LEZIONE DI GENETICA

1. LEZIONE DI GENETICA Appunti Prof. Enrico Castello

2. Medicina personalizzata Diagnosi e cura delle malattie genetiche Evoluzione dell’uomo Evoluzione della vita Produzioni industriali Terapia malattie acquisite ed invecchiamento Produzione di nuovi farmaci e vaccini Piante e animali più produttivi e resistenti Clonazione, cellule staminali Risanamento ambientale Genetica forense OGM A chi serve La genetica

3. L’uomo ha iniziato ad occuparsi di genetica circa 10.000 anni fa, all’epoca dell’invenzione dell’agricoltura e della domesticazione degli animali Da allora ha continuato a selezionare intuitivamente varietà animali e vegetali più produttive e resistenti, modificandone profondamente le caratteristiche Per molti millenni tuttavia le leggi secondo le quali si trasmettono i caratteri ereditari sono rimaste sconosciute Ancora a metà ‘800 la maggior parte degli studiosi credevano sia nell’ereditarietà dei caratteriacquisiti, che nella miscelazione dei caratteri (blending inheritance), teoria seconda la quale i caratteri dei genitori si mischierebbero nei figli come latte e caffé si mischiano nel caffelatte Lo stesso Darwin non aveva sull’argomento idee molto chiare

4. GREGOR MENDEL (1822 – 1884) Nasce in una famiglia di piccoli proprietari terrieri, di lingua e cultura tedesca della Slesia Monaco agostiniano del monastero di Brünn (odierna Brno), cittadina agricola dell’impero austro ungarico (oggi Repubblica Ceca) Studia (senza mai conseguire la laurea) fisica, matematica e botanica, convincendosi dell’importanza di applicare il metodo sperimentale e l’analisi matematica allo studio delle scienze naturali Brünn è un centro dove allevatori e coltivatori si incontrano per discutere dei loro esperimenti di incrocio di piante e animali finalizzati all’incremento della produzione agricola

5. L’abate del convento di Mendel è un personaggio influente nell’ambiente scientifico ed agrario della città, molto interessato allo studio dell’eredità naturale Il monastero è dotato di un orto e di una serra ben attrezzati che, a partire dal 1854, vengono messi a disposizione di Mendel per avviare i suoi studi sulla trasmissione dei caratteri ereditari nelle piante

6. Nel 1854 Mendel inizia i suoi esperimenti • All’epoca le conoscenze riguardo alla trasmissione dei caratteri ereditari erano scarse e confuse. Si sapeva tuttavia che: • entrambi i genitori contribuiscono a determinare i caratteri della prole; • tali contributi vengono portati attraverso i gameti Mendel scelse come pianta da esperimento Pisum sativum, il comune pisello degli orti, perché: • È facilmente reperibile e facile da coltivare • Cresce e si riproduce rapidamente • La struttura del fiore, ermafrodita, con gonadi racchiuse da petali, che normalmente si autoimpollina, si presta bene alla manipolazione • Le differenti varietà hanno alcune caratteristiche distintive che si conservano nei discendenti

7. seme liscio o rugoso seme giallo o verde Fusti lunghi o corti Fiori viola o bianchi Baccello verde o giallo Baccello rigonfio o grinzoso Fiori assiali o terminali Mendel decide di studiare 7 caratteri distintivi che presentavano due forme nettamente differenti:

8. Per ognuno dei caratteri prescelti coltiva per due anni varie generazioni di piante, fino ad ottenere linee pure, cioè una serie di piante che, generazione dopo generazione, mantengono sempre costante la forma di un carattere Nel 1856 inizia incroci sperimentali tra linee pure per lo stesso carattere Rimuove gli organi maschili di un fiore e lo feconda col polline di un altro fiore scelto da lui

10. Prima generazione F1 Nella prima generazione filiale (F1), per ogni carattere, tutti i piselli mostravano solo una delle due varianti Le due forme alternative non si mescolavano Mendel chiamò dominanti le forme che comparivano nella F1, mentre chiamò recessive quelle che apparentemente erano scomparse. Che fine avevano fatto? Lasciò quindi che le piante della F1 si autoimpollinassero, originando le piante della seconda generazione filiale F2.

