La genetica mendeliana nasce dalle ricerche del monaco Gregor

La genetica mendeliana nasce dalle ricerche del monaco Gregor Mendel
(1822-1884), svolte circa 150 anni fa nel giardino del suo monastero.
Dobbiamo al lavoro di Mendel la prima teoria scientifica sull’eridetarietà dei
caratteri e la formulazione di due importanti leggi della genetica: la legge
della segregazione dei caratteri e la legge dell’assortimento indipendente.
Il lavoro di Gregor Mendel sui meccanismi della trasmissione dei caratteri
alle generazioni successive furono pubblicati per la prima volta nel 1865.
Il genotipo è l’insieme dei geni posseduti da un individuo.
Il fenotipo è la manifestazione esterna di un carattere.
Un gene può presentarsi in 2 o più forme alternative, chiamate alleli
Il locus genico è la posizione specifica che un gene occupa nel cromosoma, quindi tutte le
forme alleliche di un gene si trovano in posizioni corrispondenti su cromosomi omologhi).
La diversità genetica (o variabilità genetica) è una caratteristica degli
ecosistemi o di un pool di geni comunemente ritenuta vantaggiosa per la
sopravvivenza: essa descrive l'esistenza di molte versioni diverse di uno
stesso organismo
In generale la diversità genetica offre alle specie maggiore capacità di
adattamento e di sopravvivenza in caso di particolari eventi o cambiamenti
ambientali. Gli individui il cui fenotipo è diverso in conseguenza della
variabilità genetica sono detti varianti
La varietà genetica è dovuta principalmente alle mutazioni e ai processi di
ricombinazione genetica. Le mutazioni in particolare portano alla formazione
di nuovi alleli; la ricombinazione li rimescola creando nuove combinazioni
alleliche nelle generazioni successive. Le mutazioni possono verificarsi in
ogni momento della vita dell'organismo, ma saranno trasmesse (e quindi
contribuiranno alla variabilità) solo se interessano le cellule della linea
germinale o i gameti
GENE
CARATTERE
CARATTERE EREDITARIO: E’ UNA CARATTERISTICA CHE VIENE
TRASMESSA DA UNA GENERAZIONE ALL’ALTRA
Un individuo i cui due alleli per la determinazione di un carattere sono uguali si dice
"omozigote (AA-aa)", se diversi tra loro si dice "eterozigote (Aa)".
Un allele selvatico è la forma primitiva di quell'allele e, di norma, è l'allele più diffuso
nella popolazione.
Individui con stesso allele in un locus
su una coppia di cromosomi omologhi
sono detti OMOZIGOTI
individui con alleli differenti in un locus
su una coppia di cromosomi omologhi
sono detti ETEROZIGOTI
questi individui sono portatori dell’allele
recessivo non-espresso
Il gene è l'unità ereditaria fondamentale degli organismi viventi. Concretamente,
essa corrisponde ad una sequenza di acidi nucleici composta da regioni trascritte e
regioni regolatorie. La somma delle sequenze geniche codificanti (ovvero gli esoni,
anche se esistono esoni non codificanti), insieme a quelle non codificanti (introni),
è detta genoma.
•
Mendel (1856) individuò regole precise sulla modalità di trasmissione dei
caratteri alla progenie
•
Come organismo scelse le piante di Pisum sativus: crescono facilmente, ve ne
sono molte varietà, consentono impollinazione controllata
•
Selezionò le linee pure (cioè piantine ottenute per autoimpollinazione che
producevano una discendenza con caratteri uguali ai caratteri delle piante
genitrici) per determinati caratteri (che vengono conservati nelle generazioni
successive)
•
Scelse varietà rappresentative per sette caratteri che mostrassero fenotipi
diversi
•
Mendel cominciò i suoi esperimenti incrociando piante di linee pure di pisello che
differivano per un solo carattere
•
Limitò la variabilità genetica studiata in ciascun esperimento
• Il fiore del pisello,
si autoimpollina,
ma le antere che
producono il
polline si
possono
rimuovere, e sullo
stimma può
essere posto il
polline di un altro
individuo
I primi esperimenti di Mendel prendevano in considerazione
un solo carattere alla volta: si parla allora di incrocio
