Genètica de Poblacions: Anàlisi de Freqüències Al·lèliques i Forces Evolutives
Clasificado en Biología
Escrito el en 
catalán con un tamaño de 2,47 MB
Escenari 1: Selecció a favor de l'al·lel dominant
Model de selecció: Model de selecció a favor de l'al·lel dominant (en contra dels homozigots recessius).
Forces evolutives: Selecció.
Freqüència de l'al·lel A després de moltes generacions: f(A)=1. Es fixarà.
Escenari 2: Selecció a favor d'un al·lel recessiu
Model de selecció: Model de selecció a favor d'un al·lel recessiu (en contra de l'al·lel dominant).
Forces evolutives: Selecció.
Freqüència de l'al·lel A després de moltes generacions: f(A)=1. Es fixarà.
Escenari 3: Selecció i mutació
Model de selecció: Model de selecció a favor d'un al·lel dominant (en contra dels homozigots recessius).
Forces evolutives: Selecció i mutació.
Freqüència de l'al·lel A després de moltes generacions: f(A)=0,9: U=0,001; Waa=1-s; s=0,1 -- f(a)2equilibri mut-sel=U/s=0,001/0,1 -- f(A)equilibri mut-sel=1-f(a)=1-0,1=0,9
Escenari 4: Selecció a favor dels heterozigots
Model de selecció: Model de selecció a favor dels heterozigots.
Forces evolutives: Selecció.
Freqüència de l'al·lel A després de moltes generacions: f(A)=0,5: WAA=0,9=1-s1; s1=0,1 i Waa=0,9=1-s2; s2=0,1 -- f(A)equilibri=pequilibri=s2/(s1+s2)=0,1/(0,1+0,1)=0,5.
Escenari 5: Selecció i deriva
Model de selecció: Model de selecció a favor dels heterozigots.
Forces evolutives: Selecció, deriva.
Freqüència de l'al·lel A després de moltes generacions: f(A)=0,5 / =1 / =0.
Comparació Escenaris 1 i 2
Per què l'al·lel A augmenta inicialment més ràpidament de freqüència en l'escenari 1 però s'acaba fixant més fàcilment en l'escenari 2?
L'al·lel A augmenta inicialment de freqüència més ràpidament en l'escenari 1 perquè els heterozigots són seleccionats a favor i els seus al·lels A contribueixen a l'augment de freqüència de l'al·lel A, mentre que en l'escenari 2, en ser els heterozigots seleccionats en contra, no contribueixen a l'augment de freqüència de l'al·lel A. Tanmateix, com que els heterozigots són seleccionats a favor a l'escenari 1 i aquests també són portadors de l'al·lel a, sota aquest escenari costa més acabar de perdre aquest al·lel respecte si els heterozigots són seleccionats en contra (escenari 2) ja que s'afavoreix una menor transmissió de l'al·lel a de generació en generació fent que sigui més fàcil la seva pèrdua.
Comparació Escenaris 1 i 3
Compara 1 i 3 i explica per què en el darrer cas no observem la fixació de l'al·lel afavorit per la selecció. Considerant l'acció de la mutació i de la selecció, pots explicar per què la freqüència de l'al·lel A es manté a una freqüència constant?
No observem la fixació de l'al·lel A afavorit perquè en aquest cas s'ha simulat una taxa de mutació de l'al·lel A cap a l'al·lel a de l'ordre de 0,001, que evita que l'al·lel A es fixi. Considerant que l'al·lel a és recessiu, i que Waa=1-s, esperaríem una freqüència a l'equilibri igual a f(a)2=U/s.
Comparació Escenaris 4 i 5
Comparant 4 i 5, argumenta per què en l'escenari 5 observem la pèrdua de l'al·lel A en una de les poblacions?
La menor grandària efectiva en l'escenari 5 causa majors fluctuacions en les freqüències al·lèliques que esperaríem en l'equilibri sota el model de selecció a favor de l'heterozigot simulat en els dos escenaris. La deriva genètica explicaria per què en una de les poblacions observem la pèrdua de l'al·lel A.
