10 genetica de poblaciones

56
Los genes en las poblaciones

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Page 1: 10 Genetica de Poblaciones

Los genes en las poblaciones

Page 2: 10 Genetica de Poblaciones

Evolución

• Es el resultado de los cambios en los tipos y frecuencias de los

alelos existentes en una población de individuos, siempre y

cuando dichos cambios son transmitidos a la generación

siguiente.

La base

molecular de la

evolución está en

los genes

La evolución no

afecta a

individuos, sino a

poblaciones

• La evolución es el cambio en la

constitución genética de una población a

lo largo del tiempo

Page 3: 10 Genetica de Poblaciones

Equilibrio de Hardy-Weinberg

1908: En una población sometida a

unas condiciones determinadas se

observa que:

Las frecuencias alélicas se

mantienen estables durante

sucesivas generaciones.

Las frecuencias genotípicas se

mantienen constantes debido a

que dependen exclusivamente

de las frecuencias alélicas.

• Nuevos alelos

• Cambio en las frecuencias

alélicas Evolución

Page 4: 10 Genetica de Poblaciones

Frecuencia genotípica y alélica

• Frecuencia genotípica: es la frecuencia o

proporción de genotipos en una población.

• Frecuencia alélica: unidad básica de

evolución): Proporción de un alelo dado en la

población

Page 5: 10 Genetica de Poblaciones

Equilibrio de Hardy-Weinberg

o Todos los individuos se reproducen.

o Los cruzamientos entre individuos de la

población se producen al azar.

o Ausencia de mutación.

o Ausencia de selección natural.

o Ausencia de flujos migratorios.

Para que una población se encuentre en

equilibrio genético deben cumplirse las siguientes

condiciones:

Page 6: 10 Genetica de Poblaciones

Ecuación del equilibrio de Hardy-

Weinberg

• Permite predecir las frecuencias genotípicas a partir de las

frecuencias alélicas [f(a)], y por tanto determinar si una

población se encuentra en equilibrio.

• p y q: Frecuencias de los dos alelos A y a de un gen que

controla un carácter fenotípico.

Gen X, alelos A y a

A a p = f(A) q = f(a)

Page 7: 10 Genetica de Poblaciones

• La relación entre frecuencias alélicas y

frecuencias genotípicas es:

p= AA + ½ Aa

q= aa + ½ Aa

• Al haber sólo dos alelos se cumple que

p+q=1

p=1-q

q=1-p

Ecuación del equilibrio de Hardy-

Weinberg

En una especie diploide hay 3

posibles genotipos

AA

p2

Aa

pq

Aa

pq

aa

q2

A

p

a

q

a q

A

p

Frecuencias

alélicas

Page 8: 10 Genetica de Poblaciones

Equilibrio de Hardy-Weinberg

• Las frecuencias de los genotipos

en una población se distribuyen

según la ecuación:

(p+q)² = p² + 2pq + q²

• p² es la frecuencia de individuos

con el genotipo AA

• q² es la frecuencia de individuos

con el genotipo aa

• 2pq es la frecuencia de individuos

heterocigotos Aa

AA

p2

Aa

pq

Aa

pq

aa

q2

A

p

a

q

a q

A

p

Frecuencias

alélicas

Page 9: 10 Genetica de Poblaciones

Equilibrio de Hardy-Weinberg

• No todas las desviaciones del equilibrio producen

evolución:

– Se pueden alterar las frecuencias genotípicas sin que

cambien las frecuencias alélicas.

Las frecuencias alélicas son estables

Teoría: Los alelos dominantes van

desplazando a los alelos recesivos de la

población con el transcurso del tiempo,

hasta eliminarlos por completo.

Page 10: 10 Genetica de Poblaciones

Cambios que mantienen el

equilibrio

• Cruzamientos no aleatorios

• Efectos del tamaño poblacional

• Migración o flujo genético

• Recombinación y mutación

• Selección

Page 11: 10 Genetica de Poblaciones

Cambios que mantienen el equilibrio:

cruzamientos no aleatorios

0,25 AA

0,5 Aa

0,25 aa

En una población que no esté sometida a ninguna

fuerza evolutiva, las frecuencias alélicas se

mantendrán constantes en generaciones sucesivas

siempre que los cruzamientos entre individuos sean

aleatorios.

Carácter: Gen Z, alelos A y a

A a p = f(A) q = f(a)

A: 0,5

a: 0.5

Page 12: 10 Genetica de Poblaciones

• Si los individuos de esta población se reproducen al azar,

encontraremos 9 tipos de cruzamientos (en la misma proporción)

AA X AA Aa X AA aa X AA

AA X Aa Aa X Aa aa X Aa

AA X aa Aa X aa aa X aa

Cambios que mantienen el equilibrio:

cruzamientos no aleatorios

0,25 AA

0,5 Aa

0,25 aa.

