la genetica mendeliana

SEZIONE I - LA GENETICA
MENDELIANA
di Stefania Giannoni e Mauro Festa Larel
SEZIONE I - LA GENETICA
MENDELIANA
madre e in parte dal padre. Così da due genitori,
uno con occhi azzurri l’altro con occhi castani,
può nascere un bimbo con occhi azzurri oppure
castani.
I.1 – INTRODUZIONE.
La trasmissione di certe caratteristiche da una
generazione all’altra della stessa specie dipende
dal corredo genetico di ciascun individuo, cioè
dal DNA che forma i cromosomi e che contiene
le istruzioni necessarie alla realizzazione di tutti
i processi di sviluppo e crescita di ogni essere
vivente. Le caratteristiche controllate dal DNA
diventano quindi caratteri ereditari e la genetica
Tutti gli individui (batteri, piante, esseri umani)
sono simili agli organismi da cui hanno avuto
origine. Negli organismi che si riproducono
sessualmente, i figli non presentano soltanto le
caratteristiche tipiche della specie cui
appartengono, ma hanno anche una serie di
caratteri individuali, che derivano in parte dalla
221
è la scienza che studia le leggi dell’ereditarietà e
quindi il modo in cui i caratteri biologici si
trasmettono dai genitori ai figli attraverso i
gameti.
In generale, la sequenza di nucleotidi del DNA
si mantiene invariata all’interno di una stessa
specie da una generazione all’altra, poiché le
informazioni che da essa dipendono sono
indispensabili per la vita degli organismi. E’
necessario quindi che il patrimonio genetico
contenuto nei cromosomi dei genitori venga
trasmesso ai figli in maniera molto precisa nel
corso della riproduzione, asessuata o sessuata.
Alcune caratteristiche, in realtà soprattutto
quelle somatiche, non si manifestano sempre
nello stesso modo, neppure nell’ambito della
stessa specie o della stessa famiglia, ma possono
mostrare una certa variabilità che sembra
casuale, ma non lo è, poiché dipende dalle leggi
di trasmissione dei caratteri ereditari.
In passato si credeva che al momento della
fecondazione, le istruzioni ereditarie di origine
paterna e materna si mescolassero più o meno
come si mescolano due tinte per ottenere una
particolare tonalità di colore; in questo modo
però certi caratteri andrebbero diluendosi
gradatamente sino a scomparire in una
popolazione e la frequenza di altri caratteri non
potrebbe essere spiegata.
La trasmissione dei caratteri ereditari è un
fenomeno più complesso di una miscela ed è
regolata da meccanismi precisi.
Tali meccanismi furono individuati da Gregor
Mendel (1822-84), un monaco esperto di
orticoltura e matematica; studiando gli incroci di
piante di pisello, egli arrivò a stabilire le leggi
fondamentali della genetica.
I.2 – GENI E CARATTERI EREDITARI
I caratteri ereditari corrispondono a precisi
tratti di DNA, i geni, che contengono le
informazioni per la sintesi delle proteine (vedi
Sezione J). Ciascun gene occupa nel cromosoma
222
Gregor Johann Mendel
1822 -1884
una determinata posizione detta locus (plurale
loci); ne consegue che i vari geni sono disposti
lungo i cromosomi secondo un ordine lineare
ben preciso, caratteristico per ogni specie.
Il numero dei geni di ogni specie, al contrario
del numero dei cromosomi, non è ancora
conosciuto con certezza e varia da poche
migliaia per i batteri più semplici (per esempio
3.500 in Escherichia coli) a decine di migliaia
nei mammiferi; nell’uomo sono circa 35.000,
ognuno dei quali contiene centinaia, migliaia o
milioni di nucleotidi
Ogni gene è distinto da quello vicino e controlla
o contribuisce a controllare un dato carattere
dell’organismo, come ad esempio il colore degli
occhi, la statura, la forma del naso. Ogni
carattere è determinato da uno o più geni, ad
esempio il carattere “colore della pelle” è
controllato da molti geni diversi.
I.2.1 – Geni e alleli
Negli organismi con cellule diploidi, le
istruzioni per ciascun carattere sono contenute in
due geni, uno di origine paterna e uno di origine
materna, ognuno dei quali occupa un locus
corrispondente su ciascuno dei cromosomi
omologhi di cui essi fanno parte. Essi formano
una coppia genica. I due geni di ogni coppia
genica sono detti alleli: ogni individuo è dunque
sempre dotato per lo stesso carattere di due
alleli, che possono essere, come Mendel
dimostrò, uguali o diversi.
Gli occhi, per esempio, possono essere castani,
azzurri o verdi perché gli alleli della relativa
coppia genica, pur mantenendo una struttura
fondamentale simile e pur codificando lo stesso
carattere, possono differire nelle informazioni ad
esso relative a causa di piccole differenze
molecolari. Tali piccole differenze spiegano
come ogni essere umano abbia una costituzione
genica assolutamente unica, eccettuati i gemelli
identici o monozigotici che si originano dalla
scissione mitotica di un unico zigote (Figura 1).
Le possibili alternative con cui un carattere
ereditario si manifesta dipendono essenzialmente
dal rimescolamento dei geni che si verifica nel
corso della meiosi e dal loro appaiamento nella
successiva fecondazione. Se i due alleli – quello
paterno e quello materno – ricevuti dalla prole
sono uguali, si parla di condizione omozigote,
mentre se i due alleli sono diversi si parla di
condizione eterozigote.
I.2.2 – Alleli dominanti e alleli recessivi
Spesso, fra i due alleli che si riferiscono alla
stessa caratteristica somatica, uno risulta
dominante e i suoi effetti nascondono i possibili
effetti dell’altro allele, che viene pertanto
chiamato recessivo. Analogamente i caratteri
che corrispondono ai due alleli si dicono
rispettivamente carattere dominante e carattere
recessivo: per esempio, nell’uomo gli occhi
scuri sono un carattere dominante rispetto agli
occhi chiari, il colore scuro della pelle è
dominante rispetto al colore chiaro, come il
carattere “capelli ricci” è dominante sul carattere
capelli lisci.