Efectes de la Mutació i la Deriva Genètica
Compara els efectes de la mutació i de la deriva genètica sobre la variació genètica de les poblacions.
La mutació genera nova variació genètica en les poblacions mentre que la deriva genètica pot provocar la pèrdua o la fixació de variants prèviament polimòrfiques a la població. Per tant, mentre que la mutació és una força evolutiva que genera nova variació, la deriva genètica afavoreix la pèrdua de variabilitat genètica en les poblacions humanes.
Exercici 2: Anàlisi de Freqüències Al·lèliques en Poblacions Humanes
Càlcul de Freqüències Al·lèliques i Fst
a) Poblacions A i B, calcula les freqüències al·lèliques i la Fst entre elles. Calcula Fst entre les poblacions B i C.
Població A: pA=f(G)=52/198=0,2626; qA=f(A)=146/198=0,7374
Població B: pB=1; qB=0
Fst entre A i B
A: h=2pq=0,3873 | B: h=2pq=0
Hs=(0,3873+0)/2=0,1937
pt=f(G)=(52+206)/404=0,6386; qt=f(A)=(146+0)/404=0,361
Ht=2ptqt=0,4616
Fst=(Ht-Hs)/Ht=0,5804 -- Un valor de Fst de 0,5804 es pot considerar força extrem donat que la mitjana de diferenciació entre poblacions de continents diferents és de l'ordre del 10%.
Entre B i C les dues poblacions tenen les mateixes freqüències al·lèliques per aquest SNP -- Fst=0
Interpretació de la D de Tajima
b) Després d'analitzar la variabilitat genètica en diferents gens (incloent LRP) en les mateixes tres poblacions (A, B i C) s'obtenen els següents resultats en aplicar la D de Tajima:
Aquests resultats concorden amb les freqüències al·lèliques i el valor de Fst? Quina força evolutiva podria explicar aquests resultats?
Per aquest SNP trobem una diferenciació molt extrema entre les poblacions A i B (i entre A i C). Considerant les freqüències al·lèliques observades en les tres poblacions, podríem sospitar que l'al·lel A d'aquest SNP s'ha seleccionat de manera local a la població A. La selecció natural podria explicar aquesta diferenciació inusual. El fet de trobar una D de Tajima significativament negativa al gen LRP en la població A concorda i confirma la predicció d'una adaptació específica en aquesta població realitzada a partir de les freqüències al·lèliques observades i el valor de Fst obtingut.
Càlcul de la Taxa de Migració
c) Es produeixen migracions de la població A cap a la B: pB després de la migració=f(G)=0,50 i qB després de la migració=f(A)=0,50. Quina és la taxa de migració?
A: pA=f(G)=52/198=0,2626; qA=f(A)=146/198=0,7374
B: pB=1; qB=0
Bm: pBm=0,5; qBm=0,5
0,50=m(0,7374)+(1-m)0 -- m=0,50/0,7374=0,678
La migració homogeneïtza les poblacions humanes, conseqüentment la diferenciació genètica per aquest SNP disminuirà.
Exercici 3: Dimorfisme Sexual en Primats
Les tres espècies són gibons (Hylobates lar), ximpanzés (Pan troglodytes) i goril·les (Gorilla gorilla). Quines són hominoides, homínids i quines hominins?
Gibó: Hominoide.
Ximpanzé: Hominoide, homínid.
Goril·la: Hominoide, homínid.
A quina espècie correspon cada columna?
A: Gibó. B: Goril·la. C: Ximpanzé.
El gràfic mostra el grau de dimorfisme sexual en les tres espècies. Com més dimorfisme sexual, més competència intrasexual, competència entre els mascles per les femelles. Els gibons són primats monògams on no hi ha competència intrasexual, per tant, poc dimorfisme sexual i pesos similars de mascles i femelles. Els goril·les són una espècie poligínica (moltes femelles) amb un sol mascle i, per tant, hi ha una forta competència intrasexual i s'han afavorit mascles molt grans per competir. En el cas dels ximpanzés, grup poligínics amb molts mascles, hi haurà menys competència entre els mascles per les femelles, ja que per cada mascle hi haurà un nombre similar de femelles al grup.
