laboratorio evoluzione Marcello Sala

Presentazione sul tema: "laboratorio evoluzione Marcello Sala"— Transcript della presentazione:

1 laboratorio evoluzione Marcello Sala
DERIVA [Eigen M. – Winkler R. (1975), Il gioco, Adelphi Milano 1986 Luigi Luca Cavalli Sforza, L’evoluzione della cultura, Codice Torino 2004]

2 perché vivono troppo poco
Anemia falciforme malattia ereditaria dovuta a una mutazione in un gene per l’emoglobina  eritrociti con vita dimezzata Soggetti omozigoti senza mutazione: sani soggetti omozigoti con mutazione: gravemente malati soggetti eterozigoti: forme più lievi di malattia Soggetti con a.f. sono più frequenti in zone malariche: perché? Il Plasmodium falciparum agente della malaria non può riprodursi negli eritrociti falciformi perché vivono troppo poco l’anemia protegge dalla malaria Esempio di processo di selezione naturale                                                                                                                               Supposedly, a freak typhoon-like storm ravaged the island in the late eighteenth century and killed a number of the island's inhabitants. Approximately 20 people survived to replenish the isolated island's population. Roughly four generations after the typhoon, the citizens of Pingelap began exhibiting symptoms of a rare recessive disorder known as Achromatopsia. Achromatopsia is characterized by extreme light sensitivity, poor vision, and complete inability to distinguish colors (3). This anomaly is the focus of Oliver Sacks' new book The Island of the Colorblind and its publication has succeeded in raising public awareness about the rare hereditary disease of Achromatopsia. Of the roughly the 3000 people living in Pingelap today, 5% to 10% of them are affected by the disorder and about 30% are carriers (3). All of these people are able to trace their ancestry to a single male typhoon survivor who researchers believe was the carrier of the disease that emerged when some of his descendents intermarried (3). Achromatopsia, as it appears on the island of Pingelap, differs from the above mentioned disorders in that persons born with congenital Achromatopsia have never seen color at all. Achromatopsia occurs when two copies of the mutated genes that code for the disease are present. Olof H. Sundin and his colleagues at The Johns Hopkins University reported in the July 2000 issue of Nature Genetics (25: ) that "Pingelapese islanders with Achromatopsia have a single mutation in both copies of a gene dubbed CNGB3. The gene codes for one component of a type of ion channel in the plasma membrane of cone cells--specialized nerve cells in the eye's retina. The ion channels are essential for generating electrical responses to red, green, and blue light in cone cell receptors; cone cells in people with Achromatopsia do not respond to light" (3). Congenital Achromatopsia is an extremely rare hereditary vision disorder that affects 1 person out of 33,000 in the United States (5). Congenital Achromatopsia is sometimes referred to as "stationary cone dystrophy" because it is not progressive nor does it lead to blindness (5). Coping with light sensitivity is the most significant problem faced by Achromats. "In moderately bright indoor spaces or outdoors just after dawn or just before dusk, some Achromats adapt to their reduced level of visual functioning without resorting to tinted lenses, by using visual strategies such as blinking, squinting, shielding their eyes, or positioning themselves in relation to light sources. Others routinely wear medium tinted lenses in such settings. At higher levels of illumination, the vision of persons with Achromatopsia decreases. In full sunlight, outdoors, or in very bright indoor spaces, almost all Achromats use very dark tinted lenses, in order to function with a reasonable amount of vision, since their retinas do not possess the photoreceptors needed for seeing well in such settings" (5).

