INTERAZIONI GENICHE
L eredità mendeliana descrive le modalità di trasmissione dei caratteri che obbediscono alle leggi di Mendel (segregazione e assortimento indipendente) L eredità mendeliana semplice riguarda: Un singolo gene con due diversi alleli Alleli che mostrano delle relazioni semplici di dominanza/recessività
Esistono caratteri che deviano da queste semplici relazioni di dominanza/recessività: molteplicità di meccanismi attraverso i quali gli alleli influenzano la manifestazione dei caratteri Le leggi di Mendel continuano a essere valide Però sono più complesse di quanto Mendel avesse potuto ipotizzare
Modalità ereditarie di singoli geni Esistono più modalità con cui due alleli di un gene possono governare la manifestazione di un carattere
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 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
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 Allele selvatico (dominante) Occhi rossi Ali normali Allele mutante (recessivo) Occhi bianchi Ali ridotte (miniature)
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 (fenomeno comune in molto geni) 2. L eterozigote è in grado di produrre più proteina dall allele normale per compensare la mancanza di funzione dell allele mutante (attraverso la regolazione genica, sovraespressione del gene nell eterozigote)
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 (Mirabilis jalapa) C R = allele per il colore rosso C W = allele per il colore bianco
Due linee pure 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
Allelia multipla Sistema dei gruppi sanguigni umani Locus ri, allelia multipla nelle piante
Tessuti in cui il colore è determinato dalla presenza dei diversi alleli del gene ri
Esempio interessante di allelia multipla: Il colore del mantello dei conigli Quattro alleli C (colore uniforme) c ch (mantello cincillà) Rappresenta un difetto parziale della pigmentazione c h (mantello himalaiano) La pigmentazione è presente solo in certe parti del corpo c (albino) Mancanza totale di pigmentazione La gerarchia della dominanza è : C > c ch > c h > c
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
Penetranza Il termine penetranza indica la capacità di un gene di manifestarsi negli individui che lo portano (l allele dominante non sempre penetra nel fenotipo dell individuo) Se ad un determinato genotipo sorrisponde sempre un fenotipo: PENETRANZA DEL 100% Se un allele dominante si manifesta fenotipicamente solo nel 70% degli individui che lo portano: PENETRANZA DEL 70%
Esempio della polidattilia: Causata da un allele autosomico dominante I soggetti affetti possono presentare dita aggiuntive di mani/piedi Anche se una singola copia dell allele causa il difetto, alcuni individui portatori dell allele dominante non mostrano il carattere La penetranza si misura a livello di popolazione Se il 60% degli eterozigoti mostrano il fenotipo dominante, allora il carattere ha una penetranza del 60% (a livello individuale il carattere è presente o assente)
Espressività L espressività è il grado della manifestazione del carattere determinato dal gene in differenti individui Nel caso della polidattilia il numero di dita può variare Un soggetto con dita in sovrannumero mostra un elevata espressività del carattere Un soggetto con un solo dito aggiuntivo mostra una ridotta espressività del carattere
Modello molecolare : anche se il gene dominante è presente, la proteina codificata da quel gene può non esercitare i suoi effetti. Questo può dipendere da: -influenze ambientali e/o -da altri geni (modificatori) che possono codificare proteine che controbilanciano gli effetti della proteina prodotta dall allele dominante
Tutti gli individui della figura hanno lo stesso allele per il pigmento P e la stessa capacità di produrlo. In ognuno gli effetti del resto del genoma e dell ambiente possono sopprimere o modificare la produzione del pigmento. Il colore riflette il livello di espressione fenotipica.
Espressività variabile, evidenziata con 10 diverse gradazioni di pezzatura nel mantello del bracco. Ogni cane possiede l allele S p responsabile del fenotipo pezzato
Sovradominanza La sovradominanza è il fenomeno che conferisce un maggiore vigore all eterozigote rispetto ai due omozigoti di solito determinata dalla presenza di due alleli che producono proteine con piccole differenze nelle loro sequenze aminoacidiche Viene definita anche vantaggio dell eterozigote
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 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
Un allele letale può produrre rapporti che deviano da quelli mendeliani Un esempio è il gatto Manx Che porta una mutazione dominante che colpisce la spina dorsale La mutazione in eterozigosi provoca un accorciamento della coda In omozigosi l allele è letale
INTERAZIONI GENICHE Le interazioni geniche avvengono quando due o più geni influenzano la manifestazione di un singolo carattere Ad esempio i caratteri morfologici come altezza, peso e pigmentazione sono dovute a numerosi geni in combinazione con fattori ambientali
Consideriamo alcuni casi che coinvolgono DUE GENI 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 fenotipico non verrà osservato: ATIPICITA DEI RAPPORTI DI SEGREGAZIONE I rapporti di segregazione riguardano manifestazioni diverse di un unico carattere!
