Dalle leggi di Mendel ad oggi Genetica Dalle leggi di Mendel ad oggi

Le leggi di Mendel

Le radici storiche della genetica, la scienza dell’ereditarietà, risalgono agli antichi tentativi di selezionare linee pure. I tentativi di spiegare l’ereditarietà risalgono ai tempi dell’antica Grecia (teorie di Ippocrate e Aristotele). All’inizio del diciannovesimo secolo, l’ipotesi ereditaria di maggior successo divenne quella della mescolanza.

La genetica moderna ebbe inizio intorno al 1860 con gli esperimenti del monaco Gregor Mendel sulle piante di pisello odoroso. Petalo Carpello Stame

PRIMA LEGGE DI MENDEL 1 Si rimuovono gli stami dai fiori viola 2 Si trasferisce il polline degli stami del fiore bianco al carpello del fiore viola 3 Il carpello impollinato matura Prole (F1) Viola Carpello Bianco Stami 4 Si piantano i semi contenuti nel baccello Genitori (P) Mendel incrociò piante di pisello che differivano in alcuni caratteri morfologici e seguì le tracce delle caratteristiche da generazione a generazione.

PRIMA LEGGE DI MENDEL Colore del fiore Posizione del fiore Colore del seme Forma del seme Colore del baccello Forma del baccello Lunghezza del fusto Viola Bianco Assiale Terminale Liscio Rugoso Gonfio Schiacciato Alto Nano Verde Giallo Mendel ipotizzò che esistessero forme alternative di geni, le unità che determinano le caratteristiche ereditabili.

PRIMA LEGGE DI MENDEL Dai suoi dati sperimentali Mendel dedusse che un organismo ha due forme alternative di geni (alleli) per ogni carattere ereditario. Generazione P (linee pure) Generazione F1 Generazione F2 Fiori viola Fiori bianchi  Tutte le piante hanno fiori viola Fecondazione tra piante F1 (F1  F1) di piante con fiori viola 3 4 fiori bianchi 1

Questi alleli possono essere uguali o differenti. PRIMA LEGGE DI MENDEL Per ogni caratteristica, un organismo eredita due alleli, uno da ciascun genitore. Questi alleli possono essere uguali o differenti. Un organismo che possiede due alleli identici di un gene è detto omozigote per quel gene. Un organismo che possiede due alleli diversi dello stesso gene è chiamato eterozigote.

La prima legge è detta della dominanza PRIMA LEGGE DI MENDEL Se i due alleli di una coppia sono diversi, uno è interamente espresso e determina una caratteristica osservabile nell’organismo, mentre l’altro non ha effetti visibili. Il primo è chiamato allele dominante (indicato con la lettera maiuscola corsiva). Il secondo è chiamato allele recessivo (indicato con la lettere minuscola corsiva). La prima legge è detta della dominanza

SECONDA LEGGE DI MENDEL Secondo la legge della segregazione di Mendel i due alleli di una coppia si dividono l’uno dall’altro durante la produzione dei gameti. Piante P Gameti Assetto genetico (alleli) Piante F1 (ibridi) Piante F2 VV vv Tutti V Tutti v Tutti Vv 1 2 V v Vv Rapporto genotipico 1 VV : 2 Vv:1 vv Rapporto fenotipico 3 viola 1 bianco

SECONDA LEGGE DI MENDEL Le forme alternative di un gene sono situate negli stessi loci (nella stessa posizione relativa) sui cromosomi omologhi. GENOTIPO: VV aa Bb Eterozigote V a b B Loci genici Allele recessivo dominante Omozigote per l’allele

TERZA LEGGE DI MENDEL Guardando due caratteri alla volta, Mendel provò a determinare come vengono ereditate due caratteristiche. Mendel effettuò cioè un incrocio diibrido tra piante omozigoti con semi lisci e gialli (genotipo LLGG) e piante con semi rugosi e verdi (llgg).

contraddicono l’ipotesi TERZA LEGGE DI MENDEL La legge dell’assortimento indipendente di Mendel afferma che ogni coppia di alleli segrega indipendentemente durante la formazione dei gameti. Gameti LlGg lg LG Verdi rugosi IPOTESI: ASSORTIMENTO DIPENDENTE IPOTESI: ASSORTIMENTO INDIPENDENTE LLGG llgg Lg lG LlGG LLGg llGG llGg LLgg Llgg I risultati ottenuti contraddicono l’ipotesi Gialli lisci Generazione P Generazione F1 Generazione F2 1 2 4 9 16 3 