Mida dels Ullals i Testicles
Completeu els gràfics següents respecte la mida dels ullals i la mida dels testicles esperats per la grandària del cos d'aquestes tres espècies.
La mida dels ullals també és un indicador del grau de dimorfisme sexual entre els individus d'una espècie. Es repetirà el patró vist en la mida dels individus: quan hi ha molta competència intrasexual hi ha més dimorfisme sexual. Per tant, el gràfic serà molt similar al que apareix a l'inici de l'enunciat. La mida dels testicles està relacionada amb la competència espermàtica entre els mascles. Això passarà en aquells grups on hi hagi molts mascles, com en el cas dels ximpanzés, però no en aquells grups monògams.
Exercici 4: Anàlisi d'una Entrevista sobre Selecció Natural
Comenta l'entrevista.
L'entrevistat es refereix a la selecció natural quan parla de la competició biològica, la reproducció i el tenir fills i afirma que la selecció cultural (medicina, cures,...) ha substituït a la selecció natural. Això pot semblar vàlid per a societats industrialitzades, però no per al conjunt de la humanitat on hi ha poblacions on l'accés a aquestes millores encara és limitat i, per tant, els efectes de la selecció natural encara hi són molt presents. De totes maneres, els efectes de la selecció natural no han desaparegut i variants que provoquen algunes malformacions congènites són eliminades de la població fins i tot en societats industrialitzades. El fet que variants (com per exemple la miopia) que permetin que individus es reprodueixin malgrat aquests no ho poguessin fer en un ambient primigeni (com el de caçadors-recol·lectors) no implica que aquests siguin "defectuosos" o que estiguem fent "genomes dolents" perquè precisament tenen una eficiència biològica igual que d'altres en un ambient determinat que és industrialitzat. Respecte el cervell humà, aquest segurament no es modificarà com ho ha fet al llarg de l'evolució dels hominins ja que tal com diu l'entrevistat, no hi ha motius per pensar que el cervell hagi de créixer per donar un augment d'eficiència biològica a l'espècie.
Exercici 5: Pigmentació en Poblacions Humanes
Quina explicació hi ha per la presència de poblacions amb pigmentació fosca en poblacions del Senegal? I pigmentació clara a les poblacions de Dinamarca?
La pigmentació és el resultat dels acúmuls de grànuls de melanina a l'epidermis. La melanina fa de filtre de la radiació ultraviolada. Un excés de radiació podrà provocar melanomes i destrucció d'àcid fòlic, imprescindible per l'embaràs, mentre que un defecte de radiació provocarà deficiències en la síntesi de vitamina D i problemes de raquitisme. Hi ha hagut una adaptació diferencial segons l'ambient a la radiació, ja que aquesta ha d'estar entre un valor mínim per sintetitzar vitamina D i un valor màxim per evitar melanomes. Els ambients amb molta radiació (Senegal) han afavorit pigmentacions fosques per evitar els melanomes, mentre que els ambients amb baixa radiació (Dinamarca) han afavorit les pigmentacions clares per tal de poder sintetitzar prou vitamina D.
Com explicaries l'homogeneïtat en el color de la pell de les poblacions autòctones americanes malgrat la gran extensió d'aquest continent?
El continent americà ha estat el darrer en ser ocupat pels humans, fa 30-15 mil anys. Malgrat la diferència latitudinal tan gran que hi ha en aquest continent, la pressió selectiva de la radiació no ha tingut temps per diferenciar les poblacions americanes degut al seu origen recent comparat amb altres regions continentals.
Exercici 6: Evolució de l'Alçada Mitjana en Humans
Descriu l'evolució del patró de mitjana d'alçada.
