Genética de Poblaciones

Genética de Poblaciones
Inma Martín Burriel
minma@unizar.es
loslideres.wordpress.com
1
¿Cómo conseguir cosechas/rebaños mejoradas?
¿Cómo entender la
naturaleza y el origen
de las especies? ¿y de
las razas?
Individuo
Estudio de poblaciones:
La transformación de una especie
a lo largo de la evolución
(Natural o artificial)
2
Según el libro Guinness de los Records, Tristan da Cunha es la isla
permanentemente habitada más remota del planeta; en mitad
del Océano Atlántico Sur a 2334 km de su vecino más cercano.
Mas info: Wikipedia
La Población de Tristán da Cunha
- 1817: Escocés William Glass
llega con su familia
- Llegan marineros, naúfragos
mujeres de la isla Santa Helena
- 1855: poblaciónÆ100
- 1856: Muere William Glass y
muchos isleños emigran a
América del Sur
- 1857: poblaciónÆ33
- 1885: poblaciónÆ106
- 1885: 15 hombres de la isla
mueren en un barco pequeño
volteado p
por una ola enorme.
Muchas viudas y niños
abandonan la isla
- 1885: poblaciónÆ59
- 1961: erupción volcánica. Los
habitantes se van a Inglaterra 2
años (nuevas enfermedades)
- 1993: población 300 personas
Archipiélago Británico
Más de la mitad
de los isleños presentan
síntomas de asma
Hereditaria.
3
Tema 12: La estructura
genética
é
de las poblaciones
Nicholas F.W. (1996)
Griffiths AJ et al. (2000)
Klug W y Cummings MR (1999)
Tamarin RH (1996)
Puertas (1992)
Objetivos:
• Conocer el concepto de población y los
atributos de la misma desde el punto de
vista genético
• Describir cómo se ha distribuido el efecto
fenotípico de un locus en una población
• Establecer el significado de equilibrio
genético
éti de
d una población
bl ió
4
Contenidos
• Conceptos básicos de genética de
poblaciones
bl
• Estimación de frecuencias fenotípicas,
genotípicas y génicas, según los
distintos tipos de control genético
• Equilibrio
q
Hardy-Weinberg:
y
g concepto,
p ,
cálculo y alteraciones en genes
autosómicos y ligados al sexo
Tª de Darwin de la evolución natural:
1. Principio de variaciónÆ Entre los individuos
de una población hay variación en cuanto a
morforlogía, fisiología, comportamiento
2. Principio de herenciaÆ Los descendientes
se parecen a sus progenitores
it
más
á de
d lo
l
que se parecen a otros individuos no
emparentados
3. Principio de selecciónÆ En un ambiente
concreto, algunas formas tienen más éxito
que otras en cuanto a su supervivencia y
reproducción
La selección puede
provocar un cambio
en la composición
de una población
Requisito:
Existencia de variación
Evolución: Cambio en una población a lo largo del tiempo. La
población es la unidad más pequeña que puede evolucionar.
5
Población
"Conjunto de individuos (de la misma especie) que
viven en una localidad geográfica determinada y que
real o potencialmente son capaces de reproducirse
entre si y por tanto comparten un conjunto de genes"
ATRIBUTOS
ACERVO GENÉTICO
FRECUENCIAS GÉNICAS
Genética de poblaciones
Características genéticas (Estructura)
- Dinámica
Fuerzas que alteran las frecuencias
- Comportamiento
génicas
- Futuro
Variación
Sólo podemos observar la variación fenotípica
Caracteres interesantes:
- Forma del cuerpo (razas)
- Variaciones en producción (leche,
huevos,…)
- Susceptibilidad a enfermedades
6
Variación genética: Polimorfismo
• Morfológico
• Variación proteica
• Polimorfismos del DNA:
– Fenotipo = Genotipo
– Marcadores neutros
– Transmisión Mendeliana
Estructura Genética de la población:
Frecuencias génicas
• Describen como esta distribuido un locus con
p
distinguible
g
en una p
población
efecto fenotípico
natural
• Nos proporcionan la variación genética existente
en una población
• Indican si los genotipos se distribuyen
aleatoriamente en tiempo y espacio o hay
patrones perceptibles
• LAS POBLACIONES SON DINÁMICAS Æ
Determinan qué procesos cambian la estructura
genética de la población
7
Contenidos
• Conceptos básicos de genética de
poblaciones
bl
• Estimación de frecuencias fenotípicas,
genotípicas y génicas, según los
distintos tipos de control genético
• Equilibrio
q
Hardy-Weinberg:
y
g concepto,
p ,
cálculo y alteraciones en genes
autosómicos y ligados al sexo
Estructura genética de las poblaciones:
otras frecuencias
• Frecuencias fenotípicas: proporciones o porcentajes de individuos
de cada fenotipo
p q
que están p
presentes en la p
población Æ Nº
individuos de un determinado fenotipo/Nº total de individuos
• Frecuencias genotípicas: proporciones o porcentajes de
individuos de cada genotipo que están presentes en la población
Æ Nº individuos de un determinado genotipo/Nº total de individuos
• Frecuencias alélicas (génicas): proporciones de los diferentes
alelos en cada locus presentes en la población.
