Nicholas F.W. (1996) Griffiths AJ et al. (2000)

Presentación del tema: "Nicholas F.W. (1996) Griffiths AJ et al. (2000)"— Transcripción de la presentación:

1 Tema 14: Alteraciones del equilibrio Hardy-Weinberg: Procesos sistemáticos
Nicholas F.W. (1996) Griffiths AJ et al. (2000) Klug W y Cummings MR (1999) Tamarin RH (1996) Puertas (1992)

2 Objetivos: Conocer los distintos procesos que originan la falta de equilibrio en las poblaciones. Entender el significado de mutación como proceso que origina desequilibrios en las poblaciones. Comprender que la selección es la principal fuente de cambio de las poblaciones y cómo de forma natural o artificial produce sus efectos. Saber el efecto que la migración puede producir en las poblaciones y entender la diversidad que puede originar.

3 Contenidos Procesos sistemáticos Efecto de mutación
Concepto de eficacia biológica y coeficiente de selección Modelos de selección Equilibrio mutación-selección Efecto de migración

4 Procesos sistemáticos
Alteraciones del equilibrio Hardy-Weinberg Procesos sistemáticos Procesos dispersivos Procesos sistemáticos Afectan a las poblaciones y sabemos en qué dirección va ir la población: - Mutación - Selección - Migración En la mayoría de las poblaciones naturales no se dan las condiciones del EHW. En la naturaleza las poblaciones son dinámicas, cambian de tamaño y estructura como parte de sus ciclos biológicos. En este tema vamos a ver alguno de los procesos que evita que se alcance el equilibrio o llevan a poblaciones con equilibrios distintos., Pero en cualquier caso, vamos a poder predecir que ocurrirá con esas poblaciones. Es decir, vamos a saber qué va a pasar con sus frecuencias a lo largo de las generaciones. Es difícil que las condiciones de equilibrio se den en todos los loci en una población.

5 MUTACIÓN Mutación en la línea germinal
Cualquier cambio en la secuencia de nucleótidos del ADN Mutación somática Mutación en la línea germinal Tipos: Definición de mutación. El cambio en el DNA puede ser desde una mutación puntual hasta la falta de un fragmento cromosómico, la transversión, etc… Dentro de las mutaciones, las que mayor importancia evolutiva tienen son las que ocurren en la línea germinal porque son las que se van a transmitir a la siguiente generación. Las mutaciones se pueden traducir a cambios morfológicos (ejemplo drosophila, el animal con el que más estudios de genética poblacional se han realizado) o cambios mucho más sutiles como la variación en una proteína.

6 MUTACIÓN Aunque existen fuentes de variación de caracteres (transmisión y recombinación), la mutación es el único proceso que da lugar a NUEVOS ALELOS. Fuente de variabilidad que ha originado que las frecuencias génicas no estén fijadas por propia selección natural. La Mutación es la única fuente de variación que origina nuevos alelos. En una población, el conjunto de genes se mezcla cada generación para dar lugar a una combinación genotípica distinta. La transmisión y recombinación producen nuevas combinaciones genotípicas. Las mutaciones son la materia prima de la evolución. La evolución tiene lugar cuando una nueva versión de un gen, que originalmente surge por una mutación, aumenta su frecuencia y se extiende a la especie gracias a la selección natural o a tendencias genéticas aleatorias (fluctuaciones casuales en la frecuencia de los genes). Antes se pensaba que las mutaciones dirigían la evolución, pero en la actualidad se cree que la principal fuerza directora de la evolución es la selección natural, no las mutaciones. No obstante, sin mutaciones las especies no evolucionarían. La mutación es una fuerza direccional de cambio de las frecuencias génicas.             La importancia de la mutación reside en que es la fuente última de la variabilidad genética que hace posible la evolución. Mediante la mutación unos elementos genéticos (alelos o cromosomas) se transforman en otros similares con funciones alternativas; estas variantes podrán reunirse mediante procesos de recombinación y, si suponen una alternativa interesante, serán seleccionadas por la selección natural.  