Frecuencias genotípicas

Descendencia

25% AA, 50% Aa y 25% aa

Frecuencias Alélicas

50% de alelos A y 50% de alelos a

Page 13: 10 Genetica de Poblaciones

Cruzamientos preferenciales por

razones culturales, sociales,

étnicas, geográficas, etc.

Cambios que mantienen el equilibrio:

cruzamientos no aleatorios

Cruzamientos no se realizan

totalmente al azar

Mejora animal y vegetal : Cruzamientos

dirigidos con el fin de obtener individuos que

tengan determinadas características

fenotípicas

Page 14: 10 Genetica de Poblaciones

Cruzamientos preferenciales

Incremento en el porcentaje de homocigotos

Disminución en la proporción de heterocigotos

Cruzamiento preferencial positivo:

o Los individuos tienden a cruzarse con otros que

comparten sus mismas características

fenotípicas.

o Cruzamientos de individuos genotípicamente

iguales:

AA X AA, Aa X Aa y aa X aa

Page 15: 10 Genetica de Poblaciones

Cruzamiento preferencial positivo

Se han apartado del equilibrio

Frecuencias genotípicas Frecuencias Alélicas

50% de alelos A y 50% de alelos a

Page 16: 10 Genetica de Poblaciones

• Es muy raro en humanos, y se da cuando los individuos se cruzan

con otros que tienen características fenotípicas distintas a las suyas.

• Aumento en la proporción de heterocigotos

Cruzamientos preferenciales

Cruzamiento preferencial negativo:

Frecuencias genotípicas

Frecuencias Alélicas

Se han apartado del equilibrio

50% de alelos A y 50% de alelos a

Page 17: 10 Genetica de Poblaciones

Endogamia

Mide la probabilidad de que

dos alelos en dos individuos

de una población procedan

de un ancestro común

Consanguinidad: cruzamiento entre individuos que

guardan algún tipo de parentesco (comparten un

ancestro común).

Cruzamiento preferencial

positivo

Los individuos comparten una gran

proporción de sus alelos:

o 1/2 en el caso de hermanos

o 1/8 en el caso de primos hermanos

Cuantificable

mediante el

coeficiente de

endogamia (F)

Page 18: 10 Genetica de Poblaciones

• Con cada generación de cruces endogámicos, la frecuencia

de heterocigotos disminuye y la de homocigotos aumenta.

Endogamia

Page 19: 10 Genetica de Poblaciones

Endogamia

Los hijos de matrimonios consanguíneos tienen

mayor probabilidad de sufrir anomalías únicamente

cuando en la familia hay algún alelo recesivo

deletéreo o letal.

Los hijos de primos hermanos tienen una

mortalidad 40% superior a la de niños de

matrimonios no endogámicos.

Page 20: 10 Genetica de Poblaciones
Page 21: 10 Genetica de Poblaciones
Page 22: 10 Genetica de Poblaciones
Page 23: 10 Genetica de Poblaciones
Page 24: 10 Genetica de Poblaciones
Page 25: 10 Genetica de Poblaciones

Abortos involuntarios

o muerte fetal

Page 26: 10 Genetica de Poblaciones

• Charles II, the last king of the Spanish Habsburg dynasty, presented

important physical and mental disabilities suffering from a number of

different diseases during his life.

• According to contemporary writings, he was often described as ‘‘big

headed’’ and ‘‘weak breast-fed baby’’. He was unable to speak until the

age of 4, and could not walk until the age of 8.

• He was short, weak and quite lean and thin. He was described as a

person showing very little interest on his surroundings. He first marries

at 18 and later at 29, leaving no descendency.

• His health worsens until his premature death when he was 39, after an

episode of fever, abdominal pain, hard breathing and comma.

Conclusion

Page 27: 10 Genetica de Poblaciones

• Some of the health problems suffered by Charles II could have been

caused by the action of detrimental recessive genes given his high

inbreeding coefficient (F =0.254) with 25.4% of his autosomal genome

expected to be homozygous.

• The authors speculate that most of the symptomatology showed by

Charles II could be explained by two different genetic disorders

produced by detrimental recessive

• alleles at two unlinked loci.

• Evidently, the probability of an affected individual suffering from two very

rare recessive traits must be very low but it must be taken into account

that inbreeding may cause the association of two recessive traits even

for unlinked loci.

