GENETICA DE POBLACIONES

Presentación del tema: "GENETICA DE POBLACIONES"— Transcripción de la presentación:

1 GENETICA DE POBLACIONES
Prof. Rafael Blanco, Programa de Genetica Humana, ICBM, Facultad de Medicina, U. de Chile

2 La mantención de la variabilidad genética en poblaciones mendelianas.
¿Qué estudia la Genética de Poblaciones? La mantención de la variabilidad genética en poblaciones mendelianas.

3 ¿A qué se debe que los seres humanos sean individualmente considerados únicos y, sin embargo, se puedan agrupar en poblaciones distintas?

4 ¿Cómo se originó esta variabilidad?
¿Es estable o cambia con el tiempo? ¿Qué mecanismos la mantienen? ¿Qué consecuencias ha tenido la evolución cultural sobre la evolución biológica humana?

5 variabilidad genética en poblaciones mendelianas”
TEMA CENTRAL “La mantención de la variabilidad genética en poblaciones mendelianas”

6 Factores que cambian las frecuencias génicas en las poblaciones
Deriva genética Migración Mutación Selección Natural

7 AGENTES EVOLUTIVOS Procesos sistemáticos ( es predecible la magnitud y dirección de los cambios en la frecuencia genica que introducen en las poblaciones mendelianas) Mutación Migración Selección Procesos dispersivos (su acción es predecible en magnitud pero no en direccionalidad) Deriva genética Endogamia o consanguinidad

8 MUTACION

9 Cambio estable en el material genético.
Fuente última de variación genética. Genera variación de novo. Es aleatorio (independiente, no dirigida) de la función del gen. La tasa de mutación es de 1 en 10-5 cuando muta un alelo de cada millón de alelos en una generación. Las tasas de mutación espontáneas son muy bajas, y por ello no pueden producir cambios de frecuencias (por generación) rápidos en las poblaciones.

10 Las mutaciones más frecuentes –un 80% del total de las mutaciones a nivel de DNA- son las causadas por adición o deleción de pares de bases. El hecho de añadir o sustraer una base puede producir –si cae en la región codificada de un gen- un corrimiento en la pauta de lectura por tripletes. Este desplazamiento provocará cambios que se traducirán en la codificación de una proteína distinta y a ello se debe el efecto deletéreo de muchas mutaciones. Se estima que la media de la tasa de mutación por nucleótido en humanos es de 2.5 x 10-8 o de unas 175 mutaciones por genoma diploide y por generación. Las tasas de mutación debidas a elementos debidas a elementos transponibles son aproximadamente dos ordenes de magnitud más elevadas que las producidas por otros mecanismos.

11 Las mutaciones a nivel cromosómico pueden afectar tanto a fragmentos de cromosomas, como a cromosomas enteros. Estas mutaciones suelen producirse durante la división celular e implican reordenaciones del material ya existente. Estas mutaciones a nivel cromosómico pueden ser : :: Mutaciones Estructurales : Afectan a la estructura o forma de un cromosoma en particular. :: Mutaciones Numéricas : Afectan al número total de cromosomas que forman parte de un individuo.

12 MUTACIONES A NIVEL DE DNA
Errores en el proceso de replicación o reparación MUTACION DE TRANSICION MUTACION DE TRANSVERSION

13 Si dos alelos A y a están en Eq H-W, pero en una determinada generación en individuos Aa el gen “A” muta a “a” dichos individuos sólo producirán gametos “a”. En la generación subsiguiente habrá aumentado la proporción de individuos Aa y aa y disminuido los AA.

14 Pero este cambio será insignificante o nulo si la mutación tiene lugar en un solo individuo de la población, ya que la mutación tiene una probabilidad infinitamente pequeña de sobrevivir, a menos que la mutación signifique ventajas selectivas considerables y la población sea pequeña.

15 Mutaciones Recurrentes
Cada acontecimiento mutacional vuelve a repetirse con una frecuencia “” determinada promoviendo una presión de mutación sobre la estabilidad del reservorio génico.

