Gregor Johann Mendel (1822-1884)
Gli studi di Mendel costituiscono le basi della genetica moderna
Secondo Mendel , i genitori trasmettono ai figli “unità ereditarie discrete”
(quelli che ora noi sappiamo essere i “geni”) che determinano i “caratteri”
Mendel studiò come questi fattori (e quindi i caratteri) venivano trasmessi di
generazione in generazione
Le leggi di Mendel hanno una base cromosomica!
•
•
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•
Il successo di Mendel deriva da:
Approccio sperimentale con metodo rigoroso (matematico)
scelta di modello sperimentale azzeccato (piante facili da coltivare)
Uso di “linee pure” (omozigoti)
Studio di caratteri evidenti (determinati da geni singoli) e presenti in 2 forme
alternative
Tecnica di fecondazione controllata
Grazie a cui Mendel ottenne linee pure e controllò gli incroci
Genotipo: costituzione genetica complessiva dell’individuo
Fenotipo: manifestazione del genotipo
La denominazione “gene” è
posteriore a Mendel, che invece
parlava di “determinanti” e non
aveva idea che fossero presenti
sui cromosomi
nè che fossero fatti di DNA!
Condizione di dominanza e recessività
Alla F1 uno dei 2 fenotipi alternativi domina sull’altro, il tratto non
scompare : si ripresenta con ratio tipico (1/4) alla F2
Rapporto di dominanza/recessività per altri aspetti
(fenotipi)
Valutazione contemporanea di 2 caratteri diversi (es aspetto e colore del seme)
sono ereditati indipendentemente
Rapporto fenotipico nella F2 9:3:3:1 (rapporti 3:1 tipici, se considerati tratti singolarmente)
Le osservazioni di Mendel sono state reinterpretate e meglio comprese
alla luce della teoria cromosomica dell’ereditarietà (inizi ‘900):
i “fattori mendeliani” sono localizzati
fisicamente sui cromosomi (locus);
le cellule degli organismi diploidi hanno
coppie di cromosomi omologhi 2
copie di ogni gene
e quindi 2 forme alternative (alleli) per
uno stesso carattere
Omozigote (linea pura)- 2 alleli uguali
Eterozigote- 2 alleli diversi
Leggi di Mendel:
1) Legge della dominanza: in un eterozigote uno dei 2 alleli domina sull’altro
2) Legge della segregazione dei determinanti genetici (alleli): il rapporto
fenotipico della F2 per incrocio monoibrido si spiega solo ammettendo la
segregazione degli alleli alla formazione dei gameti
3) Legge dell’assortimento indipendente: in incroci di-ibridi i 2 caratteri
considerati sono ereditati indipendentemente l’uno dall’altro
Le leggi risultano più chiare considerando come i cromosomi (e quindi gli
alleli) si separano e riassortiscono durante la meiosi
Il quadrato di Punnet
è una rappresentazione grafica che
aiuta a predire le possibili
combinazioni degli alleli nei gameti
Definire le frequenze fenotipiche e
genotipiche
Regolarità e modalità di trasmissione “mendeliana” riscontrate anche in
altre specie, per vari caratteri
Es manto pelo mammiferi
Fenotipo scuro dominante,
Albino recessivo
Incrocio monoibrido tra linee pure
F1 tutta scura
F2 ricompare albino 25%
Come si definisce il genotipo di individuo con fenotipo dominante? (potrebbe
derivare da omozigote dominante o eterozigote)
Con il TEST CROSS: incrocio tra genotipo X e genotipo omozigote recessivo
Se 100% di progenie ha fenotipo dominate genotipo X era omozigote
Se 50% di progenie ha fenotipo dominante genotipo X era eterozigote
(in base a legge dominanza)
?
?
ESTENSIONI DELLA GENETICA MENDELIANA
Dominanza incompleta:
eccezione alla legge di Mendel!
