Gregor Johann Mendel ( ) Gli studi di Mendel costituiscono le basi della genetica moderna

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1 Gregor Johann Mendel ( ) Gli studi di Mendel costituiscono le basi della genetica moderna

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3 Secondo Mendel, i genitori trasmettono ai figli unità ereditarie discrete (quelli che ora noi sappiamo essere i geni ) che determinano i caratteri Mendel studiò come questi fattori (e quindi i caratteri) venivano trasmessi di generazione in generazione Le leggi di Mendel hanno una base cromosomica!

4 Il successo di Mendel deriva da: Approccio sperimentale con metodo rigoroso (matematico) scelta di modello sperimentale azzeccato (piante facili da coltivare) Uso di linee pure (omozigoti) Studio di caratteri evidenti (determinati da geni singoli) e presenti in 2 forme alternative

5 Tecnica di fecondazione controllata Grazie a cui Mendel ottenne linee pure e controllò gli incroci

6 Genotipo: costituzione genetica complessiva dell individuo Fenotipo: manifestazione del genotipo La denominazione gene è posteriore a Mendel, che invece parlava di determinanti e non aveva idea che fossero presenti sui cromosomi nè che fossero fatti di DNA!

7 Condizione di dominanza e recessività Alla F1 uno dei 2 fenotipi alternativi domina sull altro, il tratto non scompare : si ripresenta con ratio tipico (1/4) alla F2 Rapporto di dominanza/recessività per altri aspetti (fenotipi)

8 Valutazione contemporanea di 2 caratteri diversi (es aspetto e colore del seme) sono ereditati indipendentemente Rapporto fenotipico nella F2 9:3:3:1 (rapporti 3:1 tipici, se considerati tratti singolarmente)

9 Le osservazioni di Mendel sono state reinterpretate e meglio comprese alla luce della teoria cromosomica dell ereditarietà (inizi 900): i fattori mendeliani sono localizzati fisicamente sui cromosomi (locus); le cellule degli organismi diploidi hanno coppie di cromosomi omologhi 2 copie di ogni gene e quindi 2 forme alternative (alleli) per uno stesso carattere Omozigote (linea pura)- 2 alleli uguali Eterozigote- 2 alleli diversi

10 Leggi di Mendel: 1) Legge della dominanza: in un eterozigote uno dei 2 alleli domina sull altro 2) Legge della segregazione dei determinanti genetici (alleli): il rapporto fenotipico della F2 per incrocio monoibrido si spiega solo ammettendo la segregazione degli alleli alla formazione dei gameti 3) Legge dell assortimento indipendente: in incroci di-ibridi i 2 caratteri considerati sono ereditati indipendentemente l uno dall altro Le leggi risultano più chiare considerando come i cromosomi (e quindi gli alleli) si separano e riassortiscono durante la meiosi

11 Il quadrato di Punnet è una rappresentazione grafica che aiuta a predire le possibili combinazioni degli alleli nei gameti Definire le frequenze fenotipiche e genotipiche

12 Regolarità e modalità di trasmissione mendeliana riscontrate anche in altre specie, per vari caratteri Es manto pelo mammiferi Fenotipo scuro dominante, Albino recessivo Incrocio monoibrido tra linee pure F1 tutta scura F2 ricompare albino 25%

13 Come si definisce il genotipo di individuo con fenotipo dominante? (potrebbe derivare da omozigote dominante o eterozigote) Con il TEST CROSS: incrocio tra genotipo X e genotipo omozigote recessivo Se 100% di progenie ha fenotipo dominate genotipo X era omozigote Se 50% di progenie ha fenotipo dominante genotipo X era eterozigote (in base a legge dominanza)??

14 ESTENSIONI DELLA GENETICA MENDELIANA Dominanza incompleta: eccezione alla legge di Mendel! Eterozigote della F1 ha fenotipo intermedio Alla F2 ricompare fenotipo recessivo (25%) e dominante (25%) La legge della dominanza spesso indicata come legge dell uniformità degli ibridi, visto che l eterozigosi non sempre si accompagna a dominanza completa Mentre, in generale, gli ibridi (eterozigoti) hanno sempre fenotipi uniformi

15 Codominanza: entrambi gli alleli sono espressi completamente Nella codominanza l eterozigote mostra fenotipo che è somma dei 2 fenotipi alternativi (es trifoglio, gruppi sangue) presenza completa di entrambi I prodotti genici Invece, nella dominanza incompleta l eterozigote ha fenotipo intermedio che dipende da metà dose dell allele dominante diluizione del prodotto genico

