Cromosoma 2 cn bw Lts Cy cn bw Genetica dello sviluppo: isolamento dei mutanti P Progenie adulta incroci A Trattamento con agente mutageno cn bw Cy Cy cn bw cn bw Cy cn cn bw bw l l l l quasi tutti rarissimi F2 Cy cn bw Cy cn bw Cy cn bw Cy l Incroci A: quasi tutti cn cn bw bw 2:1 F1 Incroci B: rarissimi cn bw l F3 Progenie adulta incroci B cn bw Cy tutti Studiando negli incroci B le uova abortite a causa del letale recessivo in omozigosi, furono trovate molte anomalie morfogenetiche negli embrioni e furono individuati 139 geni indispensabili per lo sviluppo embrionale Questa generazione viene fatta crescere a temperatura restrittiva, in modo che muoiano tutti i portatori di Lts Geni materni e zigotici Organismo modello: Drosofila Dopo la fecondazione lo zigote effettua la segmentazione, con una rapidissima successione di mitosi che non lascia spazio alla trascrizione La cellula uovo presenta nel citoplasma un gradiente di RNA e proteine codificati da geni materni che, con le loro diverse concentrazioni, secondo gli assi antero-posteriore e dorso-ventrale, forniscono i primi segnali ai geni “zigotici” nelle cellule dopo la segmentazione Geni zigotici di “segmentazione”: determinano l’organizzazione del corpo in regioni 1) Geni gap: codificano fattori di trascrizione che suddividono l’embrione in grandi regioni (testa, torace, addome). 2) Geni pair-rule: attivati dai prodotti di gap codificano fattori di trascrizione che determinano la formazione dei metameri. 3) Geni della polarità segmentale, attivati dai prodotti di gap e pairrule codificano fattori di trascrizione che determinano la polarità antero-posteriore entro i metameri. Geni omeotici Geni Hox: attivati dai prodotti di pair-rule e dei geni della polarità segmentale codificano fattori di trascrizione che determinano lo sviluppo di organi e appendici specifici per ogni metamero. 1) I geni Hox presentano tutti una caratteristica sequenza (homeobox) che codifica per una sequenza di aminoacidi (omeodominio), all’interno del polipeptide, responsabile del legame al DNA. p. es. il gene Bitorax controlla lo sviluppo delle ali nell’adulto nel 2° segmento toracico. 3’ 2) I geni Hox presentano un ordinamento lineare sullo stesso cromosoma, in direzione 3’-5’ sul filamento trascritto, che corrisponde all’asse anteroposteriore del corpo. 4) I mutanti dei geni Hox presentano uno sviluppo disturbato: p. es. alleli mutanti di Bitorax presentano 2 paia di ali. Nel differenziamento delle piante sono attivi fattori di trascrizione appartnenti ad altre famiglie. 5’ 4) I geni Hox , con le caratteristiche descritte nei punti 2, 3, 4, sono stati trovati in tutti gli animali multicellulari, incluso l’uomo. L’evoluzione biologica Secondo Lamarck Le condizioni ambientali (albero alto) stimolano un cambiamento adattativo dei caratteri (allungamento del collo); il cambiamento del carattere viene ereditato dalla progenie (tutta con il collo lungo); secondo questa ipotesi i caratteri acquisiti sono ereditabili. Secondo Darwin Il carattere (lunghezza del collo) è variabile; le condizioni ambientali (albero alto) causano la competizione dovuta alla lotta per la sopravvivenza; solo gli animali con il carattere favorevole (collo lungo) riescono a sopravvivere e a passare il carattere favorevole alla propria progenie; questo processo viene detto selezione naturale L’ipotesi di Lamark (eredità dei caratteri acquisiti) si è rivelata falsa La teoria di Darwin (variabilità preesistente dei caratteri su cui opera la selezione derivata dalla competizione per le risorse ambientali, eredità dei caratteri selezionati) si è rivelata corretta La distribuzione del carattere “peso del seme” nella F2 dell’incrocio fra due linee pure di fagiolo in ambiente omogeneo Coefficienti binomiali ppss PPSS Generazione P n = n!