Un esempio di assortimento indipendente: TERZA LEGGE DI MENDEL Un esempio di assortimento indipendente: Mantello nero, vista normale N_A_ cieco (PRA) N_aa Mantello cioccolato, vista normale nn_A cieco (PRA) nnaa Cieco 9 mantello nero, vista normale 3 mantello nero, cieco (PRA) 3 mantello cioccolato, 1 mantello cioccolato, NnAa  NnAa Fenotipi Genotipi Incrocio tra eterozigoti (mantello nero, vista normale) Rapporto fenotipico della prole

Il testcross (reincrocio), ovvero un incrocio tra un individuo con genotipo sconosciuto e un individuo omozigote recessivo, può determinare il genotipo sconosciuto. Testcross: Genotipi Gameti Prole  N_ nn I due possibili genotipi del cane nero: NN N n Nn Tutti neri 1 nero : 1 marrone o Nn

L’ereditarietà segue le leggi della probabilità. La legge del prodotto calcola la probabilità che avvengano due eventi indipendenti. La legge della somma calcola la probabilità che un evento accada in due o più modi alternativi. GENOTIPI DELLA F1 Femmina Nn Formazione delle cellule uovo GENOTIPI DELLA F2 Maschio Nn Formazione degli spermatozoi N n 1 2 4

L’ereditarietà di molti caratteri umani segue le leggi di Mendel Caratteri dominanti Caratteri recessivi Lentiggini Assenza di lentiggini Attaccatura dei capelli a punta Attaccatura dei capelli diritta Lobo staccato Lobo attaccato

L’albero genealogico di una famiglia può essere usato per determinare i genotipi individuali. Joshua Lambert Abigail Linnell S ? John Eddy Hepzibah Daggett ss Jonathan Elizabeth Ss Ss ss Ss Ss Ss ss Femmina Maschio Sordo Sano

Molte malattie ereditarie umane sono controllate da un singolo gene

La maggior parte delle malattie genetiche umane è di tipo recessivo Genitori Figli Gameti maschili Sano Ss  S s femminili S s SS (portatore) ss Sordo Sordità genetica

Un certo numero di malattie umane è dovuto ad alleli dominanti. Nanismo

Metodi per prevenire e diagnosticare le malattie ereditarie

Molte malattie genetiche possono essere diagnosticate prima della nascita. La medicina mette a disposizione numerosi metodi diagnostici che possono essere impiegati prima del concepimento, durante la gravidanza e dopo la nascita.

L’IDENTIFICAZIONE DEI PORTATORI Molti bambini colpiti da una malattia recessiva nascono da genitori perfettamente sani. Per molte malattie genetiche, sono oggi disponibili test diagnostici per identificare i portatori di un allele recessivo.

LA DIAGNOSI PRENATALE L’amniocentesi e il prelievo dei villi coriali consistono nel prelievo di cellule fetali che sono utilizzate per compiere dei test che consentono di rilevare malattie genetiche. Amniocentesi Villocentesi dei villi coriali Sonda dell’ecografo Feto Utero Liquido aminiotico Cellule fetali Alcune settimane Test biochimici ore Cervice Siringa inserita attraverso la cervice per il prelievo di tessuto dai villi coriali Si aspira il liquido amniotico Centrifugazione Placenta Villi coriali Cariotipo

LA DIAGNOSTICA PER IMMAGINI L’ecografia è un’altra tecnica diagnostica che utilizza gli ultrasuoni per riprodurre un’immagine del feto.

LA DIAGNOSI PRECOCE Alcune malattie metaboliche possono essere diagnosticate alla nascita mediante semplici test, alcuni dei quali sono oggi svolti di routine negli ospedali dei paesi occidentali nei primissimi giorni di vita. La diagnosi precoce è importante per predisporre la terapia più adatta per la malattia.

Oltre le leggi di Mendel

Le leggi di Mendel sono valide per tutte le specie con riproduzione sessuata ma, spesso, il genotipo non determina il fenotipo nel modo semplice descritto dalle sue leggi.

