dalle leggi di mendel ad oggi. le radici storiche della genetica, la scienza dellereditarietà,...
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Dalle leggi di Mendel ad oggi
• Le radici storiche della genetica, la scienza dell’ereditarietà, risalgono agli antichi tentativi di selezionare linee pure.
• I tentativi di spiegare l’ereditarietà risalgono ai tempi dell’antica Grecia (teorie di Ippocrate e Aristotele).
• All’inizio del diciannovesimo secolo, l’ipotesi ereditaria di maggior successo divenne quella della mescolanzamescolanza..
• La genetica moderna ebbe inizio intorno al 1860 con gli esperimenti del monaco Gregor Mendel sulle piante di pisello odoroso.
Petalo
CarpelloStame
• Mendel incrociò piante di pisello che differivano in alcuni caratteri morfologici e seguì le tracce delle caratteristiche da generazione a generazione.
1 Si rimuovono gli stami dai fiori viola
2 Si trasferisce il polline degli stami del fiore bianco al carpello del fiore viola
3 Il carpello impollinato matura
Prole(F1)
Viola
Carpello
Bianco
Stami
4 Si piantano i semi contenuti nel baccello
Genitori(P)
PRIMA LEGGE DI MENDELPRIMA LEGGE DI MENDEL
Mendel ipotizzò che esistessero forme alternative di geni, le unità che determinano le caratteristiche ereditabili.
Colore del fiore
Posizione del fiore
Colore del seme
Forma del seme
Colore del baccello
Forma del baccello
Lunghezza del fusto
Viola Bianco
Assiale Terminale
Liscio Rugoso
Gonfio Schiacciato
Alto Nano
VerdeGiallo
Verde Giallo
PRIMA LEGGE DI MENDELPRIMA LEGGE DI MENDEL
• Dai suoi dati sperimentali Mendel dedusse che un organismo ha due forme alternative di geni (alleli) per ogni carattere ereditario.
Generazione P(linee pure)
Generazione F1
Generazione F2
Fiori viola Fiori bianchi
Tutte le piante hanno fiori viola
Fecondazione tra piante F1 (F1 F1)
di piante con fiori viola
34
di piante con fiori bianchi
14
PRIMA LEGGE DI MENDELPRIMA LEGGE DI MENDEL
• Per ogni caratteristica, un organismo eredita due alleli, uno da ciascun genitore.
• Questi alleli possono essere uguali o differenti.
• Un organismo che possiede due alleli identici di un gene è detto omozigote per quel gene.
• Un organismo che possiede due alleli diversi dello stesso gene è chiamato eterozigote.
PRIMA LEGGE DI MENDELPRIMA LEGGE DI MENDEL
• Se i due alleli di una coppia sono diversi, uno è interamente espresso e determina una caratteristica osservabile nell’organismo, mentre l’altro non ha effetti visibili.
• Il primo è chiamato allele dominante (indicato con la lettera maiuscola corsiva).
• Il secondo è chiamato allele recessivo (indicato con la lettere minuscola corsiva).
PRIMA LEGGE DI MENDELPRIMA LEGGE DI MENDEL
La prima legge è detta della dominanzaLa prima legge è detta della dominanza
Piante P
Gameti
Assetto genetico (alleli)
Gameti
Piante F1 (ibridi)
Piante F2
VV vv
Tutti V Tutti v
Tutti Vv
12 V
V
V
v
v
VV Vv
Vv vvRapporto genotipico1 VV : 2 Vv:1 vv
Rapporto fenotipico3 viola1 bianco
12
v
• Secondo la legge della segregazione legge della segregazione di Mendel i due alleli di una coppia si dividono l’uno dall’altro durante la produzione dei gameti.
SECONDA LEGGE DI MENDELSECONDA LEGGE DI MENDEL
• Le forme alternative di un gene sono situate negli stessi loci (nella stessa posizione relativa) sui cromosomi omologhi.
