Appunti Prof. Enrico Castello LEZIONE DI GENETICA Appunti Prof. Enrico Castello

A chi serve La genetica Medicina personalizzata Evoluzione dell’uomo Diagnosi e cura delle malattie genetiche Evoluzione della vita Produzione di nuovi farmaci e vaccini Produzioni industriali A chi serve La genetica Terapia malattie acquisite ed invecchiamento Clonazione, cellule staminali Piante e animali più produttivi e resistenti OGM Genetica forense Risanamento ambientale

L’uomo ha iniziato ad occuparsi di genetica circa 10 L’uomo ha iniziato ad occuparsi di genetica circa 10.000 anni fa, all’epoca dell’invenzione dell’agricoltura e della domesticazione degli animali Da allora ha continuato a selezionare intuitivamente varietà animali e vegetali più produttive e resistenti, modificandone profondamente le caratteristiche Per molti millenni tuttavia le leggi secondo le quali si trasmettono i caratteri ereditari sono rimaste sconosciute Ancora a metà ‘800 la maggior parte degli studiosi credevano sia nell’ereditarietà dei caratteri acquisiti, che nella miscelazione dei caratteri (blending inheritance), teoria seconda la quale i caratteri dei genitori si mischierebbero nei figli come latte e caffé si mischiano nel caffelatte Lo stesso Darwin non aveva sull’argomento idee molto chiare

GREGOR MENDEL (1822 – 1884) Nasce in una famiglia di piccoli proprietari terrieri, di lingua e cultura tedesca della Slesia Monaco agostiniano del monastero di Brünn (odierna Brno), cittadina agricola dell’impero austro ungarico (oggi Repubblica Ceca) Studia (senza mai conseguire la laurea) fisica, matematica e botanica, convincendosi dell’importanza di applicare il metodo sperimentale e l’analisi matematica allo studio delle scienze naturali Brünn è un centro dove allevatori e coltivatori si incontrano per discutere dei loro esperimenti di incrocio di piante e animali finalizzati all’incremento della produzione agricola

L’abate del convento di Mendel è un personaggio influente nell’ambiente scientifico ed agrario della città, molto interessato allo studio dell’eredità naturale Il monastero è dotato di un orto e di una serra ben attrezzati che, a partire dal 1854, vengono messi a disposizione di Mendel per avviare i suoi studi sulla trasmissione dei caratteri ereditari nelle piante

Nel 1854 Mendel inizia i suoi esperimenti All’epoca le conoscenze riguardo alla trasmissione dei caratteri ereditari erano scarse e confuse. Si sapeva tuttavia che: entrambi i genitori contribuiscono a determinare i caratteri della prole; tali contributi vengono portati attraverso i gameti Mendel scelse come pianta da esperimento Pisum sativum, il comune pisello degli orti, perché: È facilmente reperibile e facile da coltivare Cresce e si riproduce rapidamente La struttura del fiore, ermafrodita, con gonadi racchiuse da petali, che normalmente si autoimpollina, si presta bene alla manipolazione Le differenti varietà hanno alcune caratteristiche distintive che si conservano nei discendenti

Mendel decide di studiare 7 caratteri distintivi che presentavano due forme nettamente differenti: seme liscio o rugoso seme giallo o verde Baccello verde o giallo Fiori viola o bianchi Fusti lunghi o corti Fiori assiali o terminali Baccello rigonfio o grinzoso

Per ognuno dei caratteri prescelti coltiva per due anni varie generazioni di piante, fino ad ottenere linee pure, cioè una serie di piante che, generazione dopo generazione, mantengono sempre costante la forma di un carattere Nel 1856 inizia incroci sperimentali tra linee pure per lo stesso carattere Rimuove gli organi maschili di un fiore e lo feconda col polline di un altro fiore scelto da lui

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Le due forme alternative non si mescolavano Nella prima generazione filiale (F1), per ogni carattere, tutti i piselli mostravano solo una delle due varianti Prima generazione F1 Le due forme alternative non si mescolavano Mendel chiamò dominanti le forme che comparivano nella F1, mentre chiamò recessive quelle che apparentemente erano scomparse. Che fine avevano fatto? Lasciò quindi che le piante della F1 si autoimpollinassero, originando le piante della seconda generazione filiale F2.

