LA GENETICA MENDELIANA

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1 LA GENETIA MENDELIANA Gli studi di Mendel hanno appesentato una tappa fondamentale nello sviluppo della genetia. i pae quindi giusto dediae un po di spazio a questo pesonaggio, he, ome spesso aade pe le gandi ivoluzioni di pensieo, non ea uno sienziato, ma solo quello he oggi si potebbe definie un amatoe. Gego Mendel e i suoi espeimenti Gego Mendel, infatti, ea un monao he viveva e insegnava sienze nel monasteo della ittà he oggi si hiama Bno e si tova nella epubblia ea (ma a quei tempi il suo nome ea Bün e faeva pate dell Austia). Mendel ea nato nel 1822 e fu odinato saedote nel Diei anni dopo iniziò i suoi famosi espeimenti, he avebbeo ivoluzionato l alloa nasente genetia. In patiolae, Mendel fee lo sfozo di apie se le ossevazioni he anhe alti studiosi avevano effettuato sulla somiglianza ta genitoi e figli potevano ispondee a una legge geneale e quindi essee pevisti. Mendel pubbliò i isultati dei suoi studi negli anni , ma questi fuono del tutto ignoati dalla sienza uffiiale. Solo nel 1900, ben 16 anni dopo la sua mote, i lavoi di Mendel venneo isopeti e finalmente appezzati pe il loo effettivo valoe. Mendel elaboò le sue teoie lavoando su una speie he si pesta patiolamente bene agli espeimenti di genetia: il pisello. Si tatta, infatti, di una speie faile da oltivae, anhe in limi igidi ome quelli del ento Euopa. Inolte, il pisello è tipiamente autogamo (si ipodue ioè pe autofeondazione), ma è elativamente semplie inoiae due individui: è suffiiente eliminae da quello he funzioneà ome genitoe femminile tutte le pati mashili dei suoi fioi. In tal modo, i semi podotti non potanno he deivae da inoio. Inolte, tattandosi di una pianta annuale, è in gado di fonie la disendenza pohi mesi dopo la semina. I aattei studiati da Mendel eano 7 ed avevano la peogativa di pote essee manifestati in due fome altenative, nettamente diffeenziate ta di loo. Ad esempio, pe quanto onene il aattee oloe dei otiledoni, si avevano piante on otiledoni gialli e piante on otiledoni vedi. Analogamente la supefiie dei semi poteva essee lisia oppue ugosa. Gli alti aattei onsideati da Mendel iguadavano il oloe del tegumento del seme (biano oppue gigio), la foma dei baelli (piena oppue stozzata), il oloe dei baelli immatui (vede oppue giallo), la disposizione dei baelli (apiale oppue teminale), l altezza della pianta (nana oppue ampiante). La pima legge di Mendel Mendel iniziò a selezionae piante he diffeivano solo pe un aattee e he onsevavano tale aspetto anhe nella disendenza ottenuta pe autofeondazione. In seguito inoiò ta loo

