BIOLOGIA
La GENETICA MODERNA
III Liceo SCIENZE APPLICATE
Prof. Patrizia MOSCATELLI
[email protected]
www.ianua.com/patrizia/scuola
Liceo statale “Volterra” – Ciampino(RM)
Slide N.
54
PROGRAMMA
La GENETICA MODERNA
A. INTRODUZIONE
B. CENNI di BIOLOGIA FIORALE
C. IL LAVORO di MENDEL
D. MALATTIE GENETICHE
A. INTRODUZIONE
La GENETICA è una scienza
dalle radici antiche
E’ una branca della biologia che studia
l’ereditarietà e cioè le modalità di
trasmissione dei caratteri ereditari
dai genitori ai figli
Le radici storiche della GENETICA,
risalgono agli antichi tentativi di
selezionare LINEE PURE cioè individui con
caratteristiche ,nel tempo, sempre uguali .
Inizialmente ottenute con le piante ma poi
anche con gli animali
LINEA PURA
Sono delle LINEE di discendenza di organismi al cui
interno la riproduzione sessuale dà lo stesso
risultato di quella asessuale (INDIVIDUI UGUALI)
In pratica sono gli individui che conservano gli
stessi caratteri da una generazione all'altra
I membri della stessa linea pura sono quindi identici
nelle loro caratteristiche ereditarie
Gregor MENDEL (1822-1884) ottenne LINEE PURE
lasciando autofecondare piante di pisello odoroso con
ripetuti incroci
Nelle cavie di laboratorio si ottengono linee quasi pure incrociando
ripetutamente fratelli e sorelle per parecchie generazioni.
In termini genetici, una linea pura è costituita
da individui omozigoti in tutti i loci e quindi
presentano lo stesso genoma (stessi GENI)
I tentativi di spiegare l’ereditarietà risalgono ai
tempi dell’antica Grecia
(teorie di Ippocrate e Aristotele)
All’inizio del XIX secolo (primi 1800),
l’ipotesi ereditaria di maggior successo
divenne quella della MESCOLANZA
tra caratteri maschili e femminili
poi……. Gregor MENDEL
BOTANICA
B. Cenni di biologia
FIORALE
I primi esperimenti di genetica effettuati da Gregor
MENDEL, ma anche precedentemente da altri studiosi,
prevedevano l’utilizzo di organismi vegetali (PIANTE)
Nel caso di MENDEL l’utilizzo della pianta di
PISELLO ODOROSO (Lathyrus odoratus):
pianta a ciclo primaverile-estivo con un periodo
vegetativo di circa 2-3 mesi
In considerazione del fatto che il FIORE è l’organo
riproduttivo delle piante più evolute e cioè le
ANGIOSPERME (gruppo a cui appartiene anche il Pisello
odoroso) andiamo ora a considerare in modo più
dettagliato la morfologia di un fiore tipico
Tutto questo per capire poi meglio il
lavoro di MENDEL, basato tutto su
incroci (tra piante) in parte naturali ma
anche artificiali (incroci fatti
manualmente da lui stesso)
Morfologia di un FIORE
Il FIORE è l’elemento chiave nella riproduzione delle
Angiosperme (Piante più evolute - a cui appartiene
anche il Pisello Odoroso), è l’ORGANO RIPRODUTTORE
I fiori sono formati dai SEPALI (verdi, che nell’insieme
formano il CALICE), PETALI (colorati, che nell’insieme
formano la COROLLA), STAMI (organi maschili o
ANDROCEO) e PISTILLO (organo femminile o GINECEO)
STAME
Antera
Filamento
PISTILLO
SEPALO
PETALO
FIORI di ANGIOSPERME
Stigma
Stilo
Ovario
Ricettacolo
(Talamo)
OVULO
Le PIANTE possono avere fiori:
1.
2.