3 questa anomala frequenza?
Nella popolazione degli USA lo 0,04% della popolazione soffre di acromatopsia malattia ereditaria Nell’atollo di Pigelap (Micronesia) la percentuale è del 5% A cosa è dovuta questa anomala frequenza? L’isola nel 1775 venne devastata da un tifone la popolazione fu ridotta a 20 persone tra di esse una era portatrice della malattia (1/20 = 5%)                                                                                                                               Supposedly, a freak typhoon-like storm ravaged the island in the late eighteenth century and killed a number of the island's inhabitants. Approximately 20 people survived to replenish the isolated island's population. Roughly four generations after the typhoon, the citizens of Pingelap began exhibiting symptoms of a rare recessive disorder known as Achromatopsia. Achromatopsia is characterized by extreme light sensitivity, poor vision, and complete inability to distinguish colors (3). This anomaly is the focus of Oliver Sacks' new book The Island of the Colorblind and its publication has succeeded in raising public awareness about the rare hereditary disease of Achromatopsia. Of the roughly the 3000 people living in Pingelap today, 5% to 10% of them are affected by the disorder and about 30% are carriers (3). All of these people are able to trace their ancestry to a single male typhoon survivor who researchers believe was the carrier of the disease that emerged when some of his descendents intermarried (3). Achromatopsia, as it appears on the island of Pingelap, differs from the above mentioned disorders in that persons born with congenital Achromatopsia have never seen color at all. Achromatopsia occurs when two copies of the mutated genes that code for the disease are present. Olof H. Sundin and his colleagues at The Johns Hopkins University reported in the July 2000 issue of Nature Genetics (25: ) that "Pingelapese islanders with Achromatopsia have a single mutation in both copies of a gene dubbed CNGB3. The gene codes for one component of a type of ion channel in the plasma membrane of cone cells--specialized nerve cells in the eye's retina. The ion channels are essential for generating electrical responses to red, green, and blue light in cone cell receptors; cone cells in people with Achromatopsia do not respond to light" (3). Congenital Achromatopsia is an extremely rare hereditary vision disorder that affects 1 person out of 33,000 in the United States (5). Congenital Achromatopsia is sometimes referred to as "stationary cone dystrophy" because it is not progressive nor does it lead to blindness (5). Coping with light sensitivity is the most significant problem faced by Achromats. "In moderately bright indoor spaces or outdoors just after dawn or just before dusk, some Achromats adapt to their reduced level of visual functioning without resorting to tinted lenses, by using visual strategies such as blinking, squinting, shielding their eyes, or positioning themselves in relation to light sources. Others routinely wear medium tinted lenses in such settings. At higher levels of illumination, the vision of persons with Achromatopsia decreases. In full sunlight, outdoors, or in very bright indoor spaces, almost all Achromats use very dark tinted lenses, in order to function with a reasonable amount of vision, since their retinas do not possess the photoreceptors needed for seeing well in such settings" (5).

4 “… sono convinto che la selezione naturale
è stata la causa principale, ma non l’unica, delle modificazioni.” C. Darwin L’origine delle specie, 1859

5 GIOCO A Regole: scacchiera 6x6 pedine di due tipi diversi si riempie la scacchiera di un numero uguale di pedine dei due tipi messe a caso a ciascuna faccia di una moneta si assegna uno dei due tipi si lancia la moneta una pedina qualsiasi di quel tipo viene sostituita con una dell’altro tipo il gioco finisce quando non ci sono più pedine di un tipo perché non ci può essere più “sostituzione” Le regole riguardano i cambi di stato delle singole caselle non prevedono lo sviluppo della situazione sull’intera scacchiera

6 Su computer versione più astratta
eliminando la rappresentazione spaziale Il software esegue le estrazioni a caso e, a ogni mossa, calcola le frequenze dei due tipi di pedine che non dipendono dalla collocazione sulla scacchiera Che cosa prevedete che succederà alle frequenze dei due tipi? …

7 IL SOFTWARE si assegna un numero progressivo a ogni pedina di un tipo poi, esaurite le n pedine di questo, a quelle dell’altro i numeri ≤ n corrispondono al primo tipo, > n al secondo si creano così una “zona rossa” e una “zona verde” Lancio dei dadi sostituito dall’estrazione di un numero estraendo a caso tra 1 e il totale, il numero può cadere ella zona rossa o nella zona verde Se cade nella zona rossa si aumenta di 1 il numero di pedine rosse e si diminuisce di 1 quello delle pedine verdi Viene ricalcolata la frequenza dei due tipi

8 Che cosa succede se all’inizio le frequenze dei due tipi
Software: ogni volta riscrivere il numero di pedine X=18 e premere [invio] Dinamica: le frequenze “oscillano” fortemente Non apparenti tendenze: sviluppo casuale Perché succede così? L'aumento/diminuzione del numero di pedine di un tipo in ogni fase è indipendente dalla sua frequenza Che cosa succede se all’inizio le frequenze dei due tipi sono diverse?

