LA DIVERSITA’ DEL GENOMA UMANO

Different, but not that different

• Humans are one of the least diverse organisms (excepting cheetahs)

30HIV1

5

2

0.12 - 0.17

0.08 - 0.1

Diversity (percent)

E. coli

Drosophila simulans

Chimpanzees

Humans

Species

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mtDNA mtDNA HVS IHVS I

La specie umana è la meno variabileLa specie umana è la meno variabile

Xq13.3Xq13.3

MACROEVOLUZIONE Cambiamenti evolutivi su larga scala, richiedono diverse centinaia di generazioni, è riscontrabile solo a livello paleontologico

MICROEVOLUZIONECambiamenti evolutivi su scala ridotta, si verificano nell’arco di poche generazioni e quindi può essere individuata nelle popolazioni viventi.

Variabilità: il punto di partenza per ogni analisi genetica o evoluzionistica è l’osservazione che un certo carattere, o complesso di caratteri, è variabile

COME SI DISTRIBUISCE LA VARIABILITA’ UMANA

Polimorfismi geneticiPolimorfismi genetici Marcatori geneticiMarcatori genetici antropogeneticiantropogenetici

SIGNIFICATO BIOLOGICO DEI

POLIMORFISMI GENETICI L' evoluzione biologica (cioè genetica) di una specie consiste nella variazione nel tempo delle frequenze dei suoi alleli, variazione che può risultare nella sostituzione completa di un allele iniziale da parte di un nuovo allele, che in questo caso si dice fissato.

Anche nei casi in cui in un certo sito variabile si verifica questa sostituzione completa, in cui cioè da una situazione di monomorfismo ( = esistenza di un solo allele) si va ad un'altra anch'essa di monomorfismo (ma con un allele diverso da quello che c'era prima), si passa necessariamente per una fase intermedia in cui i due alleli, quello vecchio e quello nuovo che lo sta sostituendo, coesistono entrambi a frequenze elevate, cioè si passa per una fase obbligata di polimorfismo genetico di durata più o meno lunga.

Quindi non può esistere evoluzione biologica senza PG: la fissazione di nuovi alleli costituisce il risultato di un processo evolutivo, mentre i PG sono il processo stesso colto nel corso del suo svolgimento.

VARIABILITA’ ENTRO POPOLAZIONE

Per studiare la diversità entro popolazione abbiamo bisogno della

GENETICA DI POPOLAZIONE

GENETICA DI POPOLAZIONI studio delle differenze genetiche tra organismi

• tra specie diverse –DIVERGENZA GENETICA (studi filogenetici)

• tra organismi della stessa specie – POLIMORFISMI GENETICI o marcatori genetici

La genetica di popolazione si è sviluppata per capire e spiegare le basi genetiche dell’evoluzione.

La genetica di popolazione ha sviluppato modelli teorici per spiegare il pattern di variabilità genetica osservata entro o tra popolazioni o specie.

Nelle popolazioni umane si possono avere variazioni delle frequenze geniche dovute a fattori evolutivi, quali mutazione, flusso genico, deriva e selezione

Questi fattori interagiscono tra di loro nel determinare la struttura genetica delle popolazioni

La struttura genetica delle popolazioni attuali è il risultato della loro storia evolutiva

MARCATORI GENETICIMARCATORI GENETICIselettivamenteselettivamente

neutrali neutrali non neutralinon neutralideriva flusso deriva flusso

genicogenico mutazionemutazione selezioneselezione

FATTORI EVOLUTIVIFATTORI EVOLUTIVI

Deriva genetica(isolamento)

Bio-diversitàumana

MutazioneRicombinazione

Flusso genico(migrazione)

Selezione

STRUTTURA GENETICASTRUTTURA GENETICA analisi della composizione e delle variazioni sincroniche e diacroniche delle frequenze alleliche

= Distribuzione spaziale non casuale

POPOLAZIONEPOPOLAZIONE

Condivisione di:Condivisione di:•Vicinanza geograficaVicinanza geografica•CulturaCultura•StoriaStoria•Regole sociali e valoriRegole sociali e valori

Gli accoppiamenti tra uomini sono basati sulla scelta spontanea e consapevole del coniuge. Tali accoppiamenti possono essere studiati analizzando i dati relativi ai coniugi e ai loro figli.

Può essere predetta la frequenza di questi accoppiamenti spontanei ?

L’ipotesi più semplice è che essi avvengano a caso, senza alcuna scelta preferenziale.

Se l’ipotesi è valida, si possono prevedere sia il comportamento dei geni nelle popolazioni che le frequenze dei vari genotipi.

