Le basi dell ereditarietà

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1 Le basi dell ereditarietà

2 La genetica, cioè lo studio dell ereditarietà, è una scienza antica Le radici storiche della genetica risalgono agli antichi tentativi di selezionare linee pure. I tentativi di spiegare l ereditarietà risalgono ai tempi dell antica Grecia (teorie di Ippocrate e Aristotele). All inizio del XIX secolo, l ipotesi ereditaria di maggior successo divenne quella della mescolanza. Fine XIX secolo: gli studi di Mendel suggeriscono eredità di fattori discreti (i geni) XX secolo: i geni sono localizzati sui cromosomi e si definisce la natura chimica del materiale genetico (DNA) La genetica ha impatto sulla nostra vita quotidiana (test genetici prenatali, per verificare predisposizioni a malattie, etc.,)

3 La genetica moderna ebbe inizio intorno al 860 con gli esperimenti del monaco Gregor Mendel sulle piante di pisello odoroso. Successo di Mendel dovuto a buon approccio sperimentale: Esperimenti rigorosi Analisi statistica-matematica dei risultati Scelta di opportuno organismo modello:pianta di pisello, di cui poteva controllare fecondazione e facile da coltivare Petalo Stame Carpello

4 Tecnica usta da Mendel per incrociare in modo controllato le piante di pisello Si rimuovono gli stami dai fiori viola Bianco Mendel incrociò piante di pisello che differivano in alcuni caratteri morfologici evidenti e seguì le tracce delle caratteristiche da generazione a generazione. Carpello Genitori (P) Viola Stami 2 Si trasferisce il polline degli stami del fiore bianco al carpello del fiore viola 3 Il carpello impollinato matura 4 Si piantano i semi contenuti nel baccello Prole (F )

5 Dominante recessivo Mendel ipotizzò che esistessero forme alternative dei fattori determinati i vari caratteri ereditabili (quelli che ora si chiamano geni ). Colore del fiore Viola Bianco Posizione del fiore Assiale Terminale Es colore fiore; aspetto seme; colore seme, etc., Ognuno di questi caratteri presenti in due forme alternative Colore del seme Forma del seme Forma del baccello Giallo Liscio Gonfio Verde Rugoso Schiacciato Colore del baccello Verde Giallo Inizialmente lavorò su linee pure per i vari caratteri scelti, e fece incroci monoibridi : piante incrociate differenti per un solo carattere Lunghezza del fusto Alto Nano

6 La legge mendeliana sulla segregazione descrive la trasmissione ereditaria di un singolo carattere Dai suoi dati sperimentali Mendel dedusse che: un organismo ha due forme alternative di geni (alleli) per ogni carattere ereditario.un allele ereditato da madre, un allele da padre Eterozigote se alleli diversi; omozigote se alleli uguali Con due alleli diversi per uno stsso carattere, quello che si manifesta nell aspetto dell organismo è detto dominante, l altro è recessivo Generazione P (linee pure) I gameti portano solo un allele per ciascun carattere ereditato:infatti i due membri di una coppia di alleli segregano (si separano) durante la formazione dei gameti (meiosi) legge segregazione Generazione F Fiori viola Fiori bianchi Tutte le piante hanno fiori viola Fecondazione tra piante F (F F ) Generazione F di piante con fiori viola 4 di piante con fiori bianchi

7 Secondo la legge della segregazione di Mendel, i due alleli di una coppia si dividono l uno dall altro durante la produzione dei gameti. ciò spiega il rapporto fenotipico osservato nella generazione F2 (3:, dominante:recessivo) Piante P Assetto genetico (alleli) VV vv Tutti V Tutti v L aspetto di un organismo non sempre rivela la sua completa composizione genetica! Fenotipo: insieme dei tratti espressi Genotipo: effettivo corredo genetico Il tratto parentale scomparso alla F ricompare nella F2 in q recessivo! Piante F (ibridi) Piante F 2 Rapporto fenotipico 3 viola bianco Rapporto genotipico VV : 2 Vv: vv 2 V V v Tutti Vv V v VV Vv Vv vv 2 v

8 Corrispondenza tra legge della segregazione e concetto di cromosomi omologhi!! I cromosomi omologhi portano le forme alternative (= i due alleli) relativi a ciascun carattere Gli alleli di un gene sono situate nello stesso locus (nella stessa posizione relativa) sui cromosomi omologhi. Loci genici Allele dominante V a B V a b Genotipo: VV Omozigote aa Omozigote Bb Eterozigote per l allele per l allele dominante recessivo Allele recessivo

