Genetica aninale applicata

Popolazione

Popolazione: individui della stessa specie che convivendo in un medesimo spazio si accoppiano tra loro es. Eccezione! Razza Chianina presenta tutti gli individui in una stessa area geografica razza=popolazione

Dimensione di popolazione

Dimensione di popolazione: N= n riproduttori=n individui i cui geni contribuiscono alla formazione della generazione successiva.

• Popolazioni reali non sono infinite, ma limitate (NB: il modello di HW ipotizzava una popolazione di dimensione infinita).
• Grandezza effettiva della popolazione N = (4x numero maschi N x numero femmine N)/(N + N) tiene conto degli squilibri da sesso m f m f (infatti più il rapporto tra maschi e femmine è squilibrato, più la grandezza effettiva dipende dal numero di maschi).

Tenendo conto della variabilità delle dimensioni delle famiglie N = 8 N / (varianza delle dimensioni paterne V + varianza delle dimensioni materne V +4)km/f.

La grandezza effettiva della popolazione consente di stimare l’incremento di consanguineità incremento per generazione ΔF = 1/2Ne incremento per anno ΔF = 1/2N L (dove: L=intervallo tra generazioni).

• Fattori influenzanti: proporzioni fra i sessi alla riproduzione; variabilità delle dimensioni delle famiglie.
• Ipotesi: popolazioni N > 50 possano essere conservate con successo per lunghi periodi incremento massimo del coefficiente di consanguineità dell’1%.

Es. X razza Guernsey: x ogni 1% di incremento di consanguineità > numero di servizi per concepimento; > periodo di servizio; < tasso di concepimento.

N razze in Italia: 30 bovine, 70 ovi-caprine, 2 suine, 15 equine, 5 asinine più di 1/3 è a rischio.

Genetica di popolazione

Genetica di popolazione: comportamento dei geni all’interno di una popolazione;

• A. Descrizione statica= descrive struttura genetica della popolazione (geni e frequenza di presenza).
• B. Descrizione dinamica= studio dei fattori evolutivi che modificano la struttura genetica della popolazione evoluzione.

Calcolando le freq genotipiche e alleliche di un locus o di un complesso di loci “marcatori” quantifico variabilità genetica della popolazione.

Freq genotipiche: freq relative di un det genotipo in una popolazione (NB: la somma di tutte = 1).

Freq alleliche: freq relativa di un det allele in una popolazione.

Freq allelica= N alleli / N tot alleli.

N tot alleli = numerosità campionaria x 2 (se consideriamo una specie diploide).

Legge di Hardy-Weinberg

Legge di Hardy-Weinberg: in una popolazione in cui gli individui si accoppiano in panmissia (in assenza di migrazione, mutazione, selezione e deriva genetica) le freq genotipiche dei figli dipendono solo dalle freq alleliche dei genitori secondo lo sviluppo del quadrato del binomio (p+q)².

• Quadrato delle frequenze alleliche (p²; q²) = frequenza degli omozigoti.
• Doppio prodotto delle frequenze alleliche (2pq) = frequenza degli eterozigoti.

Le freq alleliche e genotipiche restano costanti da una generazione alla successiva (indipendentemente dalle freq alleliche di partenza, se queste sono uguali nei due sessi, ma se sono diverse nei 2 sessi il raggiungimento dell’equilibrio richiede una generazione in più, nella quale vengono pareggiate le freq alleliche tra maschi e femmine.

Negli autosomi l’eq di freq è raggiunto in un’unica generazione.

Nei cromosomi sex l’eq di freq è raggiunto dopo n generazioni.

NB: nel caso degli alleli multipli > n eterozigoti.

In caso di sistema triallelico quadrato di trinomio (p+q+r)^2.

In caso di sistema tetrallelico (p+q+r+s)^2.

Caso particolare! Daltonismo= la freq del gene è = in entrambi i sessi; ma freq del difetto è molto più alta nei maschi rispetto alle femmine più raro è il gene più il fenotipo affetto tende ad essere presente solo nei maschi.

Come stabilire se una popolazione è in equilibrio

Come stabilire se una popolazione è in equilibrio: calcolare le frequenze alleliche a partire dagli osservati (p e q) calcolare le frequenze genotipiche attese (p², 2pq, q²) calcolare sulla base delle frequenze attese i numeri di individui attesi confrontare gli osservati con gli attesi e calcolare il chi quadro* verificare la significatività del valore ottenuto.

*Test del chi quadro: stabilisce se la differenza tra gli osservati e gli attesi sono significative.

χ² = Σ(osservati O- attesi A)²/attesi A= valore ricavato è messo a confronto con le tavole dei valori dei chi quadro per assegnargli un valore di significatività.

Alta significatività pop non in equilibrio ipotesi nulla.

