Eccezioni alle regole trovate da Mendel
1) Dominanza incompleta
I sette caratteri presi in
esame
da
Mendel
mostrano
tutti
dominanza completa.
Ci sono però caratteri
per i quali l’eterozigote
mostra un fenotipo
intermedio tra quelli dei
due omozigoti:
Dominanza incompleta
Reincrocio
Colore del fiore nella bocca di leone
Quando vi è dominanza completa di solito è perche l’allele dominate
codifica per un enzima attivo mentre l’allele recessivo codifica per un
enzima inattivo
Proteina inattiva
Proteina attiva
Prodotto
È sufficiente però che uno solo dei due
alleli “funzioni” perché si ottenga il
prodotto (ad esempio un pigmento rosso)
Nel caso di dominanza incompleta invece la cellula produce più
pigmento se entrambi gli alleli codificano per un enzima funzionante di
quanto non faccia se un solo allele produce enzima attivo (è il caso del
pigmento rosso della bocca di leone)
C’è un caso ancora diverso chiamato
codominanza nel quale entrambi i tipi di alleli
specificano per una proteina funzionante e il
fenotipo dell’eterozigote non è intermedio ma
mostra entrambi i tratti
Si veda più avanti
il caso dei gruppi
sanguigni ABO
Eredità mendeliana nell’uomo
Le leggi di Mendel (e quelle della genetica post-mendeliana) possono
essere utilizzate per prevedere la trasmissione delle malattie genetiche
nell’uomo
La gran maggioranza delle malattie genetiche sono determinate da
un allele recessivo.
Generalmente le malattie genetiche sono dovute alla produzione di un
enzima difettoso che interrompe la via metabolica
Enzima A
Enzima B
difettoso
X
Enzima C
X
Negli individui eterozigoti l’altro allele riesce a supplire producendo
l’enzima funzionante in quantità maggiore
Enzima A
Enzima A
Enzima B
difettoso
X
Enzima C
Enzima B
Enzima C
X
X
Alcuni moderni, raffinati metodi di diagnostica riescono a determinare
se è un solo allele o entrambi che producono l’enzima
Nuovi alleli si originano per mutazione da quelli esistenti
NB. Una proteina enzimatica è composta di norma di parecchie decine di
aminoacidi. Una mutazione che causi la sostituzione di un aminoacido ha
grande probabilità di comprometterne il funzionamento*
Quindi è molto più facile che appaia una mutazione che compromette una
certa funzione che non il contrario
*
La gravità nel grado di compromissione di un enzima causata dalla
sostituzione di un aminoacido dipende da:
1) La posizione (se per esempio l’aminoacido fa parte del sito attivo
probabilmente a questo non riuscirà più a legarsi il substrato)
2) Il tipo di aminoacido (se un aminoacido carico positivamente
sostituisce uno carico negativamente è assai probabile che modifichi
la forma della proteina e ne comprometta gravemente la funzione)
Da un punto di vista evoluzionistico:
In una popolazione, nuovi alleli si originano di continuo per mutazione
da quelli esistenti. Nella maggior parte dei casi essi non funzionano
correttamente e l’individuo che porta la mutazione ha una fitness ridotta
Ogni tanto accade che la nuova versione della proteina svolga la sua
funzione meglio della precedente (aumentando la fitness di chi la
possiede) oppure che la nuova versione della proteina sia in grado di
svolgere la sua funzione in condizioni ambientali differenti (permettendo
quindi agli individui che la possiedono di colonizzare nuovi ambienti)
Le malattie genetiche causate da un allele dominante sono direttamente
esposte alla selezione naturale e vengono pertanto eliminate di
continuo dalla popolazione
Se compare una mutazione dominante che causa la morte
dell’individuo prima della maturità, egli non lascierà alcun figlio e
pertanto la mutazione sparirà con lui
Se la mutazione è recessiva essa non causerà alcun problema in chi la
porta e sarà trasmessa a parte della sua progenie
A causa dell’accumulo delle mutazioni la frequenza dell’allele recessivo
nella popolazione potrà salire con il tempo
La selezione naturale agirà nel momento in cui si sposano due etrozigoti:
un quarto dei loro figli mosterà infatti il carattere in questione
L’albinismo è causato da una mutazione recessiva che determina
l’inattività di un enzima (tirosinasi) che prende parte alla trasformazione
dell’aminoacido tirosina in un precursore della melanina.
I soggetti che manifestano albinismo mancano di pigmento nei capelli,
nella pelle, negli occhi.