16 Il concetto di dominanza dipende dal livello fenotipico a cui la analizziamo: Es eterozigosi per mutazione anemia falciforme (Hb e Hbs) Differenze a livello molecolare (proteina mutata e proteina wt) codominanza Differenze a livello cellulare (cellule a falce e normali) dominanza incompleta? No differenze a livello clinico sintomi solo in particolari condizioni (recessività?) 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

17 Allelia multipla A livello di popolazione possono esistere più alleli per uno stesso gene L allele più diffuso è definito wild type, mentre i + rari sono mutanti Es 3 alleli per tipo gruppo sanguigno I gruppi sanguigni umani ABO sono un esempio di alleli multipli. I 4 gruppi sanguigni sono il risultato di diverse combinazione di 3 differenti alleli. Gli alleli IA e IB sono anche codominanti e sono espressi entrambi nel fenotipo. Gli alleli IA e IB sono dominanti su I

18 Gli alleli I A e I B codificano per enzima galattosil trasferasi

19 Pleiotropia Un solo allele ha diversi effetti fenotipici (dipende da interazioni molecolari e coinvolgimento del prodotto genico in vari metabolismi/ funzioni) : riflette la complessità di interazione nell organismo

20 Nell uomo l anemia falciforme è un esempio di pleiotropia: HbS causa non solo anemia ma tanti altri sintomi 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 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

21 Interazione genica L espressione di un carattere può dipendere dall interazione di più geni e tra geni ed ambiente Se 2 o più geni interagiscono e a seconda del tipo di interazione I rapporti fenotipici osservati deviano da quelli attesi in base a legge segregazione mendeliana L interazione genica riflette l interazione biochimica tra prodotti genici (cioè tra le proteine)

22 Eredità poligenica Un singolo carattere è 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 1 AaBbCc AaBbCc Lo stesso vale per colore dell iride Generazione F 2 Gameti femminili Gameti maschili Colore della pelle

23 Eredità poligenica soprattutto per caratteri quantitativi: effetto cooperativo/additivo di più geni nel determinare la quantità /livello intensità del carattere Carattere tipo statura è quantitativo, mentre I caratteri mendeliani (colore del seme giallo verde, aspetto rugoso-liscio) sono qualitativi

24 I caratteri quantitativi (colore pelle, occhi, peso, metabolismo, tasso riproduttivo, ) variano nella popolazione in modo continuo gamma di classi fenotipiche Maggiore numero di geni coinvolti nel determinare un fenotipo alto numero di classi fenotipiche + dolce curva a campana

25 Interazione genica nel determinare tipo di cresta dei polli L interazione di prodotti di geni non allelici genera nuovi fenotipi

26 Epistasi (interazione epistatica) Particolare tipo di interazione per cui un gene interferisce o maschera l espressione di un altro gene (non allelico) Gene epistatico condiziona l espressione di gene ipostatico Il pigmento si produce in 2 tappe in cui intervengono i prodotti di 2 diversi geni Il rapporto di dipendenza dell effetto di un gene dall altro determina un rapporto fenotipico inatteso sulla base delle leggi mendeliane: pigmentazione sse presenti entrambi enzima1 enzima 2 Precursore intermedio pigmento no colore no colore colore

27 Associazione genica Le combinazioni fenotipiche parentali (per 2 o più caratteri) hanno frequenza superiore alle attese nella F2 geni associati incoerente con legge assortimento indipendente I geni localizzati uno vicino all altro sullo stesso cromosoma sono detti geni associati e tendono a essere ereditati insieme (in blocco). Eludono legge su assortimento indipendente Tuttavia compaiono anche nuove combinazioni!! crossing over

28 I geni linked (o in linkage) si trovano sullo stesso cromosoma Il crossing-over produce nuove combinazioni di alleli infatti ricombina i geni associati in un assortimento di alleli che non esisteva nei genitori. Maggiore distanza maggiore probabilità di crossing-over combinazione fenotipica ricombinante Minore distanza bassa probabilità di crossing-over

29 Agli inizi del 900, l embriologo Morgan approfondì il concetto di associazione studiando ereditarietà nei moscerini della frutta Drosophila melanogaster Drosophila ha 4 coppie di omologhi (2n=8)

30 L analisi di Morgan e di suo allievo permise di costruire mappe geniche in cui la distanza fisica tra loci genici era stimata sulla base delle freq di ricombinazione Maggiore distanza maggiore probabilità di crossing-over combinazione fenotipica ricombinante Minore distanza + bassa probabilità di crossing-over 1 unità di mappa = centimorgan = distanza tra 2 loci che ricombinano con freq dell 1%

