Genetica di popolazioni 8: Selezione

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

Media: 202

Media: 385

Quattro condizioni della selezione darwiniana

1. Variabilità

2. Eredità

3. Diversa speranza di progenie

4. Adattamento

Selezione su caratteri quantitativi:le forme che hanno fitness più alta diventano più comuni

speciazione?

Selezione e variazione delle frequenze alleliche: melanismo

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

1. Variabilità

Fr = 3/8, H = 21/32

2. Eredità

3. Diversa speranza di progenie

3. Diversa speranza di progenie

4. Adattamento

Fr = 5/8 (3/8), H = 17/32 (21/32)

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

fertilità e mortalità

Genotipo AA Aa aa

Vita riproduttiva media 2.0 1.8 1.4Fitness di sopravvivenza 2.0/2.0 =1.0 1.8/2.0 =0.9 1.4/2.0 =0.7

Genotipo AA Aa aa

N medio discendenti 2.4 2.4 3.0Fitness riproduttiva 2.4/3.0 =0.8 2.4/3.0=0.8 3.0/3.0=1.0

Fitness

Genotipo AA Aa aa

Fitness riprod. 0.8 0.8 1.0

Fitness sopravv. 1.0 0.9 0.7

Prodotto 0.8 0.72 0.7

Fitness totale ω 0.8/0.8=1.0 0.72/0.8=0.9 0.7/0.88

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

1. Selezione contro il recessivo: Δq<0, Δq=0 per q=0

Δq = - (spq2) / (1-sq2)

2. Selezione contro il dominante: Δp<0, Δp=0 per p=0

3. Vantaggio dell’eterozigote: Δp< o >0, Δp=0 per sp=tq

qeq=s/(s+t) peq=t/(s+t)

Vantaggio dell’eterozigote: equilibrio stabile

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

4. Svantaggio dell’eterozigote: Δp<0 o >0, Δp=0 per p=q=0.5

Svantaggio dell’eterozigote: equilibrio instabile

Effetti della selezione: Un’equazione generale

Genotype         AA                  AB                BB         Total ______________________________________________________

(1) Frequency p2 + 2pq + q2 = 1before selection

(2) Fitness W0                  W1                 W2

(3) Relative p2W0 + 2pqW1 + q2W2 = Contribution

(4) Frequency p2W0/ + 2pqW1/ + q2W2/ = / = 1after selection

Effetti della selezione: Riassunto

Contro il recessivo Δq<0 Perdita dell’allele

Contro il dominante Δp<0 Perdita dell’allele

A vantaggio dell’eterozigote

Δp< o > 0 Equilibrio

A svantaggio dell’eterozigote

Δp< o > 0 Fissazione dell’allele più frequente

Dipendente dalla frequenza

Δp< o > 0 Equilibrio

Equilibrio selezione-mutazione al locus DMD

portatrici affetti

Gen. P0 A B

Gen P1

trasmissione

A/2 A/2

Gen P1

mutazione

2μ μ

Equilibrio: A = A/2 + 2μ, B = A/2 + μ A = 4μ B = 3μCon μ=10-4, E( aff) = 1/3333In Veneto, aff=33.2 x 10-5 ≈ 1/3000

Teorema fondamentale della selezione naturale (Fisher 1930)

“Il tasso di incremento della fitness in una popolazione in qualunque momento è pari alla varianza genetica della sua fitness in quel momento”

N di individui in due colture come stima della fitness

Test di selezione: TajimaIn assenza di ricombinazione, se un locus si è evoluto in condizioni di

neutralità, due statistiche (numero di siti polimorfici; mismatch medio) sono entrambi funzione di 4Nμ.

Se S è il numero di siti polimorfici, e K il mismatch medio

S/ a1 = K, e d = K – (S/ a1)

La statistica di Tajima è D = d / Var(d)

Il test di Tajima calcola la differenza, D, fra due stime di 4Nμ (basate rispettivamente su numero di siti polimorfici e mismatch medio) e la confronta con una distribuzione casuale.

