La GENETICA CLASSICA LEZIONE N. 2A BIOLOGIA slide N. 43 LEZIONE N. 2A slide N. 43 ESERCIZI slide N. 12 - 39 La GENETICA CLASSICA IV Liceo SCIENZE APPLICATE Prof. Fabrizio CARMIGNANI fabcar@hotmail.it www.fabriziocarmignani.com IISS “Mattei” – Rosignano S. (LI) Slide N. 54

OLTRE LE LEGGI di MENDEL MODERNA TEORIA CROMOSOMICA dell’EREDITARIETA’ INDICE: OLTRE LE LEGGI di MENDEL MODERNA TEORIA CROMOSOMICA dell’EREDITARIETA’

OLTRE le LEGGI di MENDEL

La DOMINANZA INCOMPLETA produce FENOTIPI INTERMEDI Agli inizi del 1900, vari genetisti, riprendendo il lavoro di MENDEL (aveva lasciato appunti minuziosi su tutti i suoi incroci e risultati) evidenziarono situazioni di incroci i cui risultati si discostavano da quelli ottenuti da MENDEL stesso e riassunti nelle sue 2 leggi. Questi nuovi casi “diversi” sono: 1. DOMINANZA INCOMPLETA La DOMINANZA INCOMPLETA produce FENOTIPI INTERMEDI Le leggi di MENDEL sono valide per tutte le specie con riproduzione sessuata ma, spesso, il GENOTIPO non determina il FENOTIPO nel modo semplice e lineare descritto dalle sue leggi

Per alcuni caratteri, si osserva che gli ibridi F1 possiedono fenotipi che sono una «via di mezzo» tra le 2 linee parentali: questo effetto è chiamato DOMINANZA INCOMPLETA Generazione P Generazione F1 Generazione F2 ROSSO RR GAMETI  BIANCO rr GAMETI MASCHILI FEMMINILI Rosa Rr R r Rosso rR Bianco 1 2 Es.1) Dominanza incompleta nelle piante di BOCCA di LEONE GENOTIPI AA OMOZIGOTE capacità sintetizzare recettori LDL Aa ETEROZIGOTE aa incapacità FENOTIPI LDL Recettore LDL Cellula INDIVIDUO SANO AMMALATO NON GRAVE GRAVEMENTE Dominanza incompleta IPERCOLESTEROLEMIA umana Es.2) LDL: Low Density Lipoprotein Proteine trasportatrici di COLESTEROLO “cattivo”

2. ALLELIA MULTIPLA Molti geni possiedono più di 2 varianti (alleli) che regolano uno stesso carattere e questa situazione è chiamata: ALLELIA MULTIPLA Nel caso di alleli multipli, all’interno della popolazione, esistono più di 2 alleli, ma ogni individuo, ovviamente, ne ha sempre 2 in quanto i geni (alleli) stanno sui cromosomi e questi sono sempre in coppia Un classico esempio di ALLELIA MULTIPLA è quello relativo ai GRUPPI SANGUIGNI UMANI

Gruppi SANGUIGNI UMANI (Sistema ABO) I 4 gruppi sanguigni umani (A,B,AB ,O) sono il risultato di diverse combinazione di 3 differenti ALLELI: IA , IB e i. Gli alleli IA e IB sono CODOMINANTI (stessa forza) e sono espressi entrambi nel fenotipo, mentre i è l’allele recessivo FENOTIPI gruppi sanguigni GENOTIPI ANTICORPI presenti nel PLASMA Reazione tra sangue dei gruppi sottostanti e anticorpi dei gruppi sanguigni delle colonne a sinistra O A B AB O DONATORE UNIVERSALE A B AB ACCETTORE ii IAIA - IAi IBIB - IBi IAIB Anti-A Anti-B — COMPATIBILITA’ tra GRUPPI sanguigni umani

3. CODOMINANZA E’ un evento genetico che si riscontra quando 2 alleli si manifestano entrambi in modo completo, e quindi entrambi sono riconoscibili negli eterozigoti, dal punto di vista del fenotipo Si manifesta negli individui DIPLOIDI o POLIPLOIDI Un individuo diploide (es. uomo) è dotato di un doppio assetto cromosomico, i 2 cromosomi di una stessa coppia cromosomica porteranno 2 alleli (uno per ogni cromosoma) per uno stesso gene. Gli alleli possono essere uguali e dominanti (omozigote dominante), uguali e recessivi (omozigote recessivo) o diversi (eterozigote) Nell'eterozigote un allele (dominante) può prevalere sull'altro (recessivo) ed il fenotipo è determinato solo da un allele (quello dominante). In alcuni casi la dominanza può non essere completa ed in altri casi si può manifestare la CODOMINANZA: entrambi gli alleli si manifestano nel fenotipo

