Estensioni della genetica mendeliana Le note di uno spartito musicale rappresentano la «costituzione genetica» del pezzo musicale (il genotipo), ma le note saranno interpretate diversamente e daranno origine a stimolazioni sensoriali differenti al cambiare degli strumenti, del musicista e della lettura dello spartito. Il fenotipo è la «manifestazione» delle note scritte, la cui espressione può però cambiare a seconda dell ambiente.
Le leggi dell ereditarietà di Mendel hanno gettato le basi della genetica e per molti aspetti rimangono valide ancora oggi. Ma le cose sono più complicate di quanto si potesse pensare. A volte infatti si osservano discrepanze tra quello che si osserva e i risultati attesi dalle leggi di Mendel. Mendel infatti non poteva essere in grado di contemplare nelle sue leggi le diverse modalità di interazione di diversi alleli e la variabilità dell espressione genica.
I geni accumulano differenze che danno origine a nuovi alleli Possono esistere molti alleli per un singolo carattere Gli alleli non sempre mostrano una chiara relazione dominante-recessivo Un singolo allele può avere effetti diversi sul fenotipo
Nuovi alleli si formano in seguito a mutazioni Cambiamenti stabili ed ereditabili del materiale genetico, avvenuti in cellule che sono andate incontro a meiosi per formare i gameti L allele che in natura è presente nel maggior numero di individui e produce un fenotipo atteso si definisce selvatico (wild-type) Altri alleli di quel gene si definiscono alleli mutanti Allele selvatico e mutante si trovano sullo stesso locus genico Un locus genico con allele selvatico presente meno del 99% delle volte è definito polimorfico
Molti geni hanno alleli multipli A causa di mutazioni casuali, possono esistere più di due alleli di una dato gene Alleli multipli mostrano spesso gerarchia di dominanza Es. carattere colore pelliccia nei conigli alleli: C colore grigio c chd cincillà c h fenotipo himalayano (colourpoint) c - albino Gerarchia di dominanza: C > c chd, c h > c
La dominanza incompleta (o eredità intermedia)
Nella dominanza incompleta, alcuni geni hanno alleli che non sono né dominanti né recessivi rispetto agli altri gli eterozigoti mostrano un fenotipo intermedio (in F 1 ) (eredità per rimescolamento?) Gli incroci successivi rispettano tuttavia i principi mendeliani Dominanza incompleta nel fiore della bocca di leone
Codominanza Nel fenotipo vengono espressi entrambi gli alleli in un locus Es gruppi sanguigni AB0 Locus genico ha 3 alleli, I A, I B, I 0 che specificano per versioni diverse di un enzima che catalizza l addizione di diversi oligosaccaridi a residui glicosidici di proteine destinate alla membrana plasmatica Il prodotto dell allele I A aggiunge N-acetilglucosammina Il prodotto dell allele I 0 produce una proteina senza attività enzimatica Il prodotto dell allele I B aggiunge galattosio
FENOTIPO
Ereditando 1 allele da ogni genitore, si possono avere diverse combinazioni di alleli I A I B, I A I 0, I A I A, etc I A I B sono codominanti perché una persona con entrambi gli alleli espreime sia gli antigeni A che B
Reazione immunitaria che si scatena in seguito a trasfusione non compatibile tra donatore gruppo B e ricevente gruppo A Il ricevente ha anticorpi anti-b che riconosceranno gli antigeni B degli eritrociti del donatore. Questi verranno immediatamente agglutinati con conseguente emolisi e ostruzione dei vasi sanguigni.
La pleiotropia Un singolo allele può influenzare più di un fenotipo Allele pleiotropico Es. Fenilchetonuria (PKU) è la più comune malattia pediatrica congenita, diffusa soprattutto nelle popolazione dell Europa occidentale. Caratterizzata dalla presenza di alti tassi di fenilpiruvato nelle urine e di fenilalanina nel sangue. È determinata da una mutazione nel gene che codifica per la fenilalanina idrossilasi (PAH) (gene localizzato sul cromosoma 12 (locus 12q24.1) che converte l aa fenilalanina in tirosina. Viene trasmessa per via autosomica recessiva. Fenilalanina è un aa essenziale, ma in assenza dell enzima PAH si accumula fino a livelli tossici, causando gravi problemi soprattutto sullo sviluppo del sistema nervoso. Provoca ritardo mentale e dell accrescimento, morte precoce.
