CROMOSOMI, GENI ED ESPRESSIONE FENOTIPICA, NORMALE E PATOLOGICA

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1 2 CROMOSOMI, GENI ED ESPRESSIONE FENOTIPIC, NORMLE E PTOLOGIC Ogni espressione che entri fr prte del meccnismo riproduttivo riveste un prticolre importnz nell formzione dell ostetric/o, professionist dell nscit, m nche ccompgntrice/tore dell donn con compiti di ccoglienz e di informzione in ogni momento del suo ciclo vitle, in prticolre qundo deve consolidrsi, nche dl punto di vist psicologico, nell fisiologi, senz escludere che poss spere e comprendere l eventule evoluzione ptologic. In queste situzioni l cultur di se che l ostetric/o si è ftt fcilit l qulità e l precisione dell su missione ssistenzile. Sezione 5 Dl genotipo l fenotipo Si pprendono le modlità di trsmissione dell informzione contenut nei geni, le relzioni qulittive e quntittive fr genotipo e fenotipo, l espressione dei crtteri fenotipici e l loro vriilità legt ll esistenz di lleli diversi per uno stesso gene ed inoltre le leggi che descrivono l trsmissione dei geni dlle generzioni prentli quelle filili. In quest sezione vengono introdotti importnti concetti circ l ereditrietà e presentte tecniche volte predire i tipi di prole ottenuti dgli individui prentli. Si definiscono i due principi fondmentli per l comprensione dell ereditrietà: quello dell segregzione e quello dell ssortimento indipendente. Inoltre viene trttt prte dell terminologi e delle metodiche essenzili per discutere ed nlizzre gli incroci genetici. Un concetto crucile di quest sezione è rppresentto dl prllelismo esistente tr comportmento dei cromosomi durnte l meiosi e distriuzione dei geni durnte l formzione dei gmeti. Lezione 13 Vriilità genetic e leggi dell ereditrietà 1-3 (S. Sirchi) GENETIC UMN 1 GENERLITÀ L stori ll fine del XIX secolo, il monco ustro-oemo Gregor Johnn Mendel ( ), conducendo un serie di esperimenti sulle modlità di trsmissione di crtteri semplici in orgnismi fcilmente mnipolili, scoprì che l ereditrietà di molti crtteri segue lcune semplici leggi. Queste leggi permettono, entro certi limiti, di prevedere l proilità che un certo crttere poss comprire nell progenie di un coppi. Mendel condusse i propri studi senz vere lcun conoscenz delle si molecolri dell ereditrietà né dell struttur chimic del mterile ereditrio e neppure dei processi iologici ll se dei meccnismi dell riproduzione come lo sviluppo dei gmeti. Quest mncnz di conoscenze portò l comunità scientific dell epoc rifiutre i risultti che Mendel pulicò nel Gli studi di Mendel furono dimenticti per oltre 35 nni e vennero riscoperti solo gli inizi del L espressione genetic mendelin indic i qudri fondmentli dell ereditrietà che fnno riferimento l concetto di unità genetic fondmentle, il gene. Relzione tr genotipo e fenotipo Le crtteristiche di un individuo, che vengono trsmesse d un generzione ll ltr sono dette trtti ereditri. Ognuno di essi è sotto il control Mendel le definì crtteri.

2 298 PRTE II - PERCORSI INTEGRTI PER L PROFESSIONE OSTETRIC lo di un segmento di DN chimto gene. L costituzione genetic di un orgnismo si definisce genotipo, mentre il suo fenotipo rppresent l insieme delle crtteristiche strutturli e funzionli osservili. Esso è il risultto dell interzione tr il genotipo e l miente. I geni, quindi, forniscono solo il potenzile per l espressione di un prticolre crttere. In qule misur verrà relizzt quest potenzilità, dipende dlle interzioni con ltri geni, dlle influenze mientli e d eventi che si verificno durnte lo sviluppo dell individuo. È però importnte ricordre che, seene il fenotipo si il prodotto dell interzione tr geni ed miente, il contriuto dell miente è molto vriile e, volte, imprevediile: può essere determinnte come, del tutto, ininfluente. Posizione del fiore Lunghezz dello stelo (ltezz) in cim lterle lto sso Form del seme rugoso Colore del seme verde Form del cello gillo Colore dell pelle colorto Colore del cello inco 2 LE LEGGI MENDEL Il metodo Fin dll inizio dei suoi studi Mendel si pose un semplice, m preciso oiettivo, rispondere ll interrogtivo: in che modo i crtteri dei genitori si trsmettono i figli?. Cominciò lvorndo su pinte di pisello d orto, Pisum stivum, ndndo studire dei crtteri semplici e fcilmente osservili: pinte con fiore viol e pinte con fiore inco; oppure, pinte con seme verde e pinte con seme gillo, e così vi. In seguito si dedicò ll riproduzione di queste pinte, procedendo in questo modo: prendev il polline dl fiore di un pint e lo spolverv sul pistillo del fiore di un ltr pint, per fecondrlo; poi copriv il fiore fecondto per evitre che dell ltro polline potesse rggiungerlo. In questo modo, Mendel selezionò lcuni crtteri e ne individuò le linee pure. Selezionò, per esempio, il crttere form del seme ed individuò le seguenti linee pure: pint semi lisci che, fecondt con il suo stesso polline, producev tutte pinte con semi lisci; ciscun di queste, fecondt col suo stesso polline producev, nuovmente, tutte pinte con i semi lisci e così vi. L insieme di pinte così ottenuto er un line pur per l vrinte semi lisci ; pint semi rugosi che si comportv llo stesso modo dell line pur semi lisci. In tutto Mendel selezionò 7 differenti crtteri e 14 linee pure - due per ogni crttere - dell pint Mendel lo definì fttore. rigonfio rggrinzito verde gillo FIGUR I setti diversi crtteri studiti d Mendel e le loro lterntive fenotipiche (d. Fntoni et l., l.c.). di pisello d orto (Fig. 13-1). Studindo i risultti dei vri incroci possiili usndo queste linee pure e l loro progenie, rrivò formulre le leggi sull ereditrietà dei crtteri. 