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I principi dell’ereditarietà
Gregor Mendel (1822-1884) studiò la trasmissione dei caratteri ereditari nelle piante
di pisello nell’orto del suo monastero a Brno
Il suo merito fu quello di utilizzare un rigoroso metodo scientifico nei suoi esperimenti e
di raccogliere e analizzare un numero molto elevato di dati, che resero valide
statisticamente le sue osservazioni
Pubblicò i suoi risultati nel 1866, ma la loro importanza non venne riconosciuta per ben
34 anni. Solo nel 1900, quando si iniziò a comprendere i fenomeni di mitosi e meiosi, i
suoi lavori vennero riscoperti.
A metà del XIX secolo erano state proposte 2 teorie per spiegare i risultati
degli incroci
• La teoria dell’ereditarietà per rimescolamento
I gameti contenevano dei determinanti ereditari che si mescolavano quando
si fondevano con la fecondazione. Dopo il mescolamento non potevano più
essere separati.
• La teoria dell’ereditarietà particellare
Ogni determinante aveva una natura fisicamente distinta: quando i gameti si
fondevano con la fecondazione , i determinanti rimanevano intatti.
Queste teorie furono testate da Mendel con un metodo scientifico e i
risultati avvalorarono la teoria particellare
La genetica nasce con Mendel nella seconda metà del XIX secolo
Mendel preparò con cura i suoi esperimenti sul pisello odoroso
(Pisum sativum)
Un modello semplice
• Facile da coltivare
• Possibile manipolazione dell’impollinazione
• Con diversi caratteri somatici ben distinguibili
Sviluppò linee geneticamente “pure” per un certo numero di caratteri semplici
da riconoscere
Scelse varietà di pisello rappresentative per sette caratteri, con differenze
ereditabili (tratti) ben distinguibili
Un CARATTERE è una proprietà
dell’organismo determinata
geneticamente (forma, colore,
etc…)
Oggi distinguiamo
Un TRATTO è una particolare
forma del carattere (es. colore
giallo o verde)
GENOTIPO: costituzione genetica
dell’organismo
FENOTIPO: l’aspetto fisico di un
organismo
7 caratteri per 14 tratti
Perchè il pisello?
Metodo di incrocio di Mendel
Rimuove dal fiore l’organo
riproduttivo maschile e fa
avvenire impollinazione
usando
un altro fiore.
Usa LINEE PURE: piante che
in seguito a
autoimpollinazione
mantenevano gli stessi tratti
nelle generazioni.
Incrocia linee pure che
differiscono solo per un
carattere.
Normalmente le piante di pisello si autoimpollinano.
La cross-impollinazione consente ai ricercatori di studiare schemi
diversi di trasmissione ereditaria
Incrocio di linee
pure, con fenotipi
diversi (es. stelo
lungo e stelo corto)
Gli individui che
risultavano erano
tutti uguali e simili
a un genitore
Incrociando individui
F1 (o facendoli
autoimpollinare), si
produceva progenie
per ¾ con fenotipo
della F1 (stelo lungo)
e per ¼ con tratto
del genitore P che
non si osservava in
F1 (stelo corto)
Primi esperimenti di Mendel
(incroci monoibridi)
Generazione parentale (P)
Prima generazione filiale (F1)
Seconda generazione filiale (F2)
I fattori ereditari non si perdono – non si mescolano – e ricompaiono nelle generazioni successive
• Il carattere espresso nella generazione F1 è detto DOMINANTE
• Il carattere non espresso è detto RECESSIVO
Quando sono presenti entrambi, il dominante maschera il recessivo
La dominanza era in contrasto con il concetto di mescolanza dei fattori
ereditari
Mendel ipotizzò che i fattori ereditari si comportassero come particelle
presenti in ciascun individuo (teoria particellare)
Risultati degli incroci monoibridi di Mendel
dominanza dei caratteri, o dell’uniformità degli ibridi
Mendel ancora no sapeva cosa fossero i “fattori ereditari”
– non si conoscevano il DNA e i cromosomi
I fattori di Mendel sono i geni
… unità ereditarie che determinano i tratti
dell’organismo, costituiti (oggi lo sappiamo) da una
sequenza di DNA per produrre un RNA o un prodotto
proteico con una funzione specifica
Durante la formazione dei gameti, gli alleli si separano
Mendel propose che fattori ereditari (geni) si
trovassero in coppie che si separano (segregano)
durante la formazione dei gameti
Ogni gamete contiene
una copia di un gene
(stato aploide)
Gli zigoti (dalla fusione
dei gameti) contengono
due copie del gene
(stato diploide)
Definizioni
Gli ALLELI sono le forme alternative di un gene (es. seme liscio e seme rugoso)
Organismo OMOZIGOTE per un gene ha due alleli identici (es. due copie allele seme liscio SS)
Organismo ETEROZIGOTE per un gene ha due alleli differenti (es. due copie allele seme rugoso ss)
Convenzioni
In un eterozigote un allele può essere dominante e l’altro recessivo.