Gen: Marrón
MMÆ marrón oscuro
MmÆ marrón claro
mmÆ beige
8
Cálculo de frecuencias alélicas
en codominancia
1.Codominancia o Herencia intermedia
(1 locus con 2 alelos)
LOCUS
PepB
Genotipo
11
12
22
FENOTIPO
11
12
22
INDIVUOS OBSERVADOS
96
36
2
134
Frec. Fenotípicas = F. Genotípicas observadas
96/134= 0.717
36/134= 0.268
2/134= 0.015
Peptidasa B bovina, fijada en razas de Europa y polimórfico en
zebú y razas mixtas
Cálculo de frecuencias génicas a partir de frecuencias genotípicas
LOCUS
PEPB
GENOTIPO
11
12
22
INDIVUOS OBSERVADOS
96
36
2
134
• Recuento directo
genes:
– Homocigotos: 2 alelos
iguales
– Heterocigotos: 1 alelo de
cada tipo
– Cálculo:
Frecuencia del alelo 1:
homocigotos 11Æ96 x 2= 192
Heterocigotos 12Æ36x1= 36
Σ=228
Población=134 individuos
( 2 alelos cada uno ) = 268 alelos
FRECUENCIAS
0.717
0.262
0.015
• A partir de Frec
Genotípicas:
– Frecuencia de un
alelo = frecuencia de
homocigotos + ½
frecuencia de
heterocigotos
- Cálculo:
f. a de 1= f11+1/2 f12
f. a de 2= f22+1/2 f12
f.a de 1 = 0.717 + 0.268/2 =0.851
f.a de 2 = 0.015 + 0.268/2 = 0.149
f.a de 1 = 228/268= 0.851
9
2.Codominancia o Herencia intermedia
(1 locus con más de 2 alelos)
LOCUS
INRA23
Genotipo
11
22
33
12
13
23
GENOTIPO
11
22
33
12
13
23
INDIVUOS OBSERVADOS
84
3
1
18
20
5 / 131
Frec. Fenotípicas = F. Genotípicas observadas
84/131 0
84/131=
0.641
641
3/131= 0.023
1/131= 0.007
18/131= 0.137
20/131= 0.153
5/131= 0.038
Cálculo de frecuencias génicas a partir de frecuencias genotípicas
Genotipo
11
22
33
12
13
23
F. Genotípicas observadas
84/131= 0.641
3/131= 0.023
1/131= 0.007
18/131= 0.137
0 137
20/131= 0.153
5/131= 0.038
ff.a
a de 1 = 0
0.641
641 + 0.137/2
0 137/2 + 0.153/2
0 153/2 = 0.786
0 786
f.a de 2 = 0.023 + 0.137/2 + 0.038/2 = 0.1105
f.a de 3 = 0.007 + 0.153/2 + 0.038/2 = 0.1025
10
Codominancia o Herencia intermedia
GENERALIDADES
Genotipos
A1A1
A1A2
A2A2
numero de individuos
n1
n2
n3
Frec. Genotípicas
P (n1/N)
H (n2/N)
Q (n3/N)
p (f.a de A1) = P + H/2 = (2n1 + n2)/2N
q (f.a de A2) = Q + H/2 = (2n3 + n2)/2N
p+q = P + H/2
/ + Q + H/2
/ = P+H+Q =1
9 Las frecuencias alélicas oscilan de 0 a 1
9 La suma de las frecuencias alélicas de los alelos de una
población es 1: p+q+r+..+z=1
11
¡Atención!
