GENETICA La teoria cromosomica dell’eredità: Sex-linkage e non disgiunzione Morgan e il “Fly Lab”

Coesione dei sister cromatidi Coesione dei sister cromatidi : tali cromatidi sono legati da ponti proteici durante la metafase Legame mantenuto fino all’anafase Assicura un'adeguata separazione dei sister cromatidi durante la mitosi

Fattori chiave in Meiosi I Durante la profase, i cromosomi omologhi vanno in sinapsi formando un complesso che forma i bivalenti Lo scambio tra sister cromatidi di cromosomi omologhi vengono osservati come chiasma, sito del crossing-over Durante l’anafase, il centromero non si divide, così i cromosomi omologhi segregano ed il comple-mento cromosomico delle cellule si riduce (2n > n). Dunque, la Meiosi I si riferisce alla fase di divisione reduzionale

Fattori chiave in Meiosi II La Meiosi II è fondamentalmente una divisione mitotica, eccetto che per la presenza di solo la metà del numero dei cromosomi I centromeri si separano nell’anafase di Meiosi II, ed i sister cromatidi derivanti dalla fase S prima di Meiosi I segregano I prodotti di Meiosi II sono 4 cellule con comple-mento cromosomico pari a n. Tali cellule sono quindi aploidi

Ma cosa c’entra questo con Mendel? Mendel predisse che i suoi fattori devono essere in coppia per spiegare i suoi dati sul monoibrido. I primi citologi mostrarono che i cromosomi sono in coppia Mendel predisse che alla formazione dei gameti, i geni a coppia devono segregare ed ogni membro della coppia era rappresentato ugualmente nei gameti. In metafase I, i cromosomi omologhi segregano ai poli opposti del fuso Mendel predisse che i gameti devono portare un fattore. I prodotti della meiosi sono infatti aploidi

Cromosomi e Segregazione

Review of Lecture Il principio di uniformità di Mendel : in un incrocio tra due linee omozigoti estreme per un carattere (es. giallo vs. verde), la progenie ibrida F1 mostrerà solo uno dei due fenotipi parentali Il concetto della dominanza tiene conto del principio dell’unifor-mità asserendo che per ciascun gene, uno dei due elementi maschera il fenotipo dell’altro nell’ibrido Il fenomeno della dominanza rivela che la manifestazione ester-na, o fenotipo, di un individuo non riflette necessariamente la sua costituzione genetica, o genotipo Il principio della segregazione di Mendel : i due elementi in una coppia genica segregano tra loro nei gameti cosicchè la metà dei gameti porta un membro della coppia e l’altra metà l’altro Il principio della fertilizzazione random di Mendel : l’unione dei gameti durante la fertilizzazione è random, e si verifica senza riguardo verso il membro della coppia genica che è portato nel gamete

Cromosomi e Assortimento Indipendente

Review of Lecture Il principio di uniformità di Mendel : in un incrocio tra due linee omozigoti estreme per un carattere (es. giallo vs. verde), la progenie ibrida F1 mostrerà solo uno dei due fenotipi parentali Il concetto della dominanza tiene conto del principio dell’unifor-mità asserendo che per ciascun gene, uno dei due elementi maschera il fenotipo dell’altro nell’ibrido Il fenomeno della dominanza rivela che la manifestazione ester-na, o fenotipo, di un individuo non riflette necessariamente la sua costituzione genetica, o genotipo Il principio della segregazione di Mendel : i due elementi in una coppia genica segregano tra loro nei gameti cosicchè la metà dei gameti porta un membro della coppia e l’altra metà l’altro Il principio della fertilizzazione random di Mendel : l’unione dei gameti durante la fertilizzazione è random, e si verifica senza riguardo verso il membro della coppia genica che è portato nel gamete

E cosa succede all’assortimento indipendente?