Come si può verificare se i coniugi si scelgono in modo casuale ?L’ipotesi è ragionevole ?

Per rispondere a questi quesiti è stato necessario mettere a punto strumenti con i quali leggere la variabilità genetica ed elaborare dei modelli per spiegarne il mantenimento e i meccanismi nelle popolazioni.

LA GENETICA DI POPOLAZIONE COME UN’ESTENSIONE DELLA LA GENETICA DI POPOLAZIONE COME UN’ESTENSIONE DELLA GENETICA MENDELIANAGENETICA MENDELIANA

La genetica di popolazione è l’estensione della legge della segregazione di Mendel (1866) a livello popolazionistico

La popolazione umana mondiale è strutturata in popolazioni mendeliane (modello (modello astratto)astratto)

POPOLAZIONI MENDELIANEdette anche DEMI O SUBPOPOLAZIONI sono gruppi di individui di una stessa specie che vivono in uno area geografica sufficientemente ristretta da permettere l’incrocio con ciascun altro membro (di sesso opposto).

Le leggi di Mendel spiegano la distribuzione delle frequenze genotipiche/fenotipiche nella progenie.

Applicazione della genetica mendeliana alle popolazioni mendeliane.

Leggi dell’ereditarietà di Mendel in una popolazione: il modello del pool genico

semplificazione: singola coppia di alleli(A e a) ad un locus genico 2N= numero di copie di un gene in una popolazione di N individui popolazione mendeliana: gruppo di individui interfecondi che condividono un pool genico comune pool genico come pool gametico dal quale sono campionati gli zigoti della generazione successiva p e q frequenze degli alleli A e a le frequenze alleliche nel pool genico possono essere calcolate dal numero dei genotipi parentali frequenze alleliche sono identiche in maschi e femmine

L’equilibrio di Hardy- Weinberg (HW)Relazione tra frequenze geniche e frequenze genotipiche in una popolazione mendeliana

Assunzione: l’unione fra i genotipi è casuale.panmissia

Conseguenza: l’unione fra i gameti è casuale

Dopo una generazione di accoppiamento casuale:

Genotipo AA Aa aaFrequenza p2 2pq

q2

Accoppiamento casuale o random mating

MATING MAT. FREQ. PROGENIE

    AA Aa aa

AA x AA(p2)(p2)

p4 p4    

AA x Aa(p2)(2pq)

2p3q p3q p3q  

AA x aa(p2)(q2)

p2q2   p2q2  

Aa x AA(2pq)(p2)

2p3q p3q p3q  

Aa x Aa(2pq)(2pq)

4p2q2 p2q2 2p2q2 p2q2

Aa x aa(2pq)(q2)

2pq3   pq3 pq3

aa x AA(q2)(p2)

p2q2   p2q2  

aa x Aa(q2)(2pq)

2pq3   pq3 pq3

aa x aa(q2)(q2)

q4     q4

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

E alla fine nella progenie

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

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

Equilibrio di Hardy-Weinberg

In una popolazione panmittica (se gli accoppiamenti avvengono a caso):

•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

Cosa vuol dire equilibrioSe in una popolazione ho 80 alleli a e 120 A:

Allora p = 80/200 = 0,4, q = 0,6

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

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

F S S FS S FS F FS FS S fenotipo osservato

FF SS SS FS SS FS FF FS FS SS genotipo dedotto

F S S FS S FS F FS FS S fenotipo osservato

FF SS SS FS SS FS FF FS FS SS genotipo dedotto

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

Da cosa dipende il chi-quadro?

Χ2 = Σ (foss – fatt)2

fatt

1. Dagli scarti fra valori osservati e attesi2. Dal numero di addendi

Gradi di libertà: n-1

Valori attesi del chi-quadro

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

Genotipi con uguali probabilità di sopravvivenza

Selezione naturale

Assenza di mutazioni Mutazione

Popolazione infinitamente grande Deriva genetica

Popolazione isolata Migrazione (Flusso genico)

Accoppiamento casuale (panmixia) Non-random mating (endogamia, suddivisione)

Forze evolutiveAssunzioni

Le 5 assunzioni, considerate alla lettera, sono tutte irrealistiche, però popolazioni finite sufficientemente grandi, con rare mutazioni, rari migranti, e con accoppiamento casuale e neutralità selettiva (almeno per il carattere studiato) seguono le proporzioni alleliche previste dalla legge di Hardy-Weinberg

I fattori di deviazione dalle assunzioni sono chiamati “forze evolutive”

Le forze evolutive sono in grado di cambiare le frequenze alleliche, iniziando il processo dell’evoluzione