Genetica
Lo studio della trasmissione dei
caratteri ereditari
Genetica: lo studio dell’eredità
Perché la progenie assomiglia ai genitori?
Genetica: lo studio dell’eredità
Perché alcuni individui in una popolazione
differiscono?
Genetica: lo studio dell’eredità
Perché le specie cambiano nel tempo?
Genetica: lo studio dell’eredità
Come vengono trasmessi alcuni caratteri?
polidattilia = dominante
autosomica
Qual è il gene responsabile?
Le leggi di Mendel
La genetica è una scienza dalle radici
antiche
– Le radici storiche della genetica, la scienza
dell’ereditarietà, risalgono agli antichi
tentativi di selezionare linee pure.
– I tentativi di spiegare l’ereditarietà risalgono
ai tempi dell’antica Grecia (teorie di Ippocrate
e Aristotele).
– All’inizio del diciannovesimo secolo, l’ipotesi
ereditaria di maggior successo divenne quella
della mescolanza.
Stato della genetica ai primi dell’800
• Cosa è ereditato?
• Come è ereditato?
• Qual è il ruolo del caso
nell’ereditarietà
Gregor Mendel
La genetica moderna ebbe inizio
intorno al 1860 con gli esperimenti del
monaco Gregor Mendel sulle piante di
pisello odoroso.
Le idee sull’ereditarietà ai tempi di
Mendel erano vaghe. Un’idea generale
era che i caratteri venissero trasmessi dai
genitori ai figli insieme e mischiati (come
latte e caffé si mischiano nel caffelatte).
Così l’informazione ereditata
cambiava nella progenie, un’idea che
Mendel trovava sbagliata.
Temi del lavoro di Mendel
La variabilità è diffusa in natura
La variabilità è ereditata in accordo con le
leggi genetiche e non distribuita a caso
Le leggi di Mendel si applicano a tutti gli
organismi che si riproducono sessualmente
Piano sperimentale di Mendel
1. Buona scelta dell’organismo modello:
Il pisello da giardino (Pisum sativum)
- cresce facilmente
- si moltiplica facilmente
- ha fecondazione incrociata e
autofecondazione
I piselli possono autofecondarsi
I piselli possono avere
fecondazione incrociata
Mendel incrociò
piante di pisello
che differivano in
alcuni caratteri
morfologici e
seguì le tracce
delle
caratteristiche da
generazione a
generazione.
1 Si rimuovono
gli stami dai
fiori viola
Carpello
Genitori
(P)
Viola
Bianco
Stami
2 Si trasferisce il polline degli
stami del fiore bianco
al carpello del fiore viola
3 Il carpello impollinato matura
4 Si piantano i semi
contenuti nel baccello
Prole
(F1)
Piano sperimentale di Mendel
2. Studiò caratteri discreti
Mendel ipotizzò che
esistessero forme
alternative di geni,
le unità che determinano
le caratteristiche
ereditabili.
Colore del fiore
Viola
Bianco
Assiale
Terminale
Colore del seme
Giallo
Verde
Forma del seme
Liscio
Rugoso
Forma del baccello
Gonfio
Schiacciato
Colore del baccello
Verde
Giallo
Alto
Nano
Posizione del fiore
Lunghezza del fusto
Piano sperimentale di Mendel
3. Cominciò con linee pure
X
X
X
X
X
X
Piano sperimentale di Mendel
4. Analisi statistiche
•
•
•
Lavorò con moltissime piante
Contò tutta la progenie
Fece previsioni e le testò
5. Eccellente sperimentatore
•
•
Controllò le condizioni di crescita
Scelse tratti facili da monitorare (semi
del pisello)
Incrocio monoibrido:
Cosa succede?
Dai suoi dati
sperimentali
Mendel dedusse
che un organismo
ha due forme
alternative di geni
(alleli) per ogni
carattere ereditario.
Dominante
Recessivo
X
?
Trasmissione del colore del seme
Incrocio
Auto
fecondazione
La legge della segregazione
– Per ogni caratteristica, un organismo eredita
due alleli, uno da ciascun genitore.
