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Genetica dello sviluppo: isolamento dei mutanti Cromosoma 2 Lts Cy cn bw P Trattamento con agente mutageno F1F1 cn bw Cy cn bw Cy l quasi tuttirarissimi.

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1 Genetica dello sviluppo: isolamento dei mutanti Cromosoma 2 Lts Cy cn bw P Trattamento con agente mutageno F1F1 cn bw Cy cn bw Cy l quasi tuttirarissimi F2F2 Questa generazione viene fatta crescere a temperatura restrittiva, in modo che muoiano tutti i portatori di Lts cn bw Cy cn bw Cy cn bw Cy l cn bw Cy cn bw Cy l l Incroci A: quasi tuttiIncroci B: rarissimi Progenie adulta incroci A Progenie adulta incroci B F3F3 cn bw 2:1 tutti cn bw l l 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 cn bw

2 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 Dopo la fecondazione lo zigote effettua la segmentazione, con una rapidissima successione di mitosi che non lascia spazio alla trascrizione Organismo modello: Drosofila 1) Geni gap: codificano fattori di trascrizione che suddividono lembrione in grandi regioni (testa, torace, addome). Geni zigotici di segmentazione: determinano lorganizzazione del corpo in regioni 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 pair- rule codificano fattori di trascrizione che determinano la polarità antero-posteriore entro i metameri. Geni materni e zigotici

3 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. p. es. il gene Bitorax controlla lo sviluppo delle ali nelladulto nel 2° segmento toracico. 1) I geni Hox presentano tutti una caratteristica sequenza (homeobox) che codifica per una sequenza di aminoacidi (omeodominio), allinterno del polipeptide, responsabile del legame al DNA. 2) I geni Hox presentano un ordinamento lineare sullo stesso cromosoma, in direzione 3-5 sul filamento trascritto, che corrisponde allasse anteroposteriore del corpo. 4) I mutanti dei geni Hox presentano uno sviluppo disturbato: p. es. alleli mutanti di Bitorax presentano 2 paia di ali ) I geni Hox, con le caratteristiche descritte nei punti 2, 3, 4, sono stati trovati in tutti gli animali multicellulari, incluso luomo. Nel differenziamento delle piante sono attivi fattori di trascrizione appartnenti ad altre famiglie.

4 Levoluzione biologica Secondo Lamarck Secondo Darwin 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. 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 Lipotesi 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

5 La distribuzione del carattere peso del seme nella F2 dellincrocio fra due linee pure di fagiolo in ambiente omogeneo PPSS ppss PS ps Generazione P Gameti Generazione F1 PpSs PPSS PPSs PpSS PpSs PPSs PPss PpSs ppSS Ppssppss Ppss ppSs PpSs Genotipi della F2 Fenotipi della F2 Distribuzione binomiale dei fenotipi della F2 PS pS Ps ps Gameti Coefficienti binomiali n k = n!/k!(n-k)!

6 È possibile selezionare il carattere peso del seme, la cui variabilità è determinata geneticamente PPSS PPSs PPss ppSS ppss ppSs pSps PSPs PS Ps pS ps PPSs Gameti ppSs Fenotipi della F2 Genotipi delle F3 Fenotipi delle F3 Selezione per il seme grande Selezione per il seme piccolo 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 …verso il peso del seme piccolo

7 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 La variabilità del carattere peso del seme è dovuta esclusivamente alla variabilità ambientale Si selezionano e si incrociano le piante con i semi piccoli Si selezionano e si incrociano le piante con i semi grandi Gameti PS x gameti PS fecondazione Progenie PPSS La progenie è mantenuta nello stesso ambiente della generazione precedente, La distribuzione per il peso de semi, in particolare il peso medio, non varia fra le generazioni La selezione è inefficace