Allele dominante – lettera maiuscola (S)
Allele recessivo – lettera minuscola (s)
Le due copie del gene segregano nei gameti
Carattere R= form of Ripe seed
smooth (liscio) or wrinkled (rugoso)
A volte indicato come S=liscio; s=rugoso
I gameti di un genotipo RR porteranno R
I gameti di un individuo rr porteranno r
La generazione F1 sarà tutta Rr
I gameti di un genotipo Rr porteranno R e r
La generazione F2…
… riempiendo quadrato di Punnet (vedi slide
successiva)…
… fenotipi liscio/rugoso in rapporto 3:1
poiché R è dominante su r
Combinazioni alleliche possono essere predette utilizzando il quadrato di Punnet
(dal genetista inglese Reginald Punnet che propose il metodo nel 1905)
gameti
gameti
I legge di Mendel
Legge della segregazione
Quando un individuo produce gameti, le due copie
di un gene si separano, in modo che ogni gamete
riceva una sola copia
Oggi sappiamo che principio di segregazione di
Mendel dipende dalla separazione dei cromosomi
omologhi durante la meiosi.
Risultato: segregazione degli alleli
Gli alleli si trovano sugli stessi loci dei cromosomi omologhi.
Nell’incrocio monoibrido, gli
individui portano alleli diversi
per un dato locus
Il fenotipo, non
sempre rivela il
genotipo
Il reincrocio (test cross) è utilizzato per individuare la condizione eterozigote
Un incrocio diibrido avviene tra due individui che
portano alleli diversi in due loci distinti
2 coppie di alleli su cromosomi non omologhi
Ogni coppia di alleli viene ereditata
indipendentemente
… ovvero gli alleli segregano indipendentemente durante la meiosi
Due coppie di cromosomi
possono allinearsi in
metafase in due modi diversi,
con uguale probabilità
Alla fine della meiosi si
produrranno gameti con 4
combinazioni alleliche
diverse in rapporto 1:1:1:1
II legge di Mendel
Legge dell’assortimento indipendente
Alleli di geni diversi si assortiscono
indipendentemente l’uno dall’altro durante la
formazione dei gameti
L’assortimento indipendente degli alleli è alla base della ricombinazione genetica
… alla base della diversità genetica
Quadrato di Punnet per predire i risultati di un incrocio
monoibrido
diibrido
Quadrato di Punnet per un incrocio di
Triibridi
Tetraibridi
Quadrato 8x8
(64 caselle)
Quadrato 16x16
(256 caselle)
Il calcolo delle probabilità è usato per prevedere l’ereditarietà
Uno dei motivi di successo di Mendel fu l’uso di grandi numeri di individui.
I genetisti usano la statistica per determinare se e quali risultati ottenuti
coincidono con le previsioni.
Convenzioni di base
• Se un evento avverrà sicuramente, la sua probabilità è 1
• Se non può avvenire, la sua probabilità è 0
• Gli altri eventi hanno probabilità tra 0 e 1
Concetto di probabilità
Es. lancio di una moneta
La probabilità che esca testa o croce è la stessa = 50%
=½
Domanda
Se due monete sono lanciate contemporaneamente,
qual è la probabilità che esca in entrambe croce?