1 legge di Mendel o legge dell segregzione dei crtteri Mendel fecondò un pint di pisello semi rugosi con il polline prelevto d un pint semi lisci (generzioni prentli P). Tutti i semi dell progenie F1 (prim generzione filile) erno lisci. Semrv che l vrinte seme rugoso fosse sprit (Fig. 13-2). Questo tipo di incroci vengono detti incroci tr monoiridi, e Mendel, medinte questi esperimenti, rrivò ll conclusione che gli iridi dell F1 sono uniformi poiché, pur discendendo d genitori con vrinti diverse dello stesso crttere, vevno ereditto d un solo genitore l vrinte del crttere form del seme. Ciò, come oggi sppimo, dipende dl ftto che l vrinte semi lisci è dominnte, mentre quell semi rugosi è recessiv, cioè scompre nell prim generzione di iridi. Il comportmento osservto d Mendel nelle pinte di pisello ci permette quindi di ffermre che gli iridi sono pinte che oggi definiremmo eterozigoti per il crttere studito, cioè possiedono due lleli (vrinti) diversi per il crttere form del

3 PERCORSO 2 - IOLOGI GENERLE 299 Seme Rimozione dei petli che nscondono l pprto riproduttivo Pistillo (orgno femminile) Stmi (orgno mschile) Ovulo (che form il cello) Rimozione degli stmi Impollinzione del pistillo Seme rugoso pre il fiore e rccoglie il polline genotipo fenotipo gmeti genotipo fenotipo ½ ½ F1 ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ rugoso 3 1 FIGUR L formzione dell generzione F2 (d. Fntoni et l., l.c.). F2 Seme Tutti i semi sono lisci FIGUR Schem dell incrocio tr due linee pure (d. Fntoni et l., l.c.). seme, in questo cso, un llele per il seme S ed un llele per il seme rugoso s; l llele S domin sull llele s (Fig. 13-3). Mendel proseguì i suoi esperimenti lscindo che gli iridi si utofecondssero (second generzione filile F2). Come imo visto, tutti gli individui dell F1 vevno semi lisci, m, dl loro incrocio, nell F2, si riottennero dei semi rugosi: precismente, il 25% di semi rugosi e il 75% di semi lisci (Fig. 13-4). Generlmente, si ritrovvno nello stesso cello entrmi i tipi di semi. Il crttere seme rugoso, sprito nell prim generzione filile er ricomprso nell second. Oggi sppimo che, differenz degli individui semi lisci dell line pur, gli iridi dell F1 fenotipo rugoso genotipo gmeti genotipo fenotipo prentli gmeti FIGUR L formzione dell generzione F1 (d. Fntoni et l., l.c.). F1 semi lisci producevno due tipi diversi di gmeti. Nell irido inftti i gmeti vengono prodotti per meiosi d cellule eterozigoti del tipo Ss, perciò possono essere di due tipi: 50% gmeti di tipo S (dominnte); 50% gmeti di tipo s (recessivo). Mendel pprese d questi esperimenti che un pint dell line pur è omozigote, cioè, in tutte le sue cellule, entrmi i cromosomi di un coppi di omologhi portno, per lo stesso gene, lo stesso llele, SS o ss. Invece un pint irid è eterozigote, cioè i cromosomi omologhi portno ciscuno un llele diverso, Ss, come è illustrto Fig Rissumendo, nelle pinte di Pisum stivum l form del seme è determint dl gene form del seme di cui ogni individuo possiede due copie o lleli che si trovno sui due cromosomi omologhi; l insieme dei geni di un individuo si chim genotipo, mentre l spetto dell individuo è detto fenotipo. Il fenotipo è determinto dl genotipo, m, fenotipi uguli (seme ), possono corrispondere nche genotipi diversi (SS o Ss). Tutto ciò portto ll definizione dell 1 legge di Mendel sull segregzione dei crtteri: I memri di un coppi genic (lleli) segregno (si seprno) l uno dll ltro durnte l formzione dei gmeti. 2 legge di Mendel o legge dell indipendenz dei crtteri Mendel continuò fre i suoi esperimenti, m quest volt decise di procedere in modo diverso. Provò incrocire più crtteri e così prese in

4 300 PRTE II - PERCORSI INTEGRTI PER L PROFESSIONE OSTETRIC form colore form colore,, X considerzione il crttere colore del seme che può essere gillo (YY) o verde (yy) insieme l crttere form del seme. Con questi incroci, rffigurti nell Fig. 13-5, egli scoprì che, nell F1, gli iridi (diiridi) erno uniformi lisci-gilli (Ss Yy). Questo confermv l dominnz di queste vrinti; invece, nell F2 - ottenut ttrverso un incrocio tr diiridi - si osservvno 16 cominzioni genotipiche e 4 cominzioni fenotipiche diverse (9/16 gilli-lisci, 3/16 Dominnti,, gillo Recessivi, rugoso, verde prentli FIGUR I fenotipi delle linee prentli e dell F1 (d. Fntoni et l., l.c.). F1 gilli-rugosi, 3/16 verdi-lisci, verdi-rugosi) con un ricomprs dei crtteri recessivi rugoso-verde, come si evidenzi nell Fig Se si esmin però solo un crttere ll volt, per esempio il colore del seme, il rpporto fr semi gilli e verdi rimne 3:1 (Fig. 13-6) e così pure per il crttere form del seme ; ciò signific che questi due crtteri (geni) vengono ssortiti nei gmeti, l uno indipendentemente dll ltro. Quest osservzione h portto ll definizione dell 2 legge di Mendel sull indipendenz dei crtteri: I geni che controllno crtteri diversi si distriuiscono in modo indipendente l uno dll ltro durnte l formzione dei gmeti. Interzioni lleliche: lleli dominnti, lleli recessivi, codominnz Dto che di uno stesso gene possono esistere più lleli e che in un individuo eterozigote sono presenti due lleli diversi dello stesso gene, il fenotipo risultnte dipende dl tipo di interzione che si instur tr i due lleli. Secondo l definizione dell genetic clssic, se in un eterozigote si mnifest fenotipicmente uno form colore X F1 FIGUR ) I rpporti fenotipici dell F2. ) I genotipi dell F2 con il qudrto di Punnett (d. Fntoni et l., l.c.). F2 form colore form colore rpporto 315 gillo 315/556 = 0,56 9, rugoso gillo 101/556 = 0,181 3, verde 108/556 = 0,192 3,30 32 rugoso verde 32/556 = ,00 556