– Questi alleli possono essere uguali o differenti.
– Un organismo che possiede due alleli identici
di un gene è detto omozigote per quel gene.
– Un organismo che possiede due alleli diversi
dello stesso gene è chiamato eterozigote.
La legge della segregazione
– Se i due alleli di una coppia sono diversi, uno è
interamente espresso e determina una
caratteristica osservabile nell’organismo,
mentre l’altro non ha effetti visibili.
– Il primo è chiamato allele dominante (indicato
con la lettera maiuscola corsiva).
– Il secondo è chiamato allele recessivo
(indicato con la lettere minuscola corsiva).
Genotipo
L’insieme degli alleli di un organismo
I caratteri genetici dominanti sono indicati da lettere
maiuscole
I caratteri genetici recessivi sono indicati da lettere minuscole
Fenotipo
Espressione degli alleli
I geni dominanti sono espressi se presenti
Quadrato di Punnet
Diagramma per calcolare le combinazioni possibili
Legge di Mendel della segregazione
Ogni gamete riceve solo uno degli alleli della coppia
presente in un organismo. Quale riceve dei due è
determinato dal caso.
Test Cross
Per determinare il genotipo
Incrocio diibrido
I caratteri sono collegati?
Legge dell’assortimento indipendente
La trasmissione di alleli per una caratteristica nei gameti
non influenza la trasmissione di altri alleli che
determinano altre caratteristiche
La legge dell’assortimento indipendente
La legge dell’assortimento indipendente
prende in considerazione due caratteri
contemporaneamente
– Guardando due caratteri alla volta, Mendel
provò a determinare come vengono ereditate
due caratteristiche.
– Mendel effettuò cioè un incrocio diibrido tra
piante omozigoti con semi lisci e gialli
(genotipo LLGG) e piante con semi rugosi e
verdi (llgg).
ogni coppia di alleli segrega
indipendentemente durante la formazione dei
gameti.
Generazione P
Ipotesi: assortimento dipendente
LLGG
llgg
Gameti LG
LLGG
lg
llgg
Gameti LG
1
LG
2
1
lg
2
1
LG
2
1
lg
2
I risultati ottenuti
contraddicono l’ipotesi
lg
LlGg
LlGg
Generazione F1
Generazione F2
Ipotesi: assortimento indipendente
1 LG 1 lG
4
4
1
1 lg
Lg
4
4
1
LG
4
LLGG
LlGG LLGg LlGg
1
lG
4
llGG
LlGG
LlGg
llGg
1
Lg
4
LLGg
LlGg LLgg
Llgg
1
lg
4
LlGg
llGg
llgg
Llgg
I risultati ottenuti
contraddicono l’ipotesi
9
16
3
16
3
16
1
16
Gialli
lisci
Verdi
lisci
Gialli
rugosi
Verdi
rugosi
Oltre le leggi di Mendel
Le leggi di Mendel sono valide per
tutte le specie con riproduzione
sessuata ma, spesso, il genotipo non
determina il fenotipo nel modo semplice
descritto dalle sue leggi.
Oltre le leggi di Mendel
– Dominanza incompleta
• Gli eterozigoti danno un
colore intermedio
– Codominanza
• Gli eterozigoti esprimono
entrambi i caratteri
– Effetti ambientali
• Il grado di espressione
dell’allele può dipendere
dall’ambiente
– Epistasi
• Un gene interferisce con
l’espressione di un altro gene
Dominanza incompleta
La dominanza incompleta
produce fenotipi intermedi
Per alcuni caratteri, si
osserva che gli ibridi F1
possiedono fenotipi che
sono una «via di mezzo»
tra le due linee
parentali: questo
effetto è chiamato
Dominanza incompleta.
