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2 Le leggi di Mendel La genetica è una scienza dalle radici antiche Le radici storiche della genetica, la scienza dell ereditarietà, 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 diciannovesimo secolo, l ipotesi ereditaria di maggior successo divenne quella della mescolanza. Copyright 2006 Zanichelli editore

3 I primi esperimenti di genetica ebbero luogo nel giardino di un abbazia La genetica moderna ebbe inizio intorno al 860 con gli esperimenti del monaco Gregor Mendel sulle piante di pisello odoroso. Petalo Stame Carpello Copyright 2006 Zanichelli editore

4 Mendel incrociò piante di pisello che differivano in alcuni caratteri morfologici e seguì le tracce delle caratteristiche da generazione a generazione. Carpello Genitori (P) Si rimuovono gli stami dai fiori viola Viola Bianco 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 ) Copyright 2006 Zanichelli editore

5 Mendel ipotizzò che esistessero forme alternative di geni: le unità che determinano le caratteristiche ereditabili. Colore del fiore Posizione del fiore Colore del seme Viola Assiale Giallo Bianco Terminale Verde Forma del seme Liscio Rugoso Forma del baccello Gonfio Schiacciato Colore del baccello Verde Giallo Lunghezza del fusto Alto Nano Copyright 2006 Zanichelli editore

6 La legge della 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. Generazione P (linee pure) Fiori viola Fiori bianchi Generazione F 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 Copyright 2006 Zanichelli editore

7 Per ogni caratteristica, un organismo eredita due alleli, uno da ciascun genitore. Questi alleli possono essere uguali o differenti. Un organismo che possiede due alleli identici di un gene è detto omozigote per quel gene. Un organismo che possiede due alleli diversi dello stesso gene è chiamato eterozigote. Copyright 2006 Zanichelli editore

8 Se i due alleli di una coppia sono diversi, uno è interamente espresso e determina una caratteristica osservabile nell organismo, mentre l altro non ha effetti visibili. Il primo è chiamato allele dominante (indicato con la lettera maiuscola corsiva). Il secondo è chiamato allele recessivo (indicato con la lettere minuscola corsiva). Copyright 2006 Zanichelli editore

9 Secondo la legge della segregazione di Mendel i due alleli di una coppia si dividono l uno dall altro durante la produzione dei gameti. Piante P Assetto genetico (alleli) VV vv Gameti Tutti V Tutti v Piante F (ibridi) Tutti Vv Gameti 2 V 2 v V v Piante F 2 Rapporto fenotipico 3 viola bianco Rapporto genotipico VV : 2 Vv: vv V v VV Vv Vv vv Copyright 2006 Zanichelli editore

10 I cromosomi omologhi portano i due alleli relativi a ciascun carattere Le forme alternative di un gene sono situate negli stessi loci (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 Copyright 2006 Zanichelli editore

11 La legge dell assortimento indipendente prende in considerazione due caratteri contemporaneamente Guardando due caratteri alla volta, Mendel provò a determinare come vengono ereditate due caratteristiche. Mendel effettuò cioè un incrocio diibrido tra piante omozigoti con semi lisci e gialli (genotipo LLGG) e piante con semi rugosi e verdi (genotipo llgg). Copyright 2006 Zanichelli editore

12 La legge dell assortimento indipendente di Mendel afferma che ogni coppia di alleli segrega indipendentemente durante la formazione dei gameti. Generazione P Ipotesi: assortimento dipendente LLGG llgg Ipotesi: assortimento indipendente LLGG llgg Gameti LG lg Gameti LG lg Generazione F LlGg LlGg Generazione F LG lg 2 LG 2 lg I risultati ottenuti contraddicono l ipotesi LG lg Lg lg 4 LG lg Lg lg LLGG LlGG LLGg LlGg LlGG llgg LlGg llgg LLGg LlGg LLgg Llgg LlGg llgg Llgg llgg I risultati ottenuti contraddicono l ipotesi Gialli lisci Verdi lisci Gialli rugosi Verdi rugosi Copyright 2006 Zanichelli editore

13 Un esempio di assortimento indipendente: 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) Copyright 2006 Zanichelli editore

14 I genetisti usano il testcross per determinare i genotipi sconosciuti Il testcross (reincrocio), ovvero un incrocio tra un individuo con genotipo sconosciuto e un individuo omozigote recessivo, può determinare il genotipo sconosciuto. Testcross: Genotipi N_ nn I due possibili genotipi del cane nero: NN o Nn Gameti N N n Prole n Nn Tutti neri n Nn nn nero : marrone Copyright 2006 Zanichelli editore

15 I risultati degli esperimenti di Mendel sono in sincronia con le leggi della probabilità L ereditarietà segue le leggi della probabilità. La scala di probabilità va da 0 a : un evento certo ha probabilità, un evento che sicuramente non avviene ha probabilità 0. Copyright 2006 Zanichelli editore

16 La legge del prodotto calcola la probabilità che avvengano due eventi indipendenti. La legge della somma calcola la probabilità che un evento accada in due o più modi alternativi. Genotipi della F Maschio Nn Formazione degli spermatozoi Femmina Nn Formazione delle cellule uovo 2 N 2 n Genotipi della F 2 2 N N N N n n n N n n 4 4 Copyright 2006 Zanichelli editore

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38 I metodi per prevenire e diagnosticare le 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. Copyright 2006 Zanichelli editore