11. Tabella 12.1 pag. 161 Nella seconda generazione filiale (F2), ricompaiono i caratteri recessivi • Le proporzioni sono all’incirca le seguenti: • 75% (¾) carattere dominante • 25% (¼) carattere recessivo I caratteri recessivi quindi non erano scomparsi, bensì erano rimasti “nascosti” negli individui della F1 Secondo Mendel, la comparsa e la scomparsa dei caratteri alternativi, e le loro proporzioni costanti nella F2, potevano essere spiegati ammettendo che le caratteristiche fossero determinate da fattoridiscreti, cioè separabili tra loro

12. Incrocio di linee pure aa Aa x P AA gameti solo A solo a F1 gameti ovuli 1/2 A 1/2 a 1/2 A polline 1/2 a Genotipi F2 Fenotipi F2 Fenotipo= aspetto visibile

13. I fiori rosa sono il risultato di una dominanza incompleta. (b)

14. Per Mendel, ogni individuo doveva avere per ogni carattere una coppia di fattori, uno di origine paterna, l’altro di origine materna. Quando si formavano i gameti tali fattori si separavano ed ogni gamete ne ereditava solo uno Tale formulazione viene oggi chiamata legge della segregazione oppure I° legge di Mendel Per indicare le forme alternative di un carattere, ed i rispettivi fattori, Mendel utilizzò le lettere dell’alfabeto, assegnando la maiuscola alla forma dominante e la minuscola alla forma recessiva Nelle linee pure (dette anche generazione parentale o generazione P), tutti gli individui avevano due fattori uguali: AA, quelli col carattere dominate; aa quelli col carattere recessivo. Nella F1 gli individui avevano invece due fattori diversi Aa, di cui solo il dominate si manifestava, mentre il recessivo rimaneva “nascosto”.

15. Utilizzando la terminologia moderna (introdotta nei primi anni del ‘900), oggi chiamiamo geni i fattori di Mendel, mentre le forme alternative con cui un gene può presentarsi vengono dette alleli. L’insieme delle caratteristiche (interne, esterne o comportamentali) di un individuo prende il nome di fenotipo dell’individuo, mentre l’insieme dei geni che determinano quelle caratteristiche prende il nome di genotipo dell’individuo stesso Individui che per un dato carattere hanno due alleli uguali sono detti omozigoti per quel carattere; individui che per un dato carattere hanno invece alleli differenti sono detti eterozigoti per quel carattere • Le possibili combinazioni sono quindi tre: • AA omozigote dominante (con fenotipo dominante) • aa omozigote recessivo (con fenotipo recessivo) • Aa eterozigote (con fenotipo dominate)

16. Caratteri umani che si comportano come i fattori mendeliani Capacità di arrotolare la lingua Attaccatura dei capelli a punta della vedova

17. Estensione dell’analisi genetica mendeliana(correlazioni complesse fra genotipo e fenotipo) Corrispondenza 1 gene (allele)carattere Ampliamento del concetto: non solo 1 2 3 Non solo genoma ma ambiente 1 gene ma più geni 2 alleli, ma più alleli

18. 1-Interazioni alleliche Allelismo multiplo Dominanza incompleta Codominanza Alleli letali

19. 2-Interazioni geniche Interazioni geniche anche con comparsa di nuovi fenotipi (una caratteristica controllata da due geni che assortiscono indipendentemente) Epistasi (una caratteristica controllata da due geni che assortiscono indipendentemente, con uno ad effetto” preponderante” sul fenotipo)

20. Differenti relazioni di dominanza

21. Dominanza incompleta Se un allele non è completamente dominante su un altro  Fenotipo dell’eterozigote intermedio tra quello degli omozigoti: Distinto da quello degli omozigoti W W x ww (rosso x bianco) mendel osserva nella F1 fiori rosa Ww Nella F2 da F1xf1= ¼ rosso,1/2 rosa,1/4 bianco

22. Nei casi di codominanza, gli ibridi F1 mostrano i caratteri di entrambi i genitori. (a)

23. Nei casi di codominanza, gli ibridi F1 mostrano i caratteri di entrambi i genitori. (b)

25. Serie alleliche

26. Generazione x P (parentale) ( polline) + ( ovuli) F1 (prima filiale) tutti gialli autofecondazione F2 (seconda filiale) 6022 gialli : 2001 verdi 3:1 Analisi di un incrocio monoibrido AA= giallo dominante AA aa aa = verde recessivo Aa Aa Aa X ¼ AA ¼ aa ½ Aa

27. Analisi della F2 6022 gialli : 2001 verdi 3:1 F2 AA 1/4 gialli puri 1 3/4 gialli Aa 1/2 gialli impuri 2 aa 1/4 verdi 1/4 verdi puri 1

28. Definizioni • Le diverse forme di un determinante (gene) sono chiamate alleli • Gli individui che hanno due alleli uguali (linee pure) sono detti omozigoti • Gli individui che hanno due alleli diversi (ibridi) sono detti eterozigoti • Le cellule sessuali sono chiamate gameti • L’aspetto di un organismo è detto fenotipo • La composizione genetica di un organismo è detta genotipo

29. Nel nucleo di ogni nostra cellula (tranne quelle sessuali) vi sono 46 cromosomi: 22 coppie di autosomi e 2 cromosomi sessuali Ciascun cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli che derivano dal padre e dalla madre

30. Un cromosoma deriva dalla madre ed uno dal padre Quindi, ogni persona ha due copie di ciascun gene: una derivante dal padre, ed uno dalla madre

31. I caratteri di Mendel diventano geni • I "caratteri" ereditari di cui parlava Mendel (colore dei capelli, colore degli occhi..) oggi si chiamano "geni", un termine che indica l’unità fondamentale di informazione ereditaria che passa da genitori a figlio (dalla radice del greco ghènesis, "origine, generazione"). Un singolo gene determina, o contribuisce a determinare, uno dei numerosissimi caratteri di un organismo: la forma piuttosto che il colore del seme nel pisello, il colore degli occhi piuttosto che dei capelli nell’uomo, e così via.