Bassa significatività pop in equilibrio ipotesi accettata.

Fattori di disturbo dell’equilibrio di H-W

Fattori di disturbo dell’eq di H-W:

• 1. Fattori sistematici: fattori x cui è possibile prevedere l’entità e la direzione del cambiamento che la popolazione subirà mutazione, migrazione, selezione.
• 2. Fattori dispersivi: fattori x cui è possibile prevedere l’entità ma non la direzione del cambiamento che la popolazione subirà sistema di accoppiamento, deriva genetica.

Mutazioni

Mutazioni: alterazioni ereditarie (>pt sono sfavorevoli) derivate da degli errori nella sequenza delle basi nel genoma inserisce nuove forme alleliche modifica la costituzione genetica delle popolazioni (ricorda! costituiscono l’unico dei fattori di disturbo della legge di HW che genera una forma realmente nuova) ma avendo una freq bassa non è utile dal punto di vista del miglioramento genetico.

Se la mutazione si ripropone con una certa ricorrenza nel tempo ”mutazioni ricorrenti”.

NB: alla mutazione si affianca il fenomeno opposto di retromutazione= esattamente opposto= la base mutata può essere sostituita ritornando alla forma originaria.

Raggiungimento equilibrio: freq dell’allele mutato (q) x freq di mutazione (ν)= freq di mutazione (µ) x freq dell’ allele originario (p) (“freq di equilibrio”) quando la forma mutata ha raggiunto una frequenza pari al 90%.

Allora all’equilibrio: freq dell’allele mutato (q)= freq di mutazione (µ) / (freq di mutazione (v) + freq di retromutazione (µ) e quindi -6 NB: rapporto tra mutazione e retromutazione è di 1:10 se la frequenza di mutazione si colloca in un ordine di grandezze pari a 10, allora -7 la frequenza di retromutazione è pari a 10.

NB: è possibile aumentare la frequenza di mutazione usando ad es agenti mutageni (fattori chimici e fisici), ma hanno un effetto casuale, quindi non siamo in grado di dirigere la comparsa della mutazione verso la direzione che ci interessa.

Migrazione

Migrazione: trasferimento di riproduttori (artificialmente/naturalmente) da una pop all’altra flusso genico= spostamento di geni popolazione risultante è costituita da due parti: % individui migranti e nativi.

• Modifica le frequenze alleliche e quelle genotipiche + aumenta variabilità genetica.
• È uno strumento fondamentale per il miglioramento genetico (strumento duttile, sta all’operatore scegliere il tasso di migrazione e la popolazione migrante più adatta a raggiungere l’obiettivo prefissato).
• Può anche essere svantaggiosa (es. Bovini taurini (resistenti alla tripanosomiasi) x Zebù (resistente ad altre patologie) = Sanga (meticcio meno resistente alla triptanosomiasi).
• È controllabile attraverso il controllo del numero dei migranti e delle caratteristiche delle popolazioni che facciamo migrare.
• Può ridurre la varietà di popolazioni (negli anni 60’ è stata eccessivamente utilizzata come sistema di miglioramento, utilizzando pop più produttive su pop locali meno produttive, ma più adatte al contesto ambientale) es. Bovino da latte ita x Frisona; es. Suini ita sostituiti da suini europei.

Selezione

Selezione: favorisce, aumentandone la frequenza, le forme alleliche che aumentano la fitness* + sfavorisce quelle sfavorevoli variazione delle frequenze alleliche e le frequenze genotipiche (agisce direttamente sui fenotipi, esplica le sue funzioni sulle freq alleliche).

• Scelta di det sogg all’interno di una popolazione come riproduttori (carico genetico = è la riduzione di individui che la popolazione subisce per effetto della selezione).
• Coefficiente selettivo (s) = riduzione del contributo gametico di un det fenotipo in confronto al fenotipo ottimale = frazione di individui con un certo fenotipo che non si riproduce. Es. fenotipo ottimale: 100 figli, fenotipo subottimale: 80, coefficiente selettivo: 20.
• È in stretto rapporto con la variabilità, infatti è fatta sulla base del fenotipo degli individui.
• Può agire in qualunque momento della vita dell’individuo (compreso tra il concepimento e la riproduzione).
• È strettamente legata alle differenze di vitalità e/o efficienza riproduttiva (NB: efficienza riproduttiva dipende dalla capacità di elaborare risposte efficaci ai vari stimoli ambientali e nel caso degli animali domestici anche di soddisfare i bisogni dell’uomo) e capacità di adattamento ambientale.
• Tipologie:

A. Selez a favore dell’omozigote: quando abbiamo due fenotipi (es. labrador nero o giallo) potremo avere due selezioni:

• A. Selez contro dominante scomparsa tot definitiva dell’allele dominante riduzione.
• B. Selez contro recessivo consistente dell’allele recessivo.