monoibrido
• Incrociò piante di due differenti
linee pure con fenotipi diversi
(Generazione parentale, P)
• La prima generazione filiale (F1)
era costituita da individui tutti
uguali che, per un certo carattere,
somigliavano sempre ad un
genitore
• La seconda generazione filiale
(F2), prodotta per incrocio di
individui della F1, mostrava per ¾
il carattere della F1, ma per ¼ il
carattere della generazione P che
non si era perso nella generazione
F1
P
PISELLO SEME GIALLO X PISELLO SEME VERDE
F1
PISELLO SEME GIALLO
F1
PISELLO SEME GIALLO
F2 SEME GIALLO
X
SEME GIALLO
F1
PISELLO SEME GIALLO
SEME GIALLO
3/4 SEME GIALLO ¼ SEME VERDE
SEME VERDE
nella prima generazione F1, cioè «prima
generazione filiale», tutti i figli mostravano
solamente uno dei caratteri presenti nei genitori
In F2 in cui riapparivano i caratteri scomparsi nella
generazione precedente. Queste caratteristiche,
presenti nella generazione parentale (P) e
ricomparse nella F2, dovevano in qualche modo
essere presenti anche nella generazione F1,
sebbene non evidenti. Mendel chiamò questi
caratteri recessivi. La F2 quindi era composta da
caratteri sia dominanti che recessivi, però legati dal
rapporto 3:1. Mendel intuì che la comparsa dei
caratteri antagonisti e le loro proporzioni costanti
nella F2 potevano essere spiegate ammettendo che
le caratteristiche fossero determinate da fattori
separati.
Il quadrato di Punnett
E’ possibile verificare le ipotesi di Mendel simulando gli incroci attraverso uno schema grafico
denominato quadrato di Punnett.
Per impostare il quadrato di Punnett occorre determinare il genotipo dei genitori e stabilire quali
alleli compariranno nei gameti maschili e nei gameti femminili.
Consente di prevedere i rapporti genotipici e fenotipici dei discendenti
Durante la meiosi l’allele B si separa
dall’allele b e ognuno entra in un
gamete
I gameti con B e b sono prodotti in
ugual numero negli eterozigoti
Le possibili combinazioni delle dei
gameti possono essere riportate
proprio nel quadro di Punnet
• Mendel concluse che esistono dei “fattori
ereditari” (caratteri dominanti) di un genitore
che mascherano quelli dell’ altro genitore
(recessivi) quando coesistono nella
generazione F1
• I Fattori di Mendel, capaci di controllare le
caratteristiche ereditarie sono i geni
Principio della segregazione
• Definito l’ allele come forma alternativa di un
gene, si possono individuare alleli dominanti
e recessivi. Quando sono presenti entrambi il
fenotipo è quello dell’ allele dominante.
• Il principio della segregazione stabilisce che,
prima della riproduzione sessuata, gli alleli
portati da un genitore si separano
(segregano). Il gamete contiene un solo allele
di ciascun paio. Gli alleli durante la
segregazione rimangono intatti, per cui gli
alleli recessivi possono ricomparire nella
generazione F2
GENOTIPO OMOZIGOTE: quando un individuo
possiede 2 alleli identici di un certo gene sui
cromosomi omologhi
GENOTIPO ETEROZIGOTE: quando un individuo
possiede 2 alleli differenti di un certo gene sui
cromosomi omologhi
CARATTERE DOMINANTE: quando il carattere
risulta evidenziabile sia nell’omozigosi che
nell’eterozigosi
CARATTERE RECESSIVO: quando il carattere
risulta evidenziabile solo nell’omozigosi
Alla meiosi, quando i cromosomi omologhi si separano,
i 2 alleli presenti allo stesso locus SEGREGANO e si ritrovano in cellule diverse
(in ogni gamete sarà presente in maniera casuale l’allele di origine materna o
paterna)
Mendel continuò i suoi esperimenti con INCROCI DIIBRIDI e cioè prendendo in
considerazione due caratteri contemporaneamente.
Le piante parentali erano linee pure per entrambi i tratti
Incrocio fra individui che
differiscono per gli alleli
di due loci
Nel caso in cui le coppie
di alleli sono localizzate
su cromosomi non
omologhi, ogni coppia di
alleli alla meiosi segrega
indipendentemente dall’
altra
Principio dell’ assortimento indipendente
• I membri di una coppia di geni segregano
