Cromosomi, Geni e Mutazioni

Cromosomi, Geni e
Mutazioni
Dalla trasmissione alla alterazione dei
caratteri ereditari
Sutton e Boveri: 1902
 Furono i genetisti che proposero la Teoria Cromosomica
 In precedenza va assolutamente ricordata la figura di
Mendel che fu il primo in grado di dimostrare i principi
dell’eredità.
Drosophila melanogaster
 Moscerino della frutta
 È stato l’organismo da più
usato dai genetisti moderni
per i loro studi
 La sua versatilità deriva dal
fatto di essere rapidamente
prolifico e dall’avere 4
cromosomi giganti
 Nei maschi uno dei due
cromosomi sessuali è
ricurvo ed è detto
Cromosoma Y
Determinazione cromosomica del sesso
 La differenza tra moscerini maschi e femmine, così come
nella razza umana, viene spiegata tramite differenze
nell’ultima coppia cromosomica.
 Le femmine sono omozigoti nell’ultima coppia (XX)
 I maschi sono eterozigoti nell’ultima copia (XY)
 I cromosomi X e Y sono detti cromosomi sessuali
 Gli altri cromosomi sono detti autosomi
Quadrato di Punnett per la determinazione del sesso
In molti animali la determinazione del
sesso è come nella drosofila mentre in
altri come per es. le farfalle avviene il
contrario e cioè il ♂ è XX e la ♀
XY
 In accordo con le leggi di
M. da un genitore omoz.
ed uno eteroz. per un
carattere (sesso) il 50%
delle F1 sarà ♂ e il 50%
♀
 Durante la meiosi i
gameti femminili
saranno sempre X
mentre ½ di quelli
maschili sarà X e ½ Y
 Sono quindi i gameti ♂
che a caso determinano
il sesso del nascituro
Determinazione del sesso e teoria cromosomica
 La scoperta del meccanismo di determinazione del sesso
in drosofila ha confermato la teoria cromosomica:
– Il fenotipo di un organismo (in questo caso il sesso) può essere
determinato dall’aver ereditato un cromosoma piuttosto che un
altro
 Nell’uomo la determinazione del sesso avviene come in
Drosophila
– 23 paia di cromosomi: 22 paia di autosomi e 1 paio di cromosomi
sessuali
I geni
 L’identificazione dei cromosomi sessuali è stata
quindi la conferma della teoria cromosomica
 Ciò aprì però un altro problema:
– Ogni cromosoma contiene un carattere?
– Certamente no! La drosofila ha solo 4 cromosomi ma
molti più caratteri
 Sutton propose quindi che in ogni cromosoma ci
fossero molti geni regolanti più caratteri
 suggerì anche che i geni avessero loro loci
specifici su ogni cromosoma
Per i caratteri legati al sesso
è abbastanza facile.
Ora ti spiego come ho fatto
Dott. T.H. Morgan (1866-1945)
Come si fa a sapere in quale
cromosoma mappa un certo
gene
Il lavoro di Morgan
Morgan si dedicò allo studio genetico della
Drosophila.
Nel 1909 si accorse che in una popolazione di D.
tutti gli individui erano normalmente ad occhi
rossi tranne uno, un maschio, con occhi bianchi
Tutta la F1 era ad occhi rossi quindi l’allele per il
colore degli occhi doveva essere recessivo
L’incrocio della F1 dava una F2 con le attese
proporzioni…3/4 rossi e ¼ bianchi
Qualche cosa in più…
 Gli individui ad occhi bianchi (1/4) erano solo maschi
 Morgan ritenne quindi che il gene per il colore degli occhi
si trovasse sullo stesso cromosoma che determinava il
sesso
 Questo gene è infatti nel cromosoma X mentre il
cromosoma Y non lo ha
 Il maschio ha un solo cr X e se questo porta l’allele
recessivo, il fenotipo sarà comunque recessivo perché non
c’è nessun allele dominante a mascherarlo
 La femmina ha 2 cr X e per avere gli occhi bianchi
entrambi i cr devono essere recessivi
I quadrati di Punnett
Caratteri legati al sesso
 I geni i cui loci mappano sul cromosoma X sono detti legati
al sesso
 I caratteri che ne deriva no sono detti legati al sesso
 Morgan identificò un’altra ventina di caratteri legati al
sesso (forma delle ali, colore del corpo, forma delle
setole)
Gruppi di associazione
 Quando geni diversi risiedono sullo stesso cromosoma si
parla di gruppi di associazione
 I gruppi di associazione rappresentano spesso
un’importante eccezione alla III legge di Mendel poiché
non riescono a segregare in maniera indipendente
La mappa dei geni sul
cromosoma 2 di drosofila.
