Tema 12. Estructura gen tica de las Objetivos...

Tema 12. Estructura genética de laspoblaciones

Genética CC. Mar 2004-05

Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo 2

Objetivos

• Entender el concepto de población genética

• Comprender el principio de Hardy-Weinberg

• Apreciar la acción de los distintos agentesevolutivos

• Describir diferentes técnicas moleculares parael estudio de la genética de poblaciones


Población mendeliana

• Una población mendeliana es un grupo de individuosque se aparean entre sí, compartiendo un conjuntocomún de genes (“acervo genético”) que se transmitende generación en generación según las leyesmendelianas.

• No evolucionan los individuos, evolucionan laspoblaciones.

• La genética de poblaciones intenta comprender lascausas de los niveles de variación genéticaobservados en las poblaciones, y de esta maneraexplicar las bases genéticas subyacentes al cambioevolutivo.


Frecuencias genotípicas y alélicas

• La frecuencias genotípicas para un locus enparticular vienen dadas por la proporción deindividuos que poseen un genotipodeterminado.

• La frecuencias alélicas vienen dadas por laproporción alelos de un tipo particular.

• La suma de las frecuencias genotípicas oalélicas es siempre 1.


Cálculo de frecuencias genotípicas yalélicas

Frecuencias genotípicasf(AA) = 353 / 1000 = 0.353f(Aa) = 494 / 1000 = 0.494f(aa) = 53 / 1000 = 0.153f(AA) + f(Aa) + f(aa) = 0.353 + 0.494 + 0.153 = 1.000

Frecuencias alélicas

f(A) = p = (2 ! 353 + 494) / (2 ! 1000) = 0.6

f(a) = q = (2 ! 153 + 494) / (2 ! 1000) = 0.4p + q = 0.6 + 0.4 = 1

Las frecuencias alélicas también se pueden calcular directamente apartir de las frecuencias genotípicas:f(A) = p = f(AA) + 1/2 f(Aa) = 0.353 + 0.494/2 = 0.6

f(a) = q = f(aa) + 1/2 f(Aa) = 0.153 + 0.494/2 = 0.4


Índices de variabilidad genética

• La heterozigosidad observada es la frecuenciade los heterozigotos en la población.

• El número de alelos es un descriptor bastantesimple de la variabilidad por locus.

• Se dice que un locus es polimórfico si el alelomás frecuente supone menos de ciertoumbral, generalmente 95 o 99%.


Equilibrio Hardy-Weinberg (HWE)

• En una población de tamaño infinito, conapareamiento al azar (panmixia), en la que nohaya mutación, migración o selección, lasfrecuencias alélicas se mantienen constantescon el tiempo, y las frecuencias genotípicasvienen determinadas por las frecuenciasalélicas:

f(AA) = p2

f(Aa) = 2pq

f(aa) = q2


Aproximación al HWE

• El HWE se alcanza con una sola generación de apareamientoal azar.

• Una vez que se ha alcanzado HWE, las frecuencias alélicas nocambian:En la generación t, las frecuencias alélicas son p y q.

En t+1, las frecuencias genotípicas serán f(AA)’= p2; f(Aa)’= 2pq; f(aa)’= q2

En la generación t+1, las frecuencias alélicas serán por tanto

p’ = f(AA)’ + 1/2 f(Aa)’ = p2 + 2pq / 2 = p2 + pq = p (p + q) = p

q’ = f(aa)’ + 1/2 f(Aa)’ = q2+ 2pq / 2 = q2 + pq = q (q + p) = q


Consecuencias del HWE

(1) La frecuencia máxima deheterozigotos es 0.5, y ocurrecuando p = q =0.5.

(2) El heterozigoto es el genotipomás común cuando p oscilaentre 0.33 y 0.66.

(3) Cuando un alelo es raro, seencuentra más a menudo enheterozigosis que enhomozigosis.

(4) La heterozigosidad esperada(H) en el equilibrio HWE paraun locus bialélico es H = 2pq.

H =1 – p

i

2

i

nº alelos

!