8 Variabilità fenotipica dovuta sia alla variabilità genetica che alla variabilità ambientale Genotipo AA Genotipo Aa Genotipo aa Ipotesi 1: cè solo la variabilità genetica, manca quella ambientale: a ogni genotipo corrisponde un solo valore del fenotipo; lunica componente della varianza totale è la varianza genetica (s 2 p = s 2 g = 0,5) 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 Ipotesi 2: cè solo la variabilità ambientale, manca quella genetica: in ogni popolazione è presente un solo genotipo; lunica componente della varianza totale nelle 3 popolazioni è la varianza ambientale (s 2 p = s 2 a = 0,5) Ipotesi 3: ci sono sia la variabilità ambientale che quella genetica: la varianza totale nelle 3 popolazioni è data dalla somma della varianza ambientale (s 2 p = s 2 a + s 2 g = 0,5 + 0,5 = 1) s 2 = (1/N) x i – x) 2 1/N) x i 2 – x 2 _ _ Nota: la varianza di una distribuzione si calcola come segue:

9 Ereditabilità dei caratteri quantitativi ed efficacia della selezione H 2 = s 2 g / s 2 p h 2 = s 2 ad / s 2 p = R/S Risposta alla selezione (R) Differenziale di selezione (S) Generazione parentale Generazione filiale F1 H 2 = ereditabilità in senso lato h 2 = ereditabilità in senso stretto s 2 ad = varianza genetica additiva Inincroci reiterati Linea pura Popolazione iniziale, da indagare H 2 = rapporto varianza genetica : varianza della popolazione iniziale (s 2 g / s 2 p ); s 2 g =s 2 p (varianza della popolazione iniziale) – s 2 a (varianza della linea pura).

10 Le fonti della variabilità genetica Mutazioni geniche Poliploidia, duplicazioni Nuovi alleli Nuovi geni Geni duplicati Riproduzione sessualeRicombinazione Nuove combinazioni di alleli Fonti primarie Amplificazione (esponenziale) Localmente MigrazioniNuovi alleli (localmente) Perché sia possibile levoluzione, 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 allambiente. Ma per adattarsi a un ambiente mutevole, le specie debbono mantenere un livello adeguato di variabilità genetica per rispondere tempestivamente alla mutabile pressione selettiva.

11 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 lisolamento 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 lallopoliploide e le specie da cui origina è del tutto sterile;

12 Lorigine di nuovi geni L M N L M M N Duplicazione Regione duplicataM L M M N L M m2 N L M m1 N L M O N Mutazioni geniche Diverse mutazioni geniche M: allele funzionale di M m1, m2: alleli non funzionali di M O: nuovo gene Sostanza 1 Sostanza 2 Sostanza 4Sostanza 3 : prodotti del gene M : prodotto del gene O

13 ALLOPOLIPLOIDIA: sterilità degli ibridi anfitriploidi Fecondazione fra il gamete di individuo allotetraploide e uno di una delle 2 specie originarie MEIOSI ABORTIVE, STERILITA Zigote anfitriploide ibrido, vitale inividuo anfidiploide ibrido, vitale ma sterile Successive divisioni mitotiche, differenziamento Alcuni cromosomi sono a 2 a 2 omologhi e possono appaiarsi regolarmente, ma tutti gli altri sono privi di omologia: in 1° divisione meiotica non riescono ad appaiarsi e segregano casualmente Di conseguenza i gameti sono sbilanciati geneticamente, quindi sterili

14 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 dellevoluzione. A1 0,5A2 0,5 A1 0,5A1A1 0,25A1A2 0,25 A2 0,5A1A2 0,25A2A2 0,25 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); nellincrocio 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. 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 0,2A1A1 0,04 A1A2 0,06 A1A3 0,1 A2 0,3A1A2 0,06 A2A2 0,09 A2A3 0,15 A3 0,5A1A3 0,1 A2A3 0,15 A3A3 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

