Più mutazioni cromosomiche sottodominanti persistono con più efficacia in una distribuzione politipica

Popolazioni molto grandi di grandezza confrontabile che differiscono per una mutazione cromosomica

Popolazioni molto grandi di grandezza confrontabile che differiscono per due mutazioni cromosomiche

mc1 = tasso critico di migrazione per una mutazione cromosomica

mc2 = tasso critico di migrazione per due mutazioni cromosomiche

A parità di valori di s mcn>mcn-1>…>mc2>mc1

m<mc1< mc2

mc1<m< mc2

mcmax = 1/4 per popolazioni di pari grandezza mcmax = 1/9 per popolazioni di grandezza diversa

Popolazione monomorfa per 2 cromosomi mutati

Popolazione monomorfa per 2 cromosomi standard

Cromosomi omologhi

Cromosomi omologhi

L’espansione di mutazioni cromosomiche sottodominanti in metapopolazioni

L’espansione casuale del cromosoma mutato può avvenire con processi di estinzione-ricolonizzazione dei demi (in rosso)

La metapopolazione in cui i demi monomorfi per il cromosoma mutato (rossi) sono fra loro adiacenti presentano meno flussi migratori (arancio) che possono destabilizzare i demi…

Per questo si realizza la tendenziale coalescenza degli areali occupati dai demi monomorfi per il cromosoma mutato.

… rispetto a quelle in cui questi demi sono dispersi perché sono meno numerosi, quindi sono più stabili di queste ultime.

Accumulo di più mutazioni cromosomiche sottodominanti

Metapopolazioni monomorfe per un cromosoma presente solo nella sua forma standard (azzurro) ma politipiche per un altro cromosoma, con alcuni demi monomorfi per la forma standard (verde), altri per la forma mutata (arancio).

Nella metapopolazione a sinistra un deme monomorfo per il cromosoma standard verde diviene monomorfo per il cromosoma mutato rosso.

mc1 = tasso critico di migrazione per una mutazione cromosomica

mc2 = tasso critico di migrazione per due mutazioni cromosomiche

Nella metapopolazione a destra un deme monomorfo per il cromosoma mutato arancio diviene monomorfo per il cromosoma mutato rosso.

Questa metapopolazione diventa più stabile quando tutti i demi sono monomorfi per il cromosoma mutato rosso e il cromosoma standard verde o per il cromosoma mutato arancio e il cromosoma standard azzurro

Questa metapopolazione diventa più stabile quando tutti i demi sono monomorfi per il cromosoma mutato rosso e il cromosoma mutato arancio o per il cromosoma standard verde e il cromosoma standard azzurro

In entrambi i casi l’aumento di stabilità è dovuto all’aumento del tasso critico di migrazione, legato al fatto che due mutazioni cromosomiche invece di una si affacciano sugli stessi confini tra i demi; questo spiega il tendenziale accumulo di diverse varianti cromosomiche negli stessi demi, come succede in popolazioni di Mus musculus domesticus.

Le mutazioni cromosomiche sottodominanti sono fattori di isolamento riproduttivo

m*/m= R(1-s)/(s+R(1-s)), in cui R = frequenza di ricombinazione fra il gene con alleli neutrali e il sito della mutazione cromosomica; se R=0,5 (geni non associati alla mutazione cromosomica), m*/m= (1-s)/(1+s).

Riduzione del flusso genico di un gene A con 2 alleli neutrali A1 e A2 (WA1A1=WA1A2=WA2A2) a causa di una mutazione cromosomica sottodominante.

Popolazione monomorfa per l’allele A1

Popolazione monomorfa per l’allele A2

Entrambe le popolazioni sono monomorfe per il cromosoma standard.

Una popolazione è monomorfa per il cromosoma standard, l’altra per il cromosoma mutato.

Le mutazioni cromosomiche sottodominanti non bloccano ma riducono il flusso genico di tutti i geni.

Per tassi di migrazione molto bassi (m<< mc), la presenza di una mutazione cromosomica sottodominante in una delle due popolazioni riduce fra di esse il flusso genico di un gene neutrale come se ci fosse un tasso di migrazione più basso (m*) in assenza della mutazione cromosomica .

m

m

m*

Le inversioni sopprimono la ricombinazione intracromosomica, le traslocazioni e le fusioni centriche

riducono la ricombinazione intercromosomica

INVERSIONI TRASLOCAZIONIRegione coinvolta nell’inversione

Cromatidi bilanciati, vitali senza crossing over nella regione invertita

Cromatidi instabili, non vitali con crossing over nella regione invertita

paracentriche

A C B D

a b c d

A C b a

D B c d

A C b D

a B c d

A C B a

D b c d

pericentriche

Cromatidi bilanciati, non vitali senza crossing over nella regione invertita

Cromatidi sbilanciati, vitali con crossing over nella regione invertita

Sono trasmessi alla progenie vitale solo i cromatidi che non hanno subito la ricombinazione entro la regione invertita

E F G M N

I L H e f g h

i l m n

Cromosomi non omologhi coinvolti nella traslocazione

Segregazione alternata, che produce cromosomi bilanciati, vitali con le combinazioni parentali dei cromosomi e dei geni

I L H

e f g hE F G M N

i l m n

Segregazione adiacente, che produce cromosomi sbilanciati, non vitali con le combinazioni ricombinanti dei cromosomi e dei geni

E F G M n

I L H e f g h

i l m N

Segregazione alternata con ricombinazione dei geni distali al sito della traslocazione o, sull’altro braccio, al centromero.