…ancora Morgan…
 Se un maschio di Drosophila con tre alleli recessivi che
mappano sul cr X vengono incrociati con femmine
omozigoti dominanti, la F1 dovrebbe essere tutta con
fenotipo dominante mentre nella F2 ½ maschi dovrebbero
essere dominanti e ½ recessivi
 Morgan condusse moltissimi esperimenti di tal tipo
 Occasionalmente trovò però delle eccezioni perché alcuni
maschi avevano mescolato i caratteri dominanti e recessivi
che mappavano sullo stesso cromosoma X
Il ruolo del Crossing-over
 Tale fenomeno è dovuto al fatto che
a volte i gruppi di associazione
possono separarsi
 Si parla di associazione incompleta
 Il fenomeno è dovuto al crossingover
 Chiaramente la divisione dei gruppi
di associazione è tanto più frequente
quanto più lontani sono i loci sul
cromosoma
 Geni che mappano su loci vicini
difficilmente potranno dissociarsi
Bandeggio dei cromosomi
 Studiando le frequenze con cui
avvengono i Crossing-over ed ora,
soprattutto, grazie a più precisi studi di
biologia molecolare, si possono mappare
i cromosomi
 È possibile quindi stabilirle dove si trova
il locus di uno specifico gene
 Tramite coloranti è poi possibile
ottenere delle bande chiare e scure che
identificano il gene sul cromosoma
Le mutazioni
Una mutazione è un cambiamento
stabile ed ereditabile del DNA
L’eredità dell’informazione genica
 Generalmente i geni passano da generazione in
generazione immutati
 La prole è geneticamente diversa dai genitori perché gli
alleli vengono mescolati tramite la riproduzione sessuata
non perché i geni cambiano nella loro sequenza
nucleotidica
 Il crossing-over concorre ad aumentare la mescolanza dei
geni all’interno dei cromosomi ma non ne altera la
sequenza nucleotidica e quindi il prodotto proteico
Variazioni dell’informazione genetica
 Raramente si hanno però delle variazioni
nell’informazione genetica
 Si parla di mutazioni che dipendono da errori nella
replicazione del materiale genetico o da errori nella
distribuzione dei cromosomi in meiosi od in mitosi
Tipologie di mutazioni
 Possono essere distinti 3 diversi tipi di mutazioni:

Geniche: riguardano la sequenza nucleotidica dei geni
interessati

Cromosomiche: riguardano il numero di cromosomi

Genomiche: riguardano l’intero patrimonio cromosomico
Mutazioni geniche
 Sono mutazioni che avvengono all’interno della sequenza
nucleotidica di un gene
 Questi tipi di mutazioni possono determinare o la
sostituzione di un amminoacido con un altro all’interno
della proteina (cosa che può essere più o meno grave a
seconda dei casi) o addirittura lo sfasamento di tutto il
codice di lettura delle triplette con conseguenze spesso
gravissime
Le mutazioni geniche cambiano la sequenza delle basi
nel DNA
 Una mutazione genica è un cambiamento permanente
nella sequenza di basi del DNA.
 Le mutazioni germinali avvengono nelle cellule
sessuali e possono essere trasmesse alla generazione
successiva attraverso la riproduzione.
 Le mutazioni somatiche avvengono nelle cellule del
corpo e non vengono trasmesse alla progenie.
Tipologie di mutazioni geniche
Le Mutazioni puntiformi sono variazioni di sequenza del
DNA che interessano un numero limitato di nucleotidi:
 Delezioni
 Inserzioni
 Sostituzioni
 Inversioni
Le mutazioni rendono difettosi i geni e quindi
alterano l’espressione genica
 Le mutazioni puntiformi implicano un cambiamento
in un singolo nucleotide di DNA e, di conseguenza, un
cambiamento in uno specifico codone.
 Le mutazioni di sfasamento avvengono soprattutto
per inserzione o delezione di uno o più nucleotidi nel
DNA.
Mutazioni geniche
• Possono portare ad una proteina modificata tanto da comprometterne
la funzionalità.
• Problemi (spesso gravi) di vario tipo; es.: se la proteina prevista è un
enzima = problemi metabolici.
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.
Mutazioni cromosomiche
 Le alterazioni della struttura cromosomica
possono provocare patologie congenite e
tumori
– La rottura di un cromosoma può portare a
riarrangiamenti che causano disordini genetici.