Evidenze della Teoria Cromosomica dell’Eredità Descrizione del Sex-linkage di T. H. Morgan – Tratti che segregano con il sesso, seguono la segregazione del cromosoma X (Eredità limitata dal sesso in Drosophila)

Eredità Limitata dal Sesso in Drosophila (T. H. Morgan 1910) L’incorrere di un gruppo di mutanti (maschi) per l’occhio bianco aiuta Morgan a identificare la natura della mutazione Egli fece incroci standard con femmine dagli occhi rossi La progenie F1 dimostrarono che il colore rosso dominava sul bianco, non appariva un sex linkage in questa generazione

Mutanti a occhi Bianchi e sex-linkage Dopo un anno di tentativi, Morgan trovò un mutante spontaneo (maschio) con occhi bianchi Il genotipo wild-type è occhi rossi, designato da w+

Mutanti a occhi Bianchi e sex-linkage Morgan incrociò maschi a occhi bianchi con femmine wild-type F1 tutti a occhi rossi F2 3 rossi : 1 bianco Ma tutti i moscerini a occhi bianchi erano maschi P X X+X+ XWY XWX+ X X+Y F1 F2 X+Xw X+X+ X+Y XwY

Quadrato di Punnett F1 F1 All RRXX all RWX XWX+ X X+Y ¼ RRXX ¼ RWX Red female ¼ RWX Red male 1/2RX ¼ RWXX Red female ¼ wwx white male 1/2WX

Eredità Limitata dal Sesso in Drosophila Tuttavia, il mutante a occhi bianchi ricompariva in F2 in un rapporto peculiare, Occhi rossi wildtype e la mutazione occhio bianco segregava 3:1, ma solo nei maschi “…sembrava che tutti gli occhi bianchi erano confinati al sesso maschile”

Eredità Limitata dal Sesso in Drosophila Questo carattere sex limited o linked condusse Morgan ad iniziare i test cross con i genitori originali Un test cross di una F2 a occhi rossi con un padre a occhi bianchi portò : a. RXRX x WXW = tutte progenie occhi rossi b. WXRX x WXW = produce femmine a occhi bianchi ! ♀Red eye : ♀White eye : ♂Red eye : ♂White eye 1 : 1 : 1 : 1

Eredità Limitata dal Sesso in Drosophila Morgan concluse che il gene che condiziona il colore rosso dell’occhio è portato dal cromosoma X e non esiste un omologo sul cromosoma emizogote Y che citologicamente sembra appaiarsi con la X Tutte le femmine F1 erano RXWX, e quando incrociate con il maschio a occhi bianchi, le progenie segregavano in 4 classi

Eredità Limitata dal Sesso in Drosophila Come ulteriore prova che questo era il caso, Morgan ipotizzò che gli F1 a occhi rossi maschi erano di genotipo RXW, e quando incrociati con femmine a occhi bianchi (WXWX) dovrebbero produrre tutte femmine a occhi rossi e maschi a occhi bianchi WXWX x RXW ottiene wild type  WXRX : WWX  ottiene X mutato solo X dal padre ♀ 1 : 1 ♂ dalla mamma

Eredità Limitata dal Sesso in Drosophila Morgan sviluppò una forte correlazione genetica che i geni erano associati con i cromosomi Morgan concluse : “E’ adesso diventato evidente perchè noi trovammo necessario assumere una coppia di X cromosomi rossi in uno degli spermatozoi degli ibridi F1 a occhi rossi (RXO). Il fatto è che rosso e cromosoma X sono combinati e niente esisteva dall’altra parte”

Mutanti a occhi Bianchi e sex-linkage Inferenza di Morgan : Il locus bianco deve essere sulla X, nessun gene sulla Y Le femmine hanno due copie del gene, i maschi solo una Le femmine sono a occhi bianchi solo se hanno due alleli recessivi P X F1 F2

Sex-linkage Linkage e assortimento non-indipendente La dimostrazione di Morgan del sex linkage è stata particolarmente convincente perchè l’inferenza genetica (nessun gene sulla Y) era consistente con un evidenza fisica (il cromosoma X più grande dell’ Y) Immediatamente ovvio che ci devono essere molti geni nella mosca che cromosomi, infatti ci devono essere molti geni per cromosoma Molti geni non assortiscono indipendentemente

Evidenza sulla Teoria Cromosomica Nonostante il successo di Morgan e dei suoi studenti, alcuni scienziati ancora dubitavano che la teoria cromosomica dell’eredità così fosse, l’idea che i geni sono reali, oggetti fisici che sono portati sui cromosomi. Gli scettici notavano che nonostante gli alleli per il colore rosso e bianco degli occhi si comportavano in maniera totalmente analoga ai cromosomi X, prova conclusiva del linkage degli alleli sul cromosoma X non è stata ancora offerta.