Conclusion

Page 28: 10 Genetica de Poblaciones

Cambios que mantienen el equilibrio:

efectos del tamaño poblacional

En una población no siempre se

reproducen todos los individuos,

esto da lugar a oscilaciones

aleatorias en las frecuencias

alélicas de una generación a la

siguiente.

Alteración de las frecuencias

genotípicas y de las frecuencias

alélicas

Error de

muestreo

Deriva genética aleatoria.

Page 29: 10 Genetica de Poblaciones

La deriva genética aleatoria puede tener efectos muy

marcados, pudiendo incluso hacer que uno de los alelos

sustituya completamente al otro.

o Alelo fijado en la población

o Alelo "barrido" de la población

50 blancas

50 rojas

40 bolas:

20 blancas

20 rojas

Las frecuencias alélicas

oscilan por efecto del azar

10 blancas

Siguiente generación:

desaparece la posibilidad de

sacar bolas negras

Video 12.1

Cambios que mantienen el equilibrio:

efectos del tamaño poblacional

Población pequeña

Page 30: 10 Genetica de Poblaciones

Deriva genética

• Efectos principales:

– Origina cambios en las frecuencias alélicas

– Puede reducir la variabilidad genética cuando alguno

de los alelos se fija en la población.

• Como es un fenómeno aleatorio, encontramos que

diferentes poblaciones pueden derivar de modo distinto,

aunque al principio del proceso tengan el mismo tamaño

y las mismas frecuencias alélicas.

Page 31: 10 Genetica de Poblaciones

Circunstancias que provocan cambios en

las frecuencias alelicas de la población

Población original Generaciones

después

Disminución, migración o

aislamiento marcado de

la población

Algunas poblaciones han sido fundadas

por un pequeño núcleo inicial, en este

grupo puede suceder que existiese algún

alelo concreto (mutación) en baja

frecuencia. Si todos los individuos se reproducen,

incluyendo los enfermos, ese alelo será

muy frecuentes en la población actual.

Efecto fundador

Page 32: 10 Genetica de Poblaciones

• La Enfermedad de Huntington

• La gran mayoría de los pobladores

proceden de una misma mujer que llegó

a la zona en el siglo XIX y que sufría la

enfermedad

Ejemplos de efecto fundador

Indios de América del Sur y Central

• Alta frecuencia del grupo sanguíneo 0

• Proceden de un pequeño número de

pobladores que entraron por el estrecho de

Behring

Lago Maracaibo,

Venezuela

Page 33: 10 Genetica de Poblaciones

Efecto de cuello de botella

• Puede ocasionar la pérdida de algún alelo

• Reducción importante en la diversidad genética de la población

que sobrevive

Un desastre natural, epidemias y/o guerras pueden reducir

drásticamente el tamaño de una población

Frecuencias alélicas diferentes

Page 34: 10 Genetica de Poblaciones

Mecanismos para generar

evolución

Introducción de nuevos alelos

en una población Selección natural

Traslado desde

otras

poblaciones

Generación de

alelos nuevos a

partir de los ya

existentes

Elimina o favorece aquellos

alelos que permiten la mejor

adaptación de la especie a su

medio.

Page 35: 10 Genetica de Poblaciones

Si m individuos de P1

tienen una q1 migran a

otra P2 en la que ese

alelo está en una q2

La llegada de individuos con una

constitución genética distinta

hace que las frecuencias alélicas

cambien ó que aparezcan

nuevos alelos.

Fenómenos migratorios: flujo genético

Población 1 Población 2

La frecuencia alélica después de la

migración será q’= q1m + q2(1-m)

Cambios que mantienen el equilibrio:

Fenómenos migratorios

Page 36: 10 Genetica de Poblaciones

• El efecto dependerá del número de individuos que migran (m)

y de la diferencia inicial en las frecuencias alélicas entre

ambas poblaciones.

• El efecto de la migración es una causa importante de entrada

de nuevos alelos y de aumento de la variabilidad en una

población concreta.

Introducción de nuevos alelos

q’= q1m + q2(1-m)

Page 37: 10 Genetica de Poblaciones

Cambios que mantienen el equilibrio:

Recombinación y mutación

Mutación y Recombinación: Fenómenos moleculares capaces de

crear nuevos alelos ó nuevas combinaciones de alelos ya

existentes.

La recombinación tiene lugar en las células

germinales, durante la meiosis.

Los cromosomas resultantes llevan combinaciones

de alelos que no estaban presentes.

No se crean nuevos alelos sino nuevas

combinaciones de los ya existentes.