El patró que s'observa és que l'alçada dels individus caçadors-recol·lectors del paleolític (1,73m en individus de fa més de 20.000 anys) disminueix en poblacions del neolític (1,63m) i després de la revolució industrial augmenta l'alçada fins arribar a l'actual (1,78m). El que s'observa és una disminució de l'alçada amb el pas de caçadors-recol·lectors a productors d'aliments (agricultors i ramaders) degut a que el neolític va provocar canvis profunds en l'estil de vida dels humans. Hi ha una sedentarització de les poblacions, una disminució de la diversitat d'aliments, pobresa alimentària (sobretot en etapes inicials del neolític), un augment de la mortalitat (compensat amb un augment de la natalitat), un major contacte íntim amb animals que va provocar l'expansió de malalties zoonòtiques, un increment del nombre d'individus per població, que va afavorir que en poblacions més grans hi hagués una propagació de patògens i epidèmies. En general, va haver-hi un empobriment de recursos, d'alimentació i la salut de les poblacions i per això s'observa més patologia i una alçada menor. Aquesta alçada es manté més o menys estable al llarg de períodes històrics fins l'inici de la revolució industrial on es donen una sèrie de millores alimentàries, sanitàries, higièniques, que permetran que millorin molts aspectes de la salut humana, especialment en les darreres èpoques i aquestes millores es plasmen en aquest canvi secular de l'alçada de les darreres generacions. Aquestes millores també tenen altres efectes com l'avançament de la menarquia i un canvi d'estil de vida també relacionat amb altres malalties comunes (ex: obesitat, diabetis, malalties cardiovasculars) degudes, no a una falta de nutrients, sinó a un excés i desproporció de determinats nutrients.
Exercici 7: Anàlisi d'un Esdeveniment de Selecció Recent
Quin tipus d'anàlisi podries fer per confirmar que es tracta d'un esdeveniment recent?
Si analitzéssim el desequilibri de lligament al voltant de l'SNP en la població A podríem verificar si es tracta d'un esdeveniment de selecció recent en aquesta població perquè l'empremta que la selecció deixa en el desequilibri de lligament a conseqüència dels efectes de la recombinació perdura poc en el temps.
Exercici 8: Eficàcia Biològica i Coeficient de Selecció
Si enlloc de simular 100 poblacions de 10.000 individus simulem 100 poblacions amb 10 individus mantenint la resta de paràmetres de la simulació anterior: Compara les dues simulacions.
La deriva genètica és la força evolutiva que provoca aquest resultat. En el primer cas, quan se simulen poblacions de 10.000 individus, trobem que els efectes de la deriva són gairebé nuls. Per contra, en simular 100 poblacions de 10 individus els efectes de la deriva són prou grans com per provocar que no observem les freqüències a l'equilibri que esperaríem sota un model de selecció a favor dels heterozigots amb les eficàcies biològiques indicades. En concret, veiem que l'al·lel A s'ha perdut en 48 de les poblacions i s'ha fixat en 52. Les oscil·lacions de les freqüències són més grans en el segon cas perquè com més petita és una població més grans són els efectes de la deriva sobre les seves freqüències al·lèliques.
Exercici 9: Mutació i Equilibri Mutació-Selecció
En un locus diploide en simular la freqüència de l'al·lel A al llarg de 200 generacions en 100 poblacions de 10.000 individus considerant unes eficàcies biològiques de WAA=1, WAa=1 i Waa=0,5, amb una taxa de mutació addicional de l'al·lel A cap a l'al·lel a de l'ordre del 0,01. Argumenta per què si hi ha mutació l'al·lel A no es fixa i detalla quines freqüències t'esperaries en una situació d'equilibri mutació-selecció.
L'al·lel A no es fixa perquè la mutació genera nous al·lels a a partir de A. Les freqüències d'equilibri que m'esperaria serien:
f(a) = q = arrel quadrada de 0,01/0,5 =0,1414
f(A) = p = 1 - q = 1-0,1414 =0,859
Les freqüències d'equilibri obtingudes en la simulació i els meus càlculs concorden i són les que esperem segons una situació mutació-selecció.