9 Un’oscillazione forte può arrivare alla frequenza 0
Software: ogni volta scrivere il numero di pedine X≠18 e premere [invio] Stessa dinamica: le frequenze “oscillano” molto, Tanto che a volte uno dei due tipo “si estingue” Perché succede così? Un’oscillazione forte può arrivare alla frequenza 0

10 cioè una pedina dello stesso tipo, presa dalla riserva,
6 5 4 3 2 1 GIOCO B Regole: scacchiera 6x6 e pedine di due tipi diversi si riempie la scacchiera di un numero uguale (18) di pedine dei due tipi messe a caso si lanciano 2 dadi di due colori: uno determina l’ascissa l’altro l’ordinata della casella la pedina in quelle coordinate “si riproduce” cioè una pedina dello stesso tipo, presa dalla riserva, dovrà essere messa sulla scacchiera liberando un posto per liberare un posto si lancia la moneta: una pedina qualsiasi del tipo corrispondente viene tolta il gioco finisce se uno dei due tipi scompare dalla scacchiera Le regole riguardano i cambi di stato della singola casella non prevedono lo sviluppo della situazione sull’intera scacchiera

11 Su computer versione più astratta
eliminando la rappresentazione spaziale Il software esegue le estrazioni a caso e, a ogni mossa, calcola le frequenze dei due tipi di pedine che non dipendono dalla collocazione sulla scacchiera Che cosa prevedete che succederà alle frequenze dei due tipi? Software: scrivere ogni volta il numero di pedine (X=18) e premere [invio]

12 “deriva” (Sewall Wright 1932)
Oscillazioni meno forti ma tendenze progressive fino all’estinzione (anche rovesciando la situazione iniziale) Perché succede così? Pertinente la frequenza: più pedine di un tipo  più probabile che vengano sorteggiate  il "tasso di riproduzione" aumenta con la frequenza  una differenza iniziale si amplifica L’eliminazione per far posto alla nuova pedina non bilancia questa dinamica, perché è del tipo “moneta” e quindi colpisce in modo uguale i due tipi indipendentemente dalla loro frequenza “deriva” (Sewall Wright 1932)

13 Scacchiera più grande (30x30): previsioni?
Software: ogni volta scrivere il numero di pedine 400 ≤ X ≤ 600 e premere [invio] Sviluppo più “lento” ma ugualmente “deriva”

14 La deriva è legata alla disparità delle frequenze di partenza o al numero di elementi?

15 Scacchiera più piccola (4x4) Che cosa prevedete che succederà?
Software: ogni volta scrivere il numero di pedine X=8 e premere [invio] Meno elementi  dinamica più veloce la deriva dipende in modo sensibile dalla scarsità di elementi Deriva: dinamica puramente statistica dipende solo dalle frequenze un tipo si estingue o diventa dominante sull’altro senza alcuna causa selettiva Cosa succede se c’è anche una pressione selettiva?

16 Deriva ma direzione incerta
Software: ogni volta scrivere il numero di pedine, da X=18 a scendere Selezione 2 a 1 a favore del verde Deriva ma direzione incerta

17 Selezione 5 a 1 a favore del verde
Software: ogni volta scrivere il numero di pedine, da X=450 a scendere Selezione 5 a 1 a favore del verde

18 Sotto una certa frequenza la pressione selettiva non riesce
Selezione 5 a 1 a favore del verde Sotto una certa frequenza la pressione selettiva non riesce a invertire la deriva sfavorevole

19 Tra gli indiani del SudAmerica il gruppo sanguigno 0 è dominante
mentre nella popolazione dell’Asia, Europa e Africa i gruppi A, B, 0 sono in proporzioni poco diverse tra loro perché? America colonizzata da Homo sapiens da (25.000) anni fa popolazioni poco numerose dall’Asia orientale (stretto di Bering Isole Aleutine collegate dai ghiacci, navigazione attraverso l’Oceano) passaggi stretti e difficili “collo di bottiglia”

