LA GENETICA QUANTITATIVA

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1 Genetica 5

2 LA GENETICA QUANTITATIVA

3 Caratteri quantitativi vs. Caratteri qualitativi

5 controversia Mendel/cararatteri continui Mendel aveva lavorato su caratteri discontinui, per cui molti dubitavano che le sue leggi valessero anche per i caratteri quantitativi, quali l altezza, che si sapevano essere ereditari ma non se ne conoscevano i meccanismi di trasmissione. Nel 1918 Fisher provò che l ereditarietà delle caratteristiche quantitative poteva realmente venire spiegata attraverso gli effetti cumulativi di molti geni, ciascuno dei quali seguiva le leggi di Mendel

7 Ereditarietà e variabilità dei caratteri quantitativi > caratteri che variano in modo continuo nella popolazione e che per tale motivo possono essere misurati es. lunghezza della spiga, peso del seme, dimensione corporea di un animale, altezza di un individuo, ecc. > caratteri poligenici poichè sono controllati da molti geni con effetto limitato ma aventi azione uguale e cumulativa sul valore fenotipico; > caratteri la cui manifestazione fenotipica può essere influenzata da fattori ambientali.

8 Caratteri multifattoriali: poligeni e ambiente a) Carattere Poligenico: per l espressione di un determinato carattere continuo (varietà di fenotipi) concorrono soltanto più geni Ma non solo genotipi multipli. b) Carattere Multifattoriale: per l espressione di un determinato carattere continuo concorrono più geni e fattori ambientali

10 Analisi dei caratteri quantitativi a) Dividere le variazioni osservate nel carattere nelle due componenti genetica ambientale b) Utilizzare la componente genetica per la previsione dei fenotipi della progenie

11 Campioni e popolazioni Affinchè il campione descriva la popolazione, esso deve essere: Rappresentativo Sufficientemente ampio Rappresentativo: una squadra di pallacanestro non rappresenta tutte le altezze di una popolazione Ampio: se misurassimo altezza di soli 3 studenti dell ateneo di VR e questi causalmente fossero tutti e 3 bassi, sottostimeremmo l altezza media della popolazione studentesca di VR

12 Metodi statistici per l analisi delle caratteristiche quantitative All interno di un gruppo, la variabilità fenotipica può essere rappresentata per mezzo di una distribuzione di frequenza: grafico di frequenze relative ai diversi fenotipi Asse X riporta le classi fenotipiche. L asse Y il numero o la percentuale. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

14 La media La media fornisce informazioni sul centro di una distribuzione Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005 x = n x i Misuriamo altezza ragazzi di 10 e di 18 anni. Entrambe le distribuzioni sono normali, ma centrate su valori di statura differenti. FORMULA: la media si calcola sommando le singole misurazioni e dividendo per il numero di misurazioni

15 La varianza (s 2 ) La varianza è definita come la deviazione quadratica media dalla media. Essa indica il grado di variabilità di un gruppo di fenotipi (misurazioni). Quanto maggiore è la varianza, tanto più dispersi sono i valori di una distribuzione intorno alla media Per calcolare la varianza si sottrae la media da ogni misurazione, portando al quadrato il valore ottenuto. Si sommano poi i valori e il risultato lo si divide per il numero di misurazioni di partenza meno 1 S 2 = (x i x) 2 n - 1

16 La deviazione standard (s) La deviazione standard è la radice quadrata della varianza. Essa misura la dispersione dei dati intorno al valore atteso Si esprime nelle stesse unità della misura originale, pertanto descrive la variabilità di una misura s = s 2 La media più o meno una deviazione standard comprende il 66% circa delle misurazioni relative ad una distribuzione normale. Di conseguenza, solo l 1% di una popolazione con distribuzione normale rimane fuori dall intervallo media +- 3s Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

17 Coefficiente di correlazione (r) Il coefficiente di correlazione stabilisce la forza dell associazione fra due caratteristiche. Es. altezza (x) e peso di una persona (y) Accade sovente che due o più caratteri varino contemporaneamente. Per esempio, negli allevamenti di polli sono importanti sia il numero sia la dimensione delle uova prodotte. Queste due caratteristiche non sono tra di loro indipendenti, bensi legate da una correlazione inversa

18 Coefficiente di correlazione (r) r = cov xy s x s y Il coeff. di correlazione si ottiene dividendo la covarianza di x e y per il prodotto delle deviazioni standard di x e y. Esso spazia da +1 a -1. Un valore positivo indica l esistenza di correlazione positiva fra le due variabili cov xy = (x i x) (y i y) n - 1 La covarianza è un indice che misura la "contemporaneità" della variazione (in termini lineari) di due variabili casuali. In pratica, la covarianza di due variabili aleatorie X e Y è il valore atteso dei prodotti delle loro distanze dalla media Essa può assumere sia valori positivi che negativi. Nel caso di valori positivi indica che al crescere di una caratteristica statisticamente cresce anche l'altra, nel caso di valori negativi accade il contrario

21 Coefficiente di regressione (b) Indica l entità dell aumento di y all aumentare di x. Pertanto, b consente di prevedere il valore di una variabile, dato il valore dell altra b = cov xy s x 2 la curva di regressione è ( y = a + bx ) a = intercetta di y, ovvero il valore di y quando x=0, b = pendenza della curva, ovvero l aumento medio di y all aumentare di x Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

22 Il coefficiente di regressione consente di prevedere determinate caratteristiche della progenie generata da una data unione anche senza conoscere i genotipi che codificano per tale carattere Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

23 Influenza dell ambiente sulla variabilità dei caratteri quantitativi Wilhelm Johannsen ( ): primo studioso a mettere in evidenza l azione congiunta dei fattori genetici e dei fattori ambientali nell eredità dei caratteri quantitativi egli realizzò una serie di esperimenti utilizzando semi di fagiolo della varietà commerciale Princess, sapendo che la specie scelta è strettamente autogama e che ciascun seme era da ritenersi omozigote a tutti i loci

24 Influenza dell ambiente sulla variabilità dei caratteri quantitativi la variabilità fenotipica di una carattere quantitativo può avere due componenti: una genetica ed un altra ambientale; la selezione è efficace solo in presenza di variabilità genetica; la variabilità che si osserva entro linee pure è dovuta unicamente all ambiente; la selezione entro linea pura è del tutto inefficace.

25 Esperimenti di W. Johannsen in fagiolo: Influenza dell ambiente sull espressione dei caratteri quantitativi Johannsen valutando il peso dei semi di fagiolo è stato il primo a distinguere la variabilità genetica dalla variabilità ambientale e a dimostrare che la selezione può operare solo sulla variabilità genetica. Le 19 linee estratte dalla varietà commerciale erano infatti differenti: le differenze tra le medie delle linee in termini di peso del seme dovevano essere di natura genetica. La selezione entro linee risultava invece inefficace dimostrando che la variabilita del peso del seme entro linea dipendeva soltanto da fattori ambientali.

