...passando per la drosophila... A MORGAN DA MENDEL ...passando per la drosophila...

LA GENETICA NELL' ANTICHITA IPPOCRATE– teoria della pangesi, secondo la quale alcune particelle,chiamate pangeni,passano da tutte le parti del corpo alle cellule uovo o allo sperma,e in tal modovengono trasmesse alla generazione successiva. ARISTOTELE-- contestò le teorie di Ippocrate e avanzò nuove tesi secondo le quali il maschio e la femmina hanno un diverso apporto all’ereditarietà:la femmina provvede alla materia prima, il maschio dà alla materia una sua conformazione. TEORIE ERRATE NELL’ANTICHITA 1)L’agente dell’ ereditarietà non è una sostanza fisica. 4)L’ambiente ha una influenza sul materiale genetico. 2)Un solo genitore trasmette elementi organici. 5)Direttamente ereditati sono i caratteri. 3)Il contributo apportato dai due genitori è differente. 6)L’eredità avviene per “mescolanza”.

LA GENETICA NELL'800 Nella prima metà dell’800: PURKINJE SCHWANN -La cellula da semplice elemento strutturale comincia ad esser studiata per il suo contenuto che viene prima definito sarcode (Djardin 1835), poi protoplasma (Purkinje 1839). -Il nucleo viene considerato un componente stabile della cellula. -Schleiden e Schwann, 1838 e 1839, elaborano la “teoria della libera formazione cellulare”.Tale teoria prevedeva la cristallizzazione di materiale granulare e la conseguente formazione di un nucleo. L’accrescimento di tale nucleo avrebbe portato alla generazione di una nuova cellula. L’ osservazione di tessuti animali e vegetali indussero i due scienziati alla “teoria cellulare”, con la quale unificarono il mondo dei viventi. -Nel 1852 la teoria citogenetica viene confutata da virchow,professore di anatomia patologica che stabilì un principio generale “omnis cellula e cellula” .ogni volta che una cellula si origina deve esserci una cellula precedente. -Le nuove interpretazioni di cellula portarono a riesaminare il concetto di fecondazione e nel 1841 Kölliker dimostra che anche gli spermatozoi sono cellule. PURKINJE SCHWANN

MENDEL La genetica ebbe inizio intorno al 1860,quando il monaco agostiniano Gregor Mendel ne scopri i principi fondamentali incrociando piante di pisello odoroso. Le sue diverse scoperte scientifiche (segregazione,rapporti costanti,distribuzione indipendente dei caratteri), unite alle concezioni acquisite tra il 1865 e il 1900 condussero alla teoria denominata mendeliana, ignorata per 34 anni a causa delle scarse pubblicazioni. Mendel ipotizzava che ogni carattere è determinato da due fattori (alleli),oggi chiamati geni,ciascuno proveniente da un genitore.Mendel utilizzava ceppi puri,cioè piante che autofecondandosi mantengono lo stesso carattere per molte generazioni e,inoltre,le piante studiate differivano tra loro per un solo carattere.Successivamente procedeva alll’incrocio e giunse alla conclusione che un fattore è dominante e chiamò recessivo quello che non compariva alla F1.Questo si ripresentava quando gli individui della F1 si autoimpollinavano ottenendo un rapporto fenotipico 3:1.Mendel intuì che i due fattori che determinano il colore del seme si separano,ossia segregano quando si formano le cellule sessuali cioè il polline e l’ovulo: Legge della segregazione. Mendel studiò anche la trasmissione di due caratteri contemporaneamente.Anche in questo caso nella F1 compariva il carattere dominante e sempre,per autoimpollinazione ottenne alla F2 un rapporto fenotipico 9:3:3:1. Da tutto ciò Mendel dedusse che ogni carattere segrega indipendentemente quando si formano i gameti.Ogni carattere viene perciò ereditato indipendentemente dall’altro: Legge dell’indipendenza.

PIANO SPERIMENTALE DI MENDEL Gli esperimenti di Mendel richiesero 8 stagioni di coltivazione. Prese in esame sette varietà di piante di pisello che differivano per caratteri morfologici alternativi.