2 piante he pesentavano aattei altenativi ed ottenne una geneazione figliale, hiamata F 1 in ontasto on la geneazione dei genitoi he venne definita P. Mendel ossevò he gli individui della F 1 eano tutti uguali ed assomigliavano ad uno solo dei genitoi. La foma del aattee manifestata dalla geneazione F 1 (detta anhe ibida) fu definita dominante, mente quella he ea sompasa eessiva. Mendel ottenne gli stessi isultati anhe effettuando il osiddetto inoio eipoo, quello ioè in ui i aattei eano invetiti ispetto alla funzionalità sessuale degli individui. Tali isultati onsentiono a Mendel di definie la pima delle leggi he potano il suo nome: inoiando due individui he diffeisono pe un aattee, si ottiene una pogenie unifome e he pesenta solo il aattee dominante. La seonda legge di Mendel Mendel lasiò poi he la F 1 si autofeondasse ed ottenne una nuova geneazione, definita F 2. Questa non ea più ostituita da individui tutti uguali, ma entambe le manifestazione del aattee eano pesenti. Il aattee dominante ea peò più numeoso del eessivo, on un appoto all inia pai a 3 : 1 (ioè 75% dominanti e 25% eessivi). Quindi, il aattee eessivo, he non si ea manifestato nella F 1 doveva omunque essee pesente, anhe se evidentemente nasosto. Mendel poté osì elaboae la seonda delle sue leggi: l autofeondazione della geneazione F 1 oigina una popolazione F 2 in ui si ha la iompasa del aattee eessivo, sia pue limitatamente ad un quato degli individui. Questo fenomeno pende il nome di segegazione. A questo punto è neessaio affinae le noste onosenze di temini, in modo da pote poedee più apidamente. Definiamo quindi gene un fattoe eeditaio, in patia un segmento di DNA he odifia pe una eta poteina, la quale a sua volta è esponsabile della manifestazione di un eto aattee. Ogni gene può essee ostituito da due fome altenative (due segmenti di DNA divesi, he odifiano pe poteine divese e poduono quindi effetti visibili diffeenziati): iasuna di tali fome pende il nome di allele. Genealmente gli alleli si indiano on una lettea, maiusola se l allele è dominante e minusola se l allele è eessivo. Ogni individuo avà quindi due alleli, in quanto il gene è pesente su entambi i omosomi omologhi. Se i due alleli sono uguali, l individuo saà omozigote pe quel aattee, se invee sono divesi saà eteozigote. Ovviamente esistono due tipi di omozigosi, quella dominante (ad esempio AA) e quella eessiva (aa). Definiamo infine ome genotipo la ostituzione genetia di un individuo, ioè la desizione degli alleli he sono ontenuti nei suoi omosomi. Il fenotipo è invee quello he noi vediamo, ioè la manifestazione del aattee. Un genotipo saà quindi, ad esempio, AA oppue Aa oppue anoa aa. Un fenotipo saà invee vede, oppue giallo.

3 Possiamo quindi finalmente apie i isultati ottenuti da Mendel. onsideiamo il aattee foma dei semi, in ui l allele S (seme lisio) domina sull allele s (seme ugoso). L inoio iniziale effettuato da Mendel ea, evidentemente, SS x ss. Il pimo individuo non ha potuto podue he gameti on l allele S (iodiamo he i gameti si oiginano a seguito di meiosi e ontengono quindi solo uno dei omosomi omologhi: avanno quindi anhe solo un allele). Analogamente, il seondo individuo podue soltanto gameti ontenenti l allele s. Dalla loo unione non si potanno quindi he fomae individui eteozigoti Ss, i quali sono in effetti tutti uguali e manifestano solo una delle fome dei genitoi (nel aso speifio il seme lisio, he è dominante). Eo quindi spiegata la pima legge di Mendel. Venendo alla seonda legge di Mendel, dobbiamo onsideae l autofeondazione dell eteozigote. Questi, a diffeenza dei suoi genitoi, podue gameti di due tipi divesi: aluni (il 50% pe l esattezza) ontengono l allele S ed alti (anoa il 50%) l allele s. I gameti si ombinano poi a due a due duante la feondazione in modo del tutto asuale. Potemo quindi avee zigoti SS, ss, Ss oppue ss. Si vede subito he te di essi manifestano il aattee dominante (SS, Ss e ss), mente solo uno daà il aattee eessivo (ss). Abbiamo quindi la segegazione fenotipia 3 dominanti a 1 eessivo he ostituise il dettato della seonda legge di Mendel. ome abbiamo visto, l omozigote dominante e l eteozigote pesentano lo stesso fenotipo, ioè appaiono identii all ossevazione visiva. Pe poteli distinguee dobbiamo analizzae la loo pogenie, effettuae ioè quello he si hiama un test di pogenie. Il test di pogenie più omune ed utile è il osiddetto einoio, nel quale si inoia l individuo di ui vogliamo definie il genotipo on l omozigote eessivo. Infatti, la disendenza dell omozigote dominante on quello eessivo poduà individui on fenotipo dominante, ma sopattutto tutti uguali: AA x aa 100% Aa. L eteozigote, invee, oigineà una pogenie pe metà dominante e pe metà eessiva: Aa x aa 50% Aa e 50% aa. La teza legge di Mendel A questo punto Mendel povò a lavoae on due aattei ontempoaneamente. Ad esempio, inoiò piselli gialli e lisi (aattei dominanti) on piselli vedi e ugosi (eessivi). Ottenne, in aodo on la sua pima legge, individui tutti uguali e fenotipiamente dominanti pe entambi i aattei. Infatti: GGLL x ggll GgLl In F 2 ossevò peò la pesenza di ben quatto fenotipi, due uguali a quelli dei paentali (giallo lisio e vede ugoso), due invee nuovi, ioè he ombinavano in maniea oiginale i aattei dei

