Programma di Genetica (1) Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Programma di Genetica (1) Meccanismi citologici e molecolari della trasmissione dell’informazione genetica Ciclo cellulare e duplicazione del DNA - Aspetti genetici di mitosi e meiosi. - Cicli vitali degli organismi modello per l’analisi genetica. - Concetti di genotipo e fenotipo. Interazioni tra genotipo ed ambiente. - Mendelismo e la teoria cromosomica dell’ereditarietà. - Eccezioni ai principi dell’eredità mendeliana. - Estensioni dell’analisi mendeliana: linkage e analisi dell’aplotipo negli alberi genealogici. - Geni complementari, geni duplicati, geni letali. - Cromosomi sessuali ed eredità legata al sesso. - Associazione genica e mappe di ricombinazione. La funzione di mappa.

Programma di Genetica (2) Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I Programma di Genetica (2) Citogenetica Struttura del cromosoma eucariotico Ciclo cellulare e duplicazione del DNA Eucromatina ed eterocromatina Colorazioni differenziali per l'identificazione dei cromosomi: il cariotipo umano La non disgiunzione a. origine e conseguenze delle aneuploidie: citogenetica degli aborti spontanei b. origine e conseguenze delle mutazioni cromosomiche: delezioni, duplicazioni, inversioni, traslocazioni Le variazioni strutturali e numeriche nei tumori Le colture cellulari by GP&NA

Programma di Genetica (3) Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Programma di Genetica (3) 3. Meccanismi che generano variabilità nei procarioti e negli eucarioti Esercitazioni numeriche Laboratorio: allestimento di preparati per l'analisi del cariotipo. Il cariotipo umano.

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Gli eventi biologici fondamentali sono, in genere, considerati come “naturali ” E’ “naturale” che il figlio di un uomo sia un uomo, un cane derivi da un cane, una pianta da un’altra pianta. Ma uno scienziato non può considerare nulla come ovvio: ci sono leggi che regolano questi eventi e queste leggi possono essere individuate.

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Definire queste leggi è stato uno degli obiettivi della moderna biologia.

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA L’accumulo di conoscenze che ha portato a formulare le leggi fondamentali della genetica è dovuto all’aver prima definito un metodo scientifico di approccio al problema Noi siamo abituati all’idea che la scienza avanzi di successo in successo, cioè che il progresso della scienza sia un fenomeno lineare ed inevitabile come conseguenza del “metodo scientifico”; è invece la applicazione rigorosa di questo metodo che ne rende il cammino tortuoso.

Le regole che governano il metodo scientifico sono: Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Le regole che governano il metodo scientifico sono: Lo scienziato osserva un fenomeno naturale e decide di spiegarlo. In un primo tentativo utilizza le conoscenze disponibili per avanzare una ipotesi che lo spieghi. Dall’ipotesi trae alcune deduzioni. Saggia sperimentalmente le deduzioni. Maggiore è il numero di deduzioni formulate e che si dimostrano vere alla sperimentazione, più probabile è che l’ipotesi sia vera. Lo scienziato deve convincere che l’ipotesi avanzata per spiegare quel fenomeno era adeguata. Lo scienziato in questo lavoro di sperimentazione incontra altri fenomeni sconosciuti ed adopererà lo stesso procedimento per spiegare i nuovi fenomeni che diventeranno così intellegibili ed organizzati in un corpo sempre più grande e complesso di conoscenze scientifiche.

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Questo metodo di lavoro spiega chiaramente perchè il progresso delle conoscenze scientifiche non è lineare Quello che ieri era dato come consolidato, già acquisito può essere rimesso in discussione o essere considerato come una conclusione errata con il procedere delle conoscenze.

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Che cosa è la Genetica Compito: chiarire le regole ed i meccanismi dell’eredità biologica.

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Che cosa è la Genetica Nella prima parte del secolo scorso sono state definiti gli elementi fondamentali della ereditarietà, le sue basi cellulari, i meccanismi di distribuzione del materiale genetico durante la divisione cellulare: Genetica classica

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Che cosa è la Genetica Le basi biochimiche del materiale ereditario, la sua struttura molecolare e le modalità di azione all’interno della cellula e nell’organismo intero sono state definite dalla: Genetica molecolare

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Che cosa è la Genetica Oggi, uno degli obiettivi prioritari è la comprensione dei meccanismi mediante i quali le informazioni contenute nel materiale genetico portano, partendo da una singola cellula, originare un organismo altamente differenziato da un punto di vista morfologico, fisiologico.

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Il ciclo cellulare

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Le cellule si riproducono solo quando ricevono degli stimoli dall’ambiente circostante; la progressione attraverso le 4 fasi del ciclo cellulare G1, S, G2, M e’ molto finemente regolata dall’equilibrio tra una serie complessa di segnali stimolatori o inibitori.