5 PERCORSO 2 - IOLOGI GENERLE 301 solo dei due lleli e l ltro è mscherto, si prl di dominnz complet. L llele che si esprime viene definito, come imo già visto, dominnte, mentre l ltro è detto recessivo. L simologi, derivt d Mendel, rppresent con un letter miuscol () l llele dominnte e con l stess letter minuscol () quello recessivo. Quindi, nel cso di dominnz complet, l eterozigote () e l omozigote dominnte () mnifestno lo stesso fenotipo. Ne consegue che l llele recessivo si mnifest solo in condizione omozigote (). Qundo invece il fenotipo dell eterozigote è intermedio tr i fenotipi degli omozigoti, si prl di dominnz incomplet (Lez ). Si prl invece di codominnz, qundo, in un eterozigote, i due lleli si esprimono entrmi in ugul misur e l espressione di ciscun llele è riconosciile livello fenotipico (Lez ). 3 PPLICZIONE DELL GENETIC MENDELIN Il metodo dell incrocio di prov per l determinzione di un genotipo ignoto Mendel, durnte l formulzione del principio dell segregzione, llestì un certo numero di esperimenti per confermre l vlidità dei suoi risultti. Un incrocio prticolrmente significtivo è quello delle pinte dell F2 con un omozigote recessivo, detto nche reincrocio o testcross. Questo incrocio inftti, permette di stilire l effettivo genotipo di pinte che mostrno il fenotipo dominnte. Come schemtizzto in Fig. 13-6, le pinte ottenute di semi lisci dell F2 dell incrocio discusso in Fig. 13-3, possono essere omozigoti dominnti (SS) oppure eterozigoti (Ss). Incrocindo queste pinte (genitore 1), con un omozigote recessivo (genitore 2, seme rugoso, ss), potremo stilire l estto genotipo del genitore 1. Se il genitore 1 è omozigote dominnte SS, tutt l progenie srà semi lisci (genotipo Ss), mentre se il genitore 1 è eterozigote Ss, ½ dell progenie srà semi lisci (genotipo Ss) e ½ semi rugosi (genotipo ss). L costruzione di un lero genelogico L nmnesi fmilire è registrile medinte il disegno dell lero genelogico di un fmigli, utilizzndo i simoli convenzionli rissunti in Fig Ess, spesso, è indispensile per determinre il rischio genetico ed è il punto di prtenz dell consulenz genetic. L lero genelogico, inftti, fornisce un visione immedit dei prolemi o delle ptologie nell mito dell fmigli e fcilit l nlisi dei modelli di ereditrietà. Le generzioni sono contrssegnte mschio femmin mtrimonio genitori con 1 mino e 1 min in ordine di nscit gemelli dizigotici 1 3 numero dei figli del sesso indicto Individui ffetti eterozigoti per 1 gene utosomico, recessivo porttrice di 1 gene recessivo, legto l sesso morte orto o prto di nto morto di sesso non determinto gemelli monozigotici prondo sesso non determinto FIGUR Simoli per l composizione di un lero genelogico. mtrimonio consnguineo

6 302 PRTE II - PERCORSI INTEGRTI PER L PROFESSIONE OSTETRIC 1 2 I G E N II E R III Z I O IV N I FIGUR Esempio di lero genelogico umno. GLI INDICI NUMERICI INDICNO L ORDINE PROGRESSIVO DI NSCIT con i numeri romni, con le generzioni più nzine in lto e le più recenti in sso. Nell mito di ciscun generzione, le persone sono ordinte, d sinistr destr, con i numeri ri. I frtelli sono elencti di solito second dell età con il mggiore sinistr. Così, ogni memro dell lero genelogico, compresi i coniugi, può essere identificto d due semplici numeri. Generlmente, qundo rccoglie l nmnesi fmilire, il genetist costruisce l lero genelogico sull se di quello che gli viene riferito di prenti. Si cominci col rccogliere informzioni sui frtelli Lezione 14 Eccezioni lle leggi di Mendl 1-3 (S. Sirchi) 1 LE RELZIONI DI DOMINNZ L dominnz complet è l condizione per cui un llele è dominnte su un ltro e, di conseguenz, il fenotipo dell eterozigote è ugule quello dell omozigote dominnte. Nell recessività complet l llele recessivo è fenotipicmente espresso solo in cso di omozigosi. L dominnz complet e l recessività complet sono le due condizioni estreme di un gmm di relzioni di dominnz. Seene tutte le coppie lleliche studite d Mendel presentssero quest relzione di dominnz-recessività, oggi sppimo che molte coppie di lleli possono mostrre relzioni di dominnz differenti. e sui genitori del prondo, quindi, si pss i prenti dei genitori (frtelli, sorelle, nipoti e nonni). second del modello di trsmissione dell ptologi e dei ricordi che h il soggetto intervistto dipende il numero dei prenti inclusi nell lero. Vengono registrte le mlttie, le nomlie congenite, gli orti spontnei, le cuse di decesso, e ogni ltr informzione importnte. Nell Fig è rppresentto un esempio di lero genelogico dove viene illustrto il modo in cui vengono utilizzti i vri simoli. GENETIC UMN Dominnz incomplet Qundo un llele non è completmente dominnte su un ltro, si dice che mostr un dominnz incomplet o un dominnz przile. Nell dominnz incomplet il fenotipo dell eterozigote risult intermedio rispetto quello dei due omozigoti. Un esempio clssico di crttere dominnz incomplet è il colore del piumggio dei polli. Incrocindo un line pur con piumggio nero (C C ) con un con piumggio inco (C W C W ) nell F1 si ottengono polli con piume grigio-lu, chimti polli lu ndlusi. Un pollo ndluso, eterozigote, non è un line pur, quindi negli incroci ndlu-