GENOTIPO: VV aa BbEterozigote
V a b
V a B
Loci genici
Allelerecessivo
Alleledominante
Omozigoteper l’allele dominante
Omozigoteper l’allelerecessivo
SECONDA LEGGE DI MENDELSECONDA LEGGE DI MENDEL
• Guardando due caratteri alla volta, Mendel provò a determinare come vengono ereditate due caratteristiche.
• Mendel effettuò cioè un incrocio diibrido tra piante omozigoti con semi lisci e gialli (genotipo LLGG) e piante con semi rugosi e verdi (llgg).
TERZA LEGGE DI MENDELTERZA LEGGE DI MENDEL
• La legge dell’assortimento indipendente di Mendel afferma che ogni coppia di alleli segrega indipendentemente durante la formazione dei gameti.
Gameti
LlGg
lg LG
Verdirugosi
IPOTESI: ASSORTIMENTO DIPENDENTE IPOTESI: ASSORTIMENTO INDIPENDENTE
LLGG llgg
Gameti
LLGG llgg
LlGg
LG lg
LG lg
lg
LG
lg
Lg
lG
LGLLGG
LlGG
LLGg
LlGg
LlGG
llGG
LlGg
llGg
LLGg
LlGg
LLgg
Llgg
LlGg
llGg
Llgg
llgg
LG lG lgLg
I risultati ottenuti contraddicono l’ipotesi
I risultati ottenuti contraddicono l’ipotesi
Gialli lisciVerdilisciGiallirugosi
Generazione P
Generazione F1
Generazione F2
12
12
12
12
14
14
14
14
14
14
14
14
916316316116
TERZA LEGGE DI MENDELTERZA LEGGE DI MENDEL
• Un esempio di assortimento indipendente:
Mantello nero, vista normale N_A_
Mantello nero, cieco (PRA) N_aa
Mantello cioccolato, vista normale nn_A
Mantello cioccolato, cieco (PRA) nnaa
Cieco Cieco
9 mantello nero,vista normale
3 mantello nero,cieco (PRA)
3 mantello cioccolato,vista normale
1 mantello cioccolato,cieco (PRA)
NnAa NnAa
Fenotipi Genotipi
Incrocio tra eterozigoti(mantello nero, vista normale)
Rapporto fenotipico della prole
TERZA LEGGE DI MENDELTERZA LEGGE DI MENDEL
• Il testcross (reincrocio), ovvero un incrocio tra un individuo con genotipo sconosciuto e un individuo omozigote recessivo, può determinare il genotipo sconosciuto.
Testcross:
Genotipi
Gameti
Prole
N_ nn
I due possibili genotipi del cane nero:
NN
N N n
n Nn n Nn nn
Tutti neri 1 nero : 1 marrone
o Nn
• La legge del prodotto calcola la probabilità che avvengano due eventi indipendenti.
• La legge della somma calcola la probabilità che un evento accada in due o più modi alternativi.GENOTIPI DELLA F1
Femmina Nn
Formazione delle cellule uovo
GENOTIPI DELLA F2
Maschio Nn
Formazione degli spermatozoi
N n
NN N N n
n n N n n
12
12
12
12
14
14
14
14
L’ereditarietà segue le leggi della probabilità.
• L’ereditarietà di molti caratteri umani segue le leggi di MendelCaratteri dominanti Caratteri recessivi
Lentiggini Assenza di lentiggini
Attaccatura dei capelli a punta Attaccatura dei capelli diritta
Lobo staccato Lobo attaccato
• L’albero genealogico di una famiglia può essere usato per determinare i genotipi individuali.
SsJoshuaLambert
SsAbigailLinnell
S ?JohnEddy
S ?HepzibahDaggett
S ?Abigail
Lambert
ssJonathanLambert
SsElizabeth
Eddy
Ss Ss ss Ss Ss Ss ss
Femmina MaschioSordoSano
• Molte malattie ereditarie umane sono controllate da un singolo gene
La maggior parte delle malattie genetiche umane è di tipo
recessivo
Genitori
Figli
Gameti maschili
SanoSs
SanoSs
S s
Gameti femminili
S
s
SSSano
SsSano
(portatore)
SsSano
(portatore)
ssSordo
Sordità genetica
Un certo numero di malattie umane è dovuto ad alleli dominanti.Nanismo
• Molte malattie genetiche possono essere diagnosticate prima della nascita.
