I MOTORI DELL EVOLUZIONE PT1. POMERIGGIO DI AGGIORNAMENTO PROF. M.A. ZORDAN, Ph.D UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

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1 I MOTORI DELL EVOLUZIONE PT1 POMERIGGIO DI AGGIORNAMENTO PROF. M.A. ZORDAN, Ph.D UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA 1

2 GREGOR MENDEL

3 Grandi navigatori 3 3

4 Rotte commerciali per le Indie:

5 Brno- Impero Austro-Ungarico (1800) Centro dell industria tessile di tutto il centro Europa. Importanza della lana: produzione + lavorazione Produttori di lana competitori (p.es. Spagna) miglioramento della produzione quantitiva e qualitativa per mezzo di selezione artificiale. Necessita di comprendere i meccanismi coinvolti nella selezione artificiale. 5 5

6 Discorso dell abate Napp del Monastero di Brno: In occasione di una riunione della Società Pomologica ed Enologica di Brno di cui era il presidente Un giorno il mondo potrebbe essere in debito con la città di Brno per i suoi contributi ai meccanismi dell ereditarietà, allo stesso modo che e in debito con Isacco Newton per i suoi contributi alla Fisica." 6 6

7 LE LEGGI DI MENDEL 7 7

8 Le leggi di Mendel dell ereditarietà Gregor Johann Mendel ( ) viene considerato il padre della Genetica Il suo successo viene in parte attribuito a: la sua esperienza giovanile di giardiniere che gli ha insegnato l importanza della precisione e dell attenzione per i dettagli la sua esperienza universitaria in fisica e scienze naturali che gli ha insegnato a vedere il mondo come un posto governato dalle leggi naturali Queste leggi possono essere formulate matematicamente 8 8

9 Le leggi di Mendel dell ereditarietà Mendel era un monaco austriaco Egli ha condotto i suoi studi fondamentali in un piccolo campo di 35 x 7 metri nell orto del suo monastero Dal 1856 al 1864 egli ha eseguito centinaia di incroci E ha tenuto un registro accurato che comprendeva un analisi quantitativa 9 9

10 Le leggi di Mendel dell ereditarietà Il suo lavoro, intitolato Esperimenti sugli ibridi delle piante fu pubblicato nel 1866 E venne ignorato per 34 anni Probabilmente perché era stato pubblicato su una rivista sconosciuta non si conosceva la trasmissione dei cromosomi 10 10

11 Mendel sceglie la pianta di pisello come modello sperimentale Ibridazione L incrocio o accoppiamento tra due individui che hanno caratteristiche diverse Piante con fiore porpora X piante con fiore bianco Ibrido La progenie che deriva da questo incrocio 11 11

12 Mendel sceglie la pianta di pisello come modello sperimentale Mendel sceglie il pisello da orto (Pisum sativum) per studiare le leggi naturali che governano l ibridazione delle piante La pianta di pisello presentava questi vantaggi 1. Erano disponibili diverse varietà con caratteristiche distinte 2. La sua organizzazione consentiva di condurre facilmente incroci in cui i parentali potevano essere controllati 12 12

13 Mendel sceglie la pianta di pisello come modello sperimentale Mendel eseguì due tipi di incroci 1. Autofecondazione Il polline e la cellula uovo derivano dalla stessa pianta 2. Fecondazione incrociata Il polline e la cellula uovo derivano da piante diverse 13 13

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15 Mendel studiò sette caratteri trasmessi da linee pure Le caratteristiche morfologiche di un organismo vengono definite caratteri Una varietà che produce la stessa caratteristica lungo diverse generazioni viene definita linea pura 15 15

16 I sette caratteri studiati da Mendel 16 16

17 Gli esperimenti di Mendel Mendel non aveva un ipotesi per spiegare la formazione degli ibridi Però riteneva che un analisi quantitativa poteva fornire una relazione matematica Questo si definisce approccio empirico E consente di dedurre delle leggi empiriche 17 17

18 Gli esperimenti di Mendel Mendel studiò sette caratteri Nella stessa specie, ciascun carattere presentava due varianti o forme Le varianti dell altezza delle piante erano: piante alte e piante nane Nei suoi primi esperimenti egli incrociò solo due varianti di un carattere alla volta Questo si definisce un incrocio monoibrido 18 18

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20 I risultati degli incroci monoibridi 20 20

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22 Interpretare i dati Per ciascuno dei sette caratteri studiati 1. La generazione F 1 mostra uno solo dei caratteri parentali 2. La generazione F 2 mostra un rapporto di circa 3:1 tra i due caratteri parentali Questi risultati confutano il meccanismo di eredità per mescolamento 22 22

23 Interpretare i dati Invece, i dati suggeriscono una modalità di eredità particolata Mendel postulò quanto segue: 1. Una pianta contiene due fattori ereditari discreti, uno per ciascun parentale 2. I due fattori possono essere identici o meno 3. Se i due fattori sono diversi: Uno è dominante e il suo effetto è visibile L altro è recessivo e non è espresso 4. Durante la formazione dei gameti, la coppia di fattori segrega casualmente. Metà dei gameti riceve un fattore e metà riceve l altro Questa è la prima legge di Mendel 23 23

