Genetica formale. Modalita della trasmissione dei caratteri da una generazione all altra.

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1 Genetica formale Modalita della trasmissione dei caratteri da una generazione all altra. I metodi che Gregorio Mendel sviluppo verso la meta del 1800 sono quelli ancora in uso oggi e rappresentano una parte fondamentale dell analisi genetica. 1

2 Studio di un fenomeno biologico isolare e caratterizzare le varianti genetiche che colpiscono (alterano) il processo stesso. Ogni variante o mutazione permette di identificare un distinto componente genetico. Organismi sperimentali -con ciclo vitale breve -progenie numerosa -facili da manipolare -variabilità tra gli individui 2

3 Gregor Mendel ( ) Propose per primo, nel 1865, il concetto di GENE. (il termine gene fu coniato da Johannsen nel 1909) 3

4 Riproduzione: fusione di due cellule specializzate dette gameti Prima di Mendel eredità per mescolamento uovo e spermio (i gameti) contengono essenze derivanti dalle diverse parti del corpo del genitore. Queste essenze si mescolano per formare il nuovo individuo Mendel eredità particolata i caratteri sono determinati da unità discrete che vengono trasmesse intatte da una generazione all altra 4

5 Gli esperimenti di Mendel -Scelta dell organismo giusto -Piano sperimentale semplice (pochi caratteri da seguire) -Quantificazione dei risultati Metodo di ricerca ipotetico deduttivo Interpretazione semplice dei rapporti numerici ottenuti Esperimenti precisi per saggiare l ipotesi 5

6 Pisum sativum ampia gamma di forme e colori autofecondazione e fecondazione incrociata stimma antera (porta il polline) ovario ovulo tempo di generazione breve numerosità della progenie poco spazio occupato basso costo 6

7 Trasmissione ereditaria di un singolo carattere (Per carattere si intende una specifica proprietà di un organismo) 7

8 Caratteri delle piante di piselli studiati da Mendel semi lisci o grinzosi interno del seme giallo o verde baccelli verdi o gialli petali porpora o bianchi baccelli semplici o concamerati fiori assiali o terminali fusto lungo o corto 8

9 Linea pura = popolazione che attraverso le generazioni resta identica per un dato carattere 9

10 I incrocio: pianta a fiori purpurei x pianta a fiori bianchi F1 tutte piante a fiori purpurei P = generazione parentale P F1 = prima generazione filiale F1 10

11 L incrocio reciproco dava lo stesso risultato P F 1 11

12 Autofecondazione F1 x F1 F2 705 piante a fiori purpurei 224 piante a fiori bianchi RAPPORTO 3 : 1 Il fenotipo bianco riappariva alla seconda generazione 12

13 DOMINANTE e RECESSIVO ll fattore latente si definisce RECESSIVO il fattore espresso si definisce DOMINANTE 13

14 Lo stesso rapporto 3:1 si ritrovava anche per gli altri 6 caratteri semi lisci o grinzosi interno del seme giallo o verde baccelli verdi o gialli petali porpora o bianchi baccelli semplici o concamerati fiori assiali o terminali fusto lungo o corto 14

15 15

16 Cosa dedusse Mendel dai risultati dei suoi esperimenti? 1. I determinanti ereditari sono di natura particolata 2. I determinanti (geni) sono presenti a coppie. Ogni carattere è controllato da due geni (chiamati alleli). Nelle linee pure i due alleli sono uguali. Nelle piante F1 sono presenti un allele per il fenotipo dominante ed uno per il fenotipo recessivo 3.I membri di ciascuna coppia genica si separano con uguale frequenza nei gameti (Principio della segregazione) 4.Ogni gamete porta solo un membro di ciascuna coppia genica 5. I gameti si combinano per formare lo zigote indipendentemente dal membro della coppia genica in essi contenuto 16

17 Gli individui A /a sono chiamati eterozigoti o ibridi,mentre gli individui delle linee pure sono chiamati omozigoti. A /A è un omozigote dominante; a /a è un omozigote recessivo. 17

