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).