Hardy-Weinberg e la deriva genetica

Il cambiamento evolutivo è interessante e importante da studiare, ma i cambiamenti nelle popolazioni si verificano per lunghi periodi di tempo e in enormi spazi fisici e sono quindi molto difficili da misurare. In generale, lo studio di fenomeni di questo tipo richiede l'uso di modelli matematici costruiti utilizzando parametri che possono essere convenientemente misurati. Questi modelli vengono quindi utilizzati per fare previsioni su come le modifiche al sistema potrebbero influenzare il risultato.

Ad esempio, i cambiamenti nella frequenza degli alleli genetici nei singoli loci nelle specie sono spesso osservati per lunghi periodi di tempo, ma non sono generalmente osservabili per brevi periodi di tempo. L'uso di modelli computerizzati consente ai ricercatori di prevedere i cambiamenti all'interno del pool genetico di una specie utilizzando osservazioni già raccolte e consente simulazioni di un numero potenzialmente illimitato di generazioni della popolazione. Questo non sarebbe certamente possibile nell'arco di una vita umana.

Il principio di equilibrio di Hardy-Weinberg

Un'equazione utilizzata per modellare le popolazioni è l'equazione di equilibrio di Hardy-Weinberg. È stato formulato indipendentemente nel 1908 sia da G. H. Hardy che da Wilhelm Weinberg^1,2. La semplice equazione descrive la frequenza allelica attesa di una popolazione che non è in evoluzione. Poiché la maggior parte delle popolazioni della vita reale si evolvono in risposta alle forze della selezione naturale, questa formula agisce come un'utile ipotesi nulla. Viene utilizzato per verificare se si verificano o meno diversi tipi di selezione. Se le frequenze alleliche misurate differiscono da quelle previste utilizzando l'equazione di Hardy-Weinberg, allora il gene in questione sta subendo un cambiamento evolutivo.

L'equazione di Hardy-Weinberg può essere rappresentata come p² + 2pq + q² = 1 dove p rappresenta la frequenza dell'allele dominante e q rappresenta la frequenza dell'allele recessivo per il gene in questione. Ogni espressione nell'equazione rappresenta la frequenza prevista di uno dei tre possibili genotipi diploidi. La frequenza dominante omozigote è rappresentata da p², omozigote recessiva da q² ed eterozigote da 2pq. Se queste frequenze vengono sommate, la somma è 1, il che ha senso dal momento che l'intera popolazione è stata divisa nelle tre categorie disponibili.

È anche possibile descrivere la popolazione, o pool genico, in termini dei due alleli, indipendentemente da come sono impacchettati in individui diploidi. Questa equazione è rappresentata come p + q = 1, cioè le frequenze degli alleli dominanti e recessivi devono sommarsi fino a 1 all'interno della popolazione. Ancora una volta, questo ha senso, dal momento che il modello include solo due possibilità alleliche. Si noti che la frequenza dei genotipi nella popolazione è solo l'espansione quadratica della frequenza degli alleli nella popolazione perché (p + q)² = p² + 2pq + q².

L'equazione di Hardy-Weinberg, come la maggior parte degli altri modelli, richiede una serie di ipotesi. Utilmente, se i dati della vita reale differiscono dai dati previsti, è possibile ipotizzare quale delle ipotesi di partenza fosse falsa. Le ipotesi delle equazioni di equilibrio di Hardy-Weinberg sono: 1) la popolazione è molto grande, 2) la popolazione è chiusa, il che significa che non ci sono individui che immigrano o emigrano fuori dalla popolazione, 3) non ci sono mutazioni che si verificano sul gene in questione, 4) gli individui all'interno della popolazione si accoppiano a caso: gli individui non scelgono i loro compagni, 5) La selezione naturale non è in corso. Ancora una volta, tieni presente che l'equazione di equilibrio di Hardy-Weinberg è un'ipotesi nulla. Spesso, le popolazioni reali violano una o più di queste ipotesi. L'equazione viene utilizzata per determinare se e come sta avvenendo l'evoluzione.