UNISESSUALI (maschili o femminili)
ERMAFRODITI (con i 2 sessi insieme)
PARTE
MASCHILE
(Androceo)
PARTE
FEMMINILE
(Gineceo)
SULLA STESSA
PIANTA
SPECIE MONOICHE
SU PIANTE
DIVERSE
SPECIE DIOICHE
SULLO STESSO FIORE
(fiori ermafroditi)
SPECIE MONOCLINE
Es. Pisello Odoroso
SU FIORI DIVERSI
(fiori unisessuali)
SPECIE DICLINE
Es. MAIS
Quindi esistono piante
MASCHIO (con solo fiori
maschili) e piante FEMMINA
(con solo fiori femminili)
ES. ACTINIDIA
il cui frutto è il KIWI
Il ciclo vitale di un’ANGIOSPERMA
Dopo l’IMPOLLINAZIONE e la FECONDAZIONE gli
OVULI si trasformano in semi e l’OVARIO, che li
contiene, in FRUTTO. La struttura di un frutto
riflette il suo ruolo nella disseminazione
Il FRUTTO (cioè l’ovario maturo di un fiore) rappresenta
un particolare adattamento che favorisce la dispersione
dei semi, ossia la DISSEMINAZIONE
ANEMOFILA
ZOOFILA
Vari tipi di FRUTTI con diversa DISSEMINAZIONE
C. Il lavoro di MENDEL
GREGOR MENDEL:
padre della GENETICA MODERNA
I primi esperimenti di GENETICA ebbero luogo nel
giardino di un’abbazia, a BRNO (attuale Repubblica Ceca)
La GENETICA MODERNA ebbe inizio intorno al
1860 con gli esperimenti del monaco Gregor
MENDEL sulle piante di pisello odoroso (Lathyrus
odoratus) appartenente al gruppo delle ANGIOSPERME ,
cioè le piante più evolute
PETALO
(corolla)
STAME = androceo
(filamento + antera)
PISTILLO = gineceo
(stigma+stilo+ovario)
GREGOR MENDEL
SEPALO
(calice)
FIORE di PISELLO ODOROSO
FIORE ERMAFRODITA
Gregor MENDEL
incrociò piante di
PISELLO odoroso che
differivano in alcuni
caratteri morfologici e
seguì le tracce delle
caratteristiche da
generazione a
generazione
IMPOLLINAZIONE INCROCIATA
ARTIFICIALE (MANUALE)
1 ) Rimuoveva gli stami dai
fiori VIOLA
BIANCO
STAMI
CARPELLO
Genitori
(P)
Aveva una cultura di base
MATEMATICA e ai suoi esperimenti
applicò il METODO STATISTICO,
cioè contava pazientemente tutti i
risultati ottenuti
VIOLA
2 ) Trasferiva 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)
Come già detto, il suo materiale di partenza
erano le LINEE PURE cioè piante di pisello
odoroso che coltivate per più anni, (lasciando
che si autoimpollinassero e quindi seguendo il
normale ciclo naturale), producevano figli con
caratteristiche sempre uguali
ai genitori di partenza
Immagini dal FILM
su Gregor MENDEL
Definizioni di “STRUTTURE” che possiamo dare oggi
ma che ai tempi di MENDEL non si conoscevano:
GENI: tratti di un cromosoma che si trovano in
posizioni determinate chiamate LOCI
Siccome i cromosomi sono in coppia
(cromosomi gemelli o omologhi) anche i geni
sono in coppia e si chiamano ALLELI
Il posto che occupa un ALLELE su di un cromosoma è
lo stesso occupato dall’altro ALLELE sull’altro
cromosoma GEMELLO o OMOLOGO
ALLELI:
geni che portano le informazioni riguardo
ad uno stesso carattere
 Per ogni caratteristica, un organismo eredita
due ALLELI, uno da ciascun genitore
 Questi ALLELI possono essere uguali
o differenti
 Un organismo che possiede due ALLELI
identici di un gene è detto
