I GENI ASSOCIATI. Bateson, Saunders e Punnett: incrocio diibrido in Lathirus odoratus (1905)

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1 I GENI ASSOCIATI Bateson, Saunders e Punnett: incrocio diibrido in Lathirus odoratus (1905) In F 2 non viene rispettato il rapporto di segregazione 9 : 3 : 3 : 1 Anche nella F 2 dell incrocio in trans sono i parentali ad essere nettamente prevalenti sui ricombinanti Bateson e coll. non seppero spiegare i risultati ottenuti.

2 TEORIA CROMOSOMICA dell EREDITA (Sutton e Boveri 1904) La associazione di cromosomi materni e paterni in un numero prefissato di coppie per ciascun organismo vivente e la loro successiva separazione alla meiosi costituiscono la base fisica dell eredità mendeliana Il comportamento dei cromosomi alla meiosi può spiegare le leggi di Mendel supponendo che i fattori siano portati dai cromosomi. Sutton e Boveri arrivarono a questa teoria grazie ai loro studi citologici al microscopio ottico ma anche grazie agli studi sulla meiosi e la fecondazione di Hertwig, Fleming, Strasburger e van Beneden alla fine dell 800, studi successivi al lavoro di Mendel del La diffusione di queste scoperte ha permesso a Morgan di provare che i geni sono portati dai cromosomi di scoprire la trasmissione dei geni associati

3 Thomas Hunt Morgan Premio Nobel per la medicina 1933 Drosophila melanogaster

4 Drosophila melanogaster Femmina (a sinistra) e maschio (a destra) di Drosophila melanogaster La femmina ha nelle cellule somatiche quattro paia di cromosomi, compreso un paio di cromosomi X. Nel maschio si osservano un paio di cromosomi sessuali XY. Morgan analizzò diversi caratteri e chiamò: selvatico il fenotipo più diffuso nella popolazione mutante il fenotipo alternativo (raro) dello stesso carattere

5 Reincrocio per due geni indipendenti: BC 1 liscio, giallo x rugoso, verde SsGg ssgg gameti 25% SG 100% sg 25% S g 25% s G 25% s g Risultato: 25% SsGg liscio, giallo PARENTALI 25% Ssgg liscio, verde RICOMBINANTI 25% ssgg rugoso, giallo RICOMBINANTI 25% ssgg rugoso, verde PARENTALI 50% per reincrocio (BC) si intende l incrocio di un ibrido con uno dei due parentali, generalmente quello recessivo. Si definiscono parentali i fenotipi che presentano le caratteristiche di uno dei due parentali e ricombinanti quelli che presentano caratteristiche fenotipiche di entrambi i genitori

6 Morgan e coll. : reincrocio diibrido in Drophila melanogaster (1911) P b + b + vg + vg + x b b vg vg F1 b + b vg + vg b+ corpo grigio vg+ ali normali b corpo nero vg ali vestigiali reincrocio (in cis) Ottennero: 83% parentali 17% ricombinanti Con il reincrocio in trans si ottennero gli stessi risultati

7 Risultati molto diversi furono ottenuti utilizzando come individuo F1 un maschio in CIS P grigio x nero normali vestigiali F 1 maschio grigio x femmina nero normali vestigiali BC 1 50% grigio 50% nero normali vestigiali Con il reincrocio in trans si ottennero gli stessi risultati 100% PARENTALI 0% RICOMBINANTI Risultati degli esperimenti di Morgan e collaboratori: i due geni b e vg non sono a trasmissione indipendente, sono associati o concatenati, tendono a essere trasmessi insieme l associazione non è completa perché si trovano comunque dei ricombinanti (17%) L associazione può essere completa nel maschio di Drosophila

8 Interpretazione dei risultati degli esperimenti di Morgan e coll. 1. I geni analizzati erano associati (cioè tendevano a rimanere insieme durante la segregazione degli alleli alla meiosi) perché erano situati sullo stesso cromosoma Esperimenti di Bridges su ceppi di Drosophila con non disgiunzione del cromosoma X e di Morgan sui caratteri legati al cromosoma X fornirono la dimostrazione che i geni sono localizzati sui cromosomi e quindi della validità della teoria cromosomica della ereditarietà Eredità legata al cromosoma X: in Drosophila (Morgan, 1910) occhi rossi, selvatico occhi bianchi, mutante