Eterozigote della F1 ha fenotipo intermedio
Alla F2 ricompare fenotipo recessivo (25%)
e dominante (25%)
La legge della dominanza spesso indicata
come “legge dell’uniformità degli ibridi”,
visto che l’eterozigosi non sempre si
accompagna a dominanza completa
Mentre, in generale, gli ibridi (eterozigoti)
hanno sempre fenotipi uniformi
Codominanza: entrambi gli alleli sono espressi completamente
Nella codominanza l’eterozigote
mostra fenotipo che è somma dei 2
fenotipi alternativi
(es trifoglio, gruppi sangue)
presenza completa di entrambi I
prodotti genici
Invece,
nella dominanza incompleta
l’eterozigote ha fenotipo
intermedio che dipende da “metà
dose dell’allele dominante”
“diluizione” del prodotto genico
Il concetto di dominanza dipende dal livello fenotipico a cui la analizziamo:
Es eterozigosi per mutazione anemia falciforme (Hb e Hbs)
•Differenze a livello molecolare (proteina mutata e proteina wt)codominanza
•Differenze a livello cellulare (cellule a falce e normali) dominanza incompleta?
•No differenze a livello clinico sintomi solo in particolari condizioni (recessività?)
Caratteri dominanti
NB: Il tratto dominante non sempre
è il più diffuso!
Es lentiggini sono dominanti ma
poco diffuse
Lentiggini
Caratteri recessivi
Assenza di lentiggini
Attaccatura dei capelli a Attaccatura dei capelli
punta
diritta
Lobo staccato
Lobo attaccato
Allelia multipla
A livello di popolazione possono esistere più alleli per uno stesso gene
L’allele più diffuso è definito wild type, mentre i + rari sono “mutanti”
Es 3 alleli per tipo gruppo sanguigno
I gruppi sanguigni umani ABO sono un esempio di alleli multipli.
I 4 gruppi sanguigni sono il risultato di diverse combinazione di 3 differenti alleli.
Gli alleli IA e IB sono anche codominanti e sono espressi entrambi nel fenotipo.
Gli alleli IA e IB sono dominanti su I
Gli alleli IA e IB codificano per enzima galattosil trasferasi
Pleiotropia
Un solo allele ha diversi effetti fenotipici (dipende da interazioni molecolari e
coinvolgimento del prodotto genico in vari metabolismi/ funzioni) : riflette la
complessità di interazione nell’organismo
Nell’uomo l’anemia falciforme è un esempio di pleiotropia:
HbS causa non solo anemia ma tanti altri sintomi
Individuo omozigote
per l’anemia falciforme
Emoglobina delle cellule falciformi (anomala)
L’emoglobina anomala cristallizza e fa assumere ai globuli rossi
la forma di falce
Cellule
falciformi
Le cellule falciformi
si accumulano ostruendo
i vasi sanguigni più piccoli
Demolizione
dei globuli rossi
Debolezz
a
Calo delle
funzioni
mentali
Anemia
Danni al
cuore
Paralisi
Dolori
e febbre
Polmonite
e alte
infezioni
Danni
al
cervello
Accumulo di cellule
falciformi nella milza
Danni
ad altri
organi
Reumatismi
Danni
alla milza
Insufficienza
renale
Interazione genica
L’espressione di un carattere può dipendere dall’interazione di più
geni e tra geni ed ambiente
Se 2 o più geni interagiscono e a seconda del tipo di interazione I
rapporti fenotipici osservati deviano da quelli attesi in base a legge
segregazione mendeliana
L’interazione genica riflette l’interazione biochimica tra prodotti
genici (cioè tra le proteine)
Eredità poligenica
Un singolo carattere è influenzato da molti geni
Generazione P
aabbcc
(molto
chiara)
AaBbCc
1
8
Gameti
femminili
AABBCC
(molto
scura)
Lo stesso vale per colore dell’iride
Generazione F1
Generazione F2
L’ereditarietà multigenica crea un
continuum di fenotipi.