B. Selez a favore dell’eterozigote mantiene variabilità genetica + porta al raggiungimento dell’equilibrio che dipende dai coefficienti selettivi nei confronti dei due fenotipi estremi es. x malaria (malattia causata da puntura di zanzara Zezè) < fitness (in omozigoti per il gene per la falcemia falcemici + punti facilmente zone malariche) > fitness; (in zone non malariche) < fitness eterozigoti per il gene per la falcemia portatori di falcemia + punti raramente.

Es. x sindattilia: gene della sindattilia (s) è caratterizzato da una maggior produzione di lattess malformazione; SS normali + normale produz lattea; Ss normali + > produz lattea.

Es. x ipertermia maligna/PSE nei suidi (m) mm alteraz delle caratteristiche organolettiche; MM caratteristiche organolettiche normali; Mm ipertrofici.

Ricorda! Non ha senso selezionare contro i geni letali perché questi sono un carico genetico sempre presente all’interno della popolazione.

Ma si può però evitare che si manifestino nella popolazione, evitando l’accoppiamento tra soggetti che determinerebbero un omozigote recessivo.

• Difetti: costi elevati; bassa attendibilità x caratteri con h modesta (caratteri riproduttivi, caratteri legati al fitness (resistenza alla malattie); tempi lunghi (intervallo di generazione elevato).

*Fitness (w): capacità dei genitori fertili di generare figli vitali e fertili a loro volta.

Equilibrio tra selezione e mutazione per un gene dominante

Equilibrio tra selezione e mutazione per un gene dominante: mutazione ricorrente e selezione contro l’allele mutato inseriscono o sottraggono l’allele mutato dalla popolazione si giunge ad una situazione di equilibrio quando: frequenza del gene mutato= frequenza di mutazione / coefficiente selettivo

Deriva genetica

Deriva genetica: fenomeno casuale variazione casuale delle freq genotipiche riproduttori utilizzano un numero limitato di gameti (rispetto a i gameti tot di un individuo) alla popolazione successiva viene trasmesso un  campione limitato dei geni possibile errore di campionamento freq alleliche subiscono (anche in assenza di mutazione, migrazione e  selezione) delle fluttuazioni nel tempo fissazione degli alleli > omozigosi.

• NB: errore di campionamento è tanto meno trascurabile quanto più piccole sono le dimensioni della popolazione.

NB: è un processo di “dispersione”, poiché non possiamo prevedere per ciascuna sottopopolazione quale dei due alleli è destinato a fissarsi e quale ad estinguersi.

• Nella grande popolazione costituita da tutte le sottopopolazioni, la deriva genetica non ha modificato le frequenze alleliche, ma ha modificato le proporzioni genotipiche non abbiamo più eterozigoti.

Casi particolari di deriva genetica:

• 1. “Collo di bottiglia”= det popolazioni, per eventi differenti (es. eventi sanitari o calamità naturali) subiscono una progressiva e rapida diminuzione del n di riproduttori, ma i rimanenti si riproducono e la popolazione si espande di nuovo caratteristiche delle generazioni successive al collo di bottiglia possono presentarsi differenti rispetto a quelle della popolazione originaria. 
• 2. “Effetto del fondatore”= un ridotto numero di riproduttori migra in un nuovo territorio e fonda una nuova popolazione espansione delle colonia nuova popolazione con nuove caratteristiche (che derivano dagli individui fondatori). NB: più il n di fondatori è ristretto, tanto più spinto sarà l’errore di campionamento + tanto più diverse sono le caratteristiche genetiche della popolazione che viene a formarsi.

Sistemi di accoppiamento

Sistemi di accoppiamento:

Premessa: non modifica le frequenze alleliche (agendo solo sulle freq genotipiche), ma ridistribuisce gli alleli all’interno dei genotipi.

Panmissia: accoppiamenti casuali consanguineità.

Omogamia

Omogamia: accoppiamenti tra simili 2 locus alleli R e B frequenze f(B)=f(R)=0,5 con uguali.

Ipotesi di accoppiamento: RB X RB f(RB) = o,50; f(BB)=f(RR)=0,25.

Ipotesi di accoppiamenti: RR x RR e BB x BB e RB x RB f(RB) = ¼; f(BB)=f(RR)=3/8.

Ipotesi di riaccoppiamento: F1 con lo stesso modello (simile x simile) f(RB) = 1/8; f(BB)=f(RR)=7/16.

Ad ogni generazione la quota di eterozigoti si dimezza questo processo all’infinito determina una completa erosione degli eterozigoti, e gli individui sono 50% e 50% per i due omozigoti conservazione della variabilità degli omozigoti.