Per convenzione, un allele dominante è indicato
con la lettera maiuscola (A, B, C, ecc.), mentre
il corrispondente allele recessivo è identificato
dalla stessa lettera minuscola (a, b, c, ecc).
Ricorrendo a questo tipo di notazione e
indicando con una lettera un qualsiasi gene, per
ogni coppia genica sono possibili tre
combinazioni:
•
•
•
AA: l’individuo viene detto omozigote
dominante per quel dato carattere.
aa: l’individuo viene detto omozigote
recessivo per quel carattere.
Aa: l’individuo viene detto eterozigote per
quel carattere.
Figura 1 - Le gemelle Brambilla.
Le due sorelle gemelle hanno lo stesso
patrimonio genetico: sono nate da un
solo ovulo fecondato che nelle prime
fasi dello sviluppo si è separato in due
parti: ciascuna parte ha dato origine a
una bambina.
I gemelli identici, monozigotici sono
sempre dello stesso sesso.
223
I.2.3 – Genotipo e fenotipo
Ogni individuo possiede un determinato numero
di cromosomi (l’uomo ne ha 46) presenti in
doppia copia, 23 ricevuti dal padre e 23 dalla
madre (vedi sezione H); in ogni cromosoma
sono presenti un certo numero di geni (alleli),
quindi ogni individuo ha un insieme di caratteri
che possono essere dominanti o recessivi a
seconda delle coppie di alleli che ha ricevuto dai
genitori.
Si definisce genotipo l’insieme di tutti gli alleli
di un individuo, cioè la sua costituzione genica.
Nel genotipo di ogni individuo ci possono essere
coppie geniche omozigoti o eterozigoti: è questo
che fa sì che l’individuo possa avere
caratteristiche dominanti o recessive per i vari
caratteri. Ad esempio se consideriamo due soli
caratteri, un individuo potrà essere recessivo ed
avere gli occhi azzurri e dominante per l’altro
carattere, capelli ricci. E così per tutte le
caratteristiche di un individuo.
Poiché negli eterozigoti gli effetti dell’allele
recessivo sono mascherati da quelli dell’allele
dominante, non sempre dalle caratteristiche che
un individuo manifesta si può risalire al suo
genotipo. Infatti l’allele dominante A può essere
presente nei cromosomi sia nella coppia genica
AA che in quella Aa e manifestarsi nello stesso
modo.
Ad esempio, il carattere Rh positivo che
identifica un certo tipo di sangue, è determinato
sia dalla coppia Rh+Rh+ che dalla coppia Rh
+Rh- e non è sempre facile stabilire quale
genotipo abbia determinato ciò che si manifesta.
Invece il carattere Rh negativo, carattere
recessivo Rh-, si manifesta solo se i due alleli
sono dello stesso tipo Rh-Rh-: è in questo caso
facile stabilire il genotipo che ha generato il
carattere.
L’insieme dei caratteri fisici, chimici o
comportamentali che l’individuo manifesta e che
si possono facilmente osservare è detto
fenotipo.
224
In altre parole, il fenotipo è ciò che si può
osservare o descrivere di un organismo, aspetti
fenotipici sono la forma delle foglie, la
dimensione di un organismo, il colore dei frutti
o dei fiori, il pelo folto o più o meno lungo…
Il
fenotipo
comprende
anche
alcune
caratteristiche meno “evidenti” come la sintesi
della clorofilla o la capacità di catabolizzare le
sostanze organiche attraverso diverse vie
metaboliche diverse, i gruppi sanguigni, la
forma e dimensione degli organi, ecc.
I.3 – LE LEGGI DELLA GENETICA
E’ possibile calcolare le probabilità con cui un
individuo può manifestare certi caratteri e quindi
ereditarli, nonostante le difficoltà esistenti nel
sovrapporre a un dato fenotipo un certo
genotipo. Questo risultato può essere ottenuto
applicando le leggi della genetica che regolano
la trasmissione dei caratteri ereditari.
Mendel scoprì le leggi della genetica lavorando
su piante di piselli che crescevano nell’orto del
monastero in cui viveva, a Brünn (odierna
Brno), nell’attuale Repubblica Ceca. In natura,
le piante di piselli si autofecondano; Mendel nei
suoi studi attuò incroci controllati tra piante di
piselli con caratteristiche ben definite e ne
osservò con cura i risultati. La scelta delle piante
di pisello è stata inoltre particolarmente
fortunata in quanto i geni che codificano per i
caratteri studiati da Mendel si trovano su
cromosomi diversi (Figura 2).
Nel corso dei suoi primi esperimenti, Mendel
realizzò incroci monoibridi: incrociò fra loro
due piante di piselli, entrambe di linea pura
(omozigoti) per uno stesso carattere il quale,
tuttavia, si manifestava in ciascuna pianta con
forme nettamente distinte. Incrociò una pianta
omozigote a fiori violacei con una pianta
omozigote a fiori bianchi. Dai semi prodotti
attraverso l’incrocio di questa generazione
parentale, P, egli ottenne una prima generazione
filiale, F1, di piante eterozigoti, che
presentavano tutte un fenotipo a fiori violacei.
recessivo (aa), possiamo dedurre che a seguito
della meiosi ogni gamete, maschile e femminile,
conterrà un solo cromosoma e quindi un solo
gene (chiamato da Mendel fattore definito) per il
colore dei fiori. Le possibilità saranno solo due:
gameti che contengono A oppure a, a seconda
che siano prodotti dalle piante con fiore viola o
da quelle con fiore bianco. Al momento
dell’incrocio, quando i gameti maschili e quelli
femminili si combineranno, sarà possibile un
solo risultato: A x a = Aa.
