INDICI DI VARIABILITÀ GENETICA

INDICI DI VARIABILITÀ
GENETICA
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Genetica delle popolazioni
a.a. 11-12 prof. S. Presciuttini

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Proporzione di loci polimorfici
All'inizio dell'era della genetica molecolare, quando furono scoperti gli
allozimi, fu subito chiaro che era possibile trovare, in una specie non
precedentemente studiata, sia loci polimorfici che loci monomorfici
Un parametro descrittivo semplice e intuitivo di misura della variabilità
genetica presente in una popolazione fu quindi identificato nella
proporzione di loci polimorfici
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Però è ovvio che tale parametro dipende dal criterio con cui si definisce un
locus come polimorfico
Due criteri convenzionali spesso usati implicano la frequenza dell’allele
più comune

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Uno studio sull'ape domestica
Ad esempio, in uno studio sull'ape domestica sono stati tipizzati 12 loci
enzimatici (10 enzimi diversi) in cinque popolazioni (4 greche e 1
cipriota).
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Allozimi
I 10 loci studiati rappresentano un classico nelle analisi di genetica delle
popolazioni. Si tratta dei cosiddetti allozimi, che furono introdotti a metà
degli anni ’60 e appartengono alla classe dei loci studiati mediante
l’elettroforesi delle proteine
La particolarità di queste proteine è che si tratta di enzimi, dei quali
quindi si può utilizzare la specificità di substrato per catalizzare reazioni
di colorazione specifiche, dopo che le molecole hanno migrato in un gel
sottoposto ad un campo elettrico
Nel corso del tempo sono state messe a punto una quarantina di reazioni
specifiche di altrettanti enzimi
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Allozimi studiati per polimorfismi genetici
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Circa 1/3 dei loci sono polimorfici
La proporzione dei loci polimorfici usando il criterio del 95% mostra
che per 4 delle 6 popolazioni un terzo (4 loci su 12) , vengono
classificati come polimorfici, mentre una popolazione (Kasos) ha un
solo locus polimorfico e l’ultima ha 5 loci polimorfici.
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Conseguenze di diversi criteri
Se però si utilizza il criterio del 99%, i dati si modificano (gli autori
riportano in dettaglio le frequenze alleliche di tutti i sitemi, per cui è
possibile effettuare il calcolo): per esempio la popolazione di Kasos
risulterebbe avere 4 loci polimorfici anzichè 1.
Ciò mostra che se si utilizzano criteri diversi per la definizione di locus
polimorfico si può cambiare l'ordine delle popolazioni rispetto a questo
indice di variabilità genetica
La proporzione di loci polimorfici non è dunque una buona misura della
variabilità genetica presente in una popolazione
Essendo tuttavia un parametro descrittivo di significato immediato esso
è spesso riportato nelle tabelle che confrontano risultati sulla variazione
genetica in popolazioni diverse
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Eterozigosità osservata e attesa
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Le ultime due colonne della tabella di Bouga et al., riportano i valori di
due parametri denominati H o
e H e
, che stanno rispettivamente per
eterozigosità osservata e attesa
Questi due indici sono molto più appropriati per misurare la variabilità
genetica perchè non dipendono dalla definizione di polimorfismo e
dipendono invece dalla distribuzione delle frequenze alleliche
Essi sono quasi universalmente riportati negli studi sperimentali di
genetica delle popolazioni
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Si può notare che nello studio di Bouga et al. la popolazione di Ikaria
risulta geneticamente più variabile di quella di Phthiotida sulla scala
dell’eterozigosità , mentre il contrario avviene sulla scala della proporzione
di loci polimorfici
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L'eterozigosità osservata
L’eterozigosità osservata è semplicemente la proporzione di individui
eterozigoti osservati per ciascun locus.
Quindi per un dato campione di dimensione N si contano tutti gli
individui eterozigoti N het
e tutti gli individui omozigoti N hom
,
indipendentemente dai genotipi, e il rapporto H = N het
/N è l’eterozigosità
del locus, mentre N hom
/N è l’omozigosità
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L'eterozigosità attesa
In analogia con le frequenze genotipiche attese si può definire
l’eterozigosità attesa, H exp
, come la probabilità che un genotipo preso a
caso da una popolazione panmittica sia eterozigote ad un certo locus;
Dalla legge di HW segue immediatamente che, per un locus diallelico,
H exp
= 2p 1
p 2
= 1 – p 12
– p 22
In generale quindi, per loci con un qualsiasi numero di alleli, segue che
H exp
= 1 – Σ p i2
.
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L'eterozigosità attesa come indice di variabilità genetica
L'eterozigosità attesa è un indice naturale di variabilità genetica per
ciascun locus. Essa non dipende dall'arbitrarietà della definizione del
polimorfismo, ed è univocamente definita dalla lista delle frequenze
alleliche.
L'eterozigosità attesa si può intendere come la probabilità che un
genotipo estratto a caso da ua popolazione in equilibrio sia eterozigote.
L’eterozigosità media è la media aritmetica di questa quantità su tutti i
loci di interesse.
A volte si usa il simbolo h per definire l’eterozigosità di un singolo locus
e il simbolo H per indicare l’eterozogosità media, altre volte si usano H o
e H e
(o simili) per distinguere eterozigosità osservata e attesa.
In genere comunque con “eterozigosità di una popolazione” si intende
l’eterozigosità attesa media.
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Generalità del concetto di eterozigosità
L'eterozigosità media calcolata su molti loci ha il duplice significato di