31 Le frequenze del crossing-over possono essere usate per mappare le posizioni relative dei geni sui cromosomi. 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 17% 9% 9,5% Frequenza di ricombinazione Ariste lunghe Corpo grigio (G) Occhi rossi (C) Ali normali (L) Occhi rossi Fenotipi selvatici

32 Le mappe genetiche ottenute mediante freq di ricombinazione sono state poi confrontate con mappe fisiche in cui si determina distanza effettiva (espressa come numero di nucleotidi) 1 cm corrisponde a 1 milione di bp ca. No esatta corrispondenza tra mappe fisiche e genetiche in q la freq di ricombinazione è influenzata non solo da distanza fisica ma anche dal tipo di sequenza e regione comosomica specifica Es esistono hot spot e cold spot: rispettivamente punti con alta e bassa freq di crossing over Lunghi tratti di DNA con ricombinaz bassissima intervallati da hot spot

33 Geni ed ambiente Genotipo definisce le potenzialità, ma il fenotipo è influenzato anche dall ambiente Il grado di influenza dell ambiente sul fenotipo è variabile a seconda dei tratti considerati: da inconsistente a condizionante

34 Es: interazione geni ambiente determina fenotipo colorazione pelo nel coniglio nelle appendici corporee più fredde opera (prodotto genico specifco) tirosinasi: enzima che produce melanina pigmento scuro nel pelo Nelle zone corporee più calde, tirosinasi non funziona pelo chiaro La T, cioè l ambiente, modula espressione del genotipo

35 L ambiente contribuisce a determinare penetranza ed espressività genica Penetranza: frazione di popolazione con fenotipo corrispondente a un dato genotipo (completa o incompleta) Espressività: grado di intensità nella manifestazione/espressione fenotipica di un certo genotipo, in un certo individuo Alleli con penetranza completa possono avere espressività variabile alleli con penetranza incompleta possono esprimersi con intensità costante (espressività fissa)

36 Eredità multifattoriale Molti fenotipi sono risultato di effetto di geni diversi e fattori non genetici (ambientali) Maggiore numero di fattori genetici e non che determinano un fenotipo maggiore numero di classi fenotipiche + dolce curva a campana

37 Sesso e geni La determinazione del sesso non è sempre scatenata dall assetto cromosomico In alcuni animali determinazione da fattori ambientali (es temperatura) Fattori ambientali e genetici determinano sviluppo delle gonadi Alcuni animali cambiano sesso in periodi della vita diversi (prima maschi poi femmina, o viceversa) in riposta a stimoli ambientali e/o ormonali!! (pesci)

38 Negli animali dove sesso è determinato geneticamente si può avere meccanismo dosaggio dipendente (DSD) o meccanismo basato su presenza/assenza di un gene dominante (GSD) Digametia maschile (es uomo e insetti) oppure femminile (polli) o aploidia sesso maschile nelle api

39 Sesso definibile come complesso di caratteri ereditari, alcuni specificati da geni sui cromosomi sessuali in interazione con altri geni su cromosomi autosomici Nell uomo 22 coppie di autosomi + coppia di cromosomi sessuali

40 In molti animali sesso determinato da cromosomi X ed Y Probabilmente derivano da progenitore comune: cromosoma autosomico La tendenza a sviluppare sesso femminile sembra naturale / predefinita negli organismi, il sesso maschile invece deriverebbe da manifestazione incompleta del fenotipo femminile In effetti l Y si sarebbe formato per distacco di un tratto dell X

41 I cromosomi sessuali hanno regione limitata di omologia (in cui può avvenire crossing over): regioni PAR; e regioni specifiche non omologhe Dimensioni molto diverse nell uomo: X 220 Mbp; Y 55 Mbp Y contiene geni MSY (male specific) necessari, ma non sufficienti, a sviluppo dei testicoli: contiene gene per fattore trascrizionale che regola espressione di molti atri geni maschio-specifici

42 Nelle femmine, in stadi precoci embrionali, Il cromosoma X va incontro a silenziamento programmato eterocromatizzazione: corpo di Barr (numero di X-1)

43 Il silenziamento evita che nella femmina ci sia espressione eccessiva di alcuni geni (rispetto al maschio): compensazione di dosaggio Poichè inattivazione è casuale femmine sono mosaici genetici: hanno gruppi di cellule che hanno inattivato cromosomi X diversi

44 L inattivazione di uno dei 2 X è guidata dal prodotto di un gene presente sull X stesso : XIST (X inactivation specific transcript) che agisce come RNA