• X singolo individuo < prob di omozigosi in ogni locus del genoma <.
• X popolazione ripartizione delle freq genotipiche eterozigosi + < omozigosi (differenti rispetto alle previsioni della Legge di HW).

Eterogamia

Eterogamia: accoppiamenti tra dissimili incrocio 2 locus alleli R e B frequenze f(B)=f(R)=0,5 con uguali.

Ipotesi di accoppiamento: (50%) RRxBB e (50%) RBxRB f(RR)=0,125; f(RB)=0,75; f(BB)=0,125.

Questo processo all’infinito determina un aumento progressivo degli eterozigoti, con un decremento progressivo degli omozigoti fino ad una situazione di equilibrio per la quale le frequenze genotipiche non cambieranno più conservazione della variabilità degli eterozigoti.

• Nel singolo individuo < prob di etrozigosi in ogni locus del genoma.
• Nella popolazione eccesso di eterozigosi (rispetto alla freq previste dalla legge di HW).

Coefficiente di consanguineità

n+1 Coefficiente di consanguineità: F = 0,50 (con n= numero di generazioni che separano i genitori attraverso l’ascendente comune)= ½ coeff di parentela dei genitori (a) anx+1 nx.

Se due individui hanno x ascendenti comuni il coefficiente di consanguineità di un loro figlio è: F = ∑ 0,50 = ∑ 0,50 x (1+F) = somma dei X F nx+1 coefficienti parziali calcolati per ognuno degli X ascendenti comuni, corretti per gli eventuali coefficienti F. = ∑ 0,50 x (1+F) X X.

• Quindi coefficienti di parentela e consanguineità non hanno valore assoluto, ma acquisiscono un significato preciso soltanto se viene precisato un momento del passato oltre il quale non si fanno ulteriori ricerche sugli ascendenti (popolazione in quel determinato momento “popolazione base” i cui componenti hanno il coefficiente di consanguineità=0 e non sono tra di loro imparentati).

L’incremento di consanguineità è in stretto rapporto con:

• A. Grandezza reale (numero di riproduttori= n maschi+ n femmine) e le sue eventuali fluttuazioni nel tempo.
• B. Struttura riproduttiva (proporzioni dei due sessi alla riproduzione) e le sue eventuali fluttuazioni nel tempo.
• C. Efficienza dei riproduttori (dimensioni delle famiglie paterne e materne).
• D. Rapporto fra i sessi= nelle specie allevate il rapporto è fortemente squilibrato a favore delle femmine (es. 1m:20-80f piccoli ruminanti; 1m:20-100f bovino (molto più squilibrato se il toro viene utilizzato in fecondazione artificiale); 1m:20-50f suino.

Nelle razze dotate di registro anagrafico o di libro genealogico i coefficienti di consanguineità sono calcolati dai pedigree degli individui.

Effetti della consanguineità in una popolazione panmittica

Effetti della consanguineità (in una popolaz panmittica): considerare una grande “popolazione di base” panmittica, in cui gli animali hanno un coefficiente di parentela= 0 *suddivido popolazione in sottopopolazioni isolate da un punto di vista riproduttivo (con il passare del tempo) > coefficiente di parentela.

NB: in ogni sottopopolazione, anche se gli accoppiamenti sono casuali, prima o poi diventa impossibile evitare la consanguineità.

*NB: processo dispersivo= la deriva genetica + la consanguineità costituiscono due differenti approcci allo studio del processo dispersivo.

Con la deriva genetica= si prendono in considerazione gli effetti dell’errore di campionamento sulle frequenze alleliche.

Con la consanguineità= si prendono in considerazione gli effetti dell’accoppiamento fra parenti sulle frequenze genotipiche.

Depressione di consanguineità

Depressione di consanguineità: consanguineità > probabilità che det loci diventino omozigoti * > freq con cui geni patogeni si manifestano aumenta l’incidenza delle patologie.

*Se omozigosi di “geni maggiori” malattie specifiche + difetti ed anomalie nello sviluppo prenatale e non.

Se omozigosi di “geni minori” < fertilità, vitalità, resistenza a malattie, attitudine materna, prestazioni produttive.

NB: per l’1% si incremento del coefficiente di consanguineità= decremento di 1% nella prestazione riproduttiva.

• Influenzata dalla deviazione da dominanza, quindi la sensibilità alla consanguineità sarà una caratteristica di det caratteri.
• A. Caratteri con azione additiva depressione debole/assente
• B. Caratteri con azione non additiva elevate deviazioni da dominanza + epistasi elevata depressione.

NB: in una situazione di dominanza il n di eterozigoti è esattamente in una posizione intermedia rispetto alla media, tanto maggiore è la deviazione rispetto a questa posizione intermedia, t