Genetica Mendeliana

Prime Teorie di Eredità Spermi e uova contenevano un campione delle “essenze” da varie parti del genitore Al concepimento, queste “essenze” si mescolavano per formare il nuovo individuo. Questa idea fu chiamata = eredità per mescolamento Mendel stabilì che esistono unità discrete di eredità e potè predire il loro comportamento

Gregor Johann Mendel Nato in 1822 a Heinzendorf, Czech Rep. Ammesso al monastero Agostiniano di St. Thomas nel 1843 Nel 1856, comincia gli esperimenti di ibridazione con i piselli da giardino per i quali è famoso.

Esperimenti di Mendel Studiò come i caratteri venivano trasmessi dai genitori ai figli Utilizzò il Pisello da Giardino, Pisum sativum, come organismo sperimentale poichè Auto impollinante Facile da incrociare Rapido tempo di generazione Facile da crescere e maneggiare

I fiori di Pisello sono tipicamente autoimpollinanti Per questa ragione è relativamente facile controllare gli incroci in questa pianta

Giardino di Mendel

Esperimenti di Mendel Mendel stabilì che esistevano unità di eredità (fattori unitari) che noi ora chiamiamo geni Predisse il loro comportamento durante la formazione dei gameti Derivò dei postulati che ancora oggi rappresentano la pietra miliare della genetica formale

Metodologia di Mendel Ottenne ceppi puri da allevatori locali di piselli Studiò 7 caratteristiche visibili con 2 forme contrastanti Una per volta Altezza dello stelo (alto/nano) Forma del seme (liscio/rugoso) Colore del seme (giallo/verde) Forma del baccello (pieno/compresso) Colore del baccello (verde/giallo) Posizione del fiore (assiale/terminale) Colore del fiore (violetto/bianco)

Ceppi puri (true-breeding): danno progenie tutta uguale e uguale ai genitori. Esempio: una pianta a fiori viola è pura se i semi che produce danno tutti origine solo a piante a fiori viola.

Metodologia di Mendel Incrociò sperimentalmente piante con diversi caratteri e osservò i risultati Restrinse l’esame a una o poche coppie di caratteri contrastanti Tenne accurati registri dei risultati numerici degli esperimenti

Impollinazione incrociata Le antere sono rimosse dalla pianta prima che liberino il polline = demascolinizzazione Il polline ottenuto da un’altra pianta (maschio) è poi sparso sullo stigma della pianta femmina (demascolinizzata ) Antere(maschio) Stigma(femmina)

Mendel eseguì l’incrocio più semplice: Incrocio Monoibrido Mendel eseguì l’incrocio più semplice: Accoppiò due ceppi parentali puri che mostravano ciascuno una delle due forme alternative Parentali originali = Generazione P1 La loro progenie è detta Generazione F1 (prima filiale) La generazione F1 è poi lasciata autoimpollinarsi per produrre la Generazione F2

Incrocio Monoibrido In tutti i casi, un carattere parentale scompariva in F1, per riapparire solo nella generazione F2 In ciascuno dei 7 caratteri esaminati, Mendel osservò un rapporto di ~ 3:1 nella F2. ~ 3/4 della progenie presentava il carrattere osservato nella F1 e 1/4 il carattere che non era presente in F1 Gli incroci reciproci mostrarono simili pattern di eredità

Incroci reciproci Stessi risultati

Primi Tre Postulati di Mendel 1. Fattori Unitari in coppie I caratteri genetici sono controllati da fattori unitari (geni) che si trovano in coppie (alleli) nei singoli organismi 2. Dominanza/Recessività Quando sono presenti due fattori (alleli) diversi responsabili di una singola caratteristica, uno sarà espresso nel fenotipo (dominante) e l’altro mascherato (recessivo) 3. Segregazione Durante la formazione dei gameti, i fattori unitari presenti in coppie si separano a caso (segregano) così ciascun gamete riceve l’uno o l’altro con uguale probabilità ( pari a 1/2)