Exercici 10: Anàlisi d'un Arbre Neighbor-Joining
Arbre neighbor-joining. Argumenta si tots els individus S es van infectar recentment a partir de la mateixa font o si només uns quants.
Els individus S6 i S13 presenten seqüències tan allunyades de la resta d'individus S com del conjunt de seqüències en els individus de la població control. Per tant, no podem inferir amb seguretat que vinguin d'una mateixa infecció recent. Les seqüències aïllades de la resta d'individus S són molt més similars entre elles que amb la resta d'individus, pel que podem inferir el seu origen comú, probablement a partir d'una mateixa font d'origen força recent.
Exercici 11: Anàlisi Comparatiu de Cranis
Identificació d'Espècies
a) A quines espècies pertanyen?
A: Homo sapiens
B: Homo neanderthalensis
Classificació Taxonòmica
b) Són homínids? Són hominins?
Tots dos són homínids (juntament amb altres simis com els ximpanzés, bonobos, goril·les o orangutans) i també hominins. Pertanyen a la línia hominina que es va separar de la resta d'homínids (dels avantpassats del gènere Pan) fa uns 6 milions d'anys. Aquests hominins es distingeixen de la resta d'homínids per una sèrie de caràcters derivats: dentició harmònica, bipedisme i encefalització. A part també hi ha altres caràcters derivats com per exemple una cultura complexa i un desenvolupament lent.
Característiques Morfològiques Addicionals
c) Quines altres característiques morfològiques, no observades en aquesta figura, us permetrien fer una bona classificació d'aquests dos individus?
L'encefalització i la dentició les podem observar en aquests dos cranis (encara que el crani del neandertal no s'observa massa bé). El bipedisme el podríem intuir amb la posició del foramen magnum de l'occipital, disposat en una posició més anterior en individus bípedes. Altres característiques morfològiques que ens permetrien deduir la posició bípeda serien la forma de la pelvis (pelvis més baixes i amples comparades amb altres homínids), la disposició del fèmur amb la ròtula (amb una inclinació respecte la resta d'homínids) o la manca del dit polze oposable als peus.
Exercici 12: Anàlisi de la Incidència de Melanoma
Gràfic melanoma.
Gran part dels melanomes (càncers de pell) es produeixen per factors externs com l'excés de radiació solar que produeix mutacions a les cèl·lules. Aquest efecte de la radiació solar és major en pells poc pigmentades ja que les pells pigmentades presenten gran quantitat de melanina que filtra la radiació solar i protegeix dels danys cel·lulars provocats per aquesta radiació. Les diferències que es veuen al gràfic són degudes a l'exposició solar i la pigmentació de les diferents poblacions. En altes latituds, hi ha menys radiació solar, s'han seleccionat pigmentacions clares per tal d'afavorir la síntesi de vitamina D, ja que la radiació solar és essencial en alguns dels passos de la síntesi, i així evitar el raquitisme i l'osteomalàcia per la manca d'aquesta vitamina. De tota manera, aquesta despigmentació fa més vulnerables a aquests individus a patir melanomes si s'exposen a altes radiacions solars. Els individus de poblacions que viuen a altes latituds presenten més incidència i mortalitat per melanoma degut a que aquestes poblacions tenen menys pigmentació. Mentre que en poblacions pigmentades la freqüència de melanomes és més baixa. Cal destacar el cas d'Austràlia i Nova Zelanda on hi ha molta radiació solar i on actualment hi ha molta població d'origen europeu, poc pigmentada. Aquest és un exemple del model evolutiu del desajust (mismatch) on hi ha un desajust entre l'ambient original d'origen europeu (poca radiació) i l'ambient actual a altes latituds (molta radiació).
Exercici 13: Descripció del Test de D de Tajima
Descriu breument què és el test de D de Tajima.