I.3.1 – La legge della dominanza
La legge della dominanza afferma che, dati due
genitori l’uno omozigote dominante, l’altro
omozigote recessivo per un dato carattere, la
generazione F1 sarà costituita da individui che
manifestano tutti il carattere del gene dominante
e hanno tutti il medesimo fenotipo,
relativamente al carattere per il quale i genitori
differivano, il colore dei fiori nel caso studiato
da Mendel.
Figura 2 - In questo disegno, del 1885, è
rappresentata la pianta di pisello, Pisum
sativum, con fiori, frutti e semi.
Fonte Wikipedia
Successivamente egli lasciò che le piante F1 si
autofecondassero e formassero i semi. Da questi
ottenne la seconda generazione filiale (F2) e
osservò che alcune piante avevano fiori bianchi
mentre altre avevano fiori violacei.
Conoscendo la meiosi e la fecondazione, le
osservazioni di Mendel si possono interpretare
in modo preciso. Le piante di pisello sono
organismi diploidi, ossia possiedono tutti i
cromosomi sotto forma di coppie di cromosomi
omologhi. Se consideriamo il colore viola dei
fiori come un carattere omozigote dominante
(AA) e il colore bianco come omozigote
I.3.2 – La legge della segregazione dei
caratteri
Nella generazione successiva, la F2, non è
possibile stabilire quali caratteristiche avranno i
nuovi individui; conoscendo il genotipo dei
genitori, è tuttavia matematicamente possibile
calcolare quale probabilità avrà ciascuno dei
figli di ereditare una caratteristica piuttosto che
un'altra.
Il metodo più semplice per conoscere tale
probabilità è quello di costruire una tabella a
doppia entrata, simile a quella delle battaglie
navali, dove figurino tutti i possibili
accoppiamenti. Successivamente si andrà a
calcolare il rapporto tra il numero dei casi in cui
la caratteristica studiata si manifesti e tutti i casi
possibili. All’esterno del quadrato si riportano i
tipi di gameti che i genitori possono produrre,
mentre all’interno sono indicate le caratteristiche
dei figli. (Figura 3 alla pagina successiva).
225
75% individui con fenotipo dominante
25% individui con fenotipo recessivo
Se le probabilità di incrocio fra i gameti sono
uguali, si possono avere quattro casi diversi:
✓
✓
Figura 3 - Rappresentazione grafica delle prime due
Leggi di Mendel.
1. generazione P: due individui omozigoti. l’uno
dominante RR (fenotipo rosso) e l’altro recessivo
ww (fenotipo bianco).
2. generazione F1: il 100% degli individui ha
fenotipo dominante rosso e genotipo eterozigote
Rw.
3. generazione F2: dall’incrocio tra individui della
generazione F1 si ottiene il 75% degli individui
con fenotipo dominante rosso e il 25% con
fenotipo recessivo bianco.
N.B. nella generazione F2 non tutti gli individui con
fenotipo rosso hanno lo stesso genotipo: un terzo
sono omozigoti RR e due terzi sono eterozigoti Rw.
Fonte Wikipedia
La tabella così costruita viene chiamata
quadrato di Punnett, dal nome del genetista
inglese che per primo la utilizzò nei suoi studi.
Applichiamo ora questo metodo alle piante di
piselli di Mendel, supponendo che ogni pianta
F1 produca in ugual numero due tipi di gameti
maschili o femminili: in tal caso metà saranno A
e metà saranno a.
226
✓
✓
un gamete maschile A feconda un gamete
femminile A: si genera un individuo AA,
un gamete maschile A feconda un gamete
femminile a: si genera un individuo Aa,
un gamete maschile a feconda un gamete
femminile A: si genera un individuo aA,
un gamete maschile a feconda un gamete
femminile a: si genera un individuo aa.
Pertanto, una qualunque nuova pianta F2 ha tre
possibilità su quattro di ricevere uno o entrambi
gli alleli dominanti, A e di produrre fiori di
colore violetto mentre ha una sola possibilità su
quattro di ricevere solo alleli recessivi, a, e di
essere a fiori bianchi.
I risultati ottenuti dagli incroci monoibridi
indussero Mendel a formulare la prima legge
della genetica o legge della segregazione dei
caratteri.
LEGGE DELLA SEGREGAZIONE
DEI CARATTERI
“Gli organismi diploidi ereditano, per
ciascun carattere, una coppia di geni. Nella
meiosi i due geni si separano e ciascun
gamete che si forma riceve unicamente o
l’uno o l’altro gene, ma non entrambi”
I.3.3 – Il test cross
Quando un individuo manifesta la forma
dominante di un carattere – nel caso delle piante
di piselli, fiori di colore viola – è quasi
impossibile determinare se il fenotipo sia la
conseguenza di un genotipo omozigote
dominante (AA) o di un genotipo eterozigote
(Aa).
I.3.4 – La legge dell’assortimento
indipendente dei caratteri
In un’altra serie di esperimenti, Mendel incrociò
fra loro piante omozigoti che presentavano
forme alternative di due diversi caratteri, quali il
colore dei fiori e la lunghezza del fusto, che
potremmo indicare, in base al tipo di alleli,
come AABB (piante con fiori violetti e fusto
lungo) e aabb (piante con fiori bianchi e fusto
corto).
100% fenotipo dominante
Per scoprire il genotipo sconosciuto si utilizza
una semplice tecnica, detta reincrocio o testcross, utilizzata da Mendel: si feconda
l’organismo di cui si vuole conoscere il genotipo
con un altro organismo, omozigote recessivo
(aa) e si studiano le caratteristiche degli
individui della generazione F1.
In tali incroci, gli individui della generazione F1
ricevono due coppie di geni relativi a quei due
caratteri, nessuna delle quali è formata da alleli
uguali; gli individui manifestano quindi solo i
caratteri dominanti.
Infatti come si può verificare con il quadrato di
Punnett, se l’esemplare sconosciuto è omozigote
dominante tutti gli organismi F1 derivati dal
test-cross presenteranno la forma dominante del
carattere (saranno cioè Aa).
