GENETICA Analisi di geni e genomi Copyright 2010, EdiSES srl Napoli

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1 Titolo originale: Daniel L. Hartl, Elizabeth W. Jones GENETICS Analysis of genes and genomes Copyright 2009, VII Edizione, Jones and Barlett Publisher, LLC GENETICA Analisi di geni e genomi Copyright 2010, EdiSES srl Napoli Le cifre sulla destra indicano il numero e l anno dell ultima ristampa effettuata. A norma di legge, le pagine di questo volume non possono essere fotocopiate o ciclostilate o comunque riprodotte con alcun mezzo meccanico. La Casa Editrice sarebbe particolarmente spiacente di dover promuovere, a sua tutela, azioni legali verso coloro che arbitrariamente non si adeguano a tale norma. L Editore Fotocomposizione: EdiSES srl Napoli Stampato presso la Tipolitografia Petruzzi Corrado & Co. s.n.c. Zona Ind. Regnano Città di Castello (PG) per conto della EdiSES Napoli Via Nuova San Rocco 62/A Parco Soleado Napoli info@edises.it ISBN

2 Edizione italiana a cura di: MARCO BAZZICALUPO - Professore ordinario - Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Università degli Studi di Firenze GIORGIO BINELLI - Professore associato - Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Università dell Insubria GIULIANA NAPOLITANO - Ricercatore - Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Università degli Studi di Napoli Federico II BARBARA MAJELLO - Professore associato - Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Università degli Studi di Napoli Federico II ENRICO PÈ - Professore straordinario - Facoltà di Classe di Scienze Sperimentali Scuola Superiore Sant Anna di Pisa MARCO SALVEMINI - Ricercatore - Facoltà di Scienze Biotecnologiche Università degli Studi di Napoli Federico II MIMMO TURANO - Ricercatore - Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Università degli Studi di Napoli Federico II MASSIMO ZOLLO - Professore associato - Facoltà di Scienze Biotecnologiche Università degli Studi di Napoli Federico II Revisione a cura di: ROBERTO BARALE - Professore ordinario - Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Università degli Studi di Pisa Si ringrazia il Dott. Emanuele Biondi - Università degli Studi di Firenze III

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4 SOMMARIO Geni, genomi ed analisi genetiche La struttura del DNA e la variabilità genetica Trasmissione genetica: il principio della segregazione I cromosomi e l eredità dei cromosomi sessuali Associazione genetica e mappatura dei cromosomi Biologia molecolare della replicazione e della ricombinazione del DNA 190 Organizzazione molecolare dei cromosomi Il cariotipo umano, fisiologia ed anomalie del cromosoma Genetica dei batteri e dei virus Biologia molecolare dell espressione genica I meccanismi molecolari della regolazione genica Genomica, proteomica e transgenesi Il controllo genetico dello sviluppo I meccanismi molecolari delle mutazioni e di riparazione del DNA 509 Le basi molecolari del ciclo cellulare e del cancro DNA mitocondriale ed eredità extranucleare Evoluzione molecolare e genetica di popolazioni La base dei caratteri complessi Sommario V

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6 INDICE GENERALE Prefazione Autori xxi In ricordo di In copertina xv xxii xxiii 1 Geni, genomi ed analisi genetiche 1 Per gentile concessione di Lawrence David, Dana Hunt, Dirk Gevers, Eric Alm, e Martin Polz. 1.1 DNA: il materiale genetico 2 Prova sperimentale della funzione genetica del DNA 3 Ruolo genetico del DNA nel batteriofago Struttura e replicazione del DNA 6 Uno sguardo alla replicazione del DNA Geni e proteine 10 Errori congeniti del metabolismo come causa di malattie ereditarie Analisi genetica 14 Geni mutanti e proteine difettive 15 Test di complementazione per mutazioni nello stesso gene 17 Analisi dei dati di complementazione 20 Altre applicazioni dell analisi genetica Espressione genica: il dogma centrale 21 La trascrizione 23 La traduzione 24 Il codice genetico Mutazione Geni ed ambiente L unità molecolare della vita 29 Procarioti ed eucarioti 30 Relazioni evolutive tra gli eucarioti 31 Genomi e proteomi 32 2 La struttura del DNA e la variabilità genetica Le differenze genetiche individuali 39 Marcatori del DNA come pietre miliari sui cromosomi La struttura molecolare del DNA 40 Catene polinucleotidiche 41 Appaiamento tra basi ed impilamento delle basi 43 Filamenti antiparalleli 45 Struttura e funzione del DNA La separazione e l identificazione di frammenti di DNA genomico 47 Enzimi di restrizione e taglio sito-specifico del DNA 48 Gel elettroforesi 50 Ibridazione degli acidi nucleici 52 Il Southern blot Replicazione selettiva di frammenti di DNA genomico 55 Vincoli della replicazione del DNA: inneschi ed allungamento del filamento in direzione La reazione a catena della polimerasi La terminologia dell analisi genetica Marcatori del DNA presenti nel DNA genomico 62 Polimorfismi di singoli nucleotidi (SNP) 62 Polimorfismi della lunghezza dei frammenti di restrizione (RFLP) 63 Polimorfismi delle ripetizioni in tandem 66 Polimorfismi del numero di copie (CNP) Applicazioni dei marcatori del DNA 68 Marcatori genetici, mappatura genetica e malattie genetiche 68 Altri usi dei marcatori del DNA 69 Indice generale VII

