I MOTORI
DELL’EVOLUZIONE
PT1
POMERIGGIO DI AGGIORNAMENTO 23.03.2011
PROF. M.A. ZORDAN, Ph.D
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA
1
GREGOR MENDEL
1822-1884
2
2
Grandi navigatori
3
3
Rotte commerciali per le Indie: 1400-1500
4
4
Brno- Impero Austro-Ungarico
(1800)
• Centro dell’industria tessile di tutto il centro
Europa.
• Importanza della lana: produzione + lavorazione
• Produttori di lana competitori (p.es. Spagna)
– miglioramento della produzione quantitiva e qualitativa
per mezzo di selezione artificiale.
• Necessita’ di comprendere i meccanismi coinvolti
nella selezione artificiale.
5
5
Discorso dell’abate Napp del Monastero di
Brno:
In occasione di una riunione della Società
Pomologica ed Enologica di Brno di cui era il
presidente
”Un giorno il mondo potrebbe essere in
debito con la città di Brno per i suoi
contributi ai meccanismi dell’ereditarietà,
allo stesso modo che e’ in debito con
Isacco Newton per i suoi contributi alla
Fisica."
6
6
LE LEGGI DI MENDEL
7
7
Le leggi di Mendel
dell’ereditarietà
• Gregor Johann Mendel (1822-1884) viene
considerato il padre della Genetica
• Il suo successo viene in parte attribuito a:
– la sua esperienza giovanile di giardiniere
• che gli ha insegnato l’importanza della precisione e dell’attenzione
per i dettagli
– la sua esperienza universitaria in fisica e scienze naturali
• che gli ha insegnato a vedere il mondo come un posto governato
dalle leggi naturali
– Queste leggi possono essere formulate matematicamente
8
8
Le leggi di Mendel
dell’ereditarietà
• Mendel era un monaco austriaco
• Egli ha condotto i suoi studi fondamentali in
un piccolo campo di 35 x 7 metri nell’orto
del suo monastero
• Dal 1856 al 1864 egli ha eseguito centinaia
di incroci
• E ha tenuto un registro accurato che
comprendeva un’analisi quantitativa
9
9
Le leggi di Mendel
dell’ereditarietà
• Il suo lavoro, intitolato “Esperimenti sugli ibridi
delle piante” fu pubblicato nel 1866
• E venne ignorato per 34 anni
• Probabilmente perché
– era stato pubblicato su una rivista sconosciuta
– non si conosceva la trasmissione dei cromosomi
10
10
Mendel sceglie la pianta di pisello
come modello sperimentale
• Ibridazione
– L’incrocio o accoppiamento tra due individui che
hanno caratteristiche diverse
• Piante con fiore porpora X piante con fiore bianco
• Ibrido
– La progenie che deriva da questo incrocio
11
11
Mendel sceglie la pianta di
pisello come modello
sperimentale
• Mendel sceglie il pisello da orto (Pisum sativum) per
studiare le leggi naturali che governano l’ibridazione
delle piante
• La pianta di pisello presentava questi vantaggi
– 1. Erano disponibili diverse varietà con caratteristiche
distinte
– 2. La sua organizzazione consentiva di condurre facilmente
incroci in cui i parentali potevano essere controllati
12
12
Mendel sceglie la pianta di pisello
come modello sperimentale
• Mendel eseguì due tipi di incroci
– 1. Autofecondazione
• Il polline e la cellula uovo derivano dalla stessa
pianta
– 2. Fecondazione incrociata
• Il polline e la cellula uovo derivano da piante diverse
13
13
14
14
Mendel studiò sette caratteri
trasmessi da linee pure
• Le caratteristiche morfologiche di un
organismo vengono definite caratteri
• Una varietà che produce la stessa
caratteristica lungo diverse generazioni
viene definita linea pura
15
15
I sette caratteri studiati da Mendel
16
16
Gli esperimenti di Mendel
• Mendel non aveva un’ipotesi per spiegare la
formazione degli ibridi