7 MUTACIÓN Mutación no recurrente: Acontecimiento mutacional único, raro. Las copias del alelo mutado tienen poca probabilidad de permanecer en una población grande Mutación recurrente: agente de cambio de las frecuencias génicas, aunque a largo plazo: Irreversible: A1A2 Reversible: A1 ↔ A2 Un proceso de mutación no recurrente produce un mutante único. El cambio en la frecuencia génica es mínimo y su probabilidad de supervivencia es infinitesimal, salvo que esté favorecido por la selección natural.            Si la población es finita (aunque muy grande) y tiene tamaño N, la frecuencia a la que aparece el gen mutante es 1/2N , es decir, muy pequeña y, por débil que sea el proceso de deriva la probabilidad de que se pierda el gen es muy grande y aumenta con el paso de las generaciones.             En resumen, este tipo de mutación no produce cambios permanentes en la población (salvo que dichos mutantes se seleccionen artificialmente. Mutación Recurrente En este caso, el proceso de mutación ocurre sistemáticamente en cada generación con una frecuencia característica. En poblaciones grandes, la frecuencia del gen que muta nunca es tan baja como para que se pierda.             El efecto de la mutación sobre una población se denomina presión de mutación y provoca un cambio en frecuencia génica que tiene una dirección definida.

8 MUTACIÓN RECURRENTE Frecuencia baja, pero aparece permanentemente en la naturaleza, ya que: Poblaciones son muy numerosas Muchos loci por individuo La tasa de cambio de la frecuencia génica por mutación es muy lenta porque las tasas de mutación espontánea son muy bajas.

9 MUTACIÓN Tasa de mutación:
"Frecuencia con que se produce la sustitución de un nucleótido durante la replicación del DNA" "Frecuencia con que ocurre una mutación en un locus por gameto y por generación" "En caracteres cuantitativos, tasa a la que se genera varianza fenotípica por causa de mutación" La mutación ocurre al azar, sin considerar si tendrá un efecto beneficioso o desventajoso. Las tasas de mutación son muy bajas por lo que el efecto en la frecuencia génica por mutación es muy lenta.

10 Mutación recurrente Cálculo de la Tasa de Mutación:
La mayoría de las mutaciones son recesivas difíciles de observar en individuos 2n Las mutaciones dominantes se pueden medir si: Producen fenotipos distintos al recesivo Penetrancia completa Ningún agente ambiental produce el fenotipo Fenotipo mutante 2 de nacidos (a partir de padres fenotípicamente normales)  tasa mutación: 2/ gametos 1/ = 1*10-5 Acondroplasia: u=1,4 * Vamos a ver como se modifican las frecuencias dada una tasa de mutación “u” (CONSIDERAMOS QUE NO HAY SELECCIÓN) Para saber si la mutación es una fuerza significativa para cambiar las frecuencias alélicas hay que medir la tasa de mutación. Nº nuevos alelos mutantes Tasa de mutación: Nº de gametos

11 GENERACIÓN Frecuencia génica de los ALELOS
Mutación recurrente Si m es la frecuencia de mutación por gameto y generación en el paso de A1 hacia A2, entonces ocurrirá: GENERACIÓN Frecuencia génica de los ALELOS A1 A2 Go p q m A1  A2 G1 p - mp q + mp p1= p-mp=p(1-m) G2 p2= p1-mp1 = p1 (1-m)= p(1-m)(1-m)=p(1-m)2 Gt pt=p(1-m)t En cada generación p disminuye y q aumenta y habrá mp alelos A1 que se transforman en A2 por mutación.

12 Mutación recurrente A partir de esta fórmula se puede calcular el número de generaciones (t) que deben transcurrir para que una frecuencia inicial (p) haya pasado a (pt) pt pt=p(1-m)t (1- m)t = p Con una tasa de mutación de 1*10-5, se necesitarían generaciones para llevar una frecuencia inicial p=1 a p=0.5. Incluso si la tasa de mutación aumentase por la exposición a niveles elevados de radioactividad o de mutágenos químicos, el impacto de la mutación sobre las frecuencias alélicas será extremadamente débil. Como fuente de variabilidad genética, la mutación proporciona la materia prima para la evolución, pero POR SÍ MISMA juega un papel relativamente insignificante en el cambio de las frecuencias alélicas. Por el contrario, el destino de los alelos originados por mutación está determinado más probablemente por selección natural (la trataremos más tarde) y por deriva genética (la veremos en el siguiente tema). La fracción de alelos A1 que se transforma en A2 en cada generación es muy pequeña, requiriéndose muchas generaciones para modificar frecuencias Ej. Si m=10-5, son necesarias generaciones para pasar de 1 a 0,9.

