Metapopolazione
DEME: popolazione locale, una piccola popolazione panmittica
METAPOPOLAZIONE: sistema di popolazioni locali,
tra le quali ci può essere flusso genico, interessato da
fenomeni locali di estinzione e ricolonizzazione.
LA DERIVA GENETICA ED IL RUOLO DEL CASO
NELL’EVOLUZIONE
“CASO” o “CASUALITA’” sono termini usati nelle situazioni in cui non è
possibile prevedere uno specifico risultato causato da fattori che possono
produrre molteplici risultati diversi.
Probabilità e frequenza
Es: sesso della prole
Effetto della deriva su popolazioni naturali:
“fluttuazioni casuali nelle frequenze alleliche con eventuale sostituzione
di un allele. Evoluzione non adattativa
Gran parte delle differenze nelle sequenze del DNA tra una specie e l’altra
sono spiegate dall’effetto della deriva genetica
LA TEORIA DELLA DERIVA GENETICA
Deriva genetica come errore di campionamento
Ogni sottopopolazione è costituita da N
individui e 2N gameti (scelti a caso) per la
generazione successiva
La deriva genetica casuale è dovuta
all’errore statistico associato con il
campionamento durante questo processo
Deriva genetica casuale si riferisce alle fluttuazioni delle frequenze alleliche che avvengono per effetto
del caso nelle sottopopolazioni, come risultato dell’errore dovuto al campionamento.
Gameti ∞
campionamento 2N
La deriva genetica casuale
Si riferisce a cambiamenti nelle frequenze geniche
dovute a variazioni di campionamento
da generazione a generazione
A = 0,40
a = 0,60
la frequenza di A nella generazione
successiva potrà essere 0 > 0,40 <
La deriva genetica
• Determina sempre il raggiungimento della omogeneità
• Più è grande il numero degli individui, maggiore sarà
il numero di generazioni necessario per arrivare
all’omogeneità
• Non genera propensione verso l’aumento di un tipo
genetico o dell’altro, ma tende alla omogeneizzazione
della popolazione
La deriva genetica
•determina cambiamenti nelle frequenze alleliche di una
popolazione nel tempo
•riduce la variabilità genetica in una popolazione
•causa divergenza genetica, variazione nelle frequenze
alleliche, tra popolazioni
•influenza significativamente le popolazioni di piccole
dimensioni
Conseguenze della deriva
I cambiamenti delle frequenze alleliche diventano cumulativi nel corso delle
generazioni.
Essendo casuali possono andare in due direzioni fino a portare la frequenza di
un allele a 0 (perdita) o a 1 (fissazione).
4 populations
2 at N=25
2 at N=250
Genetic Drift in
experimental populations of
fruit Flies over 19
generations (Buri 1956)
107 replicate populations:
population size 16 (8 M, 8
F) each generation.
Number of bw75 (brown eye) alleles
Modest shifts in allele
frequency add up over the
generations,
in
those
populations whose shifts
happen to go in the same
direction overall.
Once a population has lost
one of the alleles, there’s no
way back.
From Hartl and Clark (1997)
Principles of Population Genetics
Sinauer Press
Original data from Buri (1956)
same 107
populations,drifting
over time
flies bw/bw
flies bw75/bw75
Un cammino “casuale” (o “cammino dell'ubriaco”)
Simulazione al computer della
deriva genetica casuale in
popolazioni di (a) 9 individui
diploidi (2N = 18 copie del
gene e (b) 50 individui
diploidi (2N = 100 copie del
gene)
DEME: popolazione locale, una piccola popolazione panmittica
METAPOPOLAZIONE: sistema di popolazioni locali,
tra le quali ci può essere flusso genico, interessato da
fenomeni locali di estinzione e ricolonizzazione.
Metapopolazione
Struttura di popolazioni/subpopolazioni/demi nello spazio
EVOLUZIONE PER DERIVA GENETICA
1)
Le frequenze degli alleli (aplotipi) fluttuano casualmente all’interno di una
popolazione, ed alla fine un allele viene fissato.
2) La variazione genetica ad un locus viene di conseguenza perduta. La frequenza
degli eterozigoti, H, diminuisce nella misura in cui una delle due frequenze si
avvicina a 1 (e l’altra si avvicina a 0).
H = 2p (1-p)
3) In ogni momento, la probabilità di fissazione per un allele è equivalente alla sua
presenza in quel momento. Questa probabilità non è né determinata né influenzata da
una storia precedente.
4) Le frequenze alleliche di popolazioni con la stessa frequenza allelica iniziale (p)
tendono a divergere (p e 1-p).