Sono trasmessi alla progenie vitale solo le combinazioni parentali dei cromosomi e degli alleli, con possibile ricombinazione dei geni distali

Le inversioni: selezione senza ricombinazione

A c B1 d

A B2 C d

L’allele neutrale B1 subisce la

stessa variazione di frequenza ad

ogni generazione dell’allele c, fino all’eliminazione: p= -sp2q/W’

Gli alleli B1 e B2 del gene B sono neutrali

L’allele recessivo c del gene C è svantaggiato rispetto all’allele dominante C

Regione invertita

Le uniche combinazioni possibili di alleli per i geni B e C sono c-B1 e B2-C (le combinazioni ricombinanti non sono vitali)

Nella popolazione sono presenti solo 2 combinazioni degli alleli entro l’inversione:

Le inversioni: alleli coadattati e supergeni

a1-b1-… -y1-z1

Regione coinvolta nell’inversione

z2-y2-… -b2-a2

Nella regione coinvolta nell’inversione si trovano due alleli (indicate con i numeri 1 e 2) per ogni gene di una serie (da “a” a “z”)

indichiamo con W’1=W’a1-b1-….y1-z1 e con W’2=W’a2-b2-….y2-z2

Le 2 serie di alleli possono essere rotte per ricombinazione solo dal crossing over doppio, molto raro: pertanto, dal punto di vista della segregazione e della selezione, si comportano come un solo gene (supergene).

indichiamo con W’11=W’a1a1-b1b1-….y1y1-z1 z1,

con W’22=W’a2a2-b2b2-….y2y2-z2z2

e con W’12=W’a1a2-b1b2-….y1y2-z1z2

Le fitness delle combinazioni degli alleli dei supergeni si combinano in modo moltiplicativo con quella dei cromosomi che li portano:

St

InvW’11StSt=W’11xW’StSt

W’22InvInv=W’22xW’InvInv

W’12StInv=W’12xW’StInv

n2-m2

m1-n1

Se le inversioni sono piccole, non avvengono l’appaiamento e il crossing over; quindi non si realizza la riduzione di fecondità degli eterozigoti.

In questo caso le inversioni diventano intrinsecamente neutrali e la fitness dei cromosomi è dovuta interamente a quella dei supergeni in essi presenti:

W’11StSt=W’11; W’22InvInv=W’22; W’12StInv=W’12

a1-b1-…-m1-n1-… -y1-z1

z2-y2-…-m2-n2… -b2-a2

St

Inv

Si trovano in natura inversioni multiple, che rendono complesso l’appaiamento e sbilanciati anche i prodotti del doppio crossing over; quindi le 2 serie di alleli non possono essere mai separate per ricombinazione.

Effetti del crossing over nella regione compresa fra il centromero e il sito della traslocazione

E E

cb

cb

CB

A

E D

cb

d

CB

A

cb

d

ea

ea

E D

Segregazione adiacente

Segregazione alternata

a e D E

A B C D E

a e D b c

A B C D b cA B C d E

a e d E

A B C d b c

a e d b c

Gamete sbilanciato

Gamete sbilanciato

Gamete sbilanciato

Gamete sbilanciato

Gamete bilanciato

Gamete bilanciato Gamete bilanciato

Gamete bilanciato

1) Metà dei gameti prodotti, sia della segregazione adiacente che di quella alternata, sono bilanciati

2) I gameti bilanciati prodotti dalla segregazione adiacente hanno ricombinazione intercromosomica per i geni adiacenti al centromero

3) I gameti bilanciati prodotti dalla segregazione alternata non hanno ricombinazione intercromosomica per i geni adiacenti al centromero

Nelle fusioni/fissioni centriche e nelle traslocazioni che coinvolgono il centromero, il centromero coincide con il sito della traslocazione, quindi non c’è ricombinazione intercromosomica per i geni adiacenti al centromero.

La distribuzione delle mutazioni cromosomiche sottodominanti legata alla fitness dei supergeni

W’11StSt> W’22InvInv in ambiente 1

W’11StSt< W’22InvInv in ambiente 2

Se, come ci si aspetta, l’inversione è sottodominante, la combinazione moltiplicativa delle fitness porta al vantaggio di un omozigote rispetto all’altro in un ambiente e lo svantaggio in un altro ambiente.