Le proporzioni sono all’incirca le seguenti: Tabella 12.1 pag. 161 Nella seconda generazione filiale (F2), ricompaiono i caratteri recessivi Le proporzioni sono all’incirca le seguenti: 75% (¾) carattere dominante 25% (¼) carattere recessivo I caratteri recessivi quindi non erano scomparsi, bensì erano rimasti “nascosti” negli individui della F1 Secondo Mendel, la comparsa e la scomparsa dei caratteri alternativi, e le loro proporzioni costanti nella F2, potevano essere spiegati ammettendo che le caratteristiche fossero determinate da fattori discreti, cioè separabili tra loro

Incrocio di linee pure x Fenotipo= aspetto visibile P gameti solo A aa AA gameti solo A solo a F1 Aa gameti ovuli 1/2 A 1/2 a 1/4 AA 1/4 Aa 1/4 aa 1/2 A polline 1/2 a Genotipi F2 Fenotipi F2 Fenotipo= aspetto visibile 12

I fiori rosa sono il risultato di una dominanza incompleta. (b) Figura 3.3 I fiori rosa sono il risultato di una dominanza incompleta. (b) Gli ibridi F1 originati da incroci tra ceppi puri di bocche di leone con fiori rossi e ceppi con fiori bianchi, hanno una fioritura rosa, che non assomiglia ad alcuno dei due genitori. Il colore del fiore nella F2 appare nel rapporto di 1 rosso : 2 rosa 1 : bianco. Questo rapporto significa che questi tre colori sono determinati dagli alleli di un singolo gene. 13

Per Mendel, ogni individuo doveva avere per ogni carattere una coppia di fattori, uno di origine paterna, l’altro di origine materna. Quando si formavano i gameti tali fattori si separavano ed ogni gamete ne ereditava solo uno Tale formulazione viene oggi chiamata legge della segregazione oppure I° legge di Mendel Per indicare le forme alternative di un carattere, ed i rispettivi fattori, Mendel utilizzò le lettere dell’alfabeto, assegnando la maiuscola alla forma dominante e la minuscola alla forma recessiva Nelle linee pure (dette anche generazione parentale o generazione P), tutti gli individui avevano due fattori uguali: AA, quelli col carattere dominate; aa quelli col carattere recessivo. Nella F1 gli individui avevano invece due fattori diversi Aa, di cui solo il dominate si manifestava, mentre il recessivo rimaneva “nascosto”.

Utilizzando la terminologia moderna (introdotta nei primi anni del ‘900), oggi chiamiamo geni i fattori di Mendel, mentre le forme alternative con cui un gene può presentarsi vengono dette alleli. L’insieme delle caratteristiche (interne, esterne o comportamentali) di un individuo prende il nome di fenotipo dell’individuo, mentre l’insieme dei geni che determinano quelle caratteristiche prende il nome di genotipo dell’individuo stesso Individui che per un dato carattere hanno due alleli uguali sono detti omozigoti per quel carattere; individui che per un dato carattere hanno invece alleli differenti sono detti eterozigoti per quel carattere Le possibili combinazioni sono quindi tre: AA omozigote dominante (con fenotipo dominante) aa omozigote recessivo (con fenotipo recessivo) Aa eterozigote (con fenotipo dominate)

Caratteri umani che si comportano come i fattori mendeliani Capacità di arrotolare la lingua Attaccatura dei capelli a punta della vedova

Corrispondenza 1 gene (allele)carattere Estensione dell’analisi genetica mendeliana (correlazioni complesse fra genotipo e fenotipo) Corrispondenza 1 gene (allele)carattere Ampliamento del concetto: non solo 1 2 3 Non solo genoma ma ambiente 1 gene ma più geni 2 alleli, ma più alleli

1-Interazioni alleliche Allelismo multiplo Dominanza incompleta Codominanza Alleli letali

2-Interazioni geniche Interazioni geniche anche con comparsa di nuovi fenotipi (una caratteristica controllata da due geni che assortiscono indipendentemente) Epistasi (una caratteristica controllata da due geni che assortiscono indipendentemente, con uno ad effetto” preponderante” sul fenotipo)