4. PLEIOTROPIA (EFFETTO PLEIOTROPICO) Un singolo GENE può avere effetto su più di un carattere fenotipico e questo è detto PLEIOTROPIA o EFFETTO PLEIOTROPICO Individuo MALATO: OMOZIGOTE ma anche ETEROZIGOTE (forma più lieve) L’emoglobina anomala cristallizza e fa assumere ai globuli rossi la forma di falce Es. malattia genetica: ANEMIA FALCIFORME Cellule FALCIFORMI Demolizione globuli rossi cellule falciformi si accumulano ostruendo i vasi sanguigni più piccoli Accumulo di cellule falciformi nella milza Debolezza Anemia Danni cuore Dolori e febbre cervello altri organi milza Calo delle funzioni mentali Paralisi Polmonite e alte infezioni Reumatismi Insufficienza renale 5,555 Sintomi ANEMIA FALCIFORME : effetti multipli di un singolo GENE

Frequenza nella popolazione 5. EREDITA’ POLIGENICA Un solo CARATTERE può essere influenzato da molti GENI Generazione P Generazione F1 Generazione F2 Gameti maschili Gameti femminili aabbcc (molto chiara) AABBCC scura) AaBbCc  1 8 64 6 15 20 COLORE della PELLE Frequenza nella popolazione EREDITARIETÀ POLIGENICA crea un continuum di FENOTIPI EREDITA’ POLIGENICA per il COLORE della PELLE nella specie umana QUADRATO di PUNNET

TEST CROSS (REINCROCIO) I genetisti usano il TEST CROSS per determinare i GENOTIPI sconosciuti Il TESTCROSS o REINCROCIO rappresenta un incrocio tra un individuo con genotipo sconosciuto e un individuo omozigote recessivo (quindi con fenotipo evidente), può determinare il genotipo sconosciuto N? nn  GENOTIPI TEST CROSS: per determinare il GENOTIPO di un LABRADOR nero 2 possibili genotipi del cane nero oppure NN Nn GAMETI n N N n Nn n Nn nn PROLE Tutti neri 1 nero : 1 marrone

OLTRE le LEGGI di MENDEL DOMANDE per ripassare OLTRE le LEGGI di MENDEL Con un esempio, spiega il fenomeno della dominanza incompleta Descrivi il caso di allelia multipla facendo riferimento ai gruppi sanguigni umani Cosa si intende per effetto pleiotropico o pleiotropia? Facendo riferimento al colore della pelle umana descrivi il fenomeno dell’eredità poligenica Perché i genetisti ricorrono alla tecnica del test cross? In che cosa consiste?

B. MODERNA TEORIA CROMOSOMICA dell’EREDITARIETA’

PIANTE: Pisello odoroso INSETTI: Moscerino della frutta Elenco dei principali organismi viventi usati, in ordine cronologico, dai genetisti per compiere le loro ricerche: PIANTE: Pisello odoroso INSETTI: Moscerino della frutta BATTERI: Escherichia coli

Usata da Gregor MENDEL a metà del 1800. Ciclo vegetativo: 2-3 mesi Pisello odoroso Circa 1850 Lathyrus odoratus Pianta rampicante Fam. Papilionacee Usata da Gregor MENDEL a metà del 1800. Ciclo vegetativo: 2-3 mesi

2) Moscerino della frutta circa 1910 Drosophila melanogaster Classe: INSETTI Ordine: DIPTERA Usata da T.H. MORGAN nei primi del 1900 Ciclo vitale: circa 15 giorni

Usato dai genetisti attuali Ciclo vitale: alcune decine di minuti 3) BATTERI Escherichia coli circa 2000 Batterio a bacillo Usato dai genetisti attuali Ciclo vitale: alcune decine di minuti

BASI CROMOSOMICHE dell’EREDITARIETÀ Il comportamento dei cromosomi , scoperti successivamente al lavoro di MENDEL, conferma le sue leggi La moderna TEORIA CROMOSOMICA dell’EREDITARIETA’ sostiene che i GENI sono localizzati sui cromosomi e che il comportamento di questi ultimi durante la MEIOSI e la FECONDAZIONE conferma i modelli di ereditarietà noti Quindi, effettivamente, sono i CROMOSOMI che, durante la MEIOSI, vanno incontro alla segregazione e all’assortimento indipendente, e questo è in accordo con le 2 leggi di Mendel