15 Le leggi di Hardy-Weinberg 1° legge di Hardy-Weinberg: le frequenze degli alleli in una popolazione non cambiano passando da una generazione allaltra se: 1) Non cè selezione2) Non cè mutazione 3) Non cè migrazione A1 p A2 q A3 r A1 pA1A1 p 2 A1A2 pq A1A3 pr A2 qA1A2 pq A2A2 q 2 A2A3 qr A3 rA1A3 pr A2A3 qr A3A3 r 2 4) La popolazione è infinitamente grande Se p n è la frequenza relativa dellallele A1 alla generazione n, quando le 4 condizioni sono rispettate, la popolazione è allequilibrio (e non cè evoluzione!) e: 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) Cè 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: p 2, 2pq e q 2 p n+1 = p n ; p n+1 -p n = p=0

16 Mutazione, migrazione e selezione MIGRAZIONE MUTAZIONE p= q Se A2 muta in A1 a un tasso costante per generazione, allora: 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) Quando p=1, lallele A1 è fissato nella popolazione; quando p=0, lallele 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 Lidoneità riproduttiva (fitness – W) di un genotipo (per il genotipo A1A2, W A1A2 ) è la sua probabilità di sopravvivere e produrre progenie feconda SELEZIONE La fitness media di una popolazione è W=p 2 W A1A1 +2pqW A1A2 + q 2 W A2A2 La fitness media dellallele A1 è W A1 =pW A1A1 +qW A1A2 La selezione determina un cambiamento delle frequenze alleliche a causa della differente fitness degli alleli: p=pq(W A1 -W A2 )/W Il progressivo cambiamento delle frequenze alleliche può portare ai valori p=0 o p=1

17 Variazioni della frequenze alleliche dovute a diversi tipi di selezione A1A1A1A2A2A2 p Direzionale positiva recessiva 11-s sp 2 q/(1-sq(2p+q)) Direzionale positiva dominante 111-sspq 2 /(1-sq 2 ) Stabilizzatrice1-s1 spq(q-p)/(1-s(p 2 +q 2 ) Diversificatrice11-s1spq(p-q)/(1-2spq) s=1-w (per ogni genotipo)= coefficiente di selezione Bilanciamento fra mutazione e selezione Per un allele recessivo p^=( /s) 1/2 Per un allele dominante p^= /s Se un allele dannoso A1 con coefficiente di selezione s viene introdotto in una popolazione a un tasso costante di mutazione per generazione, sono raggiunte le seguenti frequenze allequilibrio p^.

18 Effetti dei diversi tipi di selezione sulla variabilità genetica delle popolazioni Selezione direzionale positiva Selezione direzionale negativa Selezione stabilizzatrice Selezione diversificatrice Lallele selezionato, per la selezione direzionale, è lallele azzurro scuro Equilibrio indifferene Equilibrio stabile Equilibrio instabile

19 Diversi tipi di selezione: conseguenze evolutive La selezione direzionale Avvantaggia uno dei 2 genotipi omozigoti (A1A1) e svantaggia laltro genotipo omozigote (A2A2) e il genotipo eterozigote (A1A2) (effetto vantaggioso recessivo per A1, svantaggioso dominante per A2: W A1A1 >W A1A2 =W A2A2 ) Avvantaggia uno dei 2 genotipi omozigoti (A1A1) e il genotipo eterozigote (A1A2) e svantaggia laltro genotipo omozigote (A2A2) (effetto vantaggioso dominante per A1, svantaggioso recessivo per A2: W A1A1 =W A1A2 >W A2A2 ) Leffetto della selezione direzionale è comunque la fissazione dellallele avvantaggiato e leliminazione dellallele svantaggiato La selezione stabilizzatrice La selezione diversificatrice Avvantaggia il genotipo eterozigote (A1A2) e svantaggia i genotipi omozigoti (A1A1, A2A2) W A1A2 >W A1A1 ; W A1A2 >W A2A2 ) Svantaggia il genotipo eterozigote (A1A2) e avvantaggia i genotipi omozigoti (A1A1, A2A2) W A1A2

