Variabilità genetica

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1 Variabilità genetica La variabiltà della struttura genetica esistente nelle popolazioni è superiore a quella riconducibile alle differenze fenotipiche. Essa può essere misurata analizzando i polimorfismi della sequenza di DNA e individuando i diversi genotipi. Polimorfismo: proprietà di un gene di avere 2 o più alleli con frequenze maggiori dell 1%. Nella specie umana due individui differiscono in media per 3 milioni di nucleotidi (0.1 % del genoma)

2 Tipo di marcatore N di loci Caratteristiche Gruppi sanguigni Varianti mobilità elettroforetica proteine sieriche Tipi HLA RFLP del DNA VNTR del DNA (minisatelliti) VNTR del DNA (microsatelliti) SNPs del DNA (minisatelliti) Polimorfismi e Marcatori genetici Circa 20 Circa 30 Genotipo non facilmente desumibile. Posizioni fisiche dei geni non note. Posizioni fisiche dei geni non note. Polimorfismo limitato 1 Un solo gruppo di associazione > 10 5 potenzialmente > 10 4 potenzialmente > 10 5 potenzialmente > Arrays 2 alleli/locus. Southern o PCR. Facile localizzazione fisica Molti alleli/locus. Southern. Più frequenti alle estremità dei cromosomi Molti alleli/locus. PCR automatizzata. Tutto il genoma.

3 GENETICA DI POPOLAZIONI La genetica di popolazione studia la composizione dei geni all interno di un gruppo di individui cioè le diverse forme alleliche e i diversi genotipi, le variazioni che interessano questi geni nel tempo e le differenze esistenti tra vari gruppi o popolazioni

4 Frequenze genotipiche e frequenze alleliche di una popolazione In un sistema a due alleli, A e a: f(aa)= Num. di individui AA N f(aa)= Num. di individui aa N f(aa)= Num. di individui Aa N p =f(a)= 2 x AA + Aa 2N q =f(a)= 2 x aa + Aa 2N

5 Frequenze alleliche di un locus legato all X In un sistema a due alleli, X A e X a : p =f(x A )= 2 X A X A + X Aa + X A Y 2xfemm.+1xmaschi q =f(x a )= 2 X a X a + X Aa + X a Y 2xfemm.+1xmaschi

6 FREQUENZE GENOTIPICHE GRUPPO SANGUIGNO MN Population M/M M/N N/N Eskimo Egyptian Chinese Australian aborigine Stratificazione della popolazione umana in Gruppi Etnici

7 Effetto della riproduzione sessuale sulla variabilità. L equilibrio di Hardy-Weinberg In una popolazione ampia, caratterizzata da accoppiamento casuale, ogni genotipo si accoppia in modo proporzionale alla sua frequenza. Quindi, le frequenze dei tipi di gameti A e a nella popolazione saranno p e q. A (p) a (q) A (p) A/A (p 2 ) A/a (pq) a (q) A/a (pq) a/a (q 2 ) Quindi, dopo un ciclo riproduttivo, le frequenze genotipiche nella popolazione saranno p 2 per A/A, 2pq per A/a, and q 2 per a/a. Quindi: p 2 + 2pq + q 2 = 1

8 Legge di Hardy-Weinberg Condizioni necessarie: 1. popolazione infinitamente grande. 2. accoppiamento casuale 3. assenza di mutazione, migrazione e selezione naturale Enunciato: Se queste condizioni sono rispettate le frequenze genotipiche non variano nel corso delle generazioni e dipendono dalle frequenze alleliche secondo l equazione p 2 + 2pq + q 2 = 1

9 Frequenze genotipiche di un locus legato all X In equilibrio di Hardy-Weinberg: femmine f(x A X A )= p 2 f(x a X a )= q 2 f(x A X a )= 2pq maschi f(x A Y)= p f(x a Y)= q

10 Relazioni tra i genotipi e le frequenze alleliche

11 Applicazione della legge 1. Verifica delle proporzioni di Hardy-Weinberg Locus Perossidasi degli alberi di Pino Ponderosa del Colorado Genotipi Valori osservati R2R2 135 R2R3 44 R3R3 11 Sono in equilibrio? Calcoliamo dapprima le frequenze alleliche p =f(r2)= 2 x R2R2 + R2R3 2N 2(135) +44 = = (190) q =f(r3)= 2 x R3R3 + R2R3 2N = p+q=1