45 La cariotipizzazione consente analisi morfologica dei cromosomi Campione di cellule può derivare da sangue, biopsia, amniocentesi, ecc bloccate in metafase microscopio cariotipo Utile anche per diagnosi di alcune malattie genetiche Bandeggio caratteristico (colorazione Giemsa o altre sonde specifiche)

46 Classificazione di cromosomi in base a posizione del centromero

47 Per seguire la trasmissione dei caratteri umani si costruiscono alberi genealogici

48 Eredità di caratteri segue pattern diversi a seconda di dove si trova gene Autosomica (dominante o recessiva) Trasmissione caratteri Associata al sesso X-linked (dominante o recessiva Y-linked Mitocondriale (eredità matrilineare) Es: eredità autosomica dominante il tratto fenotipico è presente con pari freq in maschi e femmine Trasmesso in genere a metà prole (sia da madre che da padre) No salti generazionali

49 Mutazioni Cambiamento nel patrimonio genetico ereditabile Mutazioni + ricombinazione + segregazione indipendente cromosomi alla meiosi + sessualità (incontro genotipi diversi) Rinnovamento - evoluzione biologica Tuttavia esigenza sistema di riparo altrimenti mutazioni eccessive estinzione

50 La mutazione altera l informazione genica in modo più o meno marcato

51 Può verificarsi in un qualsiasi momento, in cellula somatica o germinale

52 Mutazioni puntiformi Sostituzione di base Inserzione delezione Sostituzione di base: transizione (purina-purina, pirimidina-pirimidina) o trasversione (purina pirimidina, pirimidina purina)

53 Missense: cambia AA In alcuni casi neutra: nuovo AA simile all originale

54 Non-sense: codone di STOP Terminazione prematura di catena polipeptidica

55 Samesense o silente : stesso AA

56 Inserzione/delezione di base frameshift Spesso gravi conseguenze perchè seq AA alterata da quel punto in poi proteina mutata non funzionale

57 Mutazioni possono avere effetti anche in regioni non codificanti (seq regolative, promotori, ) Es mutazione sulle giunzioni di splicing e interne ad introni Splicing alterato: perdita di esoni e/o ritenzione di introne nell mrna maturo Es la β+ talassemia causata da splicing errato dell mrna per globina β

58 In alcune regioni (per la maggior parte non codificanti) il genoma presenta tratti ripetuti (micro e mini satelliti) A volte ripetizioni di triplette sono anche nei tratti codificanti (ORF) Appaiamento errato durante crossing over..

59 o slippage tra stampo e filamento di nuova sintesi durante la replicazione del DNA possono espandere le triplette (aumenta numero ripetizioni) La malattia di Huntington è causata dall espansione di triplette nel gene codificante per huntingtina proteina anomala che si accumula nei nuclei dei neuroni neurodegenerazione

60 Alterazioni strutturali nei cromosomi Rotture nei cromosomi possono provocare riarrangiamenti di lunghi tratti di DNA (indotte da radiazioni, virus, agenti chimici,..) DUPLICAZIONI In gen effetto non letale

61 Spesso originano da crossing over ineguali

62 DELEZIONI Può generarsi insieme a duplicazione per crossing over ineguale

63 Alcune malattie umane derivano da delezioni cromosomiche Es retinoblastoma può derivare da delezione di tratto cromosomico contenente gene Rb, oncosoppressore

64 Delezione dei telomeri e ricongiunzione: cromosomi ad anello

65 INVERSIONI Tratto interno ruota di 180 Problemi di appaiamento tra omologhi durante la meiosi

66 TRASLOCAZIONE (spostamento di un tratto di DNA) Intra o inter-cromosomica

67 Traslocazione 9-22 comosoma Philadelphia tumore Cromosoma 9 Cromosoma 22 Traslocazione «Cromosoma Philadelphia» Gene cancerogeno attivato Lo spostamento genera un gene di fusione oncogene

68 Traslocazione 8-14 sposta proto-oncogene c-myc in regione genica attiva elevata espressione di c-myc trasformazione tumorale

69 Variazioni nel numero di cromosomi eteroploidie Euploidia aneuploidia

70 Euploidia: variazione di numero dell intero set cromosomico Poliploidia diffusa nei vegetali, rara in animali Si genera per endomitosi (divisione cromosomi dentro stesso nucleo) e endoreplicazioni

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72 Aneuploidie: variazione di numero di uno o pochi cromosomi Origine: anomalie nella separazione dei cromosomi/cromatidi in meiosi e/o mitosi Nell uomo patologie dovute ad aneuploidie sia autosomiche (es Down) che sessuali (es Turner)