/k!(n-k)! k ps PS PpSs Gameti Generazione F1 Gameti Ps pS PS PPSS PPSs PpSS PpSs Ps PPSs PPss PpSs Ppss pS PpSS PpSs ppSS ppSs ps PpSs Ppss ppSs Gameti Distribuzione binomiale dei fenotipi della F2 ps PS Genotipi della F2 ppss Fenotipi della F2 È possibile selezionare il carattere “peso del seme”, la cui variabilità è determinata geneticamente Fenotipi della F2 Selezione per il seme grande Selezione per il seme piccolo Gameti pS Gameti ps PS ppSs ppSS ppSs pS ppSs Ps PPSs Gameti Gameti ppss ps PS PPSS PPSs Ps PPSs PPss Genotipi delle F3 …verso il peso del seme piccolo Fenotipi delle F3 La selezione è stata efficace: nelle 2 progenie della F3 si è ottenuto effettivamente uno spostamento del peso medio dal seme normale nella F2… …verso il peso del seme grande La variabilità del peso dei semi in una linea pura di fagioli mantenuta in un ambiente eterogeneo è dovuta solo a cause ambientali: la selezione è inefficace Distribuzione per il peso dei semi in una linea pura di fagioli con genotipo PPSS Si selezionano e si incrociano le piante con i semi “piccoli” Gameti PS x gameti PS La variabilità del carattere “peso del seme” è dovuta esclusivamente alla variabilità ambientale Si selezionano e si incrociano le piante con i semi “grandi” Gameti PS x gameti PS fecondazione fecondazione Progenie PPSS La progenie è mantenuta nello stesso ambiente della generazione precedente, Progenie PPSS La distribuzione per il peso de semi, in particolare il peso medio, non varia fra le generazioni La selezione è inefficace Variabilità fenotipica dovuta sia alla variabilità genetica che alla variabilità ambientale Distribuzione di un carattere quantitativo (p. es. lunghezza della coda di una lucertola in cm) dovuto a un gene A con i 2 alleli A ed a in condizioni di ambiente assolutamente omogeneo o eterogeneo Genotipo AA Genotipo Aa Genotipo aa Ipotesi 1: c’è solo la variabilità genetica, manca quella ambientale: a ogni genotipo corrisponde un solo valore del fenotipo; l’unica componente della varianza totale è la varianza genetica (s2p = s2g = 0,5) Ipotesi 2: c’è solo la variabilità ambientale, manca quella genetica: in ogni popolazione è presente un solo genotipo; l’unica componente della varianza totale nelle 3 popolazioni è la varianza ambientale (s2p = s2a = 0,5) Nota: la varianza di una distribuzione si calcola come segue: _ s2 = (1/N) S(xi – x)2 _ 2 = (1/N)Sxi – x2 Ipotesi 3: ci sono sia la variabilità ambientale che quella genetica: la varianza totale nelle 3 popolazioni è data dalla somma della varianza ambientale (s2p = s2a + s2g = 0,5 + 0,5 = 1) 12 14 16 12 14 16 12 14 16 12 14 16 12 14 16 Ereditabilità dei caratteri quantitativi ed efficacia della selezione Generazione parentale Generazione filiale F1 Differenziale di selezione (S) H2 = rapporto varianza genetica : varianza della popolazione iniziale (s2g/ s2p); s2g =s2p (varianza della popolazione iniziale) – s2a (varianza della linea pura). Popolazione iniziale, da indagare Risposta alla selezione (R) Inincroci reiterati s2ad= varianza genetica additiva H2 = ereditabilità in senso lato h2 = ereditabilità in senso stretto Linea pura H2 = s2 g / s2 p h2 = s2 2 ad/ s p = R/S Le fonti della variabilità genetica Perché sia possibile l’evoluzione, la selezione deve operare su una preesistente variabilità genetica; ma per effetto della selezione la variabilità genetica viene ridotta nelle generazioni successive, poiché si trasmettono alla progenie solo gli alleli e i genotipi più adatti all’ambiente. Ma per adattarsi a un ambiente mutevole, le specie debbono mantenere un livello adeguato di variabilità genetica per rispondere tempestivamente alla mutabile pressione selettiva. Fonti primarie Mutazioni geniche Poliploidia, duplicazioni Nuovi alleli Geni duplicati Nuovi geni Amplificazione (esponenziale) Riproduzione sessuale Ricombinazione Nuove combinazioni di alleli Localmente Migrazioni Nuovi alleli (localmente) EFFETTI EVOLUTIVI DELLE MUTAZIONI 1) MUTAZIONI GENICHE: danno origine a nuovi alleli, sono quindi la fonte primaria della variabilità genetica; il loro effetto dipende dal tipo di selezione cui sono sottoposte. 