Deriva genetica

In una popolazione relativamente piccola, una condizione che viola la prima ipotesi di Hardy-Weinberg, è possibile che le frequenze alleliche siano il risultato del caso. Questo fenomeno è indicato come deriva genetica. Una versione di questo è indicata come effetto fondatore. Se un piccolo numero di individui si sposta in un luogo isolato e inizia una nuova popolazione, la genetica specifica di quei particolari individui plasmerà le generazioni future. Questo nuovo piccolo pool genetico può avere la stessa frequenza allelica dell'originale, ma è anche possibile, persino probabile, che non lo faccia. Diciamo che la popolazione originale comprendeva il 50% di alleli dominanti e il 50% di recessivi. All'estremo, se tutti gli individui in un gruppo fondatore migrante sono omozigoti recessivi, allora l'allele dominante è stato perso completamente e il recessivo è ora al 100%. Un fenomeno simile, chiamato effetto collo di bottiglia, può verificarsi se una popolazione subisce un forte calo numerico a causa di un disastro naturale, di un intervento umano o di una malattia.

È importante sottolineare che la deriva genetica rappresenta un tipo di evoluzione che non è necessariamente adattiva. Non seleziona specificamente i tratti adatti all'ambiente. Tuttavia, è un'importante forza evolutiva nel plasmare popolazioni con un piccolo numero di individui e causerà deviazioni dalle previsioni di Hardy-Weinberg. Nelle popolazioni più grandi, è più probabile che le deviazioni dalle previsioni significhino che la popolazione in questione sta subendo un'evoluzione attraverso la selezione naturale. In queste circostanze, si può esplorare un'ulteriore considerazione dei meccanismi che causano questa evoluzione.

Le moderne applicazioni del modello di Hardy-Weinberg includono l'analisi delle popolazioni umane e animali in termini di come i loro sistemi immunitari si relazionano alla loro suscettibilità alle malattie infettive^3,4. Molti gruppi di ricerca stanno catalogando geni che codificano specifiche molecole del sistema immunitario, come CCR5 e il complesso maggiore di istocompatibilità (MHC, noto nell'uomo come antigene leucocitario umano (HLA), e correlando queste informazioni a studi epidemiologici riguardanti la malattia e la sua progressione^3,5-6. Dal confronto di questi due tipi di set di dati, stanno emergendo modelli che mostrano che alcuni individui sono geneticamente resistenti a particolari infezioni, mentre altri hanno maggiori probabilità di soccombere alla malattia⁴. Il modello di Hardy e Weinberg è stato essenziale per l'analisi di questi dati e ha contribuito alla nostra comprensione di come le infezioni hanno plasmato l'evoluzione.

Referenze

1. Hardy, G. H. (luglio 1908). "Proporzioni mendeliane in una popolazione mista" (PDF). Scienza. 28 (706): 49–50. DOI:10.1126/scienza.28.706.49. ISSN 0036-8075. PMID 17779291.
2. Weinberg, W. (1908). « Über den Nachweis der Vererbung beim Menschen ». Jahreshefte des Vereins für vaterländische Naturkunde in Württemberg. 64: 368–382.
3. Eguchi S, Matsuura M. Testare l'equilibrio di Hardy-Weinberg nel sistema HLA. Biometria. giugno 1990; 46(2):415-26. PubMed PMID: 2364131.
4. Phillips KP, Cable J, Mohammed RS, et al. La novità immunogenetica conferisce un vantaggio selettivo nella coevoluzione ospite-patogeno. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018; 115(7):1552-1557.
5. Lim JK, Glass WG, McDermott DH, Murphy PM CCR5: non è più un gene "buono a nulla": il controllo delle chemochine dell'infezione da virus del Nilo occidentale. Tendenze Immunol. luglio 2006; 27(7):308-12.
6. https://hla-net.eu/tools/frequency-estimation/
7. Santiago Rodriguez, Tom R. Gaunt e Ian N. M. Day. Test di equilibrio di Hardy-Weinberg dell'accertamento biologico per studi di randomizzazione mendeliana. American Journal of Epidemiology Advance Access pubblicato il 6 gennaio 2009, DOI 10.1093/aje/kwn359. http://www.oege.org/software/hwe-mr-calc.html

Ulteriori letture

Andrews, C. (2010) Il principio di Hardy-Weinberg. Educazione alla natura Conoscenza 3(10):65 https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/the-hardy-weinberg-principle-13235724

Gli scienziati una volta si sono chiesti perché i tratti dominanti come le macchie di giraffa color marrone chiaro non diventino più frequenti con ogni generazione e sostituiscano i tratti recessivi come le macchie marrone scuro. Pensando a questo enigma, nel 1908, indipendentemente l'uno dall'altro, Godfrey H. Hardy e Wilhelm Weinberg derivarono indipendentemente una teoria, oggi nota come principio di Hardy-Weinberg e rappresentata da questa equazione.

