Principi di. Quarta edizione GENETICA. D. Peter Snustad Università del Minnesota. Michael J. Simmons Università del Minnesota

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1 Principi di GENETICA Quarta edizione D. Peter Snustad Università del Minnesota Michael J. Simmons Università del Minnesota

2 In copertina In copertina è mostrata una riproduzione artistica di un gel di sequenza del DNA. Lo sviluppo delle tecniche di sequenziamento del DNA alla fine degli anni 70 ha dato inizio a una nuova era della genetica l era della genomica. Nel 1977 è stata pubblicata la sequenza del genoma di un piccolo virus, il batteriofago X174. Nel 1995 sono state pubblicate le sequenze complete di genomi batterici, a cui sono seguite negli anni successivi quelle di importanti organismi modello eucariotici. Nel 2001 sono state pubblicate due bozze della sequenza del genoma umano. La tecnologia attuale è tale che oggi è possibile sequenziare con facilità interi genomi. Titolo originale: Snustad, Simmons GENETICS - Fifth edition Copyright 2009, 2006, 2003, 2000, 1997, John Wiley & Sons, Inc. PRINCIPI DI GENETICA - Quarta edizione Copyright 2000, 2004, 2007, 2010, EdiSES S.r.l. 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 S.r.l. Napoli Fotoincisionee stampa: Tipolitografia Petruzzi Corrado & Co. s.n.c. Zona Ind. Regnano Città di Castello (PG) per conto della EdiSES Napoli info@edises.it ISBN

3 Traduzione a cura di Serena Aceto Università degli Studi di Napoli Federico II Silvana Dolfini Università degli Studi di Milano Raffaella Elli Università degli Studi di Roma La Sapienza Daniela Ghisotti Università degli Studi di Milano Ennio Giordano Università degli Studi di Napoli Federico II Roberto Mantovani Università degli Studi di Milano Liana Marcucci Università degli Studi di Roma La Sapienza Giuseppe Saccone Università degli Studi di Napoli Federico II Revisione a cura di Prof. Luciano Gaudio Dipartimento delle Scienze Biologiche Facoltà di Scienze MM.FF.NN. Università degli Studi di Napoli Federico II Prof. Catello Polito Dipartimento delle Scienze Biologiche Facoltà di Scienze MM.FF.NN. Università degli Studi di Napoli Federico II

4 Dedicato A Judy, mia moglie nonché la mia migliore amica D.P.S. Alla mia famiglia, specialmente a Benjamin M.J.S. Gli autori D. Peter Snustad è Professore presso il Dipartimento di Biologia vegetale dell Università del Minnesota, Twin Cities. In questa Università ha conseguito la Laurea in Scienze, mentre ha conseguito Master e Ph.D. in Genetica presso l Università della California, Davis. Durante i suoi 43 anni di servizio presso l Università del Minnesota, ha tenuto corsi di tutti i livelli dalla biologia generale alla genetica biochimica avanzata. Per 20 anni si è occupato della morfogenesi del batteriofago T4 e della sua interazione con l ospite, Escherichia coli. Negli ultimi 23 anni il suo gruppo di ricerca ha studiato il controllo genetico del citoscheletro in Arabidopsis thaliana e la famiglia genica della glutammina sintetasi in Zea mays. Ha lavorato per la Sezione di Studi di Citologia Molecolare dei National Institutes of Health ed è stato Presidente del Meeting Annuale della Genetics Society of America. I suoi riconoscimenti includono i premi commemorativi Morse-Amoco e Stanley Dagley per l insegnamento. Un amore imperituro per la natura canadese lo ha portato a restare nel vicino Minnesota. Michael J. Simmons è Professore presso il Dipartimento di Genetica, Biologia cellulare e Sviluppo dell Università del Minnesota, Twin Cities. Ha conseguito la Laurea in Biologia al St. Vincent College di Latrobe, Pennsylvania, e Master e Ph.D. in Genetica presso l Università del Wisconsin, Madison. È stato titolare di vari corsi, tra cui quelli di genetica e di genetica di popolazioni. È stato inoltre mentore di numerosi studenti impegnati in progetti di ricerca nel suo laboratorio. Nelle prime fasi della sua carriera ha ricevuto il premio Morse-Amoco per l insegnamento dall Università del Minnesota come riconoscimento ai suoi contributi all istruzione universitaria. La sua attività di ricerca è incentrata sul significato genetico degli elementi trasponibili presenti nel genoma di Drosophila melanogaster. Ha lavorato per i comitati di consulenza dei National Institutes of Health ed è stato membro dell Editorial Board della rivista Genetics per 20 anni. Il pattinaggio artistico, una delle sue attività preferite, è particolarmente compatibile con il clima del Minnesota.

5 Prefazione Negli ultimi anni la scienza della genetica è andata incontro a enormi cambiamenti. Il DNA dei genomi, anche di quelli più grandi, adesso può essere analizzato in gran dettaglio; le funzioni dei singoli geni possono essere studiate con una serie impressionante di nuove tecniche; gli organismi possono essere modificati geneticamente introducendo nei loro genomi geni estranei o alterati. Tutti questi sviluppi hanno collocato la genetica al centro di una rivoluzione tecnologica che sta interessando l agricoltura, la medicina e la società. A livello di base, la genetica è diventata una scienza chiave qualcuno direbbe la scienza chiave della biologia. Oggi le informazioni e le analisi genetiche sono fondamentali per la ricerca in quasi tutte le discipline biologiche. La nuova edizione di Principi di Genetica è stata preparata in modo da fornire un introduzione completa e aggiornata a questa scienza così importante. Obiettivi Nel preparare questa nuova edizione, è proseguito l impegno per creare un testo che bilanci le nuove conoscenze con i principi fondamentali. Come nelle precedenti edizioni, gli obiettivi principali che ci si è riproposti sono: Focalizzare i principi fondamentali della genetica presentando gli importanti concetti di genetica classica, molecolare e di popolazioni con attenzione e in modo approfondito. La comprensione degli attuali progressi in genetica e l apprezzamento del loro significato pratico dovrebbero basarsi su un forte fondamento. Inoltre, la trattazione dell ampiezza e della profondità di ciascuna delle differenti aree della genetica classica, molecolare e di popolazioni dovrebbe essere bilanciata e la sempre crescente massa di informazioni in genetica dovrebbe essere organizzata attraverso una rete di concetti chiave robusta ma flessibile. Focalizzare il processo scientifico mostrando come i concetti scientifici si sviluppino dalle osservazioni e dalla sperimentazione. Questo libro fornisce numerosi esempi che illustrano come i principi genetici siano emersi dal lavoro di differenti scienziati. Viene enfatizzato il concetto che la genetica è un processo dinamico di osservazioni, sperimentazioni e scoperte. Ad esempio, ogni capitolo contiene un inserto, chiamato Una pietra miliare nella genetica, che focalizza l attenzione su un importante avanzamento nella genetica e su come esso abbia avuto origine. Sono presentate inoltre le evidenze sperimentali a sostegno di importanti principi genetici. Focalizzare la genetica umana includendo esempi umani e mostrando l importanza della genetica nella società. L esperienza ci ha insegnato che i nostri studenti sono interessati maggiormente alla genetica umana e che, a causa di questo interesse, comprendono più facilmente concetti complessi illustrati con esempi umani. Di conseguenza, sono stati utilizzati esempi umani per illustrare i principi genetici ogni volta che è stato possibile. Sono state anche incluse discussioni su Progetto Genoma Umano, mappatura dei geni umani, malattie genetiche umane, terapia genica e consulenza genetica. Argomenti come lo screening genetico, il DNA fingerprinting, l ingegneria genetica, la clonazione, la ricerca sulle cellule staminali e la terapia genica hanno aperto accesi dibattiti sugli aspetti sociali, legali ed etici legati alla genetica. È importante riuscire a coinvolgere gli studenti in discussioni su tali argomenti e si spera che questo libro di testo possa fornire loro degli stimoli per farlo. Focalizzare lo sviluppo di capacità critiche enfatizzando l analisi dei dati sperimentali e dei problemi. La genetica è sempre stata un po diversa dalle altre discipline biologiche, a causa della grande importanza data alla soluzione dei problemi. In questo testo è stata sottolineata la natura analitica della genetica in molti modi nello sviluppo dei principi in genetica classica, nella discussione degli esperimenti in genetica molecolare e nella presentazione dei calcoli in genetica di popolazioni. In tutto il libro è stata messa in risalto l integrazione delle evidenze sperimentali con l analisi logica nello sviluppo dei concetti chiave. Alla fine di ogni capitolo ci sono due gruppi di problemi risolti la sezione Esercizi di base, che comprende semplici problemi che illustrano l analisi genetica di base, e la sezione Verifica delle conoscenze, che comprende problemi più complessi che integrano concetti e tecniche differenti. Ogni capitolo riporta anche una serie di Domande e problemi, che aiuta gli studenti a comprendere i concetti del capitolo e a sviluppare capacità analitiche. In questa edizione, ogni capitolo comprende anche un Approfondimento sulla soluzione dei problemi, un inserto che propone un problema, elenca fatti e concetti pertinenti e quindi analizza il problema e ne presenta una soluzione. Alla fine di ogni capitolo è stata aggiunta una nuova sezione, dal titolo Genomica sul Web, che pone domande a cui si può rispondere visitando il sito web del National Center for Biotechnology Information. Grazie a queste sezioni, gli studenti potranno imparare a utilizzare il vasto archivio di informazioni genetiche accessibile via internet e ad applicare le informazioni ottenute a specifici problemi. VII

