LE FORZE CHE CAMBIANO LE FREQUENZE ALLELICHE

Transcript

1 LE FORZE CHE CAMBIANO LE FREQUENZE ALLELICHE

2 Le forze che cambiano le frequenze alleliche Mutazione Migrazione Deriva genetica casuale Selezione naturale

3 Ogni volta che una forza evolutiva fa variare una frequenza allelica in una popolazione dobbiamo chiederci: a) Quanto è ampia la variazione b) In che direzione va la variazione c) Come cambia la variabilità genetica entro la popolazione e tra diverse popolazioni

4 LE MUTAZIONI

5 La variabilità derivante da mutazioni La mutazione rappresenta l unica fonte di variabilità genetica poiché è l unico fenomeno biologico che genera nuovi alleli in una specie, tuttavia...i tassi di mutazione spontanea sono talmente bassi, che la mutazione da sola non può spiegare la rapida evoluzione delle popolazioni e delle specie. Tassi di mutazione puntiforme in vari organismi Organismo Gene Tasso di mutazione per generazione Batteriofago Spettro d ospite Escherichia coli Resistenza ai fagi Zea mays (mais) R (fattore del colore) Y (semi gialli)

6 Effetto delle mutazioni sulle frequenze alleliche µ = tasso di mutazione di G 1 in G 2 ν = tasso di reversione di G 2 in G 1 Assunzioni: popolazione grande selezione naturale e migrazione assenti La frequenza con cui G 1 diventa G 2 è= µp La frequenza con cui G 2 diventa G 1 è=νq quindi Δp = νq - μp Δq = µp - νq

7 Frequenze alleliche all equilibrio All equilibrio il numero di alleli che mutano è uguale al numero di alleli che vanno incontro a reversione: Δp = νq - µp siccome q = 1 - p Δp = ν (1 p) µp = ν - νp - µp = ν -p(ν + µ) All equilibrio Δp= 0 0 = ν -p(ν + µ) p(ν + μ) = ν ^ p ν = µ+ ν Δq = µ p - νq siccome p = 1 - q Δq = µ (1 q) νq = µ - µq - νq = µ - q(µ + ν) All equilibrio Δq = 0 0 = µ - q(µ + ν) q(µ + ν) = µ ^ q µ = µ+ ν ^ p = frequenza di A all equilibrio ^ q = frequenza di a all equilibrio

8 a) Quanto è ampia la variazione? Δp = νq - μp Δq = µp - νq b) In che direzione va la variazione? Le frequenze alleliche tendono a raggiungere un equilibrio in cui ulteriori mutazioni non cambiano le frequenze alleliche c) Come cambia la variabilità genetica? Aumenta sia nella popolazione che tra le diverse popolazioni

9 Nell uomo, in ciascuna generazione circa un allele normale su muta all allele recessivo per l emofilia. Si assuma che un allele a su muti all allele A normale per generazione. Le frequenze di mutazione sono indicate nell equazione seguente: µ A a ν dove µ = 10ν. Quale frequenza allelica prevarrà all equilibrio in queste circostanze, assumendo che sulla popolazione agiasca soltanto la mutazione?

10 LE MIGRAZIONI

11 La variabilità derivante da migrazioni La migrazione o flusso genico di individui all interno di una popolazione ha i seguenti effetti: 1. Può cambiare il pool genico della popolazione poiché i migranti possono introdurre nella popolazione nuovi alleli. 2. Può cambiare le frequenze alleliche della popolazione se le frequenze alleliche dei migranti e quelle della popolazione ricevente sono diverse. 3. Riduce le divergenze genetiche tra le popolazioni.

12 Effetto della migrazione sulle frequenze alleliche Assunzioni: flusso genico unidirezionale: dalla popolazione x alla popolazione y p x = frequenza dell allele A nella popolazione x p y = frequenza dell allele A nella popolazione y m = proporzione di migranti la frequenza dell allele A nella popolazione y in seguito a migrazione è dopo una generazione è data dalla somma degli alleli A dei migranti e degli alleli A dei residenti: p y = mp x + (1-m)p y dove: mp x = alleli A dei migranti (1-m)p y = alleli A dei residenti