Terminologia Fenotipo - l’apparenza fisica di un carattere Gene- una sequenza di DNA che codifica per una particolare proteina responsabile del carattere. Unità di eredità (i fattori unitari di Mendel) Allele- forma alternativa di un singolo gene Esempio:L’allele viola è dominante su bianco, ma entrambi gli alleli codificano per il colore del fiore Il colore del fiore è il gene viola e bianco sono alleli dello stesso gene Genotipo- la costituzione allelica o genetica di un organismo Omozigote- un individuo contenente alleli identici per un gene Eterozigote- un individuo contenente alleli diversi per un gene

ANALISI MENDELIANA : 1 GENE Quadrato di Punnett Rapporti genotipici 3 A- : 1 a/a Rapporti fenotipici

Quadrato di Punnett

Risultati del quadrato di Punnett Risultati della F1 tutti eterozigoti (Aa) mostrano il fenotipo dominante Risultati della F2 1 omozigote dominante (AA) 2 eterozigoti (Aa) 1 omozigote recessivo (aa) Rapporti della progenie F2 3:1 rapporto fenotipico (dominanti:recessivi) 1:2:1 rapporto genotipico (AA:Aa:aa)

I Legge dominanza II Legge segregazione o disgiunzione Fra due caratteri che si incontrano, uno solo prevale II Legge segregazione o disgiunzione la segregazione corrisponde alla meiosi: divisione riduzionale

Genotipo v. fenotipo

F 2 F 1/3 gave all long 3 all short 2/3 gave 3 long : 1 short

Fra due caratteri che si incontrano, uno solo prevale RIASSUMENDO: I LEGGE o legge della dominanza Fra due caratteri che si incontrano, uno solo prevale II LEGGE o legge della disgiunzione Nella formazione dei gameti avviene la separazione degli alleli in modo che ogni gamete ne contenga uno solo (stupefacente! Mendel scopre la meiosi senza conoscere l’esistenza dei cromosomi!)

Test Cross E’ usato per determinare il genotipo di individui che mostrano il fenotipo dominante (omozigoti o eterozigoti?) L’individuo viene incrociato con un omozigote recessivo (fenotipo recessivo) se l’individuo è omozigote dominante, tutta la progenie mostrerà il fenotipo dominante se l’individuo è eterozigote, ½ della progenie esibirà il fenotipo dominante e l’altro ½ mostrerà il fenotipo recessivo

Testcross

Incrocio Diibrido Mendel considerò poi piante di piselli che differivano per due caratteri (incrocio a due fattori) Assortimento Independente ( III legge) Durante la formazione dei gameti, coppie segreganti di fattori unitari assortiscono indipendentemente l’una dall’altra Quindi, tutte le possibili combinazioni di gameti sono formate con uguale frequenza Concettualmente, un incrocio diibrido è come due incroci monoibridi condotti separatamente (eventi indipendenti)

Incrocio Diibrido Consideriamo due caratteri Colore del seme (giallo/verde) Giallo è dominante (YY), verde è recessivo (yy) Forma del seme (liscio/rugoso) Liscio è dominante (SS), rugoso è recessivo (ss)

1/4 1/4 1/4 1/4 1/4 1/4 1/4 1/4 Rapporti fenotipici

Incrocio Diibrido(cont.) Mendel vide che nella generazione F1 la dominanza di un carattere non influiva sulla dominanza dell’altro Lasciando riprodurre la F1 per autofecondazione, Mendel osservò nella F2 un rapporto fenotipico 9 : 3: 3: 1 Nascosto dentro l’apparentemente più complesso rapporto 9:3:3:1, c’è il rapporto monoibrido 3:1 Due rapporti 3:1 INDEPENDENTI! (3+1)(3+1)=9:3:3:1

ECCEZIONE ALLA PRIMA LEGGE A volte, incrociando caratteri, è possibile che la discendenza abbia caratteri fenotipicamente intermedi rispetto ai genitori ( es. esperimento di De Vries fiori rossi x fiori bianchi F1 = fiori rosa ) Nel caso di assenza di dominanza il genotipo corrisponde al fenotipo e gli ibridi si riconoscono

ECCEZIONE ALLA SECONDA LEGGE Gravi anomalie della meiosi che possono portare anche a morte embrionale Es. SINDROME DI DOWN o TRISOMIA 21 o MONGOLISMO Dovuta alla mancata disgiunzione della ventunesima coppia di cromosomi durante la meiosi. Si ottengono gameti con 2 cromosomi 21 e gameti che ne sono privi Alla fecondazione avremo individui trisomici (mongoli) e monosomici (che non sono vitali)