Contraste estadístico del HWE

• A partir de una muestra se puede inferir(estadísticamente) si una población está enHWE.

• El error de muestreo será inversamenteproporcional al tamaño de la muestra.

• Para detectar si las frecuencias genotípicasobservadas son significativamente diferentesde las esperadas por HWE se realiza unaprueba de ji-cuadrado de bondad de ajuste.


Ejemplo de contraste de HWE

• Hay que estimar las frecuencias alélicas para calcular las frecuencias genotípicasobservadas

f(A) = p = (2 ! 130 + 763) / (2 ! 2591) = 0.1974

f(B) = q = 0.8026

25911698763130

Total (N)BBABAA

X

2=

(O - E)2

!E

=(130 -100.96)

2

100.96+

(763- 821)2

821+

(1698 -1669.04)2

1669.04= 12.953

2591q2N =1669.042pqN = 821.00p2N = 100.96Esperados (E)

25911698763130Observados (O)

NBBABAA

• Grados de libertad (g.l.) = nº clases – nº de parámetros estimados – 1 = 3 – 1 – 1 = 1

• "2 con 1 grado de libertad al 95% = 3.84

• El valor observado de X2, 12.953 > 3.84 , por lo cual la desviación es significativa, yconcluimos que la muestra no es compatible con una población en HWE.

• ¿Son estas frecuencias compatiblescon que la muestra haya sidotomada de una población en HWE?


Sistemas de apareamiento• Apareamiento al azar o panmixia => HWE

• Apareamiento clasificado o asociativo: individuos del mismogenotipo se aparean entre sí más veces de lo esperado por azar (p.e.altura en humanos).– Afecta sólo a los genes que determinan el fenotipo implicado

– H#– No cambia las frecuencias alélicas

• Apareamiento desclasificado o disasociativo: individuos de diferentegenotipo se aparean entre sí más veces de lo esperado por azar (p.e.sistemas de autoesterilidad en plantas).– Afecta sólo a los genes que determinan el fenotipo implicado

– H$– Puede cambiar las frecuencias alélicas

• Apareamiento consanguíneo: individuos emparentados se apareanentre sí más veces de lo esperado por azar.– Afecta a todos los genes

– H#– No cambia las frecuencias alélicas.


Consanguinidad

• Los alelos idénticos pueden ser idénticos por ascendencia (IBD) oidénticos por estado (IBS).

• Los homozigotos pueden ser autozigotos o alozigotos,dependiendo de sí sus alelos son IBD o IBS, respectivamente.

• El coeficiente de consanguinidad (F) se puede definir como laprobabilidad de que dos alelos tomados al azar de una poblaciónsean idénticos por descendencia.


Cálculo del coeficiente deconsanguinidad

• La probabilidad de transmisión es siempre 0.5, por loque la probabilidad de que de F herede copiasidénticas de un alelo a partir del individuo A será 2 !0.56 = 0.03125, y a partir de C será 2 ! 0.54 = 0.0125

• El coeficiente de consanguinidad de un individuo i es,para S posibles caminos con n individuos cada uno(cada camino incluye los padres de i, el ancestrocomún, y los individuos entre los padres y el ancestro)es:

Fi=

1

2

!"#

$%&

1

S

'n

1+FA( )

Cami n o n F ancestro común Contribución a Fi

ECAB D 5 0 (1/2)5 = 0.031 2 5

ECD 3 0 (1/2)3 = 0.125

FF = 0.15625


Fuerzas evolutivas

• El HWE es un modelo nulo útil pero no real.

• En la naturaleza muchas poblaciones no están enHWE.

• Las fuerzas evolutivas poblacionales son aquéllas quecambian las frecuencias alélicas en las poblaciones:– Mutación

– Deriva genética

– Migración

– Selección

• Estas fuerzas no son excluyentes y pueden actuar deforma simultánea y variar en el tiempo y en el espacio.


Mutación

• La mutación consisten encambios heredables en elDNA que ocurren dentro deun locus (p.e. A%a, A3%A1).

• Las tasas de mutaciones sonbajas pero varían entre lasespecies.