Se invece esso è eterozigote, circa metà degli
individui della nuova generazione presenterà la
forma recessiva (aa).
50% fenotipo dominante
50% fenotipo recessivo
100% fenotipo dominante
Tutte le piante della generazione F1 avranno il
genotipo AaBb e quindi saranno di colore
violetto e a fusto lungo.
227
Ma che cosa accade quando queste piante si
incrociano fra loro? Gli alleli per il colore del
fiore e la lunghezza del fusto verranno trasmessi
ai gameti insieme o in modo indipendente? Dal
momento che i geni per i due caratteri
considerati sono rappresentati da un paio di
alleli alternativi nel doppio ibrido, ci aspettiamo
quattro tipi diversi di gameti: AB, Ab, aB,ab.
Un individuo AaBb produrrà quattro tipi
diversi di gameti, ciascuno con un solo allele
per ogni carattere:
AB
Ab
aB
ab
Una semplice moltiplicazione (quattro tipi di
gameti maschili per quattro tipi di gameti
femminili) fa concludere che nelle piante diibride F2 sono possibili sedici combinazioni
diverse di alleli.
Ricorriamo nuovamente a un quadrato di
Punnett:
Utilizzandone uno strutturato in sedici caselle, si
osserva il verificarsi delle seguenti sedici
combinazioni possibili, cioè:
•
9 piante a fiori violacei a fusto lungo con
genotipo AABB o AaBb,
• 3 piante a fiori violacei a fusto corto con
genotipo AAbb o Aabb,
• 3 piante a fiori bianchi a fusto lungo con
genotipo aaBB o aaBb,
• 1 pianta a fiori bianchi a fusto corto con
genotipo aabb.
Gli esperimenti condotti da Mendel con incroci
di ibridi condussero a risultati simili: nelle
generazioni F2 si ripetono sempre rapporti tra le
varie classi di individui di 9:3:3:1.
L’osservazione che le diverse coppie di geni
tendono a ripartirsi tra i gameti in maniera
indipendente portò Mendel a formulare la
seconda legge della genetica, detta legge
dell’assortimento indipendente dei caratteri:
LEGGE DELL’ASSORTIMENTO
INDIPENDENTE DEI CARATTERI
“Ciascuna coppia di geni tende a segregarsi
nei gameti in maniera indipendente dalle
altre coppie di geni che sono localizzate su
cromosomi che non sono omologhi rispetto
ai due cromosomi su cui quella coppia è
localizzata”.
I.4 – DOMINANZA INCOMPLETA E
CODOMINANZA
I.4.1 – Dominanza incompleta
A allele dominante: fiori di colore violetto
a allele recessivo: fiori di colore bianco
B allele dominante: piante con fusto lungo
b allele recessivo: piante con fusto corto
228
Non sempre un allele dominante maschera
completamente il suo recessivo: in tal caso si
parla di dominanza incompleta e il fenotipo
dell’eterozigote ha caratteristiche intermedie fra
quello dell’omozigote dominante e quello
dell’omozigote recessivo. Un caso tipico,
ampiamente studiato dai primi genetisti, è quello
di alcune piante che possono avere fiori rossi,
rosa o bianchi.
100% eterozigoti con fenotipo intermedio
Se incrociamo fra loro una pianta a fiori rossi
con una a fiori bianchi, le piante della F1
produrranno fiori rosa. Se incrociamo fra loro
due piante F1 otterremo nella F2 piante che
manifesteranno sia le caratteristiche della
generazione parentale (fiori rossi e fiori bianchi)
sia quelle degli ibridi (fiori rosa) in un rapporto
quantitativo ancora una volta prevedibile,
ricorrendo al quadrato di Punnett.
Nel caso di dominanza incompleta, perciò,
l’allele dominante determina sì la formazione
nel fiore di un pigmento rosso, ma occorrono
due alleli di questo tipo (AA) per colorare in
rosso vivo il fiore. Con un solo allele dominante
(Aa) gli eterozigoti riescono a produrre una
quantità di pigmento sufficiente per impartire
una colorazione intermedia (rosa) ai fiori,
mentre se entrambi gli alleli sono recessivi (aa)
il colore sarà bianco, indicativo dell’assenza di
pigmenti.
I.4.2 – Codominanza
In qualche caso, i due alleli alternativi si
comportano
entrambi
come
dominanti,
fenomeno della codominanza, cioè si
manifestano in modo completo e possono essere
distinti nell’individuo eterozigote. Un esempio
di codominanza si riscontra nell’ambito dei
gruppi sanguigni degli esseri umani (A, B, 0).
I gruppi sanguigni sono determinati dalla
presenza sulla superficie dei globuli rossi di
particolari sostanze di riconoscimento, dette
antigeni,
appartenenti
alla
classe
dei
mucopolisaccaridi. La presenza degli antigeni è
responsabile della compatibilità o meno del
sangue impiegato nelle trasfusioni sanguigne da
un essere umano all’altro. Infatti, a ogni
antigene del donatore di sangue corrisponde un
anticorpo, contenuto nel plasma del riceventi,
che è costituito da una molecola capace di
legarsi a esso in maniera specifica, attaccando i
globuli rossi estranei e provocando la
formazione di un complesso (reazione di
agglutinazione) che tende a precipitare con
conseguenze negative per la salute del paziente.
Il gene che produce l’antigene per i globuli rossi
ha tre possibili alleli (IA, IB, e i) e perciò in
questo caso si parla di allelia multipla.
I primi due alleli sono dominanti, il terzo è
recessivo:
•
l’allele IA fa sì che sulla superficie dei
globuli rossi sia presente l’antigene A,
•
l’allele IB determina la presenza
dell’antigene B,
•
l’allele i non produce alcun tipo di
antigene.