7 PERCORSO 2 - IOLOGI GENERLE 303 so con ndluso, i due lleli segregno nei gmeti e nell progenie si osservernno, con un rpporto 1:2:1, polli neri, polli ndlusi e polli inchi. Un ltro esempio di dominnz incomplet è quello del colore dei fiori delle ocche di leone. In questo cso, incrocindo pinte omozigoti fiore rosso (llele con dominnz incomplet) con pinte omozigoti fiore inco (llele recessivo), si origin un F1 con un fenotipo intermedio, ossi fiori ros. nche in questo cso, incrocindo pinte dell F1, vremo un F2 con pinte fiori rossi, pinte fiori ros e pinte fiori inchi, nel rpporto 1:2:1. lleli multipli: i gruppi snguigni nell uomo come esempio di codominnz L llele più diffuso in un popolzione è considerto l llele selvtico mentre l form llelic lterntiv è l llele mutto. nche se fino d or imo preso in considerzione solo crtteri controllti d un coppi di lleli, in un popolzione, per un dto gene, possono essere presenti più di due lleli (uno selvtico e tutti gli ltri mutti). Si prl, in questo cso, di lleli multipli. isogn però ricordre che, nche se in un popolzione sono presenti più di due lleli per uno stesso gene, ogni singolo individuo diploide può portrne l mssimo due. L serie llelic dei gruppi snguigni 0 c nell uomo rppresent un esempio importnte e en conosciuto di llelismo multiplo. Inftti, come vedremo in seguito, poiché lcuni gruppi snguigni sono incomptiili tr loro, quest serie di lleli ssume un prticolre importnz nel momento in cui deve essere effettut un trsfusione di sngue. Nel sistem 0, esistono quttro fenotipi rppresentti di quttro gruppi snguigni 0,,, ed ; in T sono elencti i sei genotipi possiili, dovuti lle vrie cominzioni dei tre lleli che crtterizzno questo sistem: I, I ed i. Gli individui omozigoti per l llele recessivo i, sono di gruppo snguigno 0; gli lleli I e I, sono entrmi dominnti su i. Un individuo con gruppo snguigno potrà vere genotipo I / I oppure I /i e, similmente, un individuo di gruppo potrà vere genotipo I / I oppure I /i. Gli individui eterozigoti per i due lleli dominnti I / I srnno di gruppo snguigno. Questo è un esempio di codominnz, dove entrmi gli lleli prtecipno in modo ugule l fenotipo. ll inizio del 900, Krl Lndsteiner scoprì i gruppi snguigni umni del sistem 0 e, per c Leggi:, i, zero. Tell Sistem O Gruppo Genotipo Fenotipo eritrocitrio nticorpi nel siero I I ntigene nti- I i ntigene nti- I I ntigene nti- I i ntigene nti- I I ntigeni + ssenti O i i ssenti nti-, nti- quest scopert, ricevette nel 1930 il Premio Noel per l Fisiologi e l Medicin. Per merito suo oggi sppimo che gli lleli I e I, codificno per degli ntigeni di superficie del gloulo rosso, mentre l llele i è ssocito ll ssenz di tli ntigeni. L comptiilità/incomptiilità tr gruppi snguigni è dovut l ftto che gli individui di gruppo producono nticorpi contro l ntigene, gli individui di gruppo producono nticorpi contro l ntigene, gli individui di gruppo 0 producono nticorpi contro e, mentre gli individui di gruppo non producono nticorpi contro questi ntigeni. Gli nticorpi presenti nel siero determinno l gglutinzione dei glouli rossi che presentno l ntigene. Questo fenomeno è potenzilmente letle, in qunto le cellule gglutinte occludono i cpillri. Per questo motivo, prim di ricorrere d un trsfusione, è molto importnte conoscere il gruppo snguigno di un individuo. In csi estremi, il sngue di gruppo 0, non presentndo nessuno dei due ntigeni, può essere utilizzto per le trsfusioni verso tutti i gruppi snguigni. 2 EREDITRIETÀ NON MENDELIN Ereditrietà mitocondrile Nell nlisi delle fmiglie, isogn tenere presente lcune situzioni in cui l modlità di trsmissione di un crttere monofttorile - cioè determinto d un singolo gene - diverge dll tteso in se i principi mendelini. Oltre l genom nuclere, le cellule eucriotiche, inftti, possiedono un ltro genom ll interno dei mitocondri, il DN mitocondrile (mtdn). I diversi tipi di cellule umne possono contenere d mitocondri che possiedono un DN circolre con 37 geni. Un discreto numero di mlttie nell uomo (frequenz di 6-7 ogni nti) sono dovute mutzioni crico di lcuni geni mitocondrili. Le principli crtteristiche che distinguono l eredità mitocondrile d quell mendelin sono:

8 304 PRTE II - PERCORSI INTEGRTI PER L PROFESSIONE OSTETRIC i mitocondri presenti nello zigote sono ereditti esclusivmente dll cellul uovo. Di conseguenz i mitocondri si trsmettono solo d mdre figlio, perciò l informzione genetic mitocondrile è definit ptrilinere o non-mendelin o citoplsmtic; un mschio ffetto non trsmetterà mi l mltti; ogni cellul contiene molte molecole di DN mitocondrile, di conseguenz, se tutti i mitocondri di un individuo portno l mutzione ptogenetic si prl di omoplsmi, se invece ogni cellul di un individuo contiene si genomi mitocondrili normli si mutti si prl di eteroplsmi. L condizione più comune è l eteroplsmi che può essere trsmess dll mdre i figli, nche se, in reltà, il rpporto tr le proporzioni di genomi mitocondrili normli e mutti non sempre viene conservto ttrverso le generzioni. Questo è dovuto l ftto che, durnte le divisioni cellulri, i mitocondri si distriuiscono cso nelle cellule figlie, modificndo l proporzione tr genomi mitocondrili normli e mutti presente nell cellul mdre. L eteroplsmi determin un eterogeneità del fenotipo ptologico; l grvità dell mltti può inftti vrire si tr mdre ffett e figli ffetti si tr frtelli ffetti. Essendo i mitocondri implicti nel metolismo energetico, mutzioni del loro genom cusno essenzilmente mlttie di interesse neuromuscolre. Ereditrietà