Dominanza incompleta Per alcuni caratteri, si osserva che gli ibridi F1 possiedono fenotipi che sono una «via di mezzo» tra le due linee parentali: questo effetto è chiamato dominanza incompleta. GENERAZIONE P GENERAZIONE F1 GENERAZIONE F2 Rosso RR Gameti  Bianco rr Gameti maschili femminili Rosa Rr R r rR 1 2 GENOTIPI: II Omozigote per la capacità di sintetizzare i recettori per le LDL Ii Eterozigote ii per l’incapacità FENOTIPI: LDL Recettore per le LDL Cellula Individuo sano Ammalato in forma non grave Gravemente ammalato

Molti geni possiedono più di due alleli Allelia multipla Molti geni possiedono più di due alleli Molti geni possiedono alleli multipli. In genere, ogni individuo possiede solo due alleli per un gene. Nel caso di alleli multipli, all’interno della popolazione, esistono più di due alleli.

Allelia multipla I gruppi sanguigni umani ABO sono un esempio di alleli multipli. I quattro gruppi sanguigni sono il risultato di diverse combinazione di tre differenti alleli. Gli alleli IA e IB sono codominanti e sono espressi entrambi nel fenotipo. Fenotipi dei gruppi sanguigni Genotipi Anticorpi presenti nel sangue Reazione tra il sangue dei gruppi sottostanti e gli anticorpi provenienti dai gruppi sanguigni delle colonne a sinistra (O, A, B, AB) O A B AB O A B AB ii IAIA o IAi IBIB IBi IAIB Anti-A Anti-B —

Un singolo gene può avere effetto su più caratteri fenotipici Pleiotropia Un singolo gene può avere effetto su più caratteri fenotipici Individuo omozigote per l’anemia falciforme L’emoglobina anomala cristallizza e fa assumere ai globuli rossi la forma di falce Emoglobina delle cellule falciformi (anomala) Cellule falciformi Demolizione dei globuli rossi Le cellule falciformi si accumulano ostruendo i vasi sanguigni più piccoli Accumulo di cellule falciformi nella milza Debolezza Anemia Danni al cuore Dolori e febbre Danni al cervello ad altri organi alla milza Calo delle funzioni mentali Paralisi Polmonite e alte infezioni Reumatismi Insufficienza renale 5,555 L’impatto di un singolo gene su più di un carattere è detto pleiotropia.

Un singolo carattere può essere influenzato da molti geni Eredità poligenica Un singolo carattere può essere influenzato da molti geni GENERAZIONE P GENERAZIONE F1 GENERAZIONE F2 Gameti maschili Gameti femminili aabbcc (molto chiara) AABBCC scura) AaBbCc  1 8 64 6 15 20 Colore della pelle Frequenza nella popolazione L’ereditarietà poligenica crea un continuum di fenotipi.

Le basi cromosomiche dell’ereditarietà

Il comportamento dei cromosomi conferma le leggi di Mendel La teoria cromosomica dell’ereditarietà sostiene che i geni sono localizzati sui cromosomi e che il comportamento di questi ultimi durante la meiosi e la fecondazione conferma i modelli di ereditarietà noti. Quindi, effettivamente, sono i cromosomi che, durante la meiosi, vanno incontro alla segregazione e all’assortimento indipendente; ciò è in accordo con le leggi di Mendel.

Fecondazione tra piante F1 Le basi cromosomiche delle leggi di Mendel: Tutti i semi sono lisci e gialli (LlGg) Meiosi Metafase I (due possibili disposizioni) Anafase I Metafase II Gameti Generazione F1 Generazione F2 Fecondazione tra piante F1 L g G l : 3 : 1 ¼ LG ¼ lg ¼ lG 9

Spiegazione: i geni sono associati Numero dei discendenti ottenuti I geni localizzati sullo stesso cromosoma tendono a essere ereditati insieme Spiegazione: i geni sono associati Cellule parentali diploidi VvRr Gameti più frequenti Prole più frequente femminili 3 piante con fiori viola e polline allungato e 1 pianta con fiori rossi e polline rotondo. Meiosi Fecondazione Gameti maschili va VA I geni localizzati uno vicino all’altro sullo stesso cromosoma sono detti geni associati e tendono a essere ereditati insieme. Esperimento VvAa  VvAa Granulo pollinico allungato Numero previsto (9:3:3:1) Fiori viola polline allungato Fiori viola polline rotondo Fiori rossi polline allungato Fiori rossi polline rotondo 284 21 55 215 71 24 Fiore viola Numero dei discendenti ottenuti Fenotipi