• Dependiendo de su efecto, lasmutaciones pueden ser:– Neutras: sin efectos sobre la

eficacia biológica de losorganismos

– Deletéreas: efectos negativossobre la eficacia

– Ventajosas: incrementan laeficacia


Tasa de mutación

• La tasa de mutación (µ: A%a) es la proporciónde alelos A que mutan en una generación

pt = pt–1 (1–µ) & pt = p0 (1–µ)t

• Si la mutación es reversible (': a%A) se llegará aun equilibrio:

pt = pt–1 (1–µ) + qt–1' &

p =!

µ +!

q =µ

µ +!


Deriva genética

• Cuando el tamaño poblacional (N) es pequeño, seproducen cambios aleatorios en las frecuencias genéticaspor error de muestreo (deriva genética).

• El tamaño efectivo poblacional (Ne) es equivalente alnúmero de individuos que contribuyen con gametos a lasiguiente generación. Si el número de machos (Nm) yhembras (Nf) es diferente:

• La deriva genética es un proceso clave en la preservaciónde poblaciones y especies, ya que erosiona la variabilidadgenética y coarta el potencial adaptativo.

Ne

=4N

fN

m

Nf+ N

m


Dispersión de las frecuencias alélicas

• El error estándar de de lasfrecuencias alélicas por deriva es

• El intervalo de confianza (95%)sobre la variación en frecuencia

alélica por deriva es p ± 2sp.

sp =pq

2Ne

Figura 22.11 Experimento de derivagenética de P. Buri con 107poblaciones de Drosophilamelanogaster. N=16


Demografía

• El efecto fundador, que ocurre cuando unapoblación se establece a partir de un pequeñonúmero de individuos fundadores.

• Un cuello de botella (“bottleneck”) seproduce cuando el tamaño poblacionaldesciende bruscamente.

• Estas variaciones en tamaño poblacionalpueden producir un deriva genética muyacentuada.


Efectos de la deriva genética• La deriva genética provoca que las

frecuencias alélicas cambien con eltiempo.

• En cada generación p puedeaumentar o disminuir al azar.

• p puede llegar a 0 (pérdida) o a 1(fijación).

• La probabilidad de fijación de unalelo es su frecuencia inicial.

• El tiempo de fijación esperado es 4Ngeneraciones cuando p = 1/2N.

• La deriva incrementa la divergenciagenética entre las poblaciones

Fig ura 22.12 Efecto de la deriva g enética en la frecuenciade un alelo en cuatro poblaciones diferentes


Consanguinidad por deriva

• En poblaciones pequeñas se van a producir muchosapareamientos entre individuos emparentados, aunque losapareamientos sean al azar.

• El aumento de consanguinidad por deriva de una generación a lasiguiente es:

• Al cabo de muchas generaciones, en una población ideal conautofertilización, tamaño efectivo constante y el mismo númerode machos y hembras:

Ft=

1

2N+ 1-

1

2N

!"#

$%&

Ft-1

Ft=1- 1-

1

2N

!"#

$%&

t

Consanguinidad nueva Consanguinidad arrastrada


Equilibrio mutación – deriva

• En un modelo de alelosinfinitos (cada mutaciónproduce un alelo nuevo) sepuede llegar a un equilibrio,en el que la heterozigosis (H)se mantiene constante:

H =4N

eµ

1+ 4Neµ


Migración

• Muchas poblaciones intercambian genes.

• Desde el punto de vista de la genética de poblacionesla migración ocurre cuando hay una contribucióngenética al acervo genético de la población recipiente& flujo genético.

• Los efectos de la migración en una población son dos:– La migración introduce nuevos alelos en la población, de

forma que es una fuente de variación genética.

– La migración tiende a homogenizar las poblaciones, de modoque previene la acumulación de diferencias genéticas entreellas.


Modelo continente–isla

• En este modelo básico la migración ocurre en una únicadirección.