7 3 Trasmissione genetica: il principio della segregazione Fenotipi morfologici e molecolari Segregazione di un singolo gene 80 Rapporti fenotipici nella generazione F 2 82 Il principio della segregazione 83 Verifica della segregazione 85 Incrocio di prova e reincrocio Segregazione di due o più geni 87 Il principio dell assortimento indipendente 88 Il reincrocio di geni indipendenti 88 Tre o più geni La probabilità nell analisi genetica 90 Eventi ed esiti elementari 92 Probabilità di unione degli eventi 93 Probabilità di intersezione degli eventi 93 Probabilità condizionale 94 Teorema di Bayes L analisi di alberi genealogici umani 97 Caratteristica dell eredità dominante e recessiva 97 La maggior parte delle variazioni genetiche non è dannosa 99 Marker molecolari negli alberi genealogici Dominanza incompleta ed epistasi 101 Alleli multipli 102 Gruppi sanguigni ABO 103 Epistasi I cromosomi e l eredità dei cromosomi sessuali La stabilità dei corredi cromosomici Mitosi Meiosi 119 La prima divisione meiotica: riduzione 124 La seconda divisione meiotica: conservazione L eredità dei cromosomi sessuali 128 La determinazione cromosomica del sesso 128 L eredità legata all X 129 Caratteristiche dell eredità legata all X nell uomo 133 Femmine eterogametiche 133 La non-disgiunzione come prova della teoria cromosomica dell ereditarietà 134 La determinazione del sesso in Drosophila La probabilità nella predizione della distribuzione dei caratteri nella progenie 136 L uso della distribuzione binomiale in genetica 136 Il significato del coefficiente binomiale Verificare la validità di un ipotesi genetica 139 Metodo del chi-quadro 139 I dati di Mendel sono troppo belli per essere veri? Associazione genetica e mappatura dei cromosomi Associazione e ricombinazione dei geni in un cromosoma 151 Accoppiamento o repulsione di alleli sintenici 153 Il test del chi-quadro per valutare il linkage 153 Ciascun paio di geni associati ha una frequenza di ricombinazione caratteristica 154 La ricombinazione nelle femmine rispetto ai maschi Mappatura genetica 155 Distanza di mappa e frequenza di ricombinazione 156 Crossing over 159 La ricombinazione tra i geni deriva da uno scambio fisico tra i cromosomi 159 Il crossing over avviene allo stadio a quattro filamenti della meiosi 161 Crossing over multipli Mappatura genetica in un incrocio a tre punti 166 L interferenza cromosomica nei doppi crossing over 167 Funzioni di mappa genetica 168 Distanza di mappa genetica e distanza fisica Mappatura genetica con gli alberi genealogici umani 170 La massima verosimiglianza e valori di Lod Mappatura attraverso l analisi delle tetradi 173 Analisi delle tetradi non ordinate 173 Mappatura genetica con tetradi non ordinate 175 Analisi delle tetradi ordinate Caratteristiche speciali della ricombinazione 180 Ricombinazione all interno dei geni 180 Ricombinazione mitotica 181 VIII Indice generale

8 6 Biologia molecolare della replicazione e della ricombinazione del DNA I problemi relativi alla fase di inizio, di allungamento e all incorporazione di errori La replicazione semiconservativa di molecole di DNA a doppio filamento 192 L esperimento di Meselson-Stahl 192 La replicazione semiconservativa del DNA nei cromosomi 194 La replicazione teta di molecole di DNA circolari 196 La replicazione a cerchio-rotante 198 Origini multiple di replicazione e replicazione bidirezionale negli eucarioti Lo srotolamento delle eliche, la stabilizzazione e il rilassamento dello stress torsionale La fase di inizio è mediata dal primosoma La fase di allungamento delle catene e la correzione delle bozze La replicazione discontinua del filamento lento 204 I frammenti nella forcella di replicazione 204 L unione dei frammenti precursori Il sequenziamento per terminazione del DNA 207 Il sequenziamento di Sanger 208 Il sequenziamento massivo in parallelo I meccanismi molecolari della ricombinazione 210 La conversione genica e la riparazione degli appaiamenti errati 211 Il modello della rottura a doppio filamento Organizzazione molecolare dei cromosomi La dimensione del genoma e la sua complessità nell evoluzione: il paradosso del valore C Il DNA superavvolto 223 Gli enzimi topoisomerasi La struttura dei cromosomi batterici La struttura dei cromosomi eucariotici 226 Il nucleosoma: l unità strutturale della cromatina 226 La particella core del nucleosoma 226 I territori cromosomali nel nucleo 229 La condensazione del cromosoma I cromosomi politenici Sequenze nucleotidiche ripetitive nei genomi eucariotici 232 Cinetica e rinaturazione del DNA 233 Analisi della misura del genoma e delle sequenze ripetitive attraverso la cinetica della rinaturazione Sequenze uniche e ripetitive nei genomi eucariotici 237 Sequenze uniche 238 Sequenze altamente ripetitive 238 Sequenze moderatamente ripetitive Struttura molecolare del centromero Struttura molecolare del telomero Il cariotipo umano, fisiologia ed anomalie del cromosoma Il cariotipo umano 252 I cariotipi normali 252 Il centromero e la stabilità cromosomica 255 La compensazione del dosaggio dei geni legati al cromosoma X 256 Il colore del mantello calico del gatto 259 L eredità pseudoautosomica 259 Geni attivi nel cromosoma X inattivo 260 Contenuto genico ed evoluzione del cromosoma Y 260 Delineare la storia dell uomo attraverso il cromosoma Y Anomalie cromosomiche nelle gravidanze umane 264 Sindrome di Down ed altre trisomie compatibili con la vita 266 La segregazione trisomica 267 Anomalie legate al cromosoma sessuale 268 Effetti ambientali sulla non-disgiunzione Delezioni e duplicazioni cromosomiche 270 Delezioni 270 Mappatura per delezione 271 Duplicazioni 273 Crossing over ineguale nel daltonismo rosso-verde 273 Indice generale IX