indipendentemente dai membri di un’ altra coppia
• Ogni gamete contiene un singolo allele per ogni locus, ma
gli alleli di loci differenti vengono assortiti nei gameti in
modo casuale l’ uno rispetto all’ altro
• Ogni cavia della F1 produce 4 tipi di gameti (ab,Ab,aB,ab)
con uguale probabilità
• Nel quadrato di Punnet ci sono 42 =16 quadrati
• Se i loci per la il colore e la rugosità del seme sono su
cromosomi non omologhi, nella generazione F2 di un
incrocio diibrido, il rapporto fenotipico è 9:3:3:1
L’ assortimento indipendente è
correlato agli eventi della meiosi
•
•
•
Ci sono due modi diversi in cui due
coppie di Ch omologhi possono
essere disposte alla metafase I che
li distribuisce nelle due cellule figlie
Tale disposizione è casuale
L’orientamento dei Ch omologhi in
piastra determina il modo in cui si
separeranno e verranno distribuiti
nei gameti
La segregazione degli alleli è il
risultato diretto della
separazione dei cromosomi
omologhi nel corso della meiosi
I caratteri mendeliani
Un carattere si dice “mendeliano” se soddisfa le seguenti condizioni:
1. Il carattere è controllato da una sola coppia di alleli
2. Gli alleli di quel carattere esistono solo in due forme alternative
3. Le due varianti alleliche di quel carattere sono l’una dominante e l’altra
recessiva
4. La trasmissione del carattere non è influenzata dal sesso dell’individuo
5. Il carattere non è influenzato dall’ambiente
La genetica oltre Mendel
Dominanza incompleta
In genetica, si parla di dominanza incompleta quando un allele è dominante
sull'altro, ma non in modo completo. Ne consegue che l'altro allele ha possibilità
di esprimersi, anche se in misura minore rispetto all'allele dominante. Il fenotipo
manifestato dall'eterozigote è un fenotipo intermedio tra quelli dei due omozigoti
(dominante e recessivo).
Per esempio poniamo di essere di fronte a una popolazione di piccoli mammiferi
la cui sopravvivenza sia dovuta in gran parte alla capacità dell'individuo di
mimetizzarsi. Poniamo di trovare al locus del mimetismo due alleli, denominati A
e a. Sappiamo che l'allele A (l'allele favorevole al mimetismo) è dominante su a,
ma non completamente. Poiché il genotipo dell'animale è dovuto alla
combinazione di 2 alleli, gli individui della popolazione possono avere al
massimo 3 variazioni di genotipo:
Genotipo AA: omozigote in cui compare solo la caratteristica dell'allele
favorevole al mimetismo. L'animale è in grado di mimetizzarsi perfettamente
grazie al colore del suo mantello. Ha probabilità di sopravvivenza massima.
Genotipo Aa: eterozigote che presenta caratteri intermedi. In sopravvivenza sarà
avvantaggiato rispetto a aa, ma svantaggiato rispetto a AA. Il colore del mantello
farà mimetizzare l'individuo, ma non bene come l'omozigote favorevole. La
sopravvivenza sarà inferiore di una qualche proporzione.
Genotipo aa: omozigote in cui compare solo la caratteristica sfavorevole. Il
mantello non sarà mimetico e le possibilità di sopravvivenza dell'individuo
saranno minime
Le caratteristiche dominanti e recessive non sono sempre così nette come osservato
da Mendel nella pianta di pisello. Alcune caratteristiche sembrano mescolarsi: per
esempio, incrociando una pianta di "bella di notte" (Mirabilis jalapa) a fiori rossi con
un'altra a fiori bianchi, in prima generazione si producono eterozigoti di colore rosa.
Un gene codifica per una proteina, speso un enzima.
gli alleli di uno stesso gene codificano forme diverse
della stessa proteina; per quanto riuarda gli enzimi ,
spesso queste forme hanno una diversa attività
catalitica.
Uno dei due alleli codifica un enzima che catalizza la
formazione del pigmento rosso mentre l’altro
codifica per una forma inattiva dello stesso enzima
OMOZIGOTI PER LA FORMA ATTIVA (omozigoti
dominanti): fiori rossi
OMZIGOTI PER LA FORMAINATTIVA (omozigoti
recessivi):fiori bianchi
ETEROZIGOTI: fiori rosa
Codominanza
Gli alleli possono agire da codominanti e si esprimono in modo uguale, per cui