Generazione P
Rosso
RR
Bianco
rr
Gameti
R
r
Generazione F1
Rosa
Rr
Gameti
Generazione F2
1 R
2
1 r
2
Gameti maschili
1
1
r
R
2
2
1
Rosso Rosa
R
rR
2
RR
Gameti
femminili 1 r
2
Rosa
Rr
Bianco
rr
Alleli Multipli – (codominanti)
I gruppi sanguigni umani ABO sono un esempio di
alleli multipli. I quattro gruppi sanguigni sono il
risultato di diverse combinazione di tre differenti
alleli.
Gli alleli IA e
IB sono
codominanti e
sono espressi
entrambi nel
fenotipo.
codominanza
I gruppi sanguigni umani sono determinati da un
gene con alleli multipli. Il gruppo AB è il risultato
della codominanza di due alleli
Epìstasi
Epìstasi
Modalità di interazione tra geni: un gene
interferisce o maschera l’espressione di un altro
gene. Il gene che condiziona l’espressione è
detto epistatico, mentre il gene che è regolato è
detto ipostatico.
Tipicamente quando dei geni agiscono
sequenzialmente, a cascata, come nelle vie
metaboliche, un allele che esprime un enzima
non funzionante interromperà il proseguire della
catena di reazioni
Un esempio di epìstasi recessiva
• L’albinismo è causato da una mutazione
recessiva che determina l’inattività di un
enzima (tirosinasi) che prende parte alla
trasformazione dell’aminoacido tirosina in
un precursore della melanina.
AA
Aa
Pigmentazione normale
aa
Assenza di pigmentazione
Un singolo carattere può essere influenzato da molti
geni
L’eredità poligenica si riscontra quando
un tratto è governato da due o più geni,
cioè da un set di alleli (poligeni).
I caratteri multifattoriali sono controllati
da poligeni soggetti a influenze da parte
dell’ambiente.
Ciascun allele dominante ha un effetto
cumulativo sul fenotipo; ne risulta una
variazione continua dei fenotipi, con una
distribuzione rappresentabile in una curva
a campana.
Pallini neri = alleli dominanti
Intensità del colore = influenza
dell’ambiente
Localizzazione dei fattori mendeliani
Mendel non sapeva dove erano collocati
gli alleli per i caratteri
I cromosomi sono stati scoperti 22 anni
dopo la pubblicazione del lavoro di
Mendel
Waltor Sutton suggerì che i fattori
descritti da mendel erano posizionati sui
cromosomi
Le basi cromosomiche dell’ereditarietà
Il comportamento dei cromosomi conferma le
leggi di Mendel
– La teoria cromosomica dell’ereditarietà
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;
ciò è in accordo con le leggi di Mendel.
Le basi cromosomiche delle leggi di Mendel:
Tutti i semi sono lisci e gialli
(LlGg)
Generazione F1
L
l
l
G
g
Meiosi
Metafase I
g
G
L
G
l
L
g
(due possibili disposizioni)
l
L
G
g
Anafase I
l
L
l
L
G
g
l
L
G
g
Metafase II
g
G
G
g
G
Gameti
L
L
G
g
l
l
l
¼ lg
¼ LG
G
l
¼ lG
Fecondazione tra piante F1
Generazione F2
9
:3
:3
:1
g
g
L
L
¼ lg
I geni localizzati sullo stesso cromosoma tendono
a essere ereditati insieme
I geni localizzati uno vicino all’altro
sullo stesso cromosoma sono detti
geni associati e tendono a essere
ereditati insieme.
Spiegazione: i geni sono associati
VA
Cellule parentali
diploidi
VvRr
va
Meiosi
Gameti
più frequenti
VA
va
Fecondazione
Esperimento
Gameti maschili
Fiore viola
VvAa
Fenotipi
Fiori viola polline allungato
Fiori viola polline rotondo
Fiori rossi polline allungato
Fiori rossi polline rotondo
VvAa
Numero dei
discendenti ottenuti
284
21
21
55
Granulo pollinico
allungato
Numero previsto
(9:3:3:1)
215
71
71
24
Prole più
frequente
VA
va
VA
VA
VA
va
va
va
VA
va
VA
Gameti
femminili
va
3 piante con fiori viola e polline allungato
e 1 pianta con fiori rossi e polline rotondo.