18 P F1 gialli verdi YY x yy Yy x Yy Tutti gialli giallo è dominante su verde 1/2 Y 1/2 y 1/2 Y F2 YY Yy 1/2 y Yy yy YY 1/4 Yy 1/4 + 1/4= 2/4 = 1/2 yy 1/4 quadrato di Punnet 18

19 Il genotipo è la costituzione genetica del carattere Il fenotipo è la manifestazione del carattere rapporto fenotipico giallo 3 : 1 verde YY Yy yy rapporto genotipico 1/4 1/2 1/4 19

20 Verifica delle ipotesi (Test-cross o Reincrocio) Rapporto osservato 58 : 52 1 : 1 20

21 I legge di Mendel: I due membri di una coppia genica segregano (si separano) l uno dall altro nei gameti, metà dei quali riceve un membro della coppia, mentre l altra metà riceve l altro membro 21

22 Trasmissione ereditaria di due caratteri 22

23 Mendel studiò la trasmissione contemporanea di due caratteri Carattere fenotipo Forma del seme Colore del seme liscio/rugoso giallo/verde 23

24 lisci verdi x rugosi gialli F1 lisci gialli Liscio > rugoso Giallo > verde F1 lisci gialli x F1 lisci gialli F2 315 lisci gialli lisci verdi rugosi gialli 3 32 rugosi verdi semi 24

25 Mendel trovò lo stesso tipo di rapporto 9:3:3:1 studiando anche altre coppie di caratteri Mendel considerò un carattere alla volta 25

26 4 fenotipi 315 lisci gialli 108 lisci verdi 101 rugosi gialli 32 rugosi verdi lisci/rugosi 556 semi lisci = 432 ; rugosi = 133 rapporto 3 liscio : 1 rugoso gialli/verdi gialli = 416; verdi = 140 rapporto 3 giallo : 1 verde 26

27 Mendel intuì che ciascun carattere veniva trasmesso indipendentemente dall altro 27

28 R = liscio r = rugoso Y = giallo y = verde liscio verde rugoso giallo gameti Y liscio giallo 28

29 Il diibrido RrYy formerà 4 tipi di gameti contenenti ciascuno un allele per il carattere forma del seme (R o r ) e un allele per il carattere colore del seme (Y o y). Questi gameti verranno prodotti con la stessa frequenza pari ad 1/4 RY Ry ry ry 29

30 RrYy RrYy 30

31 Rapporti genotipici Rapporti fenotipici RRYY 1/16 RRYy 2/16 RRyy 1/16 RrYY 2/16 RrYy 4/16 Rryy 2/16 rryy 1/16 rryy 2/16 rryy 1/16 lisci gialli lisci verdi rugosi gialli rugosi verdi R-Y- R-yy rryrryy 31

32 II legge di Mendel: coppie geniche differenti si combinano in maniera indipendente durante la formazione dei gameti 32

33 Testcross per confermare la seconda legge di Mendel YyRr x yyrr gialli lisci verdi rugosi yr r 1/4 YR YyRr 1/4 gialli lisci 1/4 Yr 1/4 yr Yyrr yyrr 1/4 gialli rugosi 1/4 verdi lisci 1/4 yr yyrr 1/4 verdi rugosi 33

34 Le caratteristiche alternative sono determinate da FATTORI DISCRETI che portano l informazione ereditaria Ogni fattore (GENE) esiste in forme alternative (ALLELI) che determinano la caratteristica visibile (FENOTIPO) 2 alleli uguali = OMOZIGOSI 2 alleli diversi = ETEROZIGOSI Allele che determina la caratteristica visibile è DOMINANTE sull altro che è RECESSIVO 34

35 I legge di Mendel: (segregazione dei caratteri) I due membri di una coppia genica segregano (si separano) l uno dall altro nei gameti II legge di Mendel (assortimento indipendente): Geni che controllano caratteri diversi si distribuiscono in modo indipendente nei gameti 35