20 Selezione e caratteri quantitativi La selezione direzionale favorisce una delle 2 varianti estreme: La selezione stabilizzatrice favorisce i valori centrali La selezione diversificatrice favorisce entrambe le 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 distribuzione del carattere nelle generazioni successive presenterà la stessa media e una varianza più piccola. la distribuzione del carattere nelle generazioni successive presenterà la stessa media e una varianza più grande... …fino a diventare, talvolta, una distribuzione bimodale

21 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 alleliminazione 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 alleliminazione dellallele azzurro scuro

22 probabilità di variazione delle frequenze alleliche da una generazione allaltra per deriva genetica p=0 p=1/6p=1/3p=1/2p=2/3p=5/6p=1 frequenza probabilità 1/64 6/64 15/64 20/64 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: La probabilità che un allele con frequenza p i nella generazione i in una popolazione di n/2 individui diploidi assuma alla generazione i+1 la frequenza p i+1 = k/n è la seguente: n k p i k (1-p) n-k in cui n k = n!/k!(n-k)! Mentre il valore di p è, per ogni valore di p i, univocamente determinato per segno e per valore, se agiscono come fattori evolutivi la selezione, la mutazione o la migrazione, cè una distribuzione stocastica di valori, sia in aumento che in diminuzione, se il fattore evolutivo è la deriva genetica.

23 Lincrocio preferenziale Lincrocio 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. Generazione i Generazione i+1 Generazione i+2 A1A1 A2A2 A1A2 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 dallequilibrio procede sempre di più con il passare delle generazioni. f(A1A1)>p 2 ; f(A2A2)>q 2 ; f(A1A2)<2pq 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) Nel caso illustrato (p=q=0,5; autofecondazione), alla generazione i+n f(A1A1)=f(A2A2)=(1-1 /2 n )/2; f(A1A2)=1/2 n

24 Sintesi sugli effetti dei fattori evolutivi p 01 Selezione direzionale svantaggiosa Selezione diversificatrice Selezione stabilizzatrice Deriva genetica Migrazione Mutazione Selezione direzionale vantaggiosa 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 Fattore evolutivo Selezione direzionale vantaggiosa Selezione direzionale svantaggiosa Selezione stabilizzatrice Selezione diversificatrice Deriva genetica Migrazione Mutazione Effetto sulla variabilità entro le popolazioni Effetto sulla variabilità tra le popolazioni

25 Selezione senza ricombinazione A c B1 d A B2 C d Lallele neutrale B1 subisce la stessa variazione di frequenza ad ogni generazione dellallele c, fino alleliminazione: p= -sp 2 q/W Gli alleli B1 e B2 del gene B sono neutrali Lallele recessivo c del gene C è svantaggiato rispetto allallele dominante C Regione invertita Le uniche combinazioni possibili di alleli per i geni B e C sono c-B1 e B2-C (le combinazioni ricombinanti non sono vitali) Nella popolazione sono presenti solo 2 combinazioni degli alleli entro linversione:

26 Picchi adattativi xxYYzz xxyyzz XXyyzz XXyyZZ XXYYZZ xxYYzz xxyyzz XXyyzz XXyyZZ XXYYZZ selezioneselezione Deme selezioneselezione XXYYZZ XXyyzz XXyyZZ xxyyzz Metapopolazione XXyyzz xxYYzz

27 Specie e speciazione La specie è un insieme di popolazioni… … interfeconde al loro interno… … e reciprocamente tra loro,… … isolate riproduttivamente rispetto ad altre popolazioni. 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. ANAGENESI n generazioni CLADOGENESI n generazioni 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 dellibrido. I meccanismi di isolamento pre-zigotico prevengono la fecondazione.

28 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. 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. distanza 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. Specie 1 Specie 2 Specie 4 Specie 3 Specie


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