• La tasa de migración (m) la podemos definir como el porcentajede individuos inmigrantes en la población receptora.

f(A) = px f(A) = py

py’= mpx + (1–m) py

(p = m (px – py)

pyt – px= (py0 – px) (1 – m)t


Otros modelos

• Existen otros modelos de migraciónalgo más reales, como el modelode isla y el modelo de pasarela(“stepping-stone”).

• Los efectos de la migración tienenimportancia no sólo para leevolución sino también para laconservación de las especies, yaque es una fuerza importante paramantener la diversidad genéticadentro de las poblaciones.


Subdivisión poblacional

• La subdivisión o estructura poblacional se producecuando hay un flujo genético restringido entre laspoblaciones.

• A menudo el nivel de subdivisión se cuantifica con elestadístico FST

• FST varía de 0 (no subdivisión) a 1 (subdivisión total)

FST

=H

T– H

S

HT

HT= 2!p q

HS= 2pq


Efecto Wahlund

• El efecto Wahlund se traduce como una desviacióndel HWE por defecto de heterozigotos debido a lasubdivisión poblacional.

• Este efecto ocurre cuando se muestrea una poblaciónsubdividida, siempre y cuando las frecuencias alélicasde las subpoblaciones sean diferentes.

• En este caso, aunque las subpoblaciones estén enHWE, la muestra nos indicará que no hay HWE en lapoblación.


Selección natural

• La adaptación es el proceso por el cual los caracteresevolucionan adecuando a los organismos al medioque los rodea; estos caracteres incrementan lasposibilidades de que un organismos sobreviva y/o sereproduzca.

• La adaptación se produce fundamentalmente porselección natural, que pueden definirse sencillamentecomo la reproducción diferencial de los genotipos.

• Significa que algunos individuos con ciertos alelostienen más descendencia que otros, de forma queestos alelos incrementan su frecuencia a lo largo deltiempo.


Melanismo industrial

• Polillas pimentadas (Bistonbetularia) en Inglaterra.

• Antes de 1848 todas las polillaspresentan un color blanquecino(forma típica).

• En 1848 se captura un individuode color oscuro (forma carbonaria).

• En 1900 en zonas industriales90% carbonaria; en zonas rurales0% carbonaria.

• => Selección natural (aves) contralas formas mal camufladas en lostroncos de los árboles

Fig ura. Forma típica y carbonaria de B iston betularia


Eficacia biológica• La eficacia biológica ()), es la habilidad reproductiva relativa de

un genotipo.

– A menudo se la asigna una eficacia de 1.0 al genotipo que producemás descendencia, mientras que las eficacias de los otros genotiposse asignan de forma relativa a ésta

• El coeficiente de selección (s = 1–)) es una medida de laintensidad de la selección contra un genotipo.

A1A1 A1 A2 A2 A2

Número de adultos

reproductivos

16 10 20

Número total de hijos

128 40 40

Número de hijos por adulto

128/16= 8 40/10= 4 40/20= 2

Eficacia biológica ( )

8/8= 1 4/8= 0.5 2/8= 0.25

Coeficiente de selección (s)

1–1= 0 1–0.5= 0.5 1–0.25= 0.75


Efectos de la selección

• Los efectos de la selección varían según a laseficacias relativas de los genotipos y lasfrecuencias alélicas:– puede eliminar la variación (selección direccional)

o mantenerla (selección balanceadora)

– puede cambiar las frecuencias alélicas omantenerlas.

– puede producir divergencia entre poblaciones omantener la uniformidad.

• El efecto de la selección es predecible.


Predicción de la selección

• La eficacia biológica media de la población es

= p2)11 + 2pq)12 + q2)22

• Al cabo de una generación de selección:

!

!p = f (A1 !) = f (A1A1 !) +

1

2f (A1A2 !) =

p2"11

"+

pq"12

"

!p = p' - p


Selección contra un carácter recesivo

• La selección tiende a eliminar loscaracteres recesivos deletéreos.

• Se pasa de un cambio rápido auno lento, ya los alelos a a bajafrecuencia están en heterozigosis.

!q =-spq2

1- sq2

Fig ura. Selección contra un letal recesivo


Otros modelos de dominancia

• Con otros modelos dedominancia también sepuede predecir elcambio de frecuenciasalélicas debidas a laselección.