6 VIII Prefazione Contenuti e organizzazione della quarta edizione L organizzazione di questa edizione di Principi di Genetica è simile a quella delle edizioni precedenti. Tuttavia, alcuni argomenti sono stati approfonditi e molti passaggi sono stati riscritti per evidenziare il modo in cui la scienza della genetica sia cambiata nel corso degli ultimi anni. Anche la grafica è stata completamente modificata. Sono state incluse molte fotografie nuove, mentre le figure sono state ridisegnate per conferire uno stile chiaro e coerente a tutto il testo. Il testo comprende 25 capitoli due in meno rispetto alla precedente edizione. I Capitoli 1-2 introducono la scienza della genetica, le caratteristiche di base della riproduzione cellulare e alcuni degli organismi modello per la genetica; i Capitoli 3-8 presentano i concetti di genetica classica e le procedure di base per l analisi genetica dei microrganismi; i Capitoli 9-14 presentano gli argomenti della genetica molecolare, tra cui la replicazione del DNA, la trascrizione, la traduzione, la mutazione e le definizioni di gene; i Capitoli trattano argomenti più avanzati di genetica molecolare e genomica; i Capitoli trattano la regolazione dell espressione genica e le basi genetiche dello sviluppo, dell immunità e del cancro; i Capitoli presentano i concetti della genetica quantitativa, di popolazioni ed evolutiva. Durante la selezione del materiale da includere in questa edizione di Principi di Genetica, si è cercato di essere esaurienti ma non enciclopedici. Al fine di contenere la lunghezza del testo, sono state prese difficili decisioni su cosa includere e cosa escludere e si è dovuto riorganizzare parte del precedente materiale per dare spazio a sviluppi recenti della ricerca in genetica. Come nelle precedenti edizioni, si è cercato di produrre un testo che possa essere adattato a differenti tipologie di corso. Molti insegnanti preferiscono presentare gli argomenti secondo modalità simili alle nostre, iniziando con la genetica classica, affrontando poi la genetica molecolare e infine la genetica quantitativa, di popolazioni ed evolutiva. In ogni caso, questo testo è costruito in modo tale da permettere ai docenti di presentare i vari argomenti in differenti sequenze. Ad esempio, si può iniziare con la genetica molecolare di base (Capitoli 9-14), poi presentare la genetica classica (Capitoli 3-8) e successivamente procedere verso argomenti più avanzati di genetica molecolare (Capitoli 15-22), terminando il corso con la genetica quantitativa, di popolazioni ed evolutiva (Capitoli 23-25). In alternativa, i docenti possono inserire la genetica quantitativa e di popolazioni tra la classica e la molecolare. Organizzazione didattica della quarta edizione Questo testo presenta speciali caratteristiche ideate per sottolineare la rilevanza degli argomenti discussi, per facilitare la comprensione di importanti concetti e per assistere gli studenti nel valutare l apprendimento. Brevi storie di apertura dei capitoli. Ogni capitolo si apre con una breve storia che sottolinea l importanza degli argomenti discussi nel capitolo stesso. Contenuto del capitolo. I paragrafi principali di ciascun capitolo sono elencati in maniera appropriata nella prima pagina del capitolo stesso. Sommari dei paragrafi. Il contenuto di ognuno dei paragrafi principali del testo è brevemente riassunto all inizio del relativo paragrafo. Tali sommari di apertura servono a focalizzare l attenzione sulle idee più importanti sviluppate in un capitolo. Punti chiave. Questi supporti per l apprendimento sono presenti alla fine di ogni paragrafo principale di un capitolo. Hanno lo scopo di aiutare gli studenti a ripetere per gli esami e a ricapitolare le idee più importanti del capitolo. Approfondimenti. Nel testo, determinati argomenti sono presentati in inserti di Approfondimento separati. Il materiale contenuto in tali inserti supporta o sviluppa concetti, tecniche o strumenti che sono stati introdotti nel capitolo. Approfondimenti sulla soluzione dei problemi. Ogni capitolo contiene un inserto che guida gli studenti attraverso l analisi e la soluzione di un problema rappresentativo. Sono stati selezionati problemi che riguardano argomenti importanti presenti nei vari capitoli. L inserto elenca i fatti e i concetti che sono rilevanti per il problema e quindi spiega come ottenere la soluzione. Una pietra miliare nella genetica. Ogni Pietra miliare esplora un avanzamento chiave della genetica di solito un esperimento o una scoperta. Sono citate le pubblicazioni originali concernenti l argomento della Pietra miliare e sono incluse due Domande per la discussione per fornire agli studenti l opportunità di investigare il significato attuale dell argomento. Tali domande sono adatte per attività di apprendimento collettivo da svolgere in aula o per temi di riflessione che vanno al di là degli aspetti tecnici dell analisi genetica.