EVOLUZIONE PER DERIVA GENETICA
5) Se un allele è appena comparso per mutazione, ed è rappresentato in una sola
delle due copie 2N del gene nella pop., la sua frequenza è pt = 1/2N (la sua
frequenza è anche la probabilità di raggiungere p=1). E’ più probabile che venga
fissato in piccole popolazioni
6) L’evoluzione per deriva procede più velocemente in piccole popolazioni.
In una popolazione diploide di dimensioni N, il tempo medio per la fissazione di un
allele neutrale comparso ex novo è 4N generazioni
7) Tra demi identici di una metapopolazione, la frequenza allelica media p non
cambia, ma poichè cambia la frequenza allelica di ciascun deme (divenendo alla fine
0 o1) diminuisce la frequenza degli eterozigoti, nella metapopolazione .
DERIVA GENETICA
Risultato della deriva genetica:
fissazione
casuale
di
alleli
nelle
sottopopolazioni
(diminuzione
della
variabilità
intrapopolazione)
aumento del differenziamento tra le sottopopolazioni
Effetti della deriva legati alla dimensione del campione
Effetti della deriva nella METAPOPOLAZIONE:
Diminuzione dell’Eterozigosità osservata (le sottopopolazioni divengono omozigoti per uno o
per l’altro degli alleli ai loci studiati)
Deriva genetica
Cosa vuol dire “ infinitamente grande”?
Le popolazioni non sono infinite, ma di solito sono sufficientemente
grandi da vanificare gli effetti casuali delle variazioni alleliche cioe’
da annullare la deriva genetica.
Le variazioni casuali sono originate da fenomeni che non hanno
niente a che vedere con il pool genico della popolazione o con il
singolo locus che si sta considerando.
Esempio tipico sono le catastrofi naturali che non uccidono gli individui sulla base
del loro patrimonio genetico.
Oppure il numero ridotto di progenie che non permette a tutte le possibili
combinazioni di verificarsi
Deriva genetica
Il numero ridotto di progenie e’ una delle cause principali della deriva
genetica: e’ come lanciare una moneta un numero limitato di volte. Si
verifica un errore di campionamento
Un modo per calcolare il peso della deriva e’ quello di considerare la
grandezza effettiva della popolazione
Il senso comune porterebbe a considerare che la grandezza effettiva
sia semplicemente numero degli individui in grado di riprodursi.
Deriva genetica
Nelle popolazioni a riproduzione sessuata e’ importante considerare
il rapporto femmine/maschi: entrambi contribuiscono al 50% del
pool genetico della generazione successiva.
Se il rapporto non e’ 1 e’ come se la popolazione fosse molto piu’
piccola e quindi piu’ esposta alle fluttuazioni casuali.
Deriva genetica
L’intensità della deriva dipende dalla dimensione della popolazione
sempre che si verifichino alcune assunzioni (spesso irrealistiche):
1) Rapporto sessi =1
2) Selezione sessuale e naturale assenti
3) Le sottopopolazioni rimangono della stessa dimensione di
generazione in generazione
DIMENSIONE EFFETTIVA DELLA POPOLAZIONE Ne
Deriva genetica
DIMENSIONE EFFETTIVA DELLA POPOLAZIONE Ne
Violazione assunzione 1. Rapporto sessi =1
Riduzione taglia della popolazione
Ne= 4 Nm Nf / Nm+Nf
Nm =N maschi
Nf= N femmine
Nm+Nf= Na totale di individui
Nm=10 Nf=10
Ne= 4 10 10/ 10+10= 20
Deriva genetica
DIMENSIONE EFFETTIVA DELLA POPOLAZIONE Ne
Violazione assunzione 2. Selezione sessuale e naturale assenti
Riduzione taglia della popolazione
Nelle specie in cui si accoppiano solo individui dominanti, es. Lupi, cervi.
Ne= 8 Na / vm+vf + 4
Vme Vf varianze nel numero di prole prodotta dai maschi e femmine
Varianza nel successo riproduttivo in Cervus elaphus
Ne= 8 (33m+35f )/ 41.9+9,1 + 4 = 9,9
Deriva genetica
DIMENSIONE EFFETTIVA DELLA POPOLAZIONE Ne
Violazione assunzione 3. Le sottopopolazioni
rimangono della stessa dimensione di generazione
in generazione
Riduzione taglia della popolazione
EFFETTO COLLO DI BOTTIGLIA
1/Ne= 1/t (1/N1+1/N2+……………+1/Nt)
Media armonica: 1000, 10, 1000= 29
(Media aritmetica = 670)
COLLO DI BOTTIGLIA
Una popolazione imbocca il collo di bottiglia quando soltanto pochi individui
sopravvivono a un evento casuale. Il fenomeno è caratterizzato da una
variazione delle frequenze alleliche all’interno della popolazione
Population Bottlenecks:
• Population Bottlenecks refer to drastic crashes
that populations will periodically suffer.