4 paentali (giallo ugoso e vede lisio). Questi due ultimi fenotipi pendono il nome di iombinanti, in ontasto on quelli paentali aatteistii dei pogenitoi. Le quatto lassi fenotipihe eano peò pesenti in popozioni divese, peisamente 9 (giallo lisio) : 3 (giallo ugoso) : 3 (vede lisio) : 1 (vede ugoso). Si ossevi peò he, in ealtà, la segegazione di ogni aattee ispetta la seonda legge di Mendel. Se, infatti, i limitiamo a onsideae il oloe del seme, abbiamo, in F 2, (ioe 12) gialli e (ioè 4) vedi. Ma 12 : 4 è pefettamente identio al appoto 3 : 1 he abbiamo visto aatteizzae la seonda legge di Mendel. A isultati pefettamente analoghi si aiva analizzando l alto aattee (foma del seme). La teza legge di Mendel intodue quindi il onetto di iombinazione, ioè la ompasa di nuove ombinazioni genotipihe e fenotipihe a seguito di segegazione. La spiegazione della teza legge di Mendel è la seguente: gli individui paentali poduono iasuno un solo tipo di gameti, ispettivamente GL e gl. Dall unione di tali gameti non può he fomasi un doppio eteozigote (GgLl), he peò fenotipiamente manifesta entambi i aattei dominanti. Tale ibido poduà invee gameti di tipo diveso, pehé i vai alleli si ombinano in modo del tutto asuale (ome abbiamo visto palando a poposito della meiosi). osì, il di-ibido (ibido pe due aattei) poduà gameti GL, Gl, gl e gl. Questi gameti si unianno poi a due a due, anoa asualmente, oiginando ben 16 divese ombinazioni. Pe evidenziae tali ombinazioni isulta utile appliae la osiddetta sahiea del Punnett, una tabella in ui le ighe sono ostituite dai gameti di un genitoe, le olonne dei gameti dell alto genitoe e le aselle indiano i genotipi (e i fenotipi) he si ottengono. GAMETI MASHILI GL Gl gl gl GAMETI FAMMINILI GL GGLL GGLl GgLL GgLl Gl GGLl GGll GgLl Ggll gl GgLL GgLl ggll ggll gl GgLl Ggll ggll ggll

5 Si può failmente ossevae he le 16 ombinazioni gametihe oispondono a nove divesi genotipi, a loo volta agguppabili in quatto fenotipi: giallo lisio (GGLL, GGLl, GgLL e GgLl), aselle bianhe, fequenza 9 su 16; giallo ugoso (GGll e Ggll), aselle gigio hiao, fequenza 3 su 16; vede lisio (ggll e ggll), aselle gigio intemedio, fequenza 3 su 16; vede ugoso (ggll), aselle gigio suo, fequenza 1 su 16. Si ossevi he agli stessi isultati saemmo pevenuti utilizzando un diveso inoio di patenza, e ioè GGll x ggll. L unia diffeenza saebbe stata nella definizione dei fenotipi in F 2 : infatti in questo aso giallo lisio e vede ugoso saebbeo i iombinanti e giallo ugoso e vede lisio i paentali. In onlusione, quindi, la teza legge di Mendel affema he i geni segegano in maniea indipendente gli uni dagli alti e he i fenotipi della F 2 di un di-ibido si pesentano in appoto 9:3:3:1. Allelia multipla Fino ad oa abbiamo sempe ipotizzato he il numeo di alleli possibile pe gene fosse due. In ealtà, le ose sono un po più ompliate ed esistono infatti numeosissimi geni he possono pesentae più di due altenative allelihe. Ovviamente gli individui diploidi pesenteanno sempe solo due di tali alleli, he peò vengono selti ta una gamma più ampia. Ta tali alleli si possono poi instauae i appoti lassii della genetia mendeliana. Un paio di esempi hiaià meglio il onetto. Il oloe della pelliia in oniglio è ontollato da un gene, nell ambito del quale possiamo avee quatto alleli, e peisamente, h, h e a. è dominante su tutti gli alti, h è dominante su a, mente ta h e h si instaua un patiolae appoto he pende il nome di odominanza (o dominanza intemedia): a diffeenza di quanto affemato da Mendel, infatti, in questo aso l eteozigote non è uguale all omozigote dominante, ma pesenta un fenotipo intemedio ai due omozigoti. Un appoto di odominanza esiste anhe ta h e a. iapitolando, quindi, ai 10 possibili genotipi di questo gene oispondono i seguenti fenotipi:, h, h, a oloe gigio (detto anhe selvatio) h h, h a oloe himalayano (gigio gon punta delle oehie, delle zampe e del naso nee) h h, h a oloe inillà hiao h h oloe inillà a a oloe biano (albino)