7 Prefazione IX Esercizi di base. Alla fine di ogni capitolo sono presentati diversi problemi svolti per rinforzare i concetti fondamentali sviluppati nel capitolo. Questi semplici esercizi sono stati concepiti per illustrare l analisi genetica di base o per enfatizzare informazioni importanti. Verifica delle conoscenze. Ogni capitolo presenta anche alcuni problemi svolti più complessi che aiutano gli studenti a sviluppare le loro capacità analitiche e di risoluzione dei problemi. I problemi di questa sezione sono concepiti per integrare differenti concetti e tecniche. Nell analisi di ogni problema si cerca di guidare passo per passo lo studente verso la soluzione. Domande e problemi. Ogni capitolo termina con una serie di domande e problemi di varia difficoltà organizzati secondo la successione degli argomenti trattati nel capitolo. Le domande e i problemi più difficili sono indicati con numeri arancioni. Questi gruppi di domande e problemi forniranno agli studenti l opportunità di potenziare la loro comprensione dei concetti proposti nei capitoli e di sviluppare ulteriormente le loro abilità analitiche. Genomica sul Web. Oggi esiste un vasto assortimento di siti web in cui sono liberamente accessibili informazioni su genomi, geni, sequenze di DNA, organismi mutanti, sequenze polipeptidiche, vie biochimiche e relazioni evolutive. I ricercatori accedono a queste informazioni di routine e gli studenti dovrebbero acquisirvi familiarità. A questo scopo è stata inserita alla fine di ogni capitolo una serie di domande a cui è possibile rispondere utilizzando il sito web del National Center for Biotechnology Information (NCBI), che è sponsorizzato dagli U.S. National Institutes of Health. Glossario. Questa sezione del libro definisce i termini più importanti. Gli studenti la troveranno utile per fare chiarezza sugli argomenti e prepararsi per gli esami. Risposte. Alla fine del libro sono state incluse le risposte alle domande e ai problemi con numero dispari. Supporti didattici I docenti che utilizzano il testo a scopo didattico possono richiedere il materiale iconografico del volume al fine di preparare presentazioni Power Point o stampare lucidi ad alta definizione.

8 Indice generale Capitolo 1 La scienza della genetica 1 Il genoma personale 1 Un invito 2 Tre importanti pietre miliari nella genetica 2 MENDEL: I GENI E LE REGOLE DELL EREDITARIETÀ 2 WATSON E CRICK: LA STRUTTURA DEL DNA 3 IL PROGETTO GENOMA UMANO: LA DETERMINAZIONE DELLA SEQUENZA DEL DNA E LA CATALOGAZIONE DEI GENI 4 Il DNA come materiale genetico 5 REPLICAZIONE DEL DNA: LA PROPAGAZIONE DELL INFORMAZIONE GENETICA 5 ESPRESSIONE GENICA: L USO DELL INFORMAZIONE GENETICA 6 MUTAZIONE: IL CAMBIAMENTO DELL INFORMAZIONE GENETICA 8 La genetica e l evoluzione 9 I livelli dell analisi genetica 10 GENETICA CLASSICA 10 GENETICA MOLECOLARE 11 GENETICA DI POPOLAZIONI 11 La genetica nel mondo: le applicazioni della genetica nelle attività umane 11 LA GENETICA IN AGRICOLTURA 11 LA GENETICA IN MEDICINA 13 LA GENETICA NELLA SOCIETÀ 14 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: X174, il primo genoma a DNA di cui è stata determinata la sequenza 14 Capitolo 2 La riproduzione cellulare e gli organismi modello in genetica 18 Dolly 18 Le cellule e i cromosomi 19 L AMBIENTE CELLULARE 19 LE CELLULE PROCARIOTICHE ED EUCARIOTICHE 19 IL CROMOSOMA: IL SITO IN CUI SONO LOCALIZZATI I GENI 22 LA DIVISIONE CELLULARE 23 La mitosi 24 La meiosi 26 MEIOSI I 27 MEIOSI II E RISULTATI DELLA MEIOSI 31 La genetica in laboratorio: un introduzione ad alcuni organismi modello per la ricerca 33 PROBLEMI Conteggio di cromosomi e cromatidi 34 ESCHERICHIA COLI, UN BATTERIO 34 SACCHAROMYCES CEREVISIAE, IL LIEVITO DI BIRRA 35 ANIMALI INVERTEBRATI: DROSOPHILA MELANOGASTER, IL MOSCERINO DELLA FRUTTA, E CAENORHABDITIS ELEGANS, UN VERME CILINDRICO 35 ANIMALI VERTEBRATI: MUS MUSCULUS, IL TOPO, E DANIO RERIO, IL PESCE ZEBRA 37 ARABIDOPSIS THALIANA, UNA PIANTA A CRESCITA RAPIDA 37 HOMO SAPIENS, LA NOSTRA SPECIE 38 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: La coltura di cellule umane 39 Capitolo 3 Mendelismo: i principi alla base dell ereditarietà 43 La nascita della genetica: una rivoluzione scientifica 43 Lo studio di Mendel dell ereditarietà 44 L ORGANISMO SPERIMENTALE DI MENDEL, IL PISELLO DA ORTO 44 INCROCI TRA MONOIBRIDI: LE LEGGI DELLA DOMINANZA E DELLA SEGREGAZIONE 44 INCROCI TRA DIIBRIDI: LA LEGGE DELL ASSORTIMENTO INDIPENDENTE 47 Applicazioni delle leggi di Mendel 49 IL METODO DEL QUADRATO DI PUNNETT 49 IL METODO DELLA BIFORCAZIONE O DELLO SCHEMA RAMIFICATO 49 IL METODO DELLA PROBABILITÀ 49 APPROFONDIMENTO Regole della probabilità 50 Verifica delle ipotesi genetiche 52 IL TEST DEL CHI-QUADRO 52 Principi mendeliani in genetica umana 55 ALBERI GENEALOGICI 56 SEGREGAZIONE MENDELIANA NELLE FAMIGLIE UMANE 57 CONSULENZA GENETICA 57 APPROFONDIMENTO Probabilità binomiali 58 PROBLEMI Come formulare previsioni in base agli alberi genealogici 59 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Il lavoro di Mendel del