9 Interpretazione dei risultati degli esperimenti di Morgan e coll. 2. Spiegazione della ricombinazione tra geni associati: ipotesi del crossing over in base ai dati citologici di Jansenns 1909 al microscopio elettronico

10 Durante la meiosi se avviene il crossing-over si ha uno scambio fisico reciproco di parti tra i due cromosomi omologhi (tra cromatidi non fratelli) con la formazione di combinazioni alleliche non parentali, ricombinanti, dei geni associati A B a b A a b B

11 Interpretazione dei risultati degli esperimenti di Morgan e coll. 3. Spiegazione della assenza di ricombinazione nel maschio di Drosophila Nel maschio di Drosophila non avviene il crossing over, ma è una eccezione. 4. L entità della concatenazione fra geni si può determinare : calcolando la frequenza di ricombinazione, cioè il rapporto fra individui (gameti) ricombinanti e individui totali in un reincrocio. Come si indicano i geni concatenati: A B oppure a + b + oppure + + in Drosophila a b a b a b A B eterozigote + b eterozigote a b in CIS a + in TRANS

12 Interpretazione della ricombinazione tra geni indipendenti e tra geni associati MEIOTICA MEIOTICA MEIOTICA

13 MAPPE GENETICHE Morgan: Gli elementi fisici responsabili dei caratteri ereditari di un organismo (i geni) si trovano ordinati linearmente nei cromosomi e le percentuali di ricombinazione osservate negli incroci fra caratteri concatenati sono proporzionali alla distanza, sul cromosoma, fra i geni corrispondenti Su questo presupposto si basa il metodo messo a punto da Sturtevant ( ) per la costruzione di mappe genetiche Una mappa genetica attribuisce i geni ai gruppi di associazione (i cromosomi) e, all interno di ogni gruppo di associazione, ordina i singoli geni secondo la loro posizione l uno rispetto all altro.

14 Mappatura di 4 geni con incroci a due punti (incroci diibridi e reincrocio): Esempio in Drosophila: i geni dichaete (d), pink (p), hairless (h) e rough (ro) si trovano sullo stesso cromosoma. P DP x dp DP dp F 1 DP x dp Test Cross 1 dp dp (BC 1 ) DP dp Dp dp dp dp dp dp parentali (93%) ricombinanti (7%) La distanza fra d e p è di 7 cm L unità di misura è il centimorgan cm: la distanza di 1cM è la distanza per la quale si ottiene l 1% di ricombinanti

15 Geni Frequenza di ricombinazione d - h 23,4% h - p 21,1% d - p 7,0% h - ro 21,9% d - ro 36,0% p - ro 34,0% d -7- p ,1---- h d , h ,9---- ro d ro p ro La distanza tra d e h è minore della somma della distanza tra d e p e tra p ed h!? Perché? I Doppi Crossing-over portano ad una sottostima della distanza tra i geni in esame Se la frequenza di ricombinazione fra due geni è maggiore del 15% è più conveniente fare un incrocio a tre punti (perché maggiore è la distanza, maggiore è la probabilità che avvengano i DCO) (15% dato sperimentale)

16 INCROCIO A TRE PUNTI st occhio scarlatto e corpo ebano ss setole corte st+ occhio rosso e+ corpo grigio ss+ setole normali P st + e + ss + x st e ss st + e + ss + st e ss F 1 st + e + ss + x st e ss st e ss st e ss Back Cross

17 INCROCIO A TRE PUNTI 8 tipi di gameti con diverse frequenze 6 tipi di gameti ricombinanti e 2 parentali I doppi ricombinanti sono i meno frequenti e indicano quale è il gene centrale Calcolo delle distanze tra i geni: Distanza st e = 110 = 0, ,56 % Distanza e--ss = 92 = 0, ,18 % st 14,56 cm e 12,18 cm ss

18 INTERFERENZA DA CHIASMA Il verificarsi di un crossing over in una regione puo influenzare il verificarsi di un altro crossing over in una regione vicina Interferenza positiva : la frequenza di doppi crossing over è inferiore rispetto all atteso Interferenza negativa : la frequenza di doppi crossing over è maggiore rispetto all atteso COEFFICIENTE DI COINCIDENZA (C) C = Frequenza di doppi ricombinanti osservata Frequenza di doppi ricombinanti attesa INTERFERENZA = 1 - C Se C < 1 interferenza positiva Se C > 1 interferenza negativa Se C = 1 non c è interferenza