MECANISMO DE CREACIÓN DE DIVERSIDAD GENÉTICA

Page 38: 10 Genetica de Poblaciones

• Las mutaciones en células germinales son

importantes desde el punto de vista evolutivo

pues son las únicas que se transmiten a la

generación siguiente.

• La mayoría de las mutaciones son silenciosas

y, por tanto, son "neutras" desde el punto de

vista evolutivo.

Cambios que mantienen el equilibrio:

Recombinación y Mutación

Es el cambio introducido en el material genético

a nivel molecular, alterando la secuencia de

nucleótidos

Page 39: 10 Genetica de Poblaciones

Equilibrio

• Cuando la mutación es la única fuerza

evolutiva que actúa sobre una población, los

cambios en las frecuencias alélicas son muy

pequeños y serían necesarias muchas

generaciones para producir variaciones

significativas.

• Aunque la tasa mutacional (el número de

mutaciones que se introducen por

generación) varía de una especie a otra y en

general es bastante baja, la mutación es la

"materia prima" sobre la que actúa la

principal fuerza evolutiva: la selección.

Page 40: 10 Genetica de Poblaciones

Cambios que mantienen el equilibrio:

selección

Los alelos que permiten una mejor adaptación

al medio tienden a ser favorecidos.

El principal mecanismo evolutivo es la

selección natural.

Es la diferente eficacia biológica (entendida como

viabilidad o capacidad reproductiva) que confieren

alelos distintos.

Page 41: 10 Genetica de Poblaciones

• Las polillas oscuras tenían una

mayor probabilidad de pasar

desapercibidas y sobrevivir.

• Por lo tanto, los alelos que generan

el color oscuro pasan

preferentemente a las generaciones

sucesivas.

Cambios que mantienen el equilibrio:

selección

• Polilla Biston betularia: El cambio en los colores es el resultado de

cambios en las frecuencias alélicas.

• Kettlewell: la industrialización hizo que el hollín se depositase en

los abedules donde se posaban las polillas, y esto hacía que las de

color claro destacasen más y fuesen presa más fácil de los pájaros

depredadores.

Page 42: 10 Genetica de Poblaciones

• La selección consigue la mejor adaptación a las

condiciones ambientales que se dan en un momento

dado, si esas condiciones cambian los rasgos

seleccionados pueden volver a perderse.

• La selección no es un proceso progresivo de "mejora"

de una población, porque los individuos mejor

adaptados en un momento concreto no tienen por qué

ser biológicamente más perfectos.

Cambios que mantienen el equilibrio:

selección

Page 43: 10 Genetica de Poblaciones

Aplicaciones en Genética Humana

Si se conocen las cifras de prevalencia de la enfermedad en una

población es posible calcular:

• Las frecuencias alélicas

• La tasa de portadores en la población

• Las tasas de incidencia previstas en generaciones futuras

La Ley de Hardy-Weinberg permite calcular

las frecuencias de los alelos mutantes que

causan enfermedades humanas.

Page 44: 10 Genetica de Poblaciones

• Campañas de detección prenatal de enfermedades recesivas:

la finalidad es evitar que nazcan individuos enfermos, es decir,

homocigotos.

Aplicaciones en Genética Humana

Enfermedad recesiva

25/100,000

q2=0,00025 y q=0,016

Por tanto,

p=0,984 y 2pq=0,031

La tasa de portadores es del 3,1%

Page 45: 10 Genetica de Poblaciones

• Si la frecuencia del alelo recesivo

causante del albinismo en Noruega es

del 1%, un programa eugenésico

dirigido a eliminar el alelo albino de la

población noruega (esterilizando, por

ejemplo, a todos los albinos) tardaría

100 generaciones en reducir la

frecuencia alélica a la mitad de su valor

actual (0,005) y llevaría 9.900

generaciones reducirla al 0,0001.

Aplicaciones en Genética Humana

Page 46: 10 Genetica de Poblaciones

• A lo largo de nuestra historia la selección natural ha jugado un

papel importante en los cambios de frecuencias alélicas, sin

embargo en este mundo industrializado, el papel de la selección

es cada vez menor.

• Esto es consecuencia de las mejoras en la calidad de vida y en

los cuidados sanitarios, que hacen posible que individuos

enfermos puedan llegar a reproducirse y pasar los alelos

mutantes a la siguiente generación.

Aplicaciones en Genética Humana

Retinoblastoma

Fibrosis quística

Page 47: 10 Genetica de Poblaciones

Formación de la Teoría Sintética de la

Evolución

• Lamarck (XIX) fue el primer naturalista en proponer el

concepto de que unas especies se han ido transformando en

otras.