Differenti relazioni di dominanza Figura 3.2 Differenti relazioni di dominanza. Il fenotipo dell’eterozigote definisce le relazioni di dominanza tra due alleli dello stesso gene (nella Figura, A1 e A2). La dominanza è completa quando l’ibrido assomiglia a uno dei due genitori appartenenti a una linea pura. La dominanza è incompleta quando l’ibrido non assomiglia ad alcun genitore; il suo nuovo fenotipo è di solito intermedio tra i due fenotipi parentali. La codominanza si verifica quando l’ibrido mostra i caratteri di entrambi i genitori. 20

Dominanza incompleta Se un allele non è completamente dominante su un altro  Fenotipo dell’eterozigote intermedio tra quello degli omozigoti: Distinto da quello degli omozigoti W W x ww (rosso x bianco) mendel osserva nella F1 fiori rosa Ww Nella F2 da F1xf1= ¼ rosso,1/2 rosa,1/4 bianco

Nei casi di codominanza, gli ibridi F1 mostrano i caratteri di entrambi i genitori. (a) Figura 3.4 Nei casi di codominanza, gli ibridi F1 mostrano i caratteri di entrambi i genitori. (a) Un incrocio tra linee pure di lenticchie con fenotipo chiazzato e linee pure con fenotipo punteggiato, produce eterozigoti che sono sia chiazzati sia punteggiati. Dato che ogni genotipo ha il proprio fenotipo corrispondente, il rapporto F2 è 1:2:1. 22

Nei casi di codominanza, gli ibridi F1 mostrano i caratteri di entrambi i genitori. (b) Figura 3.4 Nei casi di codominanza, gli ibridi F1 mostrano i caratteri di entrambi i genitori. (b) Gli alleli IA e IB del sangue sono codominanti perché i globuli rossi dell’eterozigote IAIB hanno entrambi i tipi di zuccheri sulla loro superficie. 23

Serie alleliche

Analisi di un incrocio monoibrido AA= giallo dominante x Generazione P (parentale) ( polline) + ( ovuli) AA aa aa = verde recessivo F1 (prima filiale) tutti gialli Aa Aa X Aa F2 (seconda filiale) autofecondazione 6022 gialli : 2001 verdi 3:1 ¼ AA ¼ aa ½ Aa 26

Analisi della F2 AA Aa aa F2 1/4 gialli puri 1 3/4 gialli 6022 gialli : 2001 verdi 3:1 F2 AA 1/4 gialli puri 1 3/4 gialli Aa 1/2 gialli impuri 2 aa 1/4 verdi 1/4 verdi puri 1 27

Le diverse forme di un determinante (gene) sono chiamate alleli Definizioni Le diverse forme di un determinante (gene) sono chiamate alleli Gli individui che hanno due alleli uguali (linee pure) sono detti omozigoti Gli individui che hanno due alleli diversi (ibridi) sono detti eterozigoti Le cellule sessuali sono chiamate gameti L’aspetto di un organismo è detto fenotipo La composizione genetica di un organismo è detta genotipo 28

22 coppie di autosomi e 2 cromosomi sessuali Nel nucleo di ogni nostra cellula (tranne quelle sessuali) vi sono 46 cromosomi: 22 coppie di autosomi e 2 cromosomi sessuali Ciascun cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli che derivano dal padre e dalla madre 29

Un cromosoma deriva dalla madre ed uno dal padre Quindi, ogni persona ha due copie di ciascun gene: una derivante dal padre, ed uno dalla madre 30

I caratteri di Mendel diventano geni I "caratteri" ereditari di cui parlava Mendel (colore dei capelli, colore degli occhi..) oggi si chiamano "geni", un termine che indica l’unità fondamentale di informazione ereditaria che passa da genitori a figlio (dalla radice del greco ghènesis, "origine, generazione"). Un singolo gene determina, o contribuisce a determinare, uno dei numerosissimi caratteri di un organismo: la forma piuttosto che il colore del seme nel pisello, il colore degli occhi piuttosto che dei capelli nell’uomo, e così via.

Cromosomi e geni Cromosoma: Struttura presente nella cellula a forma di bastoncello, composta da DNA e contenente i Geni. I Geni sono le unità, contenute in ciascun cromosoma, che controllano i diversi caratteri ereditari.