16 Po = Frecuencia de alelo A en la generación inicial.
A Go = frecuencia A = po A a  Frecuencia de A(p) disminuirá en la cantidad p = po B. G1 = Frecuencia A = p1 = po – p p2 = po (1-) (1-) p1 = po – po p2 = po (1-)2 p1 = po (1-) pn = po (1-µ)n p2 = p1 (1-) qn = 1 - po (1-)n

17 Ej : p (A) = q (a) = Tasa de mutación = p3 = ( )3 = x = 0.429 q3 = =

18 Así se puede llegar a calcular que para una tasa 1
Así se puede llegar a calcular que para una tasa y frecuencia po de A = 0.96 se requerirán generaciones para que disminuya en ¼ (p=0.24) y casi medio millón de generaciones ( ) para que la frecuencia original de 0.96 cambie a 0.007, es decir, para alcanzar una situación próxima a la sustitución de un alelo por otro.

19 La enorme cantidad de generaciones requeridas nos indica la escasa incidencia que guarda la mutación en el cambio de las frecuencias génicas en las poblaciones mendelianas.

20 Mutaciones Reversibles
Tasa v (a A)  Adición de A en vq ( p) A a (q) v Substracción de A en  (1-q) p = 1-q  (1-q) = vq  – q = vq  = vq + uq  = q (+v)  v q = p =  + v  + v

21 Cuando las adiciones igualen a las sustracciones, las frecuencias génicas estarán en equilibrio bajo las presiones de mutación recurrente y reversible.

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23 Selección Natural A esta conservación de las variaciones y diferencias individualmente favorables y a la destrucción de las que son perjudiciales, la he llamado selección natural o supervivencia de los más aptos. Charles Darwin

24 Como nacen muchos más individuos que los que tienen posibilidad de sobrevivir y, por lo tanto, como hay una lucha por la existencia que se repite constantemente, se deduce que todo ser, por poco que varíe de un modo que le sea provechosos, tendrá una mayor probabilidad de sobrevivir bajo las complejas y a veces cambiantes condiciones de vida, viéndose así seleccionado por la naturaleza. En razón del fuerte principio de la herencia, toda variedad seleccionada tenderá a propagar su nueva forma modificada” (Darwin, Origin of Species, Introducción).

25 Para DARWIN y sus continuadores, la selección natural era un aspecto de la mortalidad diferencial, y según este concepto, se destacaba el valor de vida o muerte que pueden tener los distintos caracteres en la lucha por la existencia.

26 Para la teoría moderna, el concepto de selección denota la reproducción diferencial y determinista (no fortuita) de diferentes genotipos. En ésta intervienen : viabilidad, longevidad, fecundidad, vagilidad diferencial,( diferente capacidad de migración) y diferente aptitud para el apareamiento,

27 Según el grado de ploidía de los organismos considerados la selección puede ser :
Selección gamética : referida a gametos y organismos haploides. Selección cigótica : referida a organismos diploides.

28 Según la relación de dominancia de los alelos considerados la selección puede ser :
Selección contra dominantes : conduce a la desaparición del alelo en cuestión. Selección contra recesivos : disminuye la frecuencia del alelo a una velocidad cada vez menor. Selección favorable a heterocigotos : que conduce a un polimorfismo equilibrado.

29 Existen dos mecanismos principales a través de los cuales algunos tipos genéticos pueden dejar más (o menos) descendientes que otros tipos.

30 1° Un individuo puede dejar un mayor número de descendientes porque es más capaz de resistir una condición medioambiental adversa y así sobrevivir hasta la vida adulta o hasta la madurez sexual. En este caso el efecto se manifiesta a través de una “sobrevida” diferencial (o bien una mortalidad diferencial) de los otros tipos genéticos.

31 2° Puede haber diferencias en el número de descendientes, esto es una fertilidad diferencial. Ambos mecanismos, sobrevida y fertilidad diferencial deben ser tomados en cuenta ya que, el número de descendientes depende de ambos. Es importante recordar que, la sobrevivencia y la fertilidad se miden en relación a un mediombiente específicos.

32 Hay que tener en cuenta que la selección actúa sobre los fenotipos y no directamente sobre los genes. Esto implica que los genes mutantes recesivos no estén expuestos a la selección hasta que sus frecuencias sean suficientemente altas en la población como para que se produzcan homozigotos.