9 8.4 Genetica delle inversioni cromosomiche 275 Inversione paracentrica (non include il centromero) 275 Inversione pericentrica (include il centromero) Traslocazioni cromosomiche 277 Traslocazioni reciproche 278 Mappatura genetica di un punto di rottura da traslocazione 278 Traslocazioni Robertsoniane 280 Traslocazioni e trisomia del cromosoma Traslocazioni complesse in Oenothera Effetto di posizione dei geni sull espressione genica La poliploidia nell evoluzione delle piante 284 Poliploidizzazione sessuale verso l asessuale 285 Autopoliploidia e allopoliploidia 286 Organismi monoploidi L evoluzione del genoma nelle Graminacee (Gramineae) Genetica dei batteri e dei virus Il DNA mobile 296 Plasmidi 296 Il plasmide F: un plasmide coniugativo 297 Sequenze di inserzione e trasposoni 298 Mobilizzazione di plasmidi non coniugativi 299 Integroni e cassette contenenti geni per la resistenza agli antibiotici 300 Isole di patogenicità 301 Batteri con resistenza multipla agli antibiotici Genetica batterica 302 Fenotipi mutanti 302 Meccanismi di scambio genetico Trasformazione mediata dal DNA Coniugazione 305 Formazione di cointegrati e cellule Hfr 305 Mappatura per tempo di ingresso 306 Plasmidi F Trasduzione 312 Il ciclo litico fagico 312 Trasduzione generalizzata Genetica dei batteriofagi 316 Formazione di placche e mutanti fagici 317 Ricombinazione genetica nel ciclo litico 318 Mappa genetica e fisica del fago T4 319 Struttura fine del gene rii del fago T Lisogenia e trasduzione specializzata 325 Ricombinazione sito specifica e lisogenia 326 Trasduzione specializzata Biologia molecolare dell espressione genica Amminoacidi, polipeptidi e proteine Colinearità tra sequenze codificanti e polipeptidi Trascrizione 344 Aspetti generali della sintesi dell RNA 344 Tipi di RNA polimerasi 346 Riconoscimento del promotore 347 Meccanismo della trascrizione 348 Evidenza genetica dei promotori e terminatori RNA messaggero Maturazione dell RNA negli eucarioti 352 Aggiunta del cappuccio al 5 e poliadenilazione al Splicing degli introni 352 Caratteristiche dei trascritti umani 353 Accoppiamento della trascrizione e della maturazione dell RNA 354 Meccanismo di splicing dell RNA 354 Effetti delle mutazioni degli introni 357 Riassortimento degli esoni all origine di nuovi geni Traduzione 358 Decadimento mediato dal non senso 359 Inizio mediante scansione dell mrna 359 Allungamento 361 Rilascio 362 Ripiegamento delle proteine e chaperoni Unità complesse di traduzione 366 Polisomi 366 mrna policistronici 366 X Indice generale

10 10.8 Il codice genetico 368 Evidenza genetica del codice a triplette 368 Decifrazione del codice genetico 370 Caratteristiche del codice genetico 371 RNA transfer e amminoacil-trna sintetasi 371 Ridondanza e vacillamento 372 Soppressione non senso I meccanismi molecolari della regolazione genica La regolazione della trascrizione nei procarioti 381 I sistemi inducibili e reprimibili di regolazione negativa 381 La regolazione positiva Il sistema di regolazione genica dell Operone 383 I mutanti lac 383 La sintesi inducibile e costitutiva e la repressione 384 Il repressore 384 La regione dell operatore 385 La regione del promotore 385 Il sistema di regolazione trascrizionale dell operone 386 La regolazione positiva dell operone del lattosio 387 La regolazione dell operone del triptofano La regolazione attraverso la terminazione della trascrizione 392 L attenuazione 392 Gli interruttori di RNA La regolazione nel batteriofago lambda La regolazione della trascrizione negli eucarioti 398 Il metabolismo del galattosio nel lievito 398 Le proteine attivatrici trascrizionali 401 Enhancer e silencer trascrizionali 401 La scansione per delezione 402 Il complesso trascrizionale degli eucarioti 404 I complessi di rimodellamento della cromatina 407 I promotori alternativi I meccanismi epigenetici della regolazione della trascrizione 409 La metilazione delle citosine 411 La metilazione e l inattivazione della trascrizione 411 L imprinting genomico nelle linee germinali femminile e maschile La regolazione attraverso la maturazione e la degradazione dell RNA 413 Lo splicing alternativo 413 La stabilità dell RNA messaggero L interferenza dell RNA Il controllo traduzionale 417 I piccoli RNA regolatori che controllano la traduzione I riarrangiamenti programmati del DNA 419 L amplificazione genica 419 La variabilità degli anticorpi e dei recettori delle cellule T 419 L interconversione del tipo sessuale 422 Il controllo trascrizionale del tipo sessuale Genomica, proteomica e transgenesi Il taglio sito-specifico del DNA e i vettori di clonazione 432 La produzione di frammenti di DNA con estremità definite 432 Le molecole di DNA ricombinante 434 I plasmidi, il fago lambda e i vettori cosmidici Le strategie di clonazione 436 L unione di frammenti di DNA 436 L inserimento di una specifica molecola di DNA in un vettore 437 L uso della trascrittasi inversa: cdna e RT-PCR Il rilevamento di molecole ricombinanti 440 L inattivazione dei geni nella molecola del vettore 440 La clonazione di grandi frammenti di DNA 442 Selezione di particolari ricombinanti Genomica e proteomica 443 Il sequenziamento del genoma 444 La caratterizzazione di un genoma 444 La genomica comparata 445 L analisi dei profili trascrizionali 447 Lo studio delle interazioni tra proteine mediante l analisi del doppio ibrido 452 Indice generale XI

11 12.5 Gli organismi transgenici 454 La trasformazione della linea germinale degli animali 455 L ingegneria genetica delle piante 458 La tecnica del recupero del fenotipo mediante trasformazione 459 La mutagenesi sito-diretta e le mutazioni knockout Alcune applicazioni di ingegneria genetica 461 Il salmone gigante con l ormone della crescita ingegnerizzato 461 Il riso ingegnerizzato per la qualità nutrizionale 462 La produzione di proteine utili 462 L ingegneria genetica con virus animali Il controllo genetico dello sviluppo I determinati genetici dello sviluppo Le fasi precoci dello sviluppo embrionale degli animali 472 Lo sviluppo autonomo e i segnali intracellulari 473 La composizione e l organizzazione degli oociti 475 Le fasi precoci dello sviluppo e l attivazione del genoma dello zigote L analisi genetica dello sviluppo dei nematodi 477 L analisi delle discendenze cellulari 478 Le mutazioni che influenzano le discendenze cellulari 478 La morte cellulare programmata 478 Gli alleli perdita di funzione e gli alleli acquisizione di funzione 480 Il ruolo dell epistasi nell analisi degli interruttori dello sviluppo Il controllo genetico dello sviluppo di Drosophila 485 I geni ad effetto materno e i geni zigotici 488 Le basi genetiche del modello di sviluppo nelle fasi precoci dello sviluppo 489 I geni cardinali 491 I geni gap 493 I geni pair-rule 493 I geni della polarità dei segmenti 494 Le interazioni nella gerarchia di regolazione 494 La metamorfosi della mosca adulta 496 I geni omeotici 498 I geni HOX nell evoluzione Il controllo genetico dello sviluppo delle piante superiori 500 Lo sviluppo del fiore in Arabidopsis 500 La determinazione combinatoria degli organi fiorali I meccanismi molecolari delle mutazioni e di riparazione del DNA Tipi di mutazioni 510 Mutazioni della linea germinale e mutazioni della linea somatica 510 Mutazioni condizionali 510 Classificazione in base alla funzione Le basi molecolari delle mutazioni 512 Sostituzioni nucleotidiche 512 Mutazioni missenso: l esempio dell anemia falciforme 513 Inserzioni, delezioni e mutazioni frameshift 515 La mutazione dinamica delle ripetizioni di trinucleotidi 516 Metilazione delle citosine e inattivazione genica Gli elementi trasponibili 520 I meccanismi molecolari della trasposizione 520 Gli elementi trasponibili sono agenti mutageni 523 Gli elementi trasponibili nel genoma umano 524 Il meccanismo RIP: una difesa contro i trasposoni Le mutazioni spontanee 525 La natura non-adattativa delle mutazioni 525 Stima della frequenza di mutazione 527 Gli hot spot in cui le mutazioni si concentrano Gli agenti mutageni 529 Depurinazione 529 Ossidazione 530 Analoghi di base 531 Agenti chimici che modificano il DNA 531 Agenti intercalanti 532 Radiazioni ultraviolette 532 Radiazioni ionizzanti 533 Effetti genotossici dell incidente nucleare della centrale di Chernobyl 536 XII Indice generale