Il genoma umano Nella Specie Umana Il Corredo Cromosomico è pari a 46. Cariotipo: E' L'insieme dei cromosomi presenti in una cellula. Nella Specie Umana Il Corredo Cromosomico è pari a 46. Cromosomi Omologhi: cromosomi uguali a due a due. Nella specie umana sono presenti due copie per ciascun cromosoma, pertanto i 46 cromosomi corrispondono a 23 coppie. La coppia 23 determina il sesso dell'Individuo. La coppia XX determina la femmina, mentre la coppia XY determina il maschio. I Cromosomi non sessuali, sono detti Autosomi. Cromosomi sessuali

La divisione cellulare I cromosomi non sono visibili abitualmente al microscopio. Il DNA è distribuito un po’ dappertutto nel nucleo della cellula, come una masserella informe di cromatina. Nella prima fase della divisione cellulare il DNA si avvolge strettamente e diviene visibile come cromosomi distinti, che hanno l’aspetto di bastoncelli. Nel frattempo inizia a dissolversi la membrana che separa il nucleo dal resto della cellula.

Mitosi

Meiosi Da una cellula madre si ottengono quattro cellule figlie, ciascuna provvista di un corredo genetico dimezzato rispetto a quello della cellula madre. Con questo processo si formano i gameti.

Duplicazione del DNA La duplicazione del DNA procede in maniera bidirezionale a partire da un punto preciso dei cromosomi virali, batterici e cellulari, denominato ORIGINE DELLA DUPLICAZIONE. Per ciascuna molecola di DNA si osservano quindi due FORCELLE REPLICATIVE che avanzano in opposte direzioni. Negli eucarioti, che hanno quantità molto elevate di DNA rispetto ai virus e alle cellule batteriche, il DNA viene duplicato a partire da molte origini della duplicazione. Ciò garantisce una velocità complessiva di sintesi compatibile con i tempi osservati.

Duplicazione del DNA La duplicazione del DNA è un meccanismo che richiede energia. La reazione di polimerizzazione dei nucleotiditrifosfati ha luogo con una precisa polarità ed è catalizzata da enzimi chiamati DNA polimerasi. Nell’intero processo di duplicazione sono coinvolte almeno 10 attività enzimatiche differenti

DNA e RNA a confronto

Tipi di RNA Abbreviazione mRNA rRNA tRNA Denominazione RNA Messaggero RNA Ribosomiale RNA Transfer Funzione Codifica proteine Fa parte dei ribosomi - utilizzato per tradurre l’mRNA in proteine accoppia la regione che lega il codone dell’mRNA ed il suo amminoacido corrispondente

Trascrizione dal DNA al mRNA Avviene in tre step: inizio allungamento terminazione

Traduzione: dalla sequenza nucleotidica alla catena polipeptidica Traduzione: dalla sequenza nucleotidica alla catena polipeptidica. La sintesi di una proteina

Classificazione delle malattie genetiche Dominante Cromosomiche Autosomica Recessiva Monogeniche Malattie genetiche Dominante Associata all’ X Recessiva Multifattoriali

Malattie genetiche cromosomiche La sindrome di down La Sindrome di DOWN   o Trisomia 21 o Mongolismo L'Anomalia cromosomica responsabile della Trisomia 21, consiste nella presenza di Tre cromosomi 21 anziché solo due.

Mutazioni puntiformi su geni specifici Supponiamo che la mutazione genica sia nell’allele dominante… aa A a A a aa A a aa Malattia autosomica dominante

Supponiamo che la mutazione sia nell’allele recessivo… aa A A A a A a Malattia autosomica recessiva

Emofilia A. Un esempio di malattia ereditaria recessiva associata al cromosoma X Difetto di coagulazione del sangue dovuto alla presenza di una proteina (FVIII) non funzionante Frequenza nella popolazione: 1/5000-10000 maschi Anche piccoli traumi come i graffi possono provocare emorragie gravi

L’emofilia è una malattia legata al sesso, in quanto il gene responsabile è localizzato sul cromosoma X Fattore VIII

La presenza di un unico X rende il maschio più suscettibile a disordini di questo tipo. Se il gene in questione è mutato egli manifesta la malattia; la femmina è invece “protetta” dall’altro gene. Gene mutato Gene mutato Fattore VIII

H = mutazione nel gene dell’emofilia Un individuo diventa emofiliaco quando eredita l’X col gene mutato dalla madre portatrice (in quanto dal padre può ereditare solo il cromosoma Y che non ha il gene). H = mutazione nel gene dell’emofilia