– Però riteneva che un’analisi quantitativa poteva
fornire una relazione matematica
• Questo si definisce approccio empirico
– E consente di dedurre delle leggi empiriche
17
17
Gli esperimenti di Mendel
• Mendel studiò sette caratteri
• Nella stessa specie, ciascun carattere presentava
due varianti o forme
– Le varianti dell’altezza delle piante erano: piante alte e
piante nane
• Nei suoi primi esperimenti egli incrociò solo due
varianti di un carattere alla volta
– Questo si definisce un incrocio monoibrido
18
18
19
19
I risultati degli incroci monoibridi
20
20
21
21
Interpretare i dati
• Per ciascuno dei sette caratteri studiati
– 1. La generazione F1 mostra uno solo dei
caratteri parentali
– 2. La generazione F2 mostra un rapporto di
circa 3:1 tra i due caratteri parentali
• Questi risultati confutano il meccanismo di
eredità per mescolamento
22
22
Interpretare i dati
• Invece, i dati suggeriscono una modalità di eredità
particolata
• Mendel postulò quanto segue:
– 1. Una pianta contiene due fattori ereditari discreti, uno
per ciascun parentale
– 2. I due fattori possono essere identici o meno
– 3. Se i due fattori sono diversi:
• Uno è dominante e il suo effetto è visibile
• L’altro è recessivo e non è espresso
– 4. Durante la formazione dei gameti, la coppia di fattori
segrega casualmente.
• Metà dei gameti riceve un fattore e metà riceve l’altro
• Questa è la prima legge di Mendel
23
23
24
24
•E adesso introduciamo qualche termine:
–I fattori mendeliani oggi si chiamano geni
–Gli alleli sono versioni diverse dello stesso gene
–Un individuo con due alleli identici viene definito
omozigote
–Un individuo con due alleli diversi viene definito
eterozigote
–Il genotipo definisce la composizione allelica di un
individuo
–Il fenotipo si riferisce all’aspetto esteriore di un
individuo
25
25
IL QUADRATO DI
PUNNETT
26
26
Il quadrato di Punnett
• Il quadrato di Punnett è una tabella che permette di
prevedere il risultato di incroci genetici
– E’ stato proposto dal genetista inglese Reginald Punnett
• L’approccio basato sul quadrato di Punnett verrà
illustrato con l’esempio dell’incrocio di piante alte
eterozigoti
27
27
Il quadrato di Punnett
• 1. Scrivi i genotipi dei due parentali
– Parentale maschile = Tt
– Parentale femminile = Tt
• 2. Scrivi i possibili gameti che possono
essere prodotti da ciascun parentale
– Parentale maschile: T oppure t
– Parentale femminile: T oppure t
28
28
Crea un quadrato di Punnett e riempilo
con i possibili genotipi della progenie
29
29
– 4. Determina le proporzioni relative dei
genotipi e fenotipi della progenie
– Rapporti genotipici
TT :Tt : tt
1 :2 :1
– Rapporti fenotipici
Alto : nano
3 :
1
30
30
GLI ESPERIMENTI DI
MENDEL
31
31
Gli esperimenti di Mendel
• Mendel eseguì anche degli incroci diibridi
– Incrociando cioè delle piante che differivano per due
caratteri
• Per esempio:
– Carattere 1 = Aspetto del seme (liscio o rugoso)
– Carattere 2 = Colore del seme (giallo o verde)
• Esistono due diverse modalità di trasmissione di
questi caratteri
32
32
33
33
34
34
I risultati dell’incrocio diibrido
35
35
36
36
Interpretare i dati
• La generazione F2 contiene semi con nuove
combinazioni (non presenti nei parentali)
– rugosi e gialli
– lisci e verdi
• Queste sono combinazioni ricombinanti
• La loro osservazione contraddice il modello di
assortimento associato
37
37
•Se i geni assortiscono indipendentemente
–Il rapporto fenotipico predetto nella generazione F2
sarebbe 9:3:3:1
Rapporto
9, 8
3,2
3,4
1,0
38
38