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25 E adesso introduciamo qualche termine: I fattori mendeliani oggi si chiamano geni Gli alleli sono versioni diverse dello stesso gene Un individuo con due alleli identici viene definito omozigote Un individuo con due alleli diversi viene definito eterozigote Il genotipo definisce la composizione allelica di un individuo Il fenotipo si riferisce all aspetto esteriore di un individuo 25 25

26 IL QUADRATO DI PUNNETT 26 26

27 Il quadrato di Punnett Il quadrato di Punnett è una tabella che permette di prevedere il risultato di incroci genetici E stato proposto dal genetista inglese Reginald Punnett L approccio basato sul quadrato di Punnett verrà illustrato con l esempio dell incrocio di piante alte eterozigoti 27 27

28 Il quadrato di Punnett 1. Scrivi i genotipi dei due parentali Parentale maschile = Tt Parentale femminile = Tt 2. Scrivi i possibili gameti che possono essere prodotti da ciascun parentale Parentale maschile: T oppure t Parentale femminile: T oppure t 28 28

29 Crea un quadrato di Punnett e riempilo con i possibili genotipi della progenie 29 29

30 4. Determina le proporzioni relative dei genotipi e fenotipi della progenie Rapporti genotipici TT : Tt : tt 1 : 2 : 1 Rapporti fenotipici Alto : nano 3 :

31 GLI ESPERIMENTI DI MENDEL 31 31

32 Gli esperimenti di Mendel Mendel eseguì anche degli incroci diibridi Incrociando cioè delle piante che differivano per due caratteri Per esempio: Carattere 1 = Aspetto del seme (liscio o rugoso) Carattere 2 = Colore del seme (giallo o verde) Esistono due diverse modalità di trasmissione di questi caratteri 32 32

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35 I risultati dell incrocio diibrido 35 35

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37 Interpretare i dati La generazione F 2 contiene semi con nuove combinazioni (non presenti nei parentali) rugosi e gialli lisci e verdi Queste sono combinazioni ricombinanti La loro osservazione contraddice il modello di assortimento associato 37 37

38 Se i geni assortiscono indipendentemente Il rapporto fenotipico predetto nella generazione F 2 sarebbe 9:3:3:1 Rapporto 9, 8 3,2 3,4 1,

39 I dati di Mendel erano molto vicini ai valori attesi Perciò egli propose la seconda legge (dell assortimento indipendente) Durante la formazione dei gameti, la segregazione di ciascuna coppia di fattori è indipendente da quella di altre coppie di fattori 39 39

40 LA GENETICA MODERNA 40 40

41 La Genetica moderna I genetisti di oggi si interessano spesso alla relazione tra manifestazione dei caratteri e l espressione molecolare dei geni Essi usano i seguenti approcci Identificare un individuo con una copia difettosa di un gene Osservare in che modo questa copia potrà influire sul fenotipo dell organismo 41 41

42 La Genetica moderna Le copie difettose sono chiamate alleli con perdita di funzione Senza saperlo Mendel aveva usato molti alleli di questo tipo nei suoi studi sulle piante di pisello Gli alleli con perdita di funzione vengono ereditati comunemente con modalità recessiva 42 42

43 L eredità mendeliana descrive le modalità di trasmissione che obbediscono alle due leggi di Mendel L eredità mendeliana semplice riguarda: Un singolo gene con due diversi alleli Alleli che mostrano delle relazioni semplici di dominanza/recessività 43 43

44 Gli alleli prevalenti in una popolazione sono definiti selvatici (o wildtype) Tipicamente codificano proteine che Funzionano normalmente Sono prodotte nelle quantità regolari Gli alleli che hanno subito una modificazione (mutazione) sono chiamati mutanti Essi tendono a essere rari nelle popolazioni naturali E probabile che causino una riduzione nella quantità o funzione della proteina codificata Sono spesso trasmessi con modalità recessiva 44 44

45 Consideriamo per esempio i caratteri studiati da Mendel Allele selvatico (dominante) Fiore porpora Fiore assiale Semi gialli Semi lisci Baccelli semplici Baccelli verdi Piante alte Allele mutante (recessivo) Fiore bianco Fiore terminale Semi verdi Semi rugosi Baccelli concamerati Baccelli gialli Piante nane O un altro esempio da Drosophila Allele selvatico (dominante) Allele mutante (recessivo) Occhi rossi Occhi bianchi Ali normali Ali ridotte (miniature) 45 45

46 Le malattie genetiche sono causate da alleli mutanti In molte malattie genetiche la mutazione è in un allele recessivo L allele non può produrre una proteina pienamente funzionale 46 46

47 Nelle relazioni semplici di dominanza/recessività l allele recessivo non influisce sul fenotipo dell eterozigote 1. 50% della proteina normale è sufficiente per dare il fenotipo normale 2. L eterozigote è in grado di produrre più proteina dall allele normale per compensare la mancanza di funzione dell allele mutante 47 47

