Genetica di popolazioni (riassunto) PDF

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GENETICA DI POPOLAZIONE

Equilibrio di Hardy-Weinberg È dato da un insieme di equazioni che descrivono l’influenza dell’accoppiamento casuale sulle frequenze alleliche e genotipiche di una popolazione infinitamente grande. La legge di Hardy-Weinberg afferma che: In una popolazione infinitamente grande a incrocio casuale, sulla quale non agiscono mutazione, migrazione e selezione naturale, le frequenze alleliche non variano nel tempo e le frequenze genotipiche si stabilizzano nelle proporzioni date dall’equazione p²+2pq+q²=1. Una deviazione dell’equilibrio di H-W corrisponde all’evoluzione. Una popolazione di piccole dimensioni, incroci non casuali, mutazioni, migrazioni e selezione naturale sono quindi la causa dell’evoluzione.

La composizione genetica di una popolazione è influenzata da 5 forze: 

Deriva genetica Cambiamenti casuali delle frequenze alleliche dovuti alle dimensioni finite della popolazione.



Migrazione Popolazioni che scambiano geni con altre popolazioni della stessa specie poiché non sono completamente isolate. Consiste nel movimento dei geni da una popolazione ad un'altra ed ha luogo solo quando gli organismi o i gameti migrano e contribuiscono con i loro geni al pool genetico della popolazione ricevente (flusso genico). La migrazione è fonte di variabilità genetica per la popolazione ricevente e ne altera le frequenze alleliche.



Ricombinazione / Incroci non casuali All’interno della popolazione possono avvenire incroci non casuali per assortimento positivo (accoppiamento preferenziale tra individui con fenotipo simile) o per assortimento negativo (accoppiamento preferenziale tra individui con fenotipo differente).



Mutazione Una mutazione è un cambiamento ereditabile nel DNA che converte una forma allelica in un’altra. Permette quindi la generazione di nuovi alleli all’interno di una popolazione ed è il premesso dell’evoluzione. Una mutazione può essere vantaggiosa, neutra o svantaggiosa. Quelle vantaggiose si diffondono nella popolazione, mentre quelle svantaggiose o dannose vengono eliminate.



Selezione naturale La selezione naturale è il processo mediante il quale i caratteri evolvono a dare organismi sempre più adatti all’ambiente circostante. All’interno di una popolazione, gli individui che presentano certi genotipi producono una progenie più numerosa di altri e di conseguenza quei genotipi aumentano la loro frequenza nella generazione successiva.

Definizioni:

Pool genico: geni condivisi da una popolazione mendeliana. Costo della selezione: perdita di fitness se si fissa un allele vantaggioso. Epistasi: possibilità che loci diversi possano interagire tra loro. Orologio molecolare: le mutazioni si accumulano con lo stesso tasso con cui insorgono. Modello a siti finiti: modello in cui la probabilità che una mutazione avvenga due volte nello stesso sito (retromutazione) è bassissima.

Locus: una porzione del genoma identificata con caratteristiche uniche. Sito monomorfico: assenza di variazioni a livello di un locus in un campione di individui. Siti segreganti: sono siti polimorfici, ovvero che hanno segregato in forme diverse all’interno di una popolazione.

Allele: variante genetica di un locus specifico. Allele ancestrale e allele derivato: il meno recente e il più recente allele di un locus a livello di evoluzione. Per definirli si ha bisogno di un antenato comune oppure di un outgroup. Outgroup: un campione di individui di una specie o di una popolazione che è esterno agli altri campioni di altre specie o popolazioni.

Differenze fissate: differenze ad un locus tra due gruppi di individui (ma il locus è monomorfico all’interno di ciascun gruppo).

Aplotipo: allele che sta su un cromosoma, di solito si utilizza per indicare tanti siti che variano su una porzione di cromosoma che viene ereditata. Genotipo: entrambe le forme alleliche in un individuo. Conta allelica: il numero di copie dell’allele A in un campione di individui. Frequenza allelica: frazione di un allele in un campione di individui. Allele maggiore o minore: allele più o meno presente all’interno della popolazione. È possibile avere un allele maggiore e diversi alleli minori.