13 (sindrome di Patau) 18(sindrome di Edwards) Altre trisomie: 13 (sindrome di Patau) 18(sindrome di Edwards) Gravi ritardi mentali e morte entro un anno dalla nascita AURORA

III LEGGE di MENDEL o della indipendenza Mendel prende in esame l’incrocio non di un carattere preso singolarmente ma di due o più caratteri per volta AABB (piselli gialli a buccia liscia) aabb (piselli verdi a buccia ruvida) giallo e liscio sono dominanti F1 tutti gialli lisci F2 9/16 gialli lisci 3/16 lisci ruvidi 3/16 lisci verdi 1/16 ruvidi verdi INCROCIANDO FRA LORO DUE O PIU’ CARATTERI, ESSI SI EREDITANO INDIPENDENTEMENTE

ECCEZIONE ESISTE UNA POSSIBILITA’ DI SCAMBIO DI MATERIALE GENETICO FRA CROMOSOMI OMOLOGHI DURANTE LA PRIMA DIVISIONE MEIOTICA In questa fase i cromosomi omologhi appaiati sono nello stadio di tetrade e i cromatidi appartenenti ai 2 cromosomi diversi possono, attorcigliandosi tra loro, scambiarsi porzioni strettamente omologhe (questo fenomeno viene detto crossing over) Lo scambio di segmenti omologhi è mediato da particolari proteine che danno luogo a strutture dette NODULI DI RICOMBINAZIONE I 4 cromatidi non saranno più uguali a 2 a 2 come prima del crossing over ma saranno tutti diversi tra loro e questo è fondamentale per la variabilità genetica

DETERMINAZIONE DEL SESSO I più importanti studi a questo riguardo vennero compiuti da T.H. Morgan che lavorò sulla genetica di Drosophila melanogaster (moscerino dell’aceto) I cromosomi sessuali vennero scoperti incrociando due Drosophile: maschio con occhi bianchi e femmina con occhi rossi (bianco recessivo) F1 tutti rossi F2 25% occhi bianchi Ma tutti gli individui con occhi bianchi erano maschi

Successivamente si studiarono i cromosomi al microscopio e si vide che nella femmina avevamo 4 coppie di cromosomi uguali a 2 a 2. Nel maschio le coppie omologhe erano 3 mentre l’ultima era costituita da un cromosoma uguale al corrispondente della femmina ed uno notevolmente più piccolo I cromosomi della 4° coppia furono chiamati CROMOSOMI SESSUALI o ETEROCROMOSOMI o ALLOSOMI, tutti gli altri AUTOSOMI. Il cromosoma più grande della coppia sessuale venne detto X e il più piccolo Y

Il sesso femminile è OMOGAMETICO XX Il sesso maschile è ETEROGAMETICO XY per cui è il tipo di spermatozoo che determina il sesso Questa determinazione si dice GAMICA perché si decide al momento della fecondazione

Negli Uccelli e nei Rettili, tra i vertebrati e nei Lepidotteri tra gli invertebrati è la femmina che produce uova con cromosomi di due tipi (W e Z) mentre il maschio è ZZ. E’ la femmina che decide quindi il sesso del nascituro che risulta già predeterminato nell’uovo prima della fecondazione (PROGAMICA)

In poche specie animali, es In poche specie animali, es. negli Echiuridi, il sesso non dipende dall’assetto cromosomico ma dall’assunzione di certi ormoni da parte della larva in via di sviluppo (POSTGAMICA)

MUTAZIONI GENETICHE   Per mutazione s’intende un cambiamento improvviso del materiale ereditario; possono sorgere spontaneamente o a causa di determinati agenti mutageni di natura fisica o chimica. Le mutazioni a livello molecolare possono essere di tre tipi: GENICA Consistono nel cambiamento della sequenza di basi in un gene CROMOSOMICA Implicano un’alterazione nella sequenza dei geni di un intero cromosoma GENOMICA Riguardano variazioni del numero specifico di cromosomi di una cellula