INCROCIO MONOIBRIDO Per ottenere una impollinazione incrociata, Mendel asportò gli stami di un fiore immaturo e cosparse il carpello di questo con il polline raccolto da un altro fiore.Dai semi così ottenuti ebbe origine una nuova generazione di piante.Il primo incrocio di Mendel fu di tipo monoibrido,poiché la generazione parentale differisce per una sola caratteristica.Mendel scoprì che tutte le piante F1 ottenute dalla fusione di queste due linee pure avevano fiori viola e non violetto chiaro,come avrebbe voluto l’ipotesi della mescolanza. Il fattore genetico del fiore bianco era forse andato perduto? Incrociando due piante F1 Mendel scoprì che questo fattore genetico non era andato perduto:nella generazione F2 erano presenti 3 piante a fiori viola per ogni pianta a fiore bianco. Mendel arrivò alla conclusione che la generazione F1 doveva sicuramente possedere due fattori responsabile della caratteristica del colore dei fiori: un fattore per il viola e uno per il bianco.

CONCLUSIONI DI MENDEL Sulla base dei risultati degli incroci monoibridi Mendel avanzò 4 fondamentali ipotesi: -Esistono versioni alternative dei geni che determinano i caratteri ereditari. Per esempio,il gene responsabile del colore del fiore è presente in due versioni: una per il viola e un’altra per il bianco. Oggi queste forme alternative di geni si chiamano alleli. -Per ogni caratteristica, un organismo eredita due alleli,uno per ciascun genitore.Tali alleli possono essere uguali o differenti. Un organismo che possiede due alleli identici di un gene è detto omozigote per quel gene; in caso contrario detto eterozigote. -Quando sono presenti due alleli diversi,uno è interamente espresso e determina una caratteristica osservabile nell’ organismo,mentre l’altro non ha effetti visibili. Questi alleli vengono definiti rispettivamente allele dominante e allele recessivo. Tale affermazione costituisce la legge della dominanza. - Poiché le coppie di alleli si dividono durante la produzione di gameti, le cellule spermatiche e le cellule uovo possiedono un solo allele per ogni carattere ereditario. Questa affermazione è conosciuta come legge della segregazione. Al momento della fecondazione, la cellula uovo e la cellula spermatica mettono in comune i propri alleli ripristinando nei discendenti gli alleli appaiati.

INCROCIO DIIBRIDO Eseguendo incroci tra monoibridi,Mendel osservò che l’allele per il seme liscio era dominante su quello rugoso e che l’allele del colore giallo era dominante su quello verde. Che cosa accade incrociando due piante che differiscono per questi caratteri,effettuando cioè un incrocio diibrido? Mendel eseguì un incrocio diibrido tra piante omozigote con semi lisci gialli e piante con semi rugosi e verdi.Come atteso,tutta la generazione F1 ha semi lisci e gialli. Ma i due caratteri venivano trasmessi dai genitori alla prole sempre insieme oppure ogni carattere veniva ereditato indipendentemente? Per rispondere a questa domanda,Mendel fece in modo che le piante F1 si autoimpollinassero. I risultati confermavano l’ipotesi che ogni coppia di alleli segrega indipendentemente durante la formazione dei gameti. Questo comportamento dei geni è detto legge dell’assortimento indipendente di Mendel.

I NOSTRI INCROCI

INCROCI PER MENDEL -INCROCIO MONOIBRIDO e/e X +/+ -INCROCIO DIIBRIDO dp+/dp+; e/e X dp/dp; e+/e+

LA GENETICA NELL'800 Dagli anni settanta a fine ‘800 DARWIN HERTWIG -All’uovo e allo spermatozoo viene riconosciuta la natura cellulare e sono i loro nuclei a fondersi nella fecondazione (Hertwig 1875) -In questo periodo cellule e corpo vengono pensati come costituiti da particelle che presiedono allo sviluppo ontogenico e all’eredità. -Darwin per rispondere alle domande sulla provenienza e la fonte della variazione cellulare,elabora la “teoria della pangesi”.Tale teoria sostiene la trasmissione delle qualità ereditabili causata da particelle piccolissime ed indivisibili,differenti l’una dall’altra e chiamate gemmule. Questa fu la prima teoria dell’ereditarietà ben definita. -Nel 1882 W.Flemming descrive chiaramente la divisione cellulare,l’evidenziarsi dei cromosomi,la loro esatta ripartizione nelle cellule figlie:Si erano poste le basi per studiare in chiave citogenica la continuità genetica.Flemming chiama questo processo mitosi e cromatina i filamenti che appaiono nel nucleo. DARWIN HERTWIG