OMOZIGOTE per quel gene
 Un organismo che possiede due ALLELI
diversi dello stesso gene è chiamato
ETEROZIGOTE o IBRIDO
 FENOTIPO:
caratteristiche esterne osservabili di un
organismo determinate dalle informazioni
contenute nei geni
 GENOTIPO:
caratteristiche interne NON osservabili
direttamente di un organismo e determinate
dall’insieme di tutti i suoi geni
Quindi i cromosomi omologhi (gemelli) portano
i due ALLELI relativi a ciascun carattere
Come abbiamo già detto, le forme alternative di un
gene (ALLELI) sono situate negli stessi LOCI
(stessa posizione relativa) sui cromosomi omologhi
2 CROMOSOMI
OMOLOGHI
Una coppia
delle 23 che
formano il
nostro
GENOMA
V
a
B
V
a
b
VV
aa
Bb
OMOZIGOTE
GENOTIPO:
ALLELE
DOMINANTE
LOCI GENICI
per l’allele
dominante
OMOZIGOTE
per l’allele
recessivo
ALLELE
RECESSIVO
ETEROZIGOTE
MENDEL ,però, anche
senza le conoscenze di
oggi, ipotizzò che
esistessero forme
alternative di un
“QUALCOSA” che
determinano le
caratteristiche ereditabili,
e che oggi chiamiamo
ALLELI
Ai suoi tempi, come già
detto, i GENI non erano
conosciuti e questi
“pacchetti” di informazioni
che venivano trasmessi, per
intero, ad ogni generazione
erano chiamati ELEMENTI
DOMINANTE
Colore
fiore
VIOLA
RECESSIVO
Bianco
Posizione
fiore
ASSIALE
Terminale
Colore
seme
GIALLO
Verde
Forma
seme
LISCIO
Rugoso
Forma
baccello
GONFIO
Schiacciato
Colore
baccello
VERDE
Giallo
ALTO
Nano
Lunghezza
fusto
7 caratteri considerati da MENDEL
MENDEL con i suoi esperimenti elaborò:
LAVORO di
MENDEL
riassunto in:
UN PRINCIPIO
DUE LEGGI
PRINCIPIO : Principio della DOMINANZA
Dei 7 caratteri alternativi ( cioè che si
presentavano solo con 2 possibilità) delle
piante di pisello odoroso studiati da Mendel,
uno (DOMINANTE) era sempre più “forte”
dell’altro (RECESSIVO) tanto che nella prima
generazione filiale ( o F1)
quest’ultimo veniva mascherato (scompariva)
Se i 2 ALLELI di una coppia sono diversi, uno è
interamente espresso e determina una
caratteristica osservabile nell’organismo,
mentre l’altro non ha effetti visibili
Il primo è chiamato allele DOMINANTE
(indicato con la lettera maiuscola)
Il secondo è chiamato allele RECESSIVO
(indicato con la lettere minuscola)
Es. COLORE FIORE di pisello odoroso
Allele DOMINANTE: colore VIOLA, indicato con V
(lettera maiuscola carattere dominante)
Allele RECESSIVO: colore BIANCO, indicato con v
(lettera minuscola carattere recessivo)
La I LEGGE di MENDEL:
legge della SEGREGAZIONE
Poiché le coppie di ALLELI si dividono
(segregano) durante la produzione dei gameti:
spermatogenesi : produzione gameti
maschili
ovogenesi: produzione gameti femminili
le cellule spermatiche e le cellule uovo così
ottenute, possiedono un solo ALLELE
(pacchetto di informazioni) per ogni carattere
Quindi si dividono gli ALLELI
delle coppie di cromosomi
SPERMATOGENESI e OVOGENESI (specie umana)
Nelle PIANTE la cellula sessuale
maschile è il POLLINE
Questa legge descrive la trasmissione
ereditaria di un singolo carattere