multifttorile I crtteri ereditri non sono tutti monofttorili, esistono molti crtteri ereditri complessi, normli e ptologici, che vengono influenzti d più fttori, si genetici che mientli. Questi crtteri sono detti crtteri multifttorili e comprendono i cosiddetti crtteri quntittivi ed i crtteri con effetto sogli (Lez ). Per qunto rigurd l componente genetic, i crtteri multifttorili non sono controllti d uno, m d diversi geni. Generlmente ognuno di questi geni h un effetto fenotipico simile ed dditivo ed influenz il crttere in piccol misur. Questo tipo di ereditrietà dett ereditrietà poligenic, e si differenzi notevolmente dll ereditrietà monogenic polillelic che imo descritto in precedenz. Nell prim, molti geni in loci diversi concorrono determinre un crtteristic fenotipic, nell second un solo gene con molti lleli controll il crttere. Il numero di geni che controll un crttere multifttorile vri notevolmente d crttere crttere e l loro identificzione è estremmente compless; per questo motivo, per l mggior prte dei crtteri multifttorili non si conosce ncor l se genetic e molecolre. Questi geni possono essere loclizzti su uno stesso cromosom oppure su cromosomi diversi, m, comunque, vengono trsmessi in modo indipendente, secondo le modlità di trsmissione dei geni che controllno i crtteri monofttorili. Come già ccennto, l espressione fenotipic di un crttere multifttorile è influenzt nche d fttori mientli. L miente viene inteso come l insieme di tutti i fttori non genetici che condizionno lo sviluppo di un individuo, dllo stdio di zigote in poi. questo proposito, occorre tener presente che ogni crttere fenotipico, non è mi determinto completmente dll costituzione genetic o dll influenz mientle, m è sempre il risultto di un compless interzione tr genotipo, ckground genetico ed miente. Questo principio vle per tutti i crtteri mono e multifttorili, si normli che ptologici. Lezione 15 L se cromosomic dell ereditrietà 1, 2 (S. Sirchi) GENETIC UMN Sull se delle leggi di Mendel, i primi genetisti comincirono d nlizzre in modo più pprofondito, medinte incroci ppropriti, l ntur dei fttori mendelini. Grzie questi sforzi, or sppimo che i fttori di Mendel sono i geni e che questi sono loclizzti sui cromosomi. ll inizio del ventesimo secolo, i citologi vevno stilito che ll interno di un dt specie, il numero totle di cromosomi rimne costnte in tutte le cellule, mentre questo numero vri considerevolmente d un specie ll ltr. Nel 1902 Wlter Sutton e Theodor overi rrivrono, indipendentemente l uno dll ltro, ll dimostrzione che l modlità di trsmissione dei cromosomi, d un generzione ll ltr, er strettmente correlt con l modlità di trsmissione dei fttori mendelini. Per spiegre quest correlzione essi proposero l teori cromosomic dell ereditrietà che fferm che i fttori mendelini, oggi conosciuti come geni, sono loclizzti sui cromosomi. Geni indipendenti e geni ssociti I geni loclizzti su cromosomi non omologhi

9 PERCORSO 2 - IOLOGI GENERLE 305 segregno indipendentemente durnte l meiosi. Tuttvi, vi sono geni che vengono ereditti insieme, in qunto loclizzti sullo stesso cromosom. I geni che non mostrno un ssortimento indipendente, sono definiti geni ssociti o geni conctenti ed pprtengono, per definizione, d un gruppo di ssocizione o gruppo di conctenzione. L nlisi dell progenie di incroci tr individui con crtteristiche genetiche - controllte d più geni - diverse, permette di determinre l frequenz con cui gli lleli dei diversi geni presenti nei genitori si ritrovno, in nuove cominzioni, nei figli. L progenie che mostr l cominzione llelic presente nei genitori, è dett prentle, mentre l progenie che offre un nuov cominzione llelic, differente d quell dei genitori, è dett ricominnte. I ricominnti vengono prodotti medinte un meccnismo definito ricominzione genetic. È quindi possiile costruire mppe di ssocizione o mppe genetiche per ciscun cromosom, utilizzndo il reincrocio di prov che consente di identificre quli geni sono ssociti. Le conoscenze ttuli sull conctenzione tr i geni, derivno dgli esperimenti che Thoms Hunt Morgn ed i suoi collortori condussero su Drosophil Melnogster intorno l Gli incroci effettuti dl gruppo di Morgn, prendendo in considerzione molti crtteri, diedero un risultto che non si ccordv con l legge dell indipendenz dei crtteri formult d Mendel. Le clssi fenotipiche prentli erno le più frequenti, mentre le clssi ricominnti comprivno con un frequenz molto più ss. Si ottenev un numero molto simile per le due clssi prentli e lo stesso si verificv per le due clssi ricominnti. Morgn rrivò quindi ll conclusione che, durnte l segregzione ll meiosi, lcune cominzioni lleliche tendono rimnere insieme per l vicinnz, sullo stesso cromosom, dei geni che controllno quei crtteri. Si può quindi ffermre che, più due geni sono vicini sul cromosom, mggiore è l proilità che rimngno ssieme durnte l meiosi. Questo, secondo Morgn, sree l conseguenz del ftto che, essendo i ricominnti il prodotto dello scmio d tr cromosomi omologhi durnte l meiosi, più due geni sono vicini, tnto meno proile srà un evento di ricominzione tr di essi. L ricominzione genetic: il risultto del crossing-over Dto che l terminologi ust per indicre lo scmio fisico fr i cromosomi omologhi potree d Crossing-over o ricominzione. Crossing-over MEIOSI II Non ricominnte Ricominnte Ricominnte Non ricominnte FIGUR Crossing-over fr cromtidi non frtelli di cromosomi omologhi (d. Fntoni et l., l.c.). generre qulche