La genetica mendeliana nasce dalle ricerche del monaco Gregor Mendel (1822-1884), svolte circa 150 anni fa nel giardino del suo monastero. Dobbiamo al lavoro di Mendel la prima teoria scientifica sull eredetarietà dei caratteri e la formulazione di due importanti leggi della genetica: la legge della segregazione dei caratteri e la legge dell assortimento indipendente. Il lavoro di Gregor Mendel sui meccanismi della trasmissione dei caratteri alle generazioni successive furono pubblicati per la prima volta nel 1865.
La diversità genetica (o variabilità genetica) è una caratteristica degli ecosistemi o di un pool di geni comunemente ritenuta vantaggiosa per la sopravvivenza: essa descrive l'esistenza di molte versioni diverse di uno stesso organismo Il genotipo è l insieme dei geni posseduti da un individuo. Il fenotipo è la manifestazione esterna di un carattere. Un gene può presentarsi in 2 o più forme alternative, chiamate alleli Il locus genico è la posizione specifica che un gene occupa nel cromosoma, quindi tutte le forme alleliche di un gene si trovano in posizioni corrispondenti su cromosomi omologhi). In generale la diversità genetica offre alle specie maggiore capacità di adattamento e di sopravvivenza in caso di particolari eventi o cambiamenti ambientali. Gli individui il cui fenotipo è diverso in conseguenza della variabilità genetica sono detti varianti La varietà genetica è dovuta principalmente alle mutazioni e ai processi di ricombinazione genetica. Le mutazioni in particolare portano alla formazione di nuovi alleli; la ricombinazione li rimescola creando nuove combinazioni alleliche nelle generazioni successive. Le mutazioni possono verificarsi in ogni momento della vita dell'organismo, ma saranno trasmesse (e quindi contribuiranno alla variabilità) solo se interessano le cellule della linea germinale o i gameti.
GENE CARATTERE CARATTERE EREDITARIO: E UNA CARATTERISTICA CHE VIENE TRASMESSA DA UNA GENERAZIONE ALL ALTRA Un individuo i cui due alleli per la determinazione di un carattere sono uguali si dice "omozigote (AA-aa)", se diversi tra loro si dice "eterozigote (Aa)". Un allele selvatico è la forma primitiva di quell'allele e, di norma, è l'allele più diffuso nella popolazione.
Mendel (1856) individuò regole precise sulla modalità di trasmissione dei caratteri alla progenie Come organismo scelse le piante di Pisum sativus: crescono facilmente, ve ne sono molte varietà, consentono impollinazione controllata Selezionò le linee pure (cioè piantine ottenute per autoimpollinazione che producevano una discendenza con caratteri uguali ai caratteri delle piante genitrici) per determinati caratteri (che vengono conservati nelle generazioni successive) Scelse varietà rappresentative per sette caratteri che mostrassero fenotipi diversi Mendel cominciò i suoi esperimenti incrociando piante di linee pure di pisello che differivano per un solo carattere Limitò la variabilità genetica studiata in ciascun esperimento
Il fiore del pisello, si autoimpollina, ma le antere che producono il polline si possono rimuovere, e sullo stimma può essere posto il polline di un altro individuo
I primi esperimenti di Mendel prendevano in considerazione un solo carattere alla volta: si parla allora di incrocio monoibrido
Incrociò piante di due differenti linee pure con fenotipi diversi (Generazione parentale, P) La prima generazione filiale (F1) era costituita da individui tutti uguali che, per un certo carattere, somigliavano sempre ad un genitore La seconda generazione filiale (F2), prodotta per incrocio di individui della F1, mostrava per ¾ il carattere della F1, ma per ¼ il carattere della generazione P che si era perso nella generazione F1
P PISELLO SEME GIALLO X PISELLO SEME VERDE F1 PISELLO SEME GIALLO F1 X F1 PISELLO SEME GIALLO PISELLO SEME GIALLO F2 SEME GIALLO SEME GIALLO SEME GIALLO SEME VERDE 3/4 SEME GIALLO ¼ SEME VERDE
nella prima generazione F1, cioè «prima generazione filiale», tutti i figli mostravano solamente uno dei caratteri presenti nei genitori In F2 in cui riapparivano i caratteri scomparsi nella generazione precedente. Queste caratteristiche, presenti nella generazione parentale (P) e ricomparse nella F2, dovevano in qualche modo essere presenti anche nella generazione F1, sebbene non evidenti. Mendel chiamò questi caratteri recessivi. La F2 quindi era composta da caratteri sia dominanti che recessivi, però legati dal rapporto 3:1. Mendel intuì che la comparsa dei caratteri antagonisti e le loro proporzioni costanti nella F2 potevano essere spiegate ammettendo che le caratteristiche fossero determinate da fattori separati. Questi fattori, riteneva Mendel, dovevano trovarsi nelle piante F1 in coppie: un componente di ogni coppia era ereditato dal padre e l'altro dalla madre.