19 C= coefficiente di coincidenza C= Freq dco OSS Freq dco ATT Nell esempio 8/ 755 0,146x 0,122 C = 0,55 C<1 I = Interferenza I = 1-C 1-0,55= 0,45 I = 0,45 L interferenza si ha se i geni si trovano sullo stesso braccio cromosomico e se le distanze sono molto piccole Il grado di interferenza varia in funzione dell organismo e del cromosoma Nelle piante si sono osservate spesso interferenze negative: il verificarsi di un c.o. in una regione aumenta la probabilità che si verifichi un altro c.o. nella regione adiacente

20 Mappa genetica di Drosophila 2n = 8

21 Mappa genetica di pomodoro 2n = 24

22 Mappe genetiche e mappe fisiche Le distanze genetiche, calcolate in base alla frequenza di ricombinazione, non sempre corrispondono alle distanze fisiche calcolate in pb Il crossing over non avviene lungo il cromosoma in modo casuale: esistono gli hot spots regioni ad alta frequenza di ricombinazione e regioni in cui i crossing over sono rari (es. i telomeri) Drosophila S. cerevisiae

23 Oggi le mappe genetiche si costruiscono con i marcatori molecolari Sono disponibili mappe genetico-molecolari in cui i singoli cromosomi sono saturati con un alto numero di loci Es mais (2001) 10 gruppi di associazione con 1772 loci mappati che coprono una grandezza di 1800 cm (B&F 2005) Evoluzione storica delle mappe genetiche in mais

24 Mappa di associazione di tre cromosomi di mais 24

25 Ricapitolando.. D Amato: Una mappa genetica è la rappresentazione di ogni gruppo di associazione (cioè di ogni cromosoma del corredo aploide) di una specie in forma di un segmento lungo il quale sono indicati in sequenza i geni con la loro distanza di mappa rispetto a un gene terminale (punto 0). Per costruire una mappa genetica occorre : scegliere geni che siano associati, cioè appartengano allo stesso gruppo di associazione definire tanti gruppi di associazione quanti sono i cromosomi del corredo aploide calcolare le distanze tra i geni in base alle frequenze di ricombinazione in appositi Reincroci a due punti (con due marcatori) o a tre punti (con tre marcatori) Dalla analisi della progenie di un icrocio a tre punti si può determinare: il gene centrale la distanza tra il gene centrale e gli altri due geni l interferenza Localizzare un numero elevato di geni marcatori per ogni cromosoma che coprano l intera grandezza del cromosoma

26 Esercitazione n. 4 1) In mais, l epidermide del seme colorata (R) è dominante sull epidermide incolore (r) e la pianta verde (T ) è dominante sulla pianta gialla (t). Reincroci di individui F 1 eterozigoti dettero la seguente progenie: Epid colorata pianta verde 46 Epid colorata pianta gialla 340 Epid incolore pianta verde 380 Epid incolore pianta gialla 34 totale 800 Nella F 1, i due geni associati erano in (cis) o(trans)? Calcolate la percentuale di ricombinazione. 2) Si considerino tre geni, d (ali dichaete ) p (occhio pink) e (corpo ebony) di Drosophila. Dall incrocio di un triplo eterozigote con il triplo recessivo si ottiene la seguente progenie: ali normali, occhio pink, corpo ebony (+pe) = 824; ali dichaete, occhio rosso, corpo grigio (d++ )= 878; ali normali, occhio pink, corpo grigio (+p+) = 214; ali dichaete, occhio rosso, corpo ebony (d+e) = 187; ali normali, occhio rosso, corpo ebony (++e) = 11; ali dichaete, occhio pink, corpo grigio (dp+) = 18; ali dichaete, occhio pink,corpo ebony (dpe) = 28; ali normali, occhio rosso, corpo grigio (+++) = 31. Determinare: a) l ordine dei geni sul cromosoma; b) le distanze di mappa; c) il coefficiente di coincidenza. 3) Nel mais le tre coppie alleliche + c (aleurone colorato a. incolore) + sh (endosperma turgido e. raggrinzito) + wx (endosperma amiloso e. ceroso) sono localizzate sullo stesso cromosoma. Dall incrocio tra il triplo eterozigote e il triplo recessivo è stata osservata la seguente progenie: c + sh 113, +++ 4, c wx , c , c wx sh 2, + wx + 116, + + sh 2538, + wx sh 601. Indicare l ordine dei geni e le distanze di mappa.