2) DUPLICAZIONI: possono dare origine a nuovi geni, consentendo il cambiamento nel tempo e la complessificazione delle specie. 3) INVERSIONI, TRASLOCAZIONI, FUSIONI-FISSIONI: la riduzione di fecondità degli eterozigoti favorisce l’isolamento riproduttivo e la nascita di nuove specie. 4) ALLOPOLIPLOIDIA: •può dare origine a molti nuovi geni, avendo un intero genoma “in eccesso”; •gli allopoliploidi costituiscono nuove specie, dato che gli ibridi fra l’allopoliploide e le specie da cui origina è del tutto sterile; L’origine di nuovi geni L M’: allele funzionale di M M N Duplicazione L M M N Mutazioni geniche M L M M’ N L M m1 N L M m2 N Diverse mutazioni geniche L m1, m2: alleli non funzionali di M Regione duplicata m, m’: prodotti del gene M O: nuovo gene m Sostanza 1 o Sostanza 3 Sostanza 2 m’ Sostanza 1 MO N Sostanza 2 Sostanza 4 o: prodotto del gene O ALLOPOLIPLOIDIA: sterilità degli ibridi anfitriploidi Fecondazione fra il gamete di individuo allotetraploide e uno di una delle 2 specie originarie MEIOSI ABORTIVE, STERILITA’ Alcuni cromosomi sono a 2 a 2 Zigote anfitriploide omologhi e possono appaiarsi ibrido, vitale regolarmente, ma tutti gli altri sono Successive divisioni mitotiche, privi di omologia: in 1° divisione differenziamento meiotica non riescono ad appaiarsi e Di conseguenza i gameti sono inividuo anfidiploide ibrido, segregano casualmente sbilanciati geneticamente, quindi sterili vitale ma sterile La genetica delle popolazioni La genetica di popolazione si occupa della frequenza degli alleli nelle popolazioni e del loro andamento nel tempo, quindi studia la variabilità genetica e i fattori che ne influenzano nel tempo i cambiamenti, mirando alla comprensione dei meccanismi genetici alla base dell’evoluzione. La genetica formale studia i risultati di singoli incroci fra 2 individui, che, per i geni studiati, possono avere al massimo 2 alleli diversi (se sono eterozigoti); nell’incrocio tra 2 eterozigoti, ciascuno produce metà (0,5) gameti con il 1° allele, metà con il 2°; nella progenie ci si aspetta che un quarto (0,25) sia omozigote per il 1° allele, un quarto sia omozigote per il secondo e metà eterozigote. A1 0,5 La genetica di popolazione studia i risultati di tutti i possibili incroci fra tutti gli individui di sesso opposto della popolazione, immaginando di mettere insieme tutti i gameti dello stesso sesso e di accoppiare casualmente a 2 a 2 i gameti di sesso opposto; per i geni studiati il numero degli alleli diversi può essere qualsiasi, come può esserlo la loro frequenza. A1 0,2 A2 0,3 A3 0,5 A1 0,2 A1A1 0,04 A1A2 0,06 A1A3 0,1 A2 0,3 A1A2 0,06 A2A2 0,09 A2A3 0,15 A3 0,5 A1A3 0,1 A2A3 0,15 A3A3 0,25 A2 0,5 A1 0,5 A1A1 0,25 A1A2 0,25 A2 0,5 A1A2 0,25 A2A2 0,25 Una popolazione si dice polmorfa per un gene, se per esso presenta più di un allele; si dice monomorfa se presenta un solo allele Le leggi di Hardy-Weinberg 1° legge di Hardy-Weinberg: le frequenze degli alleli in una popolazione non cambiano passando da una generazione all’altra se: 1) Non c’è selezione 2) Non c’è mutazione 3) Non c’è migrazione 4) La popolazione è infinitamente grande Se pn è la frequenza relativa dell’allele A1 