9 XII Indice generale Capitolo 4 Estensioni del mendelismo 67 La genetica si diffonde oltre il giardino del monastero di Mendel 67 Variabilità allelica e funzione genica 68 DOMINANZA INCOMPLETA E CODOMINANZA 68 ALLELI MULTIPLI 69 SERIE ALLELICHE 70 SAGGIO DELL ALLELISMO DELLE MUTAZIONI GENICHE 70 VARIABILITÀ DEGLI EFFETTI DELLE MUTAZIONI 71 LA FUNZIONE DEI GENI È LA PRODUZIONE DI POLIPEPTIDI 72 PERCHÉ ALCUNE MUTAZIONI SONO DOMINANTI E ALTRE RECESSIVE? 72 APPROFONDIMENTO Simboli genetici 73 Azione genica: dal genotipo al fenotipo 75 INFLUENZA DELL AMBIENTE 75 EFFETTI DELL AMBIENTE SULL ESPRESSIONE DEI GENI UMANI 75 PENETRANZA ED ESPRESSIVITÀ 76 INTERAZIONI GENICHE 76 EPISTASI 77 PLEIOTROPIA 79 Inincrocio: un altro sguardo agli alberi genealogici 80 EFFETTI DELL ININCROCIO 80 PROBLEMI Dalle vie metaboliche ai rapporti fenotipici 81 ANALISI GENETICA DELL ININCROCIO 81 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Gli errori congeniti del metabolismo di Garrod 84 MISURAZIONE DELLE RELAZIONI GENETICHE 87 Capitolo 5 Le basi cromosomiche del mendelismo 93 Sesso, cromosomi e geni 93 I cromosomi 94 IL NUMERO CROMOSOMICO 94 I CROMOSOMI SESSUALI 94 La teoria cromosomica dell ereditarietà 95 L EVIDENZA SPERIMENTALE CHE COLLEGA L EREDITARIETÀ DEI GENI AI CROMOSOMI 96 IL CROMOSOMA COME INSIEME DI GENI 97 LA NON-DISGIUNZIONE COME PROVA DELLA TEORIA CROMOSOMICA 97 LE BASI CROMOSOMICHE DEI PRINCIPI DI MENDEL DELLA SEGREGAZIONE E DELL ASSORTIMENTO INDIPENDENTE 99 I geni legati al sesso negli esseri umani 101 L EMOFILIA, UN DISORDINE DELLA COAGULAZIONE DEL SANGUE LEGATO AL CROMOSOMA X 101 IL DALTONISMO, UN DISTURBO GENETICO LEGATO AL CROMOSOMA X CHE COLPISCE LA VISTA 101 I GENI SUL CROMOSOMA Y UMANO 102 PROBLEMI Percorso dell eredità legata all X e autosomica 103 I GENI PRESENTI SIA SUL CROMOSOMA X CHE SUL CROMOSOMA Y 103 APPROFONDIMENTO Emofilia 104 I cromosomi sessuali e la determinazione del sesso 105 LA DETERMINAZIONE DEL SESSO NEGLI ESSERI UMANI 105 LA DETERMINAZIONE DEL SESSO IN DROSOPHILA 106 LA DETERMINAZIONE DEL SESSO IN ALTRI ANIMALI 107 La compensazione del dosaggio dei geni legati al cromosoma X 108 IPERATTIVAZIONE DEI GENI LEGATI AL CROMOSOMA X NEI MASCHI DI DROSOPHILA 108 INATTIVAZIONE DEI GENI LEGATI AL CROMOSOMA X NELLE FEMMINE DEI MAMMIFERI 108 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: La stanza dei moscerini di Morgan 109 Capitolo 6 Variazioni nel numero e nella struttura dei cromosomi 115 Cromosomi, agricoltura e civiltà 115 Tecniche citologiche 116 ANALISI DEI CROMOSOMI MITOTICI 116 IL CARIOTIPO UMANO 117 VARIAZIONI CITOGENETICHE: UNA RASSEGNA GENERALE 118 Poliploidia 119 POLIPLOIDI STERILI 120 POLIPLOIDI FERTILI 121 LA POLIPLOIDIA TESSUTO-SPECIFICA E LA POLITENIA 122 Aneuploidia 123 LA TRISOMIA NEGLI ESSERI UMANI 124 MONOSOMIA 125 APPROFONDIMENTO Amniocentesi e biopsia coriale 127 DELEZIONI E DUPLICAZIONI DI SEGMENTI CROMOSOMICI 128 PROBLEMI Schema della non-disgiunzione dei cromosomi del sesso 128 Riarrangiamenti della struttura cromosomica 130 INVERSIONI 130 TRASLOCAZIONI 131 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Tjio e Levan scoprono il corretto numero dei cromosomi umani 132 CROMOSOMI COMPOSTI E TRASLOCAZIONI ROBERTSONIANE 132

10 Indice generale XIII Capitolo 7 Associazione, crossing over e mappe cromosomiche negli eucarioti 140 La prima mappa cromosomica al mondo 140 Associazione, ricombinazione e crossing over 141 PRIME EVIDENZE DELLA CONCATENAZIONE E DELLA RICOMBINAZIONE 141 IL CROSSING OVER COME BASE FISICA DELLA RICOMBINAZIONE 143 PROVE CHE IL CROSSING OVER DETERMINA RICOMBINAZIONE 145 I CHIASMI E IL MOMENTO DEL CROSSING OVER 145 Mappe cromosomiche 146 CROSSING OVER COME MISURA DELLA DISTANZA DI MAPPA 147 MAPPATURA PER RICOMBINAZIONE CON REINCROCI A DUE PUNTI 147 MAPPATURA PER RICOMBINAZIONE CON REINCROCI A TRE PUNTI 148 PROBLEMI Usare la mappa genetica per predire il risultato di un incrocio 151 FREQUENZA DI RICOMBINAZIONE E DISTANZA DI MAPPA 151 FREQUENZA DEI CHIASMI E DISTANZA DI MAPPA 153 Mappe citogenetiche 153 LOCALIZZAZIONE DEI GENI MEDIANTE L UTILIZZO DI DELEZIONI E DUPLICAZIONI 153 DISTANZA GENETICA E DISTANZA FISICA 155 Analisi delle tetradi nei funghi 156 ANALISI DELLA CONCATENAZIONE E MAPPATURA DEI GENI IN LIEVITO 157 MAPPATURA DEI CENTROMERI USANDO I DATI DELLE TETRADI ORDINATE 159 Analisi di associazione nell uomo 161 Ricombinazione ed evoluzione 163 SIGNIFICATO EVOLUTIVO DELLA RICOMBINAZIONE 163 INVERSIONI COME SOPPRESSORI DELLA RICOMBINAZIONE 163 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Mappatura del gene del morbo di Huntington 164 CONTROLLO GENETICO DELLA RICOMBINAZIONE 167 Capitolo 8 La genetica dei batteri e dei loro virus 177 I batteri con ampio spettro di resistenza agli antibiotici 177 Virus e batteri in genetica 178 La genetica dei virus 178 I BATTERIOFAGI T4 E LAMBDA 179 MAPPATURA DEI GENI NEI BATTERIOFAGI 182 IL BATTERIOFAGO T4: UN CROMOSOMA LINEARE CON UNA MAPPA GENETICA CIRCOLARE 184 La genetica dei batteri 186 GENI MUTANTI NEI BATTERI 187 TRASFERIMENTO GENICO UNIDIREZIONALE NEI BATTERI 187 Meccanismi di scambio genetico nei batteri 188 TRASFORMAZIONE 189 CONIUGAZIONE 192 TRASDUZIONE 196 PLASMIDI ED EPISOMI 198 APPROFONDIMENTO Abuso di antibiotici 199 I FATTORI F E LA SESDUZIONE 200 USO DEI DIPLOIDI PARZIALI PER LA MAPPATURA DI GENI STRETTAMENTE ASSOCIATI 201 PROBLEMI Mappatura dei geni con la coniugazione in E. coli 202 Il significato evolutivo dello scambio genetico nei batteri 203 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: La coniugazione in Escherichia coli 204 Capitolo 9 Il DNA e la struttura molecolare dei cromosomi 210 La scoperta della nucleina 210 Funzioni del materiale genetico 211 Dimostrazione che l informazione genetica è contenuta nel DNA 211 LA PROVA CHE IL DNA MEDIA LA TRASFORMAZIONE 211 DIMOSTRAZIONE CHE IL DNA PORTA L INFORMAZIONE GENETICA NEL BATTERIOFAGO T2 212 DIMOSTRAZIONE CHE IN ALCUNI VIRUS L INFORMAZIONE GENETICA È CONTENUTA NELL RNA 214 I VIROIDI, MOLECOLE DI RNA NUDE, INFETTIVE ED EREDITABILI 215 I PRIONI, PROTEINE INFETTIVE ED EREDITABILI 215 Struttura del DNA e dell RNA 215 LA NATURA DELLE SUBUNITÀ CHIMICHE CHE COMPONGONO IL DNA E L RNA 216 STRUTTURA DEL DNA: LA DOPPIA ELICA 217 STRUTTURA DEL DNA: FORME ALTERNATIVE DELLA DOPPIA ELICA 220 PROBLEMI Calcolare il contenuto in basi del DNA 221 STRUTTURA DEL DNA: SUPERAVVOLGIMENTI NEGATIVI IN VIVO 221 Struttura del cromosoma nei procarioti e nei virus 222 Struttura dei cromosomi negli eucarioti 224 COMPOSIZIONE CHIMICA DEI CROMOSOMI DEGLI EUCARIOTI 224 UNA SOLA GRANDE MOLECOLA DI DNA PER CROMOSOMA 225 I TRE LIVELLI DI IMPACCHETTAMENTO DEL DNA NEI CROMOSOMI DEGLI EUCARIOTI 228 CENTROMERI E TELOMERI 232

