Genetica Mendeliana
•
Prime Teorie di
Eredità
Spermi e uova contenevano un campione delle
“essenze” da varie parti del genitore
• Al concepimento, queste “essenze” si
mescolavano per formare il nuovo individuo.
• Questa idea fu chiamata = eredità per
mescolamento
• Mendel stabilì che esistono unità discrete di
eredità e potè predire il loro comportamento
Gregor Johann
Mendel • Nato in 1822 a
Heinzendorf, Czech
Rep.
• Ammesso al monastero
Agostiniano di St.
Thomas nel 1843
• Nel 1856, comincia gli
esperimenti di
ibridazione con i piselli
da giardino per i quali è
famoso.
Esperimenti di Mendel
•
Studiò come i caratteri venivano
trasmessi dai genitori ai figli
• Utilizzò il Pisello da
Giardino, Pisum sativum,
come organismo
sperimentale poichè
—Auto impollinante
—Facile da incrociare
—Rapido tempo di
generazione
—Facile da crescere e
maneggiare
• I fiori di Pisello sono tipicamente
autoimpollinanti
• Per questa ragione è relativamente
facile controllare gli incroci in questa
pianta
Giardino di Mendel
Esperimenti di Mendel
• Mendel stabilì che esistevano unità di
eredità (fattori unitari) che noi ora
chiamiamo geni
• Predisse il loro comportamento durante la
formazione dei gameti
• Derivò dei postulati che ancora oggi
rappresentano la pietra miliare della
genetica formale
Metodologia di Mendel
Ottenne ceppi puri da allevatori locali di piselli
Studiò 7 caratteristiche visibili con 2 forme contrastanti
Una per volta
– Altezza dello stelo
(alto/nano)
– Forma del seme
(liscio/rugoso)
– Colore del seme
(giallo/verde)
– Forma del baccello
(pieno/compresso)
– Colore del baccello
(verde/giallo)
– Posizione del fiore
(assiale/terminale)
– Colore del fiore
(violetto/bianco)
•Ceppi puri (true-breeding): danno progenie
tutta uguale e uguale ai genitori.
•Esempio: una pianta a fiori viola è pura se i
semi che produce danno tutti origine solo a
piante a fiori viola.
Metodologia di
Mendel
• Incrociò sperimentalmente piante con diversi
caratteri e osservò i risultati
• Restrinse l’esame a una o poche coppie di
caratteri contrastanti
• Tenne accurati registri dei risultati numerici degli
esperimenti
Impollinazione
incrociata
Antere(maschio)
Stigma(femmina)
• Le antere sono rimosse
dalla pianta prima che
liberino il polline =
demascolinizzazione
• Il polline ottenuto da
un’altra pianta (maschio)
è poi sparso sullo stigma
della pianta femmina
(demascolinizzata )
Incrocio Monoibrido
Mendel eseguì l’incrocio più semplice:
• Accoppiò due ceppi parentali puri che
mostravano ciascuno una delle due forme
alternative
• Parentali originali = Generazione P1
• La loro progenie è detta Generazione F1 (prima
filiale)
• La generazione F1 è poi lasciata
autoimpollinarsi per produrre la Generazione F2
Incrocio Monoibrido
• In tutti i casi, un carattere parentale
scompariva in F1, per riapparire solo nella
generazione F2
• In ciascuno dei 7 caratteri esaminati, Mendel
osservò un rapporto di ~ 3:1 nella F2.
