BIOLOGIA

1. 0 LEZIONE N. 2A slide N. 43 BIOLOGIA ESERCIZI slide N. 12 - 39 La GENETICA CLASSICA IV Liceo SCIENZE APPLICATE Prof. Fabrizio CARMIGNANI fabcar@hotmail.it www.fabriziocarmignani.comIISS “Mattei” – Rosignano S. (LI) Slide N.54

2. INDICE: • OLTRE LE LEGGI di MENDEL • MODERNA TEORIA CROMOSOMICA dell’EREDITARIETA’

3. OLTRE le LEGGI di MENDEL

4. Agli inizi del 1900, vari genetisti, riprendendo il lavoro di MENDEL(aveva lasciato appunti minuziosi su tutti i suoi incroci e risultati) evidenziarono situazioni di incroci i cui risultati si discostavano da quelli ottenuti da MENDEL stesso e riassunti nelle sue 2 leggi. Questi nuovi casi “diversi” sono: LaDOMINANZA INCOMPLETA produceFENOTIPI INTERMEDI Le leggi di MENDEL sono valide per tutte le specie con riproduzione sessuata ma, spesso, il GENOTIPO non determina il FENOTIPO nel modo semplice e lineare descritto dalle sue leggi 1. DOMINANZA INCOMPLETA

5. ROSSO RR BIANCO rr Generazione P  GAMETI r R GENOTIPI Rosa Rr Generazione F1 AA OMOZIGOTE capacità sintetizzare recettori LDL aa OMOZIGOTE incapacità sintetizzare recettori LDL Aa ETEROZIGOTE GAMETI 1 2 1 2 R r FENOTIPI GAMETI MASCHILI 1 2 1 2 R r LDL Recettore LDL Generazione F2 1 2 Rosa rR Rosso RR R GAMETI FEMMINILI 1 2 r Bianco rr Rosa Rr Cellula INDIVIDUO SANO AMMALATO NON GRAVE GRAVEMENTE AMMALATO Per alcuni caratteri, si osserva che gli ibridi F1 possiedono fenotipi che sono una «via di mezzo» tra le 2 linee parentali: questo effetto è chiamatoDOMINANZA INCOMPLETA Es.1) Dominanza incompleta nelle piante di BOCCA di LEONE Dominanza incompleta IPERCOLESTEROLEMIA umana Es.2) LDL: Low Density Lipoprotein Proteine trasportatrici di COLESTEROLO “cattivo”

6. 2. ALLELIA MULTIPLA Molti geni possiedono più di 2 varianti (alleli) che regolano uno stesso carattere e questa situazione è chiamata: ALLELIA MULTIPLA Nel caso di alleli multipli, all’interno della popolazione, esistono più di 2 alleli, ma ogni individuo, ovviamente, ne ha sempre 2 in quanto i geni (alleli) stanno sui cromosomi e questi sono sempre in coppia Un classico esempio di ALLELIA MULTIPLA è quello relativo ai GRUPPI SANGUIGNI UMANI

7. FENOTIPI gruppi sanguigni ANTICORPI presenti nel PLASMA Reazione tra sangue dei gruppi sottostanti e anticorpi dei gruppi sanguigni delle colonne a sinistra GENOTIPI O A B AB O DONATORE UNIVERSALE Anti-A Anti-B ii A IAIA - IAi Anti-B IBIB - IBi B Anti-A AB ACCETTORE UNIVERSALE IAIB — Gruppi SANGUIGNI UMANI (Sistema ABO) I 4 gruppi sanguigni umani (A,B,AB ,O) sono il risultato di diverse combinazione di 3 differenti ALLELI: IA, IBe i. Gli alleli IAe IBsono CODOMINANTI (stessa forza) e sono espressi entrambi nel fenotipo, mentre i è l’allele recessivo COMPATIBILITA’ tra GRUPPI sanguigni umani

8. 3. CODOMINANZA E’ un evento genetico che si riscontra quando 2 alleli si manifestano entrambi in modo completo, e quindi entrambi sono riconoscibili negli eterozigoti, dal punto di vista del fenotipo Si manifesta negli individui DIPLOIDI o POLIPLOIDI Un individuo diploide (es. uomo) è dotato di un doppio assetto cromosomico, i 2 cromosomi di una stessa coppia cromosomica porteranno 2 alleli (uno per ogni cromosoma) per uno stesso gene. Gli alleli possono essere uguali e dominanti (omozigote dominante), uguali e recessivi (omozigote recessivo) o diversi (eterozigote) Nell'eterozigote un allele (dominante) può prevalere sull'altro (recessivo) ed il fenotipo è determinato solo da un allele (quello dominante). In alcuni casi la dominanza può non essere completa ed in altri casi si può manifestare la CODOMINANZA: entrambi gli alleli si manifestano nel fenotipo

