GENETICA CLASSICA

INTRODUZIONE La genetica (dal greco antica ghenetikós, «relativo alla nascita», da ghénesis, «genesi, origine») è la branca della biologia, che studia i geni, l'ereditarietà e la variabilità genetica degli organismi. L'ereditarietà genetica è la trasmissione, da una generazione alle successive, dei caratteri originati dall'assetto genetico. L’uomo ha iniziato ad “occuparsi di genetica” molto tempo fa, all’epoca del passaggio a forme di economia superiori quali l’agricoltura e l’allevamento degli animali. Per migliorare queste attività l’uomo iniziò a selezionare, prima intuitivamente e poi operando scelte ragionate, varietà animali e vegetali più produttive e resistenti, favorendo certi incroci piuttosto che altri. Allora, tuttavia, i meccanismi della riproduzione e dell’ereditarietà erano sconosciute.

MENDEL - Nasce nel 1822 in una famiglia di piccoli proprietari terrieri della Slesia. - Monaco agostiniano del monastero di Brünn (odierna Brno), cittadina agricola dell’impero austro-ungarico (oggi Repubblica Ceca). Studia (senza mai conseguire la laurea) fisica, matematica e botanica, convincendosi dell’importanza di applicare il metodo sperimentale e l’analisi matematica allo studio delle scienze naturali. L’abate del convento di Mendel è un personaggio influente nell’ambiente scientifico ed agrario della città. Il monastero è dotato di un orto e di una serra ben attrezzati che, a partire dal 1854, vengono messi a disposizione di Mendel per avviare i suoi studi sulla trasmissione dei caratteri ereditari nelle piante.

CONTESTO SCIENTIFICO CONCETTO NOTO: - Meccanismo di fecondazione mediante la fusione di un gamete femminile con uno maschile. CONCETTI NON ANCORA NOTI: - I geni controllano i caratteri e sono localizzati sui cromosomi - Meiosi Mendel presenta i risultati dei suoi studi alla Società di Scienze Naturali di Brünn nel 1865. Per la prima volta in biologia un esperimento viene portato avanti con una procedura così rigorosa e basata su strumenti matematici e statistici. La sua teoria dell’ereditarietà dei caratteri venne tuttavia ignorata dalla comunità scientifica fino ai primi del novecento. I risultati furono pubblicati nel 1866, ma furono ignorati fino al 1900, quando alcuni confermarono le sue ipotesi.

RIGOROSA ANALISI DEI DATI elevato numero di dati raccolti IL METODO DI RICERCA Gregor Mendel applicò il metodo scientifico alle sue ricerche: SCELTA DEL MATERIALE Mendel sceglie come pianta da esperimento Pisum sativum, il comune pisello degli orti, perché: facile da reperire e da coltivare cresce e si riproduce rapidamente e quindi si può ottenere un elevato numero di generazioni il fiore normalmente si autoimpollina (selfing) produce figliolanza numerosa disponibile in varietà diverse, dotate di caratteri somatici presenti in alternative ben definite e contrastanti RIGOROSA ANALISI DEI DATI elevato numero di dati raccolti analisi quantitativa organizzazione sistematica dei risultati ripetibilità e verifica degli esperimenti “Il valore e l’utilità di ogni esperimento sono determinati dalla idoneità del materiale allo scopo per cui è usato” (Mendel)

CARATTERI PRESI IN ESAME Linee pure: piante che, generazione dopo generazione, mantengono sempre costanti i caratteri presi in esame (es. fiori bianchi). Sono ottenute attraverso ripetuti incroci tra individui identici per il carattere scelto.

Mendel’ Pea Plants Mendel based his laws on his studies of garden pea plants. Mendel was able to observe differences in multiple traits over many generations because pea plants reproduce rapidly, and have many visible traits such as: Pod color Seed Color Plant Height Green Yellow Green Yellow Seed Shape Short Pod Shape Tall Wrinkled Round Smooth Pinched

ESPERIMENTO 1 uniformità degli ibridi Incrocio monoibrido: incrocio tra linee pure che differiscono per un singolo carattere. L’incrocio è ottenuto rimuovendo gli organi maschili di un fiore e fecondandolo con il polline di un altro fiore con forma del carattere alternativa. Incrocio reciproco: il risultato è lo stesso, indipendentemente dalla pianta usata come donatore di polline. Risultato: nella prima generazione (F1) tutta la progenie assomiglia ad uno solo dei ceppi parentali. (tutti semi lisci) Sembra che l’aspetto rugoso sia scomparso. Lo stesso vale per gli altri 6 caratteri. Mendel chiama dominanti le forme che compaiono nella F1 e recessive quelle che apparentemente sono “scomparse” F 1 P P

ESPERIMENTO 1 segregazione dei caratteri Autoimpollinazione della F1: la primavera successiva i semi della F1 vengono ripiantati e le piante derivanti lasciate autoimpollinarsi. Risultato: la seconda generazione così ottenuta (F2) risulta composta da individui portatori di entrambe le forme del carattere. Ricompare il carattere scomparso nella F1. F1 F2 F1 Le proporzioni riscontrate sono di 3:1 - ¾ carattere dominante (S) - ¼ carattere recessivo (s) I caratteri recessivi quindi non sono scomparsi, ma sono rimasti “nascosti” nella F1, non mescolandosi né influenzandosi.

