Dal Gene al Fenotipo 2 lezioni

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1 Anthony J. F. GRIFFITHS et al. GENETICA FORMALE Pierce GENETICA igenetica Peter Russell GENETICA Prof. Massimo Zollo Riceve Venerdi ore 15:30-17:00 Al CEINGE, Via Comunale Margherita 482 Dal Gene al Fenotipo 2 lezioni 23 Aprile, 2008

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3 Anti-senso RNA..ma,siRNAs mirna.oma NAT..toma Farmacogenoma?METABOLOMA?

4 Noi siamo i nostri geni? (il genoma) geni espressi (il trascrittoma) il trascrittoma e l ambiente GATTACA 1970, 20 anni prima

5 Clinton and Blair Human Genome Sequenced! C. Venter Celera Genomis, Human Genome Science Cromosoma e creazione di organismo artificiale F.Collins

6 The Human Genome Project Gene Expression Cell Nucleus Chromosome Protein Gene (mrna), single strand Gene (DNA)

7 The Human Genome Project medicine and the new genetics: anticipated benefits improved diagnosis of disease earlier detection of genetic predispositions to disease rational drug design gene therapy and control systems for drugs personalized, custom drugs

8 The Human Genome Project

9 Whitehead Institute, Center for Genome Research, Cambridge, MA

10 Approccio a colpo da fucile a canna shotgun

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12 SANGER METODO DELLA TERMINAZIONE Dideoxy chain TERMINATOR The work for his second Nobel Prize awarded in 1980) was developing the technique still used today - 'dideoxy' or 'Sanger' sequencing In 1958 he was awarded the Nobel Prize for his work in sequencing proteins

13 The Human Genome Project The International Human Genome Sequencing Consortium published their results in Nature, 409 (6822): , 2001 Celera Genomics published their results in Science, 291 (5507): , 2001

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16 Progetto Genoma Umano

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18 CLASSIFICAZIONE DELLE MALATTIE GENETICHE - Malattie Monogeniche (Mendeliane) A.D., A.R., X-L. - Malattie Cromosomiche (Anomalie di numero e di struttura) - Malattie Multifattoriali (o Poligeniche) - Malattie da Mutazioni delle Cellule Somatiche - Malattie da Mutazioni nel Genoma Mitocondriale

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20 Gregor Johann Mendel ( ) prete nel monastero Agostiniano di Brno, Cecoslovacchia, centro di insegnamento teologia, filosofia e scienze naturali.

21 Verdi Lisci Verdi rugosi

22 Caratteri dominanti e recessivi La F2 quindi era composta da caratteri sia dominanti che recessivi, però legati dal rapporto 3:1 un componente di ogni coppia era ereditato dal padre e l'altro dalla madre. Questa, nota anche come prima legge di Mendel, è la legge della segregazione

23 Prima legge di Mendel o legge della segregazione degli alleli Durante la formazione dei gameti gli alleli segregano (si separano) in due gruppi di gameti di uguale numero. Incrocio monoibrido: AaXAa 1:2:1 3:1 dominanti AA,Aa

24 Mendel formulò la seconda legge, o dell'assortimento indipendente, che afferma: "...quando si formano i gameti, gli alleli di un gene si separano indipendentemente dagli alleli di un'altro gene". Incrocio diibrido 9:3.3:1

25 Seconda legge di Mendel o legge dell assortimento indipendente Membri di differenti coppie di alleli vengono assortiti indipendentemente uno dall altro,...se... Presenti su cromosomi diversi diremo oggi

26 Leggi di Mendel: LEGGE DELLA SEGREGAZIONE 2. LEGGE DELL'ASSORTIMENTO INDIPENDENTE

27 Interazione gene-proteina, ambiente-fenotipo

28 Archibald Garrod Sir Archibald Edward Garrod was an English physician who pioneered the field of inborn errors of metabolism and alkaptonuria rare inherited genetic disorder of tyrosine metabolism.. He was born on November 25, 1857, in London, and died on March 28, 1936, in Cambridge. Archibald was the fourth son of Sir Alfred Baring Garrod, a physician at King's College Hospital, who discovered the abnormal uric acid metabolism associated with gout. Molte malattie umane sono difetti metabolici Fenil-chetonuria, autosomica recessiva

29 Le malattie genetiche sono alla base di errori congeniti del metabolismo.. PKU- Phenil Chetonuria, autosomica recessiva, causata in un difetto nell incapacità di convertire la Phenil-alanina in Tirosina che si accumula come è convertita in un acido tossico : fenil piruvico