9 La legge sull assortimento indipendente Mendel provò a determinare come vengono ereditate 2 diverse caratteristiche, contemporaneamente. effettuò cioè un incrocio diibrido tra piante omozigoti con semi lisci e gialli (genotipo LLGG) e piante con semi rugosi e verdi (llgg). Generazione P Ipotesi: assortimento dipendente LLGG llgg Ipotesi: assortimento indipendente LLGG llgg Generazione F Stesse combinazioni dei 2 tratti della gen P Generazione F LG lg LG 2 LG 2 lg LlGg lg I risultati ottenuti contraddicono l ipotesi LG lg Lg lg 4 LLGG LlGG LLGg LlGg LG LlGG llgg LlGg llgg lg LlGg LG lg Lg lg LLGg LlGg LLgg Llgg LlGg llgg Llgg llgg I risultati ottenuti sostengono l ipotesi Compaiono nuove combinazioni dei 2 tratti, assenti nella gen P Gialli lisci Verdi lisci Gialli rugosi Verdi rugosi La legge dell assortimento indipendente afferma che ogni coppia di alleli segrega indipendentemente durante la formazione dei gameti.

10 La legge dell assortimento indipendente ci dice che ogni coppia di alleli si separa indipendentemente durante la formazione dei gameti, cioè l eredità di un carattere non influenza quella di un altro. Esempio di assortimento indipendente: carattere colore del pelo e carattere capacità visiva nel Labrador retriever Cieco Cieco Fenotipi Genotipi Mantello nero, vista normale N_A_ Mantello nero, cieco (PRA) N_aa Mantello cioccolato, vista normale nn_a Mantello cioccolato, cieco (PRA) nnaa Incrocio tra eterozigoti (mantello nero, vista normale) Rapporto fenotipico della prole 9 mantello nero, vista normale 3 mantello nero, cieco (PRA) NnAa NnAa 3 mantello cioccolato, vista normale mantello cioccolato, cieco (PRA)

11 I genetisti usano il test cross (incrocio di prova) per determinare genotipi sconosciuti Il testcross (reincrocio), consiste in un incrocio tra un individuo con fenotipo dominate (ma genotipo sconosciuto) e un individuo omozigote recessivo, In base alla prole si risale al genotipo incognito Testcross: Genotipi N_ nn I due possibili genotipi del cane nero: NN o Nn Prole N N n n Nn n Nn nn Tutti neri nero : marrone Test cross usato da Mendel per stabilre purezza delle linee omozigoti e tuttora da tanti allevatori!

12 L ereditarietà dei caratteri umani segue le Leggi di Mendel e si può studiare costruendo alberi genealogici o pedigree L ereditarietà di molti caratteri umani segue le leggi di Mendel. Caratteri dominanti Caratteri recessivi NB: Il tratto dominante non sempre è il più diffuso! Es lentiggini sono dominanti ma poco diffuse Lentiggini Assenza di lentiggini Attaccatura dei capelli a punta Attaccatura dei capelli diritta Lobo staccato Lobo attaccato

13 L albero genealogico di una famiglia può essere usato per determinare i genotipi individuali. Questo albero mostra trasmissione del tratto relativo alla sordità congenita Ss Joshua Lambert Ss Abigail Linnell S? John Eddy S? Hepzibah Daggett S? Abigail Lambert ss Jonathan Lambert Ss Elizabeth Eddy Ss Ss ss Ss Ss Ss ss Gli individui che hanno un allele per una malattia recessiva, e quindi non mostrano sintomi, sono detti portatori sani Femmina Maschio Sordo Sano

14 Molte malattie ereditarie umane sono controllate da un singolo gene e sono ereditate in base alle leggi mendeliane Alcuni esempi di malattie ereditarie umane relative a geni autosomici autosomi: cromosomi non sessuali (non X o Y)

15 Patologie recessive La maggior parte delle malattie genetiche umane è di tipo recessivo. Es fibrosi cistica, sordità congenita NB: Molti disordini genetici sono distribuiti in modo eterogeneo tra i vari gruppi etnici fl isolamento geografico e fenomeni di inincrocio, spec. in piccole popolazioni Genitori S Sano Ss S SS Sano maschili Sano Ss s Ss Sano (portatore) Figli femminili s Ss Sano (portatore) ss Sordo

16 Patologie dominanti Un certo numero di malattie genetiche umane è dovuto ad alleli difettosi dominanti. Es. dita soprannumerarie, mani palmate, acondroplasia (nanismo), corea di Huntington (degenerazione del SN)

17 Metodi per prevenire e diagnosticare malattie ereditarie Molte malattie genetiche possono essere diagnosticate prima della nascita. La medicina mette a disposizione numerosi metodi diagnostici che possono essere impiegati prima del concepimento, durante la gravidanza e dopo la nascita.