13 La variazione nella frequenza allelica di A nella popolazione y in seguito alla migrazione è pari alla frequenza di A dopo la migrazione meno la frequenza originale di A: Δp p = p p y - p y siccome p y = mp x + (1-m)p y Δp p = mp x + (1-m)p y p y ossia Δp p = m(p x p y ) se p x = p y allora Δp = 0 La La variazione della frequenza allelica dovuta a migrazione dipende da da due due fattori: la la proporzione dei dei migranti e la la differenza tra tra le le frequenze alleliche dei dei migranti e i i residenti La La migrazione ha ha effetto sul sul pool pool genico di di una una popolazione se se le le frequenze alleliche delle due due popolazioni sono inizialmente diverse. Man Man mano che che la la migrazione prosegue, le le frequenze delle due due popolazioni diventano sempre più più simili fino fino a diventare uguali. In In questo caso non non si si osserva più più alcun cambiamento nel nel pool pool genico della popolazione

14 a) Quanto è ampia la variazione? Δp p = m(px py) L ampiezza della variazione dipende sia dalla proporzione dei migranti sia dalla differenza tra le frequenze alleliche tra le due popolazioni b) In che direzione va la variazione? Le frequenze alleliche tendono a raggiungere un equilibrio in cui ulteriori migrazioni non cambiano le frequenze alleliche c) Come cambia la variabilità genetica? Aumenta entro la popolazione, ma diminuisce tra le popolazioni

15 Un allele recessivo per i capelli rossi (r) presenta una frequenza pari a 0.2 nella popolazione x e a 0.01 nella popolazione y. Una carestia che colpisce la popolazione x determina la migrazione di un certo numero di persone da questa verso la popolazione y, in cui i membri del primo gruppo si riproducono in maniera casuale con quelli del secondo. I genetisti stimano che, dopo la migrazione, il 15% delle persone della popolazione y sia costituita da persone migrate dalla popolazione x. Quale sarà la frequenza dei capelli rossi nella popolazione y dopo la migrazione?

16 LA DERIVA GENETICA

17 La variabilità derivante dalla deriva genetica casuale La deriva genetica rappresenta la variazione nella frequenza allelica di una popolazione dovuta ad avvenimenti casuali. Le deviazioni casuali dai rapporti attesi a causa della limitatezza del campione vengono definiti: ERRORE DI CAMPIONAMENTO Dal momento che gli scostamenti dai rapporti attesi sono casuali, la direzione della variazione non è prevedibile, tuttavia è prevedibile l ampiezza di tale variazione, che è inversamente proporzionale alle dimensioni effettive della popolazione: 2 s p = pq 2N e N e = dimensione effettiva della popolazione

18 Le dimensioni effettive della popolazione In campo ecologico e in campo demografico le dimensioni di una popolazione sono calcolate come numero degli individui che costituiscono la popolazione...tuttavia non tutti gli individui di una popolazione danno il loro contributo gametico alla generazione successiva...pertanto in Genetica di popolazioni la dimensione di una popolazione dipende dal numero di individui adulti che si riproducono

19 Le dimensioni effettive della popolazione Se maschi e femmine non sono presenti in numero uguale, la dimensione effettiva della popolazione si calcola nel modo seguente: N e = 4 x N f x N m N f + N m N f = numero di femmine in età riproduttiva N m = numero di maschi in età riproduttiva La dimensione effettiva della popolazione diminuisce quando il numero dei maschi e delle femmine che si incrociano non è uguale N m N f N e

20 Le cause della deriva genetica La deriva genetica e dovuta sempre ad errori di campionamento che a loro volta possono essere dovuti a: Piccole dimensioni della popolazione Effetto del fondatore Effetto a collo di bottiglia

21 Popolazioni di piccole dimensioni Le dimensioni di una popolazione possono rimanere costantemente piccole per un periodo di tempo prolungato per vari motivi come: Spazi limitati Risorse nutritive limitate

22 Effetto del fondatore L effetto del fondatore si verifica quando una popolazione viene stabilita inizialmente a partire da pochi individui che si riproducono tra loro. Ad una singola generazione di campionamento casuale seguono varie generazioni in cui la popolazione si mantiene di piccole dimensioni. L effetto del fondatore compare : nelle popolazioni pioniere nelle specie importate Frequenze alleliche relative al locus del gruppo sanguigno AB0 in tre popolazioni umane

23 Effetto a collo di bottiglia L effetto a collo di bottiglia si verifica quando una popolazione subisce una drastica riduzione di numero Tra il 1820 e il 1880 gli elefanti marini dell emisfero settentrionale subirono un effetto a collo di bottiglia a causa dei cacciatori. Nel 1884 ne rimasero solamente 20 esemplari. Attualmente ne esistono esemplari, tutti geneticamente molto simili tra loro

24 Specie a rischio di estinzione a causa Il leopardo delle nevi di colli di bottiglia Il grillo campestre Il bisonte europeo L orice d Arabiad Il condor della California L oca delle Hawaii