27 5) Nel cromosoma 2 di mais i 3 loci a, r e d presentano questa associazione: a 15 r 25 d Quali classi fenotipiche e con quale frequenza si troveranno nella progenie dell incrocio +++/ard x ard/ard su un totale di 1000 piante, in presenza di una interferenza positiva del 33%?

28 Determinazione genetica del sesso negli animali Primi esperimenti sul controllo del sesso negli animali McClung; Wilson; Henking primi anni 900 su diverse specie di insetti Insetti: presenza di cromosomi responsabili della differenziazione sessuale. Eterocromosomi (detti X e Y) Autosomi Digametia maschile

29 Costituzione cromosomica e sesso in Drosophila Il sesso è determinato dal rapporto fra numero di cromosomi X e numero di corredi cromosomici aploidi autosomici. N cromosomi X N corredi autosomici aploidi = X/A = 1 femmina N cromosomi X N corredi autosomici aploidi = X/A = 0,5 maschio Costituzione cromosomica Rapporto X / A Sesso 2A XXX 1,5 Superfemmina 2A XX 1,0 Femmina 2A XXY 3A XXX 4A XXXX 3A XX 0,67 Intersesso 3A XXY 4A XXX 0,75 Intersesso 2A X 0,50 Maschio 2A XY 2A XYY 4A XX 3A X 0,33 Supermaschio

30 N cromosomi X N corredi autosomici aploidi = X/A = 1 femmina N cromosomi X N corredi autosomici aploidi = X/A = 0,5 maschio

31 Negli uccelli e in alcuni insetti la digametia è femminile e gli eterocromosomi si indicano con Z e W

32 UOMO 44 cromosomi autosomici 2 cromosomi sessuali X e Y Digametia maschile

33 Il cromosoma X contiene 1098 geni di cui solo 54 hanno l omologo sull Y (Nature 2005) 29 localizzati nelle regioni PAR1e PAR2, gli altri 25 fuori da queste regioni PAR = Regione Pseudo Autosomica

34 Eredità legata al sesso: in Drosophila occhi rossi: selvatico; occhi bianchi: mutante (Morgan, 1910) Conclusioni di Morgan : Occhio bianco è recessivo rispetto all occhio rosso Il gene per il colore degli occhi è portato dal cromosoma X Il fenotipo bianco si manifesta anche con un solo allele nei maschi che hanno un solo cromosoma X (emizigosi)

35 Il carattere colore degli occhi in Drosophila è legato al sesso Y X X X Schema di eredità Criss-cross di un carattere legato al sesso

36 Albero genealogico della Regina Vittoria di Inghilterra

37 Eredità legata al sesso: eredità della emofilia nell uomo Albero genealogico della Regina Vittoria e dei suoi discendenti, che illustra la trasmissione della emofilia. La Regina Vittoria era eterozigote per l allele recessivo dell emofilia legato al cromosoma X e non essendovi casi di emofilia nei suoi antenati, è plausibile che la mutazione sia insorta nelle cellule germinali della madre

38 P Vittoria X E X e x X E Y Alberto X E X E X E X e X E Y X e Y Leopoldo 1/4 1/4 1/4 1/4 (emofiliaco) P X E X E x X e Y Leopoldo (emofiliaco) Alice(portatrice) X E X e X E Y 1/2 1/2 P Alice(portatrice) X E X e x X E Y X E X E X E X e X E Y X e Y Rupert (nipote di Leopoldo 1/4 1/4 1/4 1/4 emofiliaco)

39 DETERMINAZIONE GENETICA DEL SESSO NELLE PIANTE Specie monosessuali o dioiche: fiori maschili e femminili su individi diversi es. kiwi, pioppo, salice, cannabis sativa e indica luppolo, papaia, palma da datteri, asparago Specie bisessuali: monoiche ermafrodite fiori maschili e femminili sulla stessa pianta es. mais, sorgo organi maschili e femminili sullo stesso fiore Specie subdioiche Specie intersessi piante a sessi separati, con alcun individui bisessuali piante a sessi separati con alcuni individui ermafroditi e sterili