Es determinazione colore della
pelle dipende da almeno 3 geni
range di sfumature
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
AaBbCc
Gameti maschili
1 1 1 1 1
8 8 8 8 8
1
8
1
8
1
64
6
64
15
64
20
64
15
64
20
64
15
64
6
64
1
64
Colore della pelle
6
64
1
64
Eredità poligenica soprattutto per caratteri quantitativi: effetto
cooperativo/additivo di più geni nel determinare la “quantità”/livello
intensità del carattere
Carattere tipo statura è quantitativo, mentre I caratteri mendeliani (colore
del seme giallo verde, aspetto rugoso-liscio) sono qualitativi
I caratteri quantitativi (colore
pelle, occhi, peso, metabolismo,
tasso riproduttivo,…) variano
nella popolazione in modo
continuo gamma di classi
fenotipiche
Maggiore numero di geni coinvolti
nel determinare un fenotipo
alto numero di classi fenotipiche
+ dolce curva a campana
Interazione genica nel determinare tipo di
cresta dei polli
L’interazione di prodotti di geni non
allelici genera nuovi fenotipi
Epistasi (interazione epistatica)
Particolare tipo di interazione per cui un gene interferisce o maschera
l’espressione di un altro gene (non allelico)
Gene “epistatico” condiziona l’espressione di gene “ipostatico”
Il pigmento si produce in 2 tappe in cui
intervengono i prodotti di 2 diversi geni
Il rapporto di dipendenza dell’effetto di un
gene dall’altro determina un rapporto
fenotipico inatteso sulla base delle leggi
mendeliane:
pigmentazione sse presenti entrambi
enzima1
enzima 2
Precursore intermedio pigmento
no colore
no colore
colore
Associazione genica
Le combinazioni fenotipiche parentali (per 2 o più caratteri) hanno
frequenza superiore alle attese nella F2 geni associati incoerente con
legge assortimento indipendente
I geni localizzati uno vicino all’altro sullo stesso cromosoma sono detti geni
associati e tendono a essere ereditati insieme (in blocco). Eludono legge su
assortimento indipendente
Tuttavia compaiono
anche nuove
combinazioni!!
crossing over
I geni linked (o in linkage) si trovano sullo stesso cromosoma
Il crossing-over produce nuove combinazioni di alleli infatti ricombina i geni
associati in un assortimento di alleli che non esisteva nei genitori.
•Maggiore distanza maggiore probabilità di crossing-over combinazione
fenotipica ricombinante
•Minore distanza bassa probabilità di crossing-over
Agli inizi del ‘900, l’embriologo Morgan approfondì il concetto di
associazione studiando ereditarietà nei moscerini della frutta Drosophila
melanogaster
Drosophila ha 4 coppie di omologhi (2n=8)
L’analisi di Morgan e di suo allievo permise di costruire mappe geniche in
cui la distanza fisica tra loci genici era stimata sulla base delle freq di
ricombinazione
•Maggiore distanza maggiore probabilità di crossing-over
combinazione fenotipica ricombinante
•Minore distanza + bassa probabilità di crossing-over
1 unità di mappa =
centiMorgan = distanza tra
2 loci che ricombinano con
freq dell’1%
Le frequenze del crossing-over possono essere usate per “mappare” le
posizioni relative dei geni sui cromosomi.
Metodo utile anche per mappatura del genoma umano
Fenotipi mutanti
Ariste
(appendici
del corpo)
corte
Cromosoma
g
Corpo
nero
(g)
Occhi
cinabro
(c)
Ali
vestigiali
(l)
Occhi
marroni
Ali
normali
(L)
Occhi
rossi
l
c
17%
9%
9,5%
Frequenza
di ricombinazione
Ariste lunghe
Corpo
grigio
(G)
Occhi
rossi
(C)
Fenotipi selvatici
Le mappe genetiche ottenute mediante freq di ricombinazione
sono state poi confrontate con mappe fisiche in cui si determina
distanza effettiva (espressa come numero di nucleotidi)
1 cM corrisponde a 1 milione di bp ca.
