La GENETICA MODERNA BIOLOGIA III Liceo SCIENZE APPLICATE La GENETICA MODERNA III Liceo SCIENZE APPLICATE Prof. Patrizia MOSCATELLI pat58907@hotmail.it www.ianua.com/patrizia/scuola Liceo statale “Volterra” – Ciampino(RM) Slide N. 54

CENNI di BIOLOGIA FIORALE PROGRAMMA La GENETICA MODERNA INTRODUZIONE CENNI di BIOLOGIA FIORALE IL LAVORO di MENDEL MALATTIE GENETICHE

INTRODUZIONE

La GENETICA è una scienza dalle radici antiche E’ una branca della biologia che studia l’ereditarietà e cioè le modalità di trasmissione dei caratteri ereditari dai genitori ai figli Le radici storiche della GENETICA, risalgono agli antichi tentativi di selezionare LINEE PURE cioè individui con caratteristiche ,nel tempo, sempre uguali . Inizialmente ottenute con le piante ma poi anche con gli animali

presentano lo stesso genoma (stessi GENI) LINEA PURA Sono delle LINEE di discendenza di organismi al cui interno la riproduzione sessuale dà lo stesso risultato di quella asessuale (INDIVIDUI UGUALI) In pratica sono gli individui che conservano gli stessi caratteri da una generazione all'altra I membri della stessa linea pura sono quindi identici nelle loro caratteristiche ereditarie Gregor MENDEL (1822-1884) ottenne LINEE PURE lasciando autofecondare piante di pisello odoroso con ripetuti incroci Nelle cavie di laboratorio si ottengono linee quasi pure incrociando ripetutamente fratelli e sorelle per parecchie generazioni. In termini genetici, una linea pura è costituita da individui omozigoti in tutti i loci e quindi presentano lo stesso genoma (stessi GENI)

(teorie di Ippocrate e Aristotele) I tentativi di spiegare l’ereditarietà risalgono ai tempi dell’antica Grecia (teorie di Ippocrate e Aristotele) All’inizio del XIX secolo (primi 1800), l’ipotesi ereditaria di maggior successo divenne quella della MESCOLANZA tra caratteri maschili e femminili poi……. Gregor MENDEL

B. Cenni di biologia FIORALE BOTANICA B. Cenni di biologia FIORALE

I primi esperimenti di genetica effettuati da Gregor MENDEL, ma anche precedentemente da altri studiosi, prevedevano l’utilizzo di organismi vegetali (PIANTE) Nel caso di MENDEL l’utilizzo della pianta di PISELLO ODOROSO (Lathyrus odoratus): pianta a ciclo primaverile-estivo con un periodo vegetativo di circa 2-3 mesi

In considerazione del fatto che il FIORE è l’organo riproduttivo delle piante più evolute e cioè le ANGIOSPERME (gruppo a cui appartiene anche il Pisello odoroso) andiamo ora a considerare in modo più dettagliato la morfologia di un fiore tipico Tutto questo per capire poi meglio il lavoro di MENDEL, basato tutto su incroci (tra piante) in parte naturali ma anche artificiali (incroci fatti manualmente da lui stesso) Morfologia di un FIORE

Il FIORE è l’elemento chiave nella riproduzione delle Angiosperme (Piante più evolute - a cui appartiene anche il Pisello Odoroso), è l’ORGANO RIPRODUTTORE I fiori sono formati dai SEPALI (verdi, che nell’insieme formano il CALICE), PETALI (colorati, che nell’insieme formano la COROLLA), STAMI (organi maschili o ANDROCEO) e PISTILLO (organo femminile o GINECEO) Antera Filamento STAME PETALO Ricettacolo (Talamo) OVULO SEPALO Stigma Stilo Ovario PISTILLO FIORI di ANGIOSPERME

Le PIANTE possono avere fiori: UNISESSUALI (maschili o femminili) ERMAFRODITI (con i 2 sessi insieme) SULLO STESSO FIORE (fiori ermafroditi) SPECIE MONOCLINE Es. Pisello Odoroso SULLA STESSA PIANTA SPECIE MONOICHE PARTE MASCHILE (Androceo) PARTE FEMMINILE (Gineceo) SU FIORI DIVERSI (fiori unisessuali) SPECIE DICLINE Es. MAIS Quindi esistono piante MASCHIO (con solo fiori maschili) e piante FEMMINA (con solo fiori femminili) ES. ACTINIDIA il cui frutto è il KIWI SU PIANTE DIVERSE SPECIE DIOICHE