26 Influenza dei fattori genetici sulla variabilità dei caratteri quantitativi Herman Nilsson-Ehle (1908): è stato il primo ricercatore a trovare un modello naturale in grado di spiegare l eredità dei caratteri quantitativi. egli studiò il colore della cariosside in frumento e formulò l ipotesi che più coppie alleliche segreganti in maniera indipendente, ereditate in assenza di dominanza ed aventi azione uguale e cumulativa (additiva) potessero spiegare i risultati relativi al grado di espressione del carattere nella generazione F 2.

27 Eredità del colore della cariosside in frumento P Colore delle cariossidi A A B B x A 1 A 1 B 1 B1 Bianco Rosso molto scuro Grado di colore 0 4 F 1 AB (¼) A 1 B (¼) AB 1 (¼) A 1 B 1 (¼) A A 1 B B1 Rosso intermedio 2 AB (¼) A 1 B (¼) AB 1 (¼) A 1 B 1 (¼) AABB AA 1 BB AABB 1 AA 1 BB 1 AA 1 BB A 1 A 1 BB AA 1 BB 1 A 1 A 1 BB 1 AABB 1 AA 1 BB 1 AAB 1 B 1 AA 1 B 1 B 1 AA 1 BB 1 A 1 A 1 BB 1 AA 1 B 1 B 1 A 1 A 1 B 1 B 1 F 2 Rapporto 15:1 piante con cariossidi colorate (ma di intensità variabile: chiaro, medio, scuro e molto scuro) e piante con cariossidi bianche

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29 Influenza dei fattori genetici sulla variabilità dei caratteri quantitativi Se due coppie alleliche vengano ereditate in maniera indipendente, in assenza di dominanza e gli alleli plus hanno azione uguale e cumulativa nel dare la colorazione: l intensità del colore è data dal numero di alleli A 1 e B 1 che nel genotipo delle diverse piante F 2 agiscono nello stesso senso in maniera cumulativa AB 1 A 1 B AB A 1 B 1 AB A 1 B AB 1 A 1 B 1 Azione di fattori A 1 B 1 per il colore e di alleli A e B per il non colorato geni plus geni minus Alleli minus Alleli che esercitano un effetto minimo o che sono ininfluenti sulla manifestazione fenotipica di un carattere quantitativo. Alleli plus Alleli in grado di contribuire alla manifestazione di un carattere quantitativo agendo nello stesso senso in maniera cumulativa e con effetto sul fenotipo superiore alla media.

30 Assunzioni dell ipotesi multigenica di Nilsson-Ehle: in nessuno dei loci uno degli alleli presenta dominanza sull altro, piuttosto risulta coinvolta una serie di alleli con effetto additivo; ogni allele plus agisce nello stesso senso in maniera cumulativa ed ha uguale effetto sul fenotipo; gli alleli minus non contribuiscono (o contribuiscono in maniera minima) al fenotipo; non esiste interazione genica (epistasi) tra loci differenti di una serie; i loci non sono associati, cioè gli alleli segregano in maniera indipendente. Questo lavoro ha dimostrato che la differenza fra eredità di caratteri continui e discontinui risiede nel numero di loci che determinano quel carattere

31 Determinazione numero di geni per caratteristica poligenica Vengono incrociati due individui omozigoti per alleli differenti (A1 e A) di un singolo locus (A) A 1 A 1 x AA A 1 A Gli individui della risultante F1 sono incrociati fra di loro A 1 A x A 1 A ¼ della F2 risulterà omozigote come i parentali. Se ci sono 2 loci coinvolti, ¼ x ¼ = 1/16 A 1 A 1 A 1 A AA 1 AA ¼ 2/4 ¼ Pertanto, in F2 il numero di individui simili a ciascuno dei parentali (n indica numero di loci) e : 1 4 n se trovo: 1/4 individui, significa che c e un locus 1/16 individui, significa che ci sono 2 loci 1/256 individui, significa che ci sono 4 loci Questo metodo assume che tutti i geni che influenzano la caratteristica siano additivi, presentino effetti equivalenti e non siano associati.

32 Determinazione numero di geni per caratteristica poligenica Edward East accoppiò due varietà di tabacco omozigoti per la lunghezza del fiore: 40,5 mm e 93,3 mm, rispettivamente. Egli trovò che nella F 1 la lunghezza del fiore era intermedia, con una varianza simile a quella riscontrata nei parentali. East accoppiò poi fra di loro gli individui F 1. Nella F 2 la lunghezza media del fiore era simile a quella riscontrata nella F 1, ma la varianza era molto superiore, ad indicare la presenza di differenti genotipi. Dato che nessuna delle 444 piante F 2 mostrava lunghezza del fiore analoga ai parentali, il carattere doveva essere codificato da più di 4 loci Successivamente, East selezionò alcune piante F 2 e le incrociò: nella F 3 l estensione del fiore dipendeva dalla lunghezza del fiore nei parentali. Questo indicava l esistenza di differenze sul piano genetico nell ambito della F 2. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

33 Localizzazione dei geni che influiscono sulle caratteristiche quantitative QTL (quantitative trait loci) sono i geni che controllano le caratteristiche poligeniche Si identificano marcatori molecolari che segregano nella popolazione assieme ad una porzione del carattere quantitativo Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

34 Quantitative Trait Locus (QTL) Un QTL è una regione di DNA associata ad un particolare carattere quantitativo. Il QTL è strettamente associato ai geni che determinano il carattere fenotipico in questione o partecipa nella sua determinazione. Normalmente infatti un carattere quantitativo è determinato dalla somma dell'azione di più geni (un fenomeno detto additività). Di conseguenza più QTL, che possono trovarsi anche su diversi cromosomi, sono associati ad un singolo carattere. Il numero di QTL coinvolti in un carattere fornisce informazioni sull'architettura genetica del carattere; per esempio indica se l'altezza di una pianta è determinata da molti geni, l'effetto di ognuno dei quali è di portata limitata, oppure invece da pochi geni con un effetto più marcato.

35 Ereditabilità di un carattere (H 2 ) Frazione della variazione fenotipica causata dalle differenze genetiche Osservabile a livello di popolazione, non di singolo individuo! Oltre ad essere poligeniche, le caratteristiche quantitative sono spesso influenzate da fattori ambientali. E quindi utile sapere quanto la variabilità di un carattere quantitativo sia dovuta a differenze genetiche e quanto a differenze ambientali. La quota di variazione fenotipica complessiva derivante da fattori genetici è nota come ereditabilità

36 Ereditabilità di un carattere (H 2 ) Esprime la proporzione della variabilità fenotipica (V P ) imputabile a differenze genetiche (V G ) Il contributo relativo dei fattori genetici e dei fattori ambientali nella determinazione della variabilità di un carattere quantitativo è misurato da un parametro che prende il nome di ereditabilità. Essa consente di prevedere il fenotipo della progenie in base al fenotipo parentale EREDITABILITA : H 2 = V G V P frazione ereditabile della variazione di un carattere quantitativo H 2 = 0-1 Per determinare l ereditabilità di un carattere quantitativo occorre per prima cosa misurarne la variabilità - varianza (misura la fluttuazione dei dati individuali intorno alla media del campione ed equivale allo scarto quadratico medio) - e quindi suddividere questa nelle sue componenti.