confusione, riportimo lcune definizioni essenzili: con chism si intende il punto in cui vviene lo scmio fisico tr un coppi di cromosomi omologhi, cioè il punto fisico in cui vviene il crossing-over; con crossing-over si intende il processo di scmio reciproco di corrispondenti segmenti cromtidici lungo i cromosomi omologhi; il processo implic un rottur simmetric di due cromtidi e l loro successiv ricongiunzione. L Fig illustr uno schem semplificto del processo di crossing-over. Il crossing-over negli eucrioti vviene llo stdio di quttro cromtidi durnte l profse I dell meiosi. Ciscun evento coinvolge l mssimo due dei quttro cromtidi, nche se, lungo il cromosom, tutti i cromtidi possono essere coinvolti in eventi di scmio. In un individuo doppio eterozigote per i geni () e (), questi possono essere situti sugli omologhi in due diverse cominzioni: / oppure / (Fig. 15-2). In Fig 15-2, i due lleli dominnti sono insieme su un omologo ed i due recessivi sull ltro, quest configurzione viene chimt di ccoppimento oppure configurzione cis. In questo cso, un evento di crossing-over tr i due loci, produrree i due ricominnti e. Nell ltr cominzione, un llele dominnte e un llele recessivo dei due geni sono loclizzti su ogni omologo e quest configurzione viene chimt di repulsione oppure

10 306 PRTE II - PERCORSI INTEGRTI PER L PROFESSIONE OSTETRIC L ssocizione di due loci - e - situti sullo stesso cromosom, in un soggetto che si present eterozigote per medue (,, ), può essere: CCOPPIMENTO REPULSIONE CIS TRNS CONFIGURZIONI FIGUR Conctenzione di geni in cis ed in trns. configurzione trns. In questo cso, un evento di crossing-over tr i due loci, produrree i due ricominnti e (Fig. 15-2). Nel 1913, uno studente di Morgn, lfred Sturtevnt, pensò che l percentule dei ricominnti potesse essere ust come un misur quntittiv dell distnz tr i geni di un cromosom, costruendo, in questo modo, un mpp genetic. Quest distnz viene misurt in unità di mpp. Un frequenz di crossing-over dell 1% tr due geni, corrisponde d 1 unità di mpp. L unità di mpp viene nche indict, in onore di Morgn, in centimorgn (cm). Lezione 16 Cromosomi del sesso e geni legti l sesso 1, 2 (S. Sirchi) GENETIC UMN I cromosomi X e Y I cromosomi del sesso sono quei cromosomi che, in molti eucrioti, sono presenti in form divers nei due sessi. In molti csi l ssetto dei cromosomi sessuli di un orgnismo è direttmente correlto l suo sesso. Negli eucrioti, i cromosomi che non sono rppresentti differentemente nei due sessi, sono detti utosomi. I cromosomi del sesso, di solito, sono designti cromosom X e cromosom Y. Nell uomo, per esempio, l femmin h due cromosomi X quindi, reltivmente i cromosomi del sesso, è XX - mentre il mschio h un cromosom X e un cromosom Y - quindi è XY. Poiché il mschio, reltivmente i cromosomi sessuli, produce due tipi di gmeti (X o Y) e l femmin un solo tipo di gmete (X), il mschio è definito sesso eterogmetico e l femmin sesso omogmetico. I cromosomi X e Y presentno delle regioni di omologi chimte regioni pseudoutosomili che si trovno livello delle prti terminli del rccio corto ( PR1) e del rccio lungo (PR2). In prticolre l regione PR1 è molto importnte perché permette l ppimento ed il crossing-over fr l X e l Y durnte l meiosi mschile. L determinzione del sesso nell uomo Nei sistemi con determinzione genotipic dei sesso, il sesso dipende dl genotipo dello zigote; nei sistemi con determinzione fenotipic (o mientle) del sesso, il sesso è determinto d condizioni mientli interne od esterne. L determinzione genotipic del sesso, in cui i cromosomi sessuli svolgono un ruolo decisivo nell ereditrietà e nell determinzione del sesso, può vvenire in due modi:

11 PERCORSO 2 - IOLOGI GENERLE 307 il cromosom Y come vviene nell uomo - port le informzioni che determinno il differenzimento in senso mschile di un individuo. Gli individui con il cromosom Y sono mschi, mentre gli individui privi di cromosom Y sono femmine; il sesso è determinto dl rpporto tr il numero dei cromosomi X e il numero di ssetti utosomici - come vviene nell Drosophil e nel nemtode Cenorhditis elegns-. In questo sistem il cromosom Y non h lcun effetto sull determinzione del sesso, m è, comunque, necessrio per l funzionlità riproduttiv del mschio. Nell Uomo - e negli ltri mmmiferi plcentti - il sesso è dto dl meccnismo di determinzione sto sul cromosom Y. In ssenz del cromosom Y le gondi si differenzino in ovio. L prim dimostrzione che, nei mmmiferi, esistesse un meccnismo di determinzione del sesso sto sull presenz o ssenz del cromosom Y, venne dgli studi effettuti su individui con un ssetto nomlo dei cromosomi sessuli. Nell specie umn, gli individui 45,X sono femmine sterili, che presentno l sindrome di Turner (Lez ). Queste femmine hnno un solo cromosom sessule X con un complemento cromosomico descritto come 45,X, cioè un totle di 45 cromosomi - il cromosom sessule più gli utonomi con un eterosom in meno rispetto ll ssetto normle di 46 cromosomi. l contrrio, gli individui 47,XXY sono mschi sterili con l sindrome di Klinefelter (Lez ). Per cui, indipendentemente dl numero di cromosomi X, è l presenz del cromosom Y determinre il sesso mschile. Nei mmmiferi sono en tollerte le nomlie di numero dei cromosomi sessuli, mentre, trnne rre eccezioni, le vrizioni del numero degli utosomi non sono vitli. Nei mmmiferi esiste, inftti, un meccnismo di compenszione del dosggio che interviene in presenz di un numero di cromosomi X superiore d uno. I