Il ciclo vitale di un’ANGIOSPERMA

Vari tipi di FRUTTI con diversa DISSEMINAZIONE Dopo l’IMPOLLINAZIONE e la FECONDAZIONE gli OVULI si trasformano in semi e l’OVARIO, che li contiene, in FRUTTO. La struttura di un frutto riflette il suo ruolo nella disseminazione Il FRUTTO (cioè l’ovario maturo di un fiore) rappresenta un particolare adattamento che favorisce la dispersione dei semi, ossia la DISSEMINAZIONE ANEMOFILA ZOOFILA Vari tipi di FRUTTI con diversa DISSEMINAZIONE

C. Il lavoro di MENDEL

GREGOR MENDEL: padre della GENETICA MODERNA I primi esperimenti di GENETICA ebbero luogo nel giardino di un’abbazia, a BRNO (attuale Repubblica Ceca) La GENETICA MODERNA ebbe inizio intorno al 1860 con gli esperimenti del monaco Gregor MENDEL sulle piante di pisello odoroso (Lathyrus odoratus) appartenente al gruppo delle ANGIOSPERME , cioè le piante più evolute PETALO (corolla) PISTILLO = gineceo (stigma+stilo+ovario) STAME = androceo (filamento + antera) FIORE di PISELLO ODOROSO FIORE ERMAFRODITA GREGOR MENDEL SEPALO (calice)

IMPOLLINAZIONE INCROCIATA ARTIFICIALE (MANUALE) Gregor MENDEL incrociò piante di PISELLO odoroso che differivano in alcuni caratteri morfologici e seguì le tracce delle caratteristiche da generazione a generazione 1 ) Rimuoveva gli stami dai fiori VIOLA BIANCO STAMI CARPELLO 2 ) Trasferiva il polline degli stami del fiore BIANCO al carpello del fiore VIOLA VIOLA Genitori (P) 3) Il carpello impollinato matura 4 ) Si piantano i semi contenuti nel baccello Aveva una cultura di base MATEMATICA e ai suoi esperimenti applicò il METODO STATISTICO, cioè contava pazientemente tutti i risultati ottenuti Prole (F1)

Immagini dal FILM su Gregor MENDEL Come già detto, il suo materiale di partenza erano le LINEE PURE cioè piante di pisello odoroso che coltivate per più anni, (lasciando che si autoimpollinassero e quindi seguendo il normale ciclo naturale), producevano figli con caratteristiche sempre uguali ai genitori di partenza Immagini dal FILM su Gregor MENDEL

Definizioni di “STRUTTURE” che possiamo dare oggi ma che ai tempi di MENDEL non si conoscevano: GENI: tratti di un cromosoma che si trovano in posizioni determinate chiamate LOCI Siccome i cromosomi sono in coppia (cromosomi gemelli o omologhi) anche i geni sono in coppia e si chiamano ALLELI Il posto che occupa un ALLELE su di un cromosoma è lo stesso occupato dall’altro ALLELE sull’altro cromosoma GEMELLO o OMOLOGO ALLELI: geni che portano le informazioni riguardo ad uno stesso carattere

Questi ALLELI possono essere uguali o differenti 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 o IBRIDO

FENOTIPO: caratteristiche esterne osservabili di un organismo determinate dalle informazioni contenute nei geni GENOTIPO: caratteristiche interne NON osservabili direttamente di un organismo e determinate dall’insieme di tutti i suoi geni

Una coppia delle 23 che formano il nostro GENOMA Quindi i cromosomi omologhi (gemelli) portano i due ALLELI relativi a ciascun carattere Come abbiamo già detto, le forme alternative di un gene (ALLELI) sono situate negli stessi LOCI (stessa posizione relativa) sui cromosomi omologhi 2 CROMOSOMI OMOLOGHI Una coppia delle 23 che formano il nostro GENOMA GENOTIPO: VV aa ETEROZIGOTE V a b B LOCI GENICI ALLELE RECESSIVO DOMINANTE OMOZIGOTE per l’allele dominante recessivo Bb