9. Es. malattia genetica: ANEMIA FALCIFORME Individuo MALATO: OMOZIGOTE ma anche ETEROZIGOTE (forma più lieve) L’emoglobina anomala cristallizza e fa assumere ai globuli rossi la forma di falce Cellule FALCIFORMI 5,555 cellule falciformi si accumulano ostruendo i vasi sanguigni più piccoli Demolizione globuli rossi Accumulo di cellule falciformi nella milza Dolori e febbre Danni cuore Danni milza Danni cervello Danni altri organi Debolezza Anemia Polmonite e alte infezioni Calo delle funzioni mentali Insufficienza renale Reumatismi Paralisi 4. PLEIOTROPIA (EFFETTO PLEIOTROPICO) Un singolo GENE può avere effetto su più di un carattere fenotipico e questo è detto PLEIOTROPIA o EFFETTO PLEIOTROPICO Sintomi ANEMIA FALCIFORME : effetti multipli di un singolo GENE

10. Generazione P  aabbcc (molto chiara) AABBCC (molto scura)  Generazione F1 AaBbCc AaBbCc Gameti maschili 20 64 15 64 15 64 1 64 6 64 1 64 6 64 1 8 1 8 1 8 1 8 1 8 1 8 1 8 1 8 20 64 1 8 Generazione F2 1 8 15 64 1 8 1 8 Frequenza nella popolazione Gameti femminili 1 8 6 64 1 8 1 8 1 64 1 8 COLORE della PELLE 5. EREDITA’ POLIGENICA EREDITARIETÀ POLIGENICA crea un continuum di FENOTIPI Un solo CARATTERE può essere influenzato da molti GENI EREDITA’ POLIGENICA per il COLORE della PELLE nella specie umana QUADRATO di PUNNET

11. TEST CROSS (REINCROCIO) I genetisti usano il TEST CROSS per determinare i GENOTIPI sconosciuti Il TESTCROSS o REINCROCIO rappresenta un incrocio tra un individuo con genotipo sconosciuto e un individuo omozigote recessivo (quindi con fenotipo evidente), può determinare il genotipo sconosciuto N? nn  GENOTIPI TEST CROSS: per determinare il GENOTIPO di un LABRADOR nero 2 possibili genotipi del cane nero oppure Nn NN GAMETI n N N n Nn n nn Nn PROLE 1 nero : 1 marrone Tutti neri

12. DOMANDE per ripassare OLTRE le LEGGI di MENDEL Con un esempio, spiega il fenomeno della dominanza incompleta Descrivi il caso di allelia multipla facendo riferimento ai gruppi sanguigni umani Cosa si intende per effetto pleiotropico o pleiotropia? Facendo riferimento al colore della pelle umana descrivi il fenomeno dell’eredità poligenica Perché i genetisti ricorrono alla tecnica del test cross? In che cosa consiste?

13. B. MODERNA TEORIA CROMOSOMICA dell’EREDITARIETA’

14. Elenco dei principali organismi viventi usati, in ordine cronologico, dai genetisti per compiere le loro ricerche: • PIANTE: Pisello odoroso • INSETTI: Moscerino della frutta • BATTERI: Escherichia coli

15. Pisello odoroso Circa 1850 Lathyrusodoratus Pianta rampicante Fam. Papilionacee Usata da Gregor MENDEL a metà del 1800. Ciclo vegetativo: 2-3 mesi

16. 2) Moscerino della frutta circa1910 Drosophilamelanogaster Classe: INSETTI Ordine: DIPTERA Usata da T.H. MORGAN nei primi del 1900 Ciclo vitale: circa 15 giorni

17. 3) BATTERI Escherichia coli circa 2000 Batterio a bacillo Usato dai genetisti attuali Ciclo vitale: alcune decine di minuti

18. BASI CROMOSOMICHE dell’EREDITARIETÀ Il comportamento dei cromosomi , scoperti successivamente al lavoro di MENDEL, conferma le sue leggi La moderna TEORIA CROMOSOMICA dell’EREDITARIETA’ 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,e questo è in accordo con le 2 leggi di Mendel