12 poi calcoliamo le frequenze genotipiche attese dall equilibrio di Hardy-Weinberg: R2R2=p 2 =(0.826) 2 =0.683 R2R3=2pq=2(0.826)(0.174)=0.287 R3R3=q 2 =(0.174) 2 =0.03 moltiplicando queste frequenze attese per il numero totale di individui N si ottiene il valore numerico atteso per ogni genotipo: Valori attesi Valori osservati R2R2=0.683 x 190 = R2R3=0.287 x 190 = R3R3=0.03 x 190 = Conclusione: è altamente improbabile che i genotipi siano in equilibrio di Hardy-Weinberg

13 Esempi di popolazioni in equilibrio Population FREQUENZE GENOTIPICHE OSSERVATE M/M M/N N/N FREQUENZE GENOTIPICHE ATTESE M/M M/N N/N Eskimo Egyptian Chinese Australian aborigine

14 2. Stima delle frequenze alleliche per mezzo della legge di Hardy- Weinberg. Es. Carattere autosomico recessivo: Fibrosi cistica Incidenza della malattia 1/2000 quindi q 2 = q = = 0.02 p = = 0.98 f(aa)= 2pq = 2 x 0.98 x 0.02 = % portatori allele fibrosi cistica nella popolazione caucasica

15 Fattori che alterano le frequenze alleliche Mutazione Migrazione Accoppiamenti non casuali Selezione Eventi casuali che si verificano nelle piccole popolazioni (deriva genetica)

16 La variabilità derivante da mutazione I tassi di mutazione spontanea sono molto bassi, tanto che la mutazione da sola (in assenza di selezione o deriva genetica) non può spiegare l evoluzione delle popolazioni e delle specie Point-Mutation Rates in Different Organisms Organism Gene Mutation rate per generation Bacteriophage Host range Escherichia coli Phage resistance Zea mays (corn) R (color factor) Y (yellow seeds) Drosophila melanogaster Average lethal

17 L azione esercitata dalla mutazione è lenta µ sono necessarie generazioni per dimezzare la frequenza di p

18 La variabilità derivante da migrazione

19 La migrazione causa: aumento delle dimensioni di una popolazione riduce la divergenza tra popolazioni diverse si oppone agli effetti della deriva genetica

20 La selezione naturale Selezione naturale: sopravvivenza e riproduzione differenziale dei genotipi caratterizzati da fitness diversa Fitness darwiniana: valore che indica la probabilità relativa di sopravvivenza e di riproduzione media di un genotipo in un determinato ambiente

21 Teoria dell evoluzione (C. Darwin) 1. Principio della variabilità 2. Principio dell ereditarietà 3. Principio della selezione C. Darwin

22 Effetto della selezione di una mutazione vantaggiosa sulla frequenza allelica

23 Esempio di selezione naturale e ruolo dell ambiente

24 Polimorfismo bilanciato (vantaggio dell eterozigote) Si verifica quando la fitness dell eterozigote non è intermedia ma più estrema rispetto a quelle degli omozigoti. In questo caso la selezione non porta alla scomparsa di un allele ma tende a raggiungere una frequenza allelica intermedia

25 Anemia falciforme e malaria Distribuzione della malaria Distribuzione dell allele HbS Un esempio di vantaggio dell eterozigote è quello che ha causato l espansione dell anemia falciforme nelle zone in cui la malaria è endemica

26 Deriva genetica. Variazione delle frequenze alleliche dovuta al caso

27 Simulazione di Deriva genetica La Deriva genetica si osserva nelle popolazioni di piccole dimensioni E dovuta ad un errore di campionamento

28 La deriva genetica causa: La perdita di variabilità genetica all interno delle popolazioni la divergenza tra popolazioni diverse la fluttuazione delle frequenze alleliche di una popolazione nel tempo

29 Effetto del fondatore Isola di Tristan da Cuna 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.

30 Effetto collo di bottiglia

31 Incroci non casuali Inbreeding o Inincrocio: accoppiamento tra consanguinei Esoincrocio o Esogamia: accoppiamento preferenzialmente tra non consanguinei L inincrocio aumenta l omozigosità. L esogamia aumenta l eterozigosità.

32 Riassunto degli effetti delle forze evolutive sulla variabilità genetica

33 Esercizio La lana Bianca dipende da un allele B dominante e la lana nera dal suo allele recessivo b. Si supponga che un campione di 900 pecore abbia dato i seguenti risultati: 891 pecore con lana bianca e 9 pecore con lana nera. Si calcolino le frequenze degli alleli B e b e quelle dei tre genotipi BB, Bb e bb nella popolazione, supponendo che sia rispettato l equilibrio di Hardy-Weinberg.