A seconda delle combinazioni di questi geni,
possono risultare quattro gruppi fenotipici
diversi, tutti presenti nella specie umana, anche
se in proporzioni variabili:
•
gli individui omozigoti recessivi i i
•
gli individui omozigoti IA IA o eterozigoti
IAi avranno gruppo sanguigno A;
•
gli individui omozigoti IB IB o eterozigoti
IBi avranno gruppo sanguigno A;
•
gli individui eterozigoti IA IB saranno
portatori del gruppo sanguigno AB.
saranno caratterizzati dal gruppo sanguigno
zero (non appartiene né al gruppo A né al
gruppo B);
229
La contemporanea presenza degli antigeni A e
B, dovuta all’associazione degli alleli IA e IB
GENOTIPO
entrambi dominanti, costituisce un chiaro
esempio di codominanza (vedi Tabella 1).
ANTIGENI
(SUL
GLOBULO
ROSSO)
PRODUCE
ANTICORPI
GRUPPO
SANGUIGNO
antigene A
anti-B
A
omozigote
dominante
IA IA
eterozigote
IA i
antigene A
anti-B
A
omozigote
dominante
IB IB
antigene B
anti-A
B
eterozigote
IB
dominante
IA IB
omozigote
recessivo
ii
i
DONA A
RICEVE
DA
A - AB
A-0
B - AB
B-0
antigene B
anti-A
B
antigene A
antigene B
nessun
anticorpo
AB
(ricevente
universale)
AB
A-B
0 - AB
nessuno
anti-A e anti-B
0
(donatore
universale)
A -B
0 - AB
0
Tabella 1 - Un individuo con gruppo sanguigno 0 (zero) è detto donatore universale poiché, non essendovi
antigeni sulla membrana esterna dei suoi globuli rossi, essa non provoca reazioni immunitarie da parte
dell’individuo ricevente; può invece ricevere sangue solo da individui con gruppo 0, con globuli rossi privi di
antigeni. Gli individui di gruppo AB, al contrario, possedendo sui globuli rossi entrambi gli antigeni, possono
donare solo ad altri individui AB il cui sangue, non possedendo anticorpi, non determina reazioni
immunitarie; queste persone possono ricevere sangue da tutti, in quanto nel loro sangue non sono presenti né
anticorpi anti-A né anti-B.
I.5 – EREDITÀ POLIGENICA
Il rapporto fra geni e la comparsa dei caratteri
Guarda il video
“Gruppi sanguigni”
http://highered.mcgraw-hill.com/sites/
0072495855/student_view0/chapter21/
animation__cytotoxic__type_ii_hypersensiti
vity_.html
230
che essi trasmettono non è sempre così preciso,
come lascerebbero intuire i casi della
dominanza incompleta e della codominanza.
Molti geni infatti, hanno effetti influenzabili da
altri geni: in questi casi, ciascun gene
contribuisce solo in parte alla produzione del
carattere osservato. Il fenotipo deriva quindi
dall’azione di più geni diversi, secondo un
processo conosciuto come eredità poligenica.
L’eredità poligenica può manifestarsi con
meccanismi molto diversi (epistasi, pleiotropia)
e presentare una variazione continua o essere
influenzata dall’ambiente (Figura 4).
L’epistasi è l’interazione fra due coppie diverse
di geni dello stesso individuo, una delle quali
può influire sull’espressione dell’altra. In certi
casi, quindi, il fenotipo previsto non si
manifesta.
Un esempio riguarda il colore del pelo di alcune
popolazioni di topi. In queste popolazioni, il
colore più o meno scuro del pelo è frutto delle
variazioni nella quantità di melanina, un
pigmento bruno. Una coppia di geni influisce
sulla quantità di melanina prodotta dalla cellula:
un allele B determina una tonalità nera che
domina sulla tonalità bruna prodotta dall’allele
b. Vi è però un’altra coppia di geni che
stabilisce se la melanina viene sintetizzata
oppure no da una specifica via metabolica. Il
colore del pelo in questo modo può essere
considerato come il risultato di una reazione a
due stadi: sintesi di melanina (primo stadio) e
manifestazione del colore (secondo stadio).
Figura 4 - Gli occhi di tre fratelli figli di genitori
con occhi castani. La varietà del colore dell’iride è
determinata da alleli diversi che si combinano al
momento della fecondazione. é un esempio di
eredità poligenica.
Se il primo stadio non è attivo, avremo un
individuo albino, privo di colorazione, ma non
sapremo mai quale alleli governi il secondo
stadio, se B o b. L’interazione epistatica fra geni
rende difficile interpretare certi aspetti del
fenotipo.
Nel caso della pleiotropia, un solo gene può
avere più effetti, in apparenza non correlati, sul
fenotipo di un individuo. Tale fenomeno
interessa il gene per il colore della pelliccia dei
topi, determinato da due alleli: quello per il
colore giallo (G), dominante, e quello per il
colore nero (g), recessivo. Incrociando tra loro
topi gialli è però impossibile ottenere una
popolazione di animali omozigoti GG, poiché
tale combinazione di alleli dominanti non
permette la sopravvivenza dell’embrione.
Come dimostra l’applicazione del quadrato di
Punnett, i topi gialli possono essere soltanto
eterozigoti Gg (figura 5):
Figura 5 - Dall’incrocio di due topi gialli
eterozigoti si ottiene il 25 % di individui omozigoti
dominanti che non sopravvive, il 50% di eterozigoti
e il 25% di topi neri.
Pertanto i topi gialli vivi sono tutti eterozigoti.
Nell’uomo un simile fenomeno interessa gli
alleli
che
promuovono
la
sintesi
dell’emoglobina del sangue. Alcuni individui
sono infatti portatori di un allele recessivo che
dà origine a una forma anomala di emoglobina,
causa della malattia nota come anemia
falciforme (Figura 6 alla pagina successiva).