• Las frecuencias alélicas se pueden hallar
a partir de las frecuencias genotípicas.
• Las frecuencias genotípicas NO se
pueden hallar a p
p
partir de las frecuencias
alélicas
12
3.Dominancia completa
(1 locus con 2 alelos)
Locus: Alien
Alelos: A (normal) > a (alien)
¿Frecuencias Fenotípicas?
¿Frecuencias genotípicas?
¿Frecuencias génicas?
3.Dominancia completa
(1 locus con 2 alelos)
LOCUS
A
FENOTIPO
INDIVUOS OBSERVADOS
A/ÆAA (P) ó Aa (H)
P+H
aa
R
p (frec. A) = P + H/2
q (frec. a) = Q + H/2
No podemos calcular las frecuencias génicas por no conocer
P y H.
Para calcular las frecuencias génicas será necesario establecer:
Ley de Hardy Weinberg
Equilibrio Hardy-Weinberg
13
Contenidos
• Conceptos básicos de genética de
poblaciones
bl
• Estimación de frecuencias fenotípicas,
genotípicas y génicas, según los
distintos tipos de control genético
• Equilibrio
q
Hardy-Weinberg:
y
g concepto,
p ,
cálculo y alteraciones en genes
autosómicos y ligados al sexo
Ley de Hardy-Weinberg:
Equilibrio H.W.
• Condiciones:
– Población infinita
– Panmixia
– No selección (ventaja
selectiva)
– No mutación
– No migración
– No deriva
•
Propiedades:
1. Las frecuencias alélicas
predicen las frecuencias
genotípicas.
2. En el equilibrio las
frecuencias no cambian
de generación en
generación.
3. El equilibrio
q
se alcanza
con una generación de
apareamiento al azar.
EQUILIBRIO H-W EN GENES AUTOSÓMICOS
EQUILIBRIO H-W EN GENES LIGADOS AL SEXO
Casos:
- CODOMINANCIA/HERENCIA INTERMEDIA
- DOMINANCIA COMPLETA
14
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W.
(genes autosómicos, codominancia)
1. Las frecuencias alélicas predicen las frecuencias genotípicas
Frec (A): p
Frec (a): q
A
a
p
A
AA
Aa
p2
p
a
Aa
q
q
pq
Aa
p2:
-Probabilidad
P b bilid d de
d que 2
gametos A se unan
-Frecuencia de los
homocigotos AA en la
población
2pq:
-Frecuencias de los
heterocigotos
q2:
Frecuencia de los
homocigotos aa
Frecuencias de
Hardy-Weinberg
q2
pq
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W.
(genes autosómicos, codominancia)
2. En el equilibrio las frecuencias se mantienen de generación en
generación
Generación
A1A1
P
Frecuencias Genotípicas___
Genotípicas
A1A2
A2A2
H
Q
F0= Parental
[p(A1) q(A2)]
¿Cuáles serán las frecuencias genotípicas en la siguiente generación?
F1
P'(p2)
H'(2pq)
Q'(q2)
¿Se mantienen las frecuencias alélicas de g
generación en g
generación?
p'(A1) = P' +H'/2 = p2 + 2pq/2 = p2 + pq = p (p+q) = p
q'(A2)= Q' +H'/2 = q2 + 2pq/2 = q2 + pq = q (p+q) = q
GENOTIPOS ESPERADOS EN EL EQUILIBRIO:
P (A1A1) = p2 x N; H (A1A2) = 2pq x N; Q (A2A2) = q2 x N
15
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W.