(INCROCIO MONOIBRIDO)
Dai suoi dati sperimentali Mendel dedusse che un
organismo ha 2 forme alternative di “geni” (ALLELI)
per ogni carattere ereditario
Generazione P
(linee pure)
Fiori VIOLA
MENDEL inizialmente si dedicò
soltanto ad incroci MONOIBRIDI,
mentre successivamente passò a
considerare come segregavano
(si dividevano) 2 caratteri presi
insieme e cioè incroci DIIBRIDI
Generazione F1

Fiori BIANCHI
Tutte le piante
hanno fiori VIOLA
Fecondazione tra
piante F1 (F1  F1)
Generazione F2
INCROCIO
MONOIBRIDO
3
4
di piante con
fiori VIOLA
1
4
di piante con
fiori BIANCHI
Secondo la LEGGE della SEGREGAZIONE di Mendel
i 2 alleli di una coppia si dividono l’uno dall’altro
durante la produzione dei gameti
Piante P
Spiegazione
incrocio
MONOIBRIDO
(precedente)
Assetto genetico (alleli)
vv
VV
GAMETI
Piante F1
(ETEROZIGOTI o IBRIDI)
GAMETI
Tutti v
Tutti V
Tutti
Vv
1V
2
Piante F2
1v
2
V
v
Rapporto FENOTIPICO - 3 viola : 1 bianco
V
VV
Vv
Rapporto GENOTIPICO - 1 VV : 2 Vv : 1 vv
v
Vv
vv
La II LEGGE di MENDEL:
legge dell’ASSORTIMENTO INDIPENDENTE
Prende in considerazione 2 caratteri insieme
(INCROCIO DIIBRIDO) e spiega che le coppie
di ALLELI segregano (si dividono)
indipendentemente le une dalle altre
Quindi come si dividono gli ALLELI di una
coppia, si dividono (segregano) anche tutti
gli ALLELI delle altre coppie in modo
INDIPENDENTE
La legge dell’assortimento indipendente prende in
considerazione 2 caratteri contemporaneamente
Guardando 2 caratteri alla volta, MENDEL provò
a determinare come vengono
ereditate 2 caratteristiche
Mendel effettuò cioè un INCROCIO DIIBRIDO
tra piante di pisello odoroso: Es.
 OMOZIGOTI DOMINANTI : con semi lisci e gialli
(genotipo LLGG - linea pura)
X
 OMOZIGOTI RECESSIVI : con semi rugosi e verdi
(genotipo llgg - linea pura)
La LEGGE dell’ASSORTIMENTO INDIPENDENTE
di Mendel afferma che ogni coppia di alleli segrega
indipendentemente durante la formazione dei gameti
1) IPOTESI:
2) IPOTESI:
2 coppie di ALLELI situati sulla
stessa coppia di CROMOSOMI
LLGG
GAMETI
2 coppie di ALLELI situati ognuno su
coppie diverse di CROMOSOMI
LLGG
llgg
LG
lg
LlGg
GAMETI
Generazione P
lg
LG
1/4
1/4
LG
Generazione
F2
1/4 lG
1/4 Lg
1/4

lg
LlGg
Generazione F1
1/2 LG 1/2 lg
1/2 LG
llgg
LG 1/4
LLGG
LlGG
LLGg
lG
LlGG
llGG
LlGg
1/4 Lg 1/4 lg
LLGg
LlGg
LlGg
llGg
LLgg
Llgg
Gialli lisci
Verdi lisci
lg
I RISULTATI veri OTTENUTI (destra)
CONTRADDICONO L’IPOTESI (sinistra)
QUADRATO
di PUNNET
LlGg
llGg
Llgg
llgg
Gialli rugosi
Verdi rugosi
9
16
3
16
3
16
1
16
GENERAZIONE F1 dell’esempio precedente: LlGg
2) IPOTESI
1) IPOTESI
L
l
L
G
g
Alleli diversi associati su
uno stesso cromosoma
Con la MEIOSI (separazione
degli omologhi) si
formeranno solo gameti:
LG lg
l
G
g
Alleli diversi disposti ognuno su
un cromosoma
Con la MEIOSI
(separazione degli omologhi) si
potranno formare tutte e 4 le
combinazioni possibili di gameti:
LG Lg lG lg
Altro esempio di ASSORTIMENTO INDIPENDENTE:
2 caratteri regolati da 2 GENI
nei cani LABRADOR RETRIEVER
1.