Risposta
Le due monete si comportano in modo indipendente.
La prob che esca croce per una moneta è ½, per l’altra
è ancora ½.
La prob della combinazione che per entrambe esca
croce è ½
x½=¼
Regola del prodotto
La prob che due risultati indipendenti capitino
insieme è ottenuta moltiplicando le due prob singole
Come la regola del prodotto si applica
agli incroci monoibridi
Domanda
Es. dopo l’autoimpollinazione di una
piante F1, Rr, qual è la prob (P) che una
pianta F2 sia RR?
Risposta
P che uno spermio porti R è ½
P che un uovo porti R è ½
P che uno zigote risulti RR è ½ X ½ = ¼
Verifica con il quadrato di Punnet
Allo stesso modo la P di ottenere rr
sarà ¼
Domanda
Es. dopo l’autoimpollinazione di una
piante F1, Rr, qual è la prob (P) che una
pianta F2 sia Rr?
Risposta
In questo caso di possono verificare
due eventi, ovvero ci sono due modi
per ottenere un eterozigote Rr
(combinazioni alleliche Rr e rR)
Ognuna con P ½ X ½ = ¼
(eventi mutualmente esclusivi)
Le probabilità dei due eventi singoli si
sommano ¼ + ¼ = ½
Verifica con il quadrato di Punnet
Regola della somma
Lo stesso principio funziona anche per
gli incroci diibridi
Domanda
Qual è la P che un seme in F2 sia liscio? (RR o
Rr)
Risposta
La somma delle P di RR (¼) e Rr (½) = ¾
Anche la P di avere semi gialli sarà = ¾
(i due caratteri sono determinati da geni
indipendenti)
La P di avere semi lisci e gialli è ¾ x ¾ = 9/16
P di avere semi rugosi e gialli?
P di essere giallo (YY o Yy) è ¾
P di essere rugoso è ½ x ½ = ¼
P tot = ¾ x ¼ = 3/16
(La stessa P per liscio e verde)
Applicando le regole della somma e del prodotto si
verificano le proporzioni del quadrato di Punnet 9:3:3:1
Le leggi di Mendel possono essere osservate negli alberi genealogici
Mendel fece molti incroci e contò parecchi individui della progenie
Non è possibile
per l’uomo!
I genetisti umani utilizzano gli alberi genealogici (pedigree)
alberi familiari che mostrano la comparsa di un fenotipo (e gli alleli) in molte
generazioni di individui imparentati
Esempio di un albero genealogico che mostra schema di eredità di un allele raro dominante
(responsabile della malattia di Huntington)
Convenzioni
•
•
Ogni persona affetta ha un genitore affetto a sua volta
È affetta circa la metà della progenie di un genitore affetto
La malattia di Huntington, o corea di Huntington, è una malattia genetica neurodegenerativa
causata da una mutazione autosomica dominante
Cos'è e come si manifesta la malattia di Huntington?
La malattia di Huntington è una patologia ereditaria causata dalla degenerazione di neuroni situati in specifiche
aree cerebrali – striato e corteccia cerebrale – e caratterizzata da una generale atrofia del cervello. I sintomi
iniziali possono essere bruschi mutamenti dell’umore, apatia, irritabilità, depressione e rabbia, difficoltà nella
guida, nell’imparare cose nuove o nel prendere una decisione. Altri possono presentare cambiamenti nella
scrittura e movimenti involontari delle dita, dei piedi, del viso o del tronco (chiamati “còrea” dal termine greco
che significa “danza”). In altri casi possono insorgere disturbi dell’equilibrio e del coordinamento motorio con
accentuato rischio di cadute. L’ordine di comparsa di questi sintomi e la gravità possono variare notevolmente
da un individuo all’altro, così come l’età d’insorgenza. Nella sua forma più classica, infatti, la malattia insorge tra
i 35 e i 45 anni, ma in alcuni casi può manifestarsi prima dei 20 anni con un rapido declino del rendimento
scolastico, cambiamenti nella scrittura, rigidità, tremori, lentezza e rapidi spasmi muscolari. La forma giovanile
progredisce molto più rapidamente di quella adulta. La forma tardiva, infine, si manifesta dopo i 55 anni e può
essere più complessa da diagnosticare per la compresenza di altre patologie, ma anche perché i sintomi
possono essere particolarmente lievi e perciò più difficili da individuare.