(genes autosómicos, codominancia)
La comprobación del equilibrio en una población se debe realizar
comparando datos observados con datos esperados
(test estadístico de χ2 de bondad de ajuste)
EJEMPLO Hb ovino
GENOTIPO
AA
AB
OBS
73
52
N = 134
(p (f.a A)= 0,74 y q (f.a de B) = 0,26)
P (AA) = p2xN
ESP
GENOTIPOS ESPERADOS
H(AB) = 2pqxN
BB
9
Q(BB)= q2xN
(0,74)2 x 134=73.4; 2x0,74x0,26x134=51,5; (0,26)2x134=9,1
Χ2 = Σ(O - E)2/E
g. l. =nº de genotipos - nº de alelos
Gen: Marrón
MMÆ marrón oscuro
MmÆ marrón claro
mmÆ beige
Frecuencias genotípicas:
MMÆ 5/10= 0.5
MmÆ 3/10 = 0.3
mm Æ 2/10 = 0.2
Frecuencias
ecue c as génicas/alélicas:
gé cas/a é cas
M: (5 x 2)+ 3 / (2x 10) = 13/20 = 0.65
m: (2 x 2) + 3 / (2 x 10) = 7/20 = 0.35
¿ ESTÁ EN EQUILIBRIO GENÉTICO LA POBLACIÓN?
16
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W.
(genes autosómicos, codominancia)
3. El equilibrio se alcanza con una generación de apareamiento
al azar
f(A/A) f(A/a)
f(a/a)
I (n=100)
30
0
70
II (n=100)
20
20
60
III (n=100) 10
40
50
OBS.
ESP:
¿Cuál es la frecuencia alélica de A en
cada población?
IÆ p = P + ½ Q = 0.3+ ½ 0 = 0.3
IIÆ p = P + ½ Q = 0.2+ ½ 0.1 = 0.3
IIIÆ p = P + ½ Q = 0.1+ ½ 0.4 = 0.3
60
60
180
p2 (27) 2pq(147) q2(126)
300
300
X2 (114,96)
(114 96)
g.l.:1 significativa
¿Cuál serán las frecuencias genotípicas tras un ronda de cruzamiento
al azar?
A/A
A/a
a/a
(0.3)2=0.09
2(0.3)(0.7)=0.42
(0.7) 2=0.49
ESTUDIO DEL EQUILIBRIO GENETICO EN UNA POBLACION
PLANTEAMIENTO PARA MAS DE DOS ALELOS
Para dos alelos el desarrollo para el cálculo de frecuencias
genotípicas se debe a (p + q)2, que representa la combinación al
azar de dos alelos, si fueran tres alelos el desarrollo sería:
(p+q+r) 2= p2 +q2+r2+2pq+2pr+2qr
Ej. Glucosa 6-fosfato deshidrogenasa G6PD en caballos (D,F,S)
Genotipos
DD
nº individuos n1
F.G.esperadas p2
DF
n2
2pq
DS
n3
2pr
FF
n4
q2
FS
n5
2qr
SS
n6
r2
p(D)= 2n1+n2+n3/2N
q(F)= n2+2n4+n5/2N
r(S)= n6+n5+2n6/2N
17
ESTUDIO DEL EQUILIBRIO GENÉTICO EN UNA POBLACION
DOMINANCIA COMPLETA
No se puede calcular exactamente porque no podemos clasificar
genotipos
Se pueden estimar las frecuencias génicas suponiendo que el
llocus está
á en equilibrio
ilib i genético.
é i
Locus: Alien
Alelos: A (normal) > a (alien)
¿Frecuencias Fenotípicas?
¿Frecuencias genotípicas?
¿Frecuencias génicas?
18
ESTUDIO DEL EQUILIBRIO GENÉTICO EN UNA POBLACION
DOMINANCIA COMPLETA
Frec. genotipica del Homocigoto recesivo (Q) = q2
q=
Q
p = 1 - q -------- P = p2
Error estandard e.s =
H = 2pq
pq / N
Ejj Estimar las frecs. Alélicas del sistema ABO conociendo las
fenotípicas:
A: 0.53, B: 0.13; AB: 0.08; O: 0.26
Aplicación
• Estimar la frecuencia de individuos portadores de
una enfermedad autosómica recesiva:
Fibrosis quística: Incidencia:1/2500 = 0.0004
El gen afectado disminuye el transporte de cloruro en las células
de los alvéolos pulmonares lo que provoca una disminución en la
secreción de agua en la superficie celular. El resultado es un
espeso moco que causa congestión en los pulmones. En las
personas sanas las células epiteliales mueven el moco hacia las
vías aéreas y hacia el sistemas digestivo. De este modo los
cuerpos extraños como las bacterias son eliminados de los
pulmones.