nuclei delle cellule somtiche femminili normli (46,XX), presentno un mss di cromtin fortemente condenst chimt, dl nome del suo scopritore e, corpo di rr. Questo corpuscolo intensmente colorto è, invece, ssente nei nuclei delle cellule somtiche mschili normli (46,XY). Nel 1961, questo spetto fu pprofondito d Mry Lyon e Lilin Russell, che formulrono quell che or è conosciut come ipotesi di Lyon, rticolt nei seguenti punti: e Murry rr. 1) il corpo di rr è un cromosom X fortemente condensto e trscrizionlmente inttivo; esso è stto inttivto medinte un processo detto di lyonizzzione ; 2) il cromosom X che viene inttivto, è scelto cso tr il cromosom X di origine mtern e quello di origine ptern. Un volt che uno dei cromosomi X è stto inttivto, tutt l progenie GENESI DI UN GTTO "TRTRUG" Inttivzione del cromosom X X con llele rncione X con llele nero Emrione monocellulre Cloni di cellule rppresentte nell pelle Emrione multicellulre X Inttivto FIGUR ) Un gtto trtrug. ) Genesi di un gtto trtrug (d. Fntoni et l., l.c.).

12 308 PRTE II - PERCORSI INTEGRTI PER L PROFESSIONE OSTETRIC di quell cellul eredit lo stesso tipo di inttivzione. L inttivzione del cromosom X vviene durnte le prime fsi dell emriogenesi (lstul di 64 cellule); il cromosom X inttivo divent visiile nei nuclei femminili in interfse come corpo di rr. Come conseguenz di questo meccnismo, le femmine di mmmifero, eterozigoti per i geni ssociti l cromosom X, sono in effetti mosici funzionli: cioè circ il 50% delle cellule esprimono l llele di un cromosom X, mentre le ltre esprimono quello del cromosom X omologo. Questo mosicismo è fcilmente osservile, per esempio, nel gtto clico che h il mntello mcchie rosse e nere second del cromosom X che si è inttivto 2-cp.3 (Fig. 16-1). Il gene responsile dell mscolinità Nei mmmiferi plcentti è il cromosom Y che determin l mscolinità, inftti, su di esso sono loclizzti più geni che esprimono prodotti importnti per indirizzre il differenzimento sessule in senso mschile. Uno di questi prodotti è il fttore di determinzione del testicolo che è codificto dl gene TDF oggi noto come SRY (Sex determining Region Y). SRY determin il differenzimento delle gondi primordili indifferenzite in testicoli invece che in ovie. Questo rppresent l evento centrle nel differenzimento sessule di molti mmmiferi e nche dell uomo. Le ltre differenze tr i sessi sono, in reltà, effetti secondri dovuti ll zione di ormoni o di ltri fttori prodotti dlle gondi. Nei primi giorni di vit l emrione, inftti, indipendentemente di cromosomi che possiede, può essere considerto ipotente dl punto di vist del differenzimento sessule, perché sono presenti si le strutture indifferenzite dell pprto genitle femminile, ovvero un coppi di cnli chimti dotti di Müller, si quelle dell pprto genitle mschile, i dotti di Wolff (Fig. 16-2). Solo prtire dll sest settimn di grvidnz h inizio il differenzimento sessule in se ll presenz o meno del cromosom Y e, più precismente, del gene SRY che funzion d fttore di trscrizione per un serie di geni che cooperno ffinché l gonde indifferenzit si sviluppi in senso Regione psudoutosomile Ricominzione normle X Y SRY Ricominzione noml Regione psudoutosomile SRY X Y X SRY positivo Y SRY negtivo GENOTIPO: XY FENOTIPO: femmin FIGUR Schem dello spostmento del gene SRY dl cromosom Y l cromosom X. GENOTIPO: XX FENOTIPO: mschio

13 PERCORSO 2 - IOLOGI GENERLE 309 mschile e regrediscno le strutture precursori delle strutture femminile, ovvero i dotti di Müller. Inizierà così lo sviluppo del testicolo che produrrà l ormone testosterone, fondmentle per lo sviluppo dei genitli interni ed esterni mschili. Un ltr molecol prodott è l MH (Ormone nti Müllerino) che provoc l degenerzione dei dotti di Müller. Nelle emrione XX, l ssenz di testosterone e MH permette lo sviluppo dei dotti di Müller nei genitli interni ed esterni femminili e l degenerzione dei dotti di Wollf. Il gene SRY è stto identificto studindo individui che presentno un inversione del sesso, cioè mschi con cromosomi sessuli XX (invece di XY) e femmine con cromosomi sessuli XY (invece di XX). Nei mschi XX, un piccolo frmmento del rccio corto del cromosom Y, si er spostto sul cromosom X durnte l gmetogenesi, cus di un errore durnte l ricominzione, mentre le femmine XY mostrvno delezioni dell stess regione del cromosom Y (Fig. 16-2). Questi risultti suggerirono che il gene SRY fosse loclizzto in quel piccolo segmento del cromosom Y. Il psso successivo è stto quello di identificre e clonre il gene umno SRY e il suo corrispettivo nel topo Sry. L prov incontestile che SRY fosse il gene responsile del differenzimento testicolre, è stt ottenut introducendo questo gene in emrioni di topo XX f. I topi ottenuti d questi emrioni trnsgenici pprivno mschi con testicoli normlmente differenziti e, in seguito, con uno sviluppo dei crtteri sessuli secondri mschili normli. Quindi, l introduzione del solo Sry, è in grdo di indurre un reversione fenotipic del sesso complet in un topo cromosomicmente XX. Infine, è importnte ricordre che sul rccio lungo del cromosom Y è presente l regione ZF (zoospermi Fctor) che contiene molti geni responsili dell spermtogenesi che, se delet, determin zoospermi, cioè ssenz di spermtozoi nel liquido seminle. f Gli orgnismi o le cellule che presentno nel loro genom geni soprnnumerri introdotti medinte mnipolzione genetic, sono definiti orgnismi trnsgenici o cellule trnsgeniche ed il gene introdotto è chimto trnsgene.

