MENDEL E LA GENETICA CLASSICA Mendel e le basi della genetica • La genetica è la scienza che studia la trasmissione dei caratteri ereditari (che si trasmettono di generazione in generazione). • Per carattere si intende l'aspetto esterno o interno di un organismo. • I caratteri ereditari sono quelli che provengono dai genitori (e si trasmettono ai figli), non sono modificabili e si manifestano fin dalla nascita (sono congeniti) esempio: colore dei capelli e degli occhi, gruppo sanguigno, malattie genetiche ecc. • Il primo a studiare con metodo scientifico il problema di come vengono trasmessi i caratteri ereditari fu Gregor Mendel, un monaco della Repubblica Ceca. • Prima degli studi di Mendel, la teoria più diffusa dell'epoca sulla modalità di trasmissione dei caratteri ereditari era quella della mescolanza, secondo la quale i caratteri paterni e materni si fondono nei figli, mescolandosi come i colori di due vernici. • Mendel iniziò i suoi esperimenti verso la metà dell'800, nel giardino del suo monastero, utilizzando come pianta da esperimento il comune pisello degli orti (Pisum sativum), perché: 1. È facile da reperibile, coltivare e si riproduce rapidamente 2. La pianta contiene parti maschili e femminili racchiuse dai petali, quindi normalmente si autoimpollina. L’autoimpollinazione avviene prima che i fiori si aprano, quindi la progenie viene prodotta da una singola pianta. Questo permise a Mendel di effettuare degli incroci, trasportando con un pennellino il polline del fiore di una pianta su quello di un’altra, a cui aveva tolto gli organi maschili (impollinazione incrociata). La pianta di pisello è disponibile in diverse varietà, molte delle quali sono caratterizzate da un carattere che si manifesta in 2 forme alternative (antagoniste) distinte e facili da distinguere. In particolare Mendel concentrò la sua attenzione su 7 di questi caratteri distintivi, ognuno dei quali può presentarsi in 2 forme alternative differenti: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. seme liscio o rugoso seme giallo o verde Baccello verde o giallo Fiori viola o bianchi Fusti lunghio corti Fiori assiali o terminali Baccello rigonfio o grinzoso • Per ogni carattere Mendel selezionò delle linee pure, cioè delle piante che, dopo ripetuti cicli di autoimpollinazione, manifestavano sempre la stessa variante. Ad esempio, una linea pura a fiori viola è una pianta che per autoimpollinazione produce sempre e solo piante a fiori viola. • Dopo aver ottenuto delle linee pure per ciascuna variante, Mendel passò alla realizzazione di incroci fra piante diverse: 1. Le linee pure iniziali costituiscono la GENERAZIONE PARENTERALE (P). 2. Le piante ottenute dal loro incrocio vengono indicate come PRIMA GENERAZIONE filiale (F1). 3. Le piante che derivano da F1 costituiscono la SECONDA GENERAZIONE FILIALE (F2). GLI ESPERIMENTI DI MENDEL Mendel decise di considerare l’ereditarietà di un solo carattere per volta in un grande numero di piantine e operò nel modo seguente: 1. Prese piantine di linea pura che differivano per un carattere ed effettuò un incrocio. Questo tipo di incrocio è detto monoibrido: ibrido poiché i genitori hanno caratteri differenti, mono perché si prende in considerazione l'ereditarietà di un solo carattere: esempio incrociò piante a fiori viola con piante a fiori bianchi (P1). 2. Mendel osservò che nella prima generazione filiale (F1) tutte le piante ottenute (ibridi) possedevano il carattere di uno solo dei genitori. Esempio dall'incrocio tra piante a fiori viola e piante a fiori bianchi si ottenevano sempre piante a fiori viola •Il carattere che compariva in F1 venne definito DOMINANTE, mentre l’altro carattere che non si manifestava venne detto RECESSIVO. •-->PRIMA LEGGE DI MENDEL O LEGGE DELLA DOMINANZA: •Incrociando individui che differiscono per 1 solo carattere, si ottengono ibridi tutti uguali che manifestano il carattere di un solo genitore (carattere dominante) •Successivamente Mendel lasciò che le piante ottenute nella prima generazione filiale F1 si autoimpollinassero. Dall’autoimpollinazione si ottenne una nuova generazione di piante chiamata seconda generazione filiale F2, osservandole Mendel notò 2 dati importanti: 1. Il tratto che NON si era manifestato nella generazione F1 ricompariva nella generazione F2 (esempio fiori bianchi). 