12 14.6 I meccanismi di riparazione del DNA 537 Riparazione degli appaiamenti errati 538 Riparazione per escissione delle basi 540 Riparazione AP 541 Riparazione per escissione nucleotidica 541 Meccanismo della fotoriattivazione 542 Riparazione per superamento dell errore 542 Sistema di riparazione SOS Le mutazioni per reversione e i soppressori di mutazioni 543 La soppressione intragenica 543 La soppressione intergenica 544 Il test di Ames per l identificazione di agenti mutageni e cancerogeni Le basi molecolari del ciclo cellulare e del cancro Il ciclo cellulare 552 Gli eventi chiave del ciclo cellulare 552 Il programma di trascrizione del ciclo cellulare L analisi genetica del ciclo cellulare 554 Le mutazioni che bloccano la progressione del ciclo cellulare La progressione attraverso le fasi del ciclo cellulare 557 Le cicline e le chinasi ciclina-dipendenti 557 I bersagli dei complessi ciclina-cdk 559 Gli inneschi delle transizioni G 1 /S e G 2 /M 559 La degradazione di alcune proteine contribuisce alla regolazione del ciclo cellulare I checkpoint del ciclo cellulare 562 Il checkpoint del danno al DNA 562 Il checkpoint della duplicazione del centrosoma 567 Il checkpoint della formazione del fuso 567 Il checkpoint della posizione del fuso Le cellule tumorali 569 Oncogeni e proto-oncogeni 570 Geni soppressori del tumore Forme ereditarie di cancro 575 Difetti nella regolazione del ciclo cellulare e nei checkpoint 575 Difetti nei sistemi di riparazione del DNA La genetica delle leucemie acute DNA mitocondriale ed eredità extranucleare Le modalità dell eredità extracellulare 588 Le malattie genetiche mitocondriali 588 L eteroplasmia 591 Eredità materna ed effetto materno 592 Lo studio della storia delle popolazioni attraverso il DNA mitocondriale La genetica degli organelli 592 La maturazione dell RNA Il codice genetico degli organelli 593 La variegazione delle foglie nella pianta Bella di notte 594 La resistenza agli antibiotici in Chlamydomonas 595 Mutanti mitocondriali difettivi nella respirazione 598 La sterilità citoplasmatica maschile nelle piante L origine evolutiva degli organelli La trasmissione citoplasmatica di simbionti L effetto materno nella spiralizzazione delle chiocciole Evoluzione molecolare e genetica di popolazioni Evoluzione molecolare 612 Alberi evolutivi dei geni 612 Il bootstrap 614 Alberi filogenetici dei geni e delle specie 615 Tassi di evoluzione delle proteine 615 Tassi di evoluzione del DNA 616 Origine di nuovi geni: ortologhi e paraloghi Genetica di popolazioni 618 Frequenze alleliche e frequenze genotipiche 619 Incrocio casuale e legge di Hardy-Weinberg 620 Implicazioni della legge di Hardy-Weinberg 622 Test per l incrocio casuale 622 Frequenza dei genotipi eterozigoti 623 Alleli multipli 623 Indice generale XIII

13 Genotipizzazione del DNA 624 Geni legati al sesso Inincrocio (inbreeding) 627 Il coefficiente di inincrocio 628 Alleli identici per discesa 629 Calcolo del coefficiente di inincrocio dagli alberi genealogici 630 Effetti dell inincrocio Genetica ed evoluzione Mutazione e migrazione 633 Mutazioni irreversibili 633 Mutazioni reversibili Selezione naturale 634 La selezione in un esperimento di laboratorio 635 La selezione negli organismi diploidi 636 Le componenti della fitness 637 L equilibrio selezione-mutazione 637 Il vantaggio dell eterozigote La deriva genetica casuale La ricostruzione della storia dell uomo mediante il DNA mitocondriale La base dei caratteri complessi Caratteri complessi 652 Caratteri continui, categorici e soglia 652 La distribuzione normale Fonti di variabilità 655 Varianza genotipica 656 Varianza ambientale 658 Genetica e ambiente 658 Interazione e associazione genotipoambiente Analisi genetica dei caratteri complessi 660 Il numero dei geni che controllano caratteri complessi 661 Ereditabilità in senso lato 662 Studi sui gemelli Selezione artificiale 663 Ereditabilità in senso stretto 664 Variazioni del fenotipo dopo selezione individuale: un equazione predittiva 665 Selezione artificiale a lungo termine 666 Depressione da inincrocio ed eterosi Correlazioni tra individui imparentati 667 Covarianza e correlazione 667 Il significato geometrico della correlazione 667 Stima dell ereditabilità in senso stretto Ereditabilità dei caratteri soglia Identificazione dei geni che controllano caratteri complessi 670 Analisi dell associazione per la mappatura genetica dei QTL 670 Il numero e la natura dei QTL 672 Geni candidati per caratteri complessi 674 Risposte agli esercizi di numero pari 683 Ulteriori letture 701 Radici di termini, prefissi, suffissi e forme combinate 705 Glossario 709 Indice analitico 739 XIV Indice generale