Evidenza sulla Teoria Cromosomica Qualche altra dimostrazione era richiesta per stabilire una relazione tra l’anormale, cosicchè il normale, assortimento degli alleli e dei cromosomi. Un’altro studente di Morgan, Calvin Bridges, fornì giusto una prova della teoria cromosomica dell’eredità.

Evidenza sulla Teoria Cromosomica C. Bridges prese in considerazione l’ipotesi della non-disgiunzione (mancata segregazione dei cromosomi durante la meiosi) Una segregazione difettosa è associata ad un cambiamento del complemento cromosomico

Prova diretta attraverso la non disgiunzione che geni sex-linked in Drosophila sono portati sul cromosoma X Bridges scoprì femmine eccezionali (EF) che avevano il cromosoma X in sovrannumero Le EF primarie non mostravano influenza paterna Si osservava una bassa frequenza ~5% (~1/2000) Le EF secondarie producevano ~5% di maschi che erano paterni per il gene sex linked Egli ipotizzò che i geni sex linked erano allocati sul cromosoma X, e ~ il 10% delle uova delle EF portavano entrambi i cromosomi X

non-disgiunzione

Non disgiunzione primaria P ♀ Xw Xw x ♂ Xw+Y F1 95%: 1♀ Rosso : 1♂ Bianco 5%: ♀ Bianco ♂ Rosso(sterile) X Y XX XXX letale XXY femmine occhi bianchi sono XXY • ricevono entrambi Xw dalla madre maschi occhi rossi sono Xw+(padre) + 0 (madre) OX 0Y letale

Non disgiunzione primaria X+Y x XwXw atteso atteso XwY XwX+ non atteso non atteso X+O XwXwY

La non disgiunzione è una mancata segregazione

Non disgiunzione secondaria Bridges ipotizzò che le EF F1 ricevono entrambi i cromosomi X dalla madre, e i maschi a occhi rossi ricevono un singolo X dalla madre Per dimostrarlo egli usò femmine a occhi bianchi della F1 e le incrociò con maschi a occhi rossi (wt)

Non disgiunzione secondaria

Non disgiunzione secondaria Bridges predisse i seguenti gameti dalle femmine a occhi bianchi XXY XX Y XY X Una serie di fenotipi diversi da incrocio con spermatozoi normali

Non disgiunzione secondaria : segregazione di un trivalente XXY

Non disgiunzione secondaria : segregazione di un trivalente XXY P (1◦ EF) ♀ Xw XwY x ♂ Xw+Y ♀ ♂ gameti: Xw (46%) Xw+ (50%) XwY (46%) Y (50%) Xw Xw (4%) Y (4%)

Non disgiunzione secondaria Gameti femminili X XY XX Y X+ Gameti maschili Y Fenotipi attesi Fenotipi eccezionali

Progeny from: P (1◦ EF) ♀ Xw XwY x ♂ Xw+Y Paring of X chromosome from male gamete: Xw Xw+ (23%) Xw YXw+ (23%) Xw Xw Xw (2%) Y Xw+ (2%) Pairing of Y chromosome from male gamete: XwY (23%) XwYY (23%) Xw XwY (2%) YY (2%) The mating of the primary exceptions (white eyed female) with wild type results in 4% viable secondary exceptions

Evidenze della Teoria Cromosomica Bridges verificò la sua ipotesi esaminando i cromosomi sessuali delle eccezioni primarie Femmine a occhi bianchi (Xw XwY) avevano un cromosoma X in più Maschi sterili a occhi rossi perdevano il cromosoma Y