2.
carattere: colore pelo NERO (dominante) / colore pelo
marrone (recessivo)
carattere: visione normale (dominante) / difetto vista da
PRA- atrofia retinica progressiva (recessivo)
P
LINEE PURE
CIECO
CIECO
FENOTIPI
GENOTIPI
Mantello nero,
vista normale NNAA
Mantello nero,
cieco (PRA) Nnaa
NnAa
Mantello cioccolato,
vista normale nnAa
NnAa
Mantello cioccolato,
cieco (PRA)
nnaa
F1
Incrocio ETEROZIGOTI (mantello nero + vista normale)
NNAA
P
LINEE PURE
OMOZIGOTI
x
Nero
vista normale
nnaa
marrone
cieco
NnAa
NnAa
x
F1 ETEROZIGOTI o
NnAa
IBRIDI
Na
nA
na
GAMETI
FEMMINILI
NA
GAMETI MASCHILI
NA
Na
nA
na
NNAA
NNAa
NnAA
NnAa
normale
normale
normale
normale
NNAa
Nnaa
cieco
NnAa
normale
Nnaa
NnAA
NnAa
nnAA
nnAa
normale
cieco
normale
normale
normale
normale
NnAa
Nnaa
nnAa
nnaa
normale
cieco
normale
cieco
F2
Rapporto FENOTIPICO
Prole F2
9/16
mantello NERO
vista NORMALE
3/16
mantello NERO
cieco
3/16
mantello MARRONE
vista NORMALE
1/16
mantello MARRONE
cieco
Le LEGGI della PROBABILITA’
I risultati degli esperimenti di MENDEL sono in
accordo con le leggi della PROBABILITA’
L’EREDITARIETA’ segue le leggi della
probabilità, cioè le stesse leggi che si
applicano , per es., al lancio di una moneta,al
gioco dei dadi o all’estrazione delle carte da
un mazzo
La scala di probabilità va da 0 a 1:
un evento certo ha probabilità 1
un evento che sicuramente non avviene ha
probabilità 0
1. legge del PRODOTTO: calcola la probabilità
che avvengano 2 eventi indipendenti
2. legge della SOMMA: calcola la probabilità che
un evento accada in 2 o più modi alternativi
Maschio Nn
Genotipi della F1
Formazione degli spermatozoi
Femmina Nn
Formazione delle cellule uovo
La segregazione e la fecondazione
sono fenomeni
soggetti alle LEGGI
della PROBABILITA
1
2
1
2
N
1
2
n
1
2
N
N
N
n
1
4
Genotipi della F2
1
4
N
n
1
4
n
N
n
n
1
4
D. MALATTIE GENETICHE
L’ereditarietà dei CARATTERI UMANI si può
studiare costruendo gli ALBERI GENEALOGICI
delle famiglie
L’ereditarietà di molti
caratteri umani, ma NON di
tutti, segue le
leggi di MENDEL
Alcuni caratteri ereditari
umani che seguono le leggi di
MENDEL
Caratteri
DOMINANTI
Caratteri
RECESSIVI
LENTIGGINI
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
ALBERO
GENEALOGICO
Eredità della
SORDITA’ in una
famiglia
Causata da un allele
RECESSIVO e quindi
si manifesta quando
questo si può
esprimere e cioè
nella condizione di
OMOZIGOTE
Ss
Ss
S?
S?
Joshua
Lambert
Abigail
Linnell
John
Eddy
Hepzibah
Daggett
Ss
ss
Jonathan Elizabeth
Eddy
Lambert
S?