• La selección esdireccional con loscaracteres dominantes ocodominantes


Ventaja del heterozigoto

• Cuando el heterozigoto es más eficaz que los dos homozigotos(heterosis = sobredominancia = superioridad del heterozigoto)se puede llegar a un equilibrio estable.

• Las frecuencias alélicas en las que se alcanza este equilibriodepende tan sólo de los coeficientes de selección contra loshomozigotos.

• En este caso la selección es balanceadora: mantiene lavariabilidad.

p =saa

sAA + saa

q =sAA

sAA + saa


Anemia falciforme

• En las zonas sin malaria lafrecuencia del alelo Hb-S es muybaja.

• En las zonas con malaria lafrecuencia del alelo Hb-S puede serbastante alta por sobredominancia.

• La sobredominancia mantiene estepolimorfismo.

Fig ura. Anemia falciforme

Fig ura. Distribución de la malaria y del alelo Hb-S.


Equilibrio mutación – selección• La selección natural puede reducir la frecuencia de un alelo deletéreo

recesivo. Por otro lado, la mutación produce nuevos alelos y tiende aincrementar su frecuencia => equilibrio selección – mutación.

• En el caso de selección contra el alelo deletéreo recesivo a:

• µ = 10–6 ; s = 0.1, q = 0.0032. Así, la mayoría de los caracteresdeletéreos recesivos permanecerán en la población a bajas frecuencias.

• En el caso de selección contra el alelo deletéreo dominante A :

• µ = 10–6 ; s = 0.1, q = 0.0001. Así, la mayoría de los caracteresdeletéreos dominantes son muy raros (no se pueden “esconder” en losheterozigotos).

q =µ

s

p =µ

s


Variación genética en espacio ytiempo

• La estructura genética de laspoblaciones puede variar en el espacioy en el tiempo.

• Cuando las frecuencias alélicascambian de forma sistemática a lo largode un transecto geográfico, hablamosde una clina.

• En humanos, el 15% de la variación sedebe a diferencias entre poblaciones,mientras que el 85% de las diferenciasse encuentran dentro de las poblaciones.

• Los patrones de variación son muyrelevantes para la conservación de laspoblaciones y especies.

Fig ura. Variación g eog ráfica en tres alelos del locus LAP en Mytilus edulis.

Fig ura. Variación temporal en el locus esterasa 4F en el ratón de campo Microtus ochrogaster.


Variación genética en poblacionesnaturales

• El estudio de la variación genéticade las poblaciones porque éstadetermina el potencial adaptativo, yporque nos ofrece evidencias sobrela importancia de los diferentesprocesos evolutivos.

• En la naturaleza existe una granvariedad fenotípica, pero es difícilde traducir en variabilidad genética,ya que existe una influencia delambiente y la mayoría de loscaracteres son poligénicos.

Fig ura. Variación fenotípica en el caracol árboreo cubano.


Alozimas

• Los alozimas permiten diferenciarlos individuos homocigotos (unabanda) de los heterocigotos (dos omás bandas), de forma que estospolimorfismos son codominantes.

• La variabilidad proteica es unasubestima de la variabilidadgenética.

• Las especies presentan bastantevariación proteica.

• Parte de esta variación esmantenida por acción de laselección natural, mientras que otraparte es neutra.

Fig ura. Variación g enética en alg unos g rupos de plantas y animales

Fig ura. Gel de electroforesis

Fig ura. Gel de electroforesis para la hemog lobina-A


RFLPs

• Podemos caracterizar los patrones de restricción delos individuos de una población para varios loci.

• Los RFLPs son codominantes.

Fig ura. Patrones de restricción en cinco ratonesFig ura. Diferencia en RFLP en dos individuos


Microsatélites (STR) y minisatélites(VNTRs)

• En el ADN existen numerosasregiones donde se encuentransecuencias pequeñas repetidas entándem.

• Cuando la unidad de repeticiónes de 2-4 pb., se denominan STR(“short tándem repeats) omicrosatélites.