• ~ 3/4 della progenie presentava il carrattere
osservato nella F1 e 1/4 il carattere che non
era presente in F1
Gli incroci reciproci mostrarono simili pattern di eredità
Incroci reciproci
Stessi risultati
Primi Tre Postulati di Mendel
1. Fattori Unitari in coppie
–
I caratteri genetici sono controllati da fattori unitari
(geni) che si trovano in coppie (alleli) nei singoli
organismi
2. Dominanza/Recessività
–
Quando sono presenti due fattori (alleli) diversi
responsabili di una singola caratteristica, uno sarà
espresso nel fenotipo (dominante) e l’altro
mascherato (recessivo)
3. Segregazione
–
Durante la formazione dei gameti, i fattori unitari
presenti in coppie si separano a caso (segregano)
così ciascun gamete riceve l’uno o l’altro con uguale
probabilità ( pari a 1/2)
Terminologia
• Fenotipo - l’apparenza fisica di un carattere
• Gene- una sequenza di DNA che codifica per una
particolare proteina responsabile del carattere. Unità di
eredità (i fattori unitari di Mendel)
• Allele- forma alternativa di un singolo gene
Esempio:L’allele viola è dominante su bianco, ma entrambi
gli alleli codificano per il colore del fiore
Il colore del fiore è il gene
viola e bianco sono alleli dello stesso gene
• Genotipo- la costituzione allelica o genetica di un
organismo
• Omozigote- un individuo contenente alleli identici per un
gene
• Eterozigote- un individuo contenente alleli diversi per un
gene
ANALISI MENDELIANA : 1 GENE
Quadrato di
Punnett
•Rapporti genotipici
3 A-
: 1 a/a
•Rapporti fenotipici
Quadrato di Punnett
Risultati del quadrato di Punnett
• Risultati della F1
– tutti eterozigoti (Aa)
– mostrano il fenotipo dominante
• Risultati della F2
•1 omozigote dominante (AA)
•2 eterozigoti (Aa)
•1 omozigote recessivo (aa)
•Rapporti della progenie F2
3:1 rapporto fenotipico (dominanti:recessivi)
1:2:1 rapporto genotipico (AA:Aa:aa)
I Legge
dominanza
Fra due caratteri
che si incontrano,
uno solo prevale
II Legge
segregazione o
disgiunzione
la segregazione
corrisponde alla meiosi:
divisione riduzionale
Genotipo v. fenotipo
F2
F3
1/3 gave all long
2/3 gave 3 long : 1 short
all short
Fra due caratteri che si incontrano, uno solo prevale
Nella formazione dei gameti avviene la separazione
degli alleli in modo che ogni gamete ne contenga uno
solo
(stupefacente! Mendel scopre la meiosi senza
conoscere l’esistenza dei cromosomi!)
Test Cross
• E’ usato per determinare il genotipo di
individui che mostrano il fenotipo dominante
(omozigoti o eterozigoti?)
• L’individuo viene incrociato con un omozigote
recessivo (fenotipo recessivo)
– se l’individuo è omozigote dominante, tutta la
progenie mostrerà il fenotipo dominante
– se l’individuo è eterozigote, ½ della progenie
esibirà il fenotipo dominante e l’altro ½ mostrerà il
fenotipo recessivo
Testcross
Incrocio Diibrido
• Mendel considerò poi piante di piselli che differivano
per due caratteri (incrocio a due fattori)
• Assortimento Independente ( III legge)
– Durante la formazione dei gameti, coppie segreganti di
fattori unitari assortiscono indipendentemente l’una
dall’altra
– Quindi, tutte le possibili combinazioni di gameti sono
formate con uguale frequenza
• Concettualmente, un incrocio diibrido è come due
incroci monoibridi condotti separatamente (eventi
indipendenti)
Incrocio Diibrido
• Consideriamo due caratteri
– Colore del seme (giallo/verde)
• Giallo è dominante (YY), verde è recessivo (yy)
– Forma del seme (liscio/rugoso)
• Liscio è dominante (SS), rugoso è recessivo (ss)
1/4
1/4
1/4
1/4
1/4
1/4
1/4
1/4
Rapporti fenotipici
Incrocio Diibrido(cont.)
• Mendel vide che nella generazione F1 la
dominanza di un carattere non influiva sulla
dominanza dell’altro
• Lasciando riprodurre la F1 per
autofecondazione, Mendel osservò nella F2
un rapporto fenotipico 9 : 3: 3: 1
•Nascosto dentro l’apparentemente più complesso
rapporto 9:3:3:1, c’è il rapporto monoibrido 3:1
•Due rapporti 3:1 INDEPENDENTI! (3+1)(3+1)=9:3:3:1
A volte, incrociando caratteri, è
possibile che la discendenza abbia
caratteri fenotipicamente intermedi
rispetto ai genitori ( es. esperimento
di De Vries fiori rossi x fiori bianchi
F1 = fiori rosa )
Nel caso di assenza di dominanza il
genotipo corrisponde al fenotipo e gli
ibridi si riconoscono
Gravi anomalie della meiosi che possono portare
anche a morte embrionale
Es. SINDROME DI DOWN o TRISOMIA 21 o
MONGOLISMO
Dovuta alla mancata disgiunzione della
ventunesima coppia di cromosomi durante la
meiosi.