32. Cromosomi e geni • Cromosoma: Struttura presente nella cellula a forma di bastoncello, composta da DNA e contenente i Geni. • I Geni sono le unità, contenute in ciascun cromosoma, che controllano i diversi caratteri ereditari.

33. Il genoma umano Cariotipo: E' L'insieme dei cromosomi presenti in una cellula. • Nella Specie Umana Il Corredo Cromosomico è pari a 46. • Cromosomi Omologhi: cromosomi uguali a due a due. Nella specie umana sono presenti due copie per ciascun cromosoma, pertanto i 46 cromosomi corrispondono a 23 coppie. La coppia 23 determina il sesso dell'Individuo. La coppia XX determina la femmina, mentre la coppia XY determina il maschio. I Cromosomi non sessuali, sono detti Autosomi. Cromosomi sessuali

34. La divisione cellulare • I cromosomi non sono visibili abitualmente al microscopio. Il DNA è distribuito un po’ dappertutto nel nucleo della cellula, come una masserella informe di cromatina. Nella prima fase della divisione cellulareil DNA si avvolge strettamente e diviene visibile come cromosomi distinti, che hanno l’aspetto di bastoncelli. Nel frattempo inizia a dissolversi la membrana che separa il nucleo dal resto della cellula.

36. Mitosi

38. Meiosi Da una cellula madre si ottengono quattro cellule figlie, ciascuna provvista di un corredo genetico dimezzato rispetto a quello della cellula madre. Con questo processo si formano i gameti.

39. Duplicazione del DNA La duplicazione del DNA procede in maniera bidirezionale a partire da un punto preciso dei cromosomi virali, batterici e cellulari, denominato ORIGINE DELLA DUPLICAZIONE. Per ciascuna molecola di DNA si osservano quindi due FORCELLE REPLICATIVE che avanzano in opposte direzioni. Negli eucarioti, che hanno quantità molto elevate di DNA rispetto ai virus e alle cellule batteriche, il DNA viene duplicato a partire da molte origini della duplicazione. Ciò garantisce una velocità complessiva di sintesi compatibile con i tempi osservati.

40. Duplicazione del DNA La duplicazione del DNA è un meccanismo che richiede energia. La reazione di polimerizzazione dei nucleotiditrifosfati ha luogo con una precisa polarità ed è catalizzata da enzimi chiamati DNA polimerasi. Nell’intero processo di duplicazione sono coinvolte almeno 10 attività enzimatiche differenti

41. DNA e RNA a confronto

42. Tipi di RNA Abbreviazione mRNA rRNA tRNA Denominazione RNA Messaggero RNA Ribosomiale RNA Transfer Funzione Codifica proteine Fa parte dei ribosomi - utilizzato per tradurre l’mRNA in proteine accoppia la regione che lega il codone dell’mRNA ed il suo amminoacido corrispondente

43. Trascrizione dal DNA al mRNA Avviene in tre step: inizio allungamento terminazione

44. Traduzione: dalla sequenza nucleotidica alla catena polipeptidica. La sintesi di una proteina

46. Classificazione delle malattie genetiche Dominante Cromosomiche Autosomica Recessiva Monogeniche Malattie genetiche Dominante Associata all’ X Recessiva Multifattoriali

47. Malattie genetiche cromosomicheLa sindrome di down • La Sindrome di DOWN   o Trisomia 21 o Mongolismo • L'Anomalia cromosomica responsabile della Trisomia 21, consiste nella presenza di Tre cromosomi 21 anziché solo due.

48. Mutazioni puntiformi su geni specifici Supponiamo che la mutazione genica sia nell’allele dominante… aa A a A a aa aa A a Malattia autosomica dominante

49. Supponiamo che la mutazione sia nell’allele recessivo… A a A a aa A a A a A A Malattia autosomica recessiva

50. Emofilia A. Un esempio di malattia ereditaria recessiva associata al cromosoma X • Difetto di coagulazione del sangue dovuto alla presenza di una proteina (FVIII) non funzionante • Frequenza nella popolazione: 1/5000-10000 maschi • Anche piccoli traumi come i graffi possono provocare emorragie gravi