25 La deriva genetica e gli abitanti dell isola di Tristan da Cuna Il livello di incidenz a dell asma tra gli abitanti dell isola di Tristan da Cuna è tra i più alti al mondo per un fenomeno di effetto del fondatore Colonizzata da W. Glass nel 1817 Arrivo di marinai scampati a naufragio e donne trasferite da S. Elena Pololazione di 100 abitanti nel , Morte di Glass. Emigrazione e riduzione popolazione a 33 abitanti 1885, dopo espansione, nuova riduzione per morte di 15 uomini ed emigrazione delle vedove Attualmente, 300 abitanti. Elevata incidenza di asma.

26 Gli effetti della deriva genetica All interno di una popolazione Fluttuazioni delle frequenze alleliche Fissazione degli alleli (riduzione della variabilità) Tra le popolazioni Divergenza genetica

27 Fluttuazioni nelle frequenze alleliche Le frequenze alleliche vagano casualmente e a lungo andare vanno alla deriva, causando fissazione di un allele nelle popolazioni e divergenza genetica tra le popolazioni

28 Effetti sulla deriva genetica sue due popolazioni di dimensioni effettive diverse La fluttuazione dell e frequenze alleliche è più ampia nelle popolazioni più piccole (N=10).

29 Fissazione di un allele e riduzione della variabilità genetica La probabilità che un allele si fissi aumenta con il passar del tempo. Se le frequenze alleliche iniziali sono uguali, quale degli alleli si fissi è puramente dovuto al caso. Se le frequenze alleliche di partenza sono diverse, è più probabile che venga perso l allele più raro.

30 a) Quanto è ampia la variazione? Più piccole sono le dimensioni effettive della popolazione più grande è la variazione delle frequenze alleliche b) In che direzione va la variazione? Le frequenze alleliche tendono a fluttuare cioè a variare in maniera casuale fino a che un allele viene fissato e un altro perso c) Come cambia la variabilità genetica? Diminuisce entro la popolazione, ma aumenta tra le popolazioni

31 LA SELEZIONE NATURALE

32 La variabilità derivante dalla selezione naturale Il concetto di selezione naturale selezione naturale nasce nella seconda metà del XIX secolo ad opera di due naturalisti: Charles Darwin Alfred Russel Wallace

33 I principi della teoria darwiniana Il principio della variabilità. Gli individui di una popolazione differiscono tra loro a livello morfologia, fisiologia e comportamento. Il principio dell ereditarietà. I figli sono più simili ai loro genitori che a individui a cui non sono legati da relazioni di parentela. Il principio della selezione. In un dato ambiente alcuni individui hanno più successo di altri nella sopravvivenza e nella riproduzione.

34 La variabilità derivante dalla selezione naturale La selezione naturale è definita come la sopravvivenza e la riproduzione differenziale dei genotipi Individui con caratteri adattativi producono una progenie più numerosa di altri Attraverso la selezione naturale i caratteri che contribuiscono alla sopravvivenza e alla riproduzione aumentano nel corso del tempo, permettendo agli individui di una popolazione di adattarsi meglio all ambiente in cui vivono

35 L esempio della Biston betularia, la falena screziata Il fenotipo tipico (chiaro) era favorito nelle zone rurali, come Dorset Il fenotipo carbonaria (scuro) era favorito nelle zone industriali, come Birmingham

36 La fitness e il coefficiente di selezione La selezione naturale viene misurata come fitness, che rappresenta la capacità riproduttiva relativa di un genotipo, ossia il successo di un genotipo di riprodursi rispetto al successo riproduttivo di altri genotipi della popolazione Il coefficiente di selezione è una misura dell intensità relativa di selezione nei confronti di un determinato genotipo: s = 1 - W Calcolo dei valori di fitness (W) e del coefficiente di selezione (s)

37 Effetti della selezione sulle frequenze alleliche Gli effetti della selezione naturale sulle frequenze alleliche di una popolazione sono vari. La selezione naturale può: far variare le frequenze alleliche fino all eliminazione dell allele dominante sfavorevole e la fissazione dell allele recessivo favorevole far variare le frequenze alleliche riducendo ma non eliminando l allele recessivo sfavorevole far variare le frequenze alleliche fino al raggiungimento di un equilibrio in cui tutti gli alleli sono mantenuti nella popolazione Quale di questi effetti si verifica in una popolazione dipende dalle fitness relative dei genotipi e dai rapporti di dominanza e recessività

