Cromosomi, Geni e Mutazioni

Furono i genetisti che proposero la Teoria Cromosomica Sutton e Boveri: 1902 Furono i genetisti che proposero la Teoria Cromosomica In precedenza va assolutamente ricordata la figura di Mendel che fu il primo in grado di dimostrare i principi dell’eredità tramite incroci di piante di pisello

Drosophila melanogaster È i moscerino della frutta È stato l’organismo da più usato dai genetisti moderni per i loro studi La sua versatilità deriva dal fatto di essere rapidamente prolifico e dall’avere 4 cromosomi giganti Nei maschi uno dei due cromosomi sessuali è ricurvo ed è detto Cromosoma Y

Determinazione cromosomica del sesso La differenza tra moscerini maschi e femmine, così come nella razza umana, viene spiegata tramite differenze nell’ultima coppia cromosomica Le femmine sono omozigoti nell’ultima coppia (XX) I maschi sono eterozigoti nell’ultima copia (XY) I cromosomi X e Y sono detti cromosomi sessuali Gli altri cromosomi sono detti autosomi

Quadrato di Punnett per la determinazione del sesso In accordo con le leggi di M. da un genitore omoz ed uno eteroz per un carattere (sesso) il 50% delle F1 sarà ♂ e il 50% ♀ Durante la meiosi i gameti femminili saranno sempre X mentre ½ di quelli maschili sarà X e ½ Y Sono quindi i gameti ♂ che a caso determinano il sesso del nascituro In molti animali la determinazione del sesso è come nella drosofila mentre in altri come per es. le farfalle avviene il contrario e cioè il ♂ è XX e la ♀ XY

Determinazione del sesso e teoria cromosomica La scoperta del meccanismo di determinazione del sesso in drosofila ha confermato la teoria cromosomica: Il fenotipo di un organismo (in questo caso il sesso) può essere determinato dall’aver ereditato un cromosoma piuttosto che un altro Nell’uomo la determinazione del sesso avviene come in Drosophila 23 paia di cromosomi: 22 paia di autosomi e 1 paio di cromosomi sessuali

I geni L’identificazione dei cromosomi sessuali è stata quindi la conferma della teoria cromosomica Ciò aprì però un altro problema: Ogni cromosoma contiene un carattere? Certamente no! La drosofila ha solo 4 cromosomi ma molti più caratteri Sutton propose quindi che in ogni cromosoma ci fossero molti geni regolanti più caratteri Sutton suggerì anche che i geni avessero loro loci specifici su ogni cromosoma

Come si fa a sapere in quale cromosoma mappa un certo gene Per i caratteri legati al sesso è abbastanza facile. Ora ti spiego come ho fatto Dott. T.H. Morgan (1866-1945) Come si fa a sapere in quale cromosoma mappa un certo gene

Il lavoro di Morgan Morgan si dedicò allo studio genetico della Drosophila. Nel 1909 si accorse che in una popolazione di D. tutti gli individui erano normalmente ad occhi rossi tranne uno, un maschio, con occhi bianchi Tutta la F1 era ad occhi rossi quindi l’allele per il colore degli occhi doveva essere recessivo L’incrocio della F1 dava una F2 con le attese proporzioni…3/4 rossi e ¼ bianchi

Qualche cosa in più… Gli individui ad occhi bianchi (1/4) erano solo maschi Morgan ritenne quindi che il gene per il colore degli occhi si trovasse sullo stesso cromosoma che determinava il sesso Questo gene è infatti nel cromosoma X mentre il cromosoma Y non lo ha Il maschio ha un solo cr X e se questo porta l’allele recessivo, il fenotipo sarà comunque recessivo perché non c’è nessun allele dominante a mascherarlo La femmina ha 2 cr X e per avere gli occhi bianchi entrambi i cr devono essere recessivi

I quadrati di Punnett

Caratteri legati al sesso I geni i cui loci mappano sul cr X sono detti legati al sesso I caratteri che ne deriva no sono detti legati al sesso Morgan identificò un’altra ventina di caratteri legati al sesso (forma delle ali, colore del corpo, forma delle setole)

