Cap. 22 Genetica di popolazioni, pp.
661-713
Sintesi 22
1. Una popolazione è caratterizzata dalle frequenze dei
diversi genotipi e dei diversi alleli al suo interno
2. Una popolazione si dice panmittica o in equilibrio
quando le sue frequenze genotipiche possono essere
predette sulla base delle frequenze alleliche, e le
frequenze alleliche non cambiano attraverso le
generazioni
3. I fattori che provocano scostamento dall’equilibrio
comprendono unione non casuale dei gameti,
mutazione, selezione, migrazione e gli effetti del caso
4. Popolazioni in equilibrio non si evolvono. I fattori che
provocano scostamento dall’equilibrio sono i fattori
dell’evoluzione
Individui, popolazioni
Gli individui hanno i loro alleli e genotipi, le popolazioni le
loro frequenze alleliche e genotipiche
Ogni individuo è come è, le frequenze alleliche cambiano nel
tempo e questa è l’evoluzione: genetica evoluzionistica
Gli individui si ammalano e guariscono, le popolazioni sono
caratterizzate da frequenze di alleli patologici:
epidemiologia genetica
Gli individui nascono e muoiono, le popolazioni hanno
dimensioni fluttuanti e possono estinguersi: genetica della
conservazione
Prima di tutto: non c’è genetica
senza variabilità
E la variabilità è prodotta dal processo di mutazione
La genetica di popolazioni studia i
polimorfismi
Polimorfismi morfologici
Polimorfismi elettroforesici
Polimorfismi di restrizione (RFLP)
Polimorfismi di lunghezza
Polimorfismi di sequenza
Polimorfismi di comportamento
Quand’è che una popolazione
può dirsi variabile?
A
N alleli = 5
HO = 0.4
B
N alleli = 2
HO = 0.6
Quando il genotipo individuale è difficile da prevedere
Elettroforesi
L’elettroforesi separa macromolecole in relazione alla loro
carica o alle loro dimensioni
Frequenze alleliche
F
S
S FS
S
FF SS
SS FS
SS
FS F FS FS S fenotipo osservato
FS
Freq. genotipiche: FF=0,2
FF FS
FS=0,4
Freq. alleliche: f(F)=p, f(S)=q
p = (NF + ½ NH) / NT
p = (2 + 2)/10 = 0,4
q = (4 + 2)/10 = 0,6
FS SS
genotipo dedotto
SS=0,4
p+q=1
= (2NF + NH)/2NT
p= (4 + 4)/20 = 0,4
q = (8 + 4)/20 = 0,6
p+q = 0,4 + 0,6 = 1
Che relazione lega frequenze alleliche e
genotipiche?
Generazione 0:
N(AA) = d
N(Aa) = h
N(aa) = r
Totale = T
F(A) = (NF + ½ NH) / NT = (d + ½ h) / T = p
Assunzione: l’unione fra i
genotipi è casuale.
Panmissia
Conseguenza: l’unione fra
i gameti è casuale
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
Frequenze alleliche alla generazione 1:
F(A) = (NF + ½ NH) / NT = (p + ½ 2 pq) / 1 = p
2. Se l’unione dei gameti è casuale, le frequenze alleliche
non cambiano attraverso le generazioni:
Equilibrio di Hardy-Weinberg
Accoppiamento casuale o random mating
MATING
AA x AA
(p2)(p2)
AA x Aa
(p2)(2pq)
AA x aa
(p2)(q2)
Aa x AA
(2pq)(p2)
Aa x Aa
(2pq)(2pq)
Aa x aa
(2pq)(q2)
aa x AA
(q2)(p2)
aa x Aa
(q2)(2pq)
aa x aa
(q2)(q2)
MAT. FREQ.
PROGENIE
Aa
p4
AA
p4
2p3q
p3q
p3q
p2q2
aa
p2q2
2p3q
p3q
p3q
4p2q2
p2q2
2p2q2
p2q2
2pq3
pq3
pq3
p2q2
p2q2
2pq3
pq3
q4
pq3
q4
E alla fine nella progenie
f(AA) = p4 + 2p3q + p2q2= p2 (p2+ 2pq +q2) = p2
f(Aa) = 2p3q + 4p2q2 + 2pq3 = 2pq (p2 + 2pq +q2) = 2pq
f(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
Dopo la prima generazione di panmissia
p, q
p2, 2pq, q2
Quindi, in una popolazione panmittica:
•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
L’equilibrio di
Hardy-Weinberg
Dopo una generazione di
accoppiamento casuale:
Genotipo AA Aa aa
Frequenza p2 2pq q2
Cosa vuol dire equilibrio
Se in una popolazione ho 80 alleli a e 120 A:
Allora p = 80/200 = 0,4, q = 0,6  0,16, 0,48, 0,36
Possibili distribuzioni dei genotipi:
AA
Aa
aa
40
35
20
16
10
0
0
10
40
48
60
80
60
55
40
36
30
20
p
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
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
Studio di polimorfismi di inserzione al locus PLAT
Frequenze genotipiche ed alleliche:
Inserzioni al locus PLAT in 27 popolazioni umane
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
Esperimento di Buri (1956)
109 popolazioni
8 maschi, 8 femmine
Inizialmente, tutti eterozigoti bw+ bw
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 deriva genetica in popolazioni
diploidi di 10000 e 4 individui
La deriva riduce la variabilità entro
popolazioni e aumenta quella fra popolazioni
Perché è importante la deriva
genetica?