13 mutación recurrente A1A2
El proceso de cambio de frecuencias génicas es más lento porque no solo existe: mutación recurrente A1A2 sino retromutación A2A1 (mutación reversible) No nos extendemos por la poca importancia que, a priori, tiene en ganadería.

14 SELECCIÓN La selección natural es el resultado de: Variación Herencia
Tiempo Individuals in populations vary slightly from one another. Some of those variations help the individuals that possess them to produce more offspring than others. Those offspring, in turn, inherit the successful variations and produce more offspring themselves. As generations pass, the population evolves towards the variation that is the more successful. As new helpful variations arise, they are also selected for and are layered on top of or replace previously successful variations.

15 La mutación más la selección es lo que ha dado lugar a la especiación
La mutación más la selección es lo que ha dado lugar a la especiación. Por eso analizando el genoma de las especies podemos saber qué especies son más próximas. Realmente no hay muchas diferencias entre especies a nivel genético (o menos de los que podríamos esperar), se analizan las mutaciones.Aquellas que dan lugar a un cambio aminoacídico son más importantes porque pueden causar un cambio en la aptitud. Some mutations cause a change in the aminoacid sequence of the corresponding protein. And this is likely to affect fitness. Thus, natural selection imposes destiny, by either quickly eliminating individuals which carry such genes if they are less fit, or increasing the frequency of the mutated allele if the carrier individuals is more fit. No a-priori general law can predict the rate of change. La selección natural actúa para incrementar la frecuencia de las mutaciones ventajosas, que es como se produce el cambio evolutivo, ya que esos organismos con mutaciones ventajosas tienen más posibilidades de sobrevivir, reproducirse y transmitir las mutaciones a su descendencia. La selección natural actúa para eliminar las mutaciones desventajosas; por tanto, está actuando continuamente para proteger a la especie de la decadencia mutacional. La selección natural no actúa sobre las mutaciones neutrales, pero las mutaciones neutrales pueden cambiar de frecuencia por procesos aleatorios. Cuando caracterizamos poblaciones usamos marcadores neutros, para ver la variabilidad, a veces un marcador de este tipo puede estar asociado a un carácter seleccionado (producción, enfermedad, etc), entonces este marcador sufriría en sus frecuencias lo mismo que le ocurra al carácter seleccionado. Ejemplo de marcadores-QTL Existen controversias sobre el porcentaje de mutaciones que son neutrales, pero generalmente se acepta que, dentro de las mutaciones no neutras, las mutaciones desventajosas son mucho más frecuentes que las mutaciones ventajosas. Por tanto, la selección natural suele actuar para reducir el porcentaje de mutaciones al mínimo posible; de hecho, el porcentaje de mutaciones observado es bastante bajo.

16 Selección Ley H-W: los individuos de cualquier genotipo tienen igual tasa de supervivencia Selección natural se produce por diferencia de los individuos en cuanto a supervivencia o tasa de reproducción p = 0,5 q = 0,5 AA 0,25 25 Aa 0,50 50 aa 0,25 25 N = 100 Tasa de supervivencia 100% 90% 80% En la primera condición de la Ley de H-W, los individuos de cualquier genotipo tienen iguales tasas de supervivencia e igual “éxito reproductivo”. Si esto no se cumple, las frecuncias alélicas cambian de una población a la siguiente. 25 45 20 p´= (50+45)/180 = 0.53 q´= 0.47 AA (0,53)2 ≈28 Aa 2*0,53*0.47 ≈ 50 aa (0,47)2 ≈ 22 N = 100