Gruppi di associazione Quando geni diversi risiedono sullo stesso cromosoma si parla di gruppi di associazione I gruppi di associazione rappresentano spesso un’importante eccezione alla III legge di Mendel poiché non riescono a segregare in maniera indipendente Ma non è sempre così…

…ancora Morgan… Se un maschio di Drosophila con tre alleli recessivi che mappano sul cr X vengono incrociati con femmine omozigoti dominanti, la F1 dovrebbe essere tutta con fenotipo dominante mentre nella F2 ½ maschi dovrebbero essere dominanti e ½ recessivi Morgan condusse moltissimi esperimenti di tal tipo Occasionalmente trovò però delle eccezioni perché alcuni maschi avevano mescolato i caratteri dominanti e recessivi che mappavano sullo stesso cromosoma X

Il ruolo del Crossing-over Tale fenomeno è dovuto al fatto che a volte i gruppi di associazione possono separarsi Si parla di associazione incompleta Il fenomeno è dovuto al crossing-over Chiaramente la divisione dei gruppi di associazione è tanto più frequente quanto più lontani sono i loci sul cromosoma Geni che mappano su loci vicini difficilmente potranno dissociarsi

Bandeggio dei cromosomi Studiando le frequenze con cui avvengono i Crossing-over ed ora, soprattutto, grazie a più precisi studi di biologia molecolare, si possono mappare i cromosomi È possibile quindi stabilirle dove si trova il locus di uno specifico gene Tramite coloranti è poi possibile ottenere delle bande chiare e scure che identificano il gene sul cromosoma

Le mutazioni

L’eredità dell’informazione genica Generalmente i geni passano da generazione in generazione immutati La prole è geneticamente diversa dai genitori perché gli alleli vengono mescolati tramite la riproduzione sessuata non perché i geni cambiano nella loro sequenza nucleotidica Il crossing-over concorre ad aumentare la mescolanza dei geni all’interno dei cromosomi ma non ne altera la sequenza nucleotidica e quindi il prodotto proteico

Variazioni dell’informazione genetica Raramente si hanno però delle variazioni nell’informazione genetica Si parla di mutazioni che dipendono da errori nella replicazione del materiale genetico o da errori nella distribuzione dei cromosomi in meiosi od in mitosi

Tipologie di mutazioni Possono essere distinti 3 diversi tipi di mutazioni: Geniche: riguardano la sequenza nucleotidica dei geni interessati Cromosomiche: riguardano il numero di cromosomi Genomiche: riguardano l’intero patrimonio cromosomico

Mutageni In natura le mutazioni sono estremamente rare Esistono però agenti di varia natura che possono aumentarne la frequenza Questi agenti sono detti mutageni e sono di più tipi: Agenti fisici: alte temperature, radiazioni ionizzanti Agenti chimici: sostanze varie Agenti biologici: alcuni virus (modalità complesse, non sempre certe e non sempre chiare)

Mutazioni Cromosomiche Dipendono da un’errata migrazione dei cromosomi durante la meiosi Lo zigote che si formerà avrà un numero di cromosomi totale alterato Uno dei motivi è la non disgiunzione dei cromosomi omologhi nella I divisione meiotica: 2 gameti avranno 1 cromosoma in più e 2 gameti 1 cromosoma in meno Oppure dalla non disgiunzione dei cromatidi fratelli nella II divisione meiotica: 1 gameti avrà 1 cromosoma in più e 1 gameti 1 cromosoma in meno

Non disgiunzione degli omologhi

Non disgiunzione dei cromatidi fratelli

Monosomia e Trisomia Solitamente le monosomie non sono compatibili con la vita perché il nuovo organismo sarà completamente privo dell’informazione contenuta in un intero cromosoma e potrà manifestare geni recessivi nell’unico cromosoma rimasto. Tra le trisomie la 21 è quella che dà il mongolismo