2. In F2, il rapporto numerico fra i due caratteri era sempre lo stesso 3:1. In altre parole 3/4 della generazione F2 mostrava il --> SECONDA LEGGE DI MENDEL O LEGGE DELLA SEGREGAZIONE: Nella discendenza ottenuta incrociando gli ibridi, ricompare il carattere recessivo e i 2 caratteri sono in rapporto 3:1. • CC • X cc Cc X cc P La seconda delle leggi di Mendel parte dall’assunto che ogni carattere è determinato da un fattore (gene) di cui esistono due forme diverse (alleli). Ogni individuo porta con sé, per ciascun gene, due alleli differenti, uno di origine materna, l'altro di origine paterna. Al momento della formazione dei gameti, gli alleli di uno stesso gene si separano 2° LEGGE Più precisamente: • GENE=sequenza di DNA localizzata in un punto preciso di un cromosoma, detto locus, responsabile di un determinato carattere. • ALLELE= forme alternative di un gene. Esempio del gene responsabile del colore dei fiori esistono 2 alleli, uno viola e uno bianco e l'allele colore viola è dominante sul bianco LA TERZA LEGGE DI MENDEL • A questo punto Mendel si chiese come si comportassero negli incroci piante che differivano per 2 caratteri, esempio la forma e il colore del seme. • Incrociò una pianta a semi lisci e gialli (caratteri entrambi dominanti) e una a semi rugosi e verdi (caratteri entrambi recessivi). • Dall’incrocio fra questi due ceppi ottenne una generazione filiale F1 tutte con seme liscio e giallo (diibrido), i 2 caratteri dominanti. L’incrocio aveva quindi rispettato la legge della dominanza. • Successivamente Mendel si limitò a lasciare che le piante di F1 si autoimpollinassero e ottenne piante con 4 diverse combinazioni di semi, in un rapporto di 9:3:3:1 (liscio/giallo, liscio/verde, rugoso/gialli, rugoso/verde). Terza legge di Mendel o della segregazione indipendente: quando si formano i gameti, gli alleli di un gene si separano in modo indipendente dagli alleli di un altro gene. Questa legge ha delle limitazioni. Mendel, infatti prende in considerazione solo geni collocati su cromosomi differenti. I geni situati sullo stesso cromosoma invece vengono trasmessi insieme, per questo motivo sono detti concatenati o associati. • L’insieme degli alleli che determinano un carattere è detto GENOTIPO, mentre la caratteristica osservabile che essi determinano è detta FENOTIPO. • Gli alleli vengono rappresentati con una lettera: una lettera maiuscola se l’allele è dominante, la stessa lettera minuscola se si tratta dell’allele recessivo. • Un individuo si dice OMOZIGOTE per un gene se ha due alleli uguali, se invece i due alleli presenti sono diversi l’individuo è ETEROZIGOTE. • In questo esempio: -AA è omozigote dominante, con seme giallo -bb è omozigote recessivo, con seme verde -Ab è eterozigote e fenotipicamente manifesterà il carattere dominante, cioè seme giallo QUADRATO DI PUNNET • Il quadrato di Punnet è una tabella che consente di prevedere le combinazioni di alleli risultanti da un incrocio. Cioè conoscendo il genotipo dei genitori, è possibili prevedere i vari genotipi dei figli. • Per impostare un quadrato di Punnett, in relazione a una determinata caratteristica, bisogna scrivere in alto, sopra la tabella, i possibili alleli presenti nei gameti (aploidi) di uno dei due genitori e, in verticale a sinistra della tabella, i possibili alleli dell’altro genitore. • All'interno del quadrato si otterranno tutti i possibili genotipi diploidi. In questo esempio, il rapporto fenotipico della F2 è 3:1, cioè 3 individui a seme liscio e 1 a seme rugoso. Il rapporto genotipico è 1:2:1, cioè : -1 individuo omozigote dominante - 2 individui eterozigoti -1 individuo omozigote recessivo