20 Migrazione in territorio “vuoto”
popolazione abbastanza piccola (gruppi di famiglie  persone imparentate   corredi genetici più omogenei) distribuzione delle diverse forme di un tratto ereditario (alleli di geni) lontana dall’equilibrio della popolazione intera: “effetto del fondatore” Deriva  il disequilibrio tende ad accentuarsi (se la popolazione rimane isolata, non viene contrastato dall’ibridazione)

21 perché tre tipi di polipeptidi?
Ayala, Scientific American, sett. 1978 VV VL LL Gel elettroforetico: malatodeidrogenasi (enzima ossidante) da campioni di 22 individui di Drosophila equinoxiails perché tre tipi di polipeptidi? L’enzima consiste di due catene che si combinano spontaneamente dopo essere state sintetizzate Due forme varianti prodotti di due alleli: uno che migra velocemente (V) uno lentamente (L)  gli omozigoti producono solo una forma (o VV o LL) gli eterozigoti ne producono tre: VV, LL e VL Perché esistono tre varianti dello stesso enzima nella stessa popolazione?

22 Come sono possibili così estese variazioni (mutazioni)
Zuckerkandl, Scientific American, 213, p 110, 1965 Inizio delle sequenze delle emoglobine  e  in alcune specie evidenziate le posizioni occupate dallo stesso AmminoAcido Come sono possibili così estese variazioni (mutazioni) in uno stesso enzima (= stessa funzione)?

23 Che cosa ci dicono questi dati?
Zuckerkandl, Scientific American, 213, p 110, 1965 26 siti di AA sono uguali in tutte le emoglobine note (a sinistra) 11 di essi sono in uguali anche nelle mioglobine (a destra con numeri diversi) Che cosa ci dicono questi dati? I siti invarianti sono importanti per la struttura e la funzione del polipeptide Le mutazioni colpiscono parti della proteina poco funzionali

24 “La recente scoperta della “degenerazione”
del codice, e cioè l’esistenza di due o più triplette che codificano per lo stesso aminoacido, sembra suggerire che le mutazioni neutrali potrebbero essere non così rare come si pensava. In aggiunta, alcune sostituzioni di aminoacidi in una catena polipeptidica possono avere un effetto assai scarso sull’attività biologica della proteina, rafforzando così l’idea di mutazioni neutrali o quasi.” M. Kimura, 1968

25 “… per la maggior parte i geni mutanti,
individuati solo con i procedimenti chimici della genetica molecolare sono neutrali di fronte alla selezione, cioè, sotto l’aspetto adattativo, non sono né più né meno vantaggiosi dei geni che sostituiscono; a livello molecolare la maggior parte dei cambiamenti evolutivi è provocata dalla deriva casuale di geni mutanti che sono equivalenti di fronte alla selezione.” M. Kimura 1980 le mutazioni “neutrali” per la variazione fenotipica sfuggono al processo di selezione naturale  si accumulano per deriva

26 sembrano essere costanti Cosa suggerisce questo dato?
Ridley, Evolution, 2004, p I tassi di evoluzione delle emoglobine sembrano essere costanti Cosa suggerisce questo dato? Le mutazioni neutrali costituiscono un “orologio molecolare” (Zuckerkandl e  Pauling 1962)

27 Come si possono con l’orologio molecolare
misurare i tempi dell’evoluzione? Se in uno stesso punto della catena di una proteina in specie diverse ci sono AA diversi una mutazione è avvenuta su una delle due linee che provengono dall’antenato comune Se le differenze si sono accumulate a ritmo costante il numero di differenze AmminoAcidiche fra le due specie deve essere proporzionale al tempo della loro divergenza Perché devono essere mutazioni neutrali? Il ritmo del loro accumulo non dipende dalla selezione naturale (e quindi dal mutare delle condizioni ambientali)

28 filogenesi delle mioglobine (Mb) e delle emoglobine (Hb)
Futuyma, Evolutionary Biology, 1986, p. 452 Ricostruzione della filogenesi delle mioglobine (Mb) e delle emoglobine (Hb) di un mollusco (Aplysia) e di alcuni vertebrati basata su una analisi delle sequenze di AmminoAcidi I numeri lungo i rami si riferiscono alle sostituzioni di nucleotidi stimate dalle differenze di amminoacidi I tempi di divergenza dei taxa sono basati su reperti fossili .