• Encyclopedia of Genetics: El proceso mediante el cual, según

unos individuos se diferencian gradualmente de otros al irse

reproduciendo, los organismos cambian en otros nuevos a lo

largo del tiempo”.

• Diccionario del Español Actual: cambio gradual y progresivo

de las especies a lo largo de sucesivas generaciones.

EVOLUCIÓN

Page 48: 10 Genetica de Poblaciones

Definición actual:

• Proceso mediante el cual una población de individuos

adquiere cambios que son heredados a generaciones

sucesivas.

• La evolución biológica es el resultado de los cambios, pequeños o

grandes, en los tipos y frecuencias de alelos existentes en una

población de individuos, ya que esos cambios son transmitidos a

las generaciones siguientes.

Formación de la Teoría Sintética de la

Evolución

Page 49: 10 Genetica de Poblaciones

• Los genetistas de principios de siglo pensaban que los alelos

dominantes deberían ir desplazando poco a poco a los alelos

recesivos de la población, hasta reemplazarlos por completo.

Formación de la Teoría Sintética de la

Evolución

Hardy y Weinberg demostraron que

en determinadas condiciones las

frecuencias genotípicas deberían

mantenerse estables y depender

exclusivamente de las frecuencias

alélicas

Page 50: 10 Genetica de Poblaciones

Wright: desarrollo el concepto

de deriva genética y propuso

la existencia de paisajes

adaptativos (tamaño

poblacional).

Formación de la Teoría Sintética de la

Evolución

1937 Dobzhansky publicó

“la Teoría Sintética de la evolución”

Fisher: Teorema fundamental de la

selección natural: el cambio en la eficacia

biológica depende de la varianza genética

aditiva (a mayor variación en la población,

mayor capacidad adaptativa).

Microevolución

Especiación

Macroevolución.

Proceso evolutivo

Page 51: 10 Genetica de Poblaciones

Proceso evolutivo

Microevolución: Cambios relativamente pequeños que

surgen en una población de individuos de una misma

especie, y es la más fácil de observar y de estudiar

experimentalmente.

Especiación: es el proceso por el que una especie da lugar

a otra u otras mediante un proceso ramificado

(cladogénesis) o lineal (anagénesis).

Macroevolución: se refiere a los cambios observados

durante largos periodos de tiempo, que dan lugar a

organismos muy diversos.

Page 52: 10 Genetica de Poblaciones

Arbol filogenético

Una especie es una rama claramente definida en un árbol filogenético.

Representan las relaciones y distancias entre especies,

basándose en datos moleculares o morfológicos.

Es una representación gráfica de

las relaciones evolutivas entre

varias especies que comparten un

ancestro común.

Page 53: 10 Genetica de Poblaciones

En un árbol filogenético, los descendientes parten de un nodo que

representa el ancestro común más reciente que comparten esos

descendientes.

La longitud de las ramas suele corresponder con las estimaciones

del tiempo evolutivo que separa el ancestro de cada descendiente.

Arbol filogenético

Page 54: 10 Genetica de Poblaciones

• Cuando dos poblaciones de una especie quedan separadas

reproductivamente por razones geográficas, seguirán rumbos

evolutivos distintos con el paso del tiempo, tanto si los

ambientes a los que están sometidas son distintos o no.

• Para que pueda surgir una especie nueva, parte de la población

original ha de quedar aislada del resto de los individuos de esa

población.

Explicación actual del proceso

evolutivo y sus limitaciones

alopátrica Especiación

simpátrica

ESPECIACIÓN ALOPÁTRICA

Page 55: 10 Genetica de Poblaciones

• El requisito necesario es la

presencia de variación

genética. Si no existe

variación, no puede haber

evolución.

Explicación actual del proceso

evolutivo y sus limitaciones

ESPECIACIÓN SIMPÁTRICA

• Dos poblaciones pueden

diverger sin estar aisladas

geográficamente

El flujo génico ha disminuido entre las

moscas que se alimentan de diferentes

variedades de alimento incluso aunque

ambas viven en la misma región

geográfica.

Page 56: 10 Genetica de Poblaciones

Diferentes especies han evolucionado a distintas

velocidades, en respuesta a factores ambientales muy

cambiantes y a interacciones complejas con otras

especies.

Estos factores han propiciado, además, la extinción de la

inmensa mayoría de las especies, por lo que el cuadro

general macroevolutivo es fragmentario y no es fácil

proponer explicaciones satisfactorias.

La historia evolutiva de la vida del planeta es

tremendamente complicada.

Explicación actual del proceso

evolutivo y sus limitaciones