Biologia

Le basi dell’ ereditarietà
• La genetica, cioè lo studio dell’ ereditarietà, è una
scienza antica
– Le radici storiche della genetica 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 XIX secolo, l’ipotesi ereditaria di maggior
successo divenne quella della mescolanza.
– Fine XIX secolo: gli studi di Mendel suggeriscono eredità di
fattori discreti (i geni)
– XX secolo: i geni sono “localizzati” sui cromosomi e si
definisce la natura chimica del materiale genetico (DNA)
– La genetica ha impatto sulla nostra vita quotidiana (test genetici
prenatali, per verificare predisposizioni a malattie, etc.,)
La genetica moderna ebbe inizio intorno al 1860 con gli
esperimenti del monaco Gregor Mendel sulle piante di pisello
odoroso.
Successo di Mendel dovuto a buon approccio sperimentale:
•Esperimenti rigorosi
•Analisi statistica-matematica dei risultati
•Scelta di opportuno organismo modello:pianta di pisello, di cui poteva
controllare fecondazione e facile da coltivare
Petalo
Stame
Carpello
Tecnica usta da Mendel per incrociare in modo
controllato le piante di pisello
1 Si rimuovono
gli stami dai
fiori viola
Mendel incrociò piante di
pisello che differivano in
alcuni caratteri morfologici
evidenti
e seguì le tracce delle
caratteristiche da
generazione a generazione.
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)
Dominante
Mendel ipotizzò che esistessero
forme alternative dei fattori
determinati i vari caratteri ereditabili
(quelli che ora si chiamano “geni”).
Colore del fiore
Posizione del fiore
Es colore fiore; aspetto seme; colore
seme, etc.,
Ognuno di questi caratteri presenti in
due forme alternative
Inizialmente lavorò su “linee pure”
per i vari caratteri scelti, e fece incroci
“monoibridi”: piante incrociate
differenti per un solo carattere
Viola
Assiale
recessivo
Bianco
Terminale
Colore del seme
Giallo
Verde
Forma del seme
Liscio
Rugoso
Forma del baccello
Gonfio
Schiacciato
Colore del baccello
Verde
Giallo
Alto
Nano
Lunghezza del fusto
La legge mendeliana sulla segregazione descrive la trasmissione
ereditaria di un singolo carattere
Dai suoi dati sperimentali Mendel dedusse che:
Ø un organismo ha due forme alternative di geni (alleli) per ogni carattere
ereditario.Un allele ereditato da madre, un allele da padre
Ø Eterozigote se alleli diversi; omozigote se alleli uguali
Ø Con due alleli diversi per uno stsso carattere, quello che si manifesta
nell’aspetto dell’organismo è detto dominante, l’altro è “recessivo”
Generazione P
(linee pure)
I gameti portano solo un allele per
ciascun carattere ereditato:infatti i due
membri di una coppia di alleli segregano
(si separano) durante la formazione dei
gameti (meiosi) à legge segregazione
Fiori viola
Generazione F1
´
Fiori bianchi
Tutte le piante
hanno fiori viola
Fecondazione tra
piante F1 (F1 ´ F1)
Generazione F2
3 di piante con
4
fiori viola
1 di piante con
4 fiori bianchi
Secondo la legge della segregazione di Mendel, i due alleli di una
coppia si dividono l’uno dall’altro durante la produzione dei gameti.
ciò spiega il rapporto fenotipico osservato nella generazione F2 (3:1,
dominante:recessivo)
Assetto genetico (alleli)
vv
VV
Piante P
Gameti
L’aspetto di un organismo non
sempre rivela la sua completa
composizione genetica!
Piante F1
(ibridi)
Tutti Vv
Gameti
Fenotipo: insieme dei tratti
espressi
Genotipo: effettivo corredo
genetico
Il tratto parentale scomparso
alla F1 ricompare nella F2 in q
recessivo!
Tutti v
Tutti V
1V
2
1v
2
V
Piante F2
Rapporto fenotipico
3 viola
1 bianco
Rapporto genotipico
1 VV : 2 Vv:1 vv
v
V
VV
Vv
v
Vv
vv
Corrispondenza tra legge della segregazione
e concetto di cromosomi omologhi!!