EPISTASIA Si definisce epistasia il fenomeno per cui gli alleli di un gene mascherano gli effetti fenotipici degli alleli di un altro gene L epistasia va considerata relativamente a un particolare fenotipo Nota: Le leggi di Mendel restano valide in presenza di epistasia! Anche se i fenotipi sono mascherati i rapporti genotipici sono mantenuti
A seconda che l allele capace di mascherare l espressione degli alleli ad un altro locus sia dominante o recessivo si parla di: EPISTASIA DOMINANTE Se l allele capace di mascherare un altro è dominante Fenotipi: EPISTATICO, IPOSTATICO, RECESSIVO EPISTASIA RECESSIVA Se l allele capace di mascherare un altro è recessivo Fenotipi: EPISTATICO, IPOSTATICO, DOMINANTE
EPISTASIA DOMINANTE (rapporto fenotipico 12:3:1) Il colore del frutto della zucca: allele B epistatico rispetto a G P BBgg X bbgg (bianco) (giallo) F1 BbGg (bianco) F2 B_G_ B_gg bbg_ bbgg Bianco Giallo Verde (9+3)12 : 3 : 1 B- e qualsiasi genotipo per gene G bb e G- bbgg BIANCO GIALLO VERDE EPISTATICO IPOSTATICO RECESSIVO
EPISTASIA RECESSIVA (rapporto fenotipico 9:3:4) Colore del mantello nei topi P CCaa X ccaa (nero) (albino) F1 CcAa (aguti) F2 C_A_ C_aa cca_ ccaa Aguti Nero albino albino 9 : 3 : 4 (3+1) C- A- C- aa cc e qualsiasi genotipo per gene A AGUTI NERO ALBINO DOMINANTE IPOSTATICO EPISTATICO
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AZIONI GENICHE COMPLEMENTARI Quando per una determinata manifestazione fenotipica occorre la presenza di due o più geni Un incrocio che coinvolge l interazione tra due geni può ancora produrre quattro fenotipi distinti L eredità della forma della cresta nei polli Il primo esempio di interazione genica descritto E stato scoperto da William Bateson and Reginald Punnett nel 1906
Cresta a rosa RRpp Cresta a pisello rrpp Cresta a noce RrPp Cresta singola rrpp
Poiché la generazione F 2 consiste di polli con quattro tipi di creste 9 noce : 3 rosa : 3 pisello : 1 singola La morfologia della cresta è determinata da due geni indipendenti R è dominante su r e conferisce la cresta a rosa P è dominante su p e conferisce la cresta a pisello R e P sono entrambi necessari a determinare la cresta a noce (tanto rr che pp mascherano la cresta a noce) rrpp produce la cresta singola
Un incrocio che coinvolge una interazione tra due geni può produrre due fenotipi distinti L eredità del colore del fiore nel pisello dolce Lathyrus odoratus Anche questo fenomeno è stato scoperto da Bateson e Punnett Lathyrus odoratus normalmente ha fiori porpora Bateson e Punnett hanno ottenuto diverse linee pure con fiori bianchi Hanno effettuato il seguente incrocio P: Linea pura, fiore porpora X Linea pura, fiore bianco F 1 : Piante con fiore porpora F 2 : Piante con fiora porpora o con fiore bianco
Complementazione Nella F 2 si osserva un rapporto di 9 fiori porpora:7 fiori bianchi
Per spiegare il rapporto 9 porpora: 7 bianchi Bateson e Punnett hanno ipotizzato che due geni indipendenti determinino il colore del fiore bianco L allele C (porpora) è dominante su c (bianco) L allele P (porpora) è dominante su p (bianco) cc o pp mascherano gli effetti degli alleli P o C. Perciò una pianta omozigote per l uno o l altro degli alleli recessivi determinerà fiori bianchi Indipendentemente dal fatto che il secondo locus contenga o meno l allele che determina il colore porpora
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
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
MECCANISMO MOLECOLARE DELL EPISTASIA RECESSIVA: Gli alleli di tipo selvatico di due geni w+ ed m+ codificano per enzimi che catalizzano passaggi consecutivi nella via di sintesi del pigmento blu dei petali. Le piante omozigoti m/m producono fiori magenta mentre le piante omozigoti w/w producono fiori bianchi. Il doppio mutante w/w; m/m produce anch esso fiori bianchi, indicando che l allele per il bianco è epistatico sull allele per il magenta.