14 PREFAZIONE Oggi gli studenti sono entusiasti di apprendere la genetica e la genomica. La loro curiosità è animata dalle notizie che quasi giornalmente riportano i media e che riguardano nuove scoperte su differenze genetiche nella risposta ai farmaci, fattori di rischio per malattie ed evidenze genetiche che dimostrano l origine dell uomo e della storia. Esistono anche delle controversie etiche: la manipolazione genetica può essere utilizzata nei pazienti per il trattamento di malattie? Si possono utilizzare le cellule staminali embrionali umane per la ricerca? L uomo può essere clonato? Ci sono inoltre anche controversie sociali: esistono leggi che governano la privacy genetica? Si può avere accesso ai test genetici svolti e per quale scopo? Per i docenti di genetica, le sfide sono: far appassionare gli studenti alla materia; facilitare l apprendimento dei principi di genetica; far capire agli studenti che la genetica non è soltanto un insieme di principi, ma anche un approccio sperimentale per cercare di risolvere diversi problemi biologici; far riflettere gli studenti sui problemi genetici e sulle questioni sociali ed etiche derivanti dalla genetica e dalla genomica. Genetica: analisi di geni e genomi, affronta queste sfide e nello stesso tempo mostra la bellezza, la logica e l unità della materia. In nostro approccio pedagogico è trattare la trasmissione genetica, la genetica molecolare e la genetica dell evoluzione come una materia completamente integrata. La maggior parte dei moderni genetisti infatti riconosce che non esistono distinzioni tra le sottoaree della genetica. I capitoli sono stati inseriti in modo da essere adatti ai diversi tipi di corsi delle nostre Università. Intendiamo fornire una chiara, comprensiva e accurata introduzione alla genetica e alla genomica. Crediamo che un buon corso può mantenere l equilibrio tra due aspetti fondamentali della genetica. Il primo aspetto è che la genetica è un insieme di conoscenze che riguardano trasmissione genetica, funzione e mutazione; il secondo è che la genetica è un approccio sperimentale, o un Prefazione XV

15 insieme di mezzi, per studiare i processi biologici come lo sviluppo o il comportamento. Per avere una buona padronanza della genetica, ogni studente deve: capire i processi fondamentali di trasmissione genica, mutazione, espressione e regolazione; acquisire familiarità con i principali metodi sperimentali che genetisti e biologi molecolari utilizzano nei loro studi e riconoscere i vantaggi e le limitazioni di tali approcci; essere capace di pensare come un genetista a livello elementare per riuscire a formulare ipotesi genetiche, elaborare le conseguenze di esse e valutare i risultati rispetto ai dati osservati; enunciare principi genetici e riconoscere i termini chiave di genetica in un determinato contesto; riuscire a risolvere problemi di diverso tipo, inclusi esercizi riguardanti un singolo argomento che richiedono applicazione di definizioni o di principi fondamentali di genetica, problemi di analisi genetica in cui devono essere applicati diversi concetti in ordine logico, e problemi di analisi quantitativa che richiedono calcoli numerici; acquisire un senso del contesto sociale e storico in cui si sono sviluppate la genetica e la genomica, che sono in continua evoluzione; acquisire una certa familiarità con risorse genetiche e informazioni che si possono ottenere tramite Internet. Caratteristiche speciali Abbiamo incluso nel testo molte caratteristiche speciali per aiutare gli studenti a raggiungere obiettivi prefissati. Il testo è scritto in modo chiaro e conciso; ogni capitolo contiene due-tre Connessioni nelle quali l argomento trattato nel testo è correlato con articoli di riviste che riportano gli esperimenti chiave della genetica o che sollevano importanti questioni sociali, etiche o legali. Ogni Connessione ha una breve introduzione in cui viene spiegata l importanza dell esperimento e il contesto storico nel quale è stato eseguito. Al termine di ogni capitolo sono presenti: Riassunto del capitolo sotto forma di elenco, Ripasso dei concetti di base in cui i concetti principali sono rivisti sotto forma di domande, Guida alla soluzione dei problemi con la spiegazione di particolari problemi in cui vengono applicati i principi trattati nel capitolo, Analisi ed applicazioni che sono problemi da risolvere (quelli con numero pari hanno le soluzioni alla fine del testo) e Problemi impegnativi per studenti che vogliono impegnarsi ulteriormente. Al termine del libro sono presenti le Soluzioni ai problemi di numero pari, in cui ogni risposta è spiegata chiaramente, un elenco delle Ulteriori letture per gli studenti che vogliono ampliare le loro conoscenze e un Elenco delle radici dei termini, prefissi, suffissi e forme combinate per aiutare gli studenti a ricordare i termini essenziali di genetica e genomica, e un ampio Glossario. Organizzazione dei capitoli Per aiutare gli studenti a ricordare gli argomenti principali e non perdersi nei dettagli, ogni capitolo inizia con un Indice che anticipa gli argomenti trattati di seguito. Un paragrafo iniziale fornisce una panoramica del capitolo e illustra gli argomenti con esempi specifici. Il testo utilizza elenchi numerati e puntati per facilitare l apprendimento, così come un particolare tipo di sommario per enfatizzare i concetti principali. Contenuto e organizzazione L organizzazione dei capitoli è stata approvata dalla maggior parte dei docenti di genetica. Un importante caratteristica è la presenza di due capitoli introduttivi che forniscono una visione d insieme su DNA, geni e genomi cosa sono, come funzionano, come variano con le mutazioni e come evolvono nel tempo. Molti studenti apprendono le informazioni di base sul DNA già alle scuole superiori, quindi i capitoli introduttivi servono a ripassare e connettere le informazioni già apprese in precedenza e forniscono ad ogni studente una solida base a cui integrare gli argomenti più complessi trattati in seguito. In ogni capitolo, c è un equilibrio tra osservazione e teoria, tra principi ed esempi concreti, tra sfide e motivazioni. La genetica molecolare, classica ed evolutiva sono completamente integrate. Nel testo sono spesso presenti riferimenti alla genetica umana, sono illustrate applicazioni su animali e piante e sono indicati organismi modello usati in genetica e genomica. Devono essere sottolineati alcuni punti correlati all organizzazione e alla trattazione: Capitolo 1 è una visione d insieme della genetica, progettato per far raggiungere agli stu- XVI Prefazione

