Genetica: Lo studio della trasmissione dei caratteri ereditari.
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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).