– Quando i cambiamenti si verificano nelle
cellule somatiche concorrono all’insorgenza
del cancro.
 Delezioni, duplicazioni, inversioni:
Delezione
Duplicazione
Cromosomi
omologhi
Inversione
Traslocazioni:
Traslocazione
Cromosomi
non omologhi
Cromosoma 9
Cromosoma 22
Traslocazione
«Cromosoma Philadelphia»
Gene cancerogeno attivato
I trasposoni sono elementi genetici mobili
I trasposoni, o «geni che saltano», furono scoperti da
Barbara McClintock nel 1981.
Un trasposone è una sequenza di DNA che può essere
soggetta a trasposizione, cioè a spostamenti da un sito
all’altro dello stesso cromosoma.
I trasposoni sono in grado di bloccare la trascrizione e
possono rappresentare una fonte di mutazioni
cromosomiche, come traslocazioni, delezioni, inversioni e
duplicazioni.
Mutageni
 In natura le mutazioni sono estremamente rare
 Esistono però agenti di varia tipo che possono aumentarne
la frequenza:
 Agenti fisici: alte temperature, radiazioni ionizzanti, raggi UV.
 Agenti chimici: sostanze varie (la colchicina, il benzene, il
mercurio, l'amianto, il fumo da sigaretta, la diossina ecc…)
Agenti biologici: alcuni virus (modalità complesse, non sempre
certe e non sempre chiare)
Mutazioni genomiche
 Si parla di mutazione genomiche o anomalie
cariotipiche quando un organismo presenta dei
cromosomi in più o in meno rispetto al normale.
 Si possono verificare durante la II divisione meiotica.
 0 in assenza della II divisione meiotica.
–
In tal caso il gamete sarà diploide e lo zigote che si ottiene dopo
la fecondazione sarà triploide (3n)
– Occasionalmente si possono fecondare due gameti diploidi
ottenendo uno zigote tetraploide (4n)
Mutazioni genomiche
Dipendono da un’errata migrazione dei cromosomi
durante la meiosi
Lo zigote che si formerà avrà un numero di
cromosomi alterato
 Uno dei motivi è la non disgiunzione:
• i cromosomi omologhi non si separano durante la meiosi I;
• la meiosi I avviene in modo regolare, ma cromatidi di una
coppia non si dividono in una delle cellule durante la meiosi II.
La non-disgiunzione
I cromosomi omologhi non si separano
Non-disgiunzione
durante
la meiosi I
I cromatidi non si dividono
Meiosi I
normale
Non-disgiunzione
durante
la meiosi II
Meiosi II
normale
Gameti
Gameti
n+1
n+1
n 1
Numero dei cromosomi
n 1
n+1
n 1
n
n
Numero dei cromosomi
Fecondazione di un gamete che ha subito una
non-disgiunzione con un gamete normale:
Cellula uovo
n+1
Zigote
2n + 1
Spermatozoo
n (normale)
Monosomia e Trisomia
 Solitamente le monosomie
non sono compatibili con la
vita perché il nuovo
organismo sarà
completamente privo
dell’informazione
contenuta in un intero
cromosoma e potrà
manifestare geni recessivi
nell’unico cromosoma
rimasto. Tra le trisomie la
21 è quella più nota.
Trisomia 21 (sindrome di Down)
 La sindrome di Down è dovuta alla presenza di un
cromosoma 21 in più
 Nella maggior parte dei casi, un embrione con un
numero errato di cromosomi viene abortito
spontaneamente molto prima della nascita.
 Certe condizioni anomale del numero di cromosomi
possono avere conseguenze meno gravi e consentire la
nascita e la sopravvivenza di individui portatori di tali
anomalie.
5000
Trisomia 21 (sindrome di Down)
Trisomia del cromosoma 21
Bambini affetti dalla sindrome di Down
(su 1000 nati)
L’incidenza della sindrome di Down nella prole di
genitori sani aumenta con l’età della madre.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
20
25
35
40
30
Età della madre (anni)
45
50
Anomalie dei cromosomi sessuali nella specie
umana:
Le poliploidie
 Organismi con numero alterato di tutti i
cromosomi (3n; 4n) sono detti poliploidi
 Le poliploidie sono normalmente incompatibili con la
vita animale e quindi letali
 Sono invece piuttosto frequenti tra i vegetali che
addirittura sono a volte più resistenti e più grandi dei
corrispettivi diploidi, producendo frutti anch’essi più grandi.
Ciò viene sfruttato in agricoltura.
Il futuro della genetica….