Il crossing-over produce nuove combinazioni di alleli
Il crossing-over ricombina i geni associati in un assortimento di alleli che non
esisteva nei genitori.
A
B
a
b
A
b
a
B
A B
a
b
Tetrade
Crossing-over
Gameti
L’ereditarietà dei caratteri umani si può studiare
costruendo gli alberi genealogici delle famiglie
Caratteri dominanti
Caratteri recessivi
L’ereditarietà di molti
caratteri umani segue le
leggi di Mendel.
Lentiggini
Assenza di lentiggini
Attaccatura dei capelli a punta Attaccatura dei capelli
diritta
Lobo staccato
Lobo attaccato
Ww
ww
ww
Ww ww ww Ww
WW
or
Ww
Ww
Ww
ww
Dominant trait (widow’s peak)
Second generation
(parents plus aunts
and uncles)
Third
generation
(two sisters)
ww
Widow’s peak
First generation
(grandparents)
No widow’s peak
First generation
(grandparents)
Second generation
(parents plus aunts
and uncles)
Ff
FF or Ff ff
Third
generation
(two sisters)
Attached earlobe
Recessive trait (attached earlobe)
Ff
ff
ff
Ff
Ff
ff
FF
or
Ff
Ff
ff
Free earlobe
L’albero genealogico di una famiglia può essere
usato per determinare i genotipi individuali.
Ss
Joshua
Lambert
S?
John
Eddy
Ss
Abigail
Linnell
ss
Jonathan
Lambert
S?
Ss
Ss
ss
S?
Hepzibah
Daggett
Ss
Elizabeth
Eddy
Ss
Ss
Ss
ss
Femmina Maschio
Sordo
Sano
Gli alberi genealogici
Gli alberi genealogici possono rivelare i meccanismi
dell’ereditarietà.
Vediamo come si costruisce lo schema di un albero
genealogico (pedigree).
= Femmina
= Unione
= Maschio
Malattia
autosomica
recessiva
= Sano
= Malato
Malattia
autosomica
dominante
L’albero genealogico
Caratteri autosomici recessivi
• La maggio parte dei figli ha
genitori sani.
• Gli eterozigoti (Aa) hanno
fenotipo sano.
• Due genitori entrambi malati
hanno sempre figli malati.
• Con un compagno sano, gli
individui malati hanno sempre
figli sani.
• E’ più probabile che si
manifestino nella progenie di
individui consanguinei.
• Maschi e femmine sono
malati con la stessa
frequenza.
• Tendono a saltare le
generazioni
Caratteri autosomici dominanti
• I figli malati hanno
generalmente genitori malati.
• Gli eterozigoti (Aa) sono
malati.
• Due genitori malati possono
avere figli sani.
• Due genitori sani non possono
avere figli malati.
• Maschi e femmine sono
malati con la stessa
frequenza.
Molte malattie ereditarie umane sono controllate
da un singolo gene
I cromosomi sessuali e i 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 sono di sesso
maschile. Quelli con due
cromosomi XX sono di
sesso femminile.
I cromosomi sessuali
– Il cromosoma Y ha un gene responsabile
dello sviluppo dei testicoli.
L’assenza del
cromosoma Y
permette lo
sviluppo delle
ovaie.
(Maschio)
44
+
XY
22
+
X
(Femmina)
Cellule
diploidi
dei genitori
22
+
X
22
+
Y
Spermatozoo
44
+
XX
44
+
XX
Prole
(diploide)
Cellula
uovo
44
+
XY
Nelle piante e negli animali esistono altri
sistemi di determinazione del sesso.
22
+
XX
22
+
X
76
+
ZW
76
+
ZZ
32
16
I caratteri legati al sesso
Le malattie legate al sesso colpiscono prevalentemente i
maschi
La maggior parte delle malattie legate al sesso negli uomini è
determinata da alleli recessivi e colpisce prevalentemente i
maschi.