37 COMPONENTI DELLA VARIANZA FENOTIPICA (V P ) Alcune differenze fenotipiche sono dovute a fattori genetici e a fattori ambientali. VARIANZA GENETICA = V G (differenze genetiche tra gli individui) VARIANZA AMBIENTALE = V E (influenza delle condizioni ambientali) V P =V G +V E

38 Esempio di interazione genotipo ambiente. Il genotipo influisce sul peso della pianta, ma sono le condizioni climatiche a determinare quale genotipo produca l esemplare piu pesante! Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

39 Una certa quota di variazione genetica è ereditabile poiché passa dai genitori ai figli. Un altra quota di variazione è genetica ma non strettamente ereditabile a causa di fenomeni quali la dominanza e le interazioni epistatiche che non passano direttamente dai genitori ai figli. Per esempio, se un allele è dominante su un altro, il fenotipo di un genitore eterozigote è determinato in parte dalla interazione di dominanza fra i due alleli. Un genitore che si riproduce sessualmente passerà alla sua prole soltanto un allele. La prole, infatti, eredita il genotipo da entrambi i genitori e quindi non erediterà l interazione di dominanza, ma soltanto l effetto di un singolo allele

40 COMPONENTI DELLA VARIANZA GENETICA (V G ) La variazione genetica può quindi essere ulteriormente suddivisa in tre componenti: 1. variazione genetica additiva: alcuni alleli possono contribuire con un valore fisso al valore metrico di un carattere quantitativo. Tali geni si definiscono additivi e contribuiscono alla varianza genetica additiva (V A ). 2. variazione genetica dominante: alcuni alleli sono dominanti su altri e mascherano il contributo degli alleli recessivi in quel locus. Questa fonte di variabilità contribuisce alla varianza genetica da dominanza (V D ). 3. variazione genetica causata dalle interazioni fra geni diversi, dovuta fondamentalmente a fenomeni di epistasi. Tale variazione contribuisce alla varianza genetica da interazione (V I ) V G = V A + V D + V I

41 COMPONENTI DELLA VARIANZA GENETICA (V G ) VARIANZA ADDITIVA = V A VARIANZA dovuta alla DOMINANZA = V D VARIANZA EPISTATICA = V I V G = V A + V D + V I e la varianza fenotipica totale può essere riscritta come: V P = V E + V A + V D + V I

42 EREDITABILITA Il termine generale che descrive la proporzione della varianza genetica alla varianza totale è l ereditabilità. Si possono stimare due tipi specifici di ereditabilità. In senso lato l ereditabilità è il rapporto fra la varianza genetica totale (incluse dominanza ed epistasi) e la varianza fenotipica totale, cioè: H 2 = V G /V P In senso stretto l ereditabilità è il rapporto fra la varianza genetica additiva e la varianza fenotipica totale, cioè: h 2 varia tra 0 (V A =0) e 1(V A =V P ) h 2 = V A /V P Per predire il fenotipo della prole proveniente da un particolare accoppiamento è importante conoscere la porzione di varianza genetica additiva, poiché in questo modo sarà possibile conoscere il contributo relativo dei genitori alla costituzione della F1.

43 EREDITABILITA IN SENSO LATO E la frazione di varianza totale che rimane dopo esclusione della frazione dovuta agli effetti ambientali. Una misura del grado di determinazione genetica di un carattere. H 2 = V G V P = V G V G + V E

44 EREDITABILITA IN SENSO STRETTO E il rapporto fra varianza genetica additiva e varianza totale. Una stima dell'efficienza della selezione. h 2 = V A V P = V A V G + V E Solo le differenze genetiche attribuibili alle azioni geniche additive possono essere fissate con la selezione: Essendo legate all effetto medio dei geni, le azioni additive rimangono inalterate nelle generazioni successive; quando invece le differenze tra i materiali selezionati sono dovute a specifiche interazioni geniche, come dominanza ed epistasi, queste non possono essere fissate con la selezione, poichè per effetto della segregazione e della ricombinazione possono ottenersi combinazioni di geni diverse da quelle della generazione precedente.

45 Calcolo dell ereditabilità in senso lato mediante eliminazione di componenti della varianza V P =V G +V E possiamo annullare V E facendo sviluppare gli individui nello stesso ambiente -> impossibile possiamo annullare V G facendo sviluppare individui geneticamente identici se V E = 0, V P = V G se V G = 0, V P = V E V G (degli individui variabili geneticamente) = V p (variabili) V E (identici) H 2 = V G V p Facciamo un esperimento in cui alleviamo individui geneticamente identici in un determinato ambiente e calcoliamo la V P, che in questo caso corrisponde alla V E. Poi prendiamo individui geneticamente diversi e calcoliamo la V P. La V G ora la posso calcolare perche ho la p e la e

46 Calcolo dell ereditabilità in senso lato mediante eliminazione di componenti della varianza: esempio Ereditabilità della chiazzatura bianca nelle cavie nella popolazione variabile geneticamente V P =573 nella popolazione dopo numerosi incroci (omozigote) V P =340 Poichè in quest ultimo gruppo V G =0, V P = V E. Questo valore di V E puo essere assegnato anche alla popolazione di partenza (geneticamente variabile) V P V E = V G = 233 H 2 = V G V p 233 H 2 = 0, % della variazione nella chiazzatura delle cavie era dovuto a differenze riguardanti il genotipo

47 Problemi nel calcolo dell ereditabilità mediante eliminazione di componenti della varianza Si assume che la varianza ambientale degli individui geneticamente identici sia equivalente a quella degli individui variabili geneticamente, e ciò può non essere vero Approccio applicabile solo quando è possibile ottenere individui geneticamente identici

48 Ereditabilità mediante regressione tra individui parentali e prole Si confrontano fenotipi di individui che presentano gradi di parentela diversi. Se la varianza fenotipica è determinata da differenze genetiche: i gemelli monozigotici devono essere simili per un determinato carattere più dei gemelli dizigotici la progenie deve risultare simile ai genitori in misura maggiore a quanto avviene negli individui non imparentati In una regressione del fenotipo medio della prole rispetto ai genitori, l ereditabilità in senso stretto (h 2 ) è uguale al coefficiente di regressione (b). Pertanto, il coefficiente di regressione fornisce informazioni sul grado dell ereditablità