IL TESTCROSS • Da quanto abbiamo già appreso possiamo concludere che a un fenotipo recessivo corrisponde sempre un genotipo omozigote recessivo per quel carattere; per esempio, se l’allele per il colore dei petali di un fiore venisse indicato con la lettera B e il colore bianco fosse recessivo, una pianta con i fiori bianchi avrebbe sicuramente Il genotipo bb. • Invece, se per un certo carattere un organismo presentasse un fenotipo dominante, a tale fenotipo potrebbero corrispondere due genotipi differenti, BB e Bb; per sapere di quale dei due si tratta è necessario ricorrere al testcross o reincrocio. • Il test cross è un incrocio sperimentale tra un individuo con fenotipo dominante ma genotipo sconosciuto e un individuo con fenotipo recessivo (che può essere solamente omozigote) che ha lo scopo di determinare il genotipo del primo individuo. • Nella prole può comparire un solo fenotipo oppure ne possono comparire due: nel primo caso l’individuo con il fenotipo dominante sarà probabilmente omozigote, mentre nel secondo caso sarà eterozigote per il carattere in questione. IMPOSTAZIONE DI UN QUADRATO DI PUNNET RELATIVO A 2 CARATTERI • Con le lettere G e g indichiamo gli alleli dominante e recessivo per il colore dei semi (giallo o verde) e con le lettere L e l gli alleli per la forma dei semi (liscio o rugoso). Per analizzare, per esempio, un incrocio tra un individuo eterozigote per tutti e due i caratteri (GgLl) e uno del tutto omozigote recessivo (ggll) si costruisce un quadrato suddiviso in 16 quadrati più piccoli. • (B) Mettiamo il simbolo femminile su lato verticale a sinistra e il simbolo maschile su quello orizzontale in alto. L’individuo eterozigote (GgLl) può dar luogo ai gameti femminili (GL, Gl, gL e gl ). In corrispondenza di ogni riga di sinistra, dove si tro- va il simbolo femminile, si scrive una delle quattro possibili combinazioni. • (C) In corrispondenza di ogni colonna verticale scriviamo gl, l’unica combinazione possibile nei gameti maschili. Poi, cominciando dalla riga superiore, si riempiono le caselle con 4 lettere, mettendo insieme quelle presenti nei due gameti che si uniscono. GgLl x ggll gl gl gl gl gl ggll ggll ggll ggll gL ggLl ggLl ggLl ggLl Gl Ggll Ggll Ggll Ggll GL GgLl GgLl GgLl GgLl CODOMINANZA • Nella codominanza, gli organismi eterozigoti esprimono contemporaneamente i 2 fenotipi omozigoti. • Un esempio familiare è il sangue umano di gruppo AB, in cui i globuli rossi presentano le caratteristiche relative sia al gruppo sanguigno di tipo A sia a quello di tipo B. • ALLELI MULTIPLI E GRUPPI SANGUIGNI Ogni organismo diploide può avere soltanto 2 alleli per ogni gene, ma in una popolazione di organismi possono essere presenti più di 2 varianti alleliche per uno stesso gene-->si hanno perciò ALLELI MULTIPLI, che derivano da differenti mutazioni dello stesso gene. Un esempio di alleli multipli: Negli esseri umani i 4 principali gruppi sanguigni (A, B, AB e 0), sono determinati dalle combinazioni dei 3 alleli (A, B e 0) di un unico gene. La differenza fra I 4 gruppi sanguigni dipende dalla presenza o meno di particolari polisaccaridi, chiamati appunto A e B, che si trovano sulla superficie dei globuli rossi; nel plasma sanguigno sono degli anticorpi che riconoscono e distruggono I globuli rossi di gruppo diverso. I globuli rossi di un individuo possono avere sulla loro superficie un solo tipo di polisaccaride (come accade per i gruppi sanguigni A e B), possono averli entrambi (nel caso del gruppo AB), oppure nessuno dei due (gruppo 0). Queste caratteristiche del fenotipo sono determinate dal fatto che gli alleli A e B sono codominanti,mentre l’allele 0 è recessivo; 1. Gli individui di gruppo A possono ricevere sangue sia dal gruppo A che 0, ma non possono riceverlo dal gruppo B., poiché hanno anticorpi anti-B 2. Gli individui del gruppo B possono ricevere sangue dal gruppo B e O, ma non possono riceverlo dal gruppo A, poiché hanno anticorpi anti-A. 3. Gli individui con sangue di tipo AB hanno entrambi i polisaccaridi, ma nessuno dei due anticorpi (A e B) e, pertanto, possono ricevere sangue da qualunque donatore. 