39 . La diagnosi prenatale L amniocentesi e il prelievo dei villi coriali consistono nel prelievo di cellule fetali che sono utilizzate per compiere dei test che consentono di rilevare malattie genetiche. Sonda dell ecografo Amniocentesi Si aspira il liquido amniotico Sonda dell ecografo Villocentesi dei villi coriali Siringa inserita attraverso la cervice per il prelievo di tessuto dai villi coriali Feto Placenta Feto Placenta Utero Liquido aminiotico Cervice Centrifugazione Villi coriali Utero Cervice Cellule fetali Cellule fetali Alcune settimane Test biochimici Alcune ore Copyright 2006 Zanichelli editore Cariotipo

41 3. La diagnosi precoce Alcune malattie metaboliche possono essere diagnosticate alla nascita mediante semplici test, alcuni dei quali sono oggi svolti di routine negli ospedali dei paesi occidentali nei primissimi giorni di vita. La diagnosi precoce è importante per predisporre la terapia più adatta per la malattia. Copyright 2006 Zanichelli editore

42 Oltre le leggi di Mendel La dominanza incompleta produce fenotipi intermedi 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. Copyright 2006 Zanichelli editore

43 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 Gameti R r Generazione F Rosa Rr Gameti 2 R 2 r Gameti maschili R r 2 2 Generazione F 2 Gameti femminili 2 2 R r Rosso RR Rosa Rr Rosa rr Bianco rr Copyright 2006 Zanichelli editore

44 Molti geni possiedono più di due alleli Molti geni possiedono alleli multipli. 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. Copyright 2006 Zanichelli editore

45 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. Fenotipi dei gruppi sanguigni Genotipi Anticorpi presenti nel sangue Reazione tra il sangue dei gruppi sottostanti e gli anticorpi provenienti dai gruppi sanguigni delle colonne a sinistra (O, A, B, AB) O A B AB O ii Anti-A Anti-B A I A I A o I A i Anti-B B I B I B o I B i Anti-A AB I A I B Copyright 2006 Zanichelli editore

46 Un singolo gene può avere effetto su più caratteri fenotipici Individuo omozigote per l anemia falciforme L impatto di un singolo gene su più di un carattere è detto pleiotropia. Emoglobina delle cellule falciformi (anomala) L emoglobina anomala cristallizza e fa assumere ai globuli rossi la forma di falce Cellule falciformi Demolizione dei globuli rossi Le cellule falciformi si accumulano ostruendo i vasi sanguigni più piccoli Accumulo di cellule falciformi nella milza Debolezz a Anemia Danni al cuore Dolori e febbre Danni al cervello Danni ad altri organi Danni alla milza Calo delle funzioni mentali Paralisi Polmonite e alte infezioni Reumatismi Insufficienza renale Copyright 2006 Zanichelli editore

47 Un singolo carattere può essere influenzato da molti geni Generazione P Generazione F aabbcc (molto chiara) AaBbCc AABBCC (molto scura) AaBbCc L ereditarietà poligenica crea un continuum di fenotipi. Generazione F 2 Gameti femminili Gameti maschili Colore della pelle Copyright 2006 Zanichelli editore

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49 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 ultimi 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. Copyright 2006 Zanichelli editore

50 Le basi cromosomiche delle leggi di Mendel: Generazione F L G L l l g L l G g Meiosi Metafase I (due possibili disposizioni) Tutti i semi sono lisci e gialli (LlGg) l G L g l L L G G g l g Anafase I Metafase II l G G g L g Gameti G G g g G G g g L L l l l l L L ¼ LG ¼ lg ¼ lg ¼ lg Fecondazione tra piante F Generazione F 2 9 : 3 : 3 : Copyright 2006 Zanichelli editore

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66 Glossario CONGENITO: carattere clinicamente presente alla nascita e non necessariamente ereditato (infezioni o traumi endouterini in gestazione). EMIZIGOSI: condizione di un gene presente in singola copia in organismi diploidi come avviene nel caso di aneuploidia o nel caso di geni localizzati sul cromosoma sessuale singolo. EREDITARIO: carattere trasmesso di generazione in generazione secondo le leggi dell ereditarietà. FAMIGLIARE: carattere che tende a manifestarsi tra i membri di una stessa famiglia (cause genetiche e/o ambientali). GENETICO: carattere riconducibile ad alterazioni del patrimonio genetico, non necessariamente ereditate. GENI SINTENICI: associazione di due geni, responsabili di due diverse caratteristiche su uno stesso cromosoma. PLEIOTROPIA: fenomeno per cui uno stesso gene manifesta più effetti fenotipici distinti. REGIONE PSEUDOAUTOSOMICA: regione localizzata sui cromosomi sessuali X e Y che contiene geni che non vengono inattivati durante la inattivazione della X nella femmina. Quindi sono trasmessi come se fossero dei geni autosomici anche se si trovano sui cromosomi sessuali, perché nella femmina sono presenti attivi su entrambe le X, mentre nel maschio sulla X e sulla Y. Questa regione è importante per la segregazione del bivalente XY nella meiosi maschile, perché è l'unica in cui si ha appaiamento tra i due cromosomi e crossing over che è fondamentale per la corretta segregazione. In realtà le regioni pseudoautosomiche sono due e si chiamano PAR e PAR2 localizzate una sul braccio corto e una sul braccio lungo. Copyright 2006 Zanichelli editore