In caso di eterogeneità ambientale, su grande o piccola scala, le combinazioni degli alleli dei supergeni presenti nel cromosoma invertito possono conferire in omozigosi un vantaggio selettivo rispetto alle combinazioni presenti nel cromosoma standard in una matrice ambientale e uno svantaggio in un’altra.

La distribuzione dei demi monomorfi per il cromosoma invertito tende a coincidere con l’estensione dell’ambiente in cui è avvantaggiata la propria combinazione di alleli; la sottodominanza stabilizza ulteriormente questa distribuzione.

W’11> W’22 in ambiente 1; W’11< W’22 in ambiente 2

W’11StSt> W’12StInv in ambiente 2

W’11StSt> W’12StInv in ambiente 1

W’11StSt< W’12StInv in ambiente 2

W’11StSt> W’12StInv in ambiente 1 Selezione direzionale. Selezione diversificatrice.

Ambiente 1

Ambiente 2

Deme monomorfo per il cromosoma standard e per la combinazione 1 degli alleli

Deme monomorfo per il cromosoma invertito e per la combinazione 2 degli alleli

Migrazione

Se la fitness complessiva del’omozigote per il cromosoma invertito è maggiore o uguale a quella dell’eterozigote, nell’ambiente vantaggioso, si ricade nella selezione direzionale; se è minore, si rimane nella selezione diversificatrice.

Il ruolo delle mutazioni cromosomiche sottodominanti nell’anagenesi, nella cladogenesi, nella speciazione

Le mutazioni cromosomiche sottodominanti agiscono come fattori di isolamento riproduttivo post zigotico; per tassi ridotti di migrazione il loro flusso genico è bloccato e il flusso genico per tutti i geni è ridotto, in particolare per i geni associati a tali mutazioni.

Le mutazioni cromosomiche sottodominanti tendono a occupare areali compatti; più mutazioni cromosomiche tendono a fare coincidere i propri areali; questi fattori rafforzano la loro capacità di agire come fattori di isolamento riproduttivo.

Quindi, non ostante le difficoltà e le particolari condizioni che ne aiutano la fissazione (p. es loro origine in demi piccoli e isolati) svolgono un ruolo importante nella cladogenesi.

Le mutazioni cromosomiche sottodominanti riducono o impediscono la ricombinazione dei geni ad esse associati; questo favorisce la formazione di combinazioni di alleli coadattati per questi geni.

Le mutazioni cromosomiche sottodominanti tendono ad occupare areali coincidenti con la presenza di ambienti cui le proprie combinazioni di alleli sono più adatte di quelle dei cromosomi standard.

Quindi svolgono un ruolo importante sia nella cladogenesi che nell’anagenesi.

È documentato il loro ruolo nella divergenza evolutivasia tra popolazione della stessa specie che fra specie affini; dunque svolgono un ruolo attivo nella speciazione.

Il ruolo delle duplicazioni nell’anagenesi: l’origine di nuovi geni

L M N

L M M N

Duplicazione (“neutrale”)

Regione duplicataM

L M M’ N

L M m2 N

L M m1 NL M O N

Mutazioni geniche

’

Diverse mutazioni geniche

M’: allele funzionale di M

m1, m2: alleli non funzionali di M

O: nuovo gene

Sostanza 1

Sostanza 1

Sostanza 2

Sostanza 2

Sostanza 4Sostanza 3

’: prodotti del gene M

: prodotto del gene O

L’individuo con il nuovo gene O è avvantaggiato

Esempi di mutazioni cromosomiche sottodominanti che marcano la macroevoluzione dei primati

Su una scala più ampia, tra il gibbone e l’uomo c’è una differenza cariotipica riconducibile a 21 diverse traslocazioni reciproche intervenute dopo la divergenza evolutiva.

Il cromosoma 2 umano deriva dalla fusione centrica di 2 cromosomi acrocentrici intervenuta dopo la divergenza dalle specie viventi più vicine (scimpanzè e bonobo).

Cromosomi non omologhi acrocentrici ancestrali conservati in tutte le catarrine

Fissione centrica +spostamento del centromero

Cromosoma 2 umano

Cromosoma metacrocentrico ancestrale

Fusione centrica

I cromosomi 14 e 15 umani, comuni alle altre scimmie antropomorfe derivano dalla fissione centrica di un cromosoma metacrocentrico accompagnato da uno “spostamento” del centromero intervenuta dopo la divergenza dalle altre catarrine.

Cromosomi 14 e 15 umani, comuni alle altre scimmie antropomorfe

La presenza di questi riordinamenti cromosomici testimoniano dell’occorrenza deelle condizioni particolari compatibili con la fissazione e l’espansione di mutazioni cromosomiche sottodominanti durante le diverse fasi della divergenza evolutiva, sulle quali è verosimile che tali mutazioni abbiano esercitato un ruolo propulsivo.