17 Selección Proceso por el que unos fenotipos y por tanto unos genotipos dejan más descendientes que otros por conseguir mayor éxito reproductivo. Para medirlo se define: EFICACIA BIOLOGICA O VALOR ADAPTATIVO (w) de un genotipo/fenotipo: "probabilidad relativa de supervivencia y reproducción de una clase genotípica. Eficacia de un genotipo/fenotipo como media de sus portadores, (valor de 1 a 0)“. Consecuencia de la relación fenotipo-ambiente. w =1  Sobreviven todos los individuos w =0  no sobrevive ningún individuo (genes letales) COEFICIENTE DE SELECCIÓN (s), mide la suma de las fuerzas que actúan para impedir el éxito reproductivo w = 1- s s = 1- w La principal contribución de Darwin a la evolución fue reconocer que la selección natural y el aislamiento reproductivo son mecanismos que conducen a divergencia y finalmente a la separación de poblaciones en especies distintas. En cualquier población, en un momento determinado, hay individuos con genotipos distintos y algunos se adaptan mejor al ambiente que otros. Los cambios en una especie como respuesta al ambiente tienen lugar porque los distintos genotipos tienen distinta capacidad para sobrevivir. Media: Dos individuos con igual genotipo pueden tener distinta tasa de supervivencia como consecuencia de procesos fortuitos, por eso lo importante es la media del genotipo. Relación fenotipo-ambiente: un genotipo puede tener eficacias distintas en distintos ambientes. La selección es una fuerza importante en el cambio de las frecuencias alélicas y producirá una desviación del EHW donde todos los genotipos tienen igual viabilidad y fecundidad. VAMOS A VER DISTINTOS TIPOS DE SELECCIÓN Y COMO VAN A MODIFICAR EL EHW, DONDE TODOS LOS GENOTIPOS TIENEN IGUAL VIABILIDAD Y FECUNDIDAD.

18 Selección en contra del homocigoto recesivo
Tras las selección: Supuesto: Una población inicial en Equilibrio Hardy-Weinberg sometida a un proceso de selección durante varias generaciones  aparecerán nuevas frecuencias génicas. Homocigotos dominantes y heterocigotos w= 1, ya que tienen el mismo fenotipo y la selección natural no diferencia. Actúa sobre el fenotipo. Homocigoto recesivo  w=1-s Normalmente las diferencias en la eficiencia biológico se deben a diferencias en muchos loci, sólo mutantes de laboratorio o las principales enfermedades metabólicas (recesivas) se deben a un solo gen. Diferencia de frecuencias:

19 Selección en contra del homocigoto recesivo
Gen letal recesivo: Tras las selección: Diferencia de frecuencias:

20 Selección en contra del homocigoto recesivo
-q2 1 +q Dq = 1. La frecuencia del alelo recesivo (q) disminuye siempre, ya que hay signo negativo 2. El cambio de frecuencias es proporcional a q2, que esta en el numerador, por tanto la frecuencia disminuirá en función de la frecuencia en la población de los individuos recesivos. 3. La población estará en equilibrio cuando no haya cambio en las frecuencias: Dq=0  q2=0 ¿Cuántas generaciones serán necesarias para que q2=0?

21 s =1 -q2 1 +q Dq = q0 1 +gq0 qg = g= número de generaciones a es eliminado más rápidamente cuando la selección es más intensa y sólo desaparece cuando han pasado un número infinito de generaciones. La razón de ser asintótica es que a medida que el alelo a se hace más raro, tiende a estar más en los heterocigotos y como la selección sólo actúa contra aa, el alelo escondido en Aa no es detectado

22 Si q es 0,5 hay 2 heterocigotos por cada aa
Si q es 0,001 hay casi 2000 het por cada aa

23 Eugenesia: Mejora selectiva en la especie humana para conseguir una mejora en las poblaciones.
Evitar la reproducción de individuos con graves anomalías genéticas Un carácter recesivo que aparece con una frecuencia 1/ individuos. ¿Con qué frecuencia aparecerá en 10 generaciones (250 años)?

24 Modelos de selección

25 Ejemplos de selección Selección contra el recesivo:
Enfermedades genéticas recesivas: Citrulinemia bovina, fenilcetonuria, alcaptonuria, enf. Tay-Sachs Selección contra un alelo: Enfermedades genéticas dominantes: Dermatoparaxia, corea de Hungtington Selección contra el heterocigoto: Diarrea neonatal en el cerdo (Ss): Madre SS (receptor para E.coli k88) transmite Ac a sus hijos sensibles (S/) Madre ss (sin receptor): Hijos ss resitentes Hijos Ss sensibles y sin anticuerpos Incompatibilidad materno-fetal en el locus Rh.