No esatta corrispondenza tra mappe fisiche e genetiche in q la freq di
ricombinazione è influenzata non solo da distanza fisica ma anche dal tipo
di sequenza e regione comosomica specifica
Es esistono hot spot e cold spot: rispettivamente punti con alta e bassa
freq di crossing over
Lunghi tratti di DNA con ricombinaz bassissima intervallati da hot spot
Geni ed ambiente
Genotipo definisce le potenzialità, ma il fenotipo è influenzato
anche dall’ambiente
Il grado di influenza dell’ambiente sul fenotipo è variabile a
seconda dei tratti considerati: da inconsistente a condizionante
Es: interazione geni ambiente
determina fenotipo colorazione
pelo nel coniglio
nelle appendici corporee più fredde opera
(prodotto genico specifco) tirosinasi: enzima
che produce melanina pigmento scuro nel
pelo
Nelle zone corporee più calde, tirosinasi non
funziona pelo chiaro
La T, cioè l’ambiente, modula espressione
del genotipo
L’ambiente contribuisce a determinare penetranza ed espressività genica
Penetranza: frazione di popolazione con fenotipo corrispondente a un dato
genotipo (completa o incompleta)
Espressività: grado di intensità nella manifestazione/espressione fenotipica di un
certo genotipo, in un certo individuo
•Alleli con penetranza completa
possono avere espressività
variabile
•alleli con penetranza incompleta
possono esprimersi con intensità
costante (espressività fissa)
Eredità multifattoriale
Molti fenotipi sono risultato di effetto di geni diversi e fattori non genetici
(ambientali)
Maggiore numero di fattori genetici e non che determinano un fenotipo
maggiore numero di classi fenotipiche + dolce curva a campana
Sesso e geni
La determinazione del sesso non è
sempre scatenata dall’assetto
cromosomico
In alcuni animali
determinazione da fattori
ambientali (es temperatura)
Fattori ambientali e genetici
determinano sviluppo delle gonadi
Alcuni animali cambiano sesso in
periodi della vita diversi (prima
maschi poi femmina, o viceversa) in
riposta a stimoli ambientali e/o
ormonali !! (pesci)
Negli animali dove sesso è determinato geneticamente si può avere
meccanismo dosaggio dipendente (DSD) o meccanismo basato su
presenza/assenza di un gene dominante (GSD)
Digametia maschile (es uomo e insetti) oppure femminile (polli) o aploidia
sesso maschile nelle api
Sesso definibile come complesso di caratteri ereditari,
alcuni specificati da geni sui cromosomi sessuali in interazione con
altri geni su cromosomi autosomici
Nell’uomo 22 coppie di autosomi + coppia di cromosomi sessuali
In molti animali sesso determinato da
cromosomi X ed Y
Probabilmente derivano da progenitore
comune: cromosoma autosomico
La tendenza a sviluppare sesso femminile
sembra naturale / predefinita negli
organismi, il sesso maschile invece
deriverebbe da “manifestazione
incompleta” del fenotipo femminile
In effetti l’Y si sarebbe formato per distacco
di un tratto dell’X
I cromosomi sessuali hanno regione limitata di omologia (in cui può
avvenire crossing over): regioni PAR; e regioni specifiche non omologhe
Dimensioni molto diverse nell’uomo: X 220 Mbp; Y 55 Mbp
Y contiene geni MSY (male specific)
necessari, ma non sufficienti, a sviluppo
dei testicoli: contiene gene per fattore
trascrizionale che regola espressione di
molti atri geni maschio-specifici
Nelle femmine, in stadi precoci embrionali, Il cromosoma X va
incontro a silenziamento programmato eterocromatizzazione:
corpo di Barr (numero di X-1)
Il silenziamento evita che nella femmina ci sia espressione eccessiva di
alcuni geni (rispetto al maschio): compensazione di dosaggio
Poichè inattivazione è casuale femmine sono mosaici genetici: hanno
gruppi di cellule che hanno inattivato cromosomi X diversi
L’inattivazione di uno dei 2 X è guidata dal prodotto di un gene presente
sull’X stesso : XIST (X inactivation specific transcript) che agisce come RNA
La cariotipizzazione consente analisi morfologica dei cromosomi
Campione di cellule può derivare da
sangue, biopsia, amniocentesi, ecc
bloccate in metafase microscopio
cariotipo