36 Analisi statistica: il test del chi-quadrato (χ 2 ) Serve a verificare se i risultati ottenuti in un dato esperimento si discostano dai risultati attesi soltanto per effetto del caso 36

37 RrYy x rr yy Liscio giallo rugoso verde Ipotesi zero: I geni assortiscono indipendentemente (rapporto 1:1:1:1) Risultati osservati Risultati attesi 154 lisci gialli 124 lisci verdi 144 rugosi gialli 146 rugosi verdi 142 lisci gialli (RrYy) 142 lisci verdi (Rryy) 142 rugosi gialli (rryy) 142 rugosi verdi (rryy) Tot. 568 Tot

38 La differenza osservata è casuale? L ipotesi zero è confermata? 38

39 Il metodo del chi quadro consente di determinare qual è la probabilità che la discrepanza tra i risultati ottenuti in un esperimento ed i risultati attesi sia dovuta al caso Se questa probabilità è alta (rispetto ad una soglia di accettazione) allora l ipotesi di partenza è corretta, se la probabilità è piccola l ipotesi va scartata 39

40 Calcolo del chi quadrato Per ogni classe, si calcola la differenza tra valore osservato ed atteso, la si eleva al quadrato, la si divide per il valore atteso, e infine si fa la somma dei risultati ottenuti per tutte le classi. Numero delle classi -1 40

41 Soglia di accettazione/rifiuto 41

42 Procedura per effettuare il test del chi quadro 1) Formulare un ipotesi semplice su cui costruire un attesa precisa (Es Ipotesi zero: assortimento indipendente) 2) Calcolare il chi quadro 3) Stimare p(χ 2 ) 4) Rifiutare o accettare l ipotesi zero 42

43 Mendel genio incompreso Solo nel 1900, C. Correns, H. de Vries e E. von Tschermak, arrivando indipendentemente alle stesse conclusioni, riscoprirono e riconobbero il valore delle ricerche di Mendel. Inizia l era della genetica e vengono coniati i termini moderni che sono tuttora utilizzati

44 Dal 1900 molti biologi iniziarono a sospettare che i geni fossero localizzati sui cromosomi Parallelismo tra geni e cromosomi alla meiosi i geni sono in coppie (come i cromosomi); i due membri di ciascuna coppia di geni segregano nei gameti (come i membri di ciascuna coppia di omologhi); coppie diverse di geni segregano in modo indipendente (come coppie diverse di cromosomi omologhi). 44

45 Oogenesi Oocita primario= 2n, 4c Meiosi I Oocita secondario= n, 2c Meiosi II Uovo maturo= n, 1c Spermatogenesi Spermatocita primario= 2n, 4c Meiosi I Speratocita secondario= n, 2c Meiosi II Spermio maturo= n, 1c Zigote = 2n, 2c 45

46 Confronto tra meiosi e mitosi Mitosi: i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma si separano e segregano in due nuclei diversi: divisione equazionale = mantenimento numero cromosomi Meiosi: i cromosomi omologhi si separano e segregano in due nuclei diversi: divisione riduzionale = produzione gameti aploidi 46

47 Meiosi e I legge di Mendel (segregazione dei caratteri) 47

48 Meiosi e II legge di Mendel (assortimento indipendente) Sono possibili due distinti allineamenti dei cromosomi materni e paterni 48

49 Meiosi e II legge di Mendel 49

50 Meiosi e II legge di Mendel 50

51 Localizzando il materiale ereditario su un organello cellulare la teoria cromosomica ha trasformato il concetto di gene da un entità astratta, ad una realtà fisica, il cromosoma, che può essere osservata e manipolata. 51

52 Mendel rinuncia alle sue ricerche Mendel proseguì le sue ricerche su altre piante per ottenere conferme alle sue leggi, ma trovò tante e tali contraddizioni che (si dice) cadde in depressione, abbandonò la ricerca e si mise a curare l amministrazione del convento Solo diverso tempo dopo si scoprì che queste contraddizioni solo APPARENTEMENTE andavano contro i risultati ottenuti sul Pisum sativum.