11 XIV Indice generale APPROFONDIMENTO Ibridazione in situ 234 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: La doppia elica 236 LE SEQUENZE DI DNA RIPETUTE 239 Capitolo 10 Replicazione del DNA e dei cromosomi 244 I gemelli monozigoti sono davvero identici? 244 Caratteristiche fondamentali della replicazione del DNA in vivo 245 REPLICAZIONE SEMICONSERVATIVA 245 APPROFONDIMENTO Tecniche di centrifugazione 246 VISUALIZZAZIONE DELLE FORCINE DI REPLICAZIONE MEDIANTE AUTORADIOGRAFIA 248 PROBLEMI Predire il profilo di marcatura con 3 H dei cromosomi 249 ORIGINI DI REPLICAZIONE PECULIARI 251 REPLICAZIONE BIDIREZIONALE 252 DNA polimerasi e sintesi del DNA in vitro 255 LA SCOPERTA DELLA DNA POLIMERASI I IN ESCHERICHIA COLI 255 TANTE DNA POLIMERASI 256 DNA POLIMERASI III: LA REPLICASI DI ESCHERICHIA COLI 257 ATTIVITÀ DI CORREZIONE DELLE BOZZE DELLE DNA POLIMERASI 258 Il complesso apparato della replicazione 260 SINTESI CONTINUA DI UN FILAMENTO E SINTESI DISCONTINUA DELL ALTRO FILAMENTO 260 CHIUSURA COVALENTE DELLE INTERRUZIONI NEL DNA PER AZIONE DELLA DNA LIGASI 260 INIZIO DI CATENE DI DNA CON INNESCHI DI RNA 261 SVOLGIMENTO DEL DNA AD OPERA DI ELICASI, PROTEINE CHE LEGANO IL DNA E TOPOISOMERASI 262 L APPARATO DI REPLICAZIONE: PROTEINE PREINNESCO, PRIMOSOMI E REPLISOMI 265 REPLICAZIONE A CERCHIO ROTANTE 268 Aspetti peculiari della replicazione dei cromosomi eucariotici 269 IL CICLO CELLULARE 269 REPLICONI MULTIPLI IN OGNI CROMOSOMA 269 DUE O PIÙ DNA POLIMERASI A OGNI SINGOLA FORCINA DI REPLICAZIONE 270 DUPLICAZIONE DEI NUCLEOSOMI ALLA FORCINA DI REPLICAZIONE 271 TELOMERASI: LA REPLICAZIONE DELLE ESTREMITÀ DEI CROMOSOMI 272 LUNGHEZZA DEI TELOMERI E INVECCHIAMENTO NELL UOMO 273 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Il DNA è replicato in modo semiconservativo 274 Capitolo 11 Trascrizione e maturazione dell RNA 282 Conservazione e trasmissione dell informazione attraverso codici semplici 282 Trasferimento dell informazione genetica: il dogma centrale 283 TRASCRIZIONE E TRADUZIONE 283 CINQUE TIPI DI MOLECOLE DI RNA 284 Il processo dell espressione genica 286 UN INTERMEDIO: L mrna 286 ASPETTI GENERALI DELLA SINTESI DELL RNA 286 APPROFONDIMENTO Prova dell esistenza di un RNA messaggero instabile 287 Trascrizione nei procarioti 289 RNA POLIMERASI: ENZIMI COMPLESSI 289 PROBLEMI Distinzione tra gli RNA trascritti dal DNA stampo virale e quelli trascritti dal DNA stampo della cellula ospite 290 INIZIO DELLE CATENE DI RNA 290 ALLUNGAMENTO DELLE CATENE DI RNA 291 TERMINAZIONE DELLE CATENE DI RNA 291 TRASCRIZIONE, TRADUZIONE E DEGRADAZIONE CONTEMPORANEE DELL mrna 293 Trascrizione e maturazione dell RNA negli eucarioti 293 TRE RNA POLIMERASI/TRE GRUPPI DI GENI 295 INIZIO DELLE CATENE DI RNA 295 ALLUNGAMENTO DELLA CATENA DI RNA E AGGIUNTA DEL CAP DI METIL GUANOSINA AL TERMINAZIONE PER TAGLIO DELLA CATENA E AGGIUNTA DELLA CODA DI POLI(A) AL EDITING DELL RNA: ALTERAZIONE DELL INFORMAZIONE CONTENUTA NELLE MOLECOLE DI mrna 298 Geni interrotti negli eucarioti: esoni e introni 299 ALCUNI GENI EUCARIOTICI SONO MOLTO LUNGHI 299 INTRONI: SIGNIFICATO BIOLOGICO? 300 Rimozione delle sequenze introniche tramite splicing dell RNA 300 SPLICING DEI PRECURSORI DEI trna: ATTIVITÀ NUCLEASICA E LIGASICA SPECIFICHE 301 SPLICING AUTOCATALITICO 301 SPLICING DEI PRE-mRNA: snrna, snrnp E SPLICEOSOMA 303 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Gli introni 304 Capitolo 12 La traduzione e il codice genetico 312 L anemia falciforme: gli effetti devastanti della sostituzione di una singola coppia di basi 312 La struttura delle proteine 313 I POLIPEPTIDI: VENTI SUBUNITÀ AMINOACIDICHE DIFFERENTI 313