• La medicina mette a disposizione numerosi metodi diagnostici che possono essere impiegati prima del concepimento, durante la gravidanza e dopo la nascita.
• Molti bambini colpiti da una malattia recessiva nascono da genitori perfettamente sani.
• Per molte malattie genetiche, sono oggi disponibili test diagnostici per identificare i portatori di un allele recessivo.
Amniocentesi Villocentesi dei villi coriali
Sonda dell’ecografo
Feto
Utero
Liquido aminiotico
Cellule fetali
Alcune settimane
Testbiochimici Alcune
ore
Cellule fetali
Utero
Cervice
Siringa inserita attraverso la cervice per il prelievo di tessuto dai villi coriali
Si aspira il liquido amniotico
Centrifugazione
Sondadell’ecografo
Feto
Placenta
Villi coriali
Cariotipo
Placenta
Cervice
L’amniocentesi e il prelievo dei villi coriali consistono nel prelievo di cellule fetali che sono utilizzate per compiere dei test che consentono di rilevare malattie genetiche.
L’ecografia è un’altra tecnica diagnostica che utilizza gli ultrasuoni per riprodurre un’immagine del feto.
• Alcune malattie metaboliche possono essere diagnosticate alla nascita mediante semplici test, alcuni dei quali sono oggi svolti di routine negli ospedali dei paesi occidentali nei primissimi giorni di vita.
• La diagnosi precoce è importante per predisporre la terapia più adatta per la malattia.
• Le leggi di Mendel sono valide per tutte le specie con riproduzione sessuata ma, spesso, il genotipo non determina il fenotipo nel modo semplice descritto dalle sue leggi.
• Per alcuni caratteri, si osserva che gli ibridi F1 possiedono fenotipi che sono una «via di mezzo» tra le due linee parentali: questo effetto è chiamato dominanza incompleta.
GENERAZIONE P
GENERAZIONE F1
GENERAZIONE F2
RossoRR
Gameti
Biancorr
Gameti
Gameti maschili
Gameti femminili
RosaRr
R
R
R
r
rR
r
r
RossoRR
RosarR
RosaRr
Biancorr
12
12
12
12
12
12
GENOTIPI:
IIOmozigote
per la capacità di sintetizzare
i recettori per le LDL
IiEterozigote
iiOmozigote
per l’incapacità di sintetizzare
i recettori per le LDL
FENOTIPI:
LDLRecettore per le LDL
Cellula
Individuo sano Ammalato in forma non grave
Gravemente ammalato
Dominanza incompleta
• Molti geni possiedono più di due alleli
• Molti geni possiedono alleli multipli.
• In genere, ogni individuo possiede solo due alleli per un gene.
• Nel caso di alleli multipli, all’interno della popolazione, esistono più di due alleli.
Allelia multipla
• I gruppi sanguigni umani ABO sono un esempio di alleli multipli. I quattro gruppi sanguigni sono il risultato di diverse combinazione di tre differenti alleli.
• Gli alleli IA e IB sono codominanti e sono espressi entrambi nel fenotipo.