49 Ereditabilità mediante regressione tra individui parentali e prole Il coefficiente di regressione fornisce informazioni sul grado dell ereditablità in (a) non c e alcuna relazione fra fenotipo parentale e della prole (raggruppati in famiglie) in (b) il fenotipo della prole è equivalente a quelli parentali in (c) sia i geni sia l ambiente influiscono sul fenotipo Ogni punto rappresenta un nucleo famigliare, dove sull asse delle X c è il valore fenotipico medio dei parentali di quella famiglia, e sull asse delle y il valore fenotipico medio della prole di quella famiglia. Se per un dato tratto non c è ereditabilità in senso stretto (h2=0) i punti si disperderanno in maniera casuale e il conseguente coefficiente di regressione sarà = 0 Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

50 Limitazioni dell ereditabilita Non dice quanto l espressione di un carattere dipenda da fattori genetici, ma esprime solo la proporzione della varianza fenotipica tra gli individui di una popolazione che è dovuta a differenze genetiche. L ereditabilità pertanto indica il grado a cui i geni stabiliscono la variazione di un tratto; Non si riferisce ad un individuo. E una caratteristica di una popolazione (un individuo non presenta ereditabilità!); Non esiste ereditabilità universale per un dato carattere. L ereditabilità è specifica per una data popolazione in uno specifico ambiente; Non può venire usata per trarre conclusioni riguardo la natura di differenze genetiche tra popolazioni, appunto perché è specifica per un data popolazione in un dato ambiente

51 Riepilogo La varianza fenotipica è uguale alla somma della varianza dovuta a differenze genetiche e ambientali Ereditabilità in senso lato è la proporzione di varianza fenotipica dovuta alle differenze genetiche nella popolazione Ereditabilità in senso stretto è la proporzione di varianza fenotipica dovuta agli effetti additivi degli alleli nella popolazione

52 LA GENETICA EVOLUZIONISTICA

53 Evoluzione Alla fine del 1700 la teoria predominante era quella di Linneo, detta della fissità, che definiva le varie specie come entità create una volta per tutte e incapaci di modificarsi o capaci entro ben determinati limiti. All'inizio del XIX secolo iniziarono a sorgere, negli studiosi di Scienze Naturali i primi dubbi concreti: negli strati rocciosi più antichi infatti mancano totalmente tracce (fossili) degli esseri attualmente viventi e se ne rinvengono altre appartenenti ad organismi attualmente non esistenti. Nel 1809, il naturalista Lamarck presentò per primo una teoria evoluzionista (detta lamarckismo) secondo cui gli organismi viventi si modificherebbero gradualmente nel tempo adattandosi all'ambiente: l'uso o il non uso di determinati organi porterebbe con il tempo ad un loro potenziamento o ad un'atrofia. Tale ipotesi implica quello che oggi viene considerato l'errore di fondo: l'ereditabilità dei caratteri acquisiti (esempio: un culturista non avrà necessariamente figli muscolosi; la muscolosità del culturista è infatti una manifestazione fenotipica, cioè morfologica, derivante dall'interazione dello sportivo con l'ambiente, il continuo sollevare pesi; ma il particolare sviluppo muscolare non è dettato dal suo patrimonio genetico, il genotipo).

54 Lamarck trovò opposizione in Georges L. Chretien Cuvier, il quale aveva elaborato la 'teoria delle catastrofi naturali' secondo la quale la maggior parte degli organismi viventi nel passato sarebbero stati spazzati via da numerosi cataclismi e il mondo infatti sarebbe stato ripopolato dalle specie sopravvissute. Dopo cinquant'anni Darwin formulò una nuova teoria evoluzionista; il noto naturalista, durante il suo viaggio giovanile sul brigantino Beagle, fu colpito dalla variabilità delle forme viventi che aveva avuto modo di osservare nei loro ambienti naturali intorno al mondo. Riflettendo sugli appunti di viaggio e traendo spunto dagli scritti dell'economista Thomas Malthus, Darwin si convinse che la lotta per la vita fosse uno dei motori principali dell'evoluzione intuendo il ruolo selettivo dell'ambiente sulle specie viventi. L'ambiente, infatti, non può essere la causa primaria nel processo di evoluzione (come invece sostenuto nella teoria di Lamarck) in quanto tale ruolo è giocato dalle mutazioni genetiche, in gran parte casuali. L'ambiente entra in azione in un secondo momento, nella determinazione del vantaggio o svantaggio riproduttivo che quelle mutazioni danno alla specie mutata, in poche parole, al loro migliore o peggiore adattamento (fitness in inglese). I principali meccanismi che partecipano in queste situazioni sono: * meccanismi genetici * meccanismi ecologici

55 Specie Un insieme di popolazioni formate da individui interfecondi, la cui prole a sua volta è interfeconda: pool genico chiuso

56 Evoluzione E il cambiamento della variabilità in una popolazione valutato nel tempo Le forze dell Evoluzione: Mutazione Selezione Deriva genetica: Isolamento geografico e migrazioni L evoluzione di una nuova specie da una specie ancestrale avviene sulla base della selezione naturale. Le variazioni casuali favorevoli tendono ad essere conservate, quelle non favorevoli tendono ad essere eliminate dalla pressione ambientale: adattamento all ambiente che cambia (modificazione evolutiva che aumenta la probabilità di sopravivenza di un organismo e il suo successo evolutivo viene selezionata).

57 Filogenesi E il percorso evolutivo che ha portato alla differenziazione delle specie a partire da un origine comune. La sua ricostruzione è fondamentale per la sistematica che si occupa di ricostruire le relazioni di parentela evolutiva, di gruppi tassonomici di organismi a qualunque livello sistematico La filogenetica studia l'origine e l'evoluzione di un insieme di organismi, solitamente di una specie. Un compito essenziale della sistematica è di determinare le relazioni ancestrali fra specie note (vive ed estinte). Rapporti filogenetici: i rapporti di discendenza comune tra specie o gruppi di ordine superiore

58 La selezione naturale Insieme dei fattori che determinano la sopravvivenza di alcuni organismi rispetto ad altri, all interno di una data popolazione. Essa determina l evoluzione della specie, favorendo gli organismi dotati dei caratteri più adatti in un determinato ambiente, ossia quelli che hanno la fitness maggiore In una popolazione compaiono continuamente nuovi caratteri, e nuove combinazioni di geni, sia per effetto dei meccanismi di mutazione spontanea, sia per la variabilità genetica assicurata dal crossing-over e dalla ricombinazione dei cromosomi nei gameti durante il processo di meiosi; questi fenomeni avvengono in modo casuale, e hanno quindi la stessa probabilità di verificarsi in qualsiasi popolazione. A seconda delle caratteristiche ambientali, però, la possibilità di sopravvivere e di riprodursi di alcuni individui, caratterizzati da un particolare patrimonio genetico, sarà maggiore rispetto a quella di altri, che risultano sfavoriti. Il cambiamento delle condizioni esterne determina inevitabilmente anche un cambiamento della fitness degli individui: quelli che nelle condizioni precedenti erano favoriti, possono in seguito risultare sfavoriti.