• Cuando la unidad de repeticiónes de 10-70 pb., se denominanVNTR (“variable number tándemrepeats”) o minisatélites.

• Son codominantes yextremadamente polimórficos.

Fig ura. Uso de microsatélites o minisatélitescomo marcadores g enéticos

Fig ura. VNTR


Polimorfismos de DNA amplificadosal azar (RAPDs)

• Los RAPDs utilizan cebadoresaleatorios para detectardiferencias entre losindividuos por PCR comopresencia/ausencia de bandas.

• Suelen ser dominantes.

• Sencillos de genotipar.

• Permiten estudiar muchos loci.

• Pueden ser inconsistentes.

Fig ura. RAPDs.

Fig ura. Gel de RAPDs.


Polimorfismos de longitud defragmentos amplificados (AFLPs)

• Los AFLPs se detectan mediante laamplificación aleatoria por PCR de fragmentosgenómicos de restricción, utilizandoadaptadores que actúan como cebadores.

• Los AFLPs permiten estudiar en potenciamuchísimos loci.

• Los patrones son más consistentes que con losRAPDs.

• Se trata de un marcador dominante.

Fig ura. Gel de AFLPs


Polimorfismos nucleotídicos únicos(SNPs)

• Los SNPs (“Single NucleotidePolymorphisms”) sonmarcadores de cambiosúnicos en el genoma.

• Se pueden obtener contécnicas diferentes (de hechotambién con RFLPs o AFLPs).

• En el caso de humanos se haautomatizado procesos quepermiten el genotipadomasivo de SNPs.

• Ahora son muy usados parabuscar genes y caracterizarenfermedades.

Fig ura. Genotipado de SNP


Secuencias de DNA

• La secuenciación nos permite obtener toda secuencia deun fragmento de DNA determinado, para variosindividuos.

• En general se estudian pocas regiones, y el proceso escostoso.

• Sin embargo nos proporciona la máxima información“perfecta” sobre el fragmento de DNA bajo estudio.

260 * 280 * 300 * 320 0841r : CCTTCAATTTTTATT-----------------------AGAGTTTTAGGAGAAATAAGTATGTG : 2720992r : CCTCCAATTTTTATTAGCTTGCCTACTCCTTTGGGCACAGAGTTTTAGGAGAAATAAGTATGTG : 2133803r : CCTCCAATTTTTATTAGCTTGCCTACTCCTTTGGGCACAGAGTTTTAGGAGAAATAAGTATGTG : 3054062r : CCTCCAATTTTTATTAGCTTGCCTACTCCTTTGGGAACAGAGTTTTAGGAGAAATAAGTATGTG : 3193802r : CCTCCAATTTTTATTAGTTTGCCTACTCCTTTGGGCACAGAGTTTTAGGAGAAATAAGTATGTG : 282ph2f : CCTCCAATTTTTATTAGCTTGCCTACTCCTTTGGGCACAGAGTTTTAGGAGAAATAAGTATGTG : 306 CCTcCAATTTTTATTag ttgcctactcctttggg acAGAGTTTTAGGAGAAATAAGTATGTG

Fig ura. Alineamiento de secuencias de DNA


Microvectores de expresión

• Los microvectores deexpresión(“microarrays”)cuantifican diferenciasen la expresión génicaen múltiples locisimultáneamente.

• Técnica muy moderna ytodavía poco aplicada ala genética depoblaciones

Fig ura. Microrarray


Comparativa

IntermediaCaroCodominanteMedioBajoSecuenciación

ComplicadaBaratoCodominanteBajoAltoSNPs

ComplicadaCaroCodominanteAltoMedio/AltoMinisatélites

ComplicadaCaroCodominanteAltoMedioMicrosatélites

IntermediaMedioDominanteBajoMuy altoAFLPs

SencillaBaratoDominanteBajoMuy altoRAPDs

IntermediaBaratoCodominanteMedioAltoRFLPs

SencillaMedioCodominanteMedioMedioAlozimas

ImplementaciónCosteHerenciaNº alelos/locusNº lociTécnica

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