• Reduction may be due to severe environmental
conditions, disease, or human activity.
• Chance will play a role, sometimes a dramatic
one in determining the few individuals which
survive the reduction in numbers.
Bottlenecking is an important concept in conservation biology of endangered
species.
Populations that have suffered bottleneck incidents have lost at least some
alleles from the gene pool.
This reduces individual variation and adaptability.
For example, the genetic variation in the three small surviving wild
populations of cheetahs is very low when compared to other mammals.
Their genetic variation is similar to highly inbred lab mice!
Copyright © 2002 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
Una specie caratterizzata da bassa variabilità genetica In questa
colonia di elefanti marini settentrionali pochi maschi contribuiscono a produrre la
maggior parte della prole. La consistenza della popolazione riproduttiva è quindi più
piccola rispetto a quella dell’intera popolazione. L’accoppiamento non casuale,
insieme all’effetto del collo di bottiglia , verificatosi alla fine del diciannovesimo
secolo in seguito alla massiccia caccia da parte dell’uomo, ha causato una drastica
diminuzione della variabilità genetica delle popolazioni.
Deriva genetica
DIMENSIONE EFFETTIVA DELLA POPOLAZIONE Ne
Violazione assunzione 3.
Le sottopopolazioni rimangono della stessa dimensione di
generazione in generazione
Riduzione taglia della popolazione
EFFETTO DEL FONDATORE
Effetto del fondatore
Si ha quando una nuova popolazione viene stabilita da un
numero limitato di individui.
Es. Situazioni di isolamento ecologico
Founders Effect:
• Founder Effect occurs when a small number of individuals
establish a new population.
• Colonization of islands is a classic example of Founders
Effect.
• Colonizers are a small group and may not represent the
population.
• Allelic frequencies in the colonizing population may be quite
different from the population from which they emigrated.
EFFETTO DEL FONDATORE
Dopo due decenni dal loro arrivo nel Nuovo Mondo, le popolazioni del
moscerino della frutta, Drosophila subobscura, sono drammaticamente
aumentate e si espandono progressivamente nonostante la loro variabilità
genetica sia notevolmente ridotta rispetto alle popolazioni europee.
Se conosciamo il numero di individui che si riproducono e
le frequenze alleliche , possiamo calcolare la probabilità di
ottenere una data frequenza allelica nella generazione
successiva. Per fare ciò dobbiamo conoscere la varianza
delle frequenze alleliche nella generazione successiva , che
è una misura della variazione che si può trovare tra
campioni diversi.
EFFETTO DEL FONDATORE
N = 5000
~ 18 generazioni
N = 20
Summary of Genetic Drift
Small Ne (Effective Population Size) *
Chance Sampling Errors
Genetic Drift
Decrease in Genetic Variation
Within-Populations
Increase in
Genetic Variation amongPopulations
Fixation,Homozygosity,Inbreeding
* Ne = number of individuals actively contributing gametes to next generation.
What factors act to reduce or increase Ne?
INBREEDING E DERIVA GENETICA
INBREEDING AUMENTA LE FREQUENZE DEGLI
OMOZIGOTI= DEVIAZIONE EQUILIBRIO DI H.W.
LA DERIVA AUMENTA LA FREQUENZA DI UNO DEGLI
OMOZIGOTI=
Potrebbe non determinare DEVIAZIONE EQUILIBRIO DI
H.W.
Effetti deriva ed inbreeding sono distinguibili sulle
frequenze GENOTIPICHE, NON sulle frequenze
FENOTIPICHE
•
depressione da inincrocio
DALLA SOMIGLIANZA TRA DERIVA ED INBREEDING SONO STATE SVILUPPATE LE
STATISTICHE F espresse in frequenze
Variazione genetica a 3 LIVELLI:
INTRA – POPOLAZIONE
INTER – POPOLAZIONE
HT eterigosità attesa metapopolazione
H1 eterozigosità osservata
HS eterozigosità attesa
FIS =
METAPOPOLAZIONE
HS – HI
HS
INTRA – POPOLAZIONE
FIS = Finbreeding misura riduzione di
eterozigosità dovuta ad inbreeding
valore medio
nelle sottopopolazioni
INTER – POPOLAZIONE
FST =
HT - HS
FST misura il differenziamento tra sottopopolazioni
della
HT
metapopolazione
FST misura la riduziome dell’eterozigosità
HS eterozigosità attesa
H1 eterozigosità osservata
HT eterozigosità attesa metapopolazione
INTER – POPOLAZIONE
FST =
FST
V
pq
V varianza delle frequenze alleliche tra le sottopopolazioni
INDICE DI FISSAZIONE: aumenta mano a mano che le popolazioni si fissano per un
allele.
p = q = 0.5
se le frequenze si spostano da questi valori
FST aumenta e Hs diminuisce
Hs= 2pq raggiunge il suo massimo quando le frequenze p e q sono 0,5.