El test de D de Tajima és un test de neutralitat que compara dues mesures de diversitat genètica, l'estimador de Watterson i la diversitat nucleotídica. Sota neutralitat, les dues mesures de variabilitat han de coincidir amb el que s'anomena paràmetre neutre d'evolució molecular. Ara bé, tant la selecció com els esdeveniments demogràfics canvien de manera diferent aquestes dues mesures de diversitat respecte el que s'espera sota neutralitat, de manera que quan tenim valors significativament positius de D, o sigui quan la diversitat és més gran que l'estimador de Watterson, ens indica que podem tenir selecció equilibradora o bé subdivisió poblacional; mentre que quan tinguem valors significativament negatius haurem d'interpretar que tenim un patró compatible amb la selecció positiva, amb la selecció purificadora o una expansió demogràfica.
Exercici 14: Implicacions del Neolític per a la Malaltia Humana
Quines implicacions per la malaltia humana va suposar l'inici del Neolític?
El Neolític, entès com la transició d'un estil de vida de caçadors-recol·lectors a productors d'aliments en diferents punts del planeta quan van començar fa uns 10.000 anys, té implicacions profundes en la malaltia humana. Hi ha un major contacte amb animals (animals domèstics), el que implica la transmissió de patògens (zoonosis). A més, degut a la desforestació hi ha més vectors propagadors de patògens. El Neolític va suposar un canvi de vida nòmada a sedentària, disminuint mesures higièniques, augment d'infeccions. El fet de tenir grups de poblacions més grans que els caçadors-recol·lectors també va permetre el manteniment d'epidèmies. Es produeix una menor diversitat d'aliments que els que adquireixen els caçadors-recol·lectors, el que provoca deficiències nutricionals. A més hi ha una canvi de dieta amb un increment de carbohidrats, el que provoca un canvi adaptatiu i l'aparició de molts exemples de desajust (mismatch).
Exercici 15: Definició dels Models Evolutius
Defineix els models evolutius.
1. Model de desajúst:algunes malalties es poden explicar com un desajust entre l'ambient d'origen dels humans i l'ambient actual. Les variants que provoquen la malaltia en condicions actuals poden haver funcionat correctament en ambients ancestrals. Exemple: variants del receptor de vitamina D efectiva en Inuits. Alguna variant genètica en aquest receptor fa que hi hagi una captacio molt efectiva de calci en ambients pobres amb calci com és l'ambient original dels Inuits. Quan aquests canvien la dieta i adopten dietes industrialitzades riques en calvinismos es produeix hipercalciúria.
2. Model de compensació: alguns desordres són part d'una compensació, d'una oferta conjunta o un polimosfisme balancejat. Algunes variants poden ser afavorides en determinats contextos i alhora poden ser perjudicials. Exemple: variant de S de l'hemoglobina. Aquesta variant és perjudicial en homozigosi ja que produeix una anèmia falciforme molt severa. però s'ha mantingut en determinades poblacions perquè els individus heterozigots presenten un avantatge selectiu en ambients on hi ha malària.
3. Model adaptatiu: alguns desordres són adaptacions fins i tot en l'ambient actual (per contraposició al model de desajust). D'aquesta manera alguns desordres simplement mostren com els individus evolucionen per tenir descendencia, no per maximitzar la salut. Exemple: el dolor a estímuls externs s'ha selecciónat malgrat sigui un símptome de malestar.
4. Model poligenic: els desordres són disfuncions genuines que reflexen la càrrega mutacional dels molts gens implicats en els processos biològics. Són maladaptatius (en contraposició al model adaptatiu) i sempre ho han estat (en contraposició al model de desajúst). Exemple: alguns càncers són resultat d'acomulació de mutacions delatèries.
5. Model de novetat: alguns desordres són resultat de desenvolupaments recents en la nostra història evolutiva, i encara persisteixen perquè la seleccio no ha tingut temps d'eliminar-los. Exemple: algunes patologies per contacte amb patògens nous.
Model de selecciones en edats tardanes: alguns desordres persisteixen perquè els seus simptomes només es manifesten després del període reproductor. Exemple: la malaltia de Huntington es manifesta normalment a partir dels 30 anys quan l'individu ja s'ha reproduït i ha passat la variant genètica a la descendència.