Il quadrato di Punnett E possibile verificare le ipotesi di Mendel simulando gli incroci attraverso uno schema grafico denominato quadrato di Punnett. Per impostare il quadrato di Punnett occorre determinare il genotipo dei genitori e stabilire quali alleli compariranno nei gameti maschili e nei gameti femminili.
Mendel concluse che esistono dei fattori ereditari (caratteri dominanti) di un genitore che mascherano quelli dell altro genitore (recessivi) quando coesistono nella generazione F1 I Fattori di Mendel, capaci di controllare le caratteristiche ereditarie sono i geni
Principio della segregazione Definito l allele come forma alternativa di un gene, si possono individuare alleli dominanti e recessivi. Quando sono presenti entrambi il fenotipo è quello dell allele dominante. Il principio della segregazione stabilisce che, prima della riproduzione sessuata, gli alleli portati da un genitore si separano (segregano). Il gamete contiene un solo allele di ciascun paio. Gli alleli durante la segregazione rimangono intatti (non vengono contaminati), per cui gli alleli recessivi possono ricomparire nella generazione F2
GENOTIPO OMOZIGOTE: quando un individuo possiede 2 alleli identici di un certo gene sui cromosomi omologhi GENOTIPO ETEROZIGOTE: quando un individuo possiede 2 alleli differenti di un certo gene sui cromosomi omologhi DOMINANTE: quando il carattere risulta evidenziabile sia nell omozigosi che nell eterozigosi RECESSIVO: quando il carattere risulta evidenziabile solo nell omozigosi
Alla meiosi, quando i cromosomi omologhi si separano, i 2 alleli presenti allo stesso locus SEGREGANO e si ritrovano in cellule diverse (in ogni gamete sarà presente in maniera casuale l allele di origine materna o paterna)
Mendel continuò i suoi esperimenti con INCROCI DIIBRIDI e cioè prendendo in considerazione due caratteri contemporaneamente. Le piante parentali erano linee pure per entrambi i tratti
Incrocio fra individui che differiscono per gli alleli di due loci Nel caso in cui le coppie di alleli sono localizzate su cromosomi non omologhi, ogni coppia di alleli alla meiosi segrega indipendentement e dall altra
Principio dell assortimento indipendente I membri di una coppia di geni segregano indipendentemente dai membri di un altra coppia Ogni gamete contiene un singolo allele per ogni locus, ma gli alleli di loci differenti vengono assortiti nei gameti in modo casuale l uno rispetto all altro Ogni cavia della F1 produce 4 tipi di gameti (BS,Bs,bS,bs) con uguale probabilità Nel quadrato di Punnet ci sono 4 2 =16 quadrati Se i loci per la lunghezza del pelo e il colore del pelo sono su cromosomi non omologhi, nella generazione F2 di un incrocio diibrido, il rapporto fenotipico è 9:3:3:1
L assortimento indipendente è correlato agli eventi della meiosi Ci sono due modi diversi in cui due coppie di Ch omologhi possono essere disposte alla metafase I che li distribuisce nelle due cellule figlie Tale disposizione è casuale L orientamento dei Ch omologhi in piastra determina il modo in cui si separeranno e verranno distribuiti nei gameti La segregazione degli alleli è il risultato diretto della separazione dei cromosomi omologhi nel corso della meiosi
I caratteri mendeliani Un carattere si dice mendeliano se soddisfa le seguenti condizioni: 1. Il carattere è controllato da una sola coppia di alleli 2. Gli alleli di quel carattere esistono solo in due forme alternative 3. Le due varianti alleliche di quel carattere sono l una dominante e l altra recessiva 4. La trasmissione del carattere non è influenzata dal sesso dell individuo 5. Il carattere non è influenzato dall ambiente
La genetica oltre Mendel