12 Indice generale XV LE PROTEINE: COMPLESSE STRUTTURE TRIDIMENSIONALI 313 Sintesi proteica: la traduzione 316 UNO SGUARDO GENERALE ALLA SINTESI PROTEICA 316 COMPONENTI RICHIESTI PER LA SINTESI PROTEICA: I RIBOSOMI 317 COMPONENTI RICHIESTI PER LA SINTESI PROTEICA: GLI RNA TRANSFER 318 TRADUZIONE: LA SINTESI DEI POLIPEPTIDI UTILIZZANDO STAMPI DI mrna 321 Il codice genetico 329 LE PROPRIETÀ DEL CODICE GENETICO: UNA VISIONE GENERALE 329 TRE NUCLEOTIDI PER CODONE 329 LA DECIFRAZIONE DEL CODICE 331 CODONI D INIZIO E DI TERMINAZIONE 331 UN CODICE DEGENERATO E ORDINATO 331 UN CODICE QUASI UNIVERSALE 332 PROBLEMI Predire sostituzioni aminoacidiche indotte da mutageni 333 Interazioni codoni-trna 334 RICONOSCIMENTO DEI CODONI DA PARTE DEI trna: IPOTESI DEL VACILLAMENTO 334 MUTAZIONI A SOPPRESSORE CHE PRODUCONO trna CON ALTERATE CAPACITÀ DI RICONOSCIMENTO 335 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: La decifrazione del codice genetico 336 La conferma in vivo della natura del codice genetico 338 Capitolo 13 Mutazione, riparazione del DNA e ricombinazione 343 Xeroderma pigmentosum: un difetto nella riparazione del DNA danneggiato nell uomo 343 La mutazione: fonte della variabilità genetica necessaria per l evoluzione 344 La mutazione: caratteristiche fondamentali del processo 344 LA MUTAZIONE: SOMATICA O GERMINALE 344 LA MUTAZIONE: SPONTANEA O INDOTTA 345 LA MUTAZIONE: UN PROCESSO DI SOLITO CASUALE E NON ADATTATIVO 345 LA MUTAGENESI ADATTATIVA, O IN FASE STAZIONARIA, NEI BATTERI 347 LA MUTAZIONE: UN PROCESSO REVERSIBILE 348 La mutazione: effetti fenotipici 349 MUTAZIONI CON EFFETTI FENOTIPICI: SOLITAMENTE DANNOSE E RECESSIVE 349 EFFETTI DELLE MUTAZIONI NEI GENI DELLE GLOBINE UMANE 350 LA MUTAZIONE NELL UOMO: BLOCCHI NELLE VIE METABOLICHE 351 MUTAZIONI LETALI CONDIZIONALI: UN POTENTE STRUMENTO PER GLI STUDI GENETICI 351 APPROFONDIMENTO La malattia di Tay-Sachs, una tragedia dell infanzia 352 Basi molecolari della mutazione 354 MUTAZIONI INDOTTE 355 MUTAZIONI INDOTTE DA SOSTANZE CHIMICHE 356 MUTAZIONI INDOTTE DA RADIAZIONI 358 PROBLEMI Predire sostituzioni aminoacidiche indotte da mutageni chimici 360 MUTAZIONI INDOTTE DA ELEMENTI GENETICI TRASPONIBILI 361 ESPANSIONE DI RIPETIZIONI DI TRIPLETTE NUCLEOTIDICHE E MALATTIE UMANE EREDITARIE 362 Identificazione di sostanze chimiche mutagene: il test di Ames 363 Meccanismi di riparazione del DNA 364 RIPARAZIONE DIPENDENTE DALLA LUCE 365 RIPARAZIONE PER ESCISSIONE 365 ALTRI MECCANISMI DI RIPARAZIONE 366 Malattie umane ereditarie causate da difetti nella riparazione del DNA 368 Meccanismi di ricombinazione del DNA 369 LA RICOMBINAZIONE: TAGLIO E RICUCITURA DELLE MOLECOLE DI DNA 370 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Muller dimostra che i raggi X sono mutageni 372 LA CONVERSIONE GENICA: SINTESI DI RIPARAZIONE DEL DNA ASSOCIATA CON LA RICOMBINAZIONE 374 Capitolo 14 Definizione del concetto di gene 382 Che cos è la vita? 382 Evoluzione del concetto di gene: riassunto 383 Evoluzione del concetto di gene: funzione 385 MENDEL: FATTORI COSTANTI CHE CONTROLLANO I CARATTERI FENOTIPICI 385 GARROD: UN GENE MUTANTE-UN BLOCCO METABOLICO 385 BEADLE E TATUM: UN GENE-UN ENZIMA 386 UN GENE-UN POLIPEPTIDE 386 APPROFONDIMENTO Genoma umano: quanti geni? 388 Evoluzione del concetto di gene: struttura 388 IL CONCETTO ANTERIORE AL 1940: IL FILO DI PERLE 388 SCOPERTA DELLA RICOMBINAZIONE ALL INTERNO DEL GENE 389 RICOMBINAZIONE TRA COPPIE NUCLEOTIDICHE ADIACENTI 389 COLINEARITÀ TRA LA SEQUENZA CODIFICANTE DI UN GENE E IL SUO PRODOTTO POLIPEPTIDICO 390 Una definizione genetica del gene 393 IL TEST DI COMPLEMENTAZIONE COME MEZZO PER DEFINIRE IL GENE OPERATIVAMENTE 393 COMPLEMENTAZIONE INTRAGENICA 395 PROBLEMI Attribuzione delle mutazioni ai geni 398

13 XVI Indice generale LIMITI DELLA VALIDITÀ DEL TEST DI COMPLEMENTAZIONE 399 Il locus rii del batteriofago T4 399 I MUTANTI rii SONO LETALI CONDIZIONALI 399 IL TEST DI COMPLEMENTAZIONE DIMOSTRA CHE IL LOCUS rii È COSTITUITO DA DUE GENI 400 MAPPATURA DELLE MUTAZIONI rii ATTRAVERSO INCROCI A DUE FATTORI 400 MAPPATURA PER DELEZIONE 400 IL LOCUS rii: MOLTE MUTAZIONI IN DUE GENI ADIACENTI 403 Geni nei geni nel batteriofago X Relazioni gene-proteina 406 SPLICING ALTERNATIVO: ISOFORME PROTEICHE 407 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: L effetto di posizione cis-trans di Lewis 408 ASSEMBLAGGIO DEI GENI DURANTE LO SVILUPPO: LE CATENE DEGLI ANTICORPI UMANI 408 Capitolo 15 Le tecniche della genetica molecolare 418 Trattamento del nanismo ipofisario con l ormone della crescita umano 418 Tecniche fondamentali usate per identificare, amplificare e clonare i geni 419 LA SCOPERTA DELLE ENDONUCLEASI DI RESTRIZIONE 420 LA PRODUZIONE IN VITRO DI MOLECOLE DI DNA RICOMBINANTE 422 AMPLIFICAZIONE DELLE MOLECOLE DI DNA RICOMBINANTE NEI VETTORI DI CLONAGGIO 422 AMPLIFICAZIONE DI SEQUENZE DI DNA TRAMITE LA REAZIONE DI POLIMERIZZAZIONE A CATENA (PCR) 429 Costruzione e analisi di librerie di DNA 431 COSTRUZIONE DI LIBRERIE GENOMICHE 431 COSTRUZIONE DI LIBRERIE DI cdna 431 ANALISI DI LIBRERIE DI DNA PER L ISOLAMENTO DI GENI D INTERESSE 432 Mutagenesi sito-specifica utilizzando la PCR 433 L analisi molecolare di DNA, RNA e proteine 435 ANALISI DEL DNA MEDIANTE IBRIDAZIONE PER SOUTHERN BLOT 435 ANALISI DELL RNA MEDIANTE IBRIDAZIONE PER NORTHERN BLOT 437 APPROFONDIMENTO Identificazione del gene mutante che causa la fibrosi cistica 438 ANALISI DEGLI RNA CON LA TECNICA RT-PCR 439 ANALISI DELLE PROTEINE CON LA TECNICA DEL WESTERN BLOTTING 439 L analisi molecolare di geni e cromosomi 441 MAPPE FISICHE DI MOLECOLE DI DNA BASATE SUI SITI DI TAGLIO DEGLI ENZIMI DI RESTRIZIONE 441 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Endonucleasi di restrizione 442 SEQUENZE NUCLEOTIDICHE DI GENI E CROMOSOMI 444 PROBLEMI Determinazione delle sequenze nucleotidiche di elementi genetici 448 Capitolo 16 Genomica 456 Prospettive della genetica umana in Islanda 456 APPROFONDIMENTO GenBank 459 Genomica: un quadro generale 461 Correlazione tra mappe genetiche, citologiche e fisiche dei cromosomi 462 MAPPE DEI POLIMORFISMI DI LUNGHEZZA DEI FRAMMENTI DI RESTRIZIONE (RFLP) E DEI MICROSATELLITI 463 MAPPE CITOGENETICHE 464 MAPPE FISICHE E BANCHE DI CLONI 465 Clonaggio posizionale dei geni 466 CAMMINI CROMOSOMICI 467 SALTI CROMOSOMICI 468 Il Progetto Genoma Umano 469 MAPPATURA DEL GENOMA UMANO 470 SEQUENZIAMENTO DEL GENOMA UMANO 471 IL PROGETTO HAPMAP NELL UOMO 473 Saggi su RNA e proteine per lo studio delle funzioni del genoma 475 SEQUENZE ESPRESSE 475 IBRIDAZIONI SU ARRAY E GENE-CHIP 476 UTILIZZO DELLA GREEN FLUORESCENT PROTEIN COME MARCATORE DELLA SINTESI PROTEICA 477 Genomica comparativa 479 BIOINFORMATICA 480 GENOMI PROCARIOTICI 482 I GENOMI DEI CLOROPLASTI E DEI MITOCONDRI 484 I GENOMI MITOCONDRIALI 484 I GENOMI CLOROPLASTIDIALI 486 GENOMI EUCARIOTICI 486 L EVOLUZIONE DEI GENOMI DEI CEREALI 489 L EVOLUZIONE DEI GENOMI DEI MAMMIFERI 489 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Due bozze della sequenza del genoma umano 490 PROBLEMI Uso della bioinformatica per lo studio di sequenze di DNA 493 Capitolo 17 Applicazioni della genetica molecolare 499 Identificazione della mutazione Tay-Sachs in preembrioni umani di otto cellule 499 Uso della tecnologia del DNA ricombinante per l identificazione di geni umani 500 LA MALATTIA DI HUNTINGTON 500 LA FIBROSI CISTICA 501

