INDICI DI VARIABILITÀ GENETICA

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1 INDICI DI VARIABILITÀ GENETICA Questo documento è pubblicato sotto licenza Creative Commons Attribuzione Non commerciale Condividi allo stesso modo

2 Proporzione di loci polimorfici All'inizio dell'era della genetica molecolare, quando furono scoperti gli allozimi, fu subito chiaro che era possibile trovare, in una specie non precedentemente studiata, sia loci polimorfici che loci monomorfici Un parametro descrittivo semplice e intuitivo di misura della variabilità genetica presente in una popolazione fu quindi identificato nella proporzione di loci polimorfici Però è ovvio che tale parametro dipende dal criterio con cui si definisce un locus come polimorfico Due criteri convenzionali spesso usati implicano la frequenza dell allele più comune <0,99 o <0,95 Usando la proporzione di loci polimorfici è possibile confrontare il livello di variabilità genetica riscontrato in più popolazioni

3 Uno studio sull'ape domestica Ad esempio, in uno studio sull'ape domestica sono stati tipizzati 12 loci enzimatici (10 enzimi diversi) in cinque popolazioni (4 greche e 1 cipriota).

4 Allozimi I 10 loci studiati rappresentano un classico nelle analisi di genetica delle popolazioni. Si tratta dei cosiddetti allozimi, che furono introdotti a metà degli anni 60 e appartengono alla classe dei loci studiati mediante l elettroforesi delle proteine La particolarità di queste proteine è che si tratta di enzimi, dei quali quindi si può utilizzare la specificità di substrato per catalizzare reazioni di colorazione specifiche, dopo che le molecole hanno migrato in un gel sottoposto ad un campo elettrico Nel corso del tempo sono state messe a punto una quarantina di reazioni specifiche di altrettanti enzimi

5 Allozimi studiati per polimorfismi genetici

6 Circa 1/3 dei loci sono polimorfici La proporzione dei loci polimorfici usando il criterio del 95% mostra che per 4 delle 6 popolazioni un terzo (4 loci su 12), vengono classificati come polimorfici, mentre una popolazione (Kasos) ha un solo locus polimorfico e l ultima ha 5 loci polimorfici.

7 Conseguenze di diversi criteri Se però si utilizza il criterio del 99%, i dati si modificano (gli autori riportano in dettaglio le frequenze alleliche di tutti i sitemi, per cui è possibile effettuare il calcolo): per esempio la popolazione di Kasos risulterebbe avere 4 loci polimorfici anzichè 1. Ciò mostra che se si utilizzano criteri diversi per la definizione di locus polimorfico si può cambiare l'ordine delle popolazioni rispetto a questo indice di variabilità genetica La proporzione di loci polimorfici non è dunque una buona misura della variabilità genetica presente in una popolazione Essendo tuttavia un parametro descrittivo di significato immediato esso è spesso riportato nelle tabelle che confrontano risultati sulla variazione genetica in popolazioni diverse

8 Eterozigosità osservata e attesa Le ultime due colonne della tabella di Bouga et al., riportano i valori di due parametri denominati H o e H e, che stanno rispettivamente per eterozigosità osservata e attesa Questi due indici sono molto più appropriati per misurare la variabilità genetica perchè non dipendono dalla definizione di polimorfismo e dipendono invece dalla distribuzione delle frequenze alleliche Essi sono quasi universalmente riportati negli studi sperimentali di genetica delle popolazioni Si può notare che nello studio di Bouga et al. la popolazione di Ikaria risulta geneticamente più variabile di quella di Phthiotida sulla scala dell eterozigosità, mentre il contrario avviene sulla scala della proporzione di loci polimorfici

9 L'eterozigosità osservata L eterozigosità osservata è semplicemente la proporzione di individui eterozigoti osservati per ciascun locus. Quindi per un dato campione di dimensione N si contano tutti gli individui eterozigoti N het e tutti gli individui omozigoti N hom, indipendentemente dai genotipi, e il rapporto H = N het /N è l eterozigosità del locus, mentre N hom /N è l omozigosità

10 L'eterozigosità attesa In analogia con le frequenze genotipiche attese si può definire l eterozigosità attesa, H exp, come la probabilità che un genotipo preso a caso da una popolazione panmittica sia eterozigote ad un certo locus; Dalla legge di HW segue immediatamente che, per un locus diallelico, H exp = 2p 1 p 2 = 1 p 12 p 22 In generale quindi, per loci con un qualsiasi numero di alleli, segue che H exp = 1 Σ p i2.