•I dati di Mendel erano molto vicini ai valori attesi
•Perciò egli propose la seconda legge
(dell’assortimento indipendente)
–Durante la formazione dei gameti, la segregazione di
ciascuna coppia di fattori è indipendente da quella di
altre coppie di fattori
39
39
LA GENETICA
MODERNA
40
40
La Genetica moderna
• I genetisti di oggi si interessano spesso alla
relazione tra manifestazione dei caratteri e
l’espressione molecolare dei geni
• Essi usano i seguenti approcci
– Identificare un individuo con una copia
difettosa di un gene
– Osservare in che modo questa copia potrà
influire sul fenotipo dell’organismo
41
41
La Genetica moderna
• Le copie difettose sono chiamate alleli con perdita
di funzione
• Senza saperlo Mendel aveva usato molti alleli di
questo tipo nei suoi studi sulle piante di pisello
• Gli alleli con perdita di funzione vengono ereditati
comunemente con modalità recessiva
42
42
• L’eredità mendeliana descrive le modalità di
trasmissione che obbediscono alle due leggi di
Mendel
• L’eredità mendeliana semplice riguarda:
– Un singolo gene con due diversi alleli
– Alleli che mostrano delle relazioni semplici di
dominanza/recessività
43
43
• Gli alleli prevalenti in una popolazione sono
definiti selvatici (o wildtype)
– Tipicamente codificano proteine che
• Funzionano normalmente
• Sono prodotte nelle quantità regolari
• Gli alleli che hanno subito una modificazione
(mutazione) sono chiamati mutanti
– Essi tendono a essere rari nelle popolazioni naturali
– E’ probabile che causino una riduzione nella quantità o
funzione della proteina codificata
– Sono spesso trasmessi con modalità recessiva
44
44
•
Consideriamo per esempio i caratteri
studiati da Mendel
Allele selvatico (dominante)
Allele mutante (recessivo)
Fiore porpora
Fiore bianco
Fiore assiale
Fiore terminale
Semi gialli
Semi verdi
Semi lisci
Semi rugosi
Baccelli semplici
Baccelli concamerati
Baccelli verdi
Baccelli gialli
Piante alte
Piante nane
• O un altro esempio da Drosophila
Allele selvatico (dominante)
Allele mutante (recessivo)
Occhi rossi
Occhi bianchi
Ali normali
Ali ridotte (miniature)
45
45
• Le malattie genetiche sono causate da alleli mutanti
• In molte malattie genetiche la mutazione è in un allele recessivo
– L’allele non può produrre una proteina pienamente funzionale
46
46
• Nelle relazioni semplici di dominanza/recessività
l’allele recessivo non influisce sul fenotipo
dell’eterozigote
– 1. 50% della proteina normale è sufficiente per dare il
fenotipo normale
– 2. L’eterozigote è in grado di produrre più proteina
dall’allele normale per compensare la mancanza di
funzione dell’allele mutante
47
47
48
48
LA DOMINANZA
INCOMPLETA
49
49
Dominanza incompleta
• Nel caso della dominanza incompleta
l’eterozigote mostra un fenotipo intermedio a
quello dei due omozigoti
• Per esempio:
– Il colore del fiore nella bella di notte
– Due alleli
• CR = allele per il colore rosso
• CW = allele per il colore bianco
50
50
In questo caso non
basta il 50% della
proteina CR per
produrre il fenotipo
rosso
Non si osserva il
rapporto fenotipico di
tipo 3:1 bensì un
rapporto 1:2:1
51
51
Dominanza incompleta
• Definire un carattere dominante o dominante
incompleto può dipendere da quanto lo esaminiamo da
vicino
• Per esempio, rispetto alla forma del seme di pisello
– Mendel aveva concluso dall’esame esteriore che
• I genotipi RR e Rr producono piselli lisci
• Il genotipo rr produce piselli rugosi
– Ma l’esame microscopico dimostra che non tutti i piselli lisci
sono uguali!