…altre mutazioni cromosomiche Un’altra tipologia di mutazioni cromosomiche è data dal riarrangiamento cromosomico Occasionalmente un pezzo di cromosoma si stacca e va perso nel citoplasma e con esso l’informazione contenuta nel frammento di cromosoma…ciò è detto delezione (delez. In cr. 5 = malattia del pianto del gatto: bambino ritardato con testa piccola con pianto simile ad un miagolio; morte subito dopo la nascita o nella prima infanzia) In altri casi il frammento può attaccarsi ad un cromosoma non omologo…traslocazione

Traslocazione

Effetto delle Traslocazioni Se le traslocazioni riguardano la meiosi, alcuni gameti avranno una parte della informazione genetica mancante altri doppia Comunque non si osserva una perdita o un acquisto di informazioni genetiche riguardanti un intero gene È per questo che possono essere meno drastiche rispetto alle non disgiunzioni Molto dipende però dal sito del taglio e da quello del riaggancio perché ciò può modificare la regolazione di alcuni geni secondo modalità non ancora note portando a gravi malattie ( es.: leucemia mieloide cronica)

Altre tipologie di mutazioni cromosomiche

Mutazioni genomiche Sono determinate da un numero abnorme di tutti i cromosomi del genoma Ciò si verifica quando ad esempio non si verifica la II divisione meiotica In tal caso il gamete sarà diploide e lo zigote che si ottiene dopo la fecondazione sarà triploide (3n) Occasionalmente si possono fecondare due gameti diploidi ottenendo uno zigote tetraploide (4n)

Le poliploidie Organismi con numero alterato di tutti i cromosomi (3n; 4n) sono detti poliploidi Le poliploidie sono normalmente incompatibili con la vita animale e quindi letali Sono invece piuttosto frequenti tra i vegetali che addirittura sono a volte più resistenti e più grandi dei corrispettivi diploidi, producendo frutti anch’essi più grandi. Ciò viene sfruttato in agronomia

Mutazioni geniche Sono mutazioni che avvengono all’interno della sequenza nucleotidica di un gene Questi tipi di mutazioni possono determinare o la sostituzione di un aa con un altro all’interno della proteina (cosa che può essere più o meno grave a seconda dei casi) o addirittura lo sfasamento di tutto il codice di lettura delle triplette con conseguenze spesso gravissime

Varie tipologie di mutazioni geniche Mutazioni puntiformi Delezioni Inserzioni

Mutazioni puntiformi Una base azotata è sostituita da un’altra Ciò può determinare la codificazione di un aa in luogo di quello che normalmente dovrebbe esserci nella sequenza aminoacidica della prot. Questo può avere un modesto effetto fenotipico (molti allei recessivi studiati da Morgan derivavano da mut puntiformi) A volte si hanno però gravi effetti: La sostituzione dell’Acido Glutammico con la Valina nella emoglobina la rende piuttosto “appiccicosa” . Per questo essa tende a precipitare determinando una forma a falce del g.r….anemia falciforme

Inserzioni e delezioni Inserzione: un nucleotide viene erroneamente inserito nella sequenza nucleotidica Sfasamento del modulo di lettura Delezione: un nucleotide viene perso nella sequenza nucleotidica Entrambe possono portare ad una proteina inutile oltre che causare la mancata produzione della proteina invece necessaria. Problemi (spesso gravi) di vario tipo; es.: se la prot. prevista è un enzima = problemi ai metabolismi

Mutazioni geniche

Valore delle mutazioni Molto dipende dalle cellule interessate dalla mutazione: Cellule somatiche: la mutazione interessa l’individuo e non la prole. Possibili conseguenze= neoplasie Gameti: la mutazione viene trasmessa alla prole. Nel figlio può essere bilanciata dal gene “selvaggio” (sano) del cromosoma omologo Se alcune mutazioni sono dannose altre hanno scarso o nullo significato: vi sono poi mutazione benefiche che portando alla comparsa di nuovi caratteri hanno determinato i processi evolutivi