Regina
Vittoria
Alberto
Alice
Louis
Alexandra
Zar
Nicola II
di Russia
Alexis
I cromosomi sessuali
I geni localizzati nei cromosomi sessuali sono ereditati in
base al sesso dell’individuo, e vengono definiti
caratteri legati al sesso. I meccanismi ereditari di
questi geni sono diversi rispetto a quelli localizzati
negli autosomi.
Il Cromosoma X è
molto più lungo del
cromosoma Y, e per
la maggior parte
della loro lunghezza i
cromosomi X e Y non
sono omologhi.
Caratteri dominanti X-Linked
Caratteri dominanti legati al cromosoma X
I caratteri dominanti
legati la cromosoma X
non saltano generazioni.
I maschi affetti
trasmettono il carattere a
tutte le loro figlie e a
nessun figlio maschio.
Le femmine affette (se
eterozigoti) trasmettono il
tratto a metà dei figli e a metà
delle figlie.
Caratteri recessivi X-Linked
Caratteri recessivi legati al cromosoma X
Un maschio affetto non
trasmette il carattere ai
figli maschi …
I caratteri recessivi legati
al cromosoma X
compaiono con più
frequenza nei maschi.
… ma può trasmettere
l’ellele ad una figlia, che
non è affetta …
… e lo trasmette ai propri
figli maschi (affetti).
Thomas Hunt Morgan
Studiò il moscerino della frutta, Drosophila
melanogaster
Scoprì caratteri diversi nel moscerino
Fece degli esperimenti per testare l’ereditarietà
mendeliana
Nella drosofila il colore bianco degli occhi è un
carattere legato al sesso.
La modalità con cui vengono ereditati i geni legati al
sesso è un modello di trasmissione ereditaria.
Femmina Dominante (RR)
Femmina Dom. Rec. (Rr)
Femmina Dom. Rec. (Rr)
Maschio Recessivo (r)
Maschio Dominante (R)
Maschio Recessivo (r)
Tutti occhi rossi
occhi rossi / occhi bianchi
3:1
occhi rossi / occhi bianchi
2:2
Conclusioni di Morgan
Gli occhi bianchi sono collegati con il
sesso maschile
I caratteri si trovano sul cromosoma Y
Le femmine non hanno il cromosoma Y
I caratteri legati al sesso
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 due
copie dell’allele
recessivo (ricevute
da entrambi i
genitori).
I caratteri legati al sesso
Emofilia nelle case reali Europee
Malattie genetiche dovute ad
un’alterazione proteica
L’anemia falciforme è una malattia
ereditaria recessiva in cui gli individui
malati hanno un’emoglobina difettosa,
incapace di trasportare efficacemente
ossigeno ai tessuti .
– Gli omozigoti hanno le cellule falciformi.
– Gli eterozigoti appaiono normali ma sono
resistenti alla malaria.
Definizioni essenziali
Definizione
Significato
genotipo
profilo genetico di un individuo, ovvero la totalità dei geni presenti nel suo genoma.
fenotipo
Le caratteristiche visibili di un organismo, il modo in cui viene espresso il genotipo (ciò
che appare di un organismo)
genoma
l’intero patrimonio genetico di un organismo. Il genoma umano contiene
approssimativamente 80.000 geni.
gene
l'unità ereditaria degli organismi viventi.
I geni consistono in segmenti di DNA o di RNA, e dirigono lo sviluppo fisico e
comportamentale dell'organismo. La maggior parte dei geni codifica proteine.
alleli
Forme alternative (varianti) di un gene, che occupano una posizione precisa (locus) su
un cromosoma
Allele dominante
L’allele dominante si manifesta a livello fenotipico sia nell’individuo omozigote
dominante, sia nell’eterozigote;
Allele recessivo
quello recessivo si manifesta invece solo nell’omozigote recessivo.
omozigote
Un organismo diploide che ha ereditato lo stesso allele (per un determinato gene) da
entrambi i genitori (può avere due alleli dominanti o due recessivi).
eterozigote
Un organismo diploide che ha ereditato alleli differenti da ciascun genitore (uno sarà
dominate e l’altro recessivo).