19. Generazione F1 Tutti i semi sono lisci e gialli L g l G l L l L METAFASE I(2 possibili disposizioni) g G g G l L l L ANAFASE I G g g G l l L L METAFASE II g g GAMETI G G g G G G g g G g L l l L l L l L ¼ lg ¼ lG ¼ Lg ¼ LG Fecondazione tra piante F1 Generazione F2 Rapporto FENOTIPICO 9 : 3 : 1 : 3 Le BASI CROMOSOMICHE delle LEGGI di MENDEL LlGg MEIOSI Coppie di ALLELI su cromosomi diversi

20. Come abbiamo già visto la seconda legge di MENDEL (dell’ASSORTIMENTO INDIPENDENTE) è verificata solo se le coppie di ALLELI si trovano su coppie di cromosomi diversi Questa situazione , ovviamente, NON si verifica sempre e quindi occorre dire che MENDEL…. ebbe fortuna perché gli ALLELI dei caratteri che lui considerò delle piante di Pisello odoroso, sicuramente si trovavano su coppie di cromosomi diversi che quindi segregavano (si dividevano) una indipendentemente dall’altra Ma cosa accade quando 2 coppie di alleli si trovano sullo stesso cromosoma??? GENI ASSOCIATI

21. Spiegazione: i geni sono associati VA Cellule F1 diploidi VvAa va MEIOSI VA va Gameti più frequenti FECONDAZIONE Gameti maschili VA va VA VA VA va Prole più frequente Gameti femminili VA va va va va VA 3piante fiori viola e polline allungato 1 pianta fiori rossi e polline rotondo I geni localizzati uno vicino all’altro sullo stesso cromosoma sono detti GENI ASSOCIATIe tendono ad essere ereditati insieme GENI ASSOCIATI: meccanismo dell’ereditarietà Fiore VIOLA POLLINE ALLUNGATO FIORE ROSSO POLLINE ROTONDO vvaa VVAA P VvAa F1 VvAaVvAa • NUMERO PREVISTO (9:3:3:1) • NUMERO REALE DISCENDENTI • su 381 piante FENOTIPI Fiori viola polline allungato Fiori viola polline rotondo Fiori rossi polline allungato Fiori rossi polline rotondo 215 71 71 24 284 21 21 55 F2 Esperimento sui pisellidi: BATESON e PUNNET

22. CROSSING-OVER Profase I TETRADE GAMETI b a A B A B b A a B a b Come si vedrà più avanti, solo un meccanismo che avviene durante la MEIOSI e chiamato CROSSING-OVER può riuscire a dividere i GENI ASSOCIATIcreando nuovi assortimenti di alleli che non esistevano nei genitori, mediante uno scambio di pezzi tra i cromatidi interni delle TETRADI Il CROSSING-OVER si verifica nella profase della MEIOSI I Divisione di GENI ASSOCIATI e formazione di GAMETI RICOMBINANTI GAMETI RICOMBINANTI

23. A) ESPERIMENTI di Thomas HuntMORGAN sul CROSSING-OVER Thomas Hunt MORGAN si dedicò allo studio dell'ereditarietà, adottando come sistema di riferimento il: MOSCERINO della FRUTTA (Drosophilamelanogaster) Gli esperimenti del suo gruppo, che diverrà famoso come "gruppo della drosofila", concentrarono l'attenzione sui cromosomi nel corso della METAFASE (dove sono visibili come unità separate) ed ipotizzarono l'esistenza fisica dei GENI e la loro disposizione lineare sui cromosomi: TEORIA CROMOSOMICA dell'EREDITÀQuesto presupposto metodologico si è rivelato di grande valore, consentendo l'interpretazione dell'assortimento dei caratteri mendeliani e l'osservazione di importanti fenomeni come il CROSSING OVER (ricombinazione)

24. Come abbiamo già detto agli inizi del 1900, l’embriologo Thomas Hunt MORGAN ed i suoi collaboratori, condussero alcuni dei primi studi sul crossing-over utilizzando per molti esperimenti, il moscerino della frutta Drosophilamelanogaster insetto comune intorno alla frutta, si alleva in piccoli contenitori, si nutre di una miscela di farina di mais, zucchero e lievito e produce centinaia di discendenti in poche settimane infatti ha un ciclo vitale molto breve di circa 15 giorni Gli esperimenti di MORGAN dimostrarono il ruolo del crossing-over nell’ereditarietà