I.                    LE MUTAZIONI GENICHE si verificano quando una base azotata viene sostituita con un’altra, oppure quando si ha la perdita o aggiunta di una base alla sequenza originaria. Non sempre tali situazioni comportano l’alterazione o la perdita della funzione della proteina codificata dal gene mutato. -         Mutazione silente: mutazione che non ha conseguenze a livello fenotipico, in quanto la struttura della proteina risultante non ha subito variazioni. -         Anemia falciforme: alterazione dell’emoglobina nella quale a un aminoacido determinante per la struttura della proteina, ne viene sostituito un altro. -         Triplette nonsenso: Sono le triplette che codificano l’inizio o la fine della sintesi proteica, ma se una mutazione comporta la comparsa di una tripletta nonsenso all’interno della sequenza dell’mRNA messaggero, questa mutazione si rivela letale. -         Talassemia: Mutazione in cui il frameshift (slittamento di basi azotate che provoca la perdita o l’inserimento di una di esse durante la sintesi proteica) viene letto male. -         Galattosemia: Mancanza dell’enzima del galattosio che, di conseguenza, si accumula. -         Fenilchetonuria: Alterazione di un enzima che trasforma un aminoacido A in un altro B, cosicchè l’aminoacido si accumula nel sangue.

II. LE MUTAZIONI CROMOSOMICHE consistono in modifiche delle dimensioni e dell’ordine dei geni su un cromosoma, che prevedono almeno due rotture e due riagganci all’interno della molecola del DNA. -         Delezioni: Provocano la perdita di un breve tratto di cromosoma. Sia nelle piante sia negli animali queste mutazioni sono vitali allo stato eterozigote. Se il tratto perso corrisponde a un allele dominante, l’eventuale allele recessivo presente sull’omologo normale ha la possibilità di manifestarsi. -         Duplicazioni: Consistono in un raddoppiamento di un pezzo di cromosoma, solitamente breve. In genere non risultano dannose, ma vantaggiose poiché la mutazione aumenta il materiale genetico. -         Inversioni: Avvengono per rottura di un tratto di cromosoma, che si riaggancia ruotato di 180°. Non modificano il numero dei geni, ma la loro sequenza sul cromosoma. Possono provocare il blocco del crossing-over. Le inversioni possono essere di tre tipi: terminali, pericentriche e paracentriche. Le inversioni terminali avvengono in cima o in fondo al cromosoma, quindi il crossing-over non si blocca, quelle pericentriche coinvolgono il centromero (la parte centrale del cromosoma) e quindi bloccano il crossing-over, infine quelle paracentriche pur non coinvolgendo il centromero, bloccano comunque il crossing-over. -         Traslocazioni: Sono responsabili dello scambio di pezzi tra cromosomi non omologhi. Possono non risultare particolarmente dannose oppure manifestarsi letali. Le traslocazioni generalmente sono responsabili anche di alcuni tipi di tumori della pelle causati dalle radiazioni ultraviolette.

III. LE MUTAZIONI GENOMICHE implicano la variazione della ploidia, cioè del numero di assetti cromosomici presenti in una cellula. Si parla di poliploidia quando si ottiene comunque una dose di cromosomi equilibrata, anche se multipla di quella normale, poiché si origina dall’unione di gameti non entrambi aploidi. Tra i vegetali questa mutazione è positiva, ma negli animali non è compatibile con la vita. Si parla invece di aneuploidia quando vi sono variazioni del numero di cromosomi limitate a uno o pochi cromosomi individuali, causate da fenomeni di non disgiunzione durante la meiosi. -         Nel caso della monosomia, per esempio, manca un cromosoma rispetto all’assetto normale; il che è abbastanza frequente a carico dei cromosomi sessuali, ed è causa di sterilità dell’individuo portatore di un solo cromosoma sessuale. Nell’uomo la sindrome di Turner (femmine X0) è provocata da una mutazione di questo tipo: la monosomia del cromosoma n°21. -         Nella trisomia, invece, compare un cromosoma in più rispetto all’assetto normale; nell’uomo ne sono esempi la sindrome di Down e di Kleinfelter. Le mutazioni genomiche avvengono durante la meiosi: -         aneuploidia: avviene nella I meiosi poliploidia: avviene alla fine della I meiosi (non avviene la II meiosi)