Fenotipi dei gruppi sanguigni Genotipi
Anticorpi presenti
nel sangue
Reazione tra il sangue dei gruppi sottostanti e gli anticorpi provenienti dai gruppi sanguigni delle colonne a sinistra (O, A, B, AB)
O A B AB
O
A
B
AB
ii
IAIA
oIAi
IBIB
oIBi
IAIB
Anti-AAnti-B
Anti-B
Anti-A
—
Allelia multipla
Individuo omozigote per l’anemia falciforme
L’emoglobina anomala cristallizza e fa assumere ai globuli rossi la forma di falce
Emoglobina delle cellule falciformi (anomala)
Cellule falciformi
Demolizione dei globuli rossi
Le cellule falciformi si accumulano ostruendo i vasi sanguigni più piccoli
Accumulo di cellule falciformi nella milza
Debolezza Anemia Danni al cuore
Dolori e febbre
Danni al
cervello
Danni ad altri organi
Danni alla milza
Calo delle funzioni mentali
ParalisiPolmonite
e alte infezioni
Reumatismi Insufficienza renale
5,55
5
• Un singolo gene può avere effetto su più caratteri fenotipici
L’impatto di un singolo gene su più di un carattere è detto pleiotropia.
Pleiotropia
• Un singolo carattere può essere influenzato da molti geni
GENERAZIONE P
GENERAZIONE F1
GENERAZIONE F2
Gameti maschili
Gameti femminili
aabbcc(molto chiara)
AABBCC(molto scura)
AaBbCc AaBbCc
18
18
18
18
18
18
18
18
18
18
18
18
18
18
18
18
1 64
6 64
15 64
2064
1564
6 64
1 64
1 64
2064
15 64
6 64
Colore della pelle
Fre
quen
za n
ella
pop
olaz
ione
L’ereditarietà poligenica crea un continuum di fenotipi.
Eredità poligenica
• Il comportamento dei cromosomi conferma Il comportamento dei cromosomi conferma le leggi di Mendelle leggi di Mendel
• La teoria cromosomica dell’ereditarietà sostiene che i geni sono localizzati sui cromosomi e che il comportamento di questi ultimi durante la meiosi e la fecondazione conferma i modelli di ereditarietà noti.
• Quindi, effettivamente, sono i cromosomi che, durante la meiosi, vanno incontro alla segregazione e all’assortimento indipendente; ciò è in accordo con le leggi di Mendel.
• Le basi cromosomiche delle leggi di Mendel:
Tutti i semi sono lisci e gialli(LlGg)
MeiosiMetafase I
(due possibili disposizioni)
Anafase I
Metafase II
Gameti
Generazione F1
Generazione F2
Fecondazione tra piante F1
L
L
L
L LL
L
g
G
G
G
G G g G G
l
l
g
L
G
l
g
L l l l l
ll
g
l
G
L
g
l
G
L
g
: 3 : 3 : 1
g g g
gG
¼ LG ¼ lg ¼ lG ¼ lg
9
• I geni localizzati sullo stesso cromosoma tendono a essere ereditati insieme
I geni localizzati uno vicino all’altro sullo stesso cromosoma sono detti geni associati e tendono a essere ereditati insieme.
Esperimento
VvAa VvAaGranulo pollinico
allungato
Numero previsto (9:3:3:1)
Fiori viola polline allungatoFiori viola polline rotondoFiori rossi polline allungatoFiori rossi polline rotondo
284212155
215717124
Fiore viola
Numero dei discendenti ottenutiFenotipi
Spiegazione: i geni sono associati
Cellule parentali diploidi VvRr
Gameti più frequenti
Prole più frequente
Gameti femminili
3 piante con fiori viola e polline allungato e 1 pianta con fiori rossi e polline
rotondo.
Meiosi
Fecondazione
Gameti maschili
va
VA
VA
VA
VAVA
va
VA va
va
VA
va
va
va
va
VA
• Il crossing-over produce nuove combinazioni di alleli
• Il crossing-over ricombina i geni associati in un assortimento di alleli che non esisteva nei genitori.
A B
a b
Tetrade Crossing-over
A B
A b
a b
a B
Gameti
•Agli inizi del Novecento, l’embriologo Thomas Hunt Morgan condusse alcuni dei primi studi sul crossing-over utilizzando per molti esperimenti il moscerino della frutta Drosophila melanogaster.
•Gli esperimenti di Morgan dimostrarono il ruolo del crossing-over nell’ereditarietà.