38 Il modello generale della selezione Il modello generale della selezione viene utilizzato per calcolare la variazione delle frequenze alleliche determinata dalla selezione. Può essere utilizzato per qualsiasi tipo di carattere monogenico: dominante, recessivo, codominante, dominante incompleto. Condizioni necessarie per applicare il modello generale della selezione: Accoppiamento casuale La selezione deve essere l unica forza evolutiva agente sulla popolazione Bisogna conoscere Le frequenze alleliche iniziali Le fitness dei genotipi

39 Il modello generale della selezione A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Totale Frequenze genotipiche Frequenze relative Frequenze genotipiche dopo selezione p 2 2pq q s p 2 2pq q 2 (1-s) 1-sq 2 Frequenze ricalcolate dopo selezione p 2 /1-sq 2 2pq/1-sq 2 q 2 (1-s)/1-sq 2 1 Dopo la selezione la frequenza dell allele A diventa: p = f(a 1 A 1 ) + ½ f(a 1 A 2 ) = p 2 /1-sq 2 + ½ (2pq/1-sq 2 ) = p/1-sq 2 q =1-p Δp = p -p = (p/1-sq 2 ) p = spq 2 /1-sq 2

40 I diversi tipi di selezione Relazione delle fitness Fitness dei genotipi A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Forma di selezione Conseguenza Calcolo del Δq W 11 = W 12 > W s Direzionale contro un allele recessivo A 2 A 1 aumenta, A 2 diminuisce -spq 2 /1-sq 2 W 11 = W 12 < W 22 1-s 1-s 1 Direzionale contro un allele dominante A 1 A1 diminuisce, A 2 aumenta -spq 2 / (1-s +sq 2 ) W 11 > W 12 > W s/2 1-s Direzionale contro un allele a dominanza incompleta A 2 A 1 aumenta, A 2 diminuisce -spq 2 /1-sq W 11 < W 12 < W 22 1-s 1-s/2 1 Direzionale contro un allele a dominanza incompleta A 1 A 1 diminuisce, A 2 aumenta -(1/2 spq)/ 1-sq W 11 < W 12 > W 22 1-s s 2 Sovradominanza Equilibrio stabile W 11 > W 12 < W s 1 Sottodominanza Equilibrio instabile pq(s 1 p-s 2 q)/ 1-s 1 p 2 -s 2 q 2 spq(q-p)/ 1-2spq

41 La selezione direzionale La selezione direzionale fa variare le frequenze alleliche in modo da: eliminare l allele dominante sfavorevole dalla popolazione e fissare l allele recessivo favorevole mantenere con bassa frequenza nella popolazione l allele recessivo sfavorevole, nascosto dallo stato eterozigote In natura la selezione direzionale si verifica quando una nuova popolazione si insedia in un nuovo territorio (colonizzazione) l ambiente di un territorio cambia con continuità

42 Velocità di variazione della frequenza allelica La velocità con cui un allele muta di frequenza a causa della selezione dipende: A) dalle relazioni di dominanza dei genotipi: nel caso di selezione direzionale, le frequenze degli alleli dominanti variano più rapidamente rispetto agli alleli recessivi e dominanti incompleti

43 B) dalle frequenze alleliche iniziali: la variazione è massima quando le frequenze hanno valori intermedi. Per valori vicini allo 0 e all 1 la selezione procederà molto lentamente

44 La selezione equilibrante o stabilizzatrice W11 < W12 > W22. La a fitness dell eterozigote eterozigote è maggiore di quella di entrambi gli omozigoti La sovradominanza porta al raggiungimento di un equilibrio stabile, in cui entrambi gli alleli vengono mantenuti nella popolazione, in quanto entrambi risultano favoriti nel genotipo eterozigote.

45 Sovradominanza o vantaggio dell eterozigote eterozigote Distribuzione dell allele HbS Distribuzione della malaria Il 44% degli africani occidentali è eterozigote per l allele HbS (sovradominanza), mentre i nordamericani sono eterozigoti solo per il 9% (selezione direzionale contro l allele recessivo HbS).

46 La sottodominanza e la selezione diversificatrice W11 > W12 < W22. La a fitness dell eterozigote eterozigote è inferiore di quella di entrambi gli omozigoti Una distribuzione intermedia delle frequenze è instabile e la popolazione è destinata a fissarsi o sull allele A o sull allele a. Esempio di sottodominanza in fitness è l incompatibilità Rh nella specie umana: figli Rh+ (Rh+/Rh-) nati da madre Rh- (Rh-/Rh-) soffrono di anemia emolitica poiché la madre produce anticorpi contro i globuli rossi