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41 Cromosomi sessuali eteromorfici nelle piante (specie dioiche, piante a sessi separati) Tipo Melandrium = digametia maschile XY (come nell uomo) 22A +X Y maschio 22 A XX femmina Tipo Rumex acetosa = digametia maschile: maschio 2n=15 (12A+X+Y 1 +Y 2 ) femmina 2n=14 (12A+X+X) X/A come Drosophila però Y è indispensabile per produrre polline fertile Tipo Fragaria = digametia femminile nelle varietà poliploidi le varietà diploidi sono ermafrodite

42 Melandrium album (Sinapis alba) 22A+XX 22A+XY Disegno schematico dei cromosomi del sesso in Melandrium. I-II e III: segmenti differenziali del cromosoma Y; V: segmento differenziale del cromosoma X; IV: segmenti omologhi, a livello dei quali avviene l appaiamento di X con Y. Il segmento I reca il gene soppressore del sesso femminile il segmento II contiene il gene che controlla l inizio dello sviluppo delle antere il segmento III controlla gli ultimi stadi dello sviluppo delle antere; il segmento V reca i determinanti del sesso femminile. Oggi sappiamo che sull X e sull Y sono presenti due geni strettamente associati: Su F su F che sopprime lo sviluppo organi femminili M m che ha forte effetto mascolinizzante Sugli autosomi è presente un gene che potenzia Su F Modello simile anche in pioppo e salice

43 FISH sui cromosomi di Melandrium album

44 Melandrium album: schema di eredità criss-cross o zig-zag (gene angustifolia) Femmina Maschio P X A X A x X a Y angustifolia F 1 X A X a e X A Y F 2 X A X A X A X a X A Y X a Y angustifolia 1/4 1/4 1/4 1/4

45 Esercitazione n. 5 1) Caratteri legati al sesso in Drosophila sono: occhio bianco (w); corpo giallo (y); occhio rosso vermiglio (vermilion, v); occhio a sbarra (Bar, dominante, B). Bar determina una riduzione della superficie dell occhio. Il carattere si manifesta in modo estremo (narrow bar) nel maschio emizigote e nelle femmine omozigoti, in modo intermedio (wide bar) nelle femmine eterozigoti. Dare la spiegazione genetica del fatto che se una femmina con occhi rossi è incrociata con un maschio a occhi bianchi dà una progenie metà con occhi rossi e metà con occhi bianchi. Quali sono le F 1 e F 2 dell incrocio fra femmina a corpo giallo e maschio ad ali vestigiali (carattere autosomico)? Qual è il risultato dell incrocio fra femmina wide bar e maschio bar? 2) Nei polli di razza Plymouth Rock barrata, il carattere piumaggio bianco legato al sesso è recessivo rispetto al piumaggio nero barrato (rispettivamente b e B). Se maschi bianchi sono incrociati con femmine nere barrate, quali saranno i fenotipi F 2? Se una delle femmine barrate F 2 è incrociata con un maschio barrato F 2, che proporzione di figli bianchi nascerà? 3) Nell uomo i più noti caratteri legati al sesso sono: il daltonismo (recessivo), per cui gli individui affetti non riescono a distinguere certi colori (di solito il rosso dal verde); l emofilia (recessivo), per cui gli individui sono soggetti a emorragie. Se un uomo (figlio di un emofiliaco) che presenta sangue con tempo di coagulazione normale sposa una donna normale, qual è la probabilità che abbiano figli maschi emofiliaci? 4)Dare genotipi e fenotipi dei seguenti incroci: 1) madre a occhi blu x padre a occhi bruni e daltonico, figlio di padre a occhi blu e madre a occhi bruni, dei quali non si sa se uno dei due fosse daltonico (si ricorda che occhi bruni è dominante su occhi blu e non è un carattere legato al sesso); 2) madre, figlia di emofiliaco e con occhi blu e padre a occhi bruni (eterozigote) normale, ma anch egli figlio di emofiliaco.

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47 FUNZIONE DEL GENE Beadle e Tatum 1941: Teoria un gene-un enzima esperimenti con i mutanti nutrizionali di Neurospora Via biosintetica dell arginina

48 FUNZIONE DEL GENE Esistono proteine non enzimatiche allora la teoria un gene - un enzima viene riformulata Un gene - una proteina caratteristiche del fenotipo

49 Però esistono proteine formate da più subunità proteiche come l emoglobina, allora UN GENE--UNA CATENA POLIPEPTIDICA Oggi sappiamo che il prodotto di un gene può essere anche una molecola di RNA Esistono geni che codificano diversi tipi di RNA

50 FINE