16 denti con diversa preparazione in materia un livello comune di apprendimento. Tale capitolo consente di integrare la genetica classica, molecolare ed evolutiva con il resto del libro. Sono trattati i concetti di base della genetica molecolare: struttura del DNA, replicazione, espressione e mutazione. È presente un introduzione all analisi genetica, focalizzata sugli esperimenti classici di Beadle e Tatum ed un sunto sulle applicazioni dell analisi genetica che hanno portato al conseguimento di premi Nobel. Capitolo 2 mette in risalto i principali strumenti della genetica moderna, che derivano da manipolazione sperimentale del DNA. Esso include uno sguardo più attento alla struttura del DNA e introduce i principali metodi della manipolazione del DNA che includono enzimi di restrizione, elettroforesi, ibridazione del DNA, Southern blotting e reazione a catena della polimerasi. È introdotto il polimorfismo dei singoli nucleotidi (SNP) e il polimorfismo del numero di copie (CNP) e viene illustrato come questi tipi di marcatori genetici sono analizzati su scala genomica usando microarray oligonucleotidici (chip di DNA). Capitoli 3 e 4 trattano la genetica mendeliana, inclusi segregazione e assortimento indipendente, teoria cromosomica dell eredità, mitosi e meiosi, linkage e mappatura cromosomica, e analisi delle tetradi nei funghi. Includono inoltre argomenti quali la probabilità alla base della genetica mendeliana e il metodo del chi-quadro per valutare la validità di un ipotesi genetica. Nel Capitolo 3 la genetica molecolare è integrata con gli esperimenti di Mendel. Sono descritte le basi molecolari della mutazione raggrinzita ed è mostrato come i moderni genetisti effettuano studi di Mendel, esaminando i fenotipi molecolari da una parte e i fenotipi morfologici dall altra. Questo tipo di pedagogia fornisce una solida base non solo per capire gli esperimenti di Mendel come attualmente sono eseguiti e interpretati, ma anche per capire come gli approcci molecolari moderni sono utilizzati nell analisi genetica. I marker molecolari sono anche integrati nell analisi genetica umana, che include una discussione di genetica molecolare sul polimorfismo associato alla capacità di riconoscere un determinato sapore e sulla sua relazione con un individuo che detesta un certo alimento. Capitoli 5 e 6 trattano la struttura molecolare, la replicazione del DNA e l organizzazione molecolare dei cromosomi. Il Capitolo 6 riguarda i meccanismi di ricombinazione e il Capitolo 7 include una discussione sulle sequenze ripetitive di DNA nei genomi eucariotici e sulle strutture molecolari di centromeri e telomeri. Viene dato ampio spazio alla trattazione del sequenziamento del DNA e viene illustrata una nuova tecnica di sequenziamento che genera un miliardo di coppie di basi da una sequenza di DNA in poche ore. Capitolo 8 riguarda i cromosomi, con riferimento speciale al numero dei cromosomi umani e alla struttura e al tipo di alterazioni che sono presenti in essi. Sono anche trattate le implicazioni genetiche delle anomalie cromosomiche duplicazioni, delezioni, inversioni e traslocazioni. Inoltre è esaminata l inattivazione incompleta dei geni nel cromosoma X inattivo, la struttura molecolare del cromosoma Y e l evidenza ottenuta dal sequenziamento genomico della poliploidia nell evoluzione di organismi modello. Capitolo 9 tratta i principi di genetica dei batteri, a cominciare dalla genetica di DNA mobile, plasmidi e integroni, e le loro relazioni nell evoluzione della resistenza multipla agli antibiotici. Sono esaminati i meccanismi della ricombinazione genetica nei batteri includendo trasformazione, coniugazione, così come nei batteriofagi temperati e virulenti. È presente una discussione sulla struttura a mosaico dei cromosomi batterici. Capitoli 10 e 11 riguardano la genetica molecolare in senso stretto. Includono i principi classici dell espressione genica, la regolazione genica e argomenti riguardanti la maggior parte delle attuali ricerche: complessi di rimodellamento della cromatina, imprinting e altre modificazioni epigenetiche dell espressione genica, riboswitch, e altri meccanismi di regolazione genica tramite sirna e microrna. È esaminata in dettaglio la complessa trascrizione eucariotica ed è presente una discussione sulla regolazione del sistema classico GAL nel lievito. Capitolo 12 è focalizzato sulla ricombinazione del DNA e sulla genomica. Include l uso degli enzimi di restrizione e dei vettori nel DNA ricombinante, le strategie di clonazione, la mutagenesi sito-diretta, la produzione di animali e piante geneticamente modificati e l applicazione delle tecniche di ingegneria genetica. Sono evidenziati il numero straordinario e la varietà di genomi che sono stati sequenziati e sono riassunti i principi che sono emersi, anche se saranno necessarie decadi per capire completamente tutto ciò che implicano le sequenze genetiche. È presente un introduzione alla genomica comparativa e computazionale. La genomica funzionale è introdotta per esaminare come i microarray di DNA sono usati per studiare i pattern Prefazione XVII