L’albinismo si manifesta solo se l’individuo è omozigote recessivo, cioè se
entrambi gli alleli codificano per l’enzima difettoso
AA
Aa
Pigmentazione normale
aa
Assenza di pigmentazione
Oggi l’albinismo non causa particolari problemi a chi ne è affetto ma nel
passato si può immaginare che l’esposizione alla luce portasse allo
sviluppo di malattie della pelle e di tumori
AA x AA
100% AA
tutti pigmentati
AA x Aa
½ AA
½ Aa
Aa x Aa
¼ AA
½ Aa pigmentati
aa x AA
100% Aa
aa x Aa
½ Aa pigmentati
aa x aa
100% aa
tutti pigmentati
¼ aa albini
tutti pigmentati
½ aa albini
tutti albini
Gli alleli che causano gravi malattie genetiche possono diffondersi nella
popolazione, anche se sono dominanti, nel caso in cui il fenotipo (la
malattia) si esprima dopo che gli individui hanno avuto modo di riprodursi.
La malattia di Huntington (HD) è una malattia neurodegenerativa
progressiva, caratterizzata da trasmissione genetica di tipo dominante. La
mutazione determina la formazione di una proteina alterata detta
"huntingtina" che è espressa sia nel sistema nervoso che nei tessuti periferici
e che ha effetti tossici sul sistema nervoso centrale attraverso diversi
meccanismi.
I sintomi compaiono sempre dopo i 30 anni e spesso dopo i 40 o addirittura i
50 anni.
Perciò anche se la malattia porta a morte entro pochi anni, gli individui HD
hanno l’opportunità di mettere al mondo numerosi figli prima che la
malattia si manifesti
Poiché gli individui affetti sono eterozigoti essi hanno il 50% di probabilità
che i loro figli siano affetti da HD (ameno che non si sposino con un
individuo anche lui HD, evento questo ovviamente rarissimo)
HD
Non
affetto
Hh x hh
½ Hh HD
½ hh non affetti
Anche alcune malattie genetiche umane
mostrano codominanza
L’anemia falciforme è dovuta alla sostituzione di un aminoacido (valina
al posto di glutammato un posizione 6) nel gene che codifica la sintesi di
una delle catene dell’emoglobina
Negli individui omozigoti recessivi tutte le molecole di emoglobina sono
alterate. Esse tendono a cristallizzare deformando i globuli rossi che
assumono la tipica forma a falce.
L’anemia falciforme uccide circa 100.000 persone all’anno solo negli Stati
Uniti
Gli individui eterozigoti non mostrano sintomi in condizioni normali.
Tuttavia essi possono rivelare la loro condizione se sottoposti ad una
sensibile riduzione nella concentrazione dell’ossigeno (ad esempio in alta
montagna)
Questo avviene perché negli eterozigoti c’è co-dominanza a livello
molecolare. Infatti vengono prodotte sia l’emoglobina normale che quella
falcemica. Nelle condizioni normali una sovrapproduzione della proteina
maschera il difetto genetico Questa caratteristica può essere impiegata
per determinare in anticipo la condizione
di eterozigote
Se due eterozigoti hanno figli…
Aa x Aa
->
¼ aa
½ Aa
¼ AA
…un quarto dei loro figli sarà affetto
Tra gli americani di origine africana, circa uno su dieci è portatore
dell’allele per l’anemia falciforme. La probabilità di un matrimonio (tra
afro-americani) tra due portatori è quindi di 1 su 100
1/10 x 1/10 = 1/100
Molti geni anziché possedere due sole
forme alleliche, ne possiedono tre o più
2) Allelia multipla
Nel sistema dei gruppi sanguigni ABO dell’uomo per esempio ci sono tre
alleli diversi IA IB i ( anche indicato come IO in qualche testo)
IA IB sono dominanti su i.