27/11/11 I fattori responsabili della trasmissione ereditaria dei caratteri sono unità distinte (geni) che presentano due forme alternative (alleli), responsabili delle diverse forme del carattere, e che si separano (segregano) durante la formazione dei gameti. Eterozigoti: Individui che per un dato carattere possiedono una coppia di alleli alternativi (Ss). Gli individui della F1 sono eterozigoti Omozigoti: Individui che per un dato carattere possiedono una coppia di alleli identici (SS o ss). Gli individui di linee pure sono omozigoti 10 10

13/11/11 Il quadrato di Punnett Il quadrato di Punnett è un diagramma ideato dal genetista britannico Punnett utilizzato per determinare la probabilità con cui si manifestano i diversi fenotipi derivati da diversi genotipi. Il diagramma, una tabella da doppia entrata riporta su un lato i gameti femminili (aploidi) e sull’altro quelli maschili (sempre aploidi); all’interno si otterranno tutti i possibili genotipi (diploidi). 11 11

ESPERIMENTO 1 visione d’insieme Generazione P Generazione F1 Generazione F2 Negli omozigoti (SS o ss), entrambi gli alleli esprimono lo stesso carattere. Negli eterozigoti (Ss), il carattere espresso è solo quello dominante (S). Fenotipo:da pháinein (greco), mettere in luce; manifestazione fisica di un carattere ed è il risultato di uno specifico genotipo e della sua interazione con l’ambiente Genotipo: da génos (greco),stirpe, razza; designa la costituzione di un individuo

I LEGGE DI MENDEL o della dominanza RIASSUMENDO…. I LEGGE DI MENDEL o della dominanza Quando vengono incrociati due individui omozigoti differenti per una forma di un carattere determinato da una coppia di alleli, gli individui ibridi della generazione F1 manifestano solo uno dei tratti presenti nella generazione parentale (carattere dominante). S s Ss Fenotipo: 100% S Genotipo: 100 % Ss SS x ss II LEGGE DI MENDEL o della segregazione dei caratteri Quando un individuo produce gameti, i due membri di una coppia genica (gli alleli) segregano (si separano) l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti. Di conseguenza metà dei gameti porta uno degli alleli e l’altra metà l’altro e la progenie si origina da combinazioni casuali dei gameti prodotti dai genitori. Fenotipo: ¾ S - ¼ s 3 : 1 Genotipo: ¼ SS – ½ Ss - ¼ ss 1 : 2 : 1 S s SS Ss ss Ss x Ss

La meiosi spiega la segregazione 13/11/11 La meiosi spiega la segregazione Gli elementi unitari dell’ereditarietà oggi sono chiamati geni e le diverse forme di uno stesso gene sono gli alleli. La segregazione dei geni è la conseguenza della separazione della coppia di omologhi durante la anafaseI. 14 14

Si incrocia l’individuo con un omozigote per il tratto recessivo (ss). REINCROCIO Metodo per verificare se un dato individuo che mostra tratti dominanti è omozigote (SS) o eterozigote (Ss). Si incrocia l’individuo con un omozigote per il tratto recessivo (ss). S s Ss Fenotipo: 100% S Genotipo: 100% Ss SS x ss S s Ss ss Fenotipo: ½ S - ½ s Genotipo: ½ Ss - ½ ss Ss x ss

ESPERIMENTO 2 assortimento indipendente dei caratteri 2- Autoimpollinazione della F1 SsYy: formazione di quattro tipi di gameti (SY, Sy, sY, sy) che combinandosi danno origine ad una F2 con 9 genotipi e 4 fenotipi in rapporto 9:3:3:1: liscio – giallo 9 liscio – verde 3 rugoso – giallo 3 rugoso – verde 1 Generazione P Generazione F1 Generazione F2 Incrocio diibrido: incrocio tra individui di linee pure che differiscono per due caratteri: - aspetto dei semi [S]: liscio e rugoso colore dei semi [Y]: giallo e verde 1- Incrocio fra le due linee pure: formazione di una F1 omogenea di individui SsYy. Essendo S e Y dominanti, i semi risulteranno tutti lisci e gialli. Generazione P Generazione F1