59 La selezione naturale Ad ogni generazione viene prodotto un numero sempre maggiore di individui in grado di sopravvivere fino alla riproduzione Il grado di variabilità fenotipica è elevato Una certa quota di questa variabilità fenotipica è ereditabile pertanto Gli individui con determinati caratteri (detti adattativi) sopravvivono e si riproducono in modo più efficiente rispetto agli altri. Questi caratteri sono ereditabili, per cui nella generazione successiva aumenterà in numero di individui che evidenzieranno tali caratteri

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61 Human population diversity is low

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64 Quel nostro antenato che morì di freddo Un teschio di uomo di Neanderthal Arcata dentaria Che fine fecero i nostri cugini neandertaliani vissuti a lungo in Europa prima di noi? Ora scrutando nel Dna estratto nei resti fossilizzati di 13 uomini vissuti tra l Europa e l Asia in un periodo tra 100 mila e 35 mila anni fa, ricercatori svedesi e spagnoli sono riusciti a precisare che cosa accadde ai lontani parenti. Esattamente 50 mila anni fa la maggior parte di loro si estinse dalla scena europea, quindi migliaia di anni prima che i nostri antenati Homo sapiens arrivassero dall Africa. Un piccolo gruppo, però, riuscì a sopravvivere per altri 10 mila anni rifugiandosi verso l ovest europeo. Poi la specie scomparve definitivamente. La causa prevalente pare legata al cambiamento climatico, come spiegano i ricercatori sulla rivista Molecular Biology and Evolution. Neanderthal lavorava le pelli e le usava per vestirsi unendole con fermagli d osso: una prova, questa, di una certa abilità tecnica.

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66 La melanina contenuta nelle cellule dell epidermide protegge l individuo dagli effetti dannosi dei raggi UV che possono per esempio provocare gravi tumori della pelle come il melanoma. Ma la melanina impedisce la sintesi della vitamina D fondamentale per il corretto sviluppo osseo nell organismo, sintesi che necessita di un corretto apporto di raggi UVB. Popolazioni europee: plausibile che pelle chiara sia legata ad alimentazione a base di cereali e dunque povera di vitamina D3. Nel frumento presente precursore: ergosterolo che si converte in vitamina D sotto l azione dei raggi solari che attraversano la pelle e raggiungono il sangue tanto più facilmente quanto più essa è chiara Per questo motivo a nord le pressioni selettive avrebbero finito per favorire gli individui con la pelle più chiara. Questa teoria è stata per prima proposta quando alcuni studi all inizio del secolo scorso hanno dimostrato che le persone di pelle scura che vivono nell emisfero nord hanno il doppio di possibilità di sviluppare forme di rachitismo.

67 Extreme Adaptation The "Barreleye Fish" is an extreme example of nature's adaptive capability. This aquatic curiosity lives at depths (About 5,000 feet) where light cannot penetrate. This is how nature makes up for that deficit.

68 Apporto di vitamina D3 garantito dall alimentazione

69 Le dimensioni corporee delle popolazioni che vivono in regioni molto umide, come la foresta tropicale (pigmei, indios amazzonici) sono ridotte rispetto alla media umana. Infatti in un clima caldo e umido è conveniente essere piccoli per aumentare la superficie rispetto al volume, poiché è alla superficie che avviene l evaporazione del sudore, che consente al corpo di raffreddarsi. Inoltre un corpo piccolo necessita di un minore impiego di energia nel muoversi e quindi di una minore produzione di calore interno. Allo stesso modo, i capelli crespi, tipici dei pigmei della foresta dell Ituri (Congo) e dei neri in generale, trattengono maggiormente il sudore, prolungando l effetto di raffreddamento dovuto alla traspirazione.

70 Per contro, nei popoli che abitano regioni torride e desertiche (come i gruppi nilotici dell Africa orientale o i tuareg del Sahara) si nota una tendenza verso una figura allungata e sottile, che consente una dispersione del calore ottimale e un migliore raffreddamento.

71 Nelle popolazioni che vivono in climi freddi sono caratteristici i tratti somatici di tipo mongolico: il naso piccolo riduce il pericolo di congelamento e le narici affilate fanno in modo che l aria, arrivando più lentamente ai polmoni, si riscaldi e acquisti umidità; l accumulo di grasso sotto le palpebre protegge gli occhi dal freddo e lascia un apertura molto sottile, che riduce l esposizione dell occhio ai venti artici

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73 Il linguaggio

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76 The Red Queen complained that in Wonderland "it takes all the running you can do, to keep in the same place"

77 La selezione artificiale Selezione intenzionale e programmata delle caratteristiche biologiche di una specie o popolazione che non risponde ai criteri di autoorganizzazione propri dell ambiente naturale. La selezione artificiale si attua senza competizione per la sopravvivenza tra individui che mutino in modo casuale. In essa, infatti, i mutanti dotati di una qualsiasi proprietà desiderata possono essere favoriti dall intervento umano mirato alla produzione di particolari razze animali o vegetali mediante incroci selettivi, per scopi zootecnici o agronomici. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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80 La risposta alla selezione (R) Entità di variazione di un carattere sottoposto a selezione, nel corso di una generazione La risposta alla selezione si calcola sottraendo il fenotipo medio della popolazione originale da quello medio della prole. Es. mandria produce 80 l latte a settimana, la progenie ne produce 100. Risposta alla selezione= 20 l a settimana

81 La risposta alla selezione (R) Viene determinata prevalentemente da due fattori: ereditabilità in senso stretto grado di selezione degli individui da incrociare: differenza fenotipica di questi individui, che si misura con il differenziale di selezione (S). R = h 2 x S Il differenziale di selezione (S) è definito come la differenza fra il fenotipo medio degli individui parentali scelti, e quello medio della popolazione originale. Es. mandria produce 80 l latte a settimana, i parentali scelti per l incrocio ne producono 120. Differenziale di selezione = 40 l

82 Prevedere la risposta alla selezione (R) R = h 2 x S h 2 = V A V P Numero setole addominali in Drosophila Ereditabilità in senso stretto = 0,52 Numero medio setole in popolazione di partenza = 35,3 Numero medio setole in moscerini selezionati per l incrocio = 40,6 Pertanto, differenziale di selezione = 5,3 R = 0,52 x 5,3 = 2,8 R rappresenta l aumento atteso nella prole rispetto alla popolazione originale

