Cromosomi, Geni e Mutazioni Dalla trasmissione alla alterazione dei caratteri ereditari 1

Sutton e Boveri: 1902 Furono i genetisti che proposero la Teoria Cromosomica In precedenza va assolutamente ricordata la figura di Mendel che fu il primo in grado di dimostrare i principi dell’eredità.

Drosophila melanogaster Moscerino della frutta È stato l’organismo da più usato dai genetisti moderni per i loro studi La sua versatilità deriva dal fatto di essere rapidamente prolifico e dall’avere 4 cromosomi giganti Nei maschi uno dei due cromosomi sessuali è ricurvo ed è detto Cromosoma Y

Determinazione cromosomica del sesso La differenza tra moscerini maschi e femmine, così come nella razza umana, viene spiegata tramite differenze nell’ultima coppia cromosomica. Le femmine sono omozigoti nell’ultima coppia (XX) I maschi sono eterozigoti nell’ultima copia (XY) I cromosomi X e Y sono detti cromosomi sessuali Gli altri cromosomi sono detti autosomi

Quadrato di Punnett per la determinazione del sesso In accordo con le leggi di M. da un genitore omoz. ed uno eteroz. per un carattere (sesso) il 50% delle F1 sarà ♂ e il 50% ♀ Durante la meiosi i gameti femminili saranno sempre X mentre ½ di quelli maschili sarà X e ½ Y Sono quindi i gameti ♂ che a caso determinano il sesso del nascituro In molti animali la determinazione del sesso è come nella drosofila mentre in altri come per es. le farfalle avviene il contrario e cioè il ♂ è XX e la ♀ XY

Determinazione del sesso e teoria cromosomica La scoperta del meccanismo di determinazione del sesso in drosofila ha confermato la teoria cromosomica: Il fenotipo di un organismo (in questo caso il sesso) può essere determinato dall’aver ereditato un cromosoma piuttosto che un altro Nell’uomo la determinazione del sesso avviene come in Drosophila 23 paia di cromosomi: 22 paia di autosomi e 1 paio di cromosomi sessuali

I geni L’identificazione dei cromosomi sessuali è stata quindi la conferma della teoria cromosomica Ciò aprì però un altro problema: Ogni cromosoma contiene un carattere? Certamente no! La drosofila ha solo 4 cromosomi ma molti più caratteri Sutton propose quindi che in ogni cromosoma ci fossero molti geni regolanti più caratteri suggerì anche che i geni avessero loro loci specifici su ogni cromosoma

Per i caratteri legati al sesso è abbastanza facile. Ora ti spiego come ho fatto Dott. T.H. Morgan (1866-1945) Come si fa a sapere in quale cromosoma mappa un certo gene

Il lavoro di Morgan Morgan si dedicò allo studio genetico della Drosophila. Nel 1909 si accorse che in una popolazione di D. tutti gli individui erano normalmente ad occhi rossi tranne uno, un maschio, con occhi bianchi Tutta la F1 era ad occhi rossi quindi l’allele per il colore degli occhi doveva essere recessivo L’incrocio della F1 dava una F2 con le attese proporzioni…3/4 rossi e ¼ bianchi

Qualche cosa in più… Gli individui ad occhi bianchi (1/4) erano solo maschi Morgan ritenne quindi che il gene per il colore degli occhi si trovasse sullo stesso cromosoma che determinava il sesso Questo gene è infatti nel cromosoma X mentre il cromosoma Y non lo ha Il maschio ha un solo cr X e se questo porta l’allele recessivo, il fenotipo sarà comunque recessivo perché non c’è nessun allele dominante a mascherarlo La femmina ha 2 cr X e per avere gli occhi bianchi entrambi i cr devono essere recessivi

I quadrati di Punnett

Caratteri legati al sesso I geni i cui loci mappano sul cromosoma X sono detti legati al sesso I caratteri che ne deriva no sono detti legati al sesso Morgan identificò un’altra ventina di caratteri legati al sesso (forma delle ali, colore del corpo, forma delle setole)

Gruppi di associazione Quando geni diversi risiedono sullo stesso cromosoma si parla di gruppi di associazione I gruppi di associazione rappresentano spesso un’importante eccezione alla III legge di Mendel poiché non riescono a segregare in maniera indipendente La mappa dei geni sul cromosoma 2 di drosofila.