7 caratteri considerati da MENDEL MENDEL ,però, anche senza le conoscenze di oggi, ipotizzò che esistessero forme alternative di un “QUALCOSA” che determinano le caratteristiche ereditabili, e che oggi chiamiamo ALLELI Ai suoi tempi, come già detto, i GENI non erano conosciuti e questi “pacchetti” di informazioni che venivano trasmessi, per intero, ad ogni generazione erano chiamati ELEMENTI Colore fiore Posizione seme Forma baccello Lunghezza fusto VIOLA Bianco ASSIALE Terminale LISCIO Rugoso GONFIO Schiacciato ALTO Nano Verde GIALLO VERDE Giallo DOMINANTE RECESSIVO 7 caratteri considerati da MENDEL

MENDEL con i suoi esperimenti elaborò: Dei 7 caratteri alternativi ( cioè che si presentavano solo con 2 possibilità) delle piante di pisello odoroso studiati da Mendel, uno (DOMINANTE) era sempre più “forte” dell’altro (RECESSIVO) tanto che nella prima generazione filiale ( o F1) quest’ultimo veniva mascherato (scompariva) LAVORO di MENDEL riassunto in: UN PRINCIPIO DUE LEGGI PRINCIPIO : Principio della DOMINANZA

Es. COLORE FIORE di pisello odoroso Se i 2 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) Il secondo è chiamato allele RECESSIVO (indicato con la lettere minuscola) Es. COLORE FIORE di pisello odoroso Allele DOMINANTE: colore VIOLA, indicato con V (lettera maiuscola carattere dominante) Allele RECESSIVO: colore BIANCO, indicato con v (lettera minuscola carattere recessivo)

spermatogenesi : produzione gameti maschili La I LEGGE di MENDEL: legge della SEGREGAZIONE Poiché le coppie di ALLELI si dividono (segregano) durante la produzione dei gameti: spermatogenesi : produzione gameti maschili ovogenesi: produzione gameti femminili le cellule spermatiche e le cellule uovo così ottenute, possiedono un solo ALLELE (pacchetto di informazioni) per ogni carattere Quindi si dividono gli ALLELI delle coppie di cromosomi

SPERMATOGENESI e OVOGENESI (specie umana) Nelle PIANTE la cellula sessuale maschile è il POLLINE

Questa legge descrive la trasmissione ereditaria di un singolo carattere (INCROCIO MONOIBRIDO) Dai suoi dati sperimentali Mendel dedusse che un organismo ha 2 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 MENDEL inizialmente si dedicò soltanto ad incroci MONOIBRIDI, mentre successivamente passò a considerare come segregavano (si dividevano) 2 caratteri presi insieme e cioè incroci DIIBRIDI INCROCIO MONOIBRIDO

Spiegazione incrocio MONOIBRIDO (precedente) Secondo la LEGGE della SEGREGAZIONE di Mendel i 2 alleli di una coppia si dividono l’uno dall’altro durante la produzione dei gameti Piante P GAMETI Assetto genetico (alleli) Piante F1 (ETEROZIGOTI o 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 Spiegazione incrocio MONOIBRIDO (precedente)

La II LEGGE di MENDEL: legge dell’ASSORTIMENTO INDIPENDENTE Prende in considerazione 2 caratteri insieme (INCROCIO DIIBRIDO) e spiega che le coppie di ALLELI segregano (si dividono) indipendentemente le une dalle altre Quindi come si dividono gli ALLELI di una coppia, si dividono (segregano) anche tutti gli ALLELI delle altre coppie in modo INDIPENDENTE

La legge dell’assortimento indipendente prende in considerazione 2 caratteri contemporaneamente Guardando 2 caratteri alla volta, MENDEL provò a determinare come vengono ereditate 2 caratteristiche Mendel effettuò cioè un INCROCIO DIIBRIDO tra piante di pisello odoroso: Es. OMOZIGOTI DOMINANTI : con semi lisci e gialli (genotipo LLGG - linea pura) X OMOZIGOTI RECESSIVI : con semi rugosi e verdi (genotipo llgg - linea pura)