Il principio afferma che in assenza di evoluzione, cioè all'equilibrio, le frequenze alleliche e genotipiche di una popolazione rimarranno costanti da una generazione all'altra. Per capire questa equazione, torniamo all'esempio della giraffa. La A maiuscola rappresenta l'allele tan poiché è dominante, e la a minuscola è per l'allele bruno perché è recessivo. La frequenza di questi due alleli nella popolazione è designata rispettivamente come p e q. Quindi, come facciamo a conoscere la frequenza allelica? Bene, ogni individuo ha due alleli. In questo esempio, il 40% degli alleli nel pool genetico sono abbronzati. Pertanto, la frequenza dell'allele tan, p, è 0,4 e la frequenza dell'allele marrone, q, è 0,6. Si noti che p più q è sempre uguale a uno.

Ora torniamo all'equazione di Hardy-Weinberg. Ogni termine nell'equazione rappresenta una frequenza del genotipo. La frequenza del genotipo omozigote dominante è p al quadrato e l'omozigote recessivo è rappresentato da q al quadrato. Il genotipo eterozigote è due pq. La ragione per cui moltiplichiamo per due qui è che ci sono due modi diversi di generare un genotipo eterozigote. Combinati, questi rappresentano tutti il 100% dei genotipi. Quindi, una frequenza totale di uno. Utilizzando i valori di p e q del nostro esempio della giraffa, possiamo determinare la distribuzione del genotipo degli alleli del gene del colore nella nostra popolazione di giraffe. Pertanto, secondo il principio di Hardy-Weinberg, all'equilibrio, il 16% della popolazione di giraffe sarà omozigote dominante, il 48% sarà eterozigote e il 36% sarà omozigote recessivo.

Per mantenere questo equilibrio, il principio dell'equilibrio di Hardy-Weinberg afferma che una popolazione dovrebbe soddisfare cinque ipotesi principali. Ci dovrebbero essere accoppiamenti casuali, grandi dimensioni della popolazione, nessuna mutazione, nessuna selezione sul gene in questione e nessun flusso genico dentro o fuori la popolazione. La maggior parte delle popolazioni naturali viola almeno una di queste assunzioni e quindi l'equilibrio è raro... ma nonostante ciò, il principio viene utilizzato come modello nullo per la genetica delle popolazioni. Confrontando questi valori attesi con l'effettiva frequenza del genotipo in una popolazione, si può determinare se quella popolazione è in equilibrio di Hardy-Weinberg. In caso contrario, significa che è in corso una qualche forma di evoluzione o cambiamento nella frequenza allelica.

Un malinteso generale sull'evoluzione è che richieda la selezione naturale per avvenire. Tuttavia, non è sempre così. La deriva genetica è un meccanismo attraverso il quale l'evoluzione può avvenire senza la selezione naturale. È definito come un cambiamento nella frequenza allelica di una popolazione dovuto al caso. Per immaginare questo, torniamo all'esempio di una popolazione di giraffe e immaginiamo che i loro alleli di marrone chiaro e marrone siano rappresentati da biglie di due colori diversi. Supponiamo qui che ogni colore inizi ugualmente abbondante. Se dovessimo iniziare una nuova generazione di questa popolazione, avremmo bisogno di allevare coppie di individui e quindi selezionare tra quattro alleli per coppia. Se selezioniamo una coppia riproduttiva a caso, potremmo ritrovarci con due biglie di ogni colore. Tuttavia, solo per caso, alcuni abbinamenti avranno un solo colore marmo, oppure tre di un colore e uno dell'altro. Queste deviazioni casuali da 50-50 su più accoppiamenti per creare una nuova generazione potrebbero significare che la generazione successiva non ha più una miscela uguale di ciascun allele.

È questa variazione delle frequenze relative degli alleli nel tempo che definisce la deriva genetica. Pertanto, a differenza dell'evoluzione adattativa, in cui la frequenza allelica cambia per selezionare i tratti adatti all'ambiente, come le coccinelle con una maggiore quantità di melanina che sopravvivono meglio nei climi più freddi a causa di una migliore capacità di assorbire il calore, la deriva genetica rappresenta un tipo di evoluzione che è puramente dovuta al cambiamento stocastico. Ad esempio, la rimozione casuale di una parte di una popolazione attraverso un evento catastrofico.

In questo laboratorio, eseguirai simulazioni al computer e di perline colorate dell'equilibrio di Hardy-Weinberg e della deriva genetica in una popolazione, quindi testerai cosa succede quando le ipotesi dell'equilibrio vengono violate.