• Importanza evolutiva: cambiamento non
adattativo, specie in piccole popolazioni
• Importanza per la conservazione:
perdita di diversità genetica, specie in
piccole popolazioni
• Importanza biomedica: alleli patologici
altrove rari possono essere comuni in
piccole popolazioni
Colli di bottiglia
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
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
Menotti-Raymond & O’Brien 1993
Bottleneck datato al Pleistocene
Flusso genico
Migrazione di individui (dalla popolazione A alla
popolazione B)
Colonizzazione di habitat precedentemente non
occupati
Dispersione dei propaguli
Flusso genico e deriva hanno effetti opposti
Il flusso genico introduce nuovi alleli nelle sottopopolazioni
e riduce le differenze fra sottopopolazioni
Flusso genico
deriva
Nota bene
La variabilità interna di una popolazione è solo uno degli
aspetti della variabilità genetica:
Variabilità tra individui della stessa popolazione
Variabilità tra individui di popolazioni diverse
Variabilità tra individui di gruppi di popolazioni diverse
eccetera
Selezione e variazione delle frequenze
alleliche: melanismo
Frequenza della forma melanica (DD e Dd)
in Nord America (Grant & Wiseman 2002 )
Per l’evoluzione darwiniana
servono quattro cose
1. Esiste una variabilità
2. Questa variabilità è, almeno in parte, ereditaria
3. Nel contesto ambientale in cui si trovano,
individui con caratteristiche ereditarie diverse
hanno fertilità o mortalità diverse
4. Le caratteristiche degli individui che lasciano
più discendenti si diffondono nella
popolazione: adattamento
Evoluzione darwiniana
1. Esiste una variabilità
Evoluzione darwiniana
2. Questa variabilità è, almeno in parte, ereditaria
Evoluzione darwiniana
3. Nel contesto ambientale in cui si
trovano, individui diversi hanno
fertilità o mortalità diverse
Verdi = 5/15 = 33%
Evoluzione darwiniana
3. Nel contesto ambientale in cui si
trovano, individui diversi hanno
fertilità o mortalità diverse
Evoluzione darwiniana
4. Le caratteristiche degli individui
che lasciano più discendenti si
diffondono nella popolazione:
adattamento
Verdi = 4/8 = 50%
Ma non dimentichiamo il caso (1)
Verdi = 0%
Ma non dimentichiamo il caso (2)
Crescita demografica
Verdi = 7%
Fitness
Misura la speranza di progenie.
Ha due componenti, legate a differenze in
fertilità e mortalità
Genotipo
AA
Aa
aa
N medio discendenti
2.4
2.4
3.0
Fitness riproduttiva
2.4/3.0 =0.8
2.4/3.0=0.8
3.0/3.0=1.0
Genotipo
AA
Aa
aa
Vita riproduttiva media
2.0
1.8
1.4
1.8/2.0 =0.9
1.4/2.0 =0.7
Fitness di sopravvivenza 2.0/2.0 =1.0
Fitness
Complessivamente:
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
Coefficiente di selezione: s = 1 – ω
Misure sperimentali della fitness in Biston betularia
Birmingham
Dorset
Genotipo
DD + Dd
dd
DD + Dd
dd
Rilasciate
154
64
406
393
Ricatturate
82
16
19
54
0.53
0.25
0.047
0.137
1
0.47
0.343
1
Sopravvivenza
ω
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
Ma perché, dopo tutta questa
selezione, non siamo diventati
perfetti?
1. L’ambiente cambia
“Stone agers in the fast lane”
“Red queen” hypothesis (John
Maynard Smith)
2. Selezione sessuale
In 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”
Riassunto
•Si possono predire le frequenze genotipiche in una
popolazione panmittica
•La deriva genetica porta le popolazioni a diventare
internamente più omogenee e a differenziarsi fra loro
•Il flusso genico porta le popolazioni a diventare più
omogenee fra loro e a differenziarsi internamente
•La selezione naturale fa aumentare le frequenze di alleli
associati a maggiore fertilità o minore mortalità
•L’evoluzione è il risultato dell’interazione fra questi fattori
sulla variabilità generata dal processo di mutazione