18 Eccezioni alle leggi di Mendel Le leggi di Mendel sono valide per tutte le specie con riproduzione sessuata ma, spesso, il genotipo non determina il fenotipo nel modo semplice descritto dalle sue leggi. Dominanza incompleta 2 alleli producono fenotipo intermedio mescolanza Allelia multipla Codominanza (espressione di 2 alleli contemporaneamente) Pleiotropia: un gene determina molti effetti Eredità multigenica: 2 o più geni influenzano un solo carattere Effetto dell ambiente: molti caratteri fenotipici risultano dalla combinazione di ereditarietà ed ambiente (nell uomo ad es. stato nutrizionale, sociale, eserecizio fisico, etc)

19 Per alcuni caratteri, si osserva che gli ibridi F possiedono fenotipi che sono una «via di mezzo» tra le due linee parentali: questo effetto è chiamato dominanza incompleta. Generazione P Rosso RR Bianco rr R r Genotipi: Generazione F 2 R 2 r Rosa Rr II Omozigote per la capacità di sintetizzare i recettori per le LDL LDL Ii Eterozigote Fenotipi: Recettore per le LDL ii Omozigote per l incapacità di sintetizzare i recettori per le LDL Generazione F 2 femminili 2 2 R r maschili R r 2 2 Rosso RR Rosa Rr Rosa rr Bianco rr Cellula Individuo sano Ammalato in forma non grave Gravemente ammalato Colore nelle bocche di leone Ipercolesterolemia umana

20 Alleli multipli e codominanza Molti geni possiedono più di due alleli In genere, ogni individuo possiede solo due alleli per un gene. Nel caso di alleli multipli, all interno della popolazione, esistono più di due alleli. I gruppi sanguigni umani ABO sono un esempio di alleli multipli. I quattro gruppi sanguigni sono il risultato di diverse combinazione di tre differenti alleli. Gli alleli I A e I B sono codominanti e sono espressi entrambi nel fenotipo.

21 Un singolo gene può avere effetto su più caratteri fenotipici L impatto di un singolo gene su più di un carattere è detto pleiotropia. Individuo omozigote per l anemia falciforme Emoglobina delle cellule falciformi (anomala) L emoglobina anomala cristallizza e fa assumere ai globuli rossi la forma di falce NB l allele per il tratto falcemico ha freq relativamente alta in popolazione nera perché risulta protettivo nei confronti di malaria Demolizione dei globuli rossi Debolezz a Anemia Cellule falciformi Danni al cuore Le cellule falciformi si accumulano ostruendo i vasi sanguigni più piccoli Dolori e febbre Danni al cervello Accumulo di cellule falciformi nella milza Danni ad altri organi Danni alla milza Calo delle funzioni mentali Paralisi Polmonite e alte infezioni Reumatismi Insufficienza renale

22 Un singolo carattere può essere influenzato da molti geni Generazione P aabbcc (molto chiara) AABBCC (molto scura) L ereditarietà multigenica crea un continuum di fenotipi. Es determinazione colore della pelle dipende da almeno 3 geni range di sfumature Generazione F AaBbCc AaBbCc Generazione F 2 femminili maschili Colore della pelle

23 Le basi cromosomiche dell ereditarietà Il comportamento dei cromosomi conferma le leggi di Mendel La teoria cromosomica dell ereditarietà sostiene che i geni sono localizzati sui cromosomi e che il comportamento di questi durante la meiosi e la fecondazione conferma i modelli di ereditarietà noti. Quindi, effettivamente, sono i cromosomi che, durante la meiosi, vanno incontro alla segregazione e all assortimento indipendente; ciò è in accordo con le leggi di Mendel.

24 Associazione genica I geni localizzati uno vicino all altro sullo stesso cromosoma sono detti geni associati e tendono a essere ereditati insieme. Eludono legge su assortimento indipendente Cellule parentali diploidi VvRr più frequenti Spiegazione: i geni sono associati VA VA va Meiosi va Fecondazione maschili Esperimento Fenotipi Fiori viola polline allungato Fiori viola polline rotondo Fiori rossi polline allungato Fiori rossi polline rotondo Fiore viola VvAa VvAa Numero dei discendenti ottenuti Granulo pollinico allungato Numero previsto (9:3:3:) Le combinazioni dei geni associati hanno frequenza superiore alle attese Prole più frequente femminili VA va VA VA VA va VA va VA va va va 3 piante con fiori viola e polline allungato e pianta con fiori rossi e polline rotondo. Tuttavia compaiono anche nuove combinazioni!! crossing over