11 L'eterozigosità attesa come indice di variabilità genetica L'eterozigosità attesa è un indice naturale di variabilità genetica per ciascun locus. Essa non dipende dall'arbitrarietà della definizione del polimorfismo, ed è univocamente definita dalla lista delle frequenze alleliche. L'eterozigosità attesa si può intendere come la probabilità che un genotipo estratto a caso da ua popolazione in equilibrio sia eterozigote. L eterozigosità media è la media aritmetica di questa quantità su tutti i loci di interesse. A volte si usa il simbolo h per definire l eterozigosità di un singolo locus e il simbolo H per indicare l eterozogosità media, altre volte si usano H o e H e (o simili) per distinguere eterozigosità osservata e attesa. In genere comunque con eterozigosità di una popolazione si intende l eterozigosità attesa media.

12 Generalità del concetto di eterozigosità L'eterozigosità media calcolata su molti loci ha il duplice significato di proporzione di individui eterozigoti a ciascun locus nella popolazione e di proporzione di loci eterozigoti per individuo Con un unico indice ci si può quindi riferire sia alla variabilità genetica esistente nella popolazione che alla variabilità genetica presente in ciascun individuo Il concetto di eterozigosità si può anche applicare alle specie aploidi (per le quali non esistono nè omozigoti nè eterozigoti); in questo caso essa corrisponde alla probabilità che due geni presi a caso dalla popolazione siano identici È quindi chiaro come l eterozigosità sia una misura generale della variabilità genetica esistente in una qualsiasi popolazione; per questo motivo è anche chiamata diversità genica.

13 Eterozigosità della popolazione ed eterozigosità degli individui Il valore 1 nella tabella significa che l'individuo è eterozigote Il vaor medio calcolato sull'intera tabella è ovviamente identico sia che si parta dalle medie marginali di riga che di colonna Locus 1 Locus 2 Locus 3 Locus 4 Locus 5 Locus 6 Locus 7 Locus 8 Locus 9 Locus 10 Eterozigosità media per individuo Eterozigosità media di tutti gli individui Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Individuo Eterozigosità per locus Eterozigosità media di tutti i loci Il valore atteso dell'eterozigosità di ciascun individuo è pari all'eterozigosità della popolazione. I valori osservati tendono a coincidere con l'atteso su un grande numero di loci

14 Numero di alleli Con lo sviluppo dei loci ipervariabili, il numero di alleli (na ) identificato per locus nei campioni tipizzati viene spesso riportato come misura di variabilità genetica Anche questa quantità appare semplice e intuitiva, in quanto ci si attende che cresca al crescere della variabilità genetica Tuttavia essa dipende strettamente dalla dimensione del campione tipizzato, e quindi il confronto fra popolazioni diverse non ha senso se i campioni non sono almeno approssimativamente uguali La dipendenza dalla dimensione del campione deriva dal fatto che nelle popolazioni naturali esistono molti alleli a bassa frequenza, per cui il numero degli alleli aumenta con l'aumento della dimensione del campione Al contrario, l'eterozigosità è poco influenzata dalla dimensione del campione, perché gli alleli rari non ne modificano sostanzialmente il valore

15 Ricchezza allelica Un parametro di diversità genetica utilizzato in particolare nella genetica della conservazione è la ricchezza allelica, che indica il numero di alleli presenti nelle popolazioni indipendentemente dalla dimensione dei campioni Il concetto è che se in una popolazione esistono un certo numero di alleli, per quanto rari, che sono invece assenti in un'altra popolazione della stessa specie, la prima popolazione possiede delle risorse genetiche che possono risultare vantaggiose in condizioni di stress, le quali invece mancano nella seconda La stima della ricchezza allelica è resa tuttavia difficile dalla dipendenza del numero di alleli presenti in un campione dalla dimensione del campione stesso In molti studi sperimentali con ricchezza allelica si intende erroneamente semplicemente il numero di alleli identificati

16 An example: A reanalysis of human microsatellite data An example shows that rarefaction can substantially change estimates of allelic richness and private allelic richness I present the microsatellite data of Jin et al. (2000) as an example. I selected this data as an example because: (1) the data set is especially large (64 loci), (2) the species is well-studied (humans), and (3) the methods used by the authors are typical. Jin et al. (2000) genotyped 64 microsatellite loci in 11 populations among five regions: Africa, Asia, Europe, North and South America, and Oceania.Both the number of populations sampled per region varied (1 3) as well as the number of genes sampled per population (10 26). Two of the goals of the study were to identify which continent had the most genetic variation and the most unique alleles. Jin et al. did not use rarefaction to compensate for variation in sampling effort.

17 Allelic richness and private alleles