Le BASI CROMOSOMICHE delle LEGGI di MENDEL Tutti i semi sono lisci e gialli METAFASE I (2 possibili disposizioni) ANAFASE I METAFASE II GAMETI Generazione F1 Generazione F2 Rapporto FENOTIPICO Fecondazione tra piante F1 L g G l : 3 : 1 ¼ LG ¼ lg ¼ lG ¼ Lg 9 LlGg MEIOSI Coppie di ALLELI su cromosomi diversi

Come abbiamo già visto la seconda legge di MENDEL (dell’ASSORTIMENTO INDIPENDENTE) è verificata solo se le coppie di ALLELI si trovano su coppie di cromosomi diversi Questa situazione , ovviamente, NON si verifica sempre e quindi occorre dire che MENDEL…. ebbe fortuna perché gli ALLELI dei caratteri che lui considerò delle piante di Pisello odoroso, sicuramente si trovavano su coppie di cromosomi diversi che quindi segregavano (si dividevano) una indipendentemente dall’altra Ma cosa accade quando 2 coppie di alleli si trovano sullo stesso cromosoma??? GENI ASSOCIATI

GENI ASSOCIATI: meccanismo dell’ereditarietà I geni localizzati uno vicino all’altro sullo stesso cromosoma sono detti GENI ASSOCIATI e tendono ad essere ereditati insieme Spiegazione: i geni sono associati Cellule F1 diploidi VvAa Gameti più frequenti Prole più frequente femminili MEIOSI FECONDAZIONE Gameti maschili va VA 3 piante fiori viola e polline allungato 1 pianta fiori rossi e polline rotondo Fiore VIOLA POLLINE ALLUNGATO FIORE ROSSO POLLINE ROTONDO vvaa P VVAA VvAa F1 VvAa  VvAa NUMERO REALE DISCENDENTI su 381 piante NUMERO PREVISTO (9:3:3:1) FENOTIPI Fiori viola polline allungato Fiori viola polline rotondo Fiori rossi polline allungato Fiori rossi polline rotondo 284 21 55 215 71 24 F2 Esperimento sui piselli di: BATESON e PUNNET

Il CROSSING-OVER si verifica nella profase della MEIOSI I GAMETI Come si vedrà più avanti, solo un meccanismo che avviene durante la MEIOSI e chiamato CROSSING-OVER può riuscire a dividere i GENI ASSOCIATI creando nuovi assortimenti di alleli che non esistevano nei genitori, mediante uno scambio di pezzi tra i cromatidi interni delle TETRADI Il CROSSING-OVER si verifica nella profase della MEIOSI I Divisione di GENI ASSOCIATI e formazione di GAMETI RICOMBINANTI A B a b TETRADE CROSSING-OVER Profase I GAMETI GAMETI RICOMBINANTI

A) ESPERIMENTI di Thomas Hunt MORGAN (Drosophila melanogaster) sul CROSSING-OVER Thomas Hunt MORGAN si dedicò allo studio dell'ereditarietà, adottando come sistema di riferimento il: MOSCERINO della FRUTTA (Drosophila melanogaster) Gli esperimenti del suo gruppo, che diverrà famoso come "gruppo della drosofila", concentrarono l'attenzione sui cromosomi nel corso della METAFASE (dove sono visibili come unità separate) ed ipotizzarono l'esistenza fisica dei GENI e la loro disposizione lineare sui cromosomi: TEORIA CROMOSOMICA dell'EREDITÀ Questo presupposto metodologico si è rivelato di grande valore, consentendo l'interpretazione dell'assortimento dei caratteri mendeliani e l'osservazione di importanti fenomeni come il CROSSING OVER (ricombinazione)

Come abbiamo già detto agli inizi del 1900, l’embriologo Thomas Hunt MORGAN ed i suoi collaboratori, condussero alcuni dei primi studi sul crossing-over utilizzando per molti esperimenti, il moscerino della frutta Drosophila melanogaster insetto comune intorno alla frutta, si alleva in piccoli contenitori, si nutre di una miscela di farina di mais, zucchero e lievito e produce centinaia di discendenti in poche settimane infatti ha un ciclo vitale molto breve di circa 15 giorni Gli esperimenti di MORGAN dimostrarono il ruolo del crossing-over nell’ereditarietà

Esperimento di MORGAN sui moscerini della frutta Corpo grigio e ali lunghe GgLl FEMMINA ETEROZIGOTE  Corpo nero e ali corte ggll MASCHIO OMOZIGOTE RECESSIVO PROLE ali lunghe 965 944 206 185 ali corte Fenotipi parentali Fenotipi ricombinanti Frequenza di RICOMBINAZIONE = = 0,17 (17%) 391 ricombinanti 2300 prole totale SPIEGAZIONE GgLl (femmina) ggll (maschio) G L g l Gameti femminili Gameti maschili PROLE GENI ASSOCIATI GgLl ggll Ggll ggLl