Si ottengono gameti con 2 cromosomi 21 e gameti
che ne sono privi
Alla fecondazione avremo individui trisomici
(mongoli) e monosomici (che non sono vitali)
Altre trisomie:
13 (sindrome di Patau)
18(sindrome di Edwards)
Gravi ritardi mentali e
morte entro un anno
dalla nascita
AURORA
Mendel prende in esame l’incrocio non di un carattere preso
singolarmente ma di due o più caratteri per volta
AABB (piselli gialli a buccia liscia)
aabb (piselli verdi a buccia ruvida)
dominanti
giallo e liscio sono
F1 tutti gialli lisci
F2 9/16 gialli lisci
ruvidi verdi
3/16 lisci ruvidi 3/16 lisci verdi 1/16
INCROCIANDO FRA LORO DUE O PIU’ CARATTERI, ESSI SI
EREDITANO INDIPENDENTEMENTE
ESISTE UNA POSSIBILITA’ DI SCAMBIO DI MATERIALE GENETICO
FRA CROMOSOMI OMOLOGHI DURANTE LA PRIMA DIVISIONE
MEIOTICA
In questa fase i cromosomi omologhi appaiati sono nello stadio di tetrade e
i cromatidi appartenenti ai 2 cromosomi diversi possono, attorcigliandosi tra
loro, scambiarsi porzioni strettamente omologhe (questo fenomeno viene
detto crossing over)
Lo scambio di segmenti omologhi è mediato da particolari proteine che
danno luogo a strutture dette NODULI DI RICOMBINAZIONE
I 4 cromatidi non saranno più uguali a 2 a 2 come prima del crossing over
ma saranno tutti diversi tra loro e questo è fondamentale per la variabilità
genetica
I più importanti studi a questo riguardo vennero compiuti
da T.H. Morgan che lavorò sulla genetica di Drosophila
melanogaster (moscerino dell’aceto)
I cromosomi sessuali vennero scoperti incrociando due
Drosophile: maschio con occhi bianchi e femmina con
occhi rossi (bianco recessivo)
F1 tutti rossi
F2 25% occhi bianchi
Ma tutti gli individui con occhi bianchi erano maschi
Successivamente si studiarono i cromosomi al
microscopio e si vide che nella femmina
avevamo 4 coppie di cromosomi uguali a 2 a 2.
Nel maschio le coppie omologhe erano 3 mentre
l’ultima era costituita da un cromosoma uguale
al corrispondente della femmina ed uno
notevolmente più piccolo
I cromosomi della 4° coppia furono chiamati
CROMOSOMI SESSUALI o ETEROCROMOSOMI o
ALLOSOMI, tutti gli altri AUTOSOMI.
Il cromosoma più grande della coppia sessuale
venne detto X e il più piccolo Y
Il sesso femminile è OMOGAMETICO XX
Il sesso maschile è ETEROGAMETICO XY
per cui è il tipo di spermatozoo che
determina il sesso
Questa determinazione si dice GAMICA
perché si decide al momento della
fecondazione
Negli Uccelli e nei Rettili, tra i vertebrati e nei Lepidotteri tra gli invertebrati è
la femmina che produce uova con cromosomi di due tipi (W e Z) mentre il
maschio è ZZ.
E’ la femmina che decide quindi il sesso del nascituro che risulta già
predeterminato nell’uovo prima della fecondazione (PROGAMICA)
In poche specie animali, es. negli Echiuridi, il sesso non dipende
dall’assetto cromosomico ma dall’assunzione di certi ormoni da parte
della larva in via di sviluppo (POSTGAMICA)
MUTAZIONI GENETICHE
Per mutazione s’intende un cambiamento improvviso
del materiale ereditario; possono sorgere
spontaneamente o a causa di determinati agenti
mutageni di natura fisica o chimica. Le mutazioni a
livello molecolare possono essere di tre tipi:
GENICA
Consistono nel cambiamento della sequenza di basi in un gene
CROMOSOMICA
Implicano un’alterazione nella sequenza dei geni di un intero cromosoma
GENOMICA
Riguardano variazioni del numero specifico di cromosomi di una cellula
I.