alla generazione n, quando le 4 condizioni sono rispettate, la popolazione è all’equilibrio (e non c’è evoluzione!) e: pn+1 = pn; pn+1-pn= p=0 A1 p A2 q A3 r A1 p A2 q A3 r A1A1 p2 A1A2 pq A1A3 pr A1A2 pq A2A2 q2 A2A3 qr A1A3 pr A2A3 qr A3A3 r2 2° legge di Hardy-Weinberg: le frequenze dei genotipi diploidi in una popolazione sono uguali al prodotto delle frequenze degli alleli (se queste ultime sono i coefficienti di un polinomio, le prime sono i coefficienti del quadrato del polinomio ) se: 1) C’è panmissia, cioè se ogni incontro tra i gameti di sesso opposto ha la stessa probabilità Se p e q sono le frequenze relative degli alleli A1 e A2 in una data generazione, le frequenze relative dei genotipi A1A1, A1A2 e A2A2 della stessa generazione sono, rispettivamente: p2, 2pq e q2 Mutazione, migrazione e selezione MUTAZIONE MIGRAZIONE Se A2 muta in A1 a un tasso costante m per generazione, allora: p=mq Se da una popolazione donatrice, in cui A1 ha una frequenza P, immigra una frazione m della popolazione ricevente per generazione, allora: p=m(P- p) SELEZIONE L’idoneità riproduttiva (“fitness” – W) di un genotipo (per il genotipo A1A2, WA1A2) è la sua probabilità di sopravvivere e produrre progenie feconda Il progressivo cambiamento delle frequenze alleliche può portare ai valori p=0 o p=1 La fitness media di una popolazione è W’=p2WA1A1+2pqWA1A2+ q2WA2A2 La fitness media dell’allele A1 è W’A1=pWA1A1+qWA1A2 La selezione determina un cambiamento delle frequenze alleliche a causa della differente fitness degli alleli: p=pq(W’A1-W’A2)/W’ Quando p=1, l’allele A1 è fissato nella popolazione; quando p=0, l’allele A1 è eliminato Quando un allele è fissato e gli altri sono eliminati, la popolazione da polimorfa diviene monomorfa e in essa non sono più possibili variazioni delle frequenze alleliche Variazioni della frequenze alleliche dovute a diversi tipi di selezione A1A1 A1A2 A2A2 Dp Direzionale positiva recessiva 1 1-s 1-s sp2q/(1-sq(2p+q)) Direzionale positiva dominante 1 1 1-s spq2/(1-sq2) Stabilizzatrice 1-s 1 1-s spq(q-p)/(1-s(p2+q2) Diversificatrice 1 1-s 1 spq(p-q)/(1-2spq) s=1-w (per ogni genotipo)= coefficiente di selezione Bilanciamento fra mutazione e selezione Se un allele dannoso A1 con coefficiente di selezione s viene introdotto in una popolazione a un tasso costante di mutazione per generazione m, sono raggiunte le seguenti frequenze all’equilibrio p^. Per un allele recessivo Per un allele dominante p^=(m/s)1/2 p^=m/s Effetti dei diversi tipi di selezione sulla variabilità genetica delle popolazioni L’allele selezionato, per la selezione direzionale, è l’allele azzurro scuro Equilibrio indifferene Equilibrio stabile Equilibrio instabile Selezione direzionale positiva Selezione direzionale negativa Selezione stabilizzatrice Selezione diversificatrice Diversi tipi di selezione: conseguenze evolutive La selezione direzionale Avvantaggia uno dei 2 genotipi omozigoti (A1A1) e svantaggia l’altro genotipo omozigote (A2A2) e il genotipo eterozigote (A1A2) (effetto vantaggioso recessivo per A1, svantaggioso dominante per A2: WA1A1>WA1A2=WA2A2) Avvantaggia uno dei 2 genotipi omozigoti (A1A1) e il genotipo eterozigote (A1A2) e svantaggia l’altro genotipo omozigote (A2A2) (effetto vantaggioso dominante per A1, svantaggioso recessivo per A2: WA1A1=WA1A2>WA2A2) L’effetto della selezione direzionale è comunque la fissazione dell’allele avvantaggiato e l’eliminazione dell’allele svantaggiato La selezione stabilizzatrice Avvantaggia il genotipo eterozigote (A1A2) e svantaggia i genotipi omozigoti (A1A1, A2A2) WA1A2>WA1A1; WA1A2>WA2A2) L’effetto della selezione stabilizzatrice è la persistenza di entrambi gli alleli con frequenze all’equilibrio