•
I cromosomi omologhi portano le forme alternative (= i due alleli)
relativi a ciascun carattere
• Gli alleli di un gene sono situate nello stesso locus (nella stessa
posizione relativa) sui cromosomi omologhi.
Allele
dominante
Loci genici
V
V
Genotipo:
VV
Omozigote
per l’allele
dominante
a
B
a
b
aa
Omozigote
per l’allele
recessivo
Bb
Eterozigote
Allele
recessivo
La legge sull’assortimento indipendente
•Mendel provò a determinare come vengono ereditate 2 diverse caratteristiche,
contemporaneamente.
•effettuò cioè un incrocio diibrido tra piante omozigoti con semi lisci e gialli
(genotipo LLGG) e piante con semi rugosi e verdi (llgg).
Generazione P
Ipotesi: assortimento dipendente
LLGG
llgg
Gameti LG
LLGG
lg
llgg
Gameti LG
Stesse
combinazioni dei 2
tratti della gen P
1
LG
2
1
lg
2
1
LG
2
1 lg
2
I risultati ottenuti
contraddicono l’ipotesi
´
lg
Compaiono nuove
combinazioni dei 2
tratti, assenti nella
gen P
LlGg
LlGg
Generazione F1
Generazione F2
Ipotesi: assortimento indipendente
1 LG 1 lG
4
4
1 Lg 1 lg
4
4
1
LG
4
LLGG
LlGG LLGg LlGg
1
lG
4
llGG LlGg
1
Lg
4
1
lg
4
LlGG
llGg
LLGg
LlGg LLgg
Llgg
LlGg
llGg
llgg
Llgg
I risultati ottenuti
sostengono l’ipotesi
9
16
3
16
3
16
1
16
Gialli
lisci
Verdi
lisci
Gialli
rugosi
Verdi
rugosi
•La legge dell’assortimento indipendente afferma che ogni coppia di alleli
segrega indipendentemente durante la formazione dei gameti.
•La legge dell’assortimento indipendente ci dice che ogni coppia di alleli si
separa indipendentemente durante la formazione dei gameti, cioè l’eredità
di un carattere non influenza quella di un altro.
•
Esempio di assortimento indipendente: carattere colore del pelo e carattere
capacità visiva nel Labrador retriever
Cieco
Fenotipi
Genotipi
Mantello nero,
vista normale N_A_
Incrocio tra eterozigoti
(mantello nero, vista normale)
Rapporto fenotipico
della prole
9 mantello nero,
vista normale
Cieco
Mantello nero,
cieco (PRA) N_aa
NnAa
3 mantello nero,
cieco (PRA)
Mantello cioccolato,
vista normale nn_A
´
Mantello cioccolato,
cieco (PRA) nnaa
NnAa
3 mantello cioccolato,
vista normale
1 mantello cioccolato,
cieco (PRA)
I genetisti usano il test cross (incrocio di prova) per determinare genotipi
sconosciuti
• Il testcross (reincrocio), consiste in un incrocio tra un individuo con fenotipo
dominate (ma genotipo sconosciuto) e un individuo omozigote recessivo,
•
In base alla prole si risale al genotipo incognito
´
Testcross:
Genotipi
N_
nn
I due possibili genotipi del cane nero:
NN
Gameti
n
Prole
o
Nn
N
N
Nn
n Nn nn
Tutti neri
n
1 nero : 1 marrone
Test cross
usato da Mendel per stabilre purezza delle linee omozigoti e tuttora da tanti allevatori!
• L’ereditarietà dei caratteri umani segue le Leggi di Mendel e si può
studiare costruendo alberi genealogici o pedigree
L’ereditarietà di molti caratteri umani segue
le leggi di Mendel.
NB: Il tratto dominante non sempre è il più
diffuso! Es lentiggini sono dominanti ma
poco diffuse
Caratteri dominanti
Lentiggini
Caratteri recessivi
Assenza di lentiggini
Attaccatura dei capelli a
punta
Attaccatura dei capelli
diritta
Lobo staccato
Lobo attaccato
L’albero genealogico di una famiglia può essere usato per determinare i
genotipi individuali.
Questo albero mostra trasmissione del tratto relativo alla sordità
congenita
Ss
Joshua
Lambert
S?
John
Eddy
Ss
Abigail
Linnell
ss
Jonathan
Lambert
S?