Il crossing-over produce nuove combinazioni di alleli Il crossing-over ricombina i geni associati in un assortimento di alleli che non esisteva nei genitori. A B a b Tetrade Crossing-over Gameti

Agli inizi del Novecento, l’embriologo Thomas Hunt Morgan condusse alcuni dei primi studi sul crossing-over utilizzando per molti esperimenti il moscerino della frutta Drosophila melanogaster. Gli esperimenti di Morgan dimostrarono il ruolo del crossing-over nell’ereditarietà.

Fenotipi ricombinanti Esperimento di Morgan sui moscerini della frutta Esperimento Corpo grigio e ali lunghe GgLI Femmina  Corpo nero e ali corte ggll Maschio Prole Corpo grigio, ali lunghe 965 944 206 185 Corpo nero, ali corte Fenotipi parentali Fenotipi ricombinanti Frequenza di ricombinazione = = 0,17 ovvero 17% 391 ricombinanti 2300 prole totale Spiegazione GgLI (femmina) ggll (maschio) G L g l Gameti femminili Gameti maschili Prole

I genetisti usano il crossing-over per la mappatura dei geni Morgan e i suoi allievi usarono i dati relativi al crossing-over per la mappatura dei geni nella Drosophila.

Le frequenze del crossing-over (ricombinazione) possono essere usate per mappare le posizioni relative dei geni sui cromosomi. Cromosoma g c l 9% 9,5% 17% Frequenza di ricombinazione Fenotipi mutanti Ariste (appendici del corpo) corte Corpo nero (g) Occhi cinabro (c) Ali vestigiali (l) marroni Ariste lunghe grigio (G) rossi (C) normali (L) Fenotipi selvatici

I cromosomi sessuali ed i caratteri legati al sesso

In molte specie di organismi il sesso è determinato dai cromosomi Molti animali e gli esseri umani hanno una coppia di cromosomi sessuali (chiamati X e Y) che determinano il sesso dell’individuo. Nei mammiferi, gli individui con un cromosoma X e un cromosoma Y sono di sesso maschile. Quelli con due cromosomi XX sono di sesso femminile.

Il cromosoma Y ha un gene responsabile dello sviluppo dei testicoli. L’assenza del cromosoma Y permette lo sviluppo delle ovaie. (Maschio) (Femmina) Cellule diploidi dei genitori Spermatozoo Cellula uovo Prole (diploide) 44 + XY XX 22 X Y

Nelle piante e negli animali esistono altri sistemi di determinazione del sesso. 22 + XX X 76 + ZW ZZ 32 16

I geni legati al sesso vengono ereditati con modalità particolari Tutti i geni localizzati sui cromosomi sessuali sono detti legati al sesso. In molti organismi, i geni legati al sesso non correlati con la determinazione delle caratteristiche sessuali si trovano più spesso sul cromosoma X.

Nella drosofila il colore bianco degli occhi è un carattere legato al sesso.

La modalità con cui vengono ereditati i geni legati al sesso è un modello di trasmissione ereditaria. Femmina Maschio Gameti maschili Xr Y XR Xr Y  XR XR XR Xr XR Y Gameti femminili R = allele «occhi rossi» r = allele «occhi bianchi» Xr XR Xr Xr

La maggior parte delle malattie legate al sesso negli uomini è determinata da alleli recessivi e colpisce prevalentemente i maschi. Regina Vittoria Alberto Alice Louis Alexandra Zar Nicola II di Russia Alexis Alberi genealogici

Gli alleli recessivi legati al sesso che determinano alcune malattie sono localizzati sul cromosoma X. Se un uomo eredita un solo allele recessivo dalla madre, questo allele si manifesterà. In una donna il carattere recessivo si manifesta invece solo se sono presenti due copie dell’allele recessivo (ricevute da entrambi i genitori).