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49 LA DOMINANZA INCOMPLETA 49 49

50 Dominanza incompleta Nel caso della dominanza incompleta l eterozigote mostra un fenotipo intermedio a quello dei due omozigoti Per esempio: Il colore del fiore nella bella di notte Due alleli C R = allele per il colore rosso C W = allele per il colore bianco 50 50

51 Non si osserva il rapporto fenotipico di tipo 3:1 bensì un rapporto 1:2:1 In questo caso non basta il 50% della proteina C R per produrre il fenotipo rosso 51 51

52 Dominanza incompleta Definire un carattere dominante o dominante incompleto può dipendere da quanto lo esaminiamo da vicino Per esempio, rispetto alla forma del seme di pisello Mendel aveva concluso dall esame esteriore che I genotipi RR e Rr producono piselli lisci Il genotipo rr produce piselli rugosi Ma l esame microscopico dimostra che non tutti i piselli lisci sono uguali! 52 52

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54 EFFETTI AMBIENTALI SULL ESPRESSIONE GENICA 54 54

55 Il mantello himalaiano: un esempio di allele condizionale temperatura-sensibile L enzima codificato da questo gene funziona solo alle basse temperature Quindi, la pelliccia è colorata solo nelle aree più fredde del corpo Questo si osserva anche nel caso dei gatti siamesi 55 55

56 EFFETTI AMBIENTALI SULL ESPRESSIONE GENICA: TEMPERATURA 56 56

57 ALLELI LETALI 57 57

58 Alleli letali I geni essenziali sono quelli assolutamente necessari per la sopravvivenza La mancanza dei loro prodotti proteici portano a un fenotipo letale Si stima che circa 1/3 di tutti i geni siano essenziali I geni non essenziali sono quelli assolutamente non necessari per la sopravvivenza Un allele letale ha la potenzialità di provocare la morte dell organismo Si tratta tipicamente di alleli che derivano da mutazioni di geni essenziali Normalmente sono ereditati con una modalità recessiva 58 58

59 Molti allelli letali impediscono la divisione cellulare Uccidono l organismo in età precoce Alcuni alleli manifestano i loro effetti letali tardivamente Malattia di Huntington Caratterizzata da una progressiva degenerazione del sistema nervoso e demenza L età di insorgenza della malattia è tra 30 e 50 anni Gli alleli letali condizionali possono esercitare il loro effetto solo a certe condizioni ambientali Gli alleli letali temperatura sensibili (ts) Una larva di Drosophila può morire a 30 C Ma sopravvive se allevata a 22 C 59 59

60 INTERAZIONI GENICHE 60 60

61 Interazioni geniche Le interazioni geniche avvengono quando due o più geni influenzano la manifestazione di un singolo carattere Infatti, i caratteri morfologici come altezza, peso e pigmentazione sono dovute a numerosi geni in combinazione con fattori ambientali 61 61

62 Interazioni geniche 62 62

63 Esistono decine di geni che possono influenzare caratteri complessi quale l altezza. Consideriamo alcuni casi che coinvolgono una coppia di geni con due alleli ciascuno. Gli incroci possono venire illustrati dallo schema generale AaBb X AaBb Dove A è dominante su a e B è dominante su b Se questi due geni controllano due diversi caratteri Si prevede un rapporto fenotipico 9:3:3:1 nella progenie Se però i due geni controllano lo stesso carattere Questo rapporto non verrà osservato 63 63

64 Si definisce epistasi il fenomeno per cui gli alleli di un gene mascherano gli effetti fenotipici degli alleli di un altro gene L epistasi va considerata relativamente a un particolare fenotipo Nota: Le leggi di Mendel restano valide in presenza di epistasi! Anche se i fenotipi sono mascherati i rapporti genotipici sono mantenuti 64 64

65 Le interazioni epistatiche si devono spesso al fatto che due (o più) proteine diverse partecipano a una funzione cellulare comune Per esempio una stessa via metabolica L allele recessivo c codifica un enzima inattivo L allele recessivo p codifica un enzima inattivo 65 65

66 Nell esempio del colore del fiore del pisello dolce due linee pure mutanti con identico fenotipo generano una progenie F 1 a fenotipo selvatico Questo è l effetto della complementazione La complementazione si deve al fatto che le mutazioni che producono lo stesso fenotipo cadono in geni differenti Mutazioni che inattivano l uno o l altro dei due enzimi Risultano nello stesso fenotipo 66 66

67 RIDONDANZA GENICA 67 67

68 Ridondanza genica I genetisti hanno sviluppato delle tecniche che consentono di generare degli alleli con perdita di funzione Questo è l approccio del gene knockout che consente di definire gli effetti del gene su struttura o funzione dell organismo E interessante notare che molti organismi knockout non presentano un fenotipo evidente 68 68

69 Ridondanza genica Questo effetto può essere dovuto alla ridondanza genica che significa che un gene può compensare la perdita di funzione di un altro Per esempio può essere dovuta a duplicazione genica I geni duplicati sono definiti paraloghi Essi non sono identici perché ciascuno ha accumulato una serie di mutazioni 69 69