proporzione di individui eterozigoti a ciascun locus nella popolazione e
di proporzione di loci eterozigoti per individuo
Con un unico indice ci si può quindi riferire sia alla variabilità genetica
esistente nella popolazione che alla variabilità genetica presente in
ciascun individuo
Il concetto di eterozigosità si può anche applicare alle specie aploidi (per
le quali non esistono nè omozigoti nè eterozigoti); in questo caso essa
corrisponde alla probabilità che due geni presi a caso dalla popolazione
siano identici
È quindi chiaro come l’eterozigosità sia una misura generale della
variabilità genetica esistente in una qualsiasi popolazione; per questo
motivo è anche chiamata diversità genica.
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Eterozigosità della popolazione ed eterozigosità degli individui
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Il valore “1”nella tabella significa che l'individuo è eterozigote
Il vaor medio calcolato sull'intera tabella è ovviamente identico sia che si parta dalle medie marginali di
riga che di colonna
Locus 1
Locus 2
Locus 3
Locus 4
Locus 5
Locus 6
Locus 7
Locus 8
Locus 9
Locus 10
Eterozigosità
media per
individuo
Eterozigosità
media di tutti
gli individui
Individuo 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0.5
Individuo 2 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0.6
Individuo 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Individuo 4 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0.4
Individuo 5 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0.2
Individuo 6 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0.5
Individuo 7 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0.2
Individuo 8 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0.5
Individuo 9 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0.2
Individuo 10 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0.3
Individuo 11 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0.3
Individuo 12 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0.3
Individuo 13 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0.1
Individuo 14 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0.3
Individuo 15 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0.3
Individuo 16 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0.4
Individuo 17 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0.3
Individuo 18 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0.2
Individuo 19 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0.3
Individuo 20 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0.2 0.305
Eterozigosità
per locus 0.4 0.25 0.25 0.3 0.25 0.25 0.5 0.35 0.2 0.3
Eterozigosità media di tutti i loci 0.305
Il valore atteso
dell'eterozigosità di
ciascun individuo è pari
all'eterozigosità della
popolazione.
I valori osservati tendono
a coincidere con l'atteso
su un grande numero di
loci
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Numero di alleli
Con lo sviluppo dei loci ipervariabili, il numero di alleli (na ) identificato
per locus nei campioni tipizzati viene spesso riportato come misura di
variabilità genetica
Anche questa quantità appare semplice e intuitiva, in quanto ci si attende
che cresca al crescere della variabilità genetica
Tuttavia essa dipende strettamente dalla dimensione del campione
tipizzato, e quindi il confronto fra popolazioni diverse non ha senso se i
campioni non sono almeno approssimativamente uguali
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La dipendenza dalla dimensione del campione deriva dal fatto che nelle
popolazioni naturali esistono molti alleli a bassa frequenza, per cui il
numero degli alleli aumenta con l'aumento della dimensione del campione
Al contrario, l'eterozigosità è poco influenzata dalla dimensione del
campione, perché gli alleli rari non ne modificano sostanzialmente il valore
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Ricchezza allelica
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Un parametro di diversità genetica utilizzato in particolare nella genetica
della conservazione è la ricchezza allelica, che indica il numero di alleli
presenti nelle popolazioni indipendentemente dalla dimensione dei
campioni
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Il concetto è che se in una popolazione esistono un certo numero di alleli,
per quanto rari, che sono invece assenti in un'altra popolazione della stessa
specie, la prima popolazione possiede delle risorse genetiche che possono
risultare vantaggiose in condizioni di stress, le quali invece mancano nella
seconda
La stima della ricchezza allelica è resa tuttavia difficile dalla dipendenza
del numero di alleli presenti in un campione dalla dimensione del
campione stesso
In molti studi sperimentali con ricchezza allelica si intende
erroneamente semplicemente il numero di alleli identificati
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An example: A reanalysis of human microsatellite data
An example shows that rarefaction can substantially change estimates of
allelic richness and private allelic richness
I present the microsatellite data of Jin et al. (2000) as an example. I
selected this data as an example because:
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(1) the data set is especially large (64 loci),
(2) the species is well-studied (humans), and
(3) the methods used by the authors are typical.
Jin et al. (2000) genotyped 64 microsatellite loci in 11 populations among
five regions: Africa, Asia, Europe, North and South America, and
Oceania.Both the number of populations sampled per region varied (1–3)
as well as the number of genes sampled per population (10–26). Two of the
goals of the study were to identify which continent had the most genetic
variation and the most unique alleles. Jin et al. did not use rarefaction to
compensate for variation in sampling effort.
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Allelic richness and private alleles
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