33 La eficancia darwiniana o valor adaptativo es una medida del éxito reproductivo
Supongamos que de tres posibles genotipos, AA, Aa, aa, en el que A es el dominante, los individuos homocigotos recesivos produzcan menos descendencia que los individuos poseedores de los otros genotipos.

34 El valor adaptativo se simboliza por W y como es un valor relativo al genotipo más favorable se le da un valor de W=1; a los restantes se les expresa como fracciones decimales de ese patrón. Resulta claro que los genotipos de menor valor adaptativo habrán sido afectados por una presión de selección, que se mide por el coeficiente s de selección.

35 Selección en contra del homocigoto recesivo: un locus con dos alelos, A y a
s = coeficiente selección

36 El valor de s para este caso puede variar desde 0 hasta 1
El valor de s para este caso puede variar desde 0 hasta 1. Cuando s vale 0, es porque el recesivo homocigoto no ofrece ninguna desventaja selectiva, mientras que cuando s vale 1, significa que el homocigota recesivo es letal.

37 Los distintos genotipos poseen distinto valor adaptativo en determinadas condiciones del medio, se producirán cambios en la composición génica de la población involucrada mientras persista la misma presión de selección.

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39 La anemia falciforme es bastante frecuente en algunas regiones de Africa y Asia donde la malaria es endémica.

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41 Las hemoglobinas son de las proteínas más comunes en el cuerpo, alrededor de un kilogramo de hemoglobina (alrededor del 98%) como hemoglobina A, un tetrámero, que consta de dos cadenas polipeptídicas α y dos β; codificadas por diferentes loci. La cadena β de la hemoglobina consta de 146 aminoácidos. La única diferencia entre individuos normales y pacientes con anemia falciforme es que la β normal tiene ácido glutámico en la posición seis, mientras que la β falciforme tiene valina en esta posición.

42 El ácido glutámico (Glu) está codificado por cualquiera de los codones GAA y GAG, mientras que la valina (Val) está codificada por cualquiera de los cuatro codones, GUU, GUC, GUA o GUG. Por lo tanto, una mutación que cambia la segunda A en una U en el triplete que codifica para el ácido glutámico originará un triplete que codifique para la valina, siendo así responsable de la anemia falciforme.

43 Esta diferencia aparentemente trivial tiene serias consecuencias sobre la salud: alrededor de personas mueren cada año en el mundo debido a que son homocigotos para el alelo falciforme.

44 La condición anémica de los pacientes falciformes se debe a las propiedades de la valina y el ácido glutámico. Las proteínas tienen configuraciones plegadas con algunos aminoácidos situados en el interior de la molécula y otros hacia el exterior. El ácido glutámico (exterior)es un aminoácido hidrófilo pero la valina es un aminoácido hidrófobo.

45 Cuando en la 6ª posición de la cadena β está presente una valina , la solubilidad de la hemoglobina disminuye considerablemente, al menos bajo condiciones de baja presión de oxígeno. En los estrechos capilares sanguíneos la hemoglobina falciforme tiende a cristalizar y los glóbulos rojos de la sangre a romperse y se produce una severa anemia. Los individuos homocigotos para el alelo falciforme normalmente mueren antes de la edad adulta.

46 La resistencia de los heterocigotos a la malaria deriva de que producen ambas formas de hemoglobina, normal y falciforme. La hemoglobina normal les permite funcionar normalmente, aunque tienden a mostrar fatiga más fácilmente cuando hacen ejercicios violentos. Por otra parte, los glóbulos rojos de la sangre que contienen hemoglobina falciforme tienden a romperse.

47 En consecuencia, el parásito de la malaria, que se multiplica en los glóbulos rojos y se alimenta de la hemoglobina, encuentra un ambiente mucho menos favorable en los individuos que contienen hemoglobina falciforme que en aquellos que sólo tienen hemoglobina normal. De ahí la menor incidencia de la malaria entre los primeros.

