popgenetic1 - Universidad de Chile

EVOLUCION Y MEDICINA EVOLUTIVA 2005. PROGRAMA DE GENETICA HUMANA. ESCUELA DE MEDICINA.
FACULTAD DE MEDICINA. UNIVERSIDAD DE CHILE
GENÉTICA DE POBLACIONES, programa POPSIM, ( serie Hands on Genetics)
En este laboratorio se simula el cambio de las frecuencias génicas de una población de organismos
diploides mediante la modelación del tamaño poblacional (N) y de las tasas de mutación (m). Ud.
dispone de las herramientas necesarias para comparar la conducta de las frecuencias génicas en dos o
más poblaciones, considerando el efecto de N y m.
INGRESO AL PROGRAMA
Antes de comenzar una simulación se recomienda estar familiarizado con los comandos del
programa. Estos aparecen en la barra de menú en el siguiente orden:
File
Edit
Parameters
Run
Display
Instructions
Help
Las figuras 1 y 2 muestran las principales funciones de POPSIM. Los comandos del menú que no
aparecen descritos cumplen funciones de edición, visualización y ayuda, comunes a cualquier
aplicación Windows.
Figura 1: Funciones del comando "File"
Figura 2: Funciones del comando "Parameters"
Al ingresar al programa se abrirán automáticamente dos ventanas: "Gene numbers", de
visualización del estado de la simulación, y "Graph", que mostrará las coordenadas de un gráfico
aún vacío, con el número de generaciones en el eje "x" (Generation) y la frecuencia génica en "y"
(Gene frequency). Ud. puede minimizar éstas u otras ventanas que se encuentren temporalmente
activas, marcando la alternativa correspondiente en el comando "Display".
DEFINICIÓN DE LOS VALORES DE LA SIMULACIÓN
Antes de iniciar la simulación, Ud. deberá definir los valores que tendrá cada modelación en
particular. Para ello ocupará las opciones disponibles al activar el comando "Parameters". En la
Tabla 1 se muestran ejemplos de estos valores y del rango que pueden adoptar en cada caso.
Recuerde que la modelación se realiza bajo el supuesto de que existen razones fundadas para
ingresar uno u otro valor. Una simulación "a ciegas" (ingreso aleatorio de valores), tendrá como
consecuencia una interpretación "a ciegas" (Revise cuidadosamente los comentarios y
recomendaciones que aparecen en la última columna).
SELECTIVE
VALUES
(INTENSIDAD DE
LA SELECCION)
Tabla 1
AL ACTIVAR UD. INGRESARA LOS VALORES EN
LA FUNCION UNA VENTANA COMO ESTA
Y DEBERA TENER EN CUENTA QUE
Los valores mínimo y máximo para cada
genotipo son 0 y 1
El valor selectivo no puede ser negativo
Iguales valores selectivos para todos los
genotipos implica ausencia de selección
GENE FLOW
(FLUJO DE GENES HACIA LA
POBLACION, O TASA DE
INMIGRACION)
STARTING
FREQUENCY
(FRECUENCIA DEL
ALELO m EN LA
GENERACION 0)
POPULATION SIZE
(TAMAÑO POBLACIONAL)
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A menor tamaño poblacional, mayor es la
probabilidad de que ocurran procesos de
deriva génica
El número de alelos presentes en la
población es dos veces mayor al del
número de individuos ("size")
Un valor infinito del tamaño poblacional
implica la ausencia de deriva génica
La frecuencia inicial f ("starting
frequency") es la frecuencia de una
variante alélica para un locus de dos
alelos.
Por definición, si los alelos son m y n, m=
f, n= 1-f
Hay dos tipos de flujo génico:
a) Entre poblaciones (Gene flow
between populations), cuando las
poblaciones sometidas a la simulación
son finitas e "insulares", y reciben
inmigrantes, a una misma tasa, desde
dos o más poblaciones. Una tasa de
0.01 significa que en cada generación
el 1% de los genes ha sido tomado al
azar desde otras poblaciones.
b) De amplio rango (Long distance gene
flow), cuando los genes inmigrantes
provienen de una población cuya
frecuencia génica es conocida y
permanece constante.
VISUALIZACION DE LOS RESULTADOS
La simulación comienza activando la función GO en el comando RUN, de la barra de
herramientas. La ventana "Gene numbers" muestra los valores utilizados en la simulación, y los
resultados obtenidos durante la modelación según el número de generaciones (filas), y el número
de réplicas o poblaciones, columnas. En el ejemplo de la Figura 3, en la generación 0 todas las
réplicas tienen la misma frecuencia génica y muestran, consecuentemente, una varianza igual a 0.
La ventana "Graphs" (Fig. 4) muestra un bivariado con los valores de las frecuencias génicas
respecto del número de generaciones.