53 Variazioni della dominanza I In molte piante è possibile trovare delle varianti a fiori colorati e delle varianti a fiori bianchi. Tra queste la bocca di leone e la Mirabilis jalapa (bella di notte). In queste piante, incrociare individui a fiori rossi con individui a fiori bianchi dà risultati inattesi

54 La genetica della Mirabilis jalapa

55 Completa corrispondenza tra genotipi e fenotipi: gli eterozigoti A/a sono facilmente distinguibili dagli individui A/A. Quando il fenotipo degli eterozigoti è intermedio tra quello dei genitori: dominanza incompleta.

56 Variazioni della dominanza II Alleli letali (Cuenot 1905) Topi gialli x topi selvatici Y > y Topi gialli x topi selvatici Topi gialli topi selvatici 1 : 1

57 topi gialli F1 x topi gialli F1 Y/+ Y/+ 2/3 gialli 1/3 selvatici Invece di 3/4 gialli 1/4 selvatici

58 Y/+ x Y/+ genitore 1 genitore 2 Gameti genitore 2 Y 1/2 + 1/2 Gameti genitore 1 Y 1/2 + 1/2 Y Y Topo giallo Y + Topo giallo Y + Topo giallo + + Topo selvatico 2/3 gialli Rapporto alterato 1:2:0 1/3 selvatici

59 Y è un gene che per il fenotipo del colore del pelo si comporta da dominante, ma è recessivo per la letalità

60 Variazioni della dominanza II Alleli letali (Cuenot 1905) Topi gialli x topi selvatici Y > y Topi gialli x topi selvatici Y/y y/y topi gialli Y/y topi selvatici y/y 1 : 1

61 Variazioni della dominanza III Allelìa multipla e codominanza In ogni individuo diploide sono presenti solo due alleli ad un certo locus genetico. Tuttavia nella popolazione di individui è possibile che siano presenti tanti alleli diversi, che tra loro possono avere rapporti variabili di dominanza

62 I gruppi sanguigni Un esempio di allelia multipla riguarda il sistema di gruppi sanguigni ABO. Gene I (antigene di superficie sul globulo rosso). Tre alleli: sono I A, I B e I O (detto anche i). I B e I A sono codominanti tra di loro, e sono entrambi dominanti su I O. Quattro possibili fenotipi, corrispondenti a sei possibili genotipi.

63 Caratterizzazione fenotipica dei gruppi sanguigni Solo i gruppi che non agglutinano i globuli rossi hanno la possibilità di scambiarsi sangue (trasfusioni). AB è accettore universale, O è donatore universale.

64 L eredità mendeliana nell uomo Analisi degli alberi genealogici

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67 Malattie determinate da alleli recessivi Caratteristiche: Il disturbo compare nella progenie e non nei genitori la progenie affetta comprende sia maschi che femmine

68 Malattia recessiva

69 Malattia dominante Ogni persona affetta ha almeno un genitore affetto genitori affetti (padre o madre) trasmettono la malattia ai figli sia maschi che femmine il fenotipo tende a comparire ad ogni generazione

70 Eredità-ambiente Contributo relativo di geni e ambiente nel determinare un fenotipo Geni: limiti e potenzialità del fenotipo Ambiente: condizioni che limitano o favoriscono la potenzialità del genotipo di produrre un fenotipo

71 Norma di reazione Estensione della variazione del fenotipo in funzione dell ambiente Genotipi con norma di reazione piccola: stesso fenotipo in ambienti diversi Genotipi con norma di reazione ampia: diversi fenotipi in ambienti diversi

72 Fenotipi spesso influenzati sia dai geni che dall ambiente Ambiente Interno Temperatura: coniglio hymalaiano Esterno Sostanze chimiche: fenilchetonuria

73 Il colore del mantello del coniglio hymalaiano è influenzato dalla temperatura

74 Fenotipi spesso influenzati sia dai geni che dall ambiente Interno Età: calvizie, distrofia Ambiente Esterno Sesso: calvizie P CC x cc CC, Cc, cc F1 Cc maschi calvi e femmine normali