Abigail
Lambert
Ss
Ss
ss
Ss
Ss
Ss
ss
FEMMINA MASCHIO
SORDO
SANO
CASO PRECEDENTE:
incrocio
MASCHIO SORDO (Jonathan Lambert)
ss (omozigote recessivo)
X
FEMMINA SANA (Elizabeth Eddy)
Ss (eterozigote o ibrida)
GAMETI
FEMMINILI
GAMETI
MASCHILI
s
S
s
Ss
ss
SANI
s
Ss
ss
MALATI
SORDI
Rapporto Mendeliano: su 4 casi, 2 sani e 2 malati sordi
quindi 50% di probabilità di avere individui MALATI SORDI
Molte malattie ereditarie umane sono controllate da un
singolo gene (MALATTIE GENETICHE)
Alcuni esempi di
MALATTIE
EREDITARIE umane
PATOLOGIE da allele RECESSIVO
La maggior parte delle malattie genetiche umane è
di tipo recessivo e quindi si manifestano solo nella
condizione di OMOZIGOTI RECESSIVI
MASCHIO
Sano
ETEROZIGOTE
X
FEMMINA
Sana
ETEROZIGOTE
GENITORI
S
s
Ss
Ss
Ss
Ss
Joshua
Lambert
Gameti
maschili
X
Abigail
Linnell
S
Gameti
femminili
Progenie di 2 genitori entrambi
portatori
di una malattia recessiva
Rapporto Mendeliano:
su 4 casi, 3 sani ed 1 malato sordo
quindi 25% di probabilità di avere
individui malati sordi
s
Ss
Sano
(portatore)
SS
Sano
FIGLI
Ss
Sano
(portatore)
ss
Sordo
PATOLOGIE da allele DOMINANTE
Un certo numero di malattie umane è dovuto ad
alleli DOMINANTI e quindi si manifestano sia nella
condizione di:
1. OMOZIGOTI DOMINANTI
(gravi)
2. ETEROZIGOTI
(talvolta meno gravi)
Esempio di ACONDROPLASIA (NANISMO)
(attore scomparso David Rappaport)
Metodi per prevenire e diagnosticare le
MALATTIE EREDITARIE
Molte malattie genetiche possono essere
diagnosticate prima della nascita
La MEDICINA mette a disposizione
numerosi metodi diagnostici che
possono essere impiegati:
1) PRIMA del CONCEPIMENTO
2) DURANTE la GRAVIDANZA
3) DOPO la NASCITA
1) PRIMA del CONCEPIMENTO
IDENTIFICAZIONE dei PORTATORI
Molti bambini colpiti da una malattia recessiva
nascono da genitori perfettamente sani ma
ETEROZIGOTI
Per molte malattie genetiche, sono oggi
disponibili TEST DIAGNOSTICI per
identificare i portatori sani, quindi gli
ETEROZIGOTI che presentano l’ allele
recessivo malato
della FIBROSI CISTICA
del MORBO di TAY-SACHS
dell’ANEMIA FALCIFORME
2) DURANTE la GRAVIDANZA
A) DIAGNOSI PRE-NATALE
AMNIOCENTESI e VILLOCENTESI consistono nel
prelievo di cellule fetali che sono utilizzate per compiere
dei test, durante la gravidanza, che consentono quindi
di rilevare malattie genetiche prima della nascita
Aspirazione
LIQUIDO
AMNIOTICO
SONDA
ECOGRAFO
FETO
FETO
PLACENTA
UTERO
AMNIOCENTESI
16-18 settimane
SONDA
ECOGRAFO
PLACENTA
CERVICE
LIQUIDO
AMINIOTICO
CELLULE
FETALI
CARIOTIPO
23 coppie cromosomi umani
Siringa inserita attraverso
la cervice per il prelievo
di tessuto dai villi coriali
ALCUNE
SETTIMANE
VILLI
CERVICE
CORIALIUTERO
CENTRIFUGAZIONE
CELLULE
FETALI
TEST
BIOCHIMICI
ALCUNE
ORE
VILLOCENTESI
Esame dei
VILLI CORIALI
B) DIAGNOSTICA per IMMAGINI
L’ECOGRAFIA (messa a punto nei primi anni ’80) è una
tecnica diagnostica per immagini che utilizza gli
ultrasuoni per riprodurre un’immagine del feto
ECOGRAFIA a 18 SETTIMANE
(momento di un’eventuale AMNIOCENTESI)
Esame ecografico del FETO
3) DOPO la NASCITA
DIAGNOSI PRECOCE
Alcune malattie metaboliche possono essere
diagnosticate alla nascita mediante semplici TEST,
alcuni dei quali sono oggi svolti di routine negli
ospedali dei paesi occidentali nei primissimi giorni di
vita
La DIAGNOSI PRECOCE è importante per
predisporre la terapia più adatta
per la malattia
Es. il test di GUTHRIE per individuare la
FENILCHETONURIA (PKU) una malattia
determinata dalla incapacità di metabolizzare
l’amminoacido FENILALANINA