LA GENETICA NEL '900 De VRIES BATESON -Si stabilisce che il sesso veniva determinato da una coppia di cromosomi indicati con Y e X. Nella maggior parte delle specie i maschi hanno la coppia XY e le femmine XX. -De Vries,Correns,Tschermark scoprono che Mendel li ha preceduti di 35 anni. -Correns scopre la semidominanza. -Bateson nel 1906 conia il termine genetica,che è accettato da tutti nell’accezione di scienza che si occupa di eredità.Inoltre a Bateson si devono numerosi termini tecnici:allele,eterozigote e omozigote che,privi di ambiguità semantica,consentono una più facile comunicazione tra scienziati. -Viene dimostrata l’individualità e la continuità nei cromosomi e si arriva alla formulazione della”Teoria cromosomica dell’eredità” da parte di Sutton e Boveri (1903-1904).Aumentano così notevolmente gli indizi sul coinvolgimento cromosomico nel processo ereditario. De VRIES BATESON

MORGAN PREMIO NOBEL NEL 1933 - Thomas Hunt Morgan Si dedicò dal 1909 allo studio dell'eredità, adottando come sistema di riferimento il moscerino della frutta, Drosophila melanogaster. Gli esperimenti del suo gruppo, che diverrà famoso come "gruppo della drosofila", gettano così le basi della genetica formale Morgan non credeva nella teoria cromosomica dell’ereditarietà e condusse i suoi esperimenti solo per dimostrare l’inesistenza di questa. Sarà invece proprio lui insieme ad i suoi allievi ad attuare la dimostrazione della validità di tale teoria. - Morgan riesce a chiarire i casi di linkage incompleto e dimostra che i geni sono localizzati lungo i cromosomi e che durante la meiosi si riassortiscono grazie al crossing-over. PREMIO NOBEL NEL 1933

PROVE PER LA BASE CROMOSOMICA DELL'EREDITARIETA' Maschi occhi bianchi X Femmine occhi rossi Conclusioni di Morgan F1) TUTTI OCCHI ROSSI F2) 3:1 ROSSI:BIANCHI, MA SOLO MASCHI OCCHI BIANCHI

I CROMOSOMI SESSUALI NON DETERMINANO SOLO IL SESSO CONCLUSIONI DI MORGAN -Esistono i cromosomi sessuali che portano diversi caratteri come il colore degl’occhi e il colore giallo del corpo ed una ereditarietà legata al sesso. - I geni sono localizzati sui cromosomi. -Il fenotipo bianco si manifesta anche con un solo allele (e non in omozigosi come nei casi precedenti) nei maschi che hanno un solo cromosoma X. -Nella meiosi i cromosomi si scambaino segmenti di DNA. I CROMOSOMI SESSUALI NON DETERMINANO SOLO IL SESSO

NOI GENETISTI Noi della nostra classe abbiamo cercato di metterci nei panni di Morgan, ripetendo così i suoi esperimenti e le sue esperienze. Per svolgere tali esperimenti abbiamo utilizzato degli stock di Drosophilae gentilmente concesse dal Sig. Giorgio Belloni, dell’istituto di Genetica dell’ Università degli studi “La Sapienza”.

INCROCI PER MORGAN w+/w+ X w/Y w/w X w+/Y w+/y X w/w wy/wy X w+y+/Y

LA DROSOPHILA -Ali: trasparenti -secondo paio di ali sostituito da bilanciere. -I suoi geni sono contenuti in 4 coppie di cromosomi. -Piccolo insetto di ittero lungo circa 2mm. -Colore:giallo bruno. -Occhi:rosso vivo. -Si possono allevare varie decine di individui in una provetta di 22 mm fornita di “pappa”.In queste condizioni e alla temperatura di 25° completa il ciclo vitale in 15 gg. -Ha un ciclo biologico che si completa in 10-15 giorni, ma fortemente influenzato da fattori ambientali,quali ad esempio il clima.