La frequenza della malattia è stimata in 5-10/100.000 individui, ma non sempre viene correttamente
diagnosticata: esiste perciò certamente un gran numero di portatori inconsapevoli.
Come si trasmette la malattia di Huntington?
La malattia si trasmette con modalità autosomico dominante: un genitore affetto ha cioè una probabilità del
50% di trasmetterla a ciascuno dei suoi figli, a prescindere dal sesso. Quello che viene trasmesso non è la
malattia, ma la mutazione di un gene, IT-15, localizzato sul cromosoma 4 e codificante per la proteina
huntingtina, dalle funzioni non ancora del tutto note ma comunque importante per lo sviluppo embrionale e nel
cervello adulto. Il gene IT-15 sano presenta al suo interno una specifica sequenza CAG che si ripete fino a un
massimo di 35 volte, ma che in presenza della mutazione si ripete per un numero eccessivo di volte (da 39 a
oltre 100). Ogni individuo che eredita il gene mutato svilupperà più o meno precocemente la malattia.
Esempio di un albero genealogico che mostra schema di eredità di un allele raro recessivo
(esempi: albinismo, SMA…)
Convenzioni
• La persone affette possono avere genitori non affetti
• Solo circa ¼ dei figli di genitori eterozigoti sono affetti
L’atrofia muscolare spinale (SMA) è una malattia genetica causata da mutazione
autosomica recessiva
Cos'è e come si manifesta l’atrofia muscolare spinale?
L’atrofia muscolare spinale (Sma) è una patologia neuromuscolare caratterizzata dalla progressiva
morte dei motoneuroni, le cellule nervose del midollo spinale che impartiscono ai muscoli il
comando di movimento. La Sma colpisce circa 1 neonato ogni 10.000 e costituisce la più comune
causa genetica di morte infantile. Ne esistono tre forme, di cui la I è la più grave e interessa circa la
metà dei pazienti. In questo caso, i bambini mostrano segni della malattia già alla nascita o nei primi
mesi; si tratta di segni gravi e progressivi di insufficienza respiratoria. I bambini affetti dalla forma II,
detta anche forma intermedia, acquisiscono la capacità di stare seduti ma non di camminare
autonomamente. Questi bimbi presentano spesso anche complicanze respiratorie e altri segni, quali
la scoliosi, ma nel complesso la forma è molto più stabile. La forma III è la meno grave; spesso
esordisce dopo i primi anni ed è sempre associata alla capacità di riuscire a camminare, anche se in
alcuni casi questa capacità può essere perduta successivamente.
Come si trasmette l’atrofia muscolare spinale?
La malattia è causata da un difetto in uno dei due geni - SMN1 e SMN2 - che porta alla produzione di
livelli insufficienti di una proteina chiamata SMN. La modalità di trasmissione è autosomica recessiva:
i genitori sono portatori sani del difetto genetico e hanno il 25% di probabilità di trasmettere la
malattia a ciascuno dei figli. Le tre forme sono dovute a mutazioni nello stesso gene.
La proteina SMN (Survival of Motor Neuron) è coinvolta nell’assemblaggio di snRNPs, componenti
essenziali dello spliceosoma. Mancanza di SMN dovuta ad esempio a delezioni nel gene SMN1,
risultano in difetti diffusi dello splicing, specialmente nei motoneuroni spinali.
Nel 1902, Sutton e Boveri intuirono indipendentemente la relazione tra la
segregazione mendeliana degli alleli e la separazione degli omologhi in meiosi.
La teoria cromosomica dell’ereditarietà
(o teoria di Sutton-Boveri)
Ereditarietà può essere spiegata assumendo che i geni siano
disposti linearmente lungo i cromosomi, in posizioni
specifiche
Aiuta a spiegare alcune eccezioni dell’eredità mendeliana