La LEGGE dell’ASSORTIMENTO INDIPENDENTE di Mendel afferma che ogni coppia di alleli segrega indipendentemente durante la formazione dei gameti IPOTESI: 2 coppie di ALLELI situati sulla stessa coppia di CROMOSOMI 2) IPOTESI: 2 coppie di ALLELI situati ognuno su coppie diverse di CROMOSOMI LLGG llgg LLGG llgg LG lg GAMETI Generazione P GAMETI LG  lg LlGg LlGg Generazione F1 QUADRATO di PUNNET 1/4 LG 1/4 lG 1/4 Lg 1/4 lg 1/2 1/2 LG lg 1/4 LG 1/2 LlGG LLGg LG LLGG LlGg Generazione F2 1/4 lG 1/2 lg LlGG llGG LlGg llGg 9 16 1/4 Lg Gialli lisci LLGg LlGg LLgg Llgg 3 16 1/4 Verdi lisci lg 3 16 LlGg llGg Llgg llgg Gialli rugosi I RISULTATI veri OTTENUTI (destra) CONTRADDICONO L’IPOTESI (sinistra) Verdi rugosi 1 16

GENERAZIONE F1 dell’esempio precedente: LlGg 1) IPOTESI 2) IPOTESI L l L l G g G g Alleli diversi associati su uno stesso cromosoma Con la MEIOSI (separazione degli omologhi) si formeranno solo gameti: LG lg Alleli diversi disposti ognuno su un cromosoma Con la MEIOSI (separazione degli omologhi) si potranno formare tutte e 4 le combinazioni possibili di gameti: LG Lg lG lg

Incrocio ETEROZIGOTI (mantello nero + vista normale) Altro esempio di ASSORTIMENTO INDIPENDENTE: 2 caratteri regolati da 2 GENI nei cani LABRADOR RETRIEVER carattere: colore pelo NERO (dominante) / colore pelo marrone (recessivo) carattere: visione normale (dominante) / difetto vista da PRA- atrofia retinica progressiva (recessivo) P LINEE PURE Mantello nero, vista normale NNAA cieco (PRA) Nnaa Mantello cioccolato, vista normale nnAa cieco (PRA) nnaa CIECO NnAa FENOTIPI Incrocio ETEROZIGOTI (mantello nero + vista normale) CIECO GENOTIPI F1

F2 P NNAA nnaa marrone x NnAa F1 ETEROZIGOTI o IBRIDI NnAa x NnAa LINEE PURE OMOZIGOTI NNAA Nero vista normale nnaa marrone cieco x NnAa F1 ETEROZIGOTI o IBRIDI NnAa x NnAa GAMETI MASCHILI NA Na nA na NNAA normale NNAa normale NnAA normale NnAa normale NNAa normale Nnaa cieco nnAA normale nnAa normale nnaa cieco NA Na F2 FEMMINILI GAMETI nA na

9/16 3/16 3/16 1/16 Prole F2 Rapporto FENOTIPICO mantello NERO vista NORMALE 9/16 3/16 mantello NERO cieco 3/16 mantello MARRONE vista NORMALE mantello MARRONE cieco 1/16

Le LEGGI della PROBABILITA’ I risultati degli esperimenti di MENDEL sono in accordo con le leggi della PROBABILITA’ L’EREDITARIETA’ segue le leggi della probabilità, cioè le stesse leggi che si applicano , per es., al lancio di una moneta,al gioco dei dadi o all’estrazione delle carte da un mazzo La scala di probabilità va da 0 a 1: un evento certo ha probabilità 1 un evento che sicuramente non avviene ha probabilità 0

Formazione delle cellule uovo Formazione degli spermatozoi legge del PRODOTTO: calcola la probabilità che avvengano 2 eventi indipendenti legge della SOMMA: calcola la probabilità che un evento accada in 2 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 La segregazione e la fecondazione sono fenomeni soggetti alle LEGGI della PROBABILITA

D. MALATTIE GENETICHE

Attaccatura dei capelli a punta L’ereditarietà dei CARATTERI UMANI si può studiare costruendo gli ALBERI GENEALOGICI delle famiglie Caratteri DOMINANTI RECESSIVI LENTIGGINI Assenza di lentiggini Attaccatura dei capelli a punta Attaccatura dei capelli diritta LOBO STACCATO LOBO ATTACCATO L’ereditarietà di molti caratteri umani, ma NON di tutti, segue le leggi di MENDEL Alcuni caratteri ereditari umani che seguono le leggi di MENDEL