Esperimento di Morgan sui moscerini della frutta
Esperimento
Corpo grigio e ali lunghe
GgLI
Femmina
Corpo nero e ali corte
ggll
Maschio
Prole
Corpo grigio,ali lunghe
965 944 206 185
Corpo nero, ali corte
Corpo grigio, ali corte
Corpo nero, ali lunghe
Fenotipi parentali Fenotipi ricombinanti
Frequenza di ricombinazione = = 0,17
ovvero 17%
391 ricombinanti
2300 prole totale
Spiegazione
GgLI(femmina)
ggll(maschio)
GL
g l
g l
g l
GL g l G l gL g l
Gameti femminili
Gameti maschili
G g l
g g l g l g l
LglG
Prole
L
l
• I genetisti usano il crossing-over per la mappatura dei geni
• Morgan e i suoi allievi usarono i dati relativi al crossing-over per la mappatura dei geni nella Drosophila.
• Le frequenze del crossing-over (ricombinazione) possono essere usate per mappare le posizioni relative dei geni sui cromosomi.
Cromosomag c l
9% 9,5%
17%
Frequenza di ricombinazioneFenotipi mutanti
Ariste (appendici del corpo) corte
Corpo nero(g)
Occhi cinabro(c)
Ali vestigiali(l)
Occhi marroni
Ariste lunghe Corpo grigio(G)
Occhi rossi(C)
Ali normali(L)
Occhi rossi
Fenotipi selvatici
• In molte specie di organismi il sesso è determinato dai cromosomi
• Molti animali e gli esseri umani hanno una coppia di cromosomi sessuali (chiamati X e Y) che determinano il sesso dell’individuo.
• Nei mammiferi, gli individui con un cromosoma X e un cromosoma Y sono di sesso maschile. Quelli con due cromosomi XX sono di sesso femminile.
• Il cromosoma Y ha un gene responsabile dello sviluppo dei testicoli.
• L’assenza del cromosoma Y permette lo sviluppo delle ovaie.
(Maschio) (Femmina)
Cellule diploidi
dei genitori
SpermatozooCellula uovo
Prole(diploide)
44+
XY
44+
XX
22+X
22+Y
22+X
44+
XX
44+
XY
22+
XX
22+X
• Nelle piante e negli animali esistono altri sistemi di determinazione del sesso.
76+
ZW
76+
ZZ
32 16
• I geni legati al sesso vengono ereditati con modalità particolari
• Tutti i geni localizzati sui cromosomi sessuali sono detti legati al sesso.
• In molti organismi, i geni legati al sesso non correlati con la determinazione delle caratteristiche sessuali si trovano più spesso sul cromosoma X.
• Nella drosofila il colore bianco degli occhi è un carattere legato al sesso.
• La modalità con cui vengono ereditati i geni legati al sesso è un modello di trasmissione ereditaria.
Femmina Maschio
Gameti maschili
Xr Y
XR
Xr Y XR XR
XR Xr XR Y
Gameti femminili
R = allele «occhi rossi»r = allele «occhi bianchi»
Femmina Maschio
Gameti maschili
XR Y
XR
XR Y XR Xr
XR XR XR Y
Gameti femminili
Xr Xr XR Xr Y
Femmina
Gameti maschili
Xr Y
XR
Xr Y XR Xr
XR Xr XR Y
Gameti femminili
Maschio
Xr Xr Xr Xr Y
ReginaVittoria
Alberto
Alice Louis
Alexandra ZarNicola IIdi Russia
Alexis
• La maggior parte delle malattie legate al sesso negli uomini è determinata da alleli recessivi e colpisce prevalentemente i maschi.
Alberi genealogici
• Gli alleli recessivi legati al sesso che determinano alcune malattie sono localizzati sul cromosoma X.
• Se un uomo eredita un solo allele recessivo dalla madre, questo allele si manifesterà.
• In una donna il carattere recessivo si manifesta invece solo se sono presenti due copie dell’allele recessivo (ricevute da entrambi i genitori).