Abigail
Lambert
Ss
Ss
ss
Gli individui che hanno un allele per una
malattia recessiva, e quindi non mostrano
sintomi, sono detti “portatori sani”
S?
Hepzibah
Daggett
Ss
Elizabeth
Eddy
Ss
Ss
Ss
ss
Femmina Maschio
Sordo
Sano
Molte malattie ereditarie umane sono controllate da un singolo
gene e sono ereditate in base alle leggi mendeliane
Alcuni esempi di
malattie ereditarie
umane relative a
geni autosomici
autosomi:
cromosomi non
sessuali (non X o Y)
Patologie recessive
La maggior parte delle malattie genetiche umane è di tipo recessivo.
Es fibrosi cistica, sordità congenita
Genitori
NB: Molti disordini genetici sono
distribuiti in modo eterogeneo
tra i vari gruppi etnici ß
isolamento geografico e
fenomeni di inincrocio, spec. in
piccole popolazioni
Figli
Sano
Ss
S
S
SS
Sano
Sano
Ss
´
Gameti
maschili
s
Ss
Sano
(portatore)
Gameti
femminili
s
Ss
Sano
(portatore)
ss
Sordo
Patologie dominanti
Un certo numero di malattie genetiche umane è dovuto ad alleli
“difettosi” dominanti.
Es. dita soprannumerarie, mani palmate, acondroplasia (nanismo), corea di
Huntington (degenerazione del SN)
Metodi per prevenire e diagnosticare malattie ereditarie
– Molte malattie genetiche possono essere diagnosticate prima della
nascita.
– La medicina mette a disposizione numerosi metodi diagnostici che
possono essere impiegati prima del concepimento, durante la
gravidanza e dopo la nascita.
Eccezioni alle 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.
•Dominanza incompleta 2 alleli producono fenotipo intermedioà mescolanza
•Allelia multipla
•Codominanza (espressione di 2 alleli contemporaneamente)
•Pleiotropia: un gene determina molti effetti
•Eredità multigenica: 2 o più geni influenzano un solo carattere
•Effetto dell’ambiente: molti caratteri fenotipici risultano dalla combinazione di
ereditarietà ed ambiente (nell’uomo ad es. stato nutrizionale, sociale,
eserecizio fisico, etc)
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
´
Gameti
R
Bianco
rr
r
Genotipi:
Generazione F1
Rosa
Rr
Gameti
1 R 1 r
2
2
Gameti maschili
1
1
r
R
2
2
1
R
2
Generazione F2
Gameti
femminili 1
r
2
Rosso Rosa
rR
RR
II
Omozigote
per la capacità
di sintetizzare
i recettori per le LDL
Ii
Eterozigote
ii
Omozigote
per l’incapacità
di sintetizzare
i recettori per le LDL
Fenotipi:
LDL
Recettore per le LDL
Cellula
Individuo sano
Ammalato
in forma non grave
Gravemente
ammalato
Rosa Bianco
Rr
rr
Colore nelle bocche di leone
Ipercolesterolemia umana
Alleli multipli e codominanza
Molti geni possiedono più di due alleli
–In genere, ogni individuo possiede solo due alleli per un gene.
–Nel caso di alleli multipli, all’interno della popolazione, esistono più di due
alleli.
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.
Un singolo gene può avere effetto su più caratteri fenotipici
L’impatto di un singolo gene
su più di un carattere è
detto pleiotropia.
NB l’allele per il tratto
falcemico ha freq
relativamente alta in
popolazione nera perché
risulta protettivo nei
confronti di malaria
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
Accumulo di cellule
falciformi nella milza
Danni
al
cervello
Danni
ad altri
organi
Reumatismi
Danni
alla milza
Insufficienza
renale
Un singolo carattere può essere influenzato da molti geni
Generazione P
´
aabbcc
(molto
chiara)
AaBbCc
1
8
Gameti
femminili
AABBCC
(molto
scura)
´
Generazione F1
Generazione F2
L’ereditarietà multigenica crea
un continuum di fenotipi.
Es determinazione colore della
pelle dipende da almeno 3
genià 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
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 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.
Associazione genica
I geni localizzati uno vicino all’altro sullo
stesso cromosoma sono detti geni
associati e tendono a essere ereditati
insieme.