I genetisti usano il crossing-over per la MAPPATURA dei geni MORGAN ed i suoi allievi (Alfred Henry STURTEVANT) per primi, usarono i dati relativi al crossing-over per la mappatura dei geni nella Drosophila Tanto più alta è la % di ricombinazioni e tanto più distanti saranno i geni (locus) sul cromosoma Diagramma originale del crossing-over di MORGAN e STURTEVANT

Le frequenze (%) del crossing-over (ricombinazione) possono essere usate per mappare le posizioni relative dei geni sui cromosomi e quindi per determinare i singoli LOCI. Queste tecniche rientrano nell’ingegneria genetica (BIOTECNOLOGIE) FENOTIPI MUTANTI ARISTE corte CORPO Nero (g) OCCHI Cinabro (c) ALI vestigiali (l) marroni lunghe Grigio (G) rossi (C) normali (L) FENOTIPI SELVATICI MAPPA GENICA ottenuta grazie ai dati del CROSSING-OVER CROMOSOMA g c l 9% 9,5% 17% FREQUENZA di ricombinazione MAPPA GENICA parziale di un cromosoma di DROSOPHILA

Cromosomi SESSUALI e caratteri legati al sesso In molte specie di organismi il sesso è determinato dai cromosomi Molti animali e gli esseri umani hanno una coppia di CROMOSOMI SESSUALI (chiamati X e Y) che determinano il sesso dell’individuo Nei MAMMIFERI, gli individui con un cromosoma X e un cromosoma Y (XY) sono di sesso maschile mentre quelli con 2 cromosomi XX sono di sesso femminile (Mentre per es. nella classe degli UCCELLI è il contrario: la femmina è eterogametica ZW ed il maschio monogametico ZZ)

Determinazione del sesso nella SPECIE UMANA (Mammifero) Il cromosoma Y ha un gene responsabile dello sviluppo dei TESTICOLI, scoperto nel 1990 e denominato SRY: sex-determining region of Y L’assenza del cromosoma Y permette lo sviluppo delle OVAIE MASCHIO FEMMINA Cellule Diploidi GENITORI SPERMATOZOO CELLULA UOVO PROLE (diploide) 44 + XY XX 22 X Y Determinazione del sesso nella SPECIE UMANA (Mammifero)

32 16 PIANTE e ANIMALI: altri sistemi di determinazione del sesso 22 + XX X CAVALLETTE Sistema XO 76 + ZW ZZ UCCELLI – PESCI FARFALLE Sistema ZW 32 16 API - FORMICHE Daterminazione del sesso in base al numero dei cromosomi

I geni legati al sesso vengono ereditati con modalità particolari Tutti i geni localizzati sui cromosomi sessuali sono detti legati al sesso In molti organismi, i geni legati al sesso non correlati con la determinazione delle caratteristiche sessuali si trovano più spesso sul cromosoma X, in quanto quello Y è molto piccolo (quasi vuoto, senza geni)

B) ESPERIMENTI di Thomas Hunt MORGAN sui CARATTERI LEGATI AL SESSO I moscerini venivano sottoposti ad agenti mutageni (raggi X), ma in un primo tempo i risultati non furono quelli sperati Nel 1910, tuttavia, comparve un unico individuo maschio con gli occhi bianchi in una popolazione interamente costituita da moscerini con gli occhi rossi Morgan decise di studiare questa variante e fece accoppiare il maschio "occhi bianchi" con le femmine "occhi rossi“ Nella prima generazione filiale (F1) tutti i moscerini avevano gli occhi rossi, ma incrociando tra loro i moscerini della F1, nella seconda generazione (F2), comparve il classico rapporto mendeliano di 3 rossi : 1 bianco 1 2

FEMM.NA ETER. OCCHI ROSSI La modalità con cui vengono ereditati i geni legati al sesso è un modello di trasmissione ereditaria FEMM. OMOZ. OCCHI ROSSI X MASCHIO OCCHI BIANCHI FEMM.NA ETER. OCCHI ROSSI X MASCHIO OCCHI ROSSI FEMM. ETER. OCCHI ROSSI X MASCHIO OCCHI BIANCHI 1 2 3 FEMMINA MASCHIO Gameti maschili Xr Y XR Xr Y  XR XR XR Xr XR Y Gameti femminili R = allele «occhi rossi» r = allele «occhi bianchi» Xr XR X r Y XR X r Xr Xr FEMMINA MASCHIO F2 F1 Gameti femminili Gameti femminili