Anche in questo caso gli individui omozigoti
231
per questo unico allele presentano gravi
conseguenze a molti livelli del fenotipo (effetto
pleiotropico): da uno scarso sviluppo fisico a
un’aumentata debolezza, sino a una maggiore
sensibilità a molte malattie, che generalmente
sono causa di una morte precoce.
popolazione cui appartiene l’individuo, come si
vede nell’uomo, confrontando fra loro individui
di ceppo mediterraneo e di ceppo scandinavo.
ESERCITAZIONE
Molti testi introduttivi di biologia riportano i
seguenti due esempi come casi di eredità
mendeliana. Se così fosse, la situazione
sarebbe schematizzata correttamente dalla
seguente tabella.
GENOTIPO
Figura 6 - Se entrambi i genitori sono
portatori
dell’allele
a
per
l’anemia
falciforme( eterozigoti Aa) c’è il 25%di
probabilità che i figli nascano anemici (aa), il
50% di probabilità che i figli siano portatori e
il 25% che siano sani e non portatori (AA)
La maggior parte dei caratteri degli esseri
umani e di altri organismi, al contrario di
quelli studiati da Mendel, è determinata
dall’azione in contemporanea di più geni, che
è causa del fenomeno della variazione
continua. Ciò significa che molti caratteri
(altezza, peso, colore della pelle, dei capelli,
degli occhi) mostrano una serie di piccole
variazioni entro un intervallo più o meno
continuo.
Questa variazione continua nelle differenze fra i
singoli individui, indicata dai genetisti come
eredità poligenica, dipende dal fatto che tutti i
geni implicati nella manifestazione di quel
carattere
del
fenotipo
segregano
indipendentemente l’uno dall’altro. L’altezza
dipende per esempio dall’azione congiunta dei
geni che promuovono la formazione delle ossa e
l’ossificazione dello scheletro, di quelli
coinvolti
nella
produzione
dell’ormone
somatotropo, nonché di tutti quelli tipici della
232
FENOTIPO
AA
omozigote
dominante
dominante
Aa
eterozigote
dominante
aa
omozigote
recessivo
recessivo
È davvero così? Con una breve ricerca nella
tua classe, prova a verificare la validità o meno
di questa idea.
Esempio 1:
FORMA DEL LOBO DELL’ORECCHIO
Esempio 2:
CAPACITÀ DI ARROTOLARE LA
LINGUA
I.6 – LA DETERMINAZIONE DEL
SESSO
All’inizio del XX secolo, l’avvento del
microscopio permise di studiare i nuclei
cellulari. Si giunse quindi ad analizzare i
cromosomi in base alla loro forma e alle loro
dimensioni e questo permise di individuare una
differenza cromosomica nelle cellule di
organismi di sesso diverso, nell’ambito delle
specie caratterizzate dalla riproduzione sessuata.
I cromosomi uguali per numero e per tipo
presenti in entrambi i sessi furono definiti
autosomi, mentre quelli, uno o due, diversi nei
due sessi, furono chiamati cromosomi sessuali
o eterocromosomi.
In molti casi l’espressione dei geni è molto
influenzata dai fattori ambientali: l’esposizione
ai raggi solari, per esempio, può influire
sull’attività dei geni che regolano la quantità di
melanina
depositata
sulla
pelle,
una
conseguenza è l’abbronzatura, un’altra è la
formazione di lentiggini.
Analogamente anche alcune caratteristiche quali
l’altezza o il peso risentono dei fattori
ambientali: a parità di genotipo, infatti, un
individuo ben nutrito sarà più alto e più pesante
di uno costretto a vivere in circostanze meno
favorevoli.
Anche l’ambiente interno (le condizioni interne
organiche) influisce sull’espressione genica. Per
esempio, in corrispondenza della pubertà
l’organismo maschile aumenta la produzione di
testosterone, un ormone sessuale che, tra gli
altri effetti, esercita la sua influenza sui geni che
regolano lo sviluppo della cartilagine della
laringe, facendo assumere alla voce un timbro
più grave.
Nei mammiferi e in altri gruppi di animali,
come i pesci e molti insetti, le femmine hanno
due cromosomi sessuali uguali, indicati con la
lettera X, mentre i maschi hanno un cromosoma
X e un altro cromosoma, diverso per forma e
per dimensione, definito dalla lettera Y. Nelle
api e nelle vespe, insetti Imenotteri, e negli
uccelli sono invece le femmine ad avere due
cromosomi diversi.
Gli autosomi e i cromosomi sessuali, con gli
strumenti attuali, possono essere individuati
durante la metafase della mitosi, quando sono
presenti nella loro forma più condensata e
ciascuno si distingue per tratti ben precisi, quali
la lunghezza, una diversa capacità di
colorazione, la posizione del centromero, la
lunghezza dei due bracci, eccetera.
È quindi possibile realizzare un cariotipo, ossia
un’immagine schematica in cui tutti i
cromosomi di una cellula sono disposti in
ordine decrescente, dai più grandi ai più piccoli.
Nell’uomo, le 23 coppie di cromosomi sono
divise in 7 gruppi, contraddistinti dalle lettere
dell’alfabeto dalla A alla G, ciascuno
caratterizzato da una diversa forma, dimensione
e colorazione. I cromosomi sessuali sono quindi
i determinanti genetici del sesso di un individuo
e un maschio riceve sempre il cromosoma Y dal
padre e il cromosoma X dalla madre.
Ricorrendo al quadrato di Punnett è facile
233
verificare tutti i possibili risultati della
fecondazione tra cellula uovo e spermatozoi e
constatare come le probabilità che nasca una
femmina o un maschio sono entrambe pari al
50%.
Figura 7 - Ad ogni fecondazione si ha il 50%
di probabilità che nasca una femmina e il 50%
di probabilità che il nascituro sia maschio.
(cromosoma X). Questi due cromosomi sono
diversi per dimensioni e contenuto: il
cromosoma Y è più piccolo ed è costituito da
meno geni rispetto al cromosoma X.