25. Corpo grigio e ali lunghe Corpo nero e ali corte  GgLl ggll SPIEGAZIONE MASCHIO OMOZIGOTE RECESSIVO FEMMINA ETEROZIGOTE ggll (maschio) PROLE GgLl (femmina) g G L l 965 944 206 185 g g l l g L g g G L l G l l Gametimaschili Gametifemminili Corpo nero ali lunghe Corpo grigio ali lunghe Corpo nero ali corte Corpo grigio ali corte G L L g l G l g l g g g l l l g Fenotipi ricombinanti Fenotipi parentali Frequenza di RICOMBINAZIONE = 391 ricombinanti = 0,17 (17%) PROLE 2300 prole totale Esperimento di MORGAN sui moscerini della frutta GENI ASSOCIATI ggLl Ggll ggll GgLl

26. MAPPATURA dei GENI I genetisti usano il crossing-over per la MAPPATURA dei geni MORGANed i suoi allievi (Alfred Henry STURTEVANT) per primi, usarono i dati relativi al crossing-over per la mappatura dei geni nella Drosophila Tanto più alta è la % di ricombinazioni e tanto più distanti saranno i geni (locus) sul cromosoma Diagramma originale del crossing-over di MORGAN e STURTEVANT

27. FENOTIPI MUTANTI ALI vestigiali (l) OCCHI Cinabro (c) ARISTE corte CORPO Nero (g) OCCHI marroni CROMOSOMA g c l 17% 9% 9,5% FREQUENZA di ricombinazione ARISTE lunghe OCCHI rossi CORPO Grigio (G) OCCHI rossi (C) ALI normali (L) FENOTIPI SELVATICI Le frequenze (%) del crossing-over (ricombinazione) possono essere usate per mappare le posizioni relative dei geni sui cromosomi e quindi per determinare i singoli LOCI. Queste tecniche rientrano nell’ingegneria genetica (BIOTECNOLOGIE) MAPPA GENICA ottenuta grazie ai dati del CROSSING-OVER MAPPA GENICA parziale di un cromosoma di DROSOPHILA

28. Cromosomi SESSUALI e caratteri legati al sesso 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 (XY) sono di sesso maschile mentre quelli con 2 cromosomi XX sono di sesso femminile (Mentre per es. nella classe degli UCCELLI è il contrario: la femmina è eterogameticaZW ed il maschio monogameticoZZ)

29. FEMMINA MASCHIO 44 + XX 44 + XY Cellule Diploidi GENITORI 22 + X 22 + X 22 + Y CELLULA UOVO SPERMATOZOO 44 + XY 44 + XX PROLE (diploide) Il cromosoma Yha un gene responsabile dello sviluppo dei TESTICOLI, scoperto nel 1990 e denominato SRY:sex-determiningregionof Y L’assenza del cromosoma Y permette lo sviluppo delle OVAIE Determinazione del sesso nella SPECIE UMANA (Mammifero)

30. 22 + XX 22 + X 76 + ZW 76 + ZZ 32 16 PIANTE e ANIMALI: altri sistemi di determinazione del sesso CAVALLETTE Sistema XO UCCELLI – PESCI FARFALLE SistemaZW API - FORMICHE Daterminazione del sesso in base al numero dei cromosomi

31. 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, in quanto quello Y è molto piccolo (quasi vuoto, senza geni)

32. B) ESPERIMENTI di Thomas HuntMORGAN sui CARATTERI LEGATI AL SESSO I moscerini venivano sottoposti ad agenti mutageni (raggi X), ma in un primo tempo i risultati non furono quelli speratiNel 1910, tuttavia, comparve un unico individuo maschio con gli occhi bianchi in una popolazione interamente costituita da moscerini con gli occhi rossiMorgan decise di studiare questa variante e fece accoppiare il maschio "occhi bianchi" con le femmine "occhi rossi“ Nella prima generazione filiale (F1) tutti i moscerini avevano gli occhi rossi, ma incrociando tra loro i moscerini della F1, nella seconda generazione (F2), comparve il classico rapporto mendeliano di 3 rossi : 1 bianco 1 2

33. MASCHIO FEMMINA FEMMINA MASCHIO X r Y Xr Y XR XR   XR X r  XR Xr XR Y Gameti maschili Gameti maschili Gameti maschili XR Y Xr Y Xr Y XR XR XR XR Y XR XR Xr XR Y XR Y XR Xr XR Gameti femminili Xr Xr Xr Y XrY Xr XR Xr Xr R = allele «occhi rossi» r = allele «occhi bianchi» FEMM.NA ETER. OCCHI ROSSI X MASCHIO OCCHI ROSSI FEMM. ETER. OCCHI ROSSI X MASCHIO OCCHI BIANCHI FEMM. OMOZ. OCCHI ROSSI X MASCHIO OCCHI BIANCHI La modalità con cui vengono ereditati i geni legati al sesso è un modello di trasmissione ereditaria 1 2 3 FEMMINA MASCHIO F2 F1 Gameti femminili Gameti femminili

