Genetica dei caratteri quantitativi

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1 PAS Percorsi Abilitanti Speciali Classe di abilitazione A057 Scienza degli alimenti Tracciabilità genetica degli alimenti Genetica dei caratteri quantitativi 1

2 Concetti di base in genetica L informazione genetica deve essere: conservata espressa trasmessa variabile 2

3 Conservazione dell informazione genetica L informazione genetica è conservata a livello delle molecole di DNA situate all interno del nucleo di ogni singola cellula 3

4 Trasmissione dell informazione genetica L informazione genetica è trasmessa da una cellula all altra, da un individuo all altro e da una popolazione all altra 4

5 Funzione dell informazione genetica Il flusso dell informazione genetica per ogni singolo gene è stabilito dal dogma centrale della Biologia 5

6 Variazione dell informazione genetica La variabilità dell informazione genetica è alla base dei meccanismi evolutivi 6

7 Concetti di base in genetica: genotipo e fenotipo fenotipo studio espressione genotipo 7

8 Genotipo e fenotipo Genotipo = insieme del patrimonio genetico, assetto genico costante ereditato Fenotipo = espressione di un genotipo forma espressa di un carattere variabile (tra individui, nello sviluppo) non ereditato gene A gene C Fenotipo gene B 8

9 Concetti di base in genetica: geni ed alleli gene allele locus cromosoma 9

10 Geni e cromosomi Gene = unità funzionale di DNA Allele = forma alternativa di uno stesso gene Genoma = insieme del patrimonio genetico di un individuo (corredo cromosomico totale) Cromosoma = struttura lineare contenente il DNA (uno o più cromosomi costituiscono un genoma) Cromosomi omologhi = cromosomi contenenti lo stesso insieme di geni (alleli) 10

11 Variazione genetica variazione discontinua: fenotipi distinti polimorfismo mutazione variazione continua: intervallo fenotipico continuo distribuzione a campana 11

12 Genetica quantitativa caratteri quantitativi (QTL) eredità poligenica 12

13 Carattere continuo fenotipi distinti fenotipi sovrapposti 13

14 Variazione continua intervallo fenotipico continuo norma di reazione complessa dipendenza dal genotipo e dall ambiente caratteri multifattoriali 14

15 Tipi di caratteri quantitativi caratteri misurabili 15

16 L'esempio delle malattie complesse multifattoriali suscettibilità (geni di) valore soglia: malattia 16

17 Domande della genetica quantitativa Da cosa dipende la variabilità osservata (variabilità genetica, fattori ambientali, rumore di fondo dello sviluppo) Quali sono le norme di reazione dei genotipi Quale è l importanza della variabilità genetica Quanti e dove sono i loci coinvolti Quale è la relazione tra i loci 17

18 Distribuzione statistica istogramma di frequenza: individuazione di classi o categorie n individui per classe intervallo tra le classi curva continua: ideale curva di distribuzione normale o gaussiana Parametri statistici a) Stima della tendenza centrale b) Dispersione c) Relazione tra misure diverse 18

19 Moda e media moda = classe più frequente media la media dà informazioni sul centro della distribuzione 19

20 Distribuzioni di frequenza a. normale b. asimmetrica c. bimodale 20

21 Varianza e deviazione standard varianza: variabilità di un gruppo di fenotipi deviazione standard: stesse unità della misurazione originale descrizione dell andamento della curva 21

22 Correlazione e covarianza confronto tra due variabili anche di dimensioni molto diverse r=+/-1 relazione lineare r=0 relazione non lineare

23 Curva di regressione previsione di una variabile in base ad un altra coefficiente di regressione: variazione in y per x

24 Confronto tra variabili confronto tra caratteri diversi nello stesso individuo confronto dello stesso carattere tra individui diversi (es genitori, prole)

25 Genotipi e distribuzione fenotipica Distribuzioni per ogni genotipo Distribuzione totale = somma delle sottodistribuzioni pesate per le frequenze di ciascun genotipo 2 parametri 1. Differenze medie tra genotipi 2. Variabilità all interno di un genotipo 25

26 Carattere mendeliano qualitativo distribuzioni per ogni genotipo le distribuzioni rimangono separate (uguale ambiente, non rumore di fondo dello sviluppo) Distribuzione totale (es: aa:aa:aa = 1:2:3) 26

27 Carattere quantitativo Distribuzione totale (es: aa:aa:aa = 1:2:3) distribuzioni per ogni genotipo le differenze medie fenotipiche tra genotipi diversi sono piccole in confronto alla variabilità tra individui entro genotipi 27

28 Eredità poligenica variazione continua o quantitativa non classi distinte 2 o più loci con effetto additivo 28

29 Identificazione di poligeni Caso del tabacco (Nicotiana longiflora) la variazione aumenta con il numero delle generazioni e si distribuisce con una curva a campana attorno al valore medio della generazione precedente 29

30 Ipotesi multifattoriale 1) 2) 3) 4) 5) 6) caratteri misurabili poligeni con effetto additivo alleli additivi e non effetti additivi equivalenti effetto globale: variazione fenotipica analisi su una popolazione ampia 30