25 Il crossing-over produce nuove combinazioni di alleli Il crossing-over ricombina i geni associati in un assortimento di alleli che non esisteva nei genitori. A B A B a b a b A b a B Tetrade Crossing-over

26 Agli inizi del 900, l embriologo Morgan condusse alcuni dei primi studi sul crossingover utilizzando per molti esperimenti il moscerino della frutta Drosophila melanogaster. Gli esperimenti di Morgan dimostrarono il ruolo del crossing-over nell ereditarietà. Esperimento Corpo grigio e ali lunghe Corpo nero e ali corte GgLI Femmina ggll Maschio Spiegazione GgLI (femmina) G L g l g l g l ggll (maschio) Corpo grigio, ali lunghe Prole Corpo nero, ali corte Corpo grigio, ali corte Corpo nero, ali lunghe G L g l G l gl g l femminili maschili G L g l G l g L g l g l g l g l Prole Fenotipi parentali Fenotipi ricombinanti Frequenza di ricombinazione = 39 ricombinanti = 0, prole totale ovvero 7%

27 Le frequenze del crossing-over (ricombinazione) possono essere usate per mappare le posizioni relative dei geni sui cromosomi. Frequenza di ricombinazione maggiore distanza maggiore Metodo utile anche per mappatura del genoma umano Fenotipi mutanti Ariste (appendici del corpo) corte Corpo nero (g) Occhi cinabro (c) Ali vestigiali (l) Occhi marroni Cromosoma g c l 7% 9% 9,5% Frequenza di ricombinazione Ariste lunghe Corpo grigio (G) Occhi rossi (C) Ali normali (L) Occhi rossi Fenotipi selvatici

28 cromosomi sessuali e caratteri legati al sesso In molte specie il sesso è determinato dai cromosomi Molti animali e gli esseri umani hanno una coppia di cromosomi sessuali (chiamati X e Y) che determinano il sesso dell individuo. Nei mammiferi, gli individui con un cromosoma X e un cromosoma Y sono di sesso maschile. Quelli con due cromosomi XX sono di sesso femminile.

29 Il cromosoma Y ha un gene (SRY) responsabile dello sviluppo dei testicoli. L assenza del cromosoma Y permette lo sviluppo delle ovaie. (Maschio) 44 + XY Cellule diploidi dei genitori (Femmina) 44 + XX 22 + X 22 + Y 22 + X Spermatozoo Cellula uovo 44 + XX Prole (diploide) 44 + XY Nel moscerino della frutta il sistema di determinazione del sesso è analogo

30 Nelle piante e negli animali esistono altri sistemi di determinazione del sesso XX 22 + X 76 + ZW 76 + ZZ 32 6

31 I geni legati al sesso vengono ereditati con modalità particolari Tutti i geni localizzati sui cromosomi sessuali sono detti legati al sesso. In molti organismi, i geni legati al sesso non correlati con la determinazione delle caratteristiche sessuali si trovano più spesso sul cromosoma X.

32 Nella drosofila il colore bianco degli occhi è un carattere legato al sesso, determinato da un gene presente sull X.

33 La modalità con cui vengono ereditati i geni legati al sesso è un modello particolare di trasmissione ereditaria. Le femmine hanno occhi bianchi solo se l allele recessivo è presente su entrambi gli X; i maschi con occhi bianchi con un solo allele recessivo sull unico X. Femmina Maschio Femmina Maschio Femmina Maschio X R X R X r Y X R X r X R Y X R X r X r Y femminili X R maschili X r X R X r Y X R Y femminili X R maschili X R X R X R Y X R Y femminili X R maschili X r X R X r Y X R Y R = allele «occhi rossi» r = allele «occhi bianchi» X r Xr X R X r Y X r X r X r X r Y

34 Le malattie legate al sesso colpiscono prevalentemente i maschi perché determinate da alleli recessivi presenti sull X Daltonismo Emofilia Distrofia muscolare di Duchenne

35 Gli alleli recessivi legati al sesso che determinano alcune malattie sono localizzati sul cromosoma X. Se un uomo eredita un solo allele recessivo dalla madre, questo allele si manifesterà. In una donna il carattere recessivo si manifesta invece solo se sono presenti due copie dell allele recessivo (ricevute da entrambi i genitori). Il cromosoma Y scambia DNA con l X solo in due brevi tratti alto livello di conservazione di padre in figlio sistema per analizzare linea evolutiva dell uomo