…ancora Morgan… Se un maschio di Drosophila con tre alleli recessivi che mappano sul cr X vengono incrociati con femmine omozigoti dominanti, la F1 dovrebbe essere tutta con fenotipo dominante mentre nella F2 ½ maschi dovrebbero essere dominanti e ½ recessivi Morgan condusse moltissimi esperimenti di tal tipo Occasionalmente trovò però delle eccezioni perché alcuni maschi avevano mescolato i caratteri dominanti e recessivi che mappavano sullo stesso cromosoma X

Il ruolo del Crossing-over Tale fenomeno è dovuto al fatto che a volte i gruppi di associazione possono separarsi Si parla di associazione incompleta Il fenomeno è dovuto al crossing-over Chiaramente la divisione dei gruppi di associazione è tanto più frequente quanto più lontani sono i loci sul cromosoma Geni che mappano su loci vicini difficilmente potranno dissociarsi

Bandeggio dei cromosomi Studiando le frequenze con cui avvengono i Crossing-over ed ora, soprattutto, grazie a più precisi studi di biologia molecolare, si possono mappare i cromosomi È possibile quindi stabilirle dove si trova il locus di uno specifico gene Tramite coloranti è poi possibile ottenere delle bande chiare e scure che identificano il gene sul cromosoma

Le mutazioni  Una mutazione è un cambiamento stabile ed ereditabile del DNA 

L’eredità dell’informazione genica Generalmente i geni passano da generazione in generazione immutati La prole è geneticamente diversa dai genitori perché gli alleli vengono mescolati tramite la riproduzione sessuata non perché i geni cambiano nella loro sequenza nucleotidica Il crossing-over concorre ad aumentare la mescolanza dei geni all’interno dei cromosomi ma non ne altera la sequenza nucleotidica e quindi il prodotto proteico

Variazioni dell’informazione genetica Raramente si hanno però delle variazioni nell’informazione genetica Si parla di mutazioni che dipendono da errori nella replicazione del materiale genetico o da errori nella distribuzione dei cromosomi in meiosi od in mitosi

Tipologie di mutazioni Possono essere distinti 3 diversi tipi di mutazioni: Geniche: riguardano la sequenza nucleotidica dei geni interessati Cromosomiche: riguardano il numero di cromosomi Genomiche: riguardano l’intero patrimonio cromosomico

Mutazioni geniche Sono mutazioni che avvengono all’interno della sequenza nucleotidica di un gene Questi tipi di mutazioni possono determinare o la sostituzione di un amminoacido con un altro all’interno della proteina (cosa che può essere più o meno grave a seconda dei casi) o addirittura lo sfasamento di tutto il codice di lettura delle triplette con conseguenze spesso gravissime

Le mutazioni geniche cambiano la sequenza delle basi nel DNA Una mutazione genica è un cambiamento permanente nella sequenza di basi del DNA. Le mutazioni germinali avvengono nelle cellule sessuali e possono essere trasmesse alla generazione successiva attraverso la riproduzione. Le mutazioni somatiche avvengono nelle cellule del corpo e non vengono trasmesse alla progenie.

Tipologie di mutazioni geniche Le Mutazioni puntiformi sono variazioni di sequenza del DNA che interessano un numero limitato di nucleotidi: Delezioni Inserzioni Sostituzioni Inversioni

Le mutazioni rendono difettosi i geni e quindi alterano l’espressione genica Le mutazioni puntiformi implicano un cambiamento in un singolo nucleotide di DNA e, di conseguenza, un cambiamento in uno specifico codone. Le mutazioni di sfasamento avvengono soprattutto per inserzione o delezione di uno o più nucleotidi nel DNA.

Mutazioni geniche Possono portare ad una proteina modificata tanto da comprometterne la funzionalità. Problemi (spesso gravi) di vario tipo; es.: se la proteina prevista è un enzima = problemi metabolici.

Malattie genetiche dovute ad un’alterazione proteica L’anemia falciforme è una malattia ereditaria recessiva in cui gli individui malati hanno un’emoglobina difettosa, incapace di trasportare efficacemente ossigeno ai tessuti . Gli omozigoti hanno le cellule falciformi. Gli eterozigoti appaiono normali ma sono resistenti alla malaria. 26

Distribuzione anemia falciforme 27

Mutazioni cromosomiche Le alterazioni della struttura cromosomica possono provocare patologie congenite e tumori La rottura di un cromosoma può portare a riarrangiamenti che causano disordini genetici. Quando i cambiamenti si verificano nelle cellule somatiche concorrono all’insorgenza del cancro.