l’eterozigote manifesta il fenotipo di entrambe le situazioni omozigoti: in pratica non
esiste dominanza. Un esempio molto noto è quello del sangue umano.
I GRUPPI SANGUIGNI NELL'UOMO
Il tipo di gruppo sanguigno nell'uomo è determinato da 3 alleli: A, B, 0, con entrambi
gli alleli A e B co-dominanti.
ALLELI MULTIPLI: IA, IB, i (che
codificano per due antigeni presenti
sulla membrana dei globuli rossi
Ogni individuo porta due alleli
4 fenotipi : A, B,0,AB
Pleiotropia
• Alcuni geni possono avere più di un
effetto fenotipico
• In genere i diversi effetti sono
riconducibili ad una stessa causa (es.
deficit enzimatico)
• Es. sintomatologia variegata di malattie
genetiche
Un gene può influenzare, a livello fenotipico, più caratteristiche
dell'individuo; può cioè produrre effetti multipli sul fenotipo.
L'anemia falciforme (AF) è una malattia genetica del sangue, caratterizzata da anemia cronica
(scarsità di globuli rossi e di emoglobina) e da episodi dolorosi più o meno frequenti in varie parti
del corpo, causati dall'occlusione dei vasi sanguigni. L'AF prende il nome dalla forma "a falce"
che assumono i globuli rossi dei malati, ed è particolarmente frequente nelle regioni del
mediterraneo (soprattutto in Africa).
Possono esistere omozigoti per il gene normale e che quindi non manifestano la patologia, ci
possono essere gli omozigoti per il gene mutato e quindi avere la malattia ed infine ci sono gli
eterozigoti che hanno un allele mutato e l'altro allele normale, questi individui durante la sintesi
proteica produrranno il 50% di emoglobina normale e l'altra metà con la catena beta mutata.
Questi individui in territori come l'Africa in cui la malaria è presente hanno una maggiore attesa di
vita in quanto il Plasmodium falciparum, agente eziologico della malaria, che ha un ciclo di vita
molto lungo e complesso, non riesce a riprodursi negli eritrociti dei soggetti portatori del gene
mutato (sia omo che eterozigoti). Questo succede in quanto gli eritrociti contenenti l'emoglobina
mutata E6V hanno una emivita più breve degli eritrociti normali.
Eredità poligenica
Molti caratteri umani, come il colore della pelle, l'altezza, l'iride degli occhi
variano all'interno della popolazione senza presentare chiare suddivisioni.
Molti di questi caratteri sono il risultato di una ereditarietà poligenica, cioè
di un effetto sommativo di due o più geni che determinano un unico
carattere fenotipico.
Notate che questo caso è l'opposto della pleiotropia, in cui un singolo
gene agisce su più caratteri.
Sono poligenici o quantitativi i caratteri controllati da più di una coppia di
alleli.
Per tali caratteri il fenotipo varia da un individuo all’altro secondo una
serie continua, della quale il fenotipo più frequente è quello medio
EREDITA’POLIGENICA
Le componenti ereditarie di molte caratteristiche degli uomini ( statura, colore
pelle, etc) non sono alleli di un singolo locus
Più coppie di geni indipendenti hanno effetti simili e additivi sullo stesso carattere
Si pensa che per la determinazione del colore della pelle siano coinvolti gli alleli
di3 o 4 loci
Consideriamo tre coppie di alleli A/a, B/b, C/c
A,B,C presentano dominanza incompleta•
Più lettere maiuscole indicano un colore di pelle scura
Genotipo AABBCC pelle molto scura
Genotipo aabbcc pelle molto chiara
Genotipo AaBbCc pelle intermedia
I genotipi
AAbbCc, AaBBcc, aaBBCc, AaBbCc
Avranno la pelle della stessa tonalità
essendo in tutti i casi presenti tre
alleli “pelle scura”
GENI CONCATENATI
Con i principi di Mendel e con lo studio della
dinamica della meiosi  due geni si
trasmettono ciascuno in modo indipendente
rispetto all’altro
se sono localizzati su cromosomi diversi.
Infatti se:
AaBb
X
aabb
I gameti prodotti saranno:
AB (25%)
ab (100%)
Ab (25%)
aB (25%)
ab (25%)
e il risultato dell’incrocio:
GEN
FEN
AaBb (25%)
AB
Aabb (25%)
Ab
aaBb (25%)
aB
aabb
ab
(25%)
In altri casi si osserva un comportamento differente:
Es °
SsTt
(ST)
X
sstt (st)