Evidenze della Teoria Cromosomica Bridges predisse gli accoppiamenti gametici che dovevano succedere tra 1◦ EF e il maschio wild type (occhio rosso) Verificò i genotipi citologicamente Concluse che a basso tasso, il cromosoma X subisce in meiosi una non disgiunzione, e come conseguenza si verifica una divisione non riduzionale per il cromosoma X

Cromosomi sessuali Il sesso in Drosophila è determinato da una coppia di cromosomi eteromorfici – le femmine hanno cariotipo X/X;2/2;3/3;4/4, 2n=8 – i maschi hanno cariotipo X/Y;2/2;3/3;4/4, 2n=8 Le femmine possono produrre solo gameti X, e dunque è un sesso omogametico I maschi possono produrre entrambi i gameti X e Y, e pertanto è un sesso eterogametico

Linkage legato al sesso Morgan nominò il tipo di segregazione del suo mutante bianco sex linkage, perché il fenotipo mutante era linked alla segregazione del cromosoma sessuale Tratti sex linked mostrano differenti rapporti fenotipici tra progenie maschi e femmine, e differenti rapporti in incroci reciproci Nel sistema XY, il maschio produce 2 tipi di gameti, X e Y, la femmina 1 tipo, X. Dunque, un tratto portato dal padre sarà ereditata da tutte le sue figlie, ma in nessuno dei figli Un tratto omozigote portato da una madre sarà ereditato da tutti i suoi figli e figlie, ma i figli saranno emizigoti e mostrare il fenotipo (a prescindere dal genotipo del padre), mentre le figlie saranno eterozigoti e di fenotipo wild type Un tratto eterozigote portato da una femmina sarà ereditato dalla metà dei suoi figli e metà delle sue figlie. I figli mostreranno il fenotipo, le figlie no

Caratteristiche del linkage legato al sesso L’apparire dei tratti recessivi in un sesso specifico (particolarmente nel sesso eterogametico) – Femmmine eterozigoti per un tratto recessivo passeranno il carattere nella metà dei figli, ma non alle loro figlie “criss-cross” pattern ereditario – Tratti presenti nella femmina sono ereditati a tutti i suoi figli ma non alle loro figlie

Omozigoti, eterozigoti ed emizigoti – entrambi i cromosomi di una coppia di omologhi portano lo stesso tratto/allele Eterozigoti – I due cromosomi di una coppia di omologhi portano tratti/alleli differenti Emizigoti – Un tratto portato da un cromosoma senza un partner omologo (es. una coppia eteromorfica)

Tratti rari X-linked mostrano proprietà di base comuni Questi tratti compaiono più nei maschi che nelle femmine • infatti maschi emizigoti necesittano di una sola copia del tratto/allele • le femmine devono essere omozigoti recessivi per esprimere il tratto mutato La mutazione ed il carattere non passa mai da padre a figlio • i padri passano ai figli solo Y • l’eredità padre/figlio di un tratto raro dovrebbe escludere X-linked recessivo

Geni autosomici possono anche determinare differenze tra i sessi Tratti sex-limited – influenza una struttura o un processo che si trova in un sesso ma non nell’altro (es. sviluppo dell’ovario o la produzione degli spermatozoi) Tratti sex-influenced – si evidenziano in entrambi i sessi ma la loro espressione può differire tra i 2 sessi per differenze ormonali (es. patterned calvizie)

Tratti sex-influenced

Non tutti gli organismi determinano il sesso nello stesso modo In Drosophila, maschi XY, femmine XX In alcuni insetti, il sesso è determinato da un set di cromosomi (aplodiploidia) o da multipli cromosomi sessuali (es. XY1Y2) In uccelli, e alcuni anfibi e pesci , maschi ZZ, femmine ZW Alcuni animali perdono i cromosomi sessuali e determinano il sesso attraverso la segregazione dei geni (i cromosomi sessuali non sono eteromorfici) Alcuni animali determinano il sesso con fattori ambientali Nell’uomo, maschio XY, femmine XX

geni associati gruppi linkage Se geni portati da differenti cromosomi assortiscono indipendentemente per la segregazione indipendente degli omologhi durante la meiosi, come assortiscono geni portati sullo stesso cromosoma ? geni associati gruppi linkage