17 globali dell espressione genica coordinata e la proteomica è semplificata con una discussione dell analisi del doppio ibrido e della sua applicazione. Capitolo 13 tratta il controllo genetico dello sviluppo, focalizzando sull analisi genetica dello sviluppo nei Nematodi (Caenorhabditis elegans) e in Drosophila, e include una spiegazione della base genetica dello sviluppo fiorale in Arabidopsis thaliana. Viene illustrato come il principio dell epistasi è usato nell analisi genetica dello sviluppo di mutanti per identificare l interruttore di regolazione dello sviluppo. Capitolo 14 riguarda le basi molecolari della mutazione. Una discussione di diversi tipi di mutazioni include sequenze geneticamente instabili, come le ripetizioni nucleotidiche la cui amplificazione causa la sindrome dell X fragile. È esaminata inoltre l azione molecolare dei vari tipi di mutageni, come per esempio gli effetti genetici conseguenti all incidente nucleare di Chernobyl. È trattata in questo capitolo la riparazione del DNA, con discussioni aggiornate ed ampie su ricombinazione ectopica, riparazione per escissione di nucleotidi e riparazione per superamento dell errore. Capitolo 15 tratta il cancro dal punto di vista del controllo genetico della divisione cellulare, con enfasi sui checkpoint che, nelle cellule normali, determinano un inibizione della divisione cellulare o la morte cellulare programmata (apoptosi). Il cancro deriva da una serie di mutazioni successive, di solito nelle cellule somatiche, che alterano i normali checkpoint che controllano la proliferazione cellulare. È presente una vasta discussione sulle caratteristiche delle cellule cancerose, sul ruolo della telomerasi, sui mutanti di p53 e sul ruolo dei microrna nella regolazione del ciclo cellulare. Capitolo 16 tratta della genetica degli organelli e dei difetti genetici nel DNA mitocondriale umano. La storia dell addomesticazione dei cani è spiegata attraverso un esame delle sequenze del DNA mitocondriale dei cani domestici rispetto a quelle dei lupi. Capitoli 17 e 18 riguardano la genetica di popolazione ed evolutiva e includono una panoramica sui principi dell evoluzione molecolare. La discussione include inoltre l uso della genotipizzazione del DNA per determinare il colpevole di un crimine o per attribuire la paternità, gli effetti dell inincrocio e i meccanismi evolutivi che determinano le variazioni della frequenza allelica. È spiegato come le sequenze del DNA mitocondriale forniscono informazioni sulla storia dell uomo e sulle migrazioni. L approccio alla genetica quantitativa comprende una discussione su come particolari geni influenzano caratteri complessi (QLT) che possono essere identificati e mappati attraverso l analisi del linkage; sono discussi anche i principi risultanti dagli studi di QLT coinvolgenti i caratteri umani. È presente un paragrafo sui determinanti genetici del comportamento umano con enfasi su un polimorfismo nel gene per il trasportatore umano della serotonina associato a casi gravi di depressione e sulla relazione con la risposta a droghe, come l ecstasy. Connessioni Una caratteristica unica di questo testo è la presenza di box chiamati Connessioni, presenti in numero di due o tre per ciascun capitolo. Essi rappresentano il nostro modo di connettere la genetica al mondo esterno. Tutte le Connessioni includono un corto brano estratto dalla letteratura originale di genetica, di solito articoli di riviste, ognuno introdotto da una breve spiegazione. Molte di tali Connessioni sono estratte da riviste classiche, come quella di Mendel, ma altri articoli provengono da riviste piuttosto recenti. Questi articoli sono chiamati Connessioni poiché ciascuno connette l argomento a qualcosa che si espande o si arricchisce di implicazioni. Alcune enfatizzano i problemi etici riguardanti le applicazioni delle conoscenze genetiche o le problematiche sociali. Diversi brani sono stati pubblicati originariamente in francese, altri in tedesco. Negli articoli che utilizzano una vecchia o non familiare terminologia, o che usano simboli genetici arcaici, abbiamo sostituito gli equivalenti attuali perché l uso di una terminologia coerente nel testo e negli articoli rende la materia più facilmente comprensibile dagli studenti. Problemi Ciascun capitolo contiene più di 50 problemi, di diversa difficoltà, per valutare la preparazione degli studenti. I problemi sono di diversi tipi. I problemi Ripasso dei concetti di base pongono dei quesiti sui principi genetici che devono essere spiegati con parole proprie dagli studenti; alcuni richiedono di fornire delle definizioni o di ricordare le applicazioni dei concetti elementari. XVIII Prefazione

18 La Guida alla soluzione dei problemi suggerisce come risolvere i problemi, spiegando in modo dettagliato i concetti necessari e le ragioni che stanno alla base della risposta. Tale guida serve per facilitare lo svolgimento dei problemi. Vengono evidenziati alcuni dei più comuni errori commessi dagli studenti alle prime armi e vengono forniti suggerimenti per evitarli. I problemi Analisi ed applicazioni sono problemi genetici più tradizionali in cui diversi concetti genetici devono essere applicati con un criterio logico e spesso richiedono calcoli numerici. Sono richieste minime conoscenze matematiche riguardanti aritmetica e probabilità elementare. I Problemi impegnativi sono simili ai problemi Analisi ed applicazioni, ma sono un po più difficili, poiché richiedono un analisi più estesa dei dati prima di riuscire a rispondere al quesito. Soluzioni Le risposte ai problemi Analisi ed applicazioni di numero pari sono presenti alla fine del testo. Le risposte sono complete e spiegano le basi logiche della soluzione e come svolgere l esercizio. Le risposte ai restanti problemi Analisi e Applicazioni e Problemi impegnativi sono disponibili sul testo Student Solutions Manual and Supplemental Problems, da richiedere presso l editore americano. Crediamo che molti studenti spesso sbircino le risposte prima di apprestarsi a risolvere il problema, ma questo è sbagliato perché i problemi servono ad imparare. I problemi che di solito gli studenti non riescono a risolvere sono di solito più importanti di quelli risolti, perché si individuano dubbi, argomenti non chiari, o lacune nell apprendimento. Esortiamo gli studenti a provare a risolvere i problemi prima di vedere le soluzioni. Radici dei termini, prefissi, suffissi e forme combinate Alla fine del testo è presente un breve elenco di Radici dei termini, prefi ssi, suffi ssi e forme combinate che sono utilizzate in genetica. Esse servono agli studenti per facilitare l interpretazione e per ricordare il significato dei termini chiave. È presente anche un Glossario dei termini genetici per gli studenti che cercano di capire le parole chiave, o che vogliono cercare i termini tecnici che hanno dimenticato. Il Glossario include non solo parole chiave, ma anche termini genetici che gli studenti possono trovare navigando su Internet o presenti nelle letture. Ulteriori letture Alla fine del testo sono presenti Ulteriori letture, per gli studenti che intendono apprendere ulteriori informazioni o desiderano una spiegazione alternativa degli argomenti presenti nel testo. Sono inclusi ulteriori articoli classici e prospettive storiche. Illustrazioni La grafica del testo è straordinaria e facilita l apprendimento. Ogni capitolo è variamente illustrato con una ricca grafica e il colore è usato per accrescere il valore di ogni illustrazione. Le immagini sono inoltre dotate di didascalie che spiegano cosa avviene stadio dopo stadio. Questo rende le immagini attraenti e istruttive. Le didascalie permettono alle immagini di essere relativamente indipendenti dal testo, così che lo studente può rivederle senza rileggere l intero capitolo. La grafica accresce anche il valore pedagogico del testo: Colori e forme caratteristiche sono stati usati in modo compatibile in tutto il testo per indicare differenti tipi di molecole DNA, mrna, trna, ecc. Per esempio, il DNA è illustrato in un solo modo, a seconda della risoluzione della figura, e ogni volta che è descritto con un particolare livello di risoluzione, il DNA è mostrato nello stesso modo. Ci sono numerose fotografie a colori di modelli molecolari tridimensionali; ciò fornisce un valido supporto visivo del concetto di macromolecole come entità fisiche con una forma tridimensionale e una distribuzione di carica che è necessaria per le interazioni con altre macromolecole. Il design delle pagine è chiaro e incisivo e il libro è gradevole alla vista e facile da leggere. Flessibilità I corsi di genetica possono essere organizzati in modi diversi, perciò il testo è strutturato in maniera tale da poter essere facilmente utilizzato indipendentemente dall ordine con cui il docente intende affrontare i diversi argomenti. Nel testo abbiamo integrato principi classici e molecolari, in modo da rendere possibile iniziare un corso con uno qualsiasi dei capitoli. Alcuni docenti preferiscono iniziare Prefazione XIX