dall’incrocio si ottengono i fenotipi seguenti:
ST
36%
st
36%
St
14%
sT
14%
il motivo di tale differenza è da
imputare al fatto che i geni S e T
sono sullo stesso cromosoma
Geni per i quali si verificano le previsioni
mendeliane sull’assortimento indipendente sono
localizzati su diversi cromosomi e sono definiti
GENI INDIPENDENTI.
Geni localizzati sullo stesso cromosoma, sono
fisicamente uniti e si definiscono GENI
ASSOCIATI o GENI CONCATENATI o GENI
LINKED.
Geni concatenati e gruppi di concatenazione
Geni localizzati sullo stesso cromosoma appartengono allo
stesso gruppo di concatenazione.
A,B,C:
Geni non concatenati
D,E,F,G:
Geni dello stesso gruppo di concatenazione
H,I:
Geni dello stesso gruppo di concatenazione
(A),(B),(C ),(D-E-F-G), (H-I) : Gruppi di concatenazione
Se i due geni sono completamente associati e quindi sono
trasmessi sempre insieme si parla di ASSOCIAZIONE
COMPLETA.
In realtà, l’associazione completa tra geni situati sullo
stesso cromosoma rappresenta un’eccezione alla norma
generale, che prevede invece un’ASSOCIAZIONE
INCOMPLETA.
Si parla di associazione incompleta quando alleli situati
sullo stesso cromosoma si separano per l’avvento del
CROSSING-OVER nel tratto di cromosoma compreso tra
i due geni analizzati.
Durante la meiosi se avviene il crossing-over si ha uno
scambio fisico reciproco di parti tra i due cromosomi
omologhi (tra cromatidi non fratelli) con la formazione di
nuove combinazioni alleliche.
Meccanismo di crossing-over tra due cromatidi non fratelli durante la
profase meiotica che dà origine a combinazioni ricombinanti (non
parentali) dei geni concatenati
Poiché il crossing-over non è un fenomeno frequente sono
più le meiosi in cui non avviene il crossing-over rispetto a
quelle in cui avviene e per questo motivo:
PREVALGONO I FENOTIPI PARENTALI
che sommati tra loro sono > del 50%
Ricordate:
ST
36%
st
36%
St
14%
sT
14%
Parentali
Ricombinanti
Quanto più due loci sullo stesso cromosoma sono distanti,
tanto più alta e la probabilità che si abbia il crossing-over e
quindi il conseguente aumento del numero dei ricombinanti.
Cromosomi sessuali
• Negli Eucarioti un cromosoma del sesso è un
cromosoma presente in forme diverse nei due
sessi. Uno è un cromosoma "X", l'altro
strutturalmente e funzionalmente diverso, è
chiamato cromosoma "Y". Generalmente
• il sesso XX è femmina ed è definito
omogametico;
• il sesso XY è maschio ed è definito
eterogametico
Determinazione del sesso
• Tutti gli individui per vivere
hanno bisogno almeno di un
X (Y0 non è vitale)
• Y determina il sesso maschile
• Il gene SRY è localizzato su Y,
e causa nel feto lo sviluppo
dei testicoli. Questi
producono il testosterone che
induce lo sviluppo del
fenotipo maschile
• Altri geni su Y, geni su X e
geni sugli autosomi sono
coinvolti nel determinismo del
sesso
Sembra che X e Y fossero in origine una coppia di autosomi
omologhi. Nel corso dell’evoluzione , quasi tutti i geni funzionali
sono stati conservati su X e Y ha perso quasi tutti i geni. Il
cromosoma Y ha però conservato geni per la determinazione del
sesso.
Per questo motivo i cromosomi X e Y non sono una vera coppia di
omologhi ma hanno una breve regione di omologia che ne
permette l’appiamento alla meiosi.
Geni X-linked
• Ci sono dei caratteri non sessuali (percezione dei
colori, coagulazione del sangue) i cui geni
mappano sul Ch X (X-linked)
• Il maschio XY, ha per il Ch X una condizione di
emizigosi (una sola copia), per cui l’allele,
dominante o recessivo che sia, viene sempre
espresso, mentre nella femmina, l’ eterozigote non
esprime il carattere recessivo
• Per questo motivo, i caratteri recessivi associati al
Ch.X si esprimono più nei maschi che nelle
femmine
Femmina sviluppa malattia quando porta entrambi gli
alleli recessivi
Se l’allele recessivo èpresente ma in eterozigosi è
PORTATRICE
Maschio con allele recessivo in emizigopsi. SVILUPPA
MALATTIA
Trasmissione emofilia:
madre portatrice e padre sano
Madre portatrice
Padre sano

