GENETICA. Dal gene al fenotipo

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1 GENETICA Dal gene al fenotipo

2 Principali problematiche Effetto geni sulla costituzione di un organismo. Come? I geni agiscono mediante un prodotto genico? Di che natura è questo prodotto? Un allele di un certo gene determina uno specifico genotipo?

3 Elementi genetici e ambientali influenzano l azione dei geni

4 Archibald Garrod: errori congeniti del metabolismo e malattie genetiche

5 Anni 40: Beadle e Tatum,, ipotesi un gene un enzima, premio Nobel Lavorarono su un fungo aploide, Neurospora Irradiarono Neurospora per produrre mutazioni Saggiarono le colture ottenute dalle ascospore per cercare fenotipi mutanti interessanti Trovarono mutanti auxotrofi

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7 Conclusione: un particolare ceppo di mutanti richiedeva l argininal per crescere B & T scoprirono che le mutazioni auxotrofiche per l argininal sono mappate su tre loci diversi su cromosomi indipendenti Arg1, arg2 e arg3 sono i geni dei 3 loci La svolta: gli auxotrofi per ciascuno di questi 3 loci differivano tra loro nella risposta all ornitina e alla citrullina, composti strutturalmente correlati all arginina arginina

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9 Crescita dei mutanti arg su terreni addizionati con nutrienti diversi Enzima x 1. Precursore 2. Ornitina Y 3. Citrullina Z 4. Arginina 4 tappe: tappa enzima X Tappa enzima Y Tappa enzima Z Nei mutanti arg 1 manca X; negli arg 2 manca Y; negli arg 3 manca Z L enzima difettoso provoca un interruzione in una certa via biosintetica

10 Crescita dei mutanti arg su terreni addizionati con nutrienti diversi Mutante ornitina citrullina arginina arg arg arg

11 Geni mutanti e proteine Parte della via metabolica della fenilalanina e patologie associate al blocco enzimatico

12 Gene per la fenilalanina idrossilasi nell uomo ed alcune mutazioni all origine del mal funzionamento dell enzima

13 Mutazioni che interferiscono negativamente con la funzionalità della proteina: si trovano nelle sequenze per il sito attivo. Silente: proteina non difettosa perché la mutazione è fuori del sito attivo Mutazioni leaky: sono dovute ad alleli mutanti ma che danno proteine con funzionalità residuale

14 Per un certo locus possono esistere più forme alleliche (alleli multipli) Il tipo selvatico: funziona in modo normale (P o p+) Le forme mutanti recessive (p) Insieme completo degli alleli noti di un certo gene: serie allelica

15 Interazione tra gli alleli di un gene Che succede in un eterozigote, dove c èc un allele funzionale e l altro l mutato? La PKU (fenilchetonuria( fenilchetonuria) è recessiva e c èc un allele difettoso per la PAH ma l allelel selvatico P è sufficiente a dare il fenotipo selvatico. Il gene PAH è detto aplosufficiente Ma ci sono anche le mutazioni dominanti dove l allelel selvatico del gene è aploinsufficiente,, cioè una dose di tipo selvatico non basta per raggiungere i livelli funzionali

16 Recessività di un allele mutante di un gene aplosufficiente (nell eterozigote, la copia selvatica produce proteina sufficiente)

17 concludendo La recessività di un allele mutante è il risultato dell aplosufficienza dell allele selvatico di quel determinato gene La dominanza di un allele mutante è il risultato dell aploinsufficienza dell allele selvatico

18 DOMINANZA INCOMPLETA P: rossi X bianchi F1 petali rosa F1 X F1 F2: ¼ petali rossi c+/c+ ½ petali rosa c+/c ¼ petali bianchi c/c Fenotipo intermedio: dominanza incompleta Bella di notte

19 Codominanza Sistema ABO, tre alleli i, Ia e Ib Gruppo A IA/IA e IA/i Gruppo B IB/IB e IB/i Gruppo AB IA/IB Gruppo 0 i/i IA e IB sono dominanti su i ma nel genotipo IA/IB sono codominanti su i

20 HbA/HbA fenotipo normale HbS/HbS anemia molto grave, tutti i globuli rossi sono falciformi HbA/HbS

21 Elettroforesi di emoglobina normale ed emoglobina mutante

22 Le foglie del trifoglio hanno una serie di alleli di un unico gene, con molteplici variazioni che determinano le varie forme della V

23 Alleli letali recessivi: provocano la morte come il gene per il colore del mantello nel topo. Ay/Ay muoiono prima di nascere

24 Dopo i topi.. Gli alleli letali nei gatti

25 Fenotipo Manx (gatto dell isola di Man). L allele Manx ML in omozigosi è letale In eterozigosi (ML/M): singola dose dell allele interferisce nello sviluppo della colonna vertebrale, con assenza di coda