6 Una situazione analoga iguada il guppo sanguigno dell uomo. In questo aso abbiamo peò solo te alleli: I A, I B ed i. I pimi due dominano entambi su i, mente ta di loo sono odominanti. Petanto avemo he: individui I A I A e I A i avanno sangue del guppo A, individui I B I B e I B i avanno sangue del guppo B, individui I A I B avanno sangue del guppo AB, individui ii avanno sangue del guppo 0 (zeo). La deteminazione del guppo sanguigno è di fondamentale impotanza nel aso di tasfusioni: infatti è possibile ievee sangue solo del popio guppo, pena l agglutinazione del sangue stesso e la onseguente mote. Eezioni sono appesentate dai guppi AB (he possono ievee qualsiasi tipo di sangue e sono peiò detti ieventi univesali) e 0 (he, al ontaio, può donae a tutti: donatoe univesale). Il guppo sanguigno, pima dell intoduzione delle tenihe di biologia moleolae in gado di analizzae il DNA, ea anhe utilizzato pe il disonosimento di patenità. Ad esempio, un bambino on guppo A oppue B non può nasee da genitoi he hanno entambi guppo 0. Al ontaio, da due genitoi on guppo sanguigno l uno A e l alto B può nasee un bambino on guppo AB. Attenzione: può nasee: ma non è detto he quel bambino sia popio il loo figlio. ome detto, si tatta di una tenia he può solo esludee la patenità, non onfemala. Aumento dell omozigosi a seguito di autofeondazione ome abbiamo visto, l autofeondazione indue un aumento dell omozigosi. Infatti, nel passaggio da F 1 a F 2 si va da una ondizione di totale eteozigosi a una in ui omozigoti ed eteozigoti si equivalgono. Se poi autofeondiamo la F 2 (ottenendo in tal modo la geneazione F 3 ), gli omozogoti aumentano anoa: infatti gli individui he già eano omozigoti in F 2 non potanno he oiginae alti omozigoti (sia pue di tipi divesi: dominanti oppue eessivi), mente gli eteozigoti andanno inonto alla segegazione, on poduzione di omozigoti ed eteozigoti in appoto 1 a 1. Quindi, in definitiva, in F 3 avemo ¾ di omozigoti e ¼ di eteozigoti. Un agionamento analogo i pota a onludee he nella suessiva geneazione di autofeondazione (F 4 ) gli eteozigoti si iduono anoa, isultando pai al 12.5% del totale. E osì via pe le geneazioni suessive, in ui si assiste sempe ad un dimezzamento della fequenza di eteozigoti. L andamento è shematizzato nella seguente tabella.

