Presentazione Genetica 5 - Università degli Studi di Verona

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Genetica 5
LA GENETICA QUANTITATIVA
Caratteri quantitativi
vs.
Caratteri qualitativi
Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2005
1910-1930 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
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.
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
Fattori multigenici + norma di reazione
(NdR: gamma di fenotipi prodotti da un genotipo in vari ambienti)
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
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
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.
Distribuzione normale, asimmetrica e
bimodale
Quando la curva è simmetrica, la distribuzione è normale. B) asimmetrica, C) bimodale
La media
La media fornisce informazioni sul centro di una distribuzione
x=
∑ xi
n
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
La varianza (s2)
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
S2 =
∑ (xi – x)2
n-1
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=
s2
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
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
Coefficiente di correlazione (r)
r=
covxy
sxsy
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
covxy =
∑ (xi – x) (yi – 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
altezza
e
peso
numero uova
e
peso uova
altezza
e
intelligenza
r puo’ essere calcolato anche per una sola variabile misurata per coppie di individui
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=
covxy
sx2
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
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
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.
Influenza dell’ ambiente sulla
variabilità dei caratteri quantitativi
Wilhelm Johannsen (1903-1909):
• 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
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.
Influenza dei fattori genetici sulla variabilità
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 F2.
Eredità del colore della cariosside in frumento
A A B B x A1A1B1B1
P
Colore delle
cariossidi
Bianco
Grado di colore
0
Rosso
molto scuro
4
AA1B B1
F1
Rosso
intermedio
2
AB (¼)
A1B (¼)
AB1 (¼)
A1B1 (¼)
AB (¼)
AABB
AA1BB
AABB1
AA1BB1
A1B (¼)
AA1BB
A1A1BB
AA1BB1
A1A1BB1
AB1 (¼)
AABB1
AA1BB1
AAB1B1
AA1B1B1
A1B1 (¼)
AA1BB1
A1A1BB1
AA1B1B1 A1A1B1B1
F2
Rapporto 15:1
piante con cariossidi colorate (ma di intensità
variabile: chiaro, medio, scuro e molto scuro) e
piante con cariossidi bianche
Influenza dei fattori genetici sulla variabilità
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 A1 e B1 che nel
genotipo delle diverse piante F2
agiscono nello stesso senso in
maniera cumulativa.
A1B1 AB
AB1 2 A1B
A1B 1 3 AB1
AB 1 2 3 A1B1
0
1
2
1
2
2
Azione di fattori A1B1 per il colore
e di alleli A e B per il non colorato
2
3
4
3
alleli “plus”
alleli “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.
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
differenti di una serie;
genica
(epistasi)
tra
loci
• 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
Determinazione numero di geni per
caratteristica poligenica
A1A1 x AA
Vengono incrociati due individui omozigoti per
alleli differenti (A1 e A) di un singolo locus (A)
A1A
A1A x A1A
Gli individui della risultante F1 sono incrociati fra di
loro
A1A1 A1A AA1
¼ della F2 risulterà omozigote come i parentali.
Se ci sono 2 loci coinvolti, ¼ x ¼ = 1/16
Pertanto, in F2 il numero di individui
simili a ciascuno dei parentali (n indica
numero di loci) e’:
1
4
¼
n
2/4
AA
¼
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.
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 F1 la lunghezza del fiore era
intermedia, con una varianza simile a quella
riscontrata nei parentali.
East accoppiò poi fra di loro gli individui F1. Nella
F2 la lunghezza media del fiore era simile a quella
riscontrata nella F1, ma la varianza era molto
superiore, ad indicare la presenza di differenti
genotipi.
Dato che nessuna delle 444 piante F2 mostrava
lunghezza del fiore analoga ai parentali, il
carattere doveva essere codificato da più di 4
loci
Successivamente, East selezionò alcune piante F2
e le incrociò: nella F3 l’estensione del fiore
dipendeva dalla lunghezza del fiore nei parentali.
Questo indicava l’esistenza di differenze sul
piano genetico nell’ambito della F2.
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
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.
Ereditabilità di un carattere (H2)
•
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
Ereditabilità di un carattere (H2)
Esprime la proporzione della variabilità fenotipica (VP) imputabile a
differenze genetiche (VG)
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’:
VG
2
H=
VP
frazione ereditabile della
variazione di un carattere
quantitativo
H2= 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.
COMPONENTI DELLA VARIANZA FENOTIPICA (VP)
Alcune differenze fenotipiche sono dovute a fattori genetici e a fattori ambientali.
VARIANZA GENETICA = VG
(differenze genetiche tra gli individui)
VARIANZA AMBIENTALE = VE
(influenza delle condizioni ambientali)
VP=VG+VE
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!
•
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
COMPONENTI DELLA VARIANZA GENETICA (VG)
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 (VA).