Frequenze genotipiche: frazione di un certo genotipo, quindi della combinazione di due forme alleliche che trovo nello stesso individuo del campione.

SNP: single nucleic polymorphism, una singola base che differenzia dal genoma. Genoma di riferimento: qualsiasi sequenza genomica dove confronto le letture che faccio di altri genomi. Unione assortativa: quando la scelta del partner riproduttivo non è casuale rispetto al suo genotipo.

INBREEDING

L’inbreeding (inincrocio) consiste nell’incrocio preferenziale tra consanguinei. Spesso questo fenomeno può risultare inevitabile in popolazioni molto piccole.

Coefficiente di parentela (kinship) tra due individui (Fij): Probabilità che due alleli presi a caso, uno da ognuno dei due individui (i e j), sono identici per discesa (a causa della loro trasmissione da parte di un individuo comune in una generazione recente). Il coefficiente di inbreeding di un individuo è dato dal coefficiente di parentela tra i suoi genitori e può essere stimato dalle frequenze genotipiche e dagli alberi genealogici. L’unione assortativa provoca un deficit di eterozigoti rispetto alle previsioni di HW che viene misurato come coefficiente di inbreeding (F). Una popolazione soggetta ad inbreeding frequente risulterà quindi un eccesso di omozigoti. Il coefficiente di inbreeding è dato dalla formula

F=

Ho− H Ho

Ho= eterozigosità media attesa H= eterozigosità media osservata Effetto dell’inbreeding sull’equilibrio di HW Equilibrio HW p² 2pq q²

Inbreeding p² + pqF 2pq (1-F) q² + pqF

L’inbreeding non altera le frequenze alleliche. Basta una generazione di accoppiamenti casuali per raggiungere l’equilibrio HW.

LINKAGE DISEQUILIBRIUM Il linkage disequilibrium (LD) è un fenomeno dato da deviazioni da eventi attesi di assortimento indipendente e di equilibrio di HW, causate o da associazione fisica o da variazioni demografiche. Consiste quindi nell’associazione non casuale degli alleli di diversi loci nei cromosomi/gameti a formare aplotipi.

Linkage: Associazione fisica dei loci sui cromosomi. Se gli alleli ai due loci non sono associati in maniera casuale (LD), ci sarà una deviazione delle frequenze degli aplotipi (D) rispetto alle frequenze attese:    

p11= p1q1+ D p12= p1q2– D p21= p2q1– D p22= p2q2+ D

Il parametro D è il coefficiente di linkage disequilibrium. Dmax è uguale a:  

min (p1q2, p2q1) per D>0, max (-p1q1, -p2q2) per D < 0.

Il valore assoluto di D dipende dalle frequenze alleliche (freq. aplotipi – freq. aspettata):

pA1 pA2

pB1 p11 p21

pB2 p12 p22

D = p11 - pA1 pB1 = p11 p22 - p12 p21

Il parametro r² corrisponde al coefficiente di correlazione in una tabella 2x2 (indice di covarianza delle frequenze alleliche).

r 2=  

D² pA 1 pA 2 pB1 pB 2 Se pA1 = pB1, allora max r² = 1 e min r² = 0 Se pA1 ≠ pB1, allora max r² < 1 e min r² = 0

Il parametro D’ normalizza il valore D:

D' =

D Dmax max D’ = 1 e min D’ = -1

Linkage Disequilibrium perfetto     

L’informazione sul genotipo è completamente ridondante Le frequenze alleliche sono identiche Esistono solo 2 aplotipi (A1B1 e A2B2) |D’| = 1 r² = 1

pA1 pA2

pB1 p11 0

pB2 0 1-p11

Linkage Disequilibrium completo      

L’informazione sul genotipo non è completamente ridondante Le frequenze alleliche non sono identiche Esistono 3 aplotipi (A1B1, A1B2 e A2B2) Nessuna ricombinazione rilevata pA1 |D’| = 1 pA2 r² < 1

pB1 p11 0

pB2 P12 1-p11-p12

Il Linkage Disequilibrium è causato dalle mutazioni e ridotto dalla ricombinazione. Le migrazioni alterano il LD. Attraverso le generazioni i LD si riduce in maniera esponenziale. Nel tempo il coefficiente D tenderà sempre al valore zero, ovvero, attraverso le generazioni, la ricombinazione riduce progressivamente l’area di LD tra due loci, finché il LD sparisce (D=0). Il valore Dt indica il LD tra due loci nel tempo.

Dt = t(1-r) D0 t= generazione t dopo la generazione parentale (D0) D0 = generazione parentale r= indice di ricombinazione in seguito al crossing-over tra due loci Se r è molto alto allora il LD arriverà a zero in poche generazioni, se r è molto basso il LD impiegherà molte generazioni per arrivare a zero.

DERIVA GENETICA

La deriva genetica è una forza evolutiva molto efficace che consiste in cambiamenti casuali delle frequenze alleliche dovuti alle dimensioni finite delle popolazioni. Più piccola è una popolazione e maggiore è l’effetto della deriva genetica su di essa. Essendo un effetto casuale, non è possibile predirlo ma si possono solo stimare le sue probabilità (P). Se non c’è selezione e la dimensione della popolazione è infinita le frequenze alleliche non cambiano da una generazione alla successiva (HWE), ma se le dimensioni sono finite le frequenze alleliche fluttuano per via del campionamento. In un mondo neutrale, l’evoluzione porta sempre alla perdita o alla fissazione di un polimorfismo. La probabilità di fissazione di un allele è data dalla sua frequenza in quella generazione. Una nuova mutazione ha quindi probabilità di arrivare a fissazione uguale a 1/2N. Dato che l’errore di campionamento che causa la deriva genetica è correlato alle dimensioni della popolazione, è possibile prevedere la grandezza dell’effetto di deriva genetica. Nel valore che determina le dimensioni di una popolazione, però, sono compresi tutti gli individui, anche quelli che non danno un contributo gametico alla generazione successiva. Per questo non si deve tener contro della dimensione della popolazione, ma della dimensione effettiva della popolazione.

Dimensione effettiva delle popolazioni (Ne): la dimensione di una popolazione ideale che avrebbe lo stesso effetto di campionamento casuale delle frequenze alleliche della popolazione reale. Ovvero è pari al numero equivalente di adulti che forniscono gameti alla generazione successiva. Quando maschi e femmine non sono presenti in numero uguale, la dimensione effettiva della popolazione è data dalla seguente formula:

Ne=

4 xNfxNm Nf = numero di femmine in età riproduttiva Nf + Nm

Nm = numero di maschi in età riproduttiva La deriva genetica dipende dalla variazione casuale del successo riproduttivo, ed è amplificata da fenomeni quali collo di bottiglia, effetto del fondatore, fluttuazioni periodiche della popolazione e rapporto-sessi sbilanciato.

Effetto del fondatore È un effetto che si verifica quando una popolazione viene inizialmente costituita a partire da un numero piccolo di individui che si incrociano tra di loro. Per quanto la popolazione possa accrescersi, il suo pool genetico sarà determinato sempre dai geni degli individui che l’hanno fondata. Quindi il pool genetico della popolazione è dato casualmente dai geni di alcuni individui.

Effetto collo di bottiglia È un effetto che ha luogo quando una popolazione subisce una drastica riduzione delle dimensioni, durante la quale alcuni geni possono venire persi dal pool genetico per puro effetto del caso. La deriva genetica non implica nessun vantaggio adattativo, ma è data completamente dal caso. La deriva genetica riduce la diversità entro popolazioni e aumenta quella fra popolazioni. Il flusso genetico tra le popolazioni (migrazione) aumenta la dimensione effettiva di una popolazione e riduce gli effetti della deriva genetica....