14 310 PRTE II - PERCORSI INTEGRTI PER L PROFESSIONE OSTETRIC TRCCE DL GENOTIPO L FENOTIPO LEZIONE 13 Il genotipo è l costituzione genetic di un individuo, mentre il fenotipo è l insieme delle crtteristiche visiili dell individuo, che sono determinte dll interzione tr genotipo e miente. Mendel selezionò ttentmente un orgnismo fcile d nlizzre e d mnipolre e, ttrverso un serie di incroci progrmmti, studiò l trsmissione dei crtteri d un generzione ll ltr. Con i suoi esperimenti, costruì le fondment dell genetic. L prim legge di Mendel, il principio dell segregzione, fferm che i memri di un coppi llelic si seprno l uno dll ltro ll formzione dei gmeti. L second legge di Mendel, il principio dell ssortimento indipendente, stilisce che i memri di diverse coppie lleliche vengono trsmessi indipendentemente durnte l formzione dei gmeti. I principi mendelini sono pplicili tutti gli eucrioti. Visto che nell uomo lo studio dell ereditrietà è complicto dl ftto che non possono essere effettuti incroci progrmmti, i genetisti umni nlizzno i crtteri genetici medinte l nlisi degli leri genelogici. LEZIONE 14 Possono esistere più di due forme lleliche di un gene nell popolzione; ogni individuo diploide, comunque, può possedere solo due lleli per un determinto gene, loclizzti sui cromosomi omologhi. Nel cso di dominnz complet si h lo stesso fenotipo si che l llele dominnte si in omozigosi che in eterozigosi. Nell dominnz incomplet, il fenotipo dell eterozigote è intermedio tr quello dell omozigote dominnte e quello dell omozigote recessivo. Gli lleli codominnti sono entrmi espressi nel fenotipo. Non tutti i crtteri ereditri sono monofttorili (mendelini), esistono molti crtteri ereditri complessi, normli o ptologici, che sono influenzti d più fttori, si genetici (più geni) che mientli. Infine, isogn ricordre che l ereditrietà dei geni mitocondrili segue regole diverse d quelle dei geni nucleri. Inftti, per i geni mitocondrili non c è segregzione mendelin dovut ll meiosi. Nell uomo si osserv un ereditrietà uniprentle di tipo mterno, in qunto i mitocondri dello zigote provengono solo dll cellul uovo. LEZIONE 15 L segregzione degli lleli e l ssortimento indipendente dei geni derivno dl comportmento dei cromosomi durnte l meiosi. L teori cromosomic dell ereditrietà stilisce, inftti, che i geni sono loclizzti sui cromosomi. I geni loclizzti su cromosomi non omologhi segregno indipendentemente durnte l meiosi, mentre i geni loclizzti sullo stesso cromosom vengono ereditti insieme. I geni che non mostrno un ssortimento indipendente, sono definiti geni ssociti o geni conctenti. Più due geni sono vicini sul cromosom, mggiore è l proilità che rimngno ssieme durnte l meiosi. I geni ssociti, possono seprrsi ll meiosi ttrverso l ricominzione genetic o crossing-over. L progenie che mostr l cominzione llelic presente nei genitori, è dett prentle, mentre l progenie che offre un nuov cominzione llelic, differente d quell dei genitori, è dett ricominnte. I ricominnti vengono prodotti medinte crossing-over. LEZIONE 16 Nell uomo, l determinzione del sesso è in relzione con i cromosomi del sesso, inftti, l presenz del cromosom Y determin il differenzimento in senso mschile dell individuo e l su ssenz in senso femminile. Il sesso cromosomico si stilisce l momento dell fecondzione, XX nell femmin e XY nel mschio. Tutte le cellule somtiche delle femmine di mmmifero hnno un cromosom X inttivto per compensre il dosggio dei geni dell X tr i due sessi. Sul cromosom Y sono loclizzti diversi geni che esprimono prodotti importnti per il differenzimento sessule in senso mschile. Uno di questi prodotti è il fttore di determinzione del testicolo SRY (Sex determining Region Y). L presenz di SRY indirizz il differenzimento delle gondi primordili indifferenzite in testicoli invece che in ovie.