La PKU è una malattia genetica che mostra effetti pleiotropici. Un individuo affetto da PKU è incapace di sintetizzare la tirosina, ma questo induce carenza di importanti proteine come l ormone tiroxina, l adrenalina, la melanina. Spesso malati di PKU hanno anche carnagione e occhi chiari, e bassi livelli di adrenalina Pleiotropia, caratteristica comune a molte alterazioni delle vie
Test di Guthrie Viste le gravi conseguenze a cui vanno incontro i fenilchetonurici, gli stati europei e americani hanno istituito screening precoci per la PKU. Oggi le analisi vengono effettuate mediante la spettrometria di massa, che consente di quantificare la presenza di fenilalanina. Precedentemente era in uso il test di Guthrie che consiste nel porre una goccia di sangue su un disco di carta da filtro, messo in seguito in contatto con una coltura del batterio Bacillus subtilis a cui è aggiunta β-2-tienialanina, che inibisce la crescita batterica. In presenza di fenilalanina, l'inibizione viene contrastata e i batteri sopravvivono. Una continuazione della crescita batterica è quindi segnale di alti livelli di fenilalanina, ed è necessario che il neonato sia sottoposto a ulteriori analisi. La diagnosi viene oggi raggiunta utilizzando il sangue prelevato alla nascita (almeno dopo 48 ore) e analizzandolo con un cromatografo per amminoacidi. Con questo test si hanno meno falsi positivi.
Le interazioni tra i geni e tra i geni e l ambiente Finora abbiamo visto che 2 alleli dello stesso gene possono interagire per produrre un fenotipo. Molti fenotipi complessi, come ad esempio l altezza dell uomo, sono in realtà influenzati da molti geni
L epistasi Quando l espressione fenotipica di un gene è influenzata da un altro gene. Es. colore della pelliccia del Labrador Retriever - Allele B (nero), dominante su b (marrone) - Allele E (deposizione del pigmento) dominante su e (no deposizione di pigmento pelo biondo) E epistatico su B
Il vigore degli ibridi deriva da nuove combinazioni e interazioni geniche L accoppiamento tra parenti stretti (inbreeding) può produrre individui di più bassa qualità rispetto a quelli ottenuto incrociando individui non imparentati Depressione da inbreeding parenti stretti tendono ad avere gli stessi alleli recessivi Il nuovo vigore che si osserva incrociando linee inincrociate è detto eterosi Concetti conosciuti e molto utilizzati in agronomia e zootecnia
L ambiente influenza l azione dei geni Il fenotipo non è solo il risultato del genotipo! Genotipo e ambiente interagiscono per determinare il fenotipo di un organismo Es colorazione della pelliccia in gatti e conigli colourpoint Questi animali portano un allele mutante che determina la crescita di pelliccia scura su tutto il corpo. Ma l azione dell enzima codificato dal gene mutante è inattivo a T superiori a un certo limite.
Parametri per descrivere effetti di geni e ambiente sul fenotipo Penetranza proporzione di individui con un dato genotipo che esprimono il fenotipo atteso Espressività livello al quale un genotipo è espresso in un individuo
Fenotipi complessi sono determinati da geni multipli e dall ambiente I caratteri scelti da Mendel presentano variazioni qualitative Caratteri complessi, come la statura umana, presentano variazioni quantitative
Caratteri poligenici e eredità quantitativa Alcuni caratteri complessi (es. peso, altezza, colore della pelle, attività metaboliche, tasso riproduttivo) dipendono dagli effetti di più geni. Caratteri poligenici Modalità di trasmissione: eredità poligenica Questi caratteri possono essere valutati in termini quantitativi Caratteri quantitativi Variazione discontinua (nel pisello) e continua (nel tabacco) nella frequenza relativa di individui che esprimono il fenotipo altezza della pianta.