Popolazioni di laboratorio
Deriva genetica
casuale in 107 popolazioni sperimentali di Drosophila melanogaster,
ciascuna fondata da 16 eterozigoti bw75 bw e ciascuna propagata attraverso 16 individui (8
maschi e 8 femmine) per generazione
Popolazioni naturali
Nelle popolazioni naturali le cause dell’evoluzione vengono inferite attraverso l’interpretazione
di schemi di variazione.
Tali procedure sono possibili sulla base di teorie che predicano l’atteso nel caso una o l’altra
tra le molteplici cause abbia avuto maggiore rilevanza.
Schemi di variazione genetica molecolare con influenza della deriva sui loci
Ipotesi: ciascun granaio ospita popolazioni indipendenti
Risultati: le popolazioni piccole e grandi presentavano simili frequenze medie,
tuttavia la variazione (varianza) nelle frequenze era molto maggiore nelle piccole.
RISULTATO ATTESO IN CASO DI DERIVA GENETICA CASUALE
Secondo approccio al concetto di deriva genica
La Coalescenza
Deviazione di diverse copie di un gene,
in una o più popolazioni, da una
singola copia ancestrale, vista dal
presente al passato.
La genealogia nella popol. attuale
riconduce (per coalescenza) ad un
singolo antenato comune
Una ipotetica storia di discendenza per
le diverse copie di un gene in una
popolazione che ha inizio (al tempo 0,
sulla sinistra) con 15 copie del gene A
(ognuno con due alleli)
A partire da un insieme finito di geni o alleli, che non siano soggetti a selezione ma
a un tasso costante di mutazione (la cosiddetta deriva genetica), si può dunque
arrivare sempre a trovare un punto di coalescenza, cioè un progenitore comune
della popolazione.
Questo è il cosiddetto principio di coalescenza
Secondo approccio al concetto di deriva genica
Tutte le copie del gene al tempo t, guardando indietro nel tempo, discendono da una
singola copia ancestrale del gene, perchè , dato un tempo sufficientemente lungo, tutte le
altre linee di discendenza dei geni originari si sono estinte.
La probabilità che un determinato allele venga fissato è uguale alla sua frequenza iniziale.
Tutti I mitocondri dell’intera specie umana discenderebbero da una singola donna chiamata
“Eva mitocondriale”, che non era l’unica donna in quel periodo ma….
La composizione genetica delle popolazioni divergerà per motivi casuali se questo
processo si estende a geni nucleari ed ad un gran numero di popolazioni indipendenti.
Cambieranno le frequenze alleliche, e di conseguenza quelle genotipiche, secondo
l’equilibrio di H. Weinberg tra I nuovi zigoti di ciascuna generazione
LA TEORIA DELLA DERIVA GENETICA APPLICATA ALLO STUDIO DELLA VARIAZIONE
MOLECOLARE
- fine anni trenta: polimorfismo legato alla fitness
- Lewontin e Hubby (1966) dimostrarono alta frequenza di loci polimorfici.
Selezione naturale?
- Mooto Kimura (1968) calcolò i tassi di evoluzione di sequenze di aminoacidi in diverse
proteine: una proteina può evolvere a tasso simile in diverse linee filetiche.
Risultato atteso se la variazione è causata da mutazione e deriva.
Teoria neutrale dell’evoluzione molecolare
Sebbene una minoranza di mutazioni nelle sequenze di DNA e proteine siano vantaggiose e
tendano ad essere fissate dalla selezione naturale, ed al contrario molte siano svantaggiose e
tendano ad essere eliminate,
la grande maggioranza sono neutrali rispetto alla fitness e sono fissate per deriva genetica.
Sulla base di tale teoria si sostiene che le sostituzioni a livello molecolare procedano nel corso
dell’evoluzione a tasso approssimativamente costante, così che il grado di differenziamento
nelle sequenze di diverse specie può funzionare come orologio molecolare.