30 Ciclo vitale del fungo Neurospora

31 Beadle and Tatum Mutanti nutrizionali=auxotrofi Ceppo che cresce su terreno min=prototrofo

32 precursore Enzima X Enzima Y Enzima Z Ornitina Citrullina Arginina NUTRIENTI Mutante Ornitina Citrullina Arginina arg arg arg arg-1 + arg-2 + arg-3 + precursore Enzima X Enzima Y Enzima Z Ornitina Citrullina Arginina

33 si scopri che tutte le proteine siano essi enzimi (o non), sono codificate dai geni. Teoria di Beadle e Tatum UN GENE > UNA PROTEINA (o un POLIPEPTIDE) E.L. Tatum and G.W. Beadle, Science, 91 (1940) 458. NOBEL PRICE :

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35 pausa 7 minuti.+3 per sedersi

36 Struttura del gene Fenil-alanina-idrossilasi, mutazioni identificate origine del malfunzionamento dell enzima. Mutazioni leaky Mutazioni null

37 Per un certo locus possono esistere piu forme alleliche (alleli multipli) L insieme degli alleli noti è definito SERIE ALLELICA

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39 Qual è la spiegazione di dominanza e recessività a livello di prodotto genico?? aplo-sufficiente (A) aplo-insufficiente (B) (A) P/P o P/p sono sufficienti a produrre il fenotipo selvatico mentre i p/p non lo sono (B) una singola dose P/p del fenotipo selvatico non è sufficiente per raggiungere i normali livelli funzionali Definizione: 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 del dell aploinsufficenza dell allele selvatico

40 Recessività di un allele mutante di un gene aplosufficiente

41 Differenze tra Dominanza, Dominanza incompleta e Codominanza Dominanza-il fenotipo dell eterozigote è uguale a quello di uno degli omozigoti Dominanza incompleta- il fenotipo dell eterozigote è intermedio (rientra nell intervallo) tra quelli dei due omozigoti Codominanza-il fenotipo dell eterozigote include quelli di entrambi gli omozigoti

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43 DOMINANZA INCOMPLETA BELLA DI NOTTE

44 Spiegazione molecolare: bianco nessuna dose Rosa una dose pigmento Rosso due dosi pigmento

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47 I B /i I A /I B I B /I B B AB I A I A I A /i i/i A O membrana del globulo rosso Schema delle proteine di membrana del globulo rosso del gruppo sanguigno ABO, glicolipidi di membrana modificati da una glicosil-transferasi che aggiungono uno zucchero ad un polisaccaride il quale a sua volta è unito ad un lipide per formare un glicolipide in membrana

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49 CODOMINANZA GRUPPI SANGUIGNI A e B sono alleli codominanti

50 Charlie Chaplin ABO Joan Barry (gruppo A) Charlie Chaplin (gruppo O) Figlio (gruppo B) Era suo figlio? I A /I A o I A /i ( gruppo A) i/i ( gruppo O) NON ERA SUO FIGLIO!! Hearst "Castle" San Simeon

51 Globulo rosso falciforme Anemia mediteranea (*) Hb A /Hb A Hb A /Hb S (*) codominanza a livello molecolare Hb S /Hb S (*) soggetti anemici Talassemia Mediterranea WT Talassemico

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53 Elettroforesi di varianti dell emoglobina

54 LEZIONE 2

55 Lezione 2 gene-fenotipo gene therapy nell occhio, ATTUALITA? Commento al lavoro! OMIM

56 Definizione di Alleli multipli Un gene puo avere piu stati o forme, si parla allora di allelli multipli. In questo caso gli alleli costituiscono una serie allelica, i membri di una serie allelica possono mostrare gradi diversi di dominanza l uno rispetto all altro.

57 Pleiotropic gene - a gene that affects more than one phenotype

58 Compatibilità con Rh Recipient [1] Donor [1] O- O+ A- A+ B- B+ AB- AB+ O- O+ A- A+ B- RhD positive patients do not react to RhD negative blood. B+ AB- AB+ A RhD negative patient who does not have any anti-rhd antibodies can receive a transfusion of RhD positive blood once, but this would cause sensitization to the RhD antigen, and a female patient would become at risk for Griffiths hemolytic et al., GENETICA 6/E, disease Zanichelli Editore of S.p.A. the Copyright newborn. 2006

59 Le foglie del trifoglio (nord America) manifestano diverse molteplici variazioni nel tema della dominanza su una serie di alleli di un unico gene che da le varie forme della V sulle foglie

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61 Topi oversprimenti la Green Flourescent portein GFP il gene della medusa che conferisce il colore verde

62 ALLELI LETALI: allele giallo Pleiotropic Effects and Lethal Genes Lethal Gene - a gene that leads to the death of an individual; these can be either dominant or recessive in nature Pleiotropic gene - a gene that affects more than one phenotype L allele A y definisce due caratteristiche il colore del mantello e la sopravvivenza