52
52
53
53
EFFETTI AMBIENTALI
SULL’ESPRESSIONE
GENICA
54
54
• Il mantello himalaiano: un esempio di allele
condizionale temperatura-sensibile
– L’enzima codificato da questo gene funziona solo alle
basse temperature
• Quindi, la pelliccia è colorata solo nelle aree più fredde del
corpo
• Questo si osserva anche nel caso dei gatti siamesi
55
55
EFFETTI AMBIENTALI SULL’ESPRESSIONE GENICA:
TEMPERATURA
56
56
ALLELI LETALI
57
57
Alleli letali
• I geni essenziali sono quelli assolutamente necessari
per la sopravvivenza
– La mancanza dei loro prodotti proteici portano a un
fenotipo letale
• Si stima che circa 1/3 di tutti i geni siano essenziali
• I geni non essenziali sono quelli assolutamente non necessari per la
sopravvivenza
• Un allele letale ha la potenzialità di provocare la
morte dell’organismo
– Si tratta tipicamente di alleli che derivano da mutazioni di
geni essenziali
– Normalmente sono ereditati con una modalità recessiva
58
58
• Molti allelli letali impediscono la divisione
cellulare
– Uccidono l’organismo in età precoce
• Alcuni alleli manifestano i loro effetti letali tardivamente
– Malattia di Huntington
• Caratterizzata da una progressiva degenerazione del sistema nervoso
e demenza
• L’età di insorgenza della malattia è tra 30 e 50 anni
• Gli alleli letali condizionali possono esercitare il loro
effetto solo a certe condizioni ambientali
– Gli alleli letali temperatura sensibili (ts)
• Una larva di Drosophila può morire a 30° C
• Ma sopravvive se allevata a 22° C
59
59
INTERAZIONI
GENICHE
60
60
Interazioni geniche
• Le interazioni geniche avvengono quando due o
più geni influenzano la manifestazione di un singolo
carattere
• Infatti, i caratteri morfologici come altezza, peso e
pigmentazione sono dovute a numerosi geni in
combinazione con fattori ambientali
61
61
Interazioni geniche
62
62
• Esistono decine di geni che possono influenzare
caratteri complessi quale l’altezza. Consideriamo
alcuni casi che coinvolgono una coppia di geni con due
alleli ciascuno.
• Gli incroci possono venire illustrati dallo schema
generale
– AaBb X AaBb
• Dove A è dominante su a e B è dominante su b
• Se questi due geni controllano due diversi caratteri
– Si prevede un rapporto fenotipico 9:3:3:1 nella progenie
• Se però i due geni controllano lo stesso carattere
– Questo rapporto non verrà osservato
63
63
Si definisce epistasi il fenomeno per cui gli alleli di un gene
mascherano gli effetti fenotipici degli alleli di un altro gene
– L’epistasi va considerata relativamente a un particolare fenotipo
• Nota:
– Le leggi di Mendel restano valide in presenza di epistasi! Anche
se i fenotipi sono mascherati i rapporti genotipici sono
mantenuti
64
64
• Le interazioni epistatiche si devono spesso al fatto
che due (o più) proteine diverse partecipano a una
funzione cellulare comune
– Per esempio una stessa via metabolica
L’allele recessivo c codifica
un enzima inattivo
L’allele recessivo p codifica
un enzima inattivo
65
65
• Nell’esempio del colore del fiore del pisello dolce due linee
pure mutanti con identico fenotipo generano una progenie F1
a fenotipo selvatico
• Questo è l’effetto della complementazione
– La complementazione si deve al fatto che le mutazioni che
producono lo stesso fenotipo cadono in geni differenti
Mutazioni che inattivano l’uno
o l’altro dei due enzimi
Risultano nello stesso fenotipo
66
66
RIDONDANZA
GENICA
67
67
Ridondanza genica
• I genetisti hanno sviluppato delle tecniche che
consentono di generare degli alleli con perdita di
funzione
• Questo è l’approccio del gene knockout che
consente di definire gli effetti del gene su struttura
o funzione dell’organismo
• E’ interessante notare che molti organismi
knockout non presentano un fenotipo evidente
68
68
Ridondanza genica
• Questo effetto può essere dovuto alla ridondanza
genica che significa che un gene può compensare la
perdita di funzione di un altro
– Per esempio può essere dovuta a duplicazione genica
– I geni duplicati sono definiti paraloghi
• Essi non sono identici perché ciascuno ha accumulato una
serie di mutazioni
69
69
