2pqf(aa) = p2q2 + 2pq3 + q4 = q2 (p2 + 2pq +q2) = q2

Cioè esattamente le frequenze che si ottengono immaginando di accoppiare a caso i gameti del pool genico parentale

Dopo la prima generazione di panmissia

p, q

p2, 2pq, q2

Quindi, in una popolazione panmittica:

•Le frequenze genotipiche dipendono esclusivamente dalle frequenze alleliche della generazione precedente

•Le frequenze alleliche non cambiano attraverso le generazioni

Quindi, se c’è equilibrio non c’è evoluzione, e viceversa

L’equilibrio di Hardy-Weinberg

Dopo una generazione di accoppiamento casuale:

Genotipo AA Aa aaFrequenza p2 2pq q2

Cosa vuol dire equilibrioSe 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

Condizioni per l’equilibrio di Hardy-Weinberg

• Organismo diploide, riproduzione sessuata• Generazioni non sovrapposte• Unione casuale

• Popolazione grande• Mutazione trascurabile• Migrazione trascurabile

• Mortalità indipendente dal genotipo• Fertilità indipendente dal genotipo

Se non si incontrano queste condizioni:

• Unione casuale Inbreeding• Popolazione grande Deriva genetica• Mutazione trascurabile Mutazione• Migrazione trascurabile Migrazione

• Mortalità indipendente dal genotipo Selezione• Fertilità indipendente dal genotipo Selezione

Studio di polimorfismi di inserzione al locus PLAT

Frequenze genotipiche ed alleliche: Inserzioni al locus PLAT in 27 popolazioni umane

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

Esperimento di Buri (1956)

109 popolazioni8 maschi, 8 femmineInizialmente, tutti eterozigoti bw+ bw

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

Simulazione di deriva genetica in popolazioni diploidi di 10000 e 4 individui

La deriva riduce la variabilità entro popolazioni e aumenta quella fra popolazioni

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

Colli di bottiglia

Variabilità genetica nel ghepardo

(Iran/Turkestan) approx. 200

Acinonyx Jubatus Raddei

(Asia) virtually extinct

Acinonyx Jubatus Venaticus

(N. Africa) less than 1,000

Acinonyx Jubatus Hecki

(E. Africa) less than 1,000

Acinonyx Jubatus Rainey

(S. Africa) 2,500 (Namibia) 1,500 (Botswana) 1,500 (Kenya/Tanzania)

Acinonyx Jubatus Jubatus

Livelli di eterozigosi per marcatori VNTR

Menotti-Raymond & O’Brien 1993Bottleneck datato al Pleistocene

0.4356Panthera Leo (Ngorongoro)

0.48176Panthera Leo (Serengeti)

0.46017Felis catus

0.2249A. jubatus raineyi

0.2807A. jubatus jubatus

H mediaN

Flusso genico

Migrazione di individui (dalla popolazione A alla popolazione B)Colonizzazione di habitat precedentemente non occupatiDispersione dei propaguli

Il flusso genico introduce nuovi alleli nelle sottopopolazioni e riduce le differenze fra sottopopolazioni

Flusso genico

deriva

Flusso genico e deriva hanno effetti opposti

Nota beneLa variabilità interna di una popolazione è solo uno degli

aspetti della variabilità genetica:

Variabilità tra individui della stessa popolazione

Variabilità tra individui di popolazioni diverse

Variabilità tra individui di gruppi di popolazioni diverse

eccetera

Selezione e variazione delle frequenze alleliche: melanismo

Frequenza della forma melanica (DD e Dd) in Nord America (Grant & Wiseman 2002 )

Per l’evoluzione darwiniana servono quattro cose

1. Esiste una variabilità2. Questa variabilità è, almeno in parte, ereditaria3. Nel contesto ambientale in cui si trovano,

individui con caratteristiche ereditarie diverse hanno fertilità o mortalità diverse

4. Le caratteristiche degli individui che lasciano più discendenti si diffondono nella popolazione: adattamento

Evoluzione darwiniana

1. Esiste una variabilità

Evoluzione darwiniana

2. Questa variabilità è, almeno in parte, ereditaria

Evoluzione darwiniana

3. Nel contesto ambientale in cui si trovano, individui diversi hanno fertilità o mortalità diverse

Verdi = 5/15 = 33%

Evoluzione darwiniana

3. Nel contesto ambientale in cui si trovano, individui diversi hanno fertilità o mortalità diverse

Evoluzione darwiniana

• Le caratteristiche degli individui che lasciano più discendenti si diffondono nella popolazione: adattamento

Verdi = 4/8 = 50%

Ma non dimentichiamo il caso (1)

Verdi = 0%

Ma non dimentichiamo il caso (2)

Verdi = 7%

Crescita demografica

FitnessMisura la speranza di progenie.Ha due componenti, legate a differenze in

fertilità e mortalità

1.4/2.0 =0.71.8/2.0 =0.92.0/2.0 =1.0Fitness di sopravvivenza

1.41.82.0Vita riproduttiva media

aaAaAAGenotipo

3.0/3.0=1.02.4/3.0=0.82.4/3.0 =0.8Fitness riproduttiva

3.02.42.4N medio discendenti

aaAaAAGenotipo

Fitness

0.7/0.880.72/0.8=0.90.8/0.8=1.0Fitness totale ω

0.70.720.8Prodotto

0.70.91.0Fitness sopravv.

1.00.80.8Fitness riprod.

aaAaAAGenotipo

Complessivamente:

Coefficiente di selezione: s = 1 – ω

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

Misure sperimentali della fitness in Biston betularia

Anemia falciforme

Correlazione fra la frequenza di HbS e la presenza di malaria endemica

wHb/Hb = 0.88; wHb/HbS = 1.0 wHbS/HbS = 0.14

Stima empirica dei coefficienti di selezione per HbS in Nigeria

Ma perché, dopo tutta questa selezione, non siamo diventati

perfetti?

1. L’ambiente cambia

“Stone agers in the fast lane”

“Red queen” hypothesis (John Maynard Smith)

2. Selezione sessualeIn specie sessualmente dimorfiche le

femmine scelgono il partner in base a criteri che possono promuovere o meno l’adattamento. Due ipotesi principali:

2. “Good genes”

3. “Sexy sons”

Riassunto

•Si possono predire le frequenze genotipiche in una popolazione panmittica•La deriva genetica porta le popolazioni a diventare internamente più omogenee e a differenziarsi fra loro•Il flusso genico porta le popolazioni a diventare più omogenee fra loro e a differenziarsi internamente•La selezione naturale fa aumentare le frequenze di alleli associati a maggiore fertilità o minore mortalità•L’evoluzione è il risultato dell’interazione fra questi fattori sulla variabilità generata dal processo di mutazione