63 Rapporto 2:1 Invece di 1:2:1

64 Gatto dell isola di Man Senza coda, notare anche il colore diverso degli occhi! Allele M L /M interferisce con lo sviluppo della spina dorsale gatto senza coda M L /M L omozigosi allele letale, non nasce, il difetto è dovuto ad un non nomale sviluppo della spina dorsale Esistono casi anche di alleli sub-letali esempio AA X Aa = ½ AA ed ½ Aa Invece si ottiene 60% AA ed 40% Aa si tratta di alleli sub-letali, gradi diversi di DOMINANZA Spesso il fatto che un gene sia letale o no dipende dall ambiente nel quale l organismo si sviluppa

65 Effetti pleoiotropici. Effetti molteplici dei una stessa mutazione La pleiotropia è dovuta alla complessità delle interazioni geniche all interno di una cellula L Interazione tra geni-proteine definisce l effetto pleiotropico

66 La insorgenza della fenilchetonuria si manifesta attraverso una complessa sequenza di tappe. Esempio: mutazioni a carico di diversi geni diversi del PAH possono provocare alti livelli della fenil-alanina PAH

67 Effetti pleoiotropici Un gene è detto pleiotropico quando possiede effetti molteplici. Effetti molteplici dei una stessa mutazione La pleiotropia è dovuta alla complessità delle interazioni geniche all interno di una cellula L Interazione tra geni-proteine definisce l effetto pleiotropico Esempio Maori/sterilità e respirazione cilia/flagello polidattilia sindattilia MARFAN l eccessiva lunghezza delle dita delle mani, lo spostamento del cristallino e i difetti cardiaci

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69 La complessita genetica come si disseziona?? Con il Test di complementazione o test crisscross: A) si trattano le cellule con agenti radianti (UV) B) si saggiano i mutanti per determinare quanti loci genici sono coinvolti e quali mutazioni sono sugli stessi geni C) Si combinano le mutazioni a due a due medianti incroci che danno luogo ai doppi mutanti.

70 Test di complementazione

71 Altro esempio: genere Campanula Irradiamo con UV Colore blu=selvatico Otteniamo 3 mutanti bianchi: sono frutto della stessa mutazione occorrente sullo stessso gene o su geni diversi? Tre alleli di uno stesso gene oppure di due o di tre geni? Secondo incrocio: A livello molecolare: Gene W1 + Dicesi complementazione: la produzione di un fenotipo selvatico a seguito dell unione di due alleli mutanti recessivi in una stessa cellula

72 Diagramma di flusso dell antocianina in campanula Gene w1+ Gene w2+ Enzima 1 Enzima 2 Precursore 1 Precursore 2 Antocianina Blu Una mutazione in uno dei due geni porterà all accumulo del corrispondente precursore, il quale renderà il fiore bianco Complementano = due mutazioni in geni diversi Non Complementano = due mutazioni nello stesso gene

73 arg-1; arg2+ arg-1+; arg2 Fusione di cellule funginee, test di complementazione Nuclei aploidi che si fondono formando un eterocarionte Nuclei diversi Se due alleli mutanti recessive, ottenuti in modo indipendente e tali da produrre Fenotipi recessivi simili, non si complementano allora devone essere alleli dello stesso gene

74 campanula w1/ w1; w2+/ w2+ (bianco) X w1+/ w1+; w2/ w2 (bianco) F1 : w1+/ w1, w2+/w2 (blu) w1+/ w1; w2/ w2+ (bianco) X w1+/ w1; w2+/ w2 (bianco) Assortimento Indipendente F2: 9 w1+/-,w2+/- 3 w1+/-,w2/w2 (bianco) 3 w1/w1,w2+/- (bianco 1 w1/w1;w2/w2 (bianco) campanula 9 7

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76 Ci vediamo il prossimo mercoledi Ambiente Gene / Fenotipo Genoma Esercitazioni oggi pomeriggio Gruppo 2-3, prossimo mercoledi: Gruppo 1

77 PAUSA min

78 Serpente del mais: -Fenotipo selvatico nero-arancione livrea mimetica(a) -Fenotipo nero non ha pigmento arancione (B) -Fenotipo arancione non produce il pigmento nero (C) -Fenotipo rosa albino non ha sia il pigmento arancione che quello nero (D) selvatico b+=pigmento nero, b=assenza pigmento nero o+=pigmento arancione, o=assenza pigmento aranc o+/ o+; b/b (aranc) X o/o; b+/b+ (nero) F1 o+/ o; b+/b (selvatico) F2: o+/ o; b+/b (selvatico) X o+/ o; b+/b (selvatico) albino precursore (b+) Pigmento nero precursore (o+) Pigmento arancione 9 o+/ -; b+/- (selvatico) 3 o+/ -; b/b (aranc) 3 o/o; b+/- (nero) 1 o/ o; b/b (rosa albino) fenotipo mimetico ESEMPIO DI INTERAZIONE TRA GENI DI DIVERSE VIE METABOLICHE