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 (VD).
3.
variazione genetica causata dalle interazioni fra geni diversi, dovuta
fondamentalmente a fenomeni di epistasi. Tale variazione contribuisce alla
varianza genetica da interazione (VI)
VG= VA+ VD+ VI
COMPONENTI DELLA VARIANZA GENETICA (VG)
• VARIANZA ADDITIVA = VA
• VARIANZA dovuta alla DOMINANZA = VD
• VARIANZA EPISTATICA = VI
VG= VA+ VD+ VI
e la varianza fenotipica totale può essere
riscritta come:
VP= VE+ VA+ VD+ VI
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:
H2 = VG/VP
In senso stretto l’ereditabilità è il rapporto fra la varianza genetica additiva e la
varianza fenotipica totale, cioè:
h2 = VA/VP
h2 varia tra 0 (VA=0) e 1(VA=VP)
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.
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.
H2 =
VG
VP
VG
=
VG+ VE
EREDITABILITA’ IN SENSO STRETTO
E’ il rapporto fra varianza genetica additiva e varianza totale. Una stima
dell'efficienza della selezione.
h2 =
VA
VP
VA
=
VG+ VE
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.
Calcolo dell’ ereditabilità in senso lato mediante
eliminazione di componenti della varianza
VP=VG+VE
possiamo annullare VE facendo sviluppare gli
individui nello stesso ambiente -> impossibile
se VE = 0 , VP= VG
possiamo annullare VG facendo sviluppare
individui geneticamente identici
se VG = 0 , VP= VE
VG (degli individui variabili geneticamente)= Vp (variabili) – VE (identici)
H2 =
VG
Vp
Facciamo un esperimento in cui alleviamo individui geneticamente identici in un determinato
ambiente e calcoliamo la VP , che in questo caso corrisponde alla VE. Poi prendiamo individui
geneticamente diversi e calcoliamo la VP . La VG ora la posso calcolare perche’ ho la p e la e
Calcolo dell’ ereditabilità in senso lato mediante
eliminazione di componenti della varianza: esempio
Ereditabilità della chiazzatura bianca nelle cavie
nella popolazione variabile geneticamente VP=573
nella popolazione dopo numerosi incroci (omozigote) VP=340
Poichè in quest’ultimo gruppo VG=0, VP = VE . Questo valore di VE puo’ essere
assegnato anche alla popolazione di partenza (geneticamente variabile)
VP – VE = VG
573 – 340 = 233
VG
H2
=
Vp
233
H2
=
0,41
573
41% della variazione nella chiazzatura delle cavie era dovuto a differenze
riguardanti il genotipo
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
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 (h2) è uguale al coefficiente di regressione (b). Pertanto, il coefficiente
di regressione fornisce informazioni sul grado dell’ereditablità
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
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
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
LA GENETICA EVOLUZIONISTICA
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).
•
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
Specie
Un insieme di popolazioni formate da individui interfecondi, la cui prole a sua
volta è interfeconda: pool genico chiuso
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).
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
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Schema_evoluzione_Biologica.png
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.
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
http://pubs.usgs.gov/gip/2008/58/
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.
Scoperto il primo ibrido Neandertal-Sapiens?
Un accenno di mento in una mandibola neandertaliana potrebbe essere la prima prova fisica
di incroci tra le due specie avvenuti più di 30 mila anni nelle grotte del veronese
La mandibola fu scoperta alla fine degli anni Cinquanta a Riparo Mezzena, una cavità dei
Monti Lessini, in associazione con strumenti in selce riferibili alla cultura musteriana, cioè
quella prodotta dai Neandertal, e secondo la datazione al radiocarbonio eseguita qualche
anno fa risale a un periodo compreso tra i 35 e i 40 mila anni fa. Un momento cruciale per la
comprensioni dei diversi destini evolutivi delle due specie in quanto coincide, in Europa, alla
comparsa dei sapiens e alla scomparsa dei Neandertal.
http://www.nationalgeographic.it/scienza/2013/04/04/news/incroci_neandertal_sapiens_riparo_mezzena-1586967/
Human population diversity is low
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.
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.
Apporto di vitamina D3 garantito dall’alimentazione
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.
http://scienze.befan.it/la-bassa-statura-dei-pigmei-scoperti-i-geni-colpevoli/
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.
http://kurioz.net/fisi-kenian-qe-iu-dhuroi-lope-te-mbijetuarve-te-11-shtatorit/
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
http://viaggi.nanopress.it/fotogallery/mongolia-interna_7185_23.html
Il linguaggio
The Red Queen complained that
in Wonderland "it takes all the
running you can do, to keep in the
same place"
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.