RIASSUMENDO…. III LEGGE DI MENDEL o dell’assortimento indipendente dei caratteri Quando vengono incrociati due individui differenti per più caratteri, determinati da più coppie di alleli, i caratteri si distribuiscono nella prole indipendentemente gli uni dagli altri. La distribuzione di ciascuna coppia di alleli nei gameti è casuale ed indipendente dalle altre coppie alleliche. <<Geni localizzati su cromosomi diversi si comportano indipendentemente nella meiosi, durante la formazione dei gameti>> Gli alleli di geni diversi segregano in modo indipendente gli uni dagli altri durante la metafase I della meiosi Regola generale: nella F2 sono presenti 2n classi fenotipiche 3n classi genotipiche Dove n è il numero di coppie di geni eterozigoti segreganti

Eccezioni alle leggi di Mendel 17/08/12 27/11/11 Eccezioni alle leggi di Mendel Hugo de Vries (nel 1902): notò che nei suoi esperimenti a volte appariva un carattere nuovo. Ipotizzò che: tali cambiamenti sono dovuti a modifiche nei geni, chiamate mutazioni; alleli differenti dello stesso gene si originano per mutazione; una mutazione è favorevole se avvantaggia la specie, come per la tolleranza al lattosio; una mutazione è sfavorevole se causa malattie come l’albinismo o la fenilchetonuria. 19 19 19

Eccezioni alle leggi di Mendel INTERAZIONI TRA ALLELI, GENI E AMBIENTE Gli studi di genetica successivi, pur confermando in linea di principio il lavoro di Mendel, dimostrarono che l’azione dei geni non è così semplice e diretta. Gli effetti fenotipici di un particolare gene possono essere influenzati: dalle sue forme alleliche alternative (dominanza incompleta, codominanza,alleli multipli) da altri geni (eredità poligenica) dall’ambiente

17/08/12 27/11/11 Dominanza incompleta L’eterozigote mostra un fenotipo intermedio tra quelli degli omozigoti. I caratteri originari ricompaiono alla seconda generazione. 21 21 21

LA DOMINANZA INCOMPLETA – spiegazione Uno degli alleli (R) codifica per un enzima che catalizza la reazione di formazione del pigmento rosso dei fiori. L’allele alternativo (r) codifica per un enzima alterato, che non porta alla produzione del pigmento rosso. Gli omozigoti RR hanno i fiori rossi. Gli omozigoti rr hanno i fiori bianchi. Gli eterozigoti Rr hanno i fiori rosa in quanto, avendo solo uno dei due alleli che codifica per l’enzima in questione, producono una bassa quantità di pigmento rosso. OSSERVAZIONE: La particolarità degli esperimenti di Mendel è che tutti i caratteri studiati presentavano dominanza completa, cioè ogni singolo allele dominante era in grado di determinare da solo la risposta fenotipica massima.

Codominanza 17/08/12 27/11/11 Gli eterozigoti mostrano entrambi i fenotipi degli omozigoti, come nel caso del gruppo sanguigno AB che presenta il fenotipo dell’A e del B. Ogni organismo diploide ha solo due alleli per gene, ma in una popolazione ogni gene può avere più varianti alleliche: si chiamano alleli multipli e derivano da più mutazioni di uno stesso gene. 23 23 23

17/08/12 27/11/11 Interazioni geniche L’interazione tra alleli di geni diversi può mascherare gli effetti di un gene. Dalle interazioni tra alleli di diversi geni compare un fenotipo nuovo. 24 24 24

Epistasi È una forma di interazione genica in basa alla quale il prodotto di un gene interferisce con l’espressione fenotipica di un altro gene non allelico in modo tale che il fenotipo è determinato dal primo e non dal secondo. La coppia di alleli omozigoti recessivi cc maschera l’espressione dell’allele A e per il colore albino è sufficiente l’omozigosi cc qualunque sia il genotipo al secondo lacus.