14 Indice generale XVII PROBLEMI Analisi per gli alleli mutanti che causano ritardo mentale da X fragile 503 Diagnosi molecolare delle malattie umane 505 Terapia genica nell uomo 506 DNA fingerprint, l impronta del DNA 511 TEST DI PATERNITÀ 512 APPLICAZIONI FORENSI 512 Produzione di proteine eucariotiche nei batteri 513 L ORMONE DELLA CRESCITA UMANO 513 PROTEINE CON APPLICAZIONI INDUSTRIALI 514 Piante e animali transgenici 515 ANIMALI TRANSGENICI: MICROINIEZIONI DI DNA IN UOVA FECONDATE E TRASFEZIONE DI CELLULE STAMINALI EMBRIONALI 515 PIANTE TRANSGENICHE: IL PLASMIDE TI DI AGROBACTERIUM TUMEFACIENS 517 Genetica inversa: dissezione dei processi biologici attraverso l inibizione dell espressione genica 519 APPROFONDIMENTO Cibi GM: sono sicuri? 520 RNA ANTISENSO 520 MUTAZIONI KNOCKOUT NEL TOPO 522 INSERZIONI DI T-DNA E DI TRASPOSONI 524 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Ripetizioni di trinucleotidi e malattie umane 526 INTERFERENZA A RNA 529 Capitolo 18 Elementi genetici trasponibili 535 Il mais: un alimento di base con un retaggio culturale 535 Elementi trasponibili: una visione d insieme 536 Elementi trasponibili nei batteri 537 ELEMENTI IS 537 TRASPOSONI COMPOSITI 538 ELEMENTI Tn3 539 L IMPORTANZA DEI TRASPOSONI BATTERICI IN MEDICINA 540 Elementi trasponibili taglia-e-cuci negli eucarioti 541 ELEMENTI Ac E Ds NEL MAIS 541 APPROFONDIMENTO Barbara McClintock, la scopritrice degli elementi trasponibili 542 PROBLEMI Analizzare l attività dei trasposoni nel mais 544 ELEMENTI P E DISGENESI DEGLI IBRIDI IN DROSOPHILA 544 MARINER, UN TRASPOSONE ANTICO E MOLTO DIFFUSO 546 Retrovirus e retrotrasposoni 547 RETROVIRUS 547 ELEMENTI RETROVIRUS-SIMILI 549 RETROPOSONI 552 Elementi trasponibili nell uomo 553 Il significato genetico ed evolutivo degli elementi trasponibili 555 I TRASPOSONI E L ORGANIZZAZIONE DEL GENOMA 555 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Trasformazione di Drosophila con elementi P 556 TRASPOSONI E MUTAZIONE 556 ASPETTI EVOLUTIVI RIGUARDANTI GLI ELEMENTI TRASPONIBILI 557 Capitolo 19 Regolazione dell espressione genica nei procarioti e nei loro virus 563 Il sogno di d Hérelle di curare la dissenteria nell uomo con la terapia fagica 563 Espressione genica costitutiva, inducibile e reprimibile 564 Regolazione positiva e negativa dell espressione genica 566 Operoni: gruppi di geni regolati in modo coordinato 568 L operone del lattosio in E. coli: induzione e repressione da catabolita 570 INDUZIONE 570 REPRESSIONE DA CATABOLITA 572 APPROFONDIMENTO Interazioni proteine-dna che controllano la trascrizione dell operone lac 574 L operone del triptofano in E. coli: repressione e attenuazione 576 REPRESSIONE 576 ATTENUAZIONE 576 PROBLEMI Verifica la comprensione dell operone lac 577 Il batteriofago lambda: repressione dei geni del ciclo litico durante la lisogenia 581 Sequenza temporale dell espressione genica durante l infezione fagica 583 Controllo traduzionale dell espressione genica 583 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Jacob, Monod e il modello dell operone 586 Meccanismi di regolazione post-traduzionali 588 Capitolo 20 Regolazione dell espressione genica negli eucarioti 593 I tripanosomi africani: un guardaroba di travestimenti molecolari 593 Modalità di regolazione dell espressione genica negli eucarioti: una panoramica 594

15 XVIII Indice generale LIVELLI DELLA REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI 594 TRASCRIZIONE CONTROLLATA DEL DNA 594 SPLICING ALTERNATIVO DELL RNA 595 CONTROLLO CITOPLASMATICO DELLA STABILITÀ DELL RNA MESSAGGERO 596 Induzione dell attività trascrizionale da parte di fattori ambientali e biologici 596 LA TEMPERATURA: I GENI HEAT-SHOCK 596 LA LUCE: I GENI DELLA RIBULOSIO 1,5-BISFOSFATO CARBOSSILASI NELLE PIANTE 597 MOLECOLE SEGNALE: GENI CHE RISPONDONO AGLI ORMONI 597 Controllo molecolare della trascrizione negli eucarioti 600 LE SEQUENZE DI DNA COINVOLTE NEL CONTROLLO DELLA TRASCRIZIONE 600 PROTEINE COINVOLTE NEL CONTROLLO DELLA TRASCRIZIONE: FATTORI DI TRASCRIZIONE 602 PROBLEMI Definizione delle sequenze richieste per l espressione genica 603 Regolazione post-trascrizionale dell espressione genica mediante RNA interference 604 ASPETTI DELLA RNAi 604 APPROFONDIMENTO GAL4, un fattore di trascrizione di lievito 606 FONTI DI SHORT INTERFERING RNA E microrna 606 Espressione genica e organizzazione cromosomica 609 TRASCRIZIONE NELLE ANSE DEI CROMOSOMI A SPAZZOLA 609 TRASCRIZIONE NEI PUFF DEI CROMOSOMI POLITENICI 609 ORGANIZZAZIONE MOLECOLARE DEL DNA TRASCRIZIONALMENTE ATTIVO 610 RIMODELLAMENTO DELLA CROMATINA 611 EUCROMATINA ED ETEROCROMATINA 611 SILENZIAMENTO GENICO 612 METILAZIONE DEL DNA E IMPRINTING 616 AMPLIFICAZIONE GENICA 616 Attivazione e inattivazione di interi cromosomi 618 INATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X NEI MAMMIFERI 618 IPERATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X IN DROSOPHILA 619 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: La scoperta della RNA interference 620 IPOATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X IN CAENORHABDITIS 622 Capitolo 21 Il controllo genetico dello sviluppo animale 627 Terapia delle cellule staminali 627 Organismi modello per l analisi genetica dello sviluppo 628 ASPETTI GENERALI DELLO SVILUPPO DI DROSOPHILA 628 ASPETTI GENERALI DELLO SVILUPPO DI C. ELEGANS 629 Analisi genetica dei programmi di sviluppo 630 DETERMINAZIONE DEL SESSO IN DROSOPHILA 631 DETERMINAZIONE DEL SESSO IN C. ELEGANS 634 Attività dei geni materni durante lo sviluppo 635 GENI A EFFETTO MATERNO 635 APPROFONDIMENTO Fruitless 636 DETERMINAZIONE DEGLI ASSI DORSO-VENTRALE E ANTERO-POSTERIORE NEGLI EMBRIONI DI DROSOPHILA 637 Attività dei geni zigotici durante lo sviluppo 640 SEGMENTAZIONE DEL CORPO 640 FORMAZIONE DEGLI ORGANI 642 SPECIFICAZIONE DEI TIPI CELLULARI 644 Analisi genetica dello sviluppo nei vertebrati 645 PROBLEMI Dissezione di un programma di differenziamento cellulare usando le mutazioni 646 GENI DEI VERTEBRATI OMOLOGHI A QUELLI DEGLI INVERTEBRATI 646 IL TOPO: MUTAZIONI INSERZIONALI CASUALI E MUTAZIONI KNOCKOUT GENE-SPECIFICHE 647 IL PESCE ZEBRA (ZEBRA FISH): MUTAZIONI KNOCKDOWN CON IL MORFOLINO 648 STUDI CON LE CELLULE STAMINALI DEI MAMMIFERI 649 CLONAZIONE RIPRODUTTIVA 650 CAMBIAMENTI GENETICI DURANTE IL DIFFERENZIAMENTO DELLE CELLULE IMMUNITARIE DEI VERTEBRATI 651 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Mutazioni che alterano la segmentazione in Drosophila 652 Capitolo 22 Le basi genetiche del cancro 659 La storia molecolare di una famiglia 659 Il cancro: una malattia genetica 660 LE MOLTEPLICI FORME DI CANCRO 660 CANCRO E CICLO CELLULARE 661 CANCRO E MORTE CELLULARE PROGRAMMATA 661 LE BASI GENETICHE DEL CANCRO 662 Oncogeni 662 RETROVIRUS CHE INDUCONO TUMORI E ONCOGENI VIRALI 663 OMOLOGHI CELLULARI DEGLI ONCOGENI VIRALI: I PROTO ONCOGENI 664 ONCOGENI CELLULARI MUTANTI E CANCRO 665 RIARRANGIAMENTI CROMOSOMICI E CANCRO 667 Geni oncosoppressori 668 CANCRO EREDITARIO E IPOTESI DEI DUE COLPI DI KNUDSON 668 RUOLO DELLE PROTEINE SOPPRESSORI DI TUMORE NELLE CELLULE 669 PROBLEMI Stima dei tassi di mutazione nel retinoblastoma 671 Vie genetiche che portano al cancro 676 APPROFONDIMENTO Cancro e consulenza genetica 678 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: L identificazione del gene BRCA1 679