Dominanza incompleta In genetica, si parla di dominanza incompleta quando un allele è dominante sull'altro, ma non in modo completo. Ne consegue che l'altro allele ha possibilità di esprimersi, anche se in misura minore rispetto all'allele dominante. Il fenotipo manifestato dall'eterozigote è un fenotipo intermedio tra quelli dei due omozigoti (dominante e recessivo). Per esempio poniamo di essere di fronte a una popolazione di piccoli mammiferi la cui sopravvivenza sia dovuta in gran parte alla capacità dell'individuo di mimetizzarsi. Poniamo di trovare al locus del mimetismo due alleli, denominati A e a. Sappiamo che l'allele A (l'allele favorevole al mimetismo) è dominante su a, ma non completamente. Poiché il genotipo dell'animale è dovuto alla combinazione di 2 alleli, gli individui della popolazione possono avere al massimo 3 variazioni di genotipo: Genotipo AA: omozigote in cui compare solo la caratteristica dell'allele favorevole al mimetismo. L'animale è in grado di mimetizzarsi perfettamente grazie al colore del suo mantello. Ha probabilità di sopravvivenza massima. Genotipo Aa: eterozigote che presenta caratteri intermedi. In sopravvivenza sarà avvantaggiato rispetto a aa, ma svantaggiato rispetto a AA. Il colore del mantello farà mimetizzare l'individuo, ma non bene come l'omozigote favorevole. La sopravvivenza sarà inferiore di una qualche proporzione. Genotipo aa: omozigote in cui compare solo la caratteristica sfavorevole. Il mantello non sarà mimetico e le possibilità di sopravvivenza dell'individuo saranno minime
Le caratteristiche dominanti e recessive non sono sempre così nette come osservato da Mendel nella pianta di pisello. Alcune caratteristiche sembrano mescolarsi: per esempio, incrociando una pianta di "bella di notte" (Mirabilis jalapa) a fiori rossi con un'altra a fiori bianchi, in prima generazione si producono eterozigoti di colore rosa. Un gene codifica per una proteina, speso un enzima. gli alleli di uno stesso gene codificano forme diverse della stessa proteina; per quanto riuarda gli enzimi, spesso queste forme hanno una diversa attività catalitica. Uno dei due alleli codifica un enzima che catalizza la formazione del pigmento rosso mentre l altro codifica per una forma inattiva dello stesso enzima OMOZIGOTI PER LA FORMA ATTIVA (omozigoti dominanti): fiori rossi OMZIGOTI PER LA FORMAINATTIVA (omozigoti recessivi):fiori bianchi ETEROZIGOTI: fiori rosa
Codominanza Gli alleli possono agire da codominanti e si esprimono in modo uguale, per cui l eterozigote manifesta il fenotipo di entrambe le situazioni omozigoti: in pratica non esiste dominanza. Un esempio molto noto è quello del sangue umano. I GRUPPI SANGUIGNI NELL'UOMO Il tipo di gruppo sanguigno nell'uomo è determinato da 3 alleli: A, B, 0, con entrambi gli alleli A e B co-dominanti. ALLELI MULTIPLI: IA, IB, i (che codificano per due antigeni presenti sulla membrana dei globuli rossi Ogni individuo porta due alleli 4 fenotipi : A, B,0,AB
Pleiotropia Alcuni geni possono avere più di un effetto fenotipico In genere i diversi effetti sono riconducibili ad una stessa causa (es. deficit enzimatico) Es. sintomatologia variegata di malattie genetiche
Un gene può influenzare, a livello fenotipico, più caratteristiche dell'individuo; può cioè produrre effetti multipli sul fenotipo. L'anemia falciforme (AF) è una malattia genetica del sangue, caratterizzata da anemia cronica (scarsità di globuli rossi e di emoglobina) e da episodi dolorosi più o meno frequenti in varie parti del corpo, causati dall'occlusione dei vasi sanguigni. L'AF prende il nome dalla forma "a falce" che assumono i globuli rossi dei malati, ed è particolarmente frequente nelle regioni del mediterraneo (soprattutto in Africa). Possono esistere omozigoti per il gene normale e che quindi non manifestano la patologia, ci possono essere gli omozigoti per il gene mutato e quindi avere la malattia ed infine ci sono gli eterozigoti che hanno un allele mutato e l'altro allele normale, questi individui durante la sintesi proteica produrranno il 50% di emoglobina normale e l'altra metà con la beta-catena mutata. Questi individui in territori come l'africa in cui la malaria è presente hanno una maggiore attesa di vita in quanto il Plasmodium falciparum, agente eziologico della malaria, che ha un ciclo di vita molto lungo e complesso, non riesce a riprodursi negli eritrociti dei soggetti portatori del gene mutato (sia omo che eterozigoti). Questo succede in quanto gli eritrociti contenenti l'emoglobina mutata E6V hanno una emivita più breve degli eritrociti normali.
