Genetica di popolazioni 5: Mutazione

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

1. Lamarck: L’ambiente crea variabilità (mutazione diretta)

Due ipotesi alternative

Da dove viene la variabilità genetica?

2. Darwin: La variabilità preesiste all’interazione con i fattori ambientali (mutazione spontanea)

Come provarlo? Colture del batterio Escherichia coli.

Crescita in brodo di coltura liquido

Piastramento su terreno solido

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

http://evilutionarybiologist.blogspot.com/2008/07/this-weeks-citation-classic-fluctuation.html

Mutazione diretta e spontanea hanno conseguenze diverse

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)

Luria e Delbrück (1943): Il test di fluttuazione

Joshua e Esther Lederberg (1952): Il replica-plating

Il replica-plating permette di identificare mutanti

Lederberg (1952): Il replica-plating e la resistenza al fago T2

La mutazione è spontanea, pre-adattativa

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

Classificazione delle mutazioni puntiformiin 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

Classificazione delle sostituzioni nucleotidiche

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

Effetti delle mutazioni nucleotidiche

Frameshift: Inserzioni o delezioni di 1, 2, 4, 5… nucleotidi provocano la lettura errata di tutto il tratto di DNA a valle.

Inserzioni o delezioni di 3, 6… nucleotidi hanno conseguenze più limitate sulla proteina

Liao et al. (2007) A Heterozygous Frameshift Mutation in the V1 Domain of Keratin 5 in a Family with Dowling–Degos DiseaseJournal 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

Effetti delle mutazioni nucleotidiche

Classificazione delle mutazioni cromosomiche

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)

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

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)

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)

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

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

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 differenzeTasso 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

Si possono fare ragionamenti simili (con molte precauzioni!) anche riguardo alle differenze molecolari fra aplotipi della stessa specie

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

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

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 Neµ = 0.1 e Hatt = (0.4)/(0.4 + 1) = 0.29

Nell’uomo Hoss = 0.20

Siti infiniti: ogni evento mutazionale colpisce un sito diverso

Stepwise: ogni evento mutazionale allunga o accorcia di un repeat un locus STR o VNTR

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

Associare a ciascuna definizione il termine corrispondente.

1.Sostituzione nucleotidica che genera un codone di stop2.Perdita o acquisto di un tratto di DNA3.Sostituzione nucleotidica che provoca il cambio di un codone in un altro codone per lo stesso amminoacido4.Sostituzione di una pirimidina con una purina, o viceversa5.Sostituzione nucleotidica che provoca il cambio di un codone in un codone per un altro amminoacido6.Perdita o acquisto di pochi nucleotidi, che alterano la lettura della sequenza in tutto il tratto a valle7.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

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