Tema 14: Alteraciones del equilibrio Hardy-Weinberg:

Procesos sistemáticosNicholas F.W. (1996)

Griffiths AJ et al. (2000)Klug W y Cummings MR (1999)

Tamarin RH (1996)Puertas (1992)

Inma Martín-Burriel: minma@unizar.es

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.

Contenidos

• Procesos sistemáticos• Efecto de mutación• Concepto de eficacia biológica y

coeficiente de selección• Modelos de selección• Equilibrio mutación-selección• Efecto de migración

Afectan a las poblaciones y sabemos en qué dirección va ir la población:

- Mutación- Selección- Migración

Procesos sistemáticosProcesos dispersivos

Alteraciones del equilibrio Hardy-Weinberg

Procesos sistemáticos

MUTACIÓN

Cualquier cambio en la secuencia de nucleótidos del ADN

Tipos:Mutación somática

Mutación en la línea germinal

• 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.

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: A1A2– Reversible: A1 ↔ A2

MUTACIÓN

• 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.

MUTACIÓN RECURRENTE

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"

• 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

Tasa de mutación:Nº nuevos alelos mutantes

Nº de gametos

Mutación recurrente

=

Mutación recurrenteSi es la frecuencia de mutación por gameto y generación en el paso de A1 hacia A2, entonces ocurrirá:

GENERACIÓN Frecuencia génica de los ALELOSA1 A2

Go p q

A1 A2G1 p - p q + p

p1= p-p=p(1-)

G2 p2= p1-p1 = p1 (1-)=......

p(1-)(1-)=p(1-)2

Gt pt=p(1-)t

En cada generación p disminuye y q aumenta y habrá p alelos A1 que se transforman en A2 por mutación.

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-)t (1- )t = -------- p

La fracción de alelos A1 que se transforma en A2 en cada generación es muy pequeña, requiriéndose muchas generaciones para modificar frecuenciasEj. Si =10-5, son necesarias 10.000 generaciones para pasar de 1 a 0,9.

El proceso de cambio de frecuencias génicas es más lento porque no solo

existe:

mutación recurrente A1A2

sino

retromutación A2A1

(mutación reversible)

SELECCIÓN

http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/bergstrom_02

La selección natural es el resultado de:

1.Variación

2.Herencia

3.Selección

4.Tiempo

http://www.grapegenome.org/pn_default.jsp?ID_LINK=2576&area=45

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 = 0,5AA

0,2525

Aa0,5050

aa0,2525 N = 100

Tasa de supervivencia 100% 90% 80%

25 45 20

p´= (50+45)/180 = 0.53 q´= 0.47

AA(0,53)2

≈28

Aa2*0,53*0.47

≈ 50

aa(0,47)2

≈ 22

N = 100

SelecciónProceso 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- ss = 1- w

Selección en contra del homocigoto recesivo

Tras las selección:

Diferencia de frecuencias:

Selección en contra del homocigoto recesivo

Gen letal recesivo:

Tras las selección:

Diferencia de frecuencias:

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.

Selección en contra del homocigoto recesivo -q2

1 +q q =

3. La población estará en equilibrio cuando no haya cambio en las frecuencias: q=0 q2=0

• 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

g= número de generaciones

q0

1 +gq0 qg =

-q2

1 +q q =

s =1

Si q es 0,5 hay 2 heterocigotos por cada aa

Si q es 0,001 hay casi 2000 het por cada aa

• 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 1/40.000 individuos. ¿Con qué frecuencia aparecerá en 10 generaciones (250 años)?

Modelos de selección

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.

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

• 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

Selección de caracteres cuantitativos

Selección de caracteres cuantitativos

1. Selección direccional: – Se utilizan los extremos como reproductores– Cuando ya no hay variación genética se

estabiliza– Ej: Mejora de la producción leche

2. Selección estabilizadora:– Favorece el fenotipo intermedio– Ej.: Peso al nacimiento

3. Selección disruptiva:– Favorece los extremos– Ej: Tamaño pico pinzón (semillas)

2

1

3

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.

Migración

- 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

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 especie donde el cambio de frecuencias génicas se debe especialmente a la

migración es la especie humana.

- La diferencia de las frecuencias génicas entre las dos poblaciones

- Proporción de genes emigrantes que son incorporados en cada generación.

Migración

q1=0 q2=1

¿Cuál es la frecuencia de la nueva población mezclada?

Migración

¿Cuál es la tasa de migración o proporción de individuos emigrantes?

qc = mq2+(1-m)q1 = q1+m(q2 – q1)

El cambio de f.g. tras una generación de migración será:q=qc-q1= ( q1+m(q2 - q1) )-q1

q=m(q2 – q1) qc - q1

m = _________q2 - q1

MigraciónPoblación 1

f (A) = p1

f (a) = q1

Población 2

f (A) = p2

f (a) = q2Población mezclada (qc)

f (A) = p1

f (a) = q1

f (A) = p2

f (a) = q2

Emigrantes (m)

Nativos (1-m)

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

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).

Migración

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?

m=qc - q1

q2 - q1

m permite determinar en qué medida los alelos procedentes de una población han entrado en otra.

Si queremos determinar el valor de q en el equilibrio, ocurrirá:

q=0 m=0q=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.

Migración q=m(q2 – q1)