Utile anche per diagnosi di alcune malattie
genetiche
Bandeggio caratteristico (colorazione
Giemsa o altre sonde specifiche)
Classificazione di cromosomi in base a posizione del centromero
Per seguire la trasmissione dei caratteri umani si costruiscono
“alberi genealogici”
Eredità di caratteri segue pattern diversi a seconda di dove si trova gene
•Autosomica (dominante o recessiva)
Trasmissione
caratteri
•Associata al sesso X-linked (dominante o recessiva
Y-linked
•Mitocondriale (eredità matrilineare)
Es: eredità autosomica
dominante
• il tratto fenotipico è presente con
pari freq in maschi e femmine
•Trasmesso in genere a metà prole
(sia da madre che da padre)
•No salti generazionali
Mutazioni
Cambiamento nel patrimonio genetico ereditabile
Mutazioni + ricombinazione + segregazione
indipendente cromosomi alla meiosi +
sessualità (incontro genotipi diversi)
Rinnovamento - evoluzione biologica
Tuttavia esigenza sistema di riparo
altrimenti mutazioni eccessive estinzione
La mutazione altera l’informazione genica in modo
più o meno marcato
Può verificarsi in un qualsiasi momento, in cellula
somatica o germinale
Mutazioni puntiformi
•Sostituzione di base
•Inserzione
•delezione
Sostituzione di base:
transizione (purina-purina, pirimidina-pirimidina) o
trasversione (purinapirimidina, pirimidina purina)
Missense: cambia AA
In alcuni casi neutra: nuovo AA simile all’originale
Non-sense: codone di STOP
Terminazione prematura di catena polipeptidica
Samesense o silente : stesso AA
Inserzione/delezione di base frameshift
Spesso gravi conseguenze perchè seq AA alterata da quel punto in
poi proteina mutata non funzionale
Mutazioni possono avere effetti anche in regioni non codificanti (seq
regolative, promotori,…)
Es mutazione sulle giunzioni di splicing e interne ad introni
Splicing alterato: perdita di esoni e/o ritenzione di introne nell’mRNA
maturo
Es la β+ talassemia causata da splicing
errato dell’mRNA per globina β
In alcune regioni (per la maggior parte non codificanti) il genoma presenta
tratti ripetuti (micro e mini satelliti)
A volte ripetizioni di triplette sono anche nei tratti codificanti (ORF)
Appaiamento errato durante crossing over…..
… o “slippage” tra stampo e filamento di nuova sintesi durante la
replicazione del DNA possono “espandere”
(aumenta numero ripetizioni)
le triplette
La malattia di Huntington è causata dall’espansione di triplette nel gene
codificante per huntingtina proteina anomala che si accumula nei
nuclei dei neuroni neurodegenerazione
Alterazioni strutturali nei cromosomi
Rotture nei cromosomi possono provocare riarrangiamenti di lunghi
tratti di DNA (indotte da radiazioni, virus, agenti chimici,..)
DUPLICAZIONI
In gen effetto non letale
Spesso originano da crossing over ineguali
DELEZIONI
Può generarsi insieme a
duplicazione per crossing over
ineguale
Alcune malattie umane derivano da delezioni cromosomiche
Es retinoblastoma può derivare da delezione di tratto cromosomico
contenente gene Rb, oncosoppressore
Delezione dei telomeri e ricongiunzione: cromosomi ad anello
INVERSIONI
Tratto interno ruota di 180°
Problemi di appaiamento tra omologhi durante la meiosi
TRASLOCAZIONE (spostamento di un tratto di DNA)
Intra o inter-cromosomica
Traslocazione 9-22 comosoma Philadelphia tumore
Cromosoma 9
Cromosoma 22
Traslocazione
«Cromosoma Philadelphia»
Gene cancerogeno attivato
Lo spostamento genera un gene di
fusione oncogene
Traslocazione 8-14 sposta proto-oncogene c-myc in regione
genica attiva elevata espressione di c-myc trasformazione
tumorale
Variazioni nel numero di cromosomi
eteroploidie
•Euploidia
•aneuploidia
Euploidia: variazione di numero dell’intero set cromosomico
Poliploidia diffusa nei vegetali, rara in animali
Si genera per endomitosi (divisione cromosomi dentro stesso nucleo) e
endoreplicazioni
Aneuploidie: variazione di numero di uno o pochi cromosomi
Origine: anomalie nella separazione dei cromosomi/cromatidi in meiosi e/o
mitosi
Nell’uomo patologie dovute ad aneuploidie sia autosomiche (es Down) che
sessuali (es Turner)