48 Selección a favor del heterocigoto

49 Estimación de eficacia a partir de desvíos del equilibrio de Hardy Weinberg
Genotipo Frec Obs adultos Frec Esp H-W O/E Eficacia relativa SS 29 187.4 0.155 0.14 SA 2993 2672.4 1.12 1.00 AA 9365 9527.2 0.983 0.88 Total 12 387 Eficacia SS 0.155 / 1.12 = 0.14 SA / 1.12 = 1.00 AA 0.983 / 1.12 = 0.88

50 La selección natural: -El proceso de selección
Selección fenotípica (causa) Selección genotípica (efecto) X Selección fenotípica

51 0,5 Selección genotípica 0,5 AA Aa aa

52 Tipos de Selección fenotípica

53 EN RESUMEN... La selección natural es un proceso poblacional propuesto inicialmente por Darwin, y luego retomado por la Teoría Sintética como el mecanismo evolutivo más importante. La selección natural explica la adaptación, pero no necesariamente conduce a ella. Hay evidencias empíricas que demuestran que la selección es un proceso importante actuando a nivel de las poblaciones. Su importancia relativa depende de su balance con otras fuerzas como la deriva genética y el flujo génico.

54 MIGRACION El flujo génico o migración es el proceso de transferencia de genes de una población a otra, o entre dos o más poblaciones, e implica la dispersión de nuevas variantes genéticas entre poblaciones diferentes. Las migraciones son movimientos que realizan los individuos de una población fuera del área geográfica que ocupan habitualmente. Se donomina emigración a la salida de individuos de una población e inmigración a la llegada de individuos provenientes de poblaciones vecinas.

55 Estos se pueden estimar comparando las frecuencias genéticas de las poblaciones ancestrales, con aquella que resulta de la mezcla entre ellas (miscegenación).

56 Sus efectos sobre las frecuencias alélicas dependen de :
Tasa de migración (número de migrantes). Frecuencias alélicas de las dos poblaciones. Tamaño de la población receptora.

57 DIVERSIDAD GENETICA DE CHILE
Características Biológicas Norte Grande Norte Chico Zona Urbana Central Rural Sur Austral Orígen Etnico Multirracial Trirracial Birracial Minorías Aborígenes Importante No hay Abundante Escasa Minorías Europeas Miscegenación Baja Alta Consanguinidad Exomanía Poca Endogamía Mayor Endogamía Alta Endogamía Migración Inmigración Emigración

58 FRECUENCIAS GENICAS ACUTALES DE LA POBLACION MIXTA CHILENA Y DOS POSIBLES POBLACIONES ANCESTRALES PARA TRES MARCADORES GENETICOS SISTEMA MAPUCHES ESPAÑOLAS MIXTA CHILENA Haptoglobina (Hp) 34 800 319 Nº 1 0.7500 0.4115 0.5642 Nº2 0.2500 0.5885 0.4356 Esterasa D (EsD). 51 867 300 0.8200 0.9020 0.8232 Nº 2 0.1800 0.0980 0.1766 ABO Nº 148 20.000 321 IA 0.0180 0.2864 0.1824 IB 0.0000 0.0670 0.0698 I 0.9820 0.6465 0.7477

59 Migración de Individuos Aa y aa
Población I Población II A A a a pA=0,80 A pA=0,70 Generación I A A A a a A a A qa=0,20 qa=0,30 (GO ) A A a A Mutación A  a A A a A A a A pA=0,70 pA=0,70 Generación II A A a A A a a A qa=0,30 qa=0,30 (Gn ) A A a Migración de Individuos Aa y aa A A A A A pA=0,70 A a Generación III a pA=0,60 a A A a a A A (Gn + m) qa=0,30 qa=0,40 a a A A M = 0,1 (Inmigrantes) 1-M = 0,9 (Nativos)

60 Migración: movimiento de individuos entre poblaciones
-Si las poblaciones difieren en frecuencias alélicas, la migración puede producir cambios importantes en las frecuencias alélicas -El movimiento de genes de una población a otra se denomina flujo genético - Los cambios en frecuencias alélicas son proporcionales a las diferencias de frecuencia entre la población donadora y receptora y a la tasa de migración qt+1 = mq’ + (1-m)qt q = m(q’ - qt) Donadora Receptora m qt q’ m = Tasa de migración por generación q’ = Frecuencia alelo a en problación donadora qt = Frecuencia alelo a en problación receptora en generación t 1-m t+1