SORDITA’ in una famiglia L’ALBERO GENEALOGICO di una famiglia può essere usato per determinare i GENOTIPI INDIVIDUALI ALBERO GENEALOGICO Eredità della SORDITA’ in una famiglia Causata da un allele RECESSIVO e quindi si manifesta quando questo si può esprimere e cioè nella condizione di OMOZIGOTE Ss Joshua Lambert Ss Abigail Linnell S ? John Eddy S ? Hepzibah Daggett ss Jonathan Lambert Ss Elizabeth Eddy S ? Abigail Lambert Ss Ss ss Ss Ss Ss ss FEMMINA MASCHIO SORDO SANO

Ss ss CASO PRECEDENTE: incrocio MASCHIO SORDO (Jonathan Lambert) ss (omozigote recessivo) X FEMMINA SANA (Elizabeth Eddy) Ss (eterozigote o ibrida) GAMETI MASCHILI SANI s s FEMMINILI GAMETI S Ss ss s MALATI SORDI Rapporto Mendeliano: su 4 casi, 2 sani e 2 malati sordi quindi 50% di probabilità di avere individui MALATI SORDI

Alcuni esempi di MALATTIE EREDITARIE umane Molte malattie ereditarie umane sono controllate da un singolo gene (MALATTIE GENETICHE) Alcuni esempi di MALATTIE EREDITARIE umane

PATOLOGIE da allele RECESSIVO La maggior parte delle malattie genetiche umane è di tipo recessivo e quindi si manifestano solo nella condizione di OMOZIGOTI RECESSIVI GENITORI FIGLI Gameti maschili MASCHIO Sano ETEROZIGOTE Ss X S s SS (portatore) ss Sordo femminili FEMMINA Sana ETEROZIGOTE Ss s Ss Joshua Lambert Ss Abigail Linnell X Progenie di 2 genitori entrambi portatori di una malattia recessiva Rapporto Mendeliano: su 4 casi, 3 sani ed 1 malato sordo quindi 25% di probabilità di avere individui malati sordi

PATOLOGIE da allele DOMINANTE Un certo numero di malattie umane è dovuto ad alleli DOMINANTI e quindi si manifestano sia nella condizione di: OMOZIGOTI DOMINANTI (gravi) ETEROZIGOTI (talvolta meno gravi) Esempio di ACONDROPLASIA (NANISMO) (attore scomparso David Rappaport)

1) PRIMA del CONCEPIMENTO 2) DURANTE la GRAVIDANZA 3) DOPO la NASCITA 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: 1) PRIMA del CONCEPIMENTO 2) DURANTE la GRAVIDANZA 3) DOPO la NASCITA

1) PRIMA del CONCEPIMENTO IDENTIFICAZIONE dei PORTATORI Molti bambini colpiti da una malattia recessiva nascono da genitori perfettamente sani ma ETEROZIGOTI Per molte malattie genetiche, sono oggi disponibili TEST DIAGNOSTICI per identificare i portatori sani, quindi gli ETEROZIGOTI che presentano l’ allele recessivo malato della FIBROSI CISTICA del MORBO di TAY-SACHS dell’ANEMIA FALCIFORME

2) DURANTE la GRAVIDANZA A) DIAGNOSI PRE-NATALE AMNIOCENTESI e VILLOCENTESI consistono nel prelievo di cellule fetali che sono utilizzate per compiere dei test, durante la gravidanza, che consentono quindi di rilevare malattie genetiche prima della nascita SONDA 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 Aspirazione AMNIOTICO CENTRIFUGAZIONE PLACENTA VILLI CORIALI CARIOTIPO 23 coppie cromosomi umani SONDA ECOGRAFO AMNIOCENTESI 16-18 settimane VILLOCENTESI Esame dei VILLI CORIALI

Esame ecografico del FETO B) DIAGNOSTICA per IMMAGINI L’ECOGRAFIA (messa a punto nei primi anni ’80) è una tecnica diagnostica per immagini che utilizza gli ultrasuoni per riprodurre un’immagine del feto ECOGRAFIA a 18 SETTIMANE (momento di un’eventuale AMNIOCENTESI) Esame ecografico del FETO

3) DOPO la NASCITA 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 Es. il test di GUTHRIE per individuare la FENILCHETONURIA (PKU) una malattia determinata dalla incapacità di metabolizzare l’amminoacido FENILALANINA