Eredità poligenica Molti caratteri umani, come il colore della pelle, l'altezza, l'iride degli occhi variano all'interno della popolazione senza presentare chiare suddivisioni. Molti di questi caratteri sono il risultato di una ereditarietà poligenica, cioè di un effetto sommativo di due o più geni che determinano un unico carattere fenotipico. Notate che questo caso è l'opposto della pleiotropia, in cui un singolo gene agisce su più caratteri. Sono poligenici o quantitativi i caratteri controllati da più di una coppia di alleli. Per tali caratteri il fenotipo varia da un individuo all altro secondo una serie continua, della quale il fenotipo più frequente è quello medio
EREDITA POLIGENICA Le componenti ereditarie di molte caratteristiche degli uomini ( statura, colore pelle, etc) non sono alleli di un singolo locus Più coppie di geni indipendenti hanno effetti simili e additivi sullo stesso carattere Si pensa che per la determinazione del colore della pelle siano coinvolti gli alleli di3 o 4 loci Consideriamo tre coppie di alleli A/a, B/b, C/c A,B,C presentano dominanza incompleta Più lettere maiuscole indicano un colore di pelle scura
Genotipo AABBCC: pelle molto scura Genotipo aabbcc: pelle molto chiara Genotipo AaBbCc: pelle intermedia I genotipi AAbbCc, AaBBcc, aabbcc, AaBbCc Avranno la pelle della stessa tonalità essendo in tutti i casi presenti tre alleli pelle scura
GENI CONCATENATI Con i principi di Mendel e con lo studio della dinamica della meiosi due geni si trasmettono ciascuno in modo indipendente rispetto all altro se sono localizzati su cromosomi diversi.
Infatti se: AaBb X aabb I gameti prodotti saranno: AB (25%) ab (100%) Ab (25%) ab (25%) ab (25%) e il risultato dell incrocio: GEN FEN AaBb (25%) AB Aabb (25%) Ab aabb (25%) ab aabb (25%) ab
In altri casi si osserva un comportamento differente: Es SsTt (ST) X sstt (st) dall incrocio si ottengono i fenotipi seguenti: ST 36% st 36% St 14% st 14% il motivo di tale differenza è da imputare al fatto che i geni S e T sono sullo stesso cromosoma
Geni per i quali si verificano le previsioni mendeliane sull assortimento indipendente sono localizzati su diversi cromosomi e sono definiti GENI INDIPENDENTI. Geni localizzati sullo stesso cromosoma, sono fisicamente uniti e si definiscono GENI ASSOCIATI o GENI CONCATENATI o GENI LINKED.
Geni concatenati e gruppi di concatenazione Geni localizzati sullo stesso cromosoma appartengono allo stesso gruppo di concatenazione. A,B,C: D,E,F,G: H,I: Geni non concatenati Geni dello stesso gruppo di concatenazione Geni dello stesso gruppo di concatenazione (A),(B),(C ),(D-E-F-G), (H-I) : Gruppi di concatenazione
Se i due geni sono completamente associati e quindi sono trasmessi sempre insieme si parla di ASSOCIAZIONE COMPLETA. In realtà, l associazione completa tra geni situati sullo stesso cromosoma rappresenta un eccezione alla norma generale, che prevede invece un ASSOCIAZIONE INCOMPLETA. Si parla di associazione incompleta quando alleli situati sullo stesso cromosoma si separano per l avvento del CROSSING-OVER nel tratto di cromosoma compreso tra i due geni analizzati.
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 nuove combinazioni alleliche. Meccanismo di crossing-over tra due cromatidi non fratelli durante la profase meiotica che dà origine a combinazioni ricombinanti (non parentali) dei geni concatenati
Poiché il crossing-over non è un fenomeno frequente sono più le meiosi in cui non avviene il crossing-over rispetto a quelle in cui avviene e per questo motivo: PREVALGONO I FENOTIPI PARENTALI che sommati tra loro sono > del 50% Ricordate: ST 36% st 36% St 14% st 14% Parentali Ricombinanti
Quanto più due loci sullo stesso cromosoma sono distanti, tanto più alta e la probabilità che si abbia il crossing-over e quindi il conseguente aumento del numero dei ricombinanti.