79 Interazione tra un gene regolatore ed il suo bersaglio

80 Interazioni geniche Epistasi Soppressione Letalità sintetica

81 Epistasi: è l interazione da due o piu geni che controllono il fenotipo, un gene sta sopra di un altro Gene A Gene B Strada accessoria Gene C A * B * C * D * Fenotipo A = Fenotipo B Stesso fenotipo Una mutazione di un certo locus maschera la mutazione di un altro locus in un doppio mutante

82 Epistatic pathway WNT

83 Meccanismo molecolare dell epistasi recessiva Colori del petalo di Collinsia Parviflora Selvatico=blu Nei doppi mutanti i rapporti ci aiutano ad identificare i mutanti epistatici: (blu) (bianchi) (magenta) [m and w non sono geni associati]

84 Genew+ Gene m+ Incolore ->magenta ->blu

85 Colore mantello Labrador B allele colore nero b allele colore bruno Allele (e) è epistatico (colore giallo) su questi alleli B e b che determinano pelo nero (B) e pelo marrone (b) EPISTASI RECESSIVA e/e, B/- = giallo e/e, b/b = giallo E/-,B/- = nero E/-,b/b = bruno Shamu

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89 Riassunto regole da conoscere: Genotipo Rapporto A-B- A-bb aab- aabb Tipo interazione Esempio 9:3:3: nessuno Forma seme e colore dei piselli 9:3: Epistasi Recessiva colore del pelo labrador 12:3: Epistasi dominante Colore nella zucca 9:7 9 7 Epistasi recess.doppia Albinismo nelle lumache 9:6: Interazione doppia - 15: Epistasi domin doppia - 13: Epistasi domin e recess -

90 Interazioni geniche Epistasi Soppressione Letalità sintetica

91 Meccanismo molecolare di soppressione Un allele normale soppressore cancella l espressione di un allele mutante di un altro gene dando luogo al normale fenotipo, retromutante

92 Soppressore assente A B prodotto Soppressore presente A B prodotto B Il soppressore fornisce un fattore B che bypass il blocco La soppressione è talvolta confusa con l epistasi, la differenza cruciale stà nel fatto che il soppr cancella l espressione di un allele mutante e rispristina il corrispondente fenotipo selvatico. Il rapporto fenotipico modicato è l indicatore di questa interazione. Solo due fenotipi segrano e non tre come nell epistasi, vedi esempio precedente 13:3 Esempio occhi porpora e rossi di drosophila 9:3:4

93 Alleli modificatori Una mutazione modificatrice che avviene in un secondo locus cambia l espressione di una mutazione che avviene in un primo locus. In genere si tratta di proteine che regolano l espressione di un gene regolatori positivi o negativi

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95 Interazioni geniche Epistasi Soppressione Letalità sintetica

96 Letali sintetici Quando si accoppaino due mutanti singoli vitali ne risultano doppi mutanti letali. Questi si chiamano i mutanti sintetici. Se si combinano doppi mutanti ciascuno con una mutazione leaky in punti diversi della via di sintesi, la via si blocca. Es. orgine della letalità sintetica

97 Meccanismi genetici di origine dellagriffiths letalità al., GENETICA sintetica 6/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006

98 Ribbon structure

99 Protein-Protein interaction and network- P53 in giallo

100 Variabilità nella manifestazione Penetranza (1) Espressività (2) Pleiotropia (3) fenotipica (1) - è la probabilità che un gene abbia una qualsiasi espressione fenotipica completa (2) - è la severità di espressione del fenotipo (3) - un gene ha un difetto primario ma puo guidare l effetto su altri geni ed avere conseguenze molteplici con una malattia piu complessa.

101 Intensità di un pigmento, esempiogriffiths penetranza et al., GENETICA 6/E, ed Zanichelli espressività Editore S.p.A. Copyright 2006

102 Espressività variabile, 10 diverse gradazioni di pezzatura

103 The hand of blues guitar player Hound Dog Taylor (Blues Man of the HouseRockers ) exhibiting Polydactyly (Polidattilia) Variation in Gene Expression Penetrance - the frequency of expression of an allele when it is present in the genotype of the organism (if 9/10 of individuals carrying an allele express the trait, the trait is said to be 90% penetrant). Not all phenotypes that are expressed are manifested to the same degree. For polydactyly, an extra digit may occur on one or more appendages, and the digit can be full size or just a stub. Therefore, when the P allele is present it expresses variable expressivity.