16 Indice generale XIX Capitolo 23 Ereditarietà dei caratteri complessi 684 Malattie cardiovascolari: una combinazione di fattori genetici e ambientali 684 Caratteri complessi 685 CARATTERI COMPLESSI QUANTIFICABILI 685 FATTORI GENETICI E AMBIENTALI INFLUENZANO I CARATTERI QUANTITATIVI 685 PIÙ GENI INFLUENZANO I CARATTERI QUANTITATIVI 685 CARATTERI SOGLIA 687 Statistica della genetica quantitativa 687 DISTRIBUZIONI DI FREQUENZA 688 LA MEDIA E LA CLASSE MODALE 688 LA VARIANZA E LA DEVIAZIONE STANDARD 689 Analisi dei caratteri quantitativi 690 L IPOTESI MULTIFATTORIALE 690 SCOMPOSIZIONE DELLA VARIANZA FENOTIPICA 690 EREDITABILITÀ IN SENSO LATO 691 EREDITABILITÀ IN SENSO STRETTO 691 PREVISIONE DEI FENOTIPI 692 SELEZIONE ARTIFICIALE 693 LOCI DEI CARATTERI QUANTITATIVI 694 APPROFONDIMENTO Selezione artificiale 695 Correlazioni tra parenti 699 CORRELAZIONE DEI FENOTIPI QUANTITATIVI TRA PARENTI 699 PROBLEMI Scoprire la dominanza nei QTL 701 INTERPRETAZIONE DELLE CORRELAZIONI TRA PARENTI 701 Genetica quantitativa del comportamento umano 703 INTELLIGENZA 703 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Studio sui gemelli separati del Minnesota 704 PERSONALITÀ 705 Capitolo 24 Genetica di popolazioni 709 Una colonia lontana 709 La teoria delle frequenze alleliche 710 STIMA DELLE FREQUENZE ALLELICHE 710 RELAZIONE TRA FREQUENZE GENOTIPICHE E ALLELICHE: IL PRINCIPIO DI HARDY-WEINBERG 711 APPLICAZIONI DEL PRINCIPIO DI HARDY-WEINBERG 711 ECCEZIONI AL PRINCIPIO DI HARDY-WEINBERG 712 UTILIZZO DELLE FREQUENZE ALLELICHE NELLA CONSULENZA GENETICA 714 La selezione naturale 715 SELEZIONE NATURALE A LIVELLO DI GENE 715 SELEZIONE NATURALE A LIVELLO DI FENOTIPO 717 La deriva genetica casuale 718 CAMBIAMENTI CASUALI DELLE FREQUENZE ALLELICHE 719 EFFETTI DELLE DIMENSIONI DELLE POPOLAZIONI 719 PROBLEMI Applicazione della deriva genetica all isola di Pitcairn 720 Popolazioni in equilibrio genetico 721 SELEZIONE BILANCIATA 721 BILANCIAMENTO MUTAZIONE-SELEZIONE 722 BILANCIAMENTO MUTAZIONE-DERIVA 723 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: Il principio di Hardy-Weinberg 724 Capitolo 25 Genetica evolutiva 730 Da dove veniamo? Chi siamo? Dove andiamo? 730 La nascita della teoria evolutiva 731 LA TEORIA DELL EVOLUZIONE DI DARWIN 731 GENETICA EVOLUTIVA 732 Variabilità genetica nelle popolazioni naturali 733 VARIABILITÀ FENOTIPICA 733 VARIABILITÀ DELLA STRUTTURA CROMOSOMICA 734 VARIABILITÀ DELLA STRUTTURA DELLE PROTEINE 735 VARIABILITÀ DELLE SEQUENZE NUCLEOTIDICHE 736 Evoluzione molecolare 737 LE MOLECOLE COME DOCUMENTI DELLA STORIA EVOLUTIVA 737 FILOGENESI MOLECOLARE 738 TASSI DI EVOLUZIONE MOLECOLARE 740 PROBLEMI Uso del DNA mitocondriale per stabilire una filogenesi 741 L OROLOGIO MOLECOLARE 742 VARIABILITÀ DEI TASSI EVOLUTIVI 743 APPROFONDIMENTO Tassi evolutivi 744 LA TEORIA NEUTRALE DELL EVOLUZIONE MOLECOLARE 746 EVOLUZIONE MOLECOLARE ED EVOLUZIONE FENOTIPICA 747 Speciazione 749 CHE COS È UNA SPECIE? 749 MODALITÀ DI SPECIAZIONE 750 LA GENETICA DELLA SPECIAZIONE 752 Evoluzione dell uomo 753 L UOMO E LE GRANDI SCIMMIE 753 EVOLUZIONE UMANA NEI RESTI FOSSILI 753 UNA PIETRA MILIARE NELLA GENETICA: La teoria neutrale dell evoluzione molecolare 754 VARIABILITÀ DELLE SEQUENZE DI DNA E ORIGINE DELL UOMO 756 Glossario 763 Risposte a domande e problemi con numero dispari 783 Indice analitico 801