26 Interazioni geni-proteine L espressione dei sintomi della PKU fenilchetonuria dipende non solo dal locus PAH ma anche da molti altri geni e dall ambiente ambiente Molti passaggi e ogni passaggio può essere soggetto a modifiche Quella che sembra una malattia monogenica è un fenomeno che dipende da un complesso insieme di processi

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28 Come si disseziona la complessità in genetica? Creiamo un insieme di mutazioni monogeniche che influenzano una proprietà biologica Saggiamo i mutanti per determinare quanti loci genici sono coinvolti e quali mutazioni sono alleli dello stesso gene Questo lo facciamo mediante il test di complementazione

29 La complementazione è la produzione di un fenotipo selvatico che si verifica quando due genomi aploidi che portano mutazioni recessive diverse sono riuniti nella stessa cellula. Si incrociano 3 mutanti bianchi fenotipicamente identici. Le mutazioni nello stesso gene (dollaro e sterlina) non si possono complementare perché la F1 ha un gene con 2 alleli mutanti. Quando le mutazioni si trovano in due geni diversi (sterlina e yen), nell eterozigote della F1 avviene la complementazione degli alleli di tipo selvatico di ogni gene: il pigmento viene sintetizzato e i fiori sono blu

30 Negli organismi aploidi non si può condurre il test di complementazione sulla base di incroci. Nei funghi si produce l eterocariontel (nuclei aploidi di due ceppi nella stessa cellula) Le due mutazioni si complementano proprio come in un diploide. Se le mutazioni fossero state alleli dello stesso gene non ci sarebbe stata alcuna complementazione

31 Regolazione genica. Interazione tra un gene regolatore e il suo bersaglio

32 Disegni della colorazione della pelle nel serpente del mais (Elaphe( guttata): interazione tra geni di diverse vie metaboliche Un gene determina il pigmento arancione. Alleli: o+ (presenza di pigmento), o (assenza di pigmento); b+ pigmento nero; b no pigmento nero. Non sono associati a) Tipo selvatico, sia nero che arancio, entrambi sotto controllo genetico b) Sepente nero senza arancio c) Serpente arancio senza nero d) Serpente albino

33 EPISTASI, esempio di interazione genica Un allele mutante di un gene maschera l espressione l degli alleli di un altro gene ed esprime il proprio fenotipo Esempi: pianta Collinsia parviflora Cane Labrador

34 Meccanismo molecolare dell epistasi recessiva Gli alleli di tipo selvatico di due geni (w+ e m+) codificano per enzimi che catalizzano passaggi consecutivi nella via di sintesi del pigmento blu. Le piante omozigoti m/m producono fiori magenta mentre le omozigoti w/w fiori bianchi. Il doppio mutante w/w; m/m produce fiori bianchi, indicando che l allele per il bianco è epistatico sull allele per il magenta

35 Altro es. di epistasi recessiva: cane da caccia di razza labrador.. Due alleli (B e b) di uno stesso gene per il pigmento del pelo determinano a) pelo nero; b) pelo marrone. L allelel in un altro gene indipendente (E) permette la deposizione del pigmento nel mantello mentre il genotipo e/e la inibisce, dando origine al fenotipo biondo

36 Altro tipo di interazione genica: la Un allele soppressore cancella l espressione di un allele mutante di un altro gene, dando luogo al normale fenotipo selvatico soppressione

37 Letali sintetici. Classe speciale di In alcuni casi, quando si incrociano due mutanti singoli vitali in una macchina proteica, ne risultano doppi mutanti letali. Quando entrambe le proteine non si legano al substrato, il sistema non è più vitale interazione genica

38 Penetranza ed Espressività Penetranza: percentuale di individui con un certo allele che esibisce il fenotipo associato specificamente a quell allele allele.. Può capitare che un organismo abbia un certo genotipo ma non manifesta il corrispondente fenotipo (influenza dell ambiente e/o di altri geni) Espressività: : grado con cui un certo allele è espresso a livello fenotipico: : l espressivitl espressività è una misura dell intensit intensità del fenotipo

39 L intensità del pigmento come esempio della penetranza e dell espressivit espressività

40 Espressività variabile, 10 diverse gradazioni di pezzatura del mantello nel bracco. Ogni cane ha l allelel Sp del fenotipo pezzato

41 Penetranza incompleta ed espressività possono rendere difficile qualunque tipo di analisi genetica. Esempio: Un allele per una malattia non è pienamente penetrante, così un soggetto ha l allele ma non mostra alcun segno di malattia. L individuo Q non mostra il fenotipo dominante ma ha passato l allele dominante ad almeno 2 dei suoi 5 figli; poiché l allele non è totalmente penetrante, il resto della progenie (es.r) potrebbe aver ereditato l allele dominante oppure no

42 Concludendo In casi di questo tipo è difficile dichiarare geneticamente sana una persona nel cui albero genealogico ricorre una certa malattia. I termini penetranza ed espressività quantificano la modificazione dell espressione espressione genica al variare dell ambiente e del substrato genetico, misurando rispettivamente la % di casi in cui il gene è espresso e il suo livello di espressione