Laboratorio evoluzione Marcello Sala DERIVA [Eigen M. – Winkler R. (1975), Il gioco, Adelphi Milano 1986 Luigi Luca Cavalli Sforza, L’evoluzione della.

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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 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 riesce a riprodursi negli eritrociti falciformi  l’anemia protegge dalla malaria Esempio di processo di selezione naturale nonostante il carattere in sé sia svantaggioso

3 Negli 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%)

4 “… sono convinto che la selezione naturale è stata la causa principale, ma non l’unica, delle modificazioni.” C. Darwin L’origine delle specie per mezzo della selezione naturale, 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 sorteggiando così uno dei due tipi 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 Versione più astratta del gioco: le frequenze dei due tipi di pedine non dipendono dalla collocazione sulla scacchiera  si può eliminare la rappresentazione spaziale A ogni mossa - contare le pedine dei due tipi - estrarre a sorte un tipo (O - X) - effettuare la “sostituzione” ovvero sottrarre una unità al tipo estratto e aggiungere una unità all’altro tipo - contare le pedine 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 Alla fine il software produce una striscia con zona rossa e verde proporzionali alle frequenze Le strisce una sotto l’altra riproducono le “mosse” successive

8 Che cosa prevedete che succederà alle frequenze dei due tipi? 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 E se all’inizio le frequenze dei due tipi sono diverse? Esempio tipico

9 E se all’inizio le frequenze dei due tipi sono diverse? Stessa dinamica: le frequenze “oscillano” molto, Tanto che a volte uno dei due tipo “si estingue” Perché succede così? Se si è più vicini a un estremo più facilmente un’oscillazione forte può arrivare alla frequenza 0 Esempio tipico

10 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 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 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6

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? 

12 Oscillazioni meno forti ma tendenze progressive fino all’estinzione 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) Esempio tipico

13 Scacchiera più grande (30x30): previsioni? Sviluppo più “lento” ma ugualmente “deriva” Esempio tipico

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

15 Scacchiera più piccola (4x4): previsioni? Meno elementi  dinamica più veloce fino all’estinzione  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 Esempio tipico

16 Variazione delle frequenze di coppie di alleli a partire da un valore 0,5 in 50 simulazioni di popolazioni di diversa dimensione Cosa succede se c’è anche una pressione selettiva? alleli fissati alleli persi [Ferraguti – Castellacci, Evoluzione. modelli e processi, Pearson 2011]

17 Selezione 2 a 1 a favore del verde: previsioni? Aumenta il favorito dalla selezione ma a volte anche lo sfavorito  effetto di deriva Esempi tipici

18 Selezione 5 a 1 a favore del verde: previsioni? Esempi tipici

19 Selezione 5 a 1 a favore del verde con meno frequenza iniziale Sotto una certa frequenza la pressione selettiva non riesce a invertire la deriva sfavorevole

20 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) 18.000 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”

21 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)

22 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? Ayala, Scientific American, sett. 1978

23 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)? Zuckerkandl, Scientific American, 213, p 110, 1965

24 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 11 di essi sono uguali anche nelle mioglobine (a destra con numeri diversi) 26 siti di AA sono uguali in tutte le emoglobine note (a sinistra)

25 “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

26 “… 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

27 I tassi di evoluzione delle emoglobine sembrano essere costanti Cosa suggerisce questo dato? Le mutazioni neutrali costituiscono un “orologio molecolare” (Zuckerkandl e Pauling 1962) Ridley, Evolution, 2004, p. 165-67

28 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)

29 . 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 Futuyma, Evolutionary Biology, 1986, p. 452

30 )

31 Diverse visioni del valore selettivo delle mutazioni da parte dei selezionisti (sinistra) e dei neutralisti (destra) 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) Ridley, Evolution, 2006, p. 147

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

33 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

34 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 Se ogni coppia genera un ♂ e una ♀ quanti cognomi sono presenti nella nuova generazione? 4: A, B, C, D, rappresentati ciascuno da un ♂ e una ♀ …

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

36 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

37 Oggi la diversità genetica tra due boscimani è 5 volte superiore a quella tra un europeo e un aborigeno australiano: come si spiega? Colori = varianti genetiche nelle popolazioni umane dati da analisi del DNA mitocondriale 1999 Kenneth K. Kidd, Yale University

38 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 1999 Kenneth K. Kidd, Yale University