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62 DERIVA GENICA Se denomina Oscilación Deriva Genética a fluctuaciones de las frecuencias genicas a través de las generaciones, en poblaciones de tamaño finito, producidas por el simple azar

63 En 1921 Hagedoorn y Hagedoorn observaron que en una población el número de individuos destinados potencialmente a ser los progenitores de una nueva generación es por lo general menor al tamaño efectivo poblacional. Concluyeron que algunos genes se pierden al azar como consecuencia de este hecho originando una reducción de la variabilidad genética potencial (muestreo gamético)

64 Se la considera como un factor que reduce la variación genética
Se la considera como un factor que reduce la variación genética. Su efecto depende del tamaño efectivo poblacional.

65 La deriva genética es un proceso al azar que puede expresarse de dos maneras.
a) Diferencias entre generaciones sucesivas en una población observada en el tiempo b) Diferencias entre grupos de poblaciones contemporáneas y relacionadas.

66 La pregunta obvia es si algún fenómeno genético observado en la naturaleza ha sucedido fundamentalmente debido a Deriva genética. Solo si no existen pruebas alternativas la deriva puede constituir una explicación razonable.

67 Un ejemplo a menudo citado de este fenómeno en poblaciones humanas concierne a los habitantes de las islas PINGELAP, un pequeño grupo de islas del Pacífico, ubicados en la micronesia.

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69 Esta isla a fines del siglo XVIII, fue azotada por un tifón de enormes proporciones, a consecuencia del cual sobrevivieron alrededor de 30 de individuos, a partir de los cuales se repobló la isla. Cuatro generaciones después, los habitantes de esta isla comenzaron a tener síntomas propios de una enfermedad recesiva conocida como ACROMATOPSIA, que se caracteriza por extrema sensibilidad a la luz, visión deteriorada y la completa imposibilidad de distinguir colores.

70 La actual población de esta isla alcanza aproximadamente a 3
La actual población de esta isla alcanza aproximadamente a individuos, de los cuales 5 a 10% de ellos están afectados por esta enfermedad y alrededor de un 30% son portadores. Curiosamente, los individuos de la población actual son capaces de recordar sus ancestros, entre los que está un varón sobreviviente al tifón antes mencionado. Los científicos creen que esta persona era portadora de esta enfermedad que se hizo patente cuando sus descendientes se casaron entre si.

71 Si la información precedente se analiza en relación a la frecuencias alélicas del gen de la ACROMATOPSIA en la población actual : aa =q2 = 0.05 q = 0.05  0.23 Si suponemos que entre los 30 individuos es probable que solo uno haya sido heterocigoto para este alelo de esta patología, ello significa que: q =1/60  en el grupo original.

72 Nos vemos confrontados a un aumento en la frecuencia del alelo desde un porcentaje estimado de 1.4% al 23% actual sin que se haya detectado una evidente selección para el rasgo siendo por lo tanto la explicación más razonable la deriva génica.

73 Por lo tanto : Los efectos de la deriva genética serán tanto más acusados cuanto menor sea el tamaño efectivo de la población. Los efectos de la deriva se acusan especialmente en dos situaciones particulares : Efecto fundador : muy pocos individuos fundan una nueva población. Cuello de botella : la población queda reducida transitoriamente a pocos individuos.

74 La consanguinidad :: Aumenta la frecuencia de loci en homocigosis :: Disminuye la frecuencia de loci en heterocigosis Por lo tanto la consanguinidad : Altera el valor adapatativo de los individuos

75 Alelos diferentes que hay en la generación i en la población
Muestreo aleatorio de gametos Alelos diferentes que hay en la generación i en la población Generación 1 Pool de gametos de los que se escogerá una muestra aleatoria para formar la siguiente generación Generación 8

76 Simulación computacional del proceso de deriva genética
Simulación computacional del proceso de deriva genética. Se sigue la frecuencia alélica durante 20 generaciones en una población de tamaño (a) 2N = 18 y (b) 2N = 100 El tamaño (o censo) de la población es el parámetro crucial que determina la intesidad de la deriva