Eredità poligenica Fenomeno per cui i caratteri ereditari individuali sono spesso soggetti al controllo combinato da parte di più geni. Questo comporta che le variazioni di tali caratteri non siano discrete ma continue, assumendo tutti i valori intermedi compresi tra i due estremi. Es. colore della pelle, altezza e peso nell’uomo. COLORE DELLA PELLE Modello basato su tre coppie di geni: A,B,C – pigmento a,b,c – no pigmento Quanti più alleli A,B,C sono presenti nel genotipo, tanto più scura sarà la pelle. N.B. Influssi ambientali

17/08/12 27/11/11 Pleiotropia Un singolo gene può avere molteplici effetti sul fenotipo di un organismo. La mutazione in un gene coinvolto nella formazione di cartilagine provoca: costole ispessite, restringimento della trachea, perdita di elasticità nei polmoni, narici ostruite, muso tozzo, ispessimento del muscolo cardiaco. Es: anemia falciforme, causata da un allele difettoso che non permette la corretta sintesi di emoglobina. Provoca molteplici cambiamenti nel fenotipo. L’espressione di un gene è inoltre il risultato della sua interazione con l’ambiente. Per esempio, la temperatura influenza il colore delle primule e del pelo dei gatti siamesi. 27 27 27

I cromosomi sessuali Certi caratteri si trovano sui cromosomi sessuali 27/11/11 17/08/12 I cromosomi sessuali Certi caratteri si trovano sui cromosomi sessuali Per i cromosomi sessuali la coppia è uguale solo nella femmina XX, nel maschio è XY; I gameti maschili avranno per metà il cromosoma X e per metà Y, le cellule uovo hanno tutte il cromosoma X. 28 28 28 28

Gli studi sui cromosomi sessuali 17/08/12 27/11/11 Gli studi sui cromosomi sessuali Caratteri legati al sesso: i geni sui cromosomi sessuali non seguono le leggi di Mendel. Thomas Hunt Morgan (nel 1909) si accorse per primo di questa anomalia. Drosophila Melanogaster: ha solo 4 paia di cromosomi, si riproduce facilmente e ha variante occhi rossi e bianchi (il coloroe biaanco è un carattere recessivo). Morgan fece gli esperimenti di Mendel ma ottenne risultati diversi alla seconda generazione: non c’erano femmine con occhi bianchi. Il gene per il colore degli occhi è presente solo sul cromosoma X. 29 29 29

Drosophila melanogaster 17/08/12 27/11/11 Drosophila melanogaster 30 30 30

Malattie e cromosomi sessuali 17/08/12 27/11/11 Malattie e cromosomi sessuali Nell’uomo è più frequente che i geni siano legati al cromosoma X, più grande. L’ereditarietà dei caratteri legati al cromosoma X si manifesta in questi modi: le femmine eterozigoti sono portatrici sane e fenotipicamente normali; i maschi manifestano la malattia se portano l’allele recessivo; una donna manifesta la malattia solo se il genotipo è omozigote recessivo. 31 31 31

17/08/12 27/11/11 DALTONISMO Incapacità di percepire alcuni colori come il rosso e il verde. I geni sono localizzati sul cromosoma X. Le femmine eterozigoti hanno una visione normale, quelle omozigoti recessive manifestano la malattia. 32 32 32

27/11/11 17/08/12 ASSOCIAZIONE DI GENI Gruppo di associazione (linkage): i geni che non assortiscono indipendentemente in quanto localizzati sullo stesso cromosoma e divisione tendono a rimanere insieme. Esperimenti di Morgan: non ottenne il rapporto fenotipico atteso 1:1:1:1 perché il gene per il colore del corpo e quello per la dimensione delle ali sono ereditati congiuntamente. 33 33 33

La ricombinazione genica Un gene è una sequenza di DNA che si trova in un locus del cromosoma. Il crossing-over determina il fenomeno della ricombinazione genica: durante la profase I della meiosi può avvenire uno scambio di geni tra cromatidi fratelli. Durante la segregazione degli alleli alla meiosi, alcuni tendono a rimanere insieme (geni associati), più vicini sono due geni sul cromosoma, maggiore è la probabilità che rimangano insieme durante la meiosi. 34 34

Frequenza di ricombinazione Le combinazioni fenotipiche non parentali che derivano dal crossing-over, sono chiamate RICOMBINANTI. La frequenza di ricombinazione si calcola dividendo in numero di figli ricombinanti per il numero totale di figli. Le frequenze di ricombinazione forniscono una misura quantitativa della distanza tra due geni presi in considerazione.

17/08/12 27/11/11 Mappe genetiche Alfred Sturtevant (1891-1970) ipotizzò che la percentuale di ricombinazione potesse avere qualche collegamento con la distanza fisica dei geni coinvolti; i geni sono disposti in sequenza lineare; i geni vicini sono separati dal crossing over meno frequentemente di geni più lontani; è possibile tracciare la distanza conoscendo la frequenza di ricombinazione; questa teoria permise la costruzione di mappe cromosomiche. 36 36 36

17/08/12 27/11/11 Le mappe cromosomiche Se i discendenti ricombinanti sono 300 su 1000 nati, allora la frequenza di ricombinazione è pari a 30 unità di mappa o centiMorgan. 37 37 37