XE
XE
X

Femmina
portatrice

X
X
X
X

Femmina
sana
XE
Y

Maschio
emofilico
Y
X
Y

Maschio
sano
Trasmissione emofilia:
madre sana e padre emofilico
Madre sana
Padre emofilico

X
X
XE

Femmina
portatrice

X
XE
X
XE

Femmina
portatrice
X
Y

Maschio
sano
Y
X
Y

Maschio
sano
Trasmissione emofilia:
madre portatrice e padre emofilico
Madre portatrice
Padre emofilico

XE
XE
XE

Femmina
emofilica

X
XE
X
XE

Femmina
portatrice
XE
Y

Maschio
emofilico
Y
X
Y

Maschio
sano
Interazione dei geni con l’ambiente
L’espressione di un gene può essere influenzata dall’ambiente circostante.
Esempio dei conigli himlaiani(pelo bianco con chiazze scure)
La presenza di queste macchie su naso, orecchie e zampe è dovuta alla
temperatura minore di queste zone.
Se questi conigli vengono fatti crescere a 30°C diventano interamente bianchi, a
temperature inferiori sviluppano le macchie nere: EFFETTO DELL’AMBIENTE
SUL FENOTIPO
EREDITA’ CITOPLASMATICA (EXTRANUCLEARE)
Il carattere è trasmesso esclusivamente
dalla madri ai figli di ambo i sessi,
testimonianza di un’eredità
citoplasmatica (mitocondri)
Intendiamo per eredità mitocondriale la trasmissione di caratteri
attraverso il DNA mitocondriale, e quindi quella modalità di
trasmissione dei caratteri che dipende da geni presenti nel mitocondrio,
e non nel nucleo.
La struttura del genoma mitocondriale lo rende suscettibile a mutazioni
relativamente frequenti.
Nella riproduzione sessuale il DNA mitocondriale è di origine
esclusivamente materna (dalla cellula uovo). Viene ereditato secondo la
divisione del citoplasma.
La meiosi non prevede l’esatta ripartizione dei geni mitocondriali nei gameti
dato che questi organelli vengono distribuiti in modo casuale alle cellule
figlie al momento della divisione della cellula madre.
Ne consegue che le caratteristiche mitocondriali della progenie dipendono
dalla madre