Questo indicava chiaramente che il carattere "occhi bianchi" doveva essere un carattere mendeliano recessivo, ma c’era un aspetto particolare: tutti gli individui della F2 che avevano gli occhi bianchi erano maschi Realizzando poi l’incrocio fra un maschio con gli occhi bianchi ed una femmina della F1, si otteneva di nuovo il rapporto previsto da Mendel, cioè 1 bianco:1 rosso (50%) ma questa volta con la stessa distribuzione nei due sessi, maschio e femmina 3

Drosophila melanogaster Nella DROSOFILA il colore bianco (allele RECESSIVO) degli occhi è un carattere legato al sesso OCCHI ROSSI OCCHI BIANCHI Drosophila melanogaster

EMOFILIA DALTONISMO MALATTIE EREDITARIE UMANE legate al SESSO Le malattie ereditarie umane legate al sesso colpiscono prevalentemente i MASCHI , questo perche, la maggior parte, sono determinate da alleli recessivi Nel maschio si manifesta subito la malattia con un solo allele recessivo malato (portato dal cromosoma X, il cromosoma Y è piccolo e non contiene quasi nessun gene) Nelle femmine (con 2 cromosomi uguali X) c’è sempre la possibilità che l’allele recessivo malato sia mascherato dall’allele sano dominante nella condizione di ETEROZIGOTE. Le femmine sono malate solo nella condizione di omozigoti recessivi Le principali malattie umane legate al sesso sono: EMOFILIA DALTONISMO

1) EMOFILIA 2) DALTONISMO Malattia genetica dove il sangue, in seguito a ferite, non riesce a coagulare, perché nel plasma (parte liquida del sangue) manca un fattore (PROTEINA VII -VIII) importante nel processo della coagulazione Esempio classico quello della REGINA inglese VITTORIA (1819-1901) che era una portatrice sana (eterozigote) ma che ha trasmesso l’allele recessivo malato ai regnanti di mezza Europa con i vari matrimoni tra discendenti delle famiglie reali Regina VITTORIA Alberto Alice Louis Alexandra Zar Nicola II ALEXIS FEMMINE PORTATRICI SANE MASCHIO MALATO EMOFILICO Trasmissione dell’EMOFILIA nella famiglia reale russa 2) DALTONISMO Consiste nell’inabilità a percepire i colori (del tutto o in parte). Fu il chimico inglese John DALTON a dare, nel 1794, una descrizione scientifica del DALTONISMO Si definisce daltonica la persona che non riesce a distinguere luci di diversa lunghezza d'onda I DALTONICI non riescono a leggere il numero 7 nel disegno

Differenze tra la ferita di un malato affetto da emofilia e di un individuo normale

Gli alleli recessivi legati al sesso che determinano alcune malattie sono localizzati sul cromosoma X Se un uomo eredita un solo allele recessivo dalla madre, questo allele si manifesterà In una donna il carattere recessivo si manifesta invece solo se sono presenti 2 copie dell’allele recessivo (ricevute da entrambi i genitori)

MODERNA TEORIA CROMOSOMICA dell’EREDITARIETA’ DOMANDE per ripassare MODERNA TEORIA CROMOSOMICA dell’EREDITARIETA’ Quali sono stati ,in linea di massima ed in ordine cronologico, i vari organismi viventi usati nei test genetici? Quale è stato il motivo principale di questi cambiamenti? Cosa prevede la moderna teoria cromosomica dell’ereditarietà? Che cosa sono i geni associati? Questi ,inevitabilmente, si trasmettono sempre insieme? Che cosa è il crossing-over e che cosa sono i chiasmi? Cosa può comportare durante la produzione dei gameti? Quali sono stati i primi genetisti a prospettare l’ipotesi di geni associati? E con quale esperimento? Cosa sono le mappe cromosomiche? Come vengono realizzate? Che cosa sono i cromosomi sessuali? Quale è la situazione della specie umana? E quella in altri animali? Che cosa sono i caratteri ereditari legati al sesso? Chi condusse i primi studi su questo argomento? Con quale materiale “vivente” lavorava? Fai un esempio di una malattia ereditaria umana legata al sesso

FINE della LEZIONE N. 2° La GENETICA CLASSICA Grazie per l’attenzione!!! E ricordatevi…… … Considerate la vostra semenza fatti non foste a viver come bruti ma per seguir virtute e canoscenza… DANTE ALIGHIERI La Divina Commedia, INFERNO, canto XXVI, 118-120 Prof. Fabrizio CARMIGNANI fabcar@hotmail.it www.fabriziocarmignani.com IISS “Mattei” – Rosignano S. (LI)