In questi due cromosomi, oltre ai geni coinvolti
nella determinazione del sesso, sono presenti
anche altri geni che contengono informazioni
riguardanti un certo numero di caratteristiche e
di processi fisiologici dell’organismo.
Poiché il cromosoma Y contiene meno geni
rispetto al cromosoma X, nei maschi della
specie umana (XY) vi sono geni presenti in
copia singola sul cromosoma X, che non hanno
un gene corrispondente su Y. L’ereditarietà di
tali geni - e dei caratteri da essi specificati - è
diversa a seconda del sesso dell’individuo. Si
parla in questo caso di eredità legata al sesso.
Una considerazione finale
Ognuno di noi ha ricevuto dai propri genitori 23
coppie di cromosomi: le combinazioni tra le 23
coppie sono pari a 223, cioè 8.388.608. Non è
quindi possibile, o molto poco probabile, che
due fratelli ricevano gli stessi cromosomi.
Un ulteriore aumento di variabilità è
determinato dal crossing-over che avviene
durante la meiosi. Anche se si verificasse un
solo crossing-over per ogni cromosoma, e
ipotizzando che nei genitori circa il 10% dei
geni abbia subito una variazione, avremmo un
numero delle combinazioni superiore a 6x1043:
un numero così elevato di persone non è mai
esistito sulla Terra, dall’inizio della storia
dell’uomo!
Ecco perché ciascuno di noi è unico e
irripetibile!
I.7 – EREDITÀ LEGATA AL SESSO
I cromosomi sessuali determinano il sesso di
un individuo: essi contengono, infatti, i geni
specifici che codificano per i caratteri sessuali
maschili (cromosoma Y) e femminili
234
I.7.1 – Malattie genetiche legate al sesso
La scoperta che i cromosomi X portano molti
più geni rispetto ai cromosomi Y ha consentito
di individuare l’origine di molte malattie
genetiche che si manifestano prevalentemente
negli individui di sesso maschile.
Le normali malattie genetiche sono determinate
da errori negli alleli recessivi situati sui
cromosomi non sessuali (autosomi); in questi
casi un individuo, non importa se maschio o
femmina, presenta la malattia solamente se
riceve da entrambi i genitori gli alleli che
portano l’errore.
Al contrario, le malattie genetiche che
colpiscono soprattutto i maschi sono legate a
errori negli alleli recessivi situati sul
cromosoma X, privi dell’allele corrispondente
sul cromosoma Y.
Questo fa sì che l’eredità di queste malattie sia
legata al sesso dell’individuo: nelle femmine
(XX) la malattia recessiva si manifesta solo se
in entrambi i cromosomi X c’è l’allele con
l’errore; nei maschi invece la malattia si
manifesta se il cromosoma X porta l’unico gene
con l’errore. Quindi la malattia nei maschi è
determinata dall’unico cromosoma X ricevuto
dalla madre. Per chiarire questo concetto,
apparentemente complicato, schematizziamo i
diversi casi possibili.
Indichiamo con M l’allele nella sua condizione
normale e m l’allele mutato, con uno o più
errori nella sequenza dei nucleotidi.
Per i maschi esistono solo due possibili genotipi
e, conseguentemente, due fenotipi:
•
•
genotipo XMY per i maschi sani;
genotipo XmY per i maschi malati.
Per le femmine esistono invece tre genotipi
diversi:
•
•
genotipo XMXM per le femmine sane;
•
genotipo XmXm per le femmine malate che
hanno avuto la condizione rara e la
sfortuna di ereditare da entrambi i genitori
gli alleli mutati.
genotipo XMXm per le femmine sane, ma
portatrici dell’allele mutato;
Le femmine eterozigoti per quel carattere
(genotipo XMXm) risulteranno portatrici sane;
nel momento della produzione dei gameti esse
produrranno ovocellule che per il 50%
porteranno l’allele mutato.
Femmine: 50% portatrici - 50% sane
Maschi: 50% malati - 50% sani
Al contrario, un padre malato trasmette
sicuramente alle figlie femmine il cromosoma
Xm con l’allele recessivo mutato; quasi sempre
queste femmine ricevono dalla madre il
cromosoma XM con l’allele non mutato e
nascono portatrici sane.
SCHEMA. Quadrato di Punnet: eredità di un
carattere (M) legato al sesso (gene situato nel
cromosoma X). Maschio malato e femmina
sana.
Queste ovocellule potranno dare origine a figli
maschi sicuramente malati o a figlie femmine
sicuramente portatrici sane come la loro madre,
naturalmente presupponendo che dal padre
giunga una X con l’allele non mutato.
In sintesi, nelle malattie ereditarie recessive
dipendenti dal sesso, sono soprattutto i maschi
ad essere colpiti e per questi maschi l’allele
mutato arriva sicuramente dalla madre: un padre
malato, infatti, non può trasmettere la malattia
ai figli maschi, ai quali trasmette solo il
cromosoma Y.
SCHEMA. Quadrato di Punnet: eredità di un
carattere (M) legato al sesso (gene situato nel
cromosoma X). Maschio sano, femmina
portatrice.
Femmine: 100 % portatrici
Maschi: 100% sani
Questo tipo di eredità è stato riscontrato e
studiato per il colore degli occhi dei moscerini
della frutta (Drosophila melanogaster): anche
qui gli individui che presentano anomalie (in
questo caso occhi bianchi invece di rossi) sono
quasi sempre solo maschi.
235
I.7.2 – Malattie genetiche legate al sesso
nella specie umana
Per la specie umana le più importanti malattie
recessive legate al sesso sono elencate di
seguito.
Emofilia: si tratta della mancanza di una
proteina indispensabile per la coagulazione del
sangue che determina spesso la morte per
emorragia anche per ferite non molto gravi. La
regina Vittoria, sovrana del Regno Unito, era
portatrice e ha tramandato la malattia a un suo
figlio e ad alcuni nipoti tramite le figlie, che
erano anche esse portatrici;
Daltonismo: è l’incapacità di discernere alcuni
colori, di solito legati alle tonalità del verde e
del rosso.