83 L ereditabilità realizzata La risposta alla selezione può essere utilizzata per stimare l ereditabilità Quando G. Clayton osservò il numero medio di setole (37.9), scoprì che questo differiva dal numero stimato: 38.1 ( ) L ereditabilità in senso stretto puo pertanto essere calcolata rielaborando l equazione R = h 2 x S Ereditabilità realizzata h 2 = R S S: differenziale di selezione R: risposta alla selezione L ereditabilità realizzata è definita per mezzo di un esperimento di risposta alla selezione. Calcolare S: media parentali scelti media popolazione di partenza Calcolare R: media progenie media popolazione di partenza

84 Limiti della risposta alla selezione Quando un carattere è selezionato per molte generazioni non risponde più alla selezione, si stabilizza. Questo avviene perché si esaurisce la variabilità genetica della popolazione o perché la selezione naturale si oppone a uteriori cambiamenti: se cerchi di rimpicciolire i topi questi ad un certo punto diventano sterili per cui non posso trasmettere alla progenie i loro geni responsabili della ridotta dimensione Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

85 LA GENETICA DI POPOLAZIONE La genetica di popolazione riguarda la costituzione genetica di un gruppo di individui, e il modo in cui essa muta nel tempo

87 Genetica di popolazione Nasce all inizio del 900 come logica conseguenza dello sviluppo della genetica mendeliana Studia geni e alleli non più nella singola famiglia, o nel singolo incrocio, ma in popolazioni di individui interfecondi Ricerca strumenti matematici per descrivere la variabilità genetica entro una popolazione. La struttura genetica di una popolazione considera i tipi e le frequenze dei genotipi e degli alleli di quella popolazione (frequenze geniche e genotipiche) Sviluppa modelli matematici che spieghino come tale variabilità si mantenga di generazione in generazione ovvero come e perché si verificano cambiamenti nelle frequenze geniche La genetica di popolazione riguarda cioè la costituzione genetica di un gruppo di individui e il modo in cui essa muta nel tempo

88 Popolazioni mendeliane e pool genico Si definisce popolazione mendeliana un gruppo di individui interfecondi che risiede all interno di confini geografici definiti. Se tutti i gameti prodotti da una popolazione mendeliana sono considerati come un ipotetico miscuglio di unità genetiche dalle quali nascerà la generazione successiva, ne emerge il concetto di pool genico. Il pool genico (o pool genetico) di una specie o di una popolazione è il set completo di alleli unici che verrebbero trovati esaminando il materiale genetico di ogni membro vivente di quella specie o popolazione, cioè l'insieme di tutti gli alleli di tutti i geni di tutti gli individui di una popolazione

89 Genetica di popolazione Parametri: Frequenza fenotipica: la proporzione di individui in una popolazione con un dato fenotipo Frequenza genotipica: la proporzione di uno specifico genotipo ad un dato locus, considerando che sono possibili molti genotipi diversi Frequenza allelica: la proporzione di uno specifico allele in un dato locus, considerando che la popolazione può avere da uno a più alleli a quel locus

90 Le frequenze genotipiche Frequenza genotipica: proporzione di uno specifico genotipo ad un dato locus, considerando che sono possibili molti genotipi diversi Si calcola sommando gli individui che possiedono lo specifico genotipo e poi dividendo per l ammontare complessivo di individui del campione frequenza (AA) = # individui AA N (# individui campione) frequenza (Aa) = # individui Aa N (# individui campione) frequenza (aa) = # individui aa N (# individui campione) La somma delle frequenze genotipiche è sempre uguale a 1

91 Le frequenze alleliche Il pool genetico di una popolazione può essere descritto anche in forma di frequenze alleliche: la proporzione di uno specifico allele in un dato locus. Il numero di alleli è sempre inferiore al numero genotipi! Se f(aa), f(aa) e f(aa) sono le frequenze di tre genotipi in un locus con due alleli, allora la frequenza p dell' allele A e la frequenza q dell'allele a si ottengono contando gli alleli. Poiché ogni omozigote AA consiste solo di alleli A, e dato che metà degli alleli di ogni eterozigote Aa sono alleli A, la frequenza totale p di alleli A nella popolazione si calcola come: frequenza di A In modo analogo, la frequenza q dell'allele a è data da frequenza di a Ci si aspetta che la somma di p e q sia 1, dato che essi sono le frequenze degli unici due alleli presenti. Infatti otteniamo: e da quest'ultima: q = 1 p e p = 1 q Se ci sono più di due diverse forme alleliche, la frequenza per ogni allele è semplicemente la frequenza del suo omozigote più la metà della somma delle frequenze per tutti gli altri eterozigoti in cui appare quel determinato allele.

92 Calcolo delle frequenze alleliche Somma delle copie di un particolare allele presente in un campione diviso l ammontare complessivo degli alleli del campione Si consideri una popolazione di dieci individui e un dato locus con due possibili alleli, A e a. Si supponga che i genotipi degli individui siano i seguenti: AA, Aa, AA, aa, Aa, AA, AA, Aa, Aa, e AA p = frequenza (A) = 2n AA + n Aa 2N (ogni individuo diploide possiede due alleli in un locus) q = frequenza (a) = 2n aa + n Aa 2N Si noti che p + q = 1, cioè la percentuale dei gameti A e a deve dare il 100%, se tiene conto di tutti i gameti nel pool genico.

93 Esempio di calcolo delle frequenze alleliche Si consideri una popolazione di dieci individui e un dato locus con due possibili alleli, A e a. Si supponga che i genotipi degli individui siano i seguenti: AA, Aa, AA, aa, Aa, AA, AA, Aa, Aa, e AA le frequenze alleliche dell'allele A e dell'allele a sono: ovvero c'è un 70% di probabilità che la popolazione riceva questo allele, e c'è un 30% di probabilità che la popolazione ottenga questo.