LA DROSOPHILA COME ORGANISMO MODELLO -La drosophila melanogaster- è un organismo modello, ovvero uno degli organismi più studiati nella ricerca biologica. I motivi sono molteplici: Si tratta di un insetto piccolo e facile da allevare in laboratorio; Ha un breve tempo di generazione e una elevata produttività (fino a 600 uova ogni 10 giorni); Hanno solo 4 paia di cromosomi: 3 autosomi e una sessuale; I maschi non mostrano ricombinazioni genetiche, facilitandone lo studio; Il sequenziamento del suo genoma è stato completato nel 1998; Le mutazioni genetiche nella specie sono molto frequenti.

IL CICLO VITALE Il ciclo vitale di Drosophila melanogaster a 25 °C è di sole 2 settimane; la durata è circa doppia a 18 °C. Le femmine possono deporre fino a 600 uova (embrioni) all'interno di frutta o altri materiali organici. Le uova, il cui diametro è di circa 0.5 millimetri, si schiudono dopo 24 ore dalla deposizione. Le larve risultanti crescono per 5 giorni,poi la larva si trasforma in pupa, passando altri 5 giorni consumando il cibo accumulato per effettuare una metamorfosi, alla fine della quale emerge l'insetto adulto. Le femmine si accoppiano dopo circa 12 ore dalla metamorfosi, accumulando lo sperma in alcune sacche, utilizzandolo a posteriori per fecondare le uova. Per questo motivo i genetisti devono separare le femmine dal resto della popolazione prima che abbiano la possibilità di accoppiarsi, in modo da essere certi che l'incrocio avvenga solo con il particolare tipo di maschio da utilizzare nell'esperimento.

METAMORFOSI UOVO LARVA Le femmine di drosophila possono deporre fini a 600 uova ogni giorni, all’interno di materiali organici come la frutta. Le uova deposte-di forma allungata, di diametro 0.5 mm circa-si schiudono dopo circa 24 ore. L’ embrione si evolve così in larva e continua a crescere per circa altri 5 gg. Le larve presentano un apparato boccale costituito da due uncini che sporgono dal corpo e che hanno la funzione di ridurre in poltiglia l’alimento che viene poi aspirato da una pompa stomodeale UOVO LARVA

METAMORFOSI PREPUPA PUPA Sorpassato lo stadio embrionale e dopo aver continuato per circa 5 giorni il proprio ciclo vitale nello stadio di larva,la drosophila si evolve in prepupa, costituendo un astuccio avvolgente più scuro e duro chiamato pupario. In questo stadio continuerà per altri 5 giorni a consumare le sostanze di nutrimento accumulate, necessarie per i successivi mutamenti in pupa ed infine nella condizione di stadio adulto. PREPUPA PUPA

LO STADIO ADULTO Quando la metamorfosi è completata, gli individui emergono dal pupario e solo dopo poche ore assumono il tipico aspetto dell’adulto. La vita di una Drosophila dura circa un mese. E’ difficile che una femmina si accoppi prima che siano trascorse 10 ore dalla nascita dal pupario. Una volta accoppiata tiene in serbo una grande quantità di spermatozoi, capaci di fecondare le uova mano a mano che vengono deposte

COME DISTINGUERE MASCHI E FEMMINE Materiali: stereomicroscopio o lente di ingrandimento, provette con drosophila, etere, eterizzatore,foglio bianco, pennello Procedimento: 1) Addormentare le drosophilae e disporle su un foglio di carta bianca 2) Osservare con la lente o lo stereomicroscopio 3)Con un pennello spostarle per osservare le parti del corpo che permettono di distinguere i maschi dalle femmine ( se i moscerini si riprendono durante l’osservazione possono essere rianestetizzati) 4) Nel nostro caso è sufficiente osservare l’addome La femmina è più grande del maschio ed ha l'addome più appuntito. Il maschio presenta una zona molto scura all'estremità del corpo e strutture simili a pettini sugli arti anteriori utilizzate per bloccare la femmina durante l'accoppiamento