Tua nonna è portatrice sana Emofilia : La malattia dei Re La regina Vittoria di Inghilterra era una portatrice dell’allele mutato del Fattore VIII Tua nonna è portatrice sana Poiché nei suoi antenati non c’era la malattia si pensa che la mutazione di un allele del gene del FVIII si sia originata nel suo DNA

Aspetta! Non sparare! Un graffio potrebbe essere fatale Emofilia A: La malattia dei Re L’allele mutato si è trasmesso nei figli e nelle figlie della regina come carattere associato all’X… Aspetta! Non sparare! Un graffio potrebbe essere fatale …e si è diffuso nelle altre famiglie reali europee attraverso i matrimoni politici dei figli della regina Vittoria con i figli dei re di Prussia, Russia e Spagna

Come si scoprono le portatrici sane della malattia? Negli anni 80 è stato individuato il gene del FVIII Nelle famiglie in cui siano presenti casi di emofilia è possibile sottoporre le donne all'analisi del DNA, che si effettua a partire da un normale prelievo di sangue. E' anche possibile effettuare la Diagnosi Prenatale nelle gravidanze a rischio.

E’ possibile curare l’ emofilia A? “Guarire l'emofilia. Solo qualche anno fa sembrava un obiettivo impossibile. Era già stato un bel passo avanti poter disporre di terapie che permettono ai malati di vivere una vita quasi normale. Eppure, oggi, l'obiettivo guarigione, se non ancora raggiunto, si può considerare molto più vicino. Grazie alla terapia genica.”

Ricerca gene daltonismo Albero genealogico Con figli maschi daltonici ricerca genitori portatori del gene del daltonismo

Situazioni possibili Maschi daltonici xY appaiono daltonici femmine xx daltoniche appaiono daltoniche Femmine Xx portatrici appaiono normali Il gene del daltonismo si trova solo nel cromosoma X (di origine materna o paterna) Il daltonismo è recessivo:compare solo in assenza del gene normale xx…xY daltonici Xx…… portatrice XX...XY sani

XY Xx xY XY XX Xx Padre e madre fenotipicamente normali; madre portatrice del daltonismo: 25% maschi daltonici; 25% maschi sani 25% femmine portatrici;25% femmine sane

Padre daltonico e madre portatrice xY Xx xY XY Xx xx Padre daltonico e madre portatrice possono avere figli maschi e femmine daltonici figli maschi sani e femmine portatrici

Padre daltonico e madre sana possono avere figli maschi sani e figlie xY XX XY XY Xx Xx Padre daltonico e madre sana possono avere figli maschi sani e figlie femmine portatrici

Padre sano e madre daltonica XY xx XY XY Xx Xx Padre sano e madre daltonica possono avere figli maschi tutti daltonici femmine tutte portatrici

Eredità multifattoriale La maggior parte delle caratteristiche di un individuo, come il colore degli occhi, l’altezza, il carattere etc... non segue la trasmissione caratteristica dei geni mendeliani, ma è determinata dall'intervento di più geni, che spesso interagiscono con l'ambiente.

La gran parte delle malattie umane più frequenti sono multifattoriali. Fra queste il diabete, le malattie cardio-circolatorie, l’arteriosclerosi, l’obesita’ e il cancro. Nelle malattie genetiche multifattoriali l'eredità è complessa e difficilmente prevedibile perché: la malattia è determinata da un insieme di fattori genetici e ambientali non si eredita la malattia ma la predisposizione ad ammalarsi anche se la predisposizione è spesso necessaria, molte persone predisposte non si ammalano mai.

La predisposizione genetica è un fattore di rischio Un fattore di rischio da solo non basta per determinare la malattia. Sono necessari altri fattori di rischio. I fattori di rischio possono essere sia di tipo genetico che ambientale. Se la somma dei diversi fattori di rischio supera la soglia, si ha la malattia.

L’arteriosclerosi è un esempio di malattia multifattoriale. Vi contribuiscono, tra gli altri fattori: il sesso dell’individuo (determinato a livello genetico), in quanto gli uomini presentano un rischio molto maggiore delle donne il fumo (fattore squisitamente ambientale)

Questo significa che anche se i nostri geni dettano quello che noi siamo, migliorando il nostro stile di vita possiamo meglio controllare quello che diventiamo.