à Eludono legge su assortimento
indipendente
Spiegazione: i geni sono associati
VA
Cellule parentali
diploidi
VvRr
va
Meiosi
Gameti
più frequenti
VA
va
Fecondazione
Gameti maschili
Esperimento
Fiore viola
VvAa
Fenotipi
Fiori viola polline allungato
Fiori viola polline rotondo
Fiori rossi polline allungato
Fiori rossi polline rotondo
Prole più
frequente
´
VvAa
Granulo pollinico
allungato
Numero dei
Numero previsto
discendenti ottenuti
(9:3:3:1)
284
21
21
55
215
71
71
24
Le combinazioni dei geni associati hanno
frequenza superiore alle attese
VA
Gameti
femminili
VA
va
VA
VA
VA
va
va
va
VA
va
va
3 piante con fiori viola e polline allungato
e 1 pianta con fiori rossi e polline rotondo.
Tuttavia compaiono anche nuove
combinazioni!! à crossing over
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
Agli inizi del ‘900, l’embriologo Morgan condusse alcuni dei primi studi sul crossingover utilizzando per molti esperimenti il moscerino della frutta Drosophila
melanogaster.
Gli esperimenti di Morgan dimostrarono il ruolo del crossing-over nell’ereditarietà.
Corpo nero
e ali corte
Esperimento
Corpo grigio
e ali lunghe
´
GgLI
ggll
Femmina
Maschio
944
GgLI
(femmina)
GL
Prole
965
Spiegazione
206
gl
Fenotipi parentali
Frequenza di
ricombinazione =
Corpo grigio, Corpo nero,
ali corte
ali lunghe
Fenotipi ricombinanti
391 ricombinanti
2300 prole totale
g l
g l
gl
g l
Gl
gL
ggll
(maschio)
gl
185
GL
Corpo grigio, Corpo nero,
ali lunghe
ali corte
GL
= 0,17
ovvero 17%
Gameti
femminili
gl
g l
Prole
Gl
Gameti
maschili
gL
gl
g l
Le frequenze del crossing-over (ricombinazione) possono essere usate per
“mappare” le posizioni relative dei geni sui cromosomi.
Frequenza di ricombinazione maggiore à distanza maggiore
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
cromosomi sessuali e caratteri legati al sesso
In molte specie 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.
–Il cromosoma Y ha un gene (SRY) 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
Nel moscerino della frutta il sistema di determinazione del sesso è analogo
Nelle piante e negli animali esistono altri sistemi di determinazione del
sesso.
22
+
XX
22
+
X
76
+
ZW
76
+
ZZ
32
16
I geni legati al sesso vengono ereditati con modalità particolari
– Tutti i geni localizzati sui cromosomi sessuali sono detti legati al
sesso.
– In molti organismi, i geni legati al sesso non correlati con la
determinazione delle caratteristiche sessuali si trovano più
spesso sul cromosoma X.
Nella drosofila il colore bianco degli occhi è un carattere
legato al sesso, determinato da un gene presente sull’X.
La modalità con cui vengono ereditati i geni legati al sesso è un modello
particolare di trasmissione ereditaria.
Le femmine hanno occhi bianchi solo se l’allele recessivo è presente su
entrambi gli X;
i maschi con occhi bianchi con un solo allele recessivo sull’unico X.
Femmina
Maschio
Femmina
Xr Y
XR Xr
´
XR XR
XR
Xr
Y
XR Xr
XR Y
R = allele «occhi rossi»
r = allele «occhi bianchi»
Femmina
XR Y
XR Xr
´
Gameti
femminili
XR
Y
Maschio
´
Xr Y
Gameti maschili
Gameti maschili
Gameti maschili
Gameti
femminili
Maschio
Gameti
femminili
Xr
Y
XR
XR XR
XR Y
XR
XR Xr
XR Y
Xr
Xr XR
Xr Y
Xr
Xr Xr
Xr Y
Le malattie legate al sesso colpiscono prevalentemente i maschi
perché determinate da alleli recessivi presenti sull’X
•
•
•
Daltonismo
Emofilia
Distrofia muscolare di Duchenne
– Gli alleli recessivi legati al sesso che determinano alcune
malattie sono localizzati sul cromosoma X.
– 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).
– Il cromosoma Y scambia DNA con l’X solo in due brevi tratti
à alto livello di conservazione di padre in figlio à sistema per
analizzare linea evolutiva dell’uomo