Prova a fare questo test: leggi questi numeri.
27 56 91
Le persone che distinguono normalmente i
colori leggono
27
56
91,
quelle affette dalla più comune forma di
daltonismo leggono
7
236
6
91.
Distrofia muscolare di Duchenne: è una grave
insufficienza nei muscoli volontari, dovuta alla
mancanza di una proteina indispensabile alla
salute del muscolo; colpisce gli individui fin da
bambini e costringe i malati sulla sedia a rotelle;
un bambino su 3500 circa porta questa malattia.
Favismo: si tratta di una malattia dovuta alla
carenza congenita di un enzima normalmente
presente nei globuli rossi. Questa carenza non
porta a gravi conseguenze, a meno che
l’ammalato si nutra di fave fresche o ingerisca
sulfamidici o acido salicilico: in questi casi
alcune sostanze presenti in questi prodotti
possono determinare la distruzione di grandi
quantità di globuli rossi, con conseguente
anemia.
1.Definisci il significato di gene, alleli, genotipo e fenotipo
2.Perché con il test cross, o reincrocio, è possibile
ricavare il genotipo?
3.Perché la comparsa del DNA durante il processo
evolutivo è stato un evento estremamente importante?
4.Che cosa studia la genetica?
5.La trasmissione dei caratteri ereditari è un
fenomeno regolato da meccanismi precisi?
6.Da che cosa dipende la trasmissione di certe caratteristiche da una generazione
all’altra della stessa specie?
7. Da chi furono scoperte le leggi fondamentali della Genetica? In quale periodo?
8. Che cosa si intende con il concetto di gene? Dove sono localizzati?
9. Negli organismi con cellule diploidi per ogni carattere esiste una coppia genica, come
si chiamano le due parti di cui è formata?
10.Se due alleli (ereditati ognuno da un genitore) per un carattere sono uguali si parla di?
11. Quando un allele risulta dominante? E quando recessivo?
12.Come si può definire il concetto di GENOTIPO di un individuo?
13.Su quali organismi lavorò preferenzialmente Mendel per scoprire le leggi della
genetica? E perché proprio con quelli?
14.Che cosa si intende con le sigle P , F1, F2?
15.Che cosa afferma la legge della dominanza?
16.A che cosa servono le tabelle a doppia entrata (di Punnet) usate in genetica?
17.Che cosa afferma la legge della segregazione dei caratteri?
18.A che cosa serve il procedimento denominato TEST CROSS?
19.Con quale percentuale comparirà il carattere recessivo se si incrociano due individui
eterozigoti per quel carattere?
20.È possibile determinare con precisione il genotipo per un carattere che compare in
forma recessiva (esempio il colore bianco della corolla dei fiori di pisello usati da
Mendel) ?
21.Che cosa afferma la legge dell’assortimento indipendente dei caratteri? E perché
Mendel è stato fortunato nell’indagine da lui condotta?
22.Nel caso della legge dell’assortimento indipendente dei caratteri quanti tipi di fenotipo
possono essere presenti nella F2 se mi attuo un incrocio a 2 caratteri? E con quali
rapporti si manifestano? (vedi quadrato di Punnet con 16 caselle)
23.Cosa si intende con il caso di dominanza incompleta? Hai qualche esempio da proporre?
24.Dove si riscontra un caso di codominanza molto conosciuto?
25.Cosa si intende con il termine di allelia multipla?
26.Fornisci qualche esempio di eredità poligenica.
237
27.Quali regole trasfusionali esistono considerando i gruppi sanguigni A B 0 nella specie
umana? E per il gruppo Rh?
28.Parlando del fenomeno di pleiotropia prova a spiegare il fenomeno per quanto riguarda
l’anemia falciforme umana.
29.Cerca l’albero genealogico della famiglia reale della regina Vittoria d’Inghilterra e
verifica l’ereditarietà dell’emofilia secondo quanto studiato.
1. I gruppi sanguigni umani sono controllati da un tipo di eredità semplice, soprattutto per
i gruppi A B e 0.
2. Ogni gene determina un solo carattere
3. I gemelli monozigotici sono omozigoti
4. Il progetto genoma umano ha ottenuto come risultato la mappatura del patrimonio
genetico
5. Il numero di geni per ogni specie è conosciuto e caratterizza la specie stessa.
6. Il fenotipo degli eterozigoti presenta sempre le caratteristiche dominanti
7. Le istruzioni ereditarie di origine paterna e materna si mescolano più o meno
casualmente.
8. La segregazione degli alleli nei gameti è sempre Il test cross viene utilizzato per
determinare il genotipo degli individui
9. La trasmissione del gruppo sanguigno segue le leggi
di Mendel.
10.Ogni individuo è sempre dotato per lo stesso carattere
di due coppie di alleli, che possono essere, come
Mendel dimostrò, uguali o diversi.
CACCIA
ALL’ERRORE
11. Secondo la Legge dell’assortimento indipendente ogni
coppia di alleli segrega indipendentemente dalle altre
coppie
12.Due genitori con gruppo A Positivo non possono avere un figlio 0 Neg.
13.La determinazione del sesso del nascituro è del tutto casuale
14.E’ possibile determinare in modo preciso la modalità con cui un individuo può
manifestare certi caratteri e quindi ereditarli.
15.Dominante è un allele che si esprime, recessivo un che non lo fa
16.E’ possibile che da due genitori di pelle bianca nasca un figlio mulatto
17.Eredità del sesso e dei caratteri legati al sesso sono fenomeni identici
18.Con i quadrati di Punnet si stabiliscono le probabilità di tutti i possibili genotipi
risultanti da un incrocio.
19.In una trasfusione urgente si usa sangue “zero negativo” perché è il gruppo più diffuso.
20.La probabilità di avere un figlio maschio o femmina è del 50% solo al primo
concepimento.
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