MECCANISMI DI CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA MECCANISMI DI CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE Controllo in Mitosi Controllo in G1 RB p53 inibitori ciclina-chinasi - Controllo assemblaggio del fuso - Controllo Anafase M G1 Controllo in G2 Il DNA danneggiato non completamente replicato non deve andare incontro alla mitosi Controllo che le origini di replicazione vengano accese una sola volta S G2

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA mitosi metafase anafase iniziale prometafase tarda anafase tarda profase telofase profase iniziale interfase nucleolo membrana nucleare centrioli

Durata degli stadi della mitosi (min) Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Durata degli stadi della mitosi (min) organismo profase metafase anafase telofase topo (milza) 21 13 5 4 pollo (culture cellule mesenchimali) 30-60 2-10 3-7 cavalletta neuroblasti 102 9 57 embrioni riccio di mare 19 17 12 18 cipolla (apici radicali) 71 6,5 2,4 3,8 pisello (apici radicali) 78 14,4 4,2 13,2

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA meiosi interfase leptotene zigotene pachitene diplotene diacinesi metafase I anafase I telofase I telofase I metafase II metafase II anafase II anafase II gameti

Punti di controllo della meiosi Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Punti di controllo della meiosi inizio della replicazione: l’arresto avviene alla fine della replicazione, prima della sinapsi e ricombinazione 2. pachitene: impedisce alla cellula di iniziare la divisione, se sinapsi e ricombinazione non sono completate 3. alla metafase I: se i cromosomi non sono tutti ben disposti sul fuso meiotico o un cromosoma non è allineato o non è in tensione, un segnale blocca il passaggio da metafase ad anafase.

Quadro riassuntivo delle differenze tra mitosi e meiosi Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Quadro riassuntivo delle differenze tra mitosi e meiosi mitosi meiosi 2 cellule figlie 4 prodotti meiotici numero dei cromosomi per cellula mantenuto 2n numero dei cromosomi dimezzato n n n 2 n 2n 2n n n n Sintesi del DNA prima della divisione Sintesi del DNA prima delle 2 divisioni meiotiche 4 3 2 1 G1 S G2 M G1 4 3 2 1 S M1 M2

Quadro riassuntivo delle differenze tra mitosi e meiosi Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Quadro riassuntivo delle differenze tra mitosi e meiosi Mitosi Meiosi Gli omologhi si appaiano in profase I Gli omologhi non si appaiano Si verifica almeno un crossing over per coppia di omologhi Il crossing over e’ raro I centromeri si dividono solo in anafase II I centromeri si dividono in anafase Processo conservativo: le cellule figlie sono identiche alle parentali Il processo promuove la variabilita’tra i prodotti della divisione cellulare

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Genotipo e fenotipo Nel 1909 Johansen introdusse la distinzione fenotipo-genotipo. Il genotipo di un organismo è la costituzione genetica che ha ereditato. Il fenotipo di un organismo è quello che appare, la sua morfologia, fisiologia, comportamento. Le relazioni tra genotipo e fenotipo non sono fisse perché il fenotipo è il risultato di complesse interazioni sia tra i geni che tra questi e l’ambiente esterno. Ne consegue che un organismo durante la sua vita mantiene costante il genotipo, mentre il fenotipo può cambiare.

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA cm 90 70 50 30 10 Variazioni delle dimensioni di Achillea borealis raccolte in varie località geografiche 70 50 30 10 cm Mather Aspen Yosemite Tenaya Toulomne Big Horn Timberline Conway Leevinin Valley Creek Lake Meadows Lake Summit 4000 2600 1300 m Sierra Nevada Great Basin Plateau

Crescita di Achillea lanulosa in funzione del biotopo Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Crescita di Achillea lanulosa in funzione del biotopo 50cm Ambiente di Timberline 3050m 100cm Ambiente di Mather 1400m 50 100cm Ambiente di Stanford 30m 50 Tenaya lake 2500m Aspen valley 1950m Mather 1400m Le piante dei tre biotopi sono state riprodotte vegetativamente e fatte crescere in tre biotopi diversi. Le piante rappresentate una sopra l’altra derivano per talea dalla stessa pianta e quindi sono geneticamente identiche.

Grafico della crescita di Achillea lanulosa Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Grafico della crescita di Achillea lanulosa Altezza delle piante Altitudine Rappresentazione grafica della crescita delle 7 piante precedenti nei tre biotopi diversi

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Dimensionidell'occhio in funzione della temperatura, relative al tipo selvatico e ai mutanti Infrabar ed Ultrabar di D. melanogaster Numero di ommatidi Temperatura C0

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Interazione tra geni ed ambiente nello sviluppo di un organismo

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA I geni determinano le norme di reazione; la realizzazione di queste dipende dall’interazione con l’ambiente in cui i geni svolgono le loro funzioni

Sc.Biosanitarie Genetica I Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Fenocopie Imitazioni, condizionate dall’ambiente e non ereditarie, di fenotipi che possono essere determinati dal genotipo. agente età del mutante trattamento fenocopiato 35°C / 4 hr blastoderma bithorax 35°C 1-2 hr AEL bithoraxoid 40°C 1-3 hr AEL tetraptera 40°C / 35 min pupe peli ed ali Etere / 10 min 1-4 hr AEL BX-C 6-azatimidina pappa larve black aminobarbitolo pupe ommatidi irregolari organismo: Drosophila melanogaster

Agenti che correggono il fenotipo mutante Universita’ di Bari Sc.Biosanitarie Genetica I by GP&NA Agenti che correggono il fenotipo mutante Agente metodo effetto 6-azauridina pappa larve dumpy > + 6-azacitidina pappa larve black > + acetamide pappa larve Bar > + citosina, uracile pappa larve Bar > + metilurea pappa larve forked > + -alanina iniezione larve black > + Fluorouracile pappa larve Antp > + organismo: Drosophila melanogaster