29 )

30 Le due teorie sono conflittuali e alternative?
Diverse visioni del valore selettivo delle mutazioni da parte dei selezionisti (sinistra) e dei neutralisti (destra) Ridley, Evolution, 2006, p. 147 Coefficiente di selezione = 0: mutazioni neutrali Le due teorie sono conflittuali e alternative? Si tratta piuttosto di valutare caso per caso quanto la situazione è effetto della selezione naturale e quanto della deriva (molecolare o popolazionale)

31 Quali differenze nel processo di speciazione?
Una parte della popolazione attraversa una barriera geografica preesistente B Una nuova barriera geografica si forma nel territorio della popolazione e la divide Quali differenze nel processo di speciazione? Diversa velocità Selezione o deriva? Nel caso A filtro selettivo più forte ma anche deriva

32 “Le condizioni ambientali svolgono sicuramente
Perché il “neutralismo” è una critica (interna) e una integrazione al darwinismo? “Le condizioni ambientali svolgono sicuramente un ruolo decisivo nel determinare quali fenotipi vengono selezionati; Ma la selezione darwiniana, o positiva, non tiene in gran conto in che modo questi fenotipi siano determinati dai genotipi. Le leggi che governano l’evoluzione molecolare sono chiaramente diverse da quelle che governano l’evoluzione fenotipica. Anche se il principio darwiniano della selezione naturale prevale, a livello fenotipico, nel determinare l’evoluzione, al livello più basso della struttura interna del materiale genetico, una grande parte dei cambiamenti evolutivi è promossa dalla deriva casuale.   M. Kimura, 1980

33 Un gruppo di 4 ♂ di cognomi A, B, C, D e 4 ♀ di cognomi E, F, G, H
migra e fonda un nuovo villaggio Si formano coppie: ♂A-♀E ♂B-♀F ♂C-♀G ♂D-♀H Se ogni coppia genera un ♂ e una ♀ quanti cognomi sono presenti nella nuova generazione? 4 (da 8): A, B, C, D, rappresentati ciascuno da un ♂ e una ♀ I giovani formano coppie con partner di cognome diverso: ♂A-♀B ♂B-♀C ♂C-♀D ♂D- ♀A 4: A, B, C, D, rappresentati ciascuno da un ♂ e una ♀ …

34 I giovani formano coppie con partner di cognome diverso:
♂A-♀B ♂B-♀C ♂C-♀D ♂D- ♀A Se la prime due coppie generano 2 ♂ e le altre generano 2 ♀ quanti cognomi sono presenti nella nuova generazione? 4: A e B rappresentati da 2 ♂, C e D da 2 ♀ ♂A-♀C ♂A-♀D ♂B-♀C ♂B- ♀D Se ogni coppia genera un ♂ e una ♀ 2 (da 4): A e B rappresentati ciascuno da 2 ♂ e 2 ♀

35 Perché nei paesi piccoli senza immigrazione pochi cognomi?
“Estinzione” dei cognomi per effetto di deriva I mitocondri contengono alcuni anelli DNA per un totale di solo poche decine di migliaia di nucleotidi residuo di simbiosi Nella fecondazione i mitocondri provengono tutti dalla cellula uovo materna  il DNA mitocondriale è ereditato per linea materna Perché il DNA mitocondriale è un buon tracciante per l’evoluzione nella popolazione umana? se la popolazione iniziale è poco numerosa, stessa dinamica dei cognomi (estinzione per deriva), ma a favore della ♀ tendenza all’estinzione, nessuna “immigrazione”, nessuna ricombinazione  riduzione della variazione bassa esposizione a selezione  accumulo di mutazioni neutrali

36 è 5 volte superiore a quella tra
Colori = varianti genetiche nelle popolazioni umane dati da analisi del DNA mitocondriale Oggi la diversità genetica tra due boscimani è 5 volte superiore a quella tra un europeo e un aborigeno australiano: come si spiega?

37 Con la migrazione la variazione diminuisce Se a migrare è un piccolo gruppo di individui, parte della variazione della popolazione di partenza va persa per deriva genetica