LE MUTAZIONI GENICHE
si verificano quando una base azotata viene sostituita con un’altra, oppure
quando si ha la perdita o aggiunta di una base alla sequenza originaria. Non
sempre tali situazioni comportano l’alterazione o la perdita della funzione della
proteina codificata dal gene mutato.
Mutazione silente: mutazione che non ha conseguenze a livello fenotipico,
in quanto la struttura della proteina risultante non ha subito variazioni.
Anemia falciforme: alterazione dell’emoglobina nella quale a un aminoacido
determinante per la struttura della proteina, ne viene sostituito un altro.
Triplette nonsenso: Sono le triplette che codificano l’inizio o la fine della
sintesi proteica, ma se una mutazione comporta la comparsa di una tripletta
nonsenso all’interno della sequenza dell’mRNA messaggero, questa mutazione si
rivela letale.
Talassemia: Mutazione in cui il frameshift (slittamento di basi azotate che
provoca la perdita o l’inserimento di una di esse durante la sintesi proteica) viene
letto male.
Galattosemia: Mancanza dell’enzima del galattosio che, di conseguenza, si
accumula.
Fenilchetonuria: Alterazione di un enzima che trasforma un aminoacido A in
un altro B, cosicchè l’aminoacido si accumula nel sangue.
II.
LE MUTAZIONI CROMOSOMICHE
consistono in modifiche delle dimensioni e dell’ordine dei geni su un cromosoma,
che prevedono almeno due rotture e due riagganci all’interno della molecola del
DNA.
Delezioni: Provocano la perdita di un breve tratto di cromosoma. Sia nelle
piante sia negli animali queste mutazioni sono vitali allo stato eterozigote. Se il
tratto perso corrisponde a un allele dominante, l’eventuale allele recessivo presente
sull’omologo normale ha la possibilità di manifestarsi.
Duplicazioni: Consistono in un raddoppiamento di un pezzo di cromosoma,
solitamente breve. In genere non risultano dannose, ma vantaggiose poiché la
mutazione aumenta il materiale genetico.
Inversioni: Avvengono per rottura di un tratto di cromosoma, che si
riaggancia ruotato di 180°. Non modificano il numero dei geni, ma la loro sequenza
sul cromosoma. Possono provocare il blocco del crossing-over. Le inversioni
possono essere di tre tipi: terminali, pericentriche e paracentriche. Le inversioni
terminali avvengono in cima o in fondo al cromosoma, quindi il crossing-over non si
blocca, quelle pericentriche coinvolgono il centromero (la parte centrale del
cromosoma) e quindi bloccano il crossing-over, infine quelle paracentriche pur non
coinvolgendo il centromero, bloccano comunque il crossing-over.
Traslocazioni: Sono responsabili dello scambio di pezzi tra cromosomi non
omologhi. Possono non risultare particolarmente dannose oppure manifestarsi
letali. Le traslocazioni generalmente sono responsabili anche di alcuni tipi di tumori
della pelle causati dalle radiazioni ultraviolette.
III.
LE MUTAZIONI GENOMICHE
implicano la variazione della ploidia, cioè del numero di assetti cromosomici
presenti in una cellula.
Si parla di poliploidia quando si ottiene comunque una dose di cromosomi
equilibrata, anche se multipla di quella normale, poiché si origina dall’unione di
gameti non entrambi aploidi. Tra i vegetali questa mutazione è positiva, ma
negli animali non è compatibile con la vita.
Si parla invece di aneuploidia quando vi sono variazioni del numero di
cromosomi limitate a uno o pochi cromosomi individuali, causate da fenomeni di
non disgiunzione durante la meiosi.
Nel caso della monosomia, per esempio, manca un cromosoma rispetto
all’assetto normale; il che è abbastanza frequente a carico dei cromosomi
sessuali, ed è causa di sterilità dell’individuo portatore di un solo cromosoma
sessuale. Nell’uomo la sindrome di Turner (femmine X0) è provocata da una
mutazione di questo tipo: la monosomia del cromosoma n°21.
Nella trisomia, invece, compare un cromosoma in più rispetto all’assetto
normale; nell’uomo ne sono esempi la sindrome di Down e di Kleinfelter.
Le mutazioni genomiche avvengono durante la meiosi:
aneuploidia: avviene nella I meiosi
poliploidia: avviene alla fine della I meiosi (non avviene la II meiosi)