Generación
población
promedio
varianza
Figura 3: Ventana del estado de avance de la simulación ("Gene numbers")
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poblaciones
Figura 4: Bivariado con los resultados mostrados en la Fig. 3
CONTRASTACION DE HIPOTESIS
La hipótesis nula del teorema de Hardy y Weinberg afirma H0: fn = fn-1, donde f es la
frecuencia génica, n es la generación resultante de los cruzamientos ocurrido según los valores de
los parámetros mostrados en la Tabla 1, y n-1 es la población existente antes de iniciar la
simulación. En este laboratorio se pondrán a prueba hipótesis particulares sobre el rol de la tasa de
mutación y el tamaño poblacional en la variación de las frecuencias génicas de una generación a
otra.
DESARROLLO DE LAS SIMULACIONES
1. MUTACION
Las mutaciones corresponden a cambios físico-químicos del material hereditario. Ellas constituyen
la fuente primaria de generación de variabilidad, materia base para la acción de los factores
evolutivos (evolución).
Para explorar el efecto de las mutaciones como un factor evolutivo corra una simulación alterando
solo el parámetro mutación, fije todos los demas parámetros de manera que no alteren el equilibrio.
Cambie solo la escala de generaciones a 100 y fije la frecuencia del alelo m (mutante) en 0.1.
Pruebe diferentes tasas de mutación directa (10-2, 10-4, 10-6, 10-8)
Transfiera los resultados al siguiente gráfico en forma aproximada (gráfico 1):
Frecuencia de m
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
generaciones
100
Gráfico 1: Frecuencias del alelo m a lo largo de 100 generaciones, al someter al alelo silvestre (+) a
distintas tasas mutacionales.
a)
¿Qué tasas mutacionales producen cambios significativos en las frecuencias génicas de la
población?
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b)
Teniendo en cuenta que las tasas reales de mutación se estiman en valores que van de 10 -5 a
10-8, ¿consideraría usted a la mutación como un factor evolutivo significativo en si mismo?.
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c)
Repita la simulación utilizando valores iguales para mutación directa y reversa (por
ejemplo un valor alto, 10-2), fije la frecuencia del alelo m en 0.5 ¿que puede inferir de los
resultados obtenidos?
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2.DERIVA GENÉTICA: Cuando las poblaciones son pequeñas las frecuencias génicas pueden
cambiar sólo por efecto del azar (error de muestreo). La siguiente secuencia de simulaciones permite
visualizar este efecto. Fije el tamaño de la población en 10 individuos. Fije la frecuencia génica inicial
de m en 0.5 y fije la escala de generaciones en 100. Revise que todos los demás parámetros como
selección, mutación o migración, no estén actuando.
2.1
Realice la simulación, elija y registre en el gráfico las frecuencias para cinco o seis de estas
poblaciones.
frecuencia de m
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
generaciones
100
Gráfico 6: Frecuencia del alelo m a lo largo de 100 generaciones en una población compuesta por 10
individuos.
2.1.1
Registre los valores de la varianza transcurridas 10, 30 y 100 generaciones.
Generación 10
Generación 30
Generación 100
VARIANZA
Nota: Es posible que todas las poblaciones se fijen antes de las 100 generaciones.
2.2
Repita el procedimiento anterior aumentando el tamaño de la población a 50 individuos.
Mantenga la frecuencia génica inicial en 0.5 y la escala de generaciones en 100. Mantenga todos
los demás parámetros iguales. Realice la simulación, elija y registre en el gráfico las frecuencias
génicas de A para cinco o seis de estas poblaciones.
1.0
frecuencia de m
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
generaciones
100
Frecuencia del alelo m a lo largo de 100 generaciones en una población compuesta por 50
individuos.
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2.2.1
Registre los valores de la varianza transcurridas 10, 30 y 100 generaciones.
Generación 10
Generación 30
Generación 100
VARIANZA
2.3
Realice ahora nuevas simulaciones cambiando solo el número de individuos en la
población. Utilice en este caso poblaciones de mayor tamaño, 300 y 3000 individuos. Elija cinco o
seis poblaciones para cada simulación y regístrelas en los gráficos adjuntos.
300 individuos
frecuencia de m
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
generaciones
100
Frecuencia del alelo m a lo largo de 100 generaciones en una población compuesta por 300
individuos
3000 individuos
frecuencia de m
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
generaciones
100
Frecuencia del alelo m a lo largo de 100 generaciones en una población compuesta por 3000
individuos
2.4
Registre los valores de la varianza para cada una de las simulaciones transcurridas 10, 30 y
100 generaciones. Traslade a la tabla los valores de varianza registrados anteriormente para
poblaciones de 10 y 50 individuos. Explique los cambios observados (a mayor N, menor Var).
Tamaño de la
Población (N)
10 individuos
50 individuos
300 individuos
3000 individuos
Generación 10
VARIANZA (Var)
Generación 30
Generación 100