26 Ejemplos de selección Selección a favor del heterocigoto
Supone la superioridad del heterocigoto (importante en la evolución). Características letales recesivas con frecuencias inesperadamente altas: Anemia falciforme resistencia a la malaria Sindactilia  Mayor rendimiento lechero, más grasa DUMPS  Buenas características de la leche SSP Selección para carne magra Selección natural a favor de los heterocigotos para el MHC o genes del sistema inmunitario

27 Selección de caracteres cuantitativos
Fenotipo resultado de la influencia del genotipo de muchos loci y el ambiente. Tienen una variabilidad continua Son los de mayor interés en mejora (animal y vegetal) Ejemplos: producción de leche, altura,… La selección natural supone que un fenotipo se seleccione a favor o en contra Ejemplo: selección tamaño del pico del pinzón Estos caracteres no están controlados por alelos de un solo locus sino por la influencia del genotipo de muchos loci y el ambiente. En una población estos caracteres se distribuyen de forma normal. En una población de pinzones, el tamaño del pico variaba de 7 a 12 mm. Tras un periodo de sequía, sobrevivieron y se reprodujeron más los animales con mayor tamaño de pico porque llegaban a más semillas. Como consecuencia de la sequía, la media de la población aumentó 0,5mm.

28 En el viaje de Darwin vio la gran variabilidad de especies de pinzones, muy similares entre si pero con diferencias morfológicas claras, fundamentalmente en el tamaño y forma del pico. Es un ejemplo claro de selección de caracteres cuantitativos y de especiación. Cada isla tenía unos recursos alimenticios y las distintas poblaciones se fueron adaptando a este ambiente. Así se favorecía a los animales con un tipo de pico determinado. En alguna isla se observó incluso la selección disruptiva, los animales con pico pequeño podían alimentarse bien de semillas pequeñas y los de pico grande de las grandes pero los de tamaño intermedio no podían alimentarse bien con ninguna, no las podían manejar bien.

29 Selección de caracteres cuantitativos
Selección direccional: Se utilizan los extremos como reproductores Cuando ya no hay variación genética se estabiliza Ej: Mejora de la producción leche Selección estabilizadora: Favorece el fenotipo intermedio Ej.: Peso al nacimiento Selección disruptiva: Favorece los extremos Ej: Tamaño pico pinzón (semillas) 2 1 Ejemplo de selección natural direccional sería el tamaño del pico del pinzón. Selección estabilizadora: Relación peso nacimiento/mortalidad infantil. Peso óptimo 3,5Kg 3

30 Equilibrio Selección-Mutación
Un alelo deletereo puede ser eliminado con el tiempo de la población por SELECCIÓN natural, pero el tiempo necesario para ello es tan grande, que la MUTACIÓN tiene la oportunidad de introducirlo de nuevo. Si la selección elimina y la mutación introduce, llega un momento que se produce el equilibrio selección-mutación y las frecuencias génica no cambian. La selección natural actúa para eliminar las mutaciones desventajosas; por tanto, está actuando continuamente para proteger a la especie de la decadencia mutacional. Sin embargo, la mutación desventajosa surge a la misma velocidad a la que la selección natural la elimina, por lo que las poblaciones nunca están completamente limpias de formas mutantes desventajosas de los genes. Esas mutaciones que no resultan ventajosas pueden ser el origen de enfermedades genéticas que pueden transmitirse a la siguiente generación.

31 Migración En plantas la migración la podrían producir los insectos que llevarán polen de una población a otra. - Es el movimiento de individuos o cualquier forma de introducción de genes de una población a otra - La migración aumenta la diversidad y la tasa puede ser considerable, lo que origina cambios importantes en la frecuencia

32 Migración Cuando una población, o parte de ella, emigra hacia una nueva área donde existe otra población de la misma especie, se formará una nueva población en la que se integran la local y la emigrante. Las frecuencias de esta nueva población estarán en función de: - La diferencia de las frecuencias génicas entre las dos poblaciones Proporción de genes emigrantes que son incorporados en cada generación. La especie donde el cambio de frecuencias génicas se debe especialmente a la migración es la especie humana.