Effetti della deriva genetica sulle frequenze alleliche
Teoria Neutrale dell’evoluzione molecolare Motoo Kimura (1924-1994):
Le mutazioni sono prevalentemente neutrali
La selezione rimuove solo quelle dannose
Evoluzione: la deriva agisce sulla maggioranza delle mutazioni
La deriva genetica fa fluttuare casualmente le frequenze alleliche nel tempo:
Alcuni alleli si estinguono: p = 0
Altri si fissano: q = 1
Probabilità di fissazione aumenta nel tempo.
•
quale allele si fissi è strettamente casuale.
•
è più probabile che si perdano gli alleli rari (p = 0).
Il tempo di fissazione/perdita varia in funzione di Ne e delle frequenze iniziali.
Le mutazioni neutrali possono essere utilizzate per stimare il tempo di divergenza
tra due popolazioni/specie rispetto ad un antenato comune.
Effetti della deriva genetica sulle frequenze alleliche
La deriva genetica fa fluttuare casualmente le frequenze alleliche nel tempo:
In un gene le mutazioni avvengono ad un tasso costante uT per gamete per generazione
•
La maggior parte della variazione è selettivamente neutrale:
(frazione mut. neutrale fo)
•
tasso mutazione neutrale uo= fo uT
Il tasso di comparsa di alleli effettivamente neutrali per mutazione, uo, dipende dalla funzione del
gene. Se molti degli aminoacidi della proteina non possono essere modificati senza modificare
l’attività della proteina, allora molte mutazioni saranno deleterie, invece che neutrali.
uo sarà più basso di uT.
Locus con vincoli funzionali
All’interno di regioni di DNA che codificano per proteine si osserveranno:
1) un tasso di mutazioni neutrali in corrispondenza delle posizioni della III base dei codoni, e II
(riscontro del più alto e del più basso grado di ridondanza del codice genetico)
2) vincoli minori o assenti per sequenze di DNA non trascritte, es. Introni e pseudogeni.
Effetti della deriva genetica sulle frequenze alleliche
Il tasso di fissazione per le mutazioni è teoricamente costante ed è pari al tasso di
mutazione neutrale: base teorica dell’orologio molecolare tramite il quale è possibile
datare il tempo di divergenza tra linee evolutive diverse.
Se due specie cominciano a divergere dal loro ultimo antenato comune t generazioni
fà e se in ciascuna si sono verificate sostituzioni per generazione (in relazione
all’allele nel comune antenato), allora le differenze (D) fra le sequenze di basi delle
due specie sarà:
D = 2 uo t
Sulla base del numero di generazioni succedute dalla divergenza il tasso di
mutazioni sarà:
uo= D/(2t)
Va precisato che: in un tempo sufficientemente lungo, in alcuni siti di una
sequenza di DNA : da A C, poi da C T, o da C A
T
1) Il numero di sostituzioni osservate potrebbe essere minore
Effetti della deriva genetica sulle frequenze alleliche 4
Numero di differenze nelle
sequenze
nucleotidiche del
DNA mitocondriale tra coppie
di taxa di mammiferi, rispetto al
tempo stimato dalla divergenza
dal loro antenato comune più
recente
2) Il numero di differenze raggiunge un valore limite con il passare del tempo.
Effetti della deriva genetica sulle frequenze alleliche
Equilibrio mutazione-deriva genetica quando il tasso a cui gli alleli compaiono per
mutazione è bilanciato dal tasso al quale sono perduti per deriva
Frequenza degli eterozigoti: valore di equilibrio.
L'eterozigosità (H) aumenta in funzione delle dimensioni effettive della popolazione (Ne) e del
tasso di mutazione neutrale (uo). (da Hartl e Clark 1989)
Il confronto tra specie supporta la teoria neutrale?
Il tasso di evoluzione molecolare, come misurato dalle differenze nelle sequenze tra specie,
sembra essere più costante per le sostituzioni sinonime rispetto a quelle non sinonime.
Il confronto tra specie supporta la teoria neutrale?
Tasso medio di sostituzione in diverse parti di geni e in pseudogeni,
stimato dal confronto tra la specie umana e i roditori
Il confronto tra specie supporta la teoria neutrale?
I tassi di evoluzione nelle sequenze dovrebbero essere uguali e costanti nelle diverse linee filetiche per la
teoria di evoluzione per deriva genetica
Esempio: i tassi di sostituzioni sinonime sono molto simili nelle diverse linee.
I tassi di sostituzioni non sinonime sono significativamente diversi tra i roditori .
Tasso maggiore sost. non sinonime nei roditori: o per azione della selezione o per le minori dimensioni delle
popolazioni