31 Ipotesi multifattoriale: un esempio 2 geni alleli A, B additivi AA AA Aa Aa AA aa Aa aa aa BB Bb BB Bb bb BB bb Bb bb 1/16 4 alleli 4/16 3 alleli 6/16 2 alleli 4/16 1/16 1 alleli 0 alleli rosso bianco 5 classi fenotipiche 1:4:6:4:1 31

32 Poligeni n poligeni fe = frequenza dei fenotipi estremi fe = 1 4n n. classi fenotipiche = 2n+1 n. possibili genotipi = 3n (2 alleli per locus, 3 genotipi) il genotipo determina la potenzialità (predisposizione) a cadere in una determinata classe 32

33 Numero di loci quantitativi Non è il numero di geni a determinare se un carattere è quantitativo Dipende dalla grandezza delle differenze fenotipiche tra genotipi in confronto alla variabilità individuale entro classi genotipiche Es: 5 loci, 2 alleli per locus 35 = 243 genotipi 11 classi fenotipiche più genotipi determinano la stessa classe

34 Relazione tra ambiente e fenotipi la distribuzione fenotipica è determinata dalla variazione ambientale mediata dalla norma di reazione del genotipo si possono determinare distribuzioni fenotipiche o ambientali mantenendo costanti le singole variabili (ambiente, genotipo)

35 Ereditabilità Porzione di variabilità fenotipica dipendente da variabilità genetica Familiarità: condivisione di un carattere (fenotipo) tra membri di una famiglia Ereditabilità: somiglianza per condivisione di un genotipo 35

36 Identificazione dell ereditabilità 1. In popolazioni sperimentali: se le progenie di individui estremi sono significativamente diverse tra loro il carattere è ereditabile 2. Popolazioni umane: Somiglianza fenotipica tra parenti Segregazione di marcatori 36

37 Varianza fenotipica totale VT = VG + VE + VGE VG = varianza genetica VE = varianza ambientale VGE = varianza interazione genotipo-ambiente (nota: la varianza è una misura statistica) 37

38 Varianza dell interazione genotipo-ambiente ambiente e genotipo possono correlare in modo proporzionale: ambiente più adatto favorisce genotipo più adatto (es mucche che producono più latte ricevono più cibo) COV GE oppure genotipo e ambiente correlano in modo inverso: variazione generale dipende dal fenotipo nello stesso ambiente: dipende dal genotipo V GxE 38

39 Varianza ambientale vari tipi di effetti ambientali (speciali, famlliari) effetto materno 39

40 Varianza genetica VG = V A+ V D + V I VA = varianza additiva VD = varianza di dominanza VI = varianza di interazione 40

41 Misura della varianza genetica, ambientale e fenotipica A C B A. misura di VE (VG = 0) B. misura di VG (ambiente controllato: VE basso) C. misura di VT: confronto tra individui geneticamente simili o diversi in ambiente non controllato 41

42 Ereditabilità in senso lato H2 = VG / VT = VG / (VG + VE) l ereditabilità in senso lato tiene conto di tutti i fattori genetici V GE trascurabile 42

43 Limiti dell ereditabilità l'ereditabilità non spiega tutta la base genetica di un carattere H2 = 0 non significa assenza di fattori genetici, ma che si è riscontrata solo variazione ambientale: l ereditabilità indica la variazione, non come i geni determinano un carattere H2 alta non significa assenza di effetto ambientale, ma che nel momento della stima la variazione ambientale è irrilevante l ereditabilità non è relativa all individuo, ma ad una popolazione la stima dell ereditabilità è sempre dipendente dalla popolazione e dall ambiente: non è universale non è una misura fissa: può variare in gruppi diversi per effetto ambientale o di composizione genetica l ereditabilità non consente confronti tra popolazioni: una H2 alta in due popolazioni può dipendere da un ambiente omogeneo per ciascuna popolazione, ma diverso tra loro 43

44 Ereditabilità in senso stretto h2 = VA / VT porzione di VT dipendente solo da VA consente di fare ipotesi sul fenotipo medio (senza reincroci) nei caratteri quantitativi VA è alta rispetto VI e VD efficacia della selezione 44

45 Calcolo di h2 l ereditabilità si può calcolare con una retta di regressione da una correlazione tra valori osservati nella progenie e genitori h2 è la pendenza della retta di regressione tra i valori delle medie dei genitori selezionati (valore emiparentale) e della progenie h2 può essere espressa coma una percentuale h2 = 1: nessuna influenza ambientale h2 = 0: nessuna influenza genetica

46 La selezione artificiale 46

47 Valori di ereditabilità per caratteri quantitativi 47

48 Risposta alla selezione aumento del 20% o azzeramento stabilizzazione della risposta 48

49 Stima di h2 R = h2 S R = Risposta alla selezione: differenza tra la media della progenie (XF) e la media della generazione precedente (X ) S = Differenziale di selezione: differenza tra media dei genitori selezionati (XP) e media non selezionata (X ) 49