33 Migración q1=0 q2=1 ¿Cuál es la tasa de migración o proporción de individuos emigrantes? m=6/20=0,3 q= 6x2/40=12/40=0,3 q final es la media ponderada de las dos frecuencias qf=14/20 * 0 + 6/20*1= 0,3 ¿Cuál es la frecuencia de la nueva población mezclada?

34 Migración Población 1 f (A) = p1 f (a) = q1 Población 2 f (A) = p2
mezclada (qc) f (A) = p1 f (a) = q1 f (A) = p2 f (a) = q2 Nativos (1-m) Emigrantes (m) qc = mq2+(1-m)q1 = q1+m(q2 – q1) El cambio de f.g. tras una generación de migración será: Dq=qc-q1= ( q1+m(q2 - q1) )-q1 Dq=m(q2 – q1) qc - q1 m = _________ q2 - q1 qc: media ponderada de las f.g. de los nativos y de los inmigrantes"(f.g. multiplicadas por sus proporciones) Cuanto mayor sea la proporción de individuos emigrantes (m) y mayor la diferencia entre frecuencias génicas de ambas poblaciones, mayor será el cambio de frecuencias debido a la migración

35 Migración La diferencia producida en la población residente depende de la tasa de migración (m), no del número de migrantes. Hay que tener en cuenta el numero de individuos de la población residente Si es grande, las diferencias producidas por migración en esta subpoblación serán pequeñas ( Ej. el desembarco de emigrantes en una gran metrópolis) Si es pequeño el número de residentes, las diferencias producidas por migración en esta subpoblación serán grandes (Ej. Desembarco de un barco pirata en una isla con pocos habitantes).

36 Migración m= qc - q1 q2 - q1 m permite determinar en qué medida los alelos procedentes de una población han entrado en otra. Ejemplo 1: Conociendo las frecuencias del alelo del grupo sanguíneo B, calcula el porcentaje de emigrantes de Oriente en la Europa del Este f.g. del alelo B en E.Occidental es 0.10 (q1, población nativa) f.g. del alelo B en E.Este es 0.12 (qc, población mixta) f.g. del alelo B en Mongolia es 0.21 (q2, pobl. inmigrante) Ejemplo 2: El alelo Fya del grupo sanguíneo Duffy está ausente en Africa, pero tiene una frecuencia de 0,42 entre los blancos del estado de Georgia (USA) y entre los negros de Georgia la frecuencia Fya es 0,046. ¿Cuál es la migración total de genes de los blancos en la población negra de Georgia? qc - q m = _________ = ____________ = 0.18 q2 - q Es decir el 18% de los alelos de la población de Europa del Este procede de Mongolia. Ej: si el alelo Fya del grupo sanguíneo Duffy está ausente en Africa, pero tiene una frecuencia de 0,42 entre los blancos del estado de Georgia (USA), entre los negros de Georgia la frecuencia Fya es 0,046. Por tanto la migración total de genes de los blancos a la población negra desde la introducción de esclavos en el siglo XVIII es: q1= 0 (Africa) qc= 0,046 Negros de Georgia q2= 0,42 (Blancos de Georgia) m= 0,046-0 / = 0,10 En las ciudades de Oakland (California) y Detriot (Michigan) los valores de M son 0,22 y 0,26, lo que demuestra que , o bien las tasas de mezcla fueron mayores en esas ciudades o bien hubo un movimiento diferencial hacia esas ciudades de negros norteamericanos, con mayor ascendencia Europea.

37 Migración Dq=m(q2 – q1) Si queremos determinar el valor de q en el equilibrio, ocurrirá: Dq=0 m=0 Dq=0 q2 - q1=  q2 = q1 - f.g. de una población sometida a migración, no cambia si: * El tamaño de los inmigrantes disminuye a cero * No hay diferencia de f.g. entre ambas poblaciones - Si la migración no cesa durante muchas generaciones, las f.g de ambas poblaciones se igualan. Si la migración se produce de forma sistemática de generación en generación,