In una popolazione all’equilibrio fra deriva e mutazioneE(π) = a1 4Nμ E(k) = 4Nμ

Test di selezione: Tajima

D>0Eccesso di mismatch:selezione stabilizzante

D<0Eccesso di siti polimorfici:selezione diversificante

Un esempio.DNA di 5 individui

Position 12345 67890 12345 67890Person Y 00000 00000 00000 00000Person A 00100 00000 00100 00010Person B 00000 00000 00100 00010Person C 00000 01000 00000 00010Person D 00000 01000 00100 00010

You vs APerson Y 00000 00000 00000 00000Person A 00100 00000 00100 000103 polymorphismsYou vs BPerson Y 00000 00000 00000 00000Person B 00000 00000 00100 000102 polymorphismsYou vs CPerson Y 00000 00000 00000 00000Person C 00000 01000 00000 000102 polymorphisms

And so on, for 10 comparisons

The average number of pairwise differences is

And the number of polymorphic sites is 4:

Position 12345 67890 12345 67890Person Y 00000 00000 00000 00000Person A 00100 00000 00100 00010Person B 00000 00000 00100 00010Person C 00000 01000 00000 00010Person D 00000 01000 00100 00010

d = 2 − 4 = − 2

Test di equilibrio deriva - mutazione

Expanding population Stationary population

Un problema col test di Tajimapast

present

Nucleotide substitutions in thechromosomes of different

individuals

Only a few are shared Many are shared

Unimodal MultimodalPeak age of expansion Many peaks◄►Tajima’s D < 0 Tajima D >0(= diverisfying selection) (= stabilizing selection)

Distributions of pairwise sequence differences, or mismatch distributions

Link utili per fare esercizio

http://darwin.eeb.uconn.edu/simulations/simulations.html

http://cc.oulu.fi/~jaspi/popgen/popgen.htm

Ma perché, dopo tutta questa selezione, non siamo diventati perfetti?

1. L’ambiente cambia

“Stone agers in the fast lane”

“Red queen” hypothesis (Leigh Van Valen, John Maynard Smith)

"Well, in our country," said Alice, still panting a little, "you'd generally get to somewhere else—if you ran very fast for a long time, as we've been doing.“"A slow sort of country!" said the Queen. "Now, here, you see, it takes all the running you can do, to keep in the same place. If you want to get somewhere else, you must run at least twice as fast as that!"

L’alce irlandese

E un possibile motivo della sua estinzione

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:

1. “Good genes”

2. “Sexy sons”

Malte Andersson (1982)

Nell’uccello vedova Euplectes jacksoni, la scelta della femmina dipende dalla lunghezza della coda del maschio (sexy sons)

La colorazione di molti pesci e uccelli risente della presenza di parassiti e quindi segnala alla femmina lo stato di salute del maschio (good genes)

Bill Hamilton

http://pandasthumb.org/archives/2009/03/population-gene.html

Programmi online di simulazione: una popolazione

http://www.radford.edu/~rsheehy/Gen_flash/popgen/

Programmi online di simulazione: più popolazioni

Programmi online di simulazione: più popolazioni

http://www.cbs.umn.edu/populus/

Sintesi • La selezione naturale dipende dal diverso successo riproduttivo

(fitness) dei diversi genotipi• Il cambiamento delle frequenze alleliche sotto selezione dipende dalla

fitness dei diversi genotipi • La selezione naturale tende generalmente a ridurre la diversità entro

popolazioni; l’eterosi e la selezione dipendente dalla frequenza possono mantenere un polimorfismo

• La fitness media di una popolazione tende ad aumentare indefinitamente

• Il risultato finale non è però un adattamento perfetto, perché l’ambiente non è costante e perché meccanismi di selezione sessuale possono agire in senso diverso

• Il test di Tajima permette di confrontare con dati relativi a tratti di genoma non soggetti a ricombinazioni le attese di un modello neutrale, in cui agiscono solo mutazione e deriva