Delezioni, duplicazioni, inversioni: Delezione Duplicazione Inversione Cromosomi omologhi

«Cromosoma Philadelphia» Gene cancerogeno attivato Traslocazioni: Traslocazione Cromosomi non omologhi «Cromosoma Philadelphia» Cromosoma 9 Cromosoma 22 Traslocazione Gene cancerogeno attivato

I trasposoni sono elementi genetici mobili I trasposoni, o «geni che saltano», furono scoperti da Barbara McClintock nel 1981. Un trasposone è una sequenza di DNA che può essere soggetta a trasposizione, cioè a spostamenti da un sito all’altro dello stesso cromosoma. I trasposoni sono in grado di bloccare la trascrizione e possono rappresentare una fonte di mutazioni cromosomiche, come traslocazioni, delezioni, inversioni e duplicazioni.

Mutageni In natura le mutazioni sono estremamente rare Esistono però agenti di varia tipo che possono aumentarne la frequenza: Agenti fisici: alte temperature, radiazioni ionizzanti, raggi UV. Agenti chimici: sostanze varie (la colchicina, il benzene, il mercurio, l'amianto, il fumo da sigaretta, la diossina ecc…) Agenti biologici: alcuni virus (modalità complesse, non sempre certe e non sempre chiare)

Mutazioni genomiche Si parla di mutazione genomiche o anomalie cariotipiche quando un organismo presenta dei cromosomi in più o in meno rispetto al normale. Si possono verificare durante la II divisione meiotica. 0 in assenza della II divisione meiotica. In tal caso il gamete sarà diploide e lo zigote che si ottiene dopo la fecondazione sarà triploide (3n) Occasionalmente si possono fecondare due gameti diploidi ottenendo uno zigote tetraploide (4n)

Mutazioni genomiche Dipendono da un’errata migrazione dei cromosomi durante la meiosi Lo zigote che si formerà avrà un numero di cromosomi alterato Uno dei motivi è la non disgiunzione: i cromosomi omologhi non si separano durante la meiosi I; la meiosi I avviene in modo regolare, ma cromatidi di una coppia non si dividono in una delle cellule durante la meiosi II.

La non-disgiunzione I cromosomi omologhi non si separano I cromosomi omologhi non si separano I cromatidi non si dividono Non-disgiunzione durante la meiosi I Meiosi II normale Gameti n + 1 n 1 Numero dei cromosomi Non-disgiunzione durante la meiosi II Meiosi I normale Gameti n + 1 n -1 n Numero dei cromosomi

Fecondazione di un gamete che ha subito una non-disgiunzione con un gamete normale: Spermatozoo Cellula uovo n (normale) n + 1 Zigote 2n + 1

Monosomia e Trisomia Solitamente le monosomie non sono compatibili con la vita perché il nuovo organismo sarà completamente privo dell’informazione contenuta in un intero cromosoma e potrà manifestare geni recessivi nell’unico cromosoma rimasto. Tra le trisomie la 21 è quella più nota.

Trisomia 21 (sindrome di Down) La sindrome di Down è dovuta alla presenza di un cromosoma 21 in più Nella maggior parte dei casi, un embrione con un numero errato di cromosomi viene abortito spontaneamente molto prima della nascita. Certe condizioni anomale del numero di cromosomi possono avere conseguenze meno gravi e consentire la nascita e la sopravvivenza di individui portatori di tali anomalie.

Trisomia 21 (sindrome di Down) 5000 Trisomia del cromosoma 21

Bambini affetti dalla sindrome di Down L’incidenza della sindrome di Down nella prole di genitori sani aumenta con l’età della madre. Età della madre (anni) 45 50 35 30 25 40 20 90 10 60 70 80 Bambini affetti dalla sindrome di Down (su 1000 nati)

Anomalie dei cromosomi sessuali nella specie umana:

Le poliploidie Organismi con numero alterato di tutti i cromosomi (3n; 4n) sono detti poliploidi Le poliploidie sono normalmente incompatibili con la vita animale e quindi letali Sono invece piuttosto frequenti tra i vegetali che addirittura sono a volte più resistenti e più grandi dei corrispettivi diploidi, producendo frutti anch’essi più grandi. Ciò viene sfruttato in agricoltura.

Il futuro della genetica….