Genetica di popolazioni 6:Deriva genetica

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

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

Se gli individui portano alleli differenti: fissazione degli alleli

Esperimento di Buri (1956)

bw bw = occhi bianchibw75 bw = occhi aranciobw75 bw75 = occhi marrone

109 popolazioni8 maschi, 8 femmine

Inizialmente, tutti eterozigotibw75 bw

Esperimento di Buri (1956)

Anche l’eterozigosi si riduceattraverso le generazioni

Buri P. (1956) Gene frequency in small populations of mutant Drosophila. Evolution 10:367-402

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 derivagenetica in popolazionidiploidi di 9 e 50 individui

Simulazione di deriva genetica in popolazioni diploidi di10000 e 4 individui

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

Tre simulazioni dideriva genetica in popolazione diploide di50 individui

La frequenza allelica iniziale influenza il probabile esito finale

La frequenza allelica iniziale influenza il probabile esito finale

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?

Vediamo se ci siamo capiti

Alla luce delle simulazioni qui riportate, quale di queste affermazioni è sbagliata?

a. La deriva tende a far fissare o a far perdere gli alleli;

b. La deriva ha effetti solo in popolazioni molto piccole;

c. La deriva agisce indipendentemente nelle diverse popolazioni;

d. La deriva produce indifferentemente fluttuazioni verso l’alto o verso il basso delle frequenze alleliche.

Perché è importante la derivagenetica?

• Importanza evolutiva: cambiamento non adattativo, specie in piccole popolazioni

• Importanza per la conservazione: perdita di diversitàgenetica, specie in piccole popolazioni

• Importanza biomedica: alleli patologici altrove raripossono essere comuni in piccole popolazioni

La deriva in teoria

La deriva in teoria (modello di Wright-Fisher)

• Ci sono molte sottopopolazioni isolate, ciascuna di dimensionicostanti, N, di cui ½ maschi e ½ femmine

• L’accoppiamento è casuale

• Ogni individuo ha la stessa probabilità di trasmettere I suoi geni allagenerazione successiva

• Le generazioni non si sovrappongono

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

La deriva in teoria

P4,6 = x (0.6)4 x (0.4)6104

P (4 blu) P (6 rossi)

= 210 * 0.004096 * 0.1296 == 210 * 0.0053 = 0.111

Distribuzione delle frequenze alleliche secondo Wright e Fisher

La probabilità si fissi ciascun allele è pari alla loro frequenza; quindiprobabilità che un nuovo allele arrivi a fissarsi = 1/2N

Colli di bottiglia

Colli di bottiglia e alleli rari

Effetto del fondatore

Gli effetti di fondatore generano linkage disequilibrium

D’ = 0 D’ = 1, LD completo

Effetti del fondatore nell’evoluzione

umana

Effetti del fondatore nell’evoluzione umana

Effetti del fondatore nell’evoluzione umana

Effetti della deriva

Corea di Huntigton nella regionedi Maracaibo: Effetto del fondatore (Maria Concepcion Soto)

Gruppi sanguigni in amerindiCollo di bottiglia

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% -----

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

Livelli di eterozigosi per marcatori VNTR

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

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

I livelli di eterozigosi osservati per il ghepardo a livello di allozimisottostimano la variabilità genetica presente nella specie

Però i problemi restano: nei leoni di Gir soprattutto

NB: i valori di eterozigosi differiscono da quelli visti in precedenza (0.224; 0.280) perché qui sono calcolati come media di 3 studi

E forse sappiamo anche perché

Mentre i ghepardi sembra che se la passino meglio

Meccanismi di speciazione

Deriva genetica e speciazione

La probabilità che una nuova specie sia polimorfica dipende dalle frequenzealleliche nella popolazione fondatrice e dal numero di fondatori (non imparentati)

Dimensioni effettive: Ne

• Ne è il numero di individui per il quale ci si attende un effetto delladeriva pari a quello osservato

• Problema: Si può misurare Ne per la generazione in corso o per alcunegenerazioni, 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

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

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:

Cosa succede quando

Il rapporto-sessi non è 1 femmina : 1 maschio?

Un esempio: I babbuini di San Antonio

300 30 = 330

Ne = (4 x 30 x 300) / (30 + 300) = 109

Sintesi• La deriva genetica riduce la diversità entro popolazioni e aumenta

quella fra popolazioni

• La deriva genetica dipende dalla variazione casuale del successoriproduttivo, 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 allafissazione 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 effettivadella popolaione, Ne

• Fluttuazioni delle dimensioni della popolazione, o rapporti-sessisbilanciati, abbassano sensibilmente il valore medio di Ne