Un esempio di variazione quantitativa dei caratteri l altezza La variazione è prodotta dall interazione tra geni a loci multipli e l ambiente
Esempio di eredità poligenica. Il colore della pelle Coinvolti più di 60 loci. Esempio utilizzando 3 loci indipendenti con alleli che manifestano dominanza incompleta
Le relazioni tra geni e cromosomi e l influenza sull ereditarietà dei caratteri Studi su geni associati sullo stesso cromosoma rivelano modelli di ereditarietà non mendeliana
Associazione genica scoperta da Thomas Hunt Morgan e allievi nel 1910 ca, utilizzando come modello sperimentale il moscerino della frutta, Drosophila melanogaster Morgan incrociò drosofile con genotipi noti nei due loci B e Vg B (corpo grigio, wild type) dominante su b (corpo nero) Vg (ali normali, wild type) dominante su vg (ali vestigiali) Moscerini omozigoti dominanti x omozigoti recessivi In F 1 - BbVgvg
Morgan volle poi verificare se gli alleli di questi due caratteri assortissero indipendentemente test cross (reincrocio per due coppie di alleli) Se fosse stata rispettata la II legge di Mendel, i risultati attesi sarebbero stati invece? Gli alleli per colore del corpo e dimensione delle ali non erano assortiti indipendentemente
Morgan ipotizzò che i due loci genici si trovassero sullo stesso cromosoma (geni associati) Gli alleli di loci differenti, ma vicini tra loro, tendono a essere ereditati insieme Se l associazione fosse stata assoluta, verrebbero prodotti solo moscerini di tipo parentale 50% BbVv grigi ali normali 50% bbvv neri ali vestigiali Ma nell esperimento di Morgan compaiono moscerini ricombinanti che hanno ricevuto gamete ricombinante prodotto da crossing-over
La frequenza di ricombinazione si ottiene dividendo il numero di individui ricombinanti per il totale della progenie. Il locus B e il locus V hanno tra loro il 17% di ricombinazione
Frequenza di ricombinazione e mappatura genica Le frequenze di ricombinazione tra i diversi loci consentono di costruire le mappe genetiche dei cromosomi
Calcolando le frequenze di ricombinazione si può dedurre la localizzazione dei geni sul cromosoma
La determinazione del sesso e i geni associati al cromosoma X (X-linked) Determinazione genotipica Determinazione ambientale
Il cromosoma X del padre è trasmesso solo alle figlie femmine Il cromosoma Y del padre è trasmesso solo ai figli maschi
Il sesso maschile è eterogametico (produce gameti che contengono X, altri che contengono Y) Il sesso femminile è omogametico (produce solo gameti che contengono X)
L ereditarietà dei geni associati al cromosoma X I geni legati all X sono presenti in doppia dose nella femmina e in singola dose nel maschio. Una femmina (XX) può avere genotipo: X H X H X H X h X h X h Un maschio, essendo XY, può avere genotipo: X H Y X h Y Per i caratteri legati al cromosoma X, il maschio non è né omo né eterozigote. Condizione di emizigosi Nei maschi, alleli rari recessivi legati all X sono comunque (e solo loro) espressi, aumentando la probabilità di essere affetti da malattie genetiche associate al cromosoma X
Esempio: Daltonismo è un carattere legato al cromosoma X
La compensazione del dosaggio nell espressione dei geni legati al cromosoma X I maschi hanno una singola dose di ogni gene X-linked Le femmine due dosi di ogni gene X-linked Ci si aspetterebbe che nelle femmine ci sia una quantità doppia di prodotto genico di un gene X-linked In realtà la quantità di prodotto genico di un gene X-linked è uguale nei due sessi Compensazione del dosaggio Nel 1961 la genetista Mary Lyon suggerì che le cellule di femmine di mammifero avessero solo un cromosoma X attivo, l altro è inattivo e visibile nelle cellule in interfase sotto forma di corpo di Barr
N corpi di Barr = N cromosomi X - 1
Mosaicismo funzionale nelle femmine. L inattivazione casuale dell X può determinare l espressione di alleli recessivi X-linked anche in femmine eterozigoti
L inattivazione del cromosoma X può risultare visibile nel fenotipo come nel caso della colorazione del pelo della gatta persiano calico
In sintesi I geni sono soggetti a mutazioni casuali che producono nuovi alleli molti geni hanno più di 2 alleli in una popolazione La dominanza spesso non è un fenomeno «tutto-nulla». Alcuni geni hanno effetti multipli sul fenotipo. I rapporti mendeliani non vengono più osservati quando i geni sono associati sullo stesso cromosoma, ma vengono prodotte frequenze atipiche L eredità legata al sesso si riferisce a geni che si trovano sui cromosomi sessuali (generalmente l X) e che non hanno controparte nell altro cromosoma sessuale