34. Questo indicava chiaramente che il carattere "occhi bianchi" doveva essere un carattere mendeliano recessivo, ma c’era un aspetto particolare: tutti gli individui della F2 che avevano gli occhi bianchi erano maschi Realizzando poi l’incrocio fra un maschio con gli occhi bianchi ed una femmina della F1, si otteneva di nuovo il rapporto previsto da Mendel, cioè 1 bianco:1 rosso (50%) ma questa volta con la stessa distribuzione nei due sessi, maschio e femmina 3

35. Nella DROSOFILA il colore bianco (allele RECESSIVO) degli occhi è un carattere legato al sesso OCCHI BIANCHI OCCHI ROSSI Drosophilamelanogaster

36. MALATTIE EREDITARIE UMANE legate al SESSO Le malattie ereditarie umane legate al sesso colpiscono prevalentemente i MASCHI , questo perche, la maggior parte, sono determinate da alleli recessivi Nel maschio si manifesta subito la malattia con un solo allele recessivo malato (portato dal cromosoma X, il cromosoma Y è piccolo e non contiene quasi nessun gene) Nelle femmine (con 2 cromosomi uguali X) c’è sempre la possibilità che l’allele recessivo malato sia mascherato dall’allele sano dominante nella condizione di ETEROZIGOTE. Le femmine sono malate solo nella condizione di omozigoti recessivi Le principali malattie umane legate al sesso sono: EMOFILIA DALTONISMO

37. Regina VITTORIA Alberto Louis Alice Zar Nicola II Alexandra ALEXIS 1) EMOFILIA Malattia genetica dove il sangue, in seguito a ferite, non riesce a coagulare, perché nel plasma (parte liquida del sangue) manca un fattore (PROTEINA VII -VIII) importante nel processo della coagulazione Esempio classico quello della REGINA inglese VITTORIA (1819-1901) che era una portatrice sana (eterozigote) ma che ha trasmesso l’allele recessivo malato ai regnanti di mezza Europa con i vari matrimoni tra discendenti delle famiglie reali FEMMINE PORTATRICI SANE MASCHIO MALATO EMOFILICO Trasmissione dell’EMOFILIA nella famiglia reale russa 2) DALTONISMO Consiste nell’inabilità a percepire i colori (del tutto o in parte). Fu il chimico inglese John DALTON a dare, nel 1794, una descrizione scientifica del DALTONISMO Si definisce daltonica la persona che non riesce a distinguere luci di diversa lunghezza d'onda I DALTONICI non riescono a leggere il numero 7 nel disegno

41. 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 2 copie dell’allele recessivo (ricevute da entrambi i genitori)

42. DOMANDE per ripassare MODERNA TEORIA CROMOSOMICA dell’EREDITARIETA’ Quali sono stati ,in linea di massima ed in ordine cronologico, i vari organismi viventi usati nei test genetici? Quale è stato il motivo principale di questi cambiamenti? Cosa prevede la moderna teoria cromosomica dell’ereditarietà? Che cosa sono i geni associati? Questi ,inevitabilmente, si trasmettono sempre insieme? Che cosa è il crossing-over e che cosa sono i chiasmi? Cosa può comportare durante la produzione dei gameti? Quali sono stati i primi genetisti a prospettare l’ipotesi di geni associati? E con quale esperimento? Cosa sono le mappe cromosomiche? Come vengono realizzate? Che cosa sono i cromosomi sessuali? Quale è la situazione della specie umana? E quella in altri animali? Che cosa sono i caratteri ereditari legati al sesso? Chi condusse i primi studi su questo argomento? Con quale materiale “vivente” lavorava? Fai un esempio di una malattia ereditaria umana legata al sesso

43. FINE della LEZIONE N. 2° La GENETICA CLASSICA Grazie per l’attenzione!!! E ricordatevi…… … Considerate la vostra semenza fatti non foste a viver come bruti ma per seguir virtute e canoscenza… DANTE ALIGHIERI La Divina Commedia, INFERNO, cantoXXVI, 118-120 Prof. Fabrizio CARMIGNANI fabcar@hotmail.it www.fabriziocarmignani.comIISS “Mattei” – Rosignano S. (LI)