Risposta alla
selezione in mais
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
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 = h2 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
Prevedere la risposta alla selezione (R)
R = h2 x S
h2 =
VA
VP
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
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 (35.3 + 2.8)
L’ereditabilità in senso stretto puo’ pertanto essere calcolata rielaborando
l’equazione R = h2 x S
Ereditabilità realizzata
h2 =
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
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
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
La genetica di popolazione
Gli esseri viventi presentano un
certo grado di variabilità genetica
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
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
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
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
frequenza (aa) =
# individui aa
La somma delle frequenze genotipiche è sempre uguale a 1
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.
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) =
2nAA + nAa
2N
(ogni individuo diploide possiede
due alleli in un locus)
2naa + nAa
q = frequenza (a) =
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.
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.
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
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:
p2 + 2pq + q2 = (p + q)2 = 1
AA
Aa
aa
p+q=1
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
p2 + 2pq + q2 = 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 p2, 2pq e q2, si dice che la popolazione è in
equilibrio di Hardy-Weinberg
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
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
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
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 p2, 2pq, q2
• 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
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
Calcolo delle frequenze alleliche 1.
E’ semplice per un locus con due alleli codominanti (p.es. locus
gruppo sanguigno MN)
• Fenotipi: M MN
• Genotipi: MM MN
N
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
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:
• p2 (MM)= 0,7x0,7= 0.49
• 2pq (MN)= 2x0,7x0,3=0,42
• q2 (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
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?
q2 = 1/2000 (frequenza di aa) = 0.0005
q=
0.0005 = 0.022
p = 1-q = 0.978
ƒAa = 2pq = 0.043 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
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
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
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 HardyWeinberg: la disposizione dei frammenti indica se un individuo è omozigote
(p2 o q2) o eterozigote (2pq) per ogni ripetizione. Queste frequenze vengono
poi moltiplicate.
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 q2, 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 = p2 = (0,7)2 = 0,49 = 49%
Dd = 2pq = 0,7 x 0,3 = 0,42 = 42%
dd = q2 = (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 = p2 = (0,7)2 = 0,49 = 49%
Dd = 2pq = 0,7 x 0,3 = 0,42 = 42%
dd = q2 = (0,3)2 = 0,09 = 9%
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)
Fattori che possono disturbare l’equilibrio di
Hardy-Weinberg
Vari fattori possono disturbare l’equilibrio di H. W.:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Accoppiamento non casuale
Mutazione
Migrazione
Inincrocio
Selezione
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
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
Fattori che cambiano frequenze geniche. 1
Accoppiamento non casuale
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
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= i(qn-qi)
Δq = variazione frequenza genica
i = frazione di immigrati
qn = frequenza nei nativi
qi = frequenza negli immigrati
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
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
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
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
http://maizeandgenetics.tamu.edu/hybridvigor.htm
Vantaggio dell’eterozigote
• si è verificato in africa occ. in ambiente malarico.
• gli eterozigoti βaβs hanno fitness maggiore degli omozigoti
βaβa, perché risultano resistenti alla malaria (i loro globuli
rossi sono inospitali al protozoo plasmodium) e anche degli
omozigoti βsβs, gravemente colpiti dalla anemia falciforme.
Quindi l’allele dannoso viene mantenuto nella popolazione perché porta un
vantaggio: polimorfismo bilanciato
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.
Fattori che cambiano le frequenze geniche. 5
La selezione (naturale e artificiale)
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
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
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
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
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
da Wikipedia:
Evolutionary biologist Richard Dawkins has postulated that human mitochondrial DNA (inherited
only from one's mother) and Y chromosome DNA (from one's father) show coalescence at
around 140,000 and 60,000 years ago respectively. In other words, all living humans' female line
ancestry trace back to a single female (Mitochondrial Eve) at around 140,000 years ago. Via the
male line, all humans can trace their ancestry back to a single male (Y-chromosomal Adam) at
around 60,000 to 90,000 years ago.
This is consistent with the Toba catastrophe theory which suggests that a bottleneck of the
human population occurred c. 70,000 years ago, proposing that the human population was
reduced to c. 15,000 individuals when the Toba supervolcano in Indonesia erupted and
triggered a major environmental change.
However, research on many (but not necessarily most) genes find different coalescence
(Coalescenza: termine genetico per dire relazione di ereditabilità - albero genealogico) points from 2 million years
ago to 60,000 years ago when different genes are considered, thus disproving the existence of
more recent extreme bottlenecks (i.e. a single breeding pair).
On the other hand, in 2000, a Molecular Biology and Evolution paper suggested a transplanting
model or a 'long bottleneck' to account for the limited genetic variation, rather than a
catastrophic environmental change. This would be consistent with suggestions that in subSaharan Africa numbers could have dropped at times as low as 2,000, for perhaps as long as
100,000 years, before numbers began to expand again in the Late Stone Age

Presentazione Genetica 5 - Università degli Studi di Verona

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