4. Gli individui di gruppo 0 non hanno nessuno dei due polisaccaridi, ma hanno sia anticorpi A sia anticorpi B; possono ricevere sangue solo dal gruppo 0, ma possono donare sangue a chiunque e vengono perciò definiti donatori universali. EREDITA' POLIGENICA • I caratteri monogenici, cioè determinati da 1 solo gene, come ad es. Il gruppo sanguigno o la capacità di arrotolare la lingua nell'uomo, sono caratteri discontinui, perché si presentano in forme alternative ben distinte. • Alcuni caratteri, come la statura o il colore della pelle, sono invece dovuti all'azione di più geni; questo fenomeno è detto eredità poligenica. Un carattere che risente dell’azione di più geni è detto carattere continuo e si presenta con una gradazione di lievi differenze fra gli individui, che è detta variazione continua. LE MALATTIE GENETICHE UMANE • I principi della genetica si applicano allo studio di molte malattie umane, tuttavia nell'uomo non si possono fare esperimenti ed incroci come faceva Mendel. • Nell'uomo, per capire le modalità con cui i figli ereditano alcune malattie genetiche dai genitori, si preferisce ricorrere allo studio degli alberi genealogici familiari. • Un albero genealogico, o pedigree, è la rappresentazione grafica degli incroci avvenuti in una famiglia, attraverso più generazioni. Simboli utilizzati per costruire un albero genealogico Le malattie genetiche vengono classificate in: -Autosomiche: se l'allele mutato è localizzato su un cromosoma autosoma( cioè tutti i cromosomi tranne quelli sessuali) -Eterocromosomiche o legate al sesso: se l'allele mutato è localizzato su un cromosoma sessuale (x o y). A loro volta, possono essere: -Dominanti: se si manifestano negli eterozigoti -Recessive: se si manifestano negli omozigoti; in questo caso gli eterozigoti, che hanno solo 1 allele mutato vengono definiti portatori sani MALATTIE AUTOSOMICHE RECESSIVE • CARATTERISTICHE DELLA LORO TRASMISSIONE: 1. La persona affetta è di solito figlia di genitori sani, i quali sono PORTATORI SANI. 2. Interessa indifferentemente entrambi i sessi 3. Circa ¼ dei figli di genitori sani è malato I portatori sani non presentano la malattia perché sono eterozigoti, hanno cioè un solo allele mutato, ma possono trasmetterla alla generazione successiva. Per questo le malattie autosomiche recessive sembrano scomparire per alcune generazioni, per poi ricomparire quando si presenta di nuovo la combinazione omozigote. Esempio: anemia falciforme e albinismo MALATTIE AUTOSOMICHE DOMINANTI • CARATTERISTICHE DELLA LORO TRASMISSIONE: 1. Una persona affetta ha necessariamente un genitore affetto (gli eterozigoti sono malati, non esistono portatori sani) 2. La malattia compare con la stessa frequenza nei 2 sessi 3. Circa il 50% dei figli di un genitore malato è malato 4. Si presentano con un'incidenza elevata in tutte le generazioni Esempio: nanismo, polidattilia, Corea di Huntington MALATTIE RECESSIVE LEGATE AL SESSO (x-linked) • Sono malattie causate da geni difettosi collocati sul cromosoma sessuale X (il cromosoma Y è piccolo e non contiene gene vitali per la sopravvivenza). • La maggior parte di queste malattie sono recessive. Pertanto, se una femmina presenta 1 solo allele mutato, sarà portatrice sana della malattia. I maschi invece, non avendo un’altra copia di quel gene per compensare l’errore (sono XY), con 1 mutazione recessiva sul cromosoma X saranno affetti dalla patologia. • CARATTERISTICHE: 1. Gli individui affetti sono quasi tutti di sesso maschile; 2. Un maschio malato non trasmetterà mai il carattere ai figli maschi, mentre le femmine sono affette se il padre è affetto e la madre è una portatrice; 3. La madre, in genere portatrice asintomatica, trasmetterà il carattere a 1/2 dei figli maschi; Esempi di malattie recessive legate all’X sono: l’emofilia, la distrofia muscolare di Duchenne e il daltonismo.