diverse da 0 e 1; il valore di queste frequenze dipende dalle fitness dei genotipi La selezione diversificatrice Svantaggia il genotipo eterozigote (A1A2) e avvantaggia i genotipi omozigoti (A1A1, A2A2) WA1A2<WA1A1; WA1A2<WA2A2) L’effetto della selezione diversificatrice è la fissazione di uno dei due alleli e l’eliminazione dell’altro; quale allele venga fissato e quale eliminato dipende dalle frequenze alleliche L’assenza di selezione Selezione e caratteri quantitativi La selezione direzionale favorisce una delle 2 varianti estreme: se favorisce i minus-varianti la distribuzione del carattere nelle generazioni successive presenterà medie più basse, se favorisce i plus-varianti la distribuzione del carattere nelle generazioni successive presenterà medie più alte. La selezione stabilizzatrice favorisce i valori centrali La selezione diversificatrice favorisce entrambe le varianti estreme la distribuzione del carattere nelle generazioni successive presenterà la stessa media e una varianza più piccola. …fino a diventare, talvolta, una distribuzione bimodale la distribuzione del carattere nelle generazioni successive presenterà la stessa media e una varianza più grande... La deriva genetica Quando una popolazione è molto grande (oltre le migliaia di individui) può essere assimilata a una popolazione infinitamente grande: in assenza di altri fattori, le frequenze degli alleli rimangono costanti con il passare delle generazioni Più piccola è una popolazione, più è probabile che, per caso, le frequenze degli alleli cambino ad ogni generazione: questo fenomeno è chiamato deriva genetica Le probabilità delle frequenze alleliche alla generazione successiva hanno una distribuzione binomiale (coefficienti delle potenze di un binomio); la variazione della frequenza allelica tra 2 generazioni può essere sia un aumento che una diminuzione; le variazioni piccole, in valore assoluto, sono più probabili di quelle grandi La deriva genetica porta alla fissazione di un allele e all’eliminazione degli altri; più piccola è la popolazione, più rapido è il processo Un allele neutrale appena sorto per mutazione in una popolazione di N individui ha una frequenza iniziale 1/2N, una probabilità 1/2N di essere fissato e (2N-1)/2N di essere eliminato Esempi di cambiamenti casuali delle frequenze alleliche per deriva genetica a partire da p=0,5 fino alla fissazione o all’eliminazione dell’allele azzurro scuro probabilità di variazione delle frequenze alleliche da una generazione all’altra per deriva genetica La probabilità che un allele con frequenza pi nella generazione i in una popolazione di n/2 individui diploidi assuma alla generazione i+1 la frequenza pi+1 = k/n è la seguente: n k pik(1-p)n-k in cui n = n!/k!(n-k)! k In una popolazione di 3 individui bisessuati- uno A1A1, uno A1A2 e uno A2A2 – p=q=0,5=1/2 se si estraggono casualmente i gameti che portano gli alleli A1 e A2, si avranno nella generazione successiva, sempre di 3 individui, le seguenti frequenze alleliche p di A1con le seguenti probabilità: p=1/6 p=1/3 p=1/2 p=2/3 p=5/6 p=1 p=0 frequenza probabilità 1/64 6/64 15/64 20/64 15/64 6/64 1/64 Mentre il valore di Dp è, per ogni valore di pi, univocamente determinato per segno e per valore, se agiscono come fattori evolutivi la selezione, la mutazione o la migrazione, c’è una distribuzione stocastica di valori, sia in aumento che in diminuzione, se il fattore evolutivo è la deriva genetica. L’incrocio preferenziale L’incrocio preferenziale è una delle modalità di incrocio diverse dalla panmissia Se, in una popolazione con 2 alleli (A1 e A2) per il gene A, si incrociano tra loro gli individui con lo stesso genotipo (omozigoti A1A1 fra loro, omozigoti