19 con il Capitolo 1 poiché porta tutti gli studenti allo stesso livello base di comprensione. Il Capitolo 2 introduce gli esperimenti della manipolazione usati nella genetica moderna e necessari per integrare la genetica classica e molecolare con le discussioni di Mendel del Capitolo 3. Altri docenti preferiscono introdurre le leggi di Mendel prima del Capitolo 1, poi riprendono il 3 e poi ritornano al Capitolo 2. Altri docenti ancora preferiscono trattare prima i cromosomi, quindi si suggerisce di seguire l ordine dei Capitoli 1, 4, 2, 3 e 5. Un nuovo approccio potrebbe essere trattare prima il genoma, iniziando con i Capitoli 1, 2, 12. Il modo in cui è scritto il testo e le particolari illustrazioni permettono di variare la sequenza degli argomenti trattati a seconda delle esigenze dei singoli docenti. Supporti didattici per i docenti I docenti che utilizzano il testo a scopo didattico possono scaricare dal sito previa registrazione, le immagini del libro in formato Powerpoint. XX Prefazione

20 AUTORI Daniel L. Hartl è Higgins Professor di Biologia all Università di Harvard e un membro del National Academy of Sciences e dell American Academy of Arts and Sciences. Ha conseguito la laurea B.S. e il Ph. D. all Univertità del Wisconsis e ha svolto le sue ricerche post-dottorato all Università della California a Berkeley. Le sue ricerche riguardano genetica molecolare, genomica, evoluzione molecolare e genetica di popolazione. Elizabeth W. Jones è stata Dr. Frederick A. Schwertz Distinguished Professor of Life Sciences and Head al Dipartimento di Scienze Biologiche presso l Università del Carnegie Mellon. Ha conseguito la laurea in chimica e un Ph. D. in genetica all Università di Washington a Seattle. Le sue ricerche riguardano la regolazione genica e il controllo genetico della forma cellulare. Autori XXI

21 IN RICORDO DI Elizabeth W. Jones è morta l 11 giugno Beth, come la chiamavano i suoi amici, ha lavorato come Dr. Frederick A. Schwertz Distinguished Professor of Life Sciences and Head al Dipartimento di Scienze Biologiche presso l Università del Carnegie Mellon a Pittsburgh, in Pennsylvania. Nella sua carriera ha pubblicato più di 80 articoli e ha scritto più di 20 libri e monografie in genetica e biologia cellulare. È stata un Fellow dell American Association for the Advancement of Science, presidente della Società Americana di Genetica e capo editore del testo Genetics per 12 anni. Una leader nel suo campo, era nota per la sua efficienza, la sua visione, il suo vigore e la sua gentilezza. Il suo grande senso dell umorismo la faceva ridere a crepapelle. Beth è stata un eccezionale editrice e una perfetta genetista, sia nelle sue ricerche che nell insegnamento. Il suo contributo all insegnamento, come si vede in tale edizione del testo, ha ispirato generazioni di studenti. Onoriamo la sua memoria sia come amica che come collega, sia come genetista che come docente. XXII In ricordo di

22 IN COPERTINA La copertina, per gentile concessione di Dana Hunt, Lawrence David, Dirk Gevers, Sarah Preheim, Eric Alm e Martin Polz dell Istituto di Tecnologia del Massachusetts, illustra dati di 1024 batteri Vibrio isolati dai campioni di acqua marina. Vibrio è un importante gruppo di batteri poiché alcune specie sono associate con il colera e causano intossicazione alimentare. La banda esterna indica il tempo di raccolta, grigio per Spring e nero per Fall. Il secondo cerchio indica come sono raccolti i batteri. Ciascun campione d acqua ha poi attraversato filtri di 63, 5, 1 e 0.22 µm. È ipotizzato che il Vibrio marino si sia adattato a vivere su particelle di differenti dimensioni e su plancton marino. Nel secondo cerchio, il blu indica le cellule catturate da filtri di 0.22 µm, il verde quelle su filtri di 1 µm, il giallo quelle su filtri di 5 µm e il rosso quelle su filtri di 63 µm. Il pedigree al centro descrive la relazione ancestrale dedotta dai batteri isolati in base alla similitudine delle loro sequenze di DNA; più Vibrio strettamente associati sono più vicini sul diagramma. Il Vibrio ancestrale (i puntini interni) condivide gli stessi colori se i discendenti presentano sequenze genetiche simili, così come tempi di raccolta e associazione di particelle. Si notino i raggruppamenti isolati riguardo a similitudine di sequenze, tempo di raccolta e grandezza delle particelle. In copertina XXIII