7 GENEAZIONE OMOZIGOTI ETEOZIGOTI F 1 Aa 0% 100% F 2 ¼ AA ½ Aa ¼ aa 50% 50% F 3 ⅜ AA ¼ Aa ⅜ aa 75% 25% F 4 7/16 AA 1/8 Aa 7/16 aa 87.5% 12.5% F 5 15/32 AA 1/16 Aa 15/32 aa 93.75% 6.25% F 6 31/64 AA 1/32 Aa 31/64 aa % 3.125% ome si può notae, dopo una deina di geneazioni di autofeondazione gli eteozigoti sono patiamente sompasi e la popolazione è ostituita quasi solo più da omozigoti, sia pue divesi ta di loo. Quello visto è un aso semplie, pehé l individuo di patenza ea eteozigote solo pe un aattee: tuttavia, l andamento è simile anhe in pesenza di un numeo maggioe di geni in ondizione eteozigote, avendosi solo un leggeo allentamento nel pogesso veso l omozigosi. Tale andamento può essee failmente quantifiato ioendo alla seguente fomula: X = n 2 m 1 2 m dove x appesenta la peentuale di individui ompletamente omozigoti, m il numeo d odine della geneazione segegante (quindi 1 pe la F 2, 2 pe la F 3 e osì via) ed n il numeo di oppie allelihe in ondizione eteozigote nell ibido inziale. Ad esempio, la fequenza di omozigoti nella F 5 di un tibido saà: X = ioè 15/16 alla teza, he equivale a poo più del 77%. Attenzione, peò: questo non signifia he il 77% degli individui in F 5 è genetiamente uguale, ma solo omozigote. i saanno, infatti, 8 divesi tipi di omozigoti (nel aso di geni on due alleli e molti di più nel aso di allelia multipla). Questi 8 omozigoti sono: AABB, AABB, AAbb, AAbb, aabb, aabb, aabb, aabb. L assoiazione genia La teza legge di Mendel pesenta in ealtà numeose eezioni. La più fequente è quella he si veifia quando i geni si tovano sullo stesso omosoma: in tal aso, infatti, gli alleli tendeanno ad essee eeditati in bloo, nella stessa disposizione he hanno sui omosomi paentali.

8 Vediamo un esempio, tatto da un espeimento effettivamente ompiuto da Bateson e Punnett all inizio del seolo soso. I due aattei onsideati sono il oloe del fioe (dove viola domina su osso) e la foma del polline (allungato domina su otondo), sempe in pisello. Si ottenneo 427 individui F 2. In base alla teza legge di Mendel 9/16 avebbeo dovuto essee a fioe viola e polline allungato, 3/16 a fioe viola e polline otondo, 3/16 a fioe osso e polline allungato e 1/16 a fioe osso e polline otondo. ioè, ispettivamente, 240, 80, 80 e 27. I dati ossevati invee eano 296, 19, 27 e 85, quindi in netto disaodo on quelli ipotizzati. La spiegazione di tale disepanza sta, pe l appunto, nel fatto he i due geni onsideati si tovano sullo stesso omosoma, sono ioè assoiati o onatenati. Pe hiaie meglio iò he è aaduto, shematizziamo i vai passaggi ossevando la disposizione degli alleli sui omosomi. La situazione nei paentali non poteva he essee la seguente: pe un paentale e pe l alto Nell ibido F1 (iodiamo he esso isulta ostituito unendo un gamete pateno on uno mateno) la situazione ea invee la seguente: La meiosi dell ibido dovebbe quindi podue solo due tipi di gameti: uno ontenente il omosoma on gli alleli dominanti ( e ) e l alto il omosoma on gli alleli eessivi ( e ). Dall unione di tali gameti si dovebbeo petanto oiginae solo due fenotipi, pe la peisione quelli paentali. Il fatto he invee fuono tovati anhe fenotipi iombinanti, sia pue in numeo idotto, si spiega on il ossing-ove, ioè lo sambio di pezzi di omatidi ta omosomi omologhi. Gli effetti del ossing-ove sono appesentati nel seguente shema.

9 dupliazione del DNA ossing-ove gameti Gameti non oinvolti da ossing-ove Gameti oiginati a seguito di ossing-ove Poihé il ossing-ove non avviene in tutte le divisioni meiotihe, il numeo di gameti iombinanti saà sempe infeioe ispetto a quello dei gameti paentali. Di onseguenza, anhe il numeo di fenotipi iombinanti saà sempe più basso ispetto a quello dei paentali. Poihé le pobabilità he avvenga un ossing-ove ta due geni sono funzione della loo distanza (più sono viini e meno è pobabile he avvenga), il disoso può anhe essee ibaltato: il numeo di ossing-ove he avvengono ta due geni è un indiazione della loo distanza lungo il omosoma. Distanza he, si badi bene, non viene espessa in temini fisii di lunghezza, bensì on una valoe he è solo un indiazione di aattee puamente elativo. La distanza ta due geni si alola sempliemente valutando la fequenza dei gameti iombinanti e si espime in unità di iombinazione o entimogan. alolando la distanza ta due geni e poi ta uno di questi ed un tezo, e osì via, è possibile loalizzae tutti i geni he si tovano su un omosoma: ostuie, ioè, la mappa genetia di una speie.