94 LEGGE DI HARDY-WEINBERG (1908) Il fine primario della genetica di popolazione consiste nel comprendere i processi che modellano il pool genico di un gruppo di individui. Bisogna pertanto comprendere gli effetti della riproduzione e delle leggi di Mendel sulle frequenze genotipiche e alleliche. Cioè: in che modo la segregazione degli alleli durante la formazione dei gameti e il loro combinarsi nel corso della fecondazione influenzano il pool di geni? La risposta a questa domanda risiede nella legge formulata indipendentemente da Hardy e da Weinberg nel 1908: modello matematico che valuta l effetto della riproduzione sulle frequenze genotipiche e alleliche di una popolazione

95 LEGGE DI HARDY-WEINBERG (1908) Modello matematico che valuta l effetto della riproduzione sulle frequenze genotipiche e alleliche di una popolazione In una popolazione, le frequenze alleliche e genotipiche si mantengono costanti di generazione in generazione Le frequenze genotipiche sono correlate alle frequenze alleliche da una semplice formula: A con frequenza p a con frequenza q Le frequenze dei tre possibili genotipi sono date da: p 2 + 2pq + q 2 = (p + q) 2 = 1 AA Aa aa p + q = 1

96 Equazione di HARDY-WEINBERG Dal momento che ciascun soggetto ha due alleli per un gene, la distribuzione dei genotipi alla generazione successiva può essere riassunta come segue: (p + q) 2 p 2 + 2pq + q 2 = 1 AA Aa aa Ogni soggetto della popolazione deriva infatti dall unione di due gameti, nei quali i due alleli A ed a possono presentarsi con probabilità p e q rispettivamente. Questa legge indica che la sola riproduzione non altera le frequenze alleliche o genotipiche, e che le frequenze alleliche determinano le frequenze genotipiche Quando i genotipi sono nelle proporzioni attese di p 2, 2pq e q 2, si dice che la popolazione è in equilibrio di Hardy-Weinberg

97 Quando una popolazione è in equilibrio di Hardy-Weinberg, le proporzioni dei genotipi sono stabilite dalle frequenze degli alleli Per un locus con 2 alleli, la frequenza dell eterozigote è più alta delle frequenze degli omozigoti quando le frequenze dei due alleli sono comprese fra 0,33 e 0,66. E massima (0,5) quando entrambe le frequenze sono = 0,5 Frequenza allele bassa: omozigoti rari Frequenza allele alta: omozigoti numerosi Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

98 Condizioni necessarie per soddisfare la legge di Hardy e Weinberg 1. La popolazione è infinitamente estesa e si incrocia a caso (PANMISSIA) 2. Non c è selezione in atto a favore o contro un determinato fenotipo, tutti gli individui portatori dell uno o dell altro allele ad un dato locus sono ugualmente vitali e fertili 3. La popolazione è chiusa, cioè non vi sono movimenti migratori in atto 4. Non c è mutazione da uno stato allelico ad un altro, oppure il tasso di mutazione A -> a è uguale ad a -> A Questa legge si applica AD UN SINGOLO LOCUS. Quindi non è proprio necessario l accoppiamento casuale e la mancanza di selezione, migrazione e mutazione per tutte le caratteristiche, bensì solo per quel locus

99 Sommario condizioni necessarie per soddisfare la legge di Hardy e Weinberg 1. La popolazione è sufficientemente ampia 2. Gli individui della popolazione si accoppiano in maniera casuale 3. Le frequenze alleliche della popolazione non sono influenzate da selezione naturale, migrazioni, mutazioni

100 Implicazioni della legge di Hardy e Weinberg Se le condizioni elencate sopra fossero sempre rispettate, cioè se la popolazione fosse in equilibrio: L accoppiamento casuale genererebbe le frequenze di equilibrio p 2, 2pq, q 2 le frequenze genotipiche nelle popolazioni sarebbero sempre in equilibrio e IMMUTABILI nel tempo, cioè non ci sarebbe alcuna EVOLUZIONE Le frequenze genotipiche sarebbero stabilite dalle frequenze alleliche Questa legge afferma che la riproduzione, da sola, non potrà determinare l evoluzione

101 Condizioni necessarie per soddisfare la legge di Hardy e Weinberg Le condizioni elencate in precedenza sono teoriche, e non vengono mai rispettate in natura in modo assoluto Di fatto la legge di H.W. è applicabile a molti studi di popolazione ed è molto utile Bisogna comunque verificare con test statistici (es: test χ2) la sua applicabilità al campione in esame

102 Calcolo delle frequenze alleliche 1. E semplice per un locus con due alleli codominanti (p.es. locus gruppo sanguigno MN) Fenotipi: M MN N Genotipi: MM MN NN In un campione di 100 individui si contano 52 MM 36 MN 12 NN Frequenza dell allele M? n copie M presenti / n totale degli alleli ((52x2) + 36) / 200 = 0,7

103 Calcolo delle frequenze alleliche 2. Frequenza dell allele N? n copie N presenti/ n totale degli alleli ((12x2) + 36) / 200 = 0,3 Se la popolazione campionata rispetta equilibrio di H.W. le distribuzioni genotipiche attese sono: p 2 (MM)= 0,7x0,7= pq (MN)= 2x0,7x0,3=0,42 q 2 (NN)= 0,3x0,3=0,09 Il test del χ2 [Σ (oss.-att.) 2 /att.] mi dice che gli scostamenti fra osservati e attesi NON sono statisticamente significativi, quindi H.W. è rispettato: la popolazione è in equilibrio

104 Utilizzo pratico della legge di Hardy-Weinberg La fibrosi cistica è una malattia recessiva, rara, che colpisce in Italia 1/2000 neonati. Qual e la frequenza dei portatori sani? q 2 = 1/2000 (frequenza di aa) = q = = p = 1-q = ƒ Aa = 2pq = cioè 1/23 La probabilità che due Aa si incrocino è 1/23 x 1/23 = 1/529 Se entrambi i genitori sono Aa, ¼ dei figli sarà aa (malato). Quindi, il rischio che due italiani non imparentati e senza casi di malattia nelle rispettive famiglie abbiano un figlio malato è: 1/4 x 1/23 x 1/23 = 1/2116 cioè molto simile all 1/2000 osservato

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107 L analisi dei profili del DNA si basa sulle assunzioni di Hardy-Weinberg Si studiano quelle parti del genoma che non influiscono sul fenotipo e che quindi non sono soggette a selezione naturale/artificiale, quali le sequenze corte ripetute che ricadono nelle regioni intergeniche

108 Ogni individuo può essere classificato come omozigote o eterozigote in base al numero di copie di una particolare ripetizione presenti nello stesso locus dei due cromosomi omologhi Individuo 1: eterozigote Individuo 2: omozigote Individuo 3: eterozigote

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110 A ciascun numero di copie è assegnata una frequenza in base alla frequenza osservata in una particolare popolazione Se si considerano ripetizioni su cromosomi diversi, è possibile usare la regola del prodotto per calcolare la probabilità che una particolare combinazione di ripetizioni venga trovata in una popolazione. Si applica poi la legge di Hardy- Weinberg: la disposizione dei frammenti indica se un individuo è omozigote (p 2 o q 2 ) o eterozigote (2pq) per ogni ripetizione. Queste frequenze vengono poi moltiplicate.