IA IB sono tra loro Codominanti
Sia IA che IB infatti specificano una specifica proteina che si trova
sulla superficie dei globuli rossi (antigene di membrana) mentre
l’allele i non specifica alcuna proteina
IA IA
IA i
Gruppo A
IB IB
IB i
Gruppo
IB IA
ii
B
Gruppo AB
Gruppo
O
Nei confronti di i, sia IA
che IB si comportano come
normali alleli dominanti
Codominanza
Omozigote recessivo
La trasmissione genetica del sistema AB0 deve essere tenuta distinta
dalla compatibilità nella trasfusioni
Chi non possiede l’antigene IA in caso di trasfusione da donatore
che lo possiede, avrà una reazione immunitaria
Lo stesso succede per l’antigene IB
Gli individui gruppo A regiscono alla trasfusione di sangue B
poiché non posseggono l’antigene IB (e viceversa). Gli individui di
gruppo O reagiscono sia al sangue di gruppo A che di gruppo B
Al contrario il sangue di gruppo 0 può essere trasfuso a tutti poiché
manca di entrambi gli antigeni e quindi non causa mai reazione
immunitaria (donatore universale)
Gli individui di gruppo AB possono ricevere sangue da chiunque
perché possedendo sia IA che IB non reagiscono a nessuno degli
antigeni di membrana (ricevitore universale)
3) Epistasi
Determinati alleli di un gene possono, se presenti,
modificare l’espressione di un altro carattere
Ad esempio un individuo può avere gli alleli per pelle scura e un altro per
pelle gialla ma in presenza di omozigosi per l’albinismo questo carattere
non si esprime
4) Pleiotropia
Un dato gene può manifestare i suoi effetti su
caratteri differenti
Ad esempio nella tigre un allele determina sia una pigmentazione anomala
che lo strabismo. Gli alleli che determinano l’anemia falciforme nell’uomo
causano anche la resistenza alla malaria
La malaria è una malattia causata da un protozoo (Plasmodium) che è
trasmesso all’uomo tramite la puntura della zanzara anofele. Colpisce più di
200 milioni di persone nel mondo (in gran parte in Africa) con migliaia di
morti all’anno. Il protozoo si riproduce all’interno dei globuli rossi e la sua
riproduzione è inibita se il soggetto colpito è portatore sano di aemia
falcifome (eterozigote).
5) Caratteri poligenici
In molti casi più geni
(ognuno con i suoi alleli)
collaborano in modo
additivo a determinare un
dato carattere
Esempi
di
caratteri
poligenici sono la statura
e il colore della pelle
Modello semplificato del
meccanismo genetico di
controllo del colore della
pelle nell’uomo
I geni A, B, C, hanno dominanza
incompleta ed effetto addittivo sul carattere
AABBCC
Ma
anche
AaBbCC
AaBbCC
AABbCc
aaBBCC
AaBBCc
aabbcc
6) Geni associati
(o concatenati)
La seconda legge di Mendel dice che gli alleli
di
ogni
gene
vengono
ereditati
indipendentemente da quelli degli altri geni
Tuttavia i genetisti si accorsero ben presto che certe coppie di caratteri
venivano spesso ereditate in modo associato
Da non confondere con effetti simili dovuti alla
pleiotropia: in quel caso c’è un solo gene che
controlla due o più caratteri
La spiegazione di questo è che i geni si trovano sui cromosomi. Se due
geni si trovano sullo stesso cromosoma, gli alleli che si trovano su uno
dei due omologhi tenderanno ad essere trasferiti allo stesso gamete
Questo non era accaduto negli esperimenti di Mendel
perché ognuno dei sette caratteri era su un
differente cromosoma
Coppia di cromosomi omologhi
Allele per
dimensioni piccole
Allele per
dimensioni grandi
Allele per
pelo scuro
Allele per
pelo chiaro
Meiosi
Pelo chiaro e piccole
dimensioni tenderanno ad
essere ereditati assieme
Meiosi
Pelo scuro e grandi
dimensioni tenderanno ad
essere ereditati assieme
Tuttavia anche per quei geni che si trovano sullo stesso
cromosoma si può avere riassortimento dei caratteri
Infatti durante la profase I della
meiosi i cromosomi omologhi si
appaiano e i cromatidi si
scambiano tratti omologhi di
DNA (crossing over)
Se il crossing over
non avviene tra i
due
loci
genici
interessati
Solo combinazioni parentali
Se
avviene
un
crossing over nella
porzione compresa
tra i due loci genici
interessati
Sia combinazioni parentali che ricombinanti
La probabilità che due geni sullo stesso cromosoma ricombinino è legata
alla loro distanza (e alla probabilità che avvenga il crossing over nella
regione tra i due)
Se due geni sono molto vicini, la
probabilità che il crossing over
avvenga proprio nello spazio tra
loro è molto bassa e tenderanno
ad essere ereditati dallo stesso
gamete (geni associati)
Se due geni si trovano sui bracci
opposti di un grande cromosoma
allora quasi certamente avverrà
crossing over nello spazio tra loro e
pertanto si comporteranno quasi
fossero su due cromosomi distinti
La frequenza con cui due geni ricombinano è stata usata per
costruire le mappe della disposizione dei geni sui cromosomi
(mappe di associazione)