19
ENFERMEDADES AUTOSÓMICAS RECESIVAS MONOGÉNICAS
Enfermedad
Frecuencia
Síntomas
Fibrosis quística
1/2000 Norte Europa
Fenilcetonuria
Tay-Sachs
1/2000 a 1/5000 Europa
1/3000 Judíos
Anemia falciforme
Hematocromatosis
1-2/1000 Áreas malaria
1/500
Talasemias
Alfa1-antitripsina
(deficiencia)
1 2/100 Mediterráneo
1-2/100
zonas malaria
1/5000 Europa
Infección pulmonar
Deficiencia pancreática
Esterilidad masculina
Retraso mental
Degeneración neurológica
ceguera, parálisis
Anemia
Acumulación de hierro,
diabetes, cirrosis hepática,
fallo cardíaco
Anemia
Fallo hepático, enfisema
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W.
(genes ligados al sexo (X))
XA1XA1
P
HEMBRAS
XA1XA2
H
p de hembras = P + H/2
q de hembras = Q + H/2
XA2XA2
Q
XA1Y
R
MACHOS
XA2Y
S
p de machos = R
q de machos = S
En un apareamiento al azar con igual número de machos que de
hembras, existe un cromosoma X en los machos y dos
cromosomas X en las hembras
hembras, por tanto la frecuencia promedio
será:
(p)=1/3p de machos + 2/3p de hembras=
=1/3(R)+2/3(P+H/2)=1/3(R+ 2P +H)
Si p
≠p
Æ No hay equilibrio genético
20
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W.
(genes ligados al sexo (X))
El equilibrio genético no se alcanza con una generación de multiplicación al
azar
1
0.9
Frecuencia aléli
0.8
0.7
0.6
Hembras
0.5
Machos
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Generaciones
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W.
(genes ligados al sexo (X))
Si existe equilibrio no debe haber cambio de frecuencias génicas entre
machos y hembras.
Frecuencias genotípicas en el equilibrio:
XA1XA1
p2
HEMBRAS
XA1XA2
2pq
XA2XA2
q2
XA1Y
p
MACHOS
XA2Y
q
En genes recesivos ligados al sexo, las Frec. Genotípicas en
machos (q) son más altas que en las hembras (q2)
LA RELACION ENTRE SEXOS SERA: q/q2
21
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W.
(genes ligados al sexo (X))
Ej. En la especie humana la frecuencia del
alelo de la ceguera a los colores es 0.08.
¿Cuantas veces es más frecuente en
hombres que en mujeres?
Ej. La frecuencia del alelo O
Ej
(naranja) del color del pelaje en el
gato es de 0,2. ¿cuál será la
frecuencia de machos y hembras
naranjas? ¿Y de hembras Carey?
En una población en la que no hay selección,
mutación, migración o deriva genética,
1. Las frecuencias genotípicas en la
descendencia vienen determinadas solamente
por las frecuencias génicas de los padres, de
manera que
a. La frecuencia de cada homocigoto será igual al
cuadrado de la frecuencia del alelo correspondiente
b. La frecuencia de los heterocigotos será igual a dos
veces el producto de las correspondientes
frecuencias alélicas
2. Las frecuencias alélicas y genotípicas
permanecen constantes entre generaciones
22
3. No hay cambio en las frecuencias alélicas de una
generación a la siguiente.
4. Lo que se transmite de una generación a otra, a
través de los gametos, son los genes, no los
genotipos
ti
o ffenotipos,
ti
éstos
é t desaparecen
d
con ell
individuo.
5. El equilibrio implica que, independientemente de
qué genotipos se mezclen en la generación
parental, la distribución genotípica en una ronda
de cruzamiento aleatorio está especificada por las
frecuencias alélicas parentales
parentales.
6. Las frecuencias alélicas y genotípicas se
mantendrán mientras se cumplan las condiciones
del equilibrio H-W
¿Evolucionaríauna población en
equilibrio genético?
¿Por qué cambian las poblaciones?
- Los cambios en las poblaciones se deben
más al ambiente que a los genes.
- La
L evolución
l ió se d
debe
b más
á a cambios
bi
ambientales que genéticos....
23