Cromosomi sessuali Negli Eucarioti un cromosoma del sesso è un cromosoma presente in forme diverse nei due sessi. Uno è un cromosoma "X", l'altro strutturalmente e funzionalmente diverso, è chiamato cromosoma "Y". Generalmente il sesso XX è femmina ed è definito omogametico; il sesso XY è maschio ed è definito eterogametico
Determinismo del sesso Tutti gli individui per vivere hanno bisogno almeno di un X (Y0 non è vitale) Y determina il sesso maschile Il gene SRY è localizzato su Y, e causa nel feto lo sviluppo dei testicoli. Questi producono il testosterone che induce lo sviluppo del fenotipo maschile Altri geni su Y, geni su X e geni sugli autosomi sono coinvolti nel determinismo del sesso
Sembra che X e Y fossero in origine una coppia di autosomi omologhi. Nel corso dell evoluzione, quasi tutti i geni funzionali sono stati conservati su X e Y ha perso quasi tutti i geni. Il cromosoma Y ha però conservato geni per la determinazione del sesso. Per questo motivo i cromosomi X e Y non sono una vera coppia di omologhi ma hanno una breve regione di omologia che ne permette l appiamento alla meiosi.
Geni X-linked Ci sono dei caratteri non sessuali (percezione dei colori, coagulazione del sangue) i cui geni mappano sul Ch X (X-linked) Il maschio XY, ha per il Ch X una condizione di emizigosi (una sola copia), per cui l allele, dominante o recessivo che sia, viene sempre espresso, mentre nella femmina, l eterozigote non esprime il carattere recessivo Per questo motivo, i caratteri recessivi associati al Ch.X si esprimono più nei maschi che nelle femmine
Femmina sviluppa malattia quando porta entrambi gli alleli recessivi Se l allele recessivo èpresente ma in eterozigosi è PORTATRICE Maschio con allele recessivo in emizigopsi. SVILUPPA MALATTIA
Trasmissione emofilia: madre portatrice e padre sano Madre portatrice Padre sano X E X X Y X E X Femmina portatrice X X Femmina sana X E Y Maschio emofilico X Y Maschio sano
Trasmissione emofilia: madre sana e padre emofilico Madre sana Padre emofilico X X X E Y X XE Femmina portatrice X XE Femmina portatrice X Y Maschio sano X Y Maschio sano
Trasmissione emofilia: madre portatrice e padre emofilico Madre portatrice Padre emofilico X E X X E Y X E X E X X E X E Y X Y Femmina emofilica Femmina portatrice Maschio emofilico Maschio sano
Interazione dei geni con l ambiente L espressione di un gene può essere influenzata dall ambiente circostante. Esempio dei conigli himlaiani(pelo bianco con chiazze scure) La presenza di queste macchie su naso, orecchie e zampe è dovuta alla temperatura minore di queste zone. Se questi conigli vengono fatti crescere a 30 C diventano interamente bianchi, a temperature inferiori sviluppano le macchie nere: EFFETTO DELL AMBIENTE SUL FENOTIPO
EREDITA CITOPLASMATICA (EXTRANUCLEARE) Il carattere è trasmesso esclusivamente dalla madri ai figli di ambo i sessi, testimonia di un eredità citoplasmatica (mitocondri)
Intendiamo per eredità mitocondriale la trasmissione di caratteri attraverso il DNA mitocondriale, e quindi quella modalità di trasmissione dei caratteri che dipende da geni presenti nel mitocondrio, e non nel nucleo. La struttura del genoma mitocondriale lo rende suscettibile a mutazioni relativamente frequenti. Nella riproduzione sessuale il DNA mitocondriale è di origine esclusivamente materna (dalla cellula uovo). Viene ereditato secondo la divisione del citoplasma. La meiosi non prevede l esatta ripartizione dei geni mitocondriali nei gameti dato che questi organelli vengono distribuiti in modo casuale alle cellule figlie al momento della divisione della cellula madre. Ne consegue che le caratteristiche mitocondriali della progenie dipendono dalla madre