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113 Dito medio più corto del secondo e del quarto: Carattere autosomico recessivo Se 9 individui su 100 hanno il dito medio più corto (dd), la frequenza è 9/100 o 0,09 Dato che dd corrisponde a q 2, q = 0,3 Dato che p + q = 1, p= 0,7 Quindi la proporzione dei tre genotipi generati quando i gameti si combinano casualmente, nella generazione 1 è: DD = p 2 = (0,7) 2 = 0,49 = 49% Dd = 2pq = 0,7 x 0,3 = 0,42 = 42% dd = q 2 = (0,3) 2 = 0,09 = 9% Quindi 9 individui su 100 avranno il dito medio più corto (dd), mantenendo la frequenza di 9/100 o 0,09 Pertanto la proporzione dei tre genotipi generati quando i gameti si combinano casualmente, nella generazione 2 sarà: DD = p 2 = (0,7) 2 = 0,49 = 49% Dd = 2pq = 0,7 x 0,3 = 0,42 = 42% dd = q 2 = (0,3) 2 = 0,09 = 9%

114 Quando i test statistici mostrano discrepanze significative fra le frequenze genotipiche osservate e le frequenze attese in base alla formula p2, 2pq, q2.. dobbiamo pensare che una o piu delle condizioni di validità della legge siano state violate Per esempio, nel caso del dito medio più corto del secondo e del quarto possiamo ipotizzare che sia errata l ipotesi che le persone scelgano il proprio compagno senza considerare la lunghezza delle dita (accoppiamento quindi non casuale)

115 Fattori che possono disturbare l equilibrio di Hardy-Weinberg Vari fattori possono disturbare l equilibrio di H. W.: 1. Accoppiamento non casuale 2. Mutazione 3. Migrazione 4. Inincrocio 5. Selezione 6. Dimensioni ridotte della popolazione Uno o piu fattori che violino le condizioni di validità della legge di H.W. possono promuovere cambiamenti nelle frequenze alleliche e genotipiche -> EVOLUZIONE

116 Fattori che cambiano frequenze geniche Mutazione Selezione Migrazione Introducono variabilità nel pool genico Dimensioni limitate di una popolazione (<1000 ii) Unioni non casuali (p.es. inincrocio) Riducono la variabilità del pool genico L'inincrocio è l'incrocio fra individui strettamente imparentali o consanguinei

117 Fattori che cambiano frequenze geniche. 1 Accoppiamento non casuale

118 Fattori che cambiano frequenze geniche. 2 Mutazione/Selezione La mutazione - evento raro e casuale - crea nuove varianti alleliche La selezione agisce sugli individui mutanti: se la mutazione è vantaggiosa verrà selezionata positivamente -> aumenta la frequenza della nuova variante allelica

119 Fattori che cambiano frequenze geniche. 3 Migrazione o flusso genico Influsso di geni provenienti da altre popolazioni Previene la differenza genetica fra popolazioni Aumenta la variabilità genetica entro popolazioni Effetti della migrazione sulle frequenze geniche (q): Δq = variazione frequenza genica i = frazione di immigrati qn = frequenza nei nativi qi = frequenza negli immigrati Δq= i(qn-qi)

121 Fattori che cambiano frequenze geniche. 4 L inincrocio (inbreeding) Accoppiamento fra individui che condividono una certa quota di alleli identici per discendenza Può essere la conseguenza di matrimoni fra membri di comunità ristrette e geograficamente isolate Può essere la conseguenza di matrimoni combinati fra consanguinei (p.es. primi cugini) per ragioni religiose, culturali, patrimoniali etc. Aumenta la probabilità di omozigosi nella prole per alleli recessivi rari Comparsa di malattie AR rare

123 Per la maggior parte delle specie a fecondazione incrociata, l inincrocio è dannoso in quanto aumenta la proporzione degli omozigoti favorendo quindi la comparsa di omozigoti recessivi deleteri o addirittura letali Depressione da inincrocio Riduzione della fitness conseguente alla pratica sistematica dell inbreeding Dovuta all omozigosi per alleli recessivi con effetto deleterio Si osservano ad es. riduzione di fertilità, ridotto tasso di sopravvivenza, comparsa di malformazioni, aumentata suscettibilità alle infezioni

124 Eteròsi (o vigore) dell ibrido L'eterosi si riferisce all incrocio tra due linee pure che porta alla generazione di ibridi caratterizzati genotipicamente da un incremento di eterozigosità. Il termine è l'opposto di inbreeding che si riferisce all'incrocio tra consanguinei aumentando l omozigosi cioè la presenza di alleli identici nello stesso locus. All'eterosi si associa il fenomeno osservato detto vigore dell'ibrido, in cui l'individuo prodotto dell'accoppiamento risulta con caratteristiche di fenotipo particolarmente vigorose

125 Vantaggio dell eterozigote si è verificato in africa occ. in ambiente malarico. gli eterozigoti β a β s hanno fitness maggiore degli omozigoti β a β a, perché risultano resistenti alla malaria (i loro globuli rossi sono inospitali al protozoo plasmodium) e anche degli omozigoti β s β s, gravemente colpiti dalla anemia falciforme. Quindi l allele dannoso viene mantenuto nella popolazione perché porta un vantaggio: polimorfismo bilanciato

126 Polimorfismo bilanciato In una popolazione, è il mantenimento di più di un allele in conseguenza della superiorità adattativa degli eterozigoti rispetto agli omozigoti. Rappresenta il risultato della pressione selettiva su una mutazione sfavorevole, che ne permette la persistenza in una popolazione. Per esempio, la persistenza del gene per l'anemia falciforme nelle popolazioni africane grazie alla protezione contro la malaria manifestata dagli eterozigoti. La diffusione della malaria rende la situazione eterozigote molto favorevole dal punto di vista evolutivo. In questo modo le frequenze dei fenotipi omozigoti ed eterozigoti si mantengono relativamente stabili.

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129 Fattori che cambiano le frequenze geniche. 5 La selezione (naturale e artificiale)

130 Fattori che cambiano le frequenze geniche. 6 La deriva genetica La deriva genetica (Drift) è la variazione, dovuta al caso, delle frequenze alleliche in una piccola popolazione La deriva genetica è principalmente causata dall effetto del fondatore e dal collo di bottiglia

131 La deriva genetica fa variare le frequenze alleliche all interno delle popolazioni, portando a una riduzione di variabilità genetica attraverso la fissazione e la divergenza tra le popolazioni Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

132 In questo esperimento sono prese in esame le frequenze di due alleli (bw75 e bw) che influiscono sul colore dell occhio in drosofila, in 107 popolazioni replicate, costituite da 8 maschi e 8 femmine, in cui la frequenza iniziale di bw75 era 0,5 Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

133 Cause della deriva genetica EFFETTO DEL FONDATORE Si ha quando una nuova popolazione viene stabilita da un numero limitato di individui. Es. Situazioni di isolamento ecologico

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136 Cause della deriva genetica EFFETTO COLLO DI BOTTIGLIA (Bottleneck) Si ha quando una popolazione si trova in condizioni sfavorevoli che riducono drasticamente il numero di individui Determina variazioni casuali nelle frequenze alleliche simili a quelle dovute all effetto del fondatore

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