A2A2 fra loro, eterozigoti A1A2 fra loro, ad ogni generazione si riduce la frequenza degli eterozigoti. A1A1 A2A2 Generazione i Generazione i+1 A1A2 Generazione i+2 Le frequenze degli omzigoti (f(A1A1) ed f(A2A2) sono più alte di quelle attese in base alla 2° legge di Hardy Weinberg, quella degli eterozigoti (f(A1A2)) è più bassa; questo allontanamento dall’equilibrio procede sempre di più con il passare delle generazioni. f(A1A1)>p2; f(A2A2)>q2; f(A1A2)<2pq Nel caso illustrato (p=q=0,5; autofecondazione), alla generazione i+n f(A1A1)=f(A2A2)=(1-1 /2n)/2; f(A1A2)=1/2n Per calcolare p e q, anche in assenza di panmissia, ci si basa sulle frequenze genotipiche reali: p=f(A1A1)+0,5f(A1A2); q=f(A2A2)+0,5f(A1A2) Sintesi sugli effetti dei fattori evolutivi Mutazione Migrazione Deriva genetica Selezione diversificatrice Selezione stabilizzatrice Selezione direzionale svantaggiosa Selezione direzionale vantaggiosa 0 1 p Fattore evolutivo Selezione direzionale vantaggiosa Selezione direzionale svantaggiosa Selezione stabilizzatrice Selezione diversificatrice Deriva genetica Migrazione Mutazione Valore di equilibrio stabile per p verso cui la selezione stabilizzatrice fa convergere p Valore di equilibrio instabile per p da cui la selezione diversificatrice fa divergere p Effetto sulla variabilità entro le popolazioni Effetto sulla variabilità tra le popolazioni + + + + + - Selezione senza ricombinazione Nella popolazione sono presenti solo 2 combinazioni degli alleli entro l’inversione: A c B1 d A B2 C d Regione invertita Gli alleli B1 e B2 del gene B sono neutrali L’allele recessivo c del gene C è svantaggiato rispetto all’allele dominante C Le uniche combinazioni possibili di alleli per i geni B e C sono c-B1 e B2-C (le combinazioni ricombinanti non sono vitali) L’allele neutrale B1 subisce la stessa variazione di frequenza ad ogni generazione dell’allele c, fino all’eliminazione: Dp= -sp2q/W’ Picchi adattativi xxYYzz XXYYZZ s e l e z i o n e XXyyzz xxYYzz xxyyzz XXyyzz Deme xxyyzz XXyyZZ xxYYzz XXYYZZ XXyyzz xxyyzz XXyyZZ s e l e z i o n e XXYYZZ XXYYZZ XXYYZZ XXyyZZ XXyyzz XXYYZZ Metapopolazione Specie e speciazione La specie è un insieme di popolazioni… … interfeconde al loro interno… … e reciprocamente tra loro,… … isolate riproduttivamente rispetto ad altre popolazioni. n generazioni La specie è un pool genico potenziale (definizione “biologica” di specie): questa definizione è applicabile solo agli organismi a riproduzione sessuale (gli eucarioti e non tutti), si applica solo tra gruppi di popolazioni che vivono contemporaneamente e comunque presenta situazioni ambigue. n generazioni CLADOGENESI ANAGENESI La speciazione per cladogenesi richiede che si instaurino meccanismi di isolamento riproduttivo a base genetica. I meccanismi di isolamento post-zigotico non prevengono la fecondazione ma colpiscono lo sviluppo, la vitalità o la fecondità dell’ibrido. I meccanismi di isolamento pre-zigotico prevengono la fecondazione. Distanze genetiche e relazioni evolutive È possibile misurare le distanze genetiche fra 2 popolazioni componendo, con appositi indici di distanza, la differenza delle frequenze alleliche fra più geni. distanza distanza È possibile misurare le distanze genetiche fra 2 gruppi più distanti filogeneticamente (specie diverse) o usando sistemi a evoluzione più rapida (DNA mitocondriale) stimando il numero minimo di mutazioni intercorse dopo la separazione. È possibile, utilizzando le distanze genetiche fra più popolazioni o specie, ricostruire ipotetici alberi filogenetici, p. es. con metodi di massima parsimonia nella stima del numero delle mutazioni intercorse. 5 Specie 1 2 4 3 2 Specie 2 Specie 3 3 1 Specie 4 6 Specie 5