Genetica I PDF - Giampiero Valè

GENETICA I Giampiero Valè Introduzione alla evoluzione della genetica Basi fisiche dell’eredità Ciclo cellulare Cromosomi, mitosi e meiosi Le principali scoperte della genetica Differenze tra cellule batteriche, animali e vegetali  Negli eucarioti: Il DNA è legato a proteine denominate...

GENETICA I Giampiero Valè Introduzione alla evoluzione della genetica Basi fisiche dell’eredità Ciclo cellulare Cromosomi, mitosi e meiosi Le principali scoperte della genetica Differenze tra cellule batteriche, animali e vegetali  Negli eucarioti: Il DNA è legato a proteine denominate istoni Il complesso di DNA e proteine istoniche forma la cromatina, il materiale che costituisce i cromosomi Nei procarioti: Il DNA (in rosso nella figura) non è legato a proteine istoniche I geni sono su unica molecola circolare di DNA, che rappresenta il cromosoma procariote  Quindi negli eucarioti: Il nucleo contiene la cromatina: associazione tra DNA e proteine In alcune fasi del ciclo cellulare sono visibili i cromosomi Insieme dei cromosomi definisce l’assetto cromosomico; il numero di assetti cromosomici definisce la ploidia Ploidia negli umani T urartu, genoma AA Ae speltoides, genoma BB Ae tauschii, genoma DD  Cellula procariote Un solo cromosoma circolare Divisione cellulare per scissione binaria Replicazione del cromosoma in una posizione precisa: origine di replicazione Durante replicazione le origini di replicazione si allontanano verso gli estremi opposti della cellula In condizioni ottimali: divisioni ogni 20 min Nella maggior parte delle cellule eucarioti sono presenti due serie di cromosomi: una serie ereditata dal genitore maschile e l’altra da quello femminile Cariotipo: E’ l’assetto cromosomico completo di un organismo, di solito rappresentato dall’immagine dei cromosomi in metafase allineati in ordine decrescente rispetto alle loro dimensioni. Cellule aploidi e diploidi negli esseri umani Tutte le cellule di un individuo, ad esclusione dei gameti sono dette cellule somatiche Cellule somatiche (n = 46 cromosomi) Le cellule somatiche hanno un corredo diploide (2n) I gameti sono le cellule riproduttive (cellula uovo e spermatozoo) Gameti (n = 23 cromosomi) I gameti hanno un corredo aploide (n) Componenti del cromosoma eucariote: centromero e telomero (protegge e stabilizza il cromosoma) Classificazione dei cromosomi in base alla posizione del centromero  IL CICLO CELLULARE La durata del ciclo varia tra i vari tipi cellulari: Fibroblasti 24 ore, Cellule intestinali 12 ore Fasi iniziali sviluppo embrionale poche ore Cellule che raggiunta la maturità perdono capacità di dividersi: muscolari, neuroni Cellule che eventualmente riprendono a dividersi per esempio per rigenerare parti danneggiate: cellule epatiche Cellule che si dividono continuamente in tessuti che si rinnovano come epidermide, epitelio intestinale, endotelio, cellule staminali del midollo osseo (che danno origine ai globuli rossi)  Il Ciclo cellulare Sebbene la lunghezza checkpoint G1 /S dell’interfase differisca da una cellula all’altra, una cellula di mammifero in divisione passa circa 10 ore in G1, 9 ore in S e 4 ore in G2 checkpoint G2 /M CANCRO E CICLO CELLULARE Le transizioni tra le diverse fasi del ciclo cellulare (G1, S, G2 e M) sono regolate da “punti di controllo” (checkpoint). Un checkpoint è costituito da un insieme di eventi che bloccano l’avanzamento della cellula nel ciclo fino a quando un processo critico, come per esempio la sintesi o la riparazione del DNA, non siano completati. Una volta effettuato il controllo, il ciclo cellulare può riprendere. Due tipi di proteine hanno un ruolo importante nella progressione del ciclo: le cicline e le chinasi ciclina–dipendenti (CDK). I complessi formati tra le cicline e le CDK inducono la progressione del ciclo cellulare Visione schematica del punto di controllo START nel ciclo cellulare di mammifero. Il passaggio attraverso il punto di controllo dipende dall’attività del complesso ciclina D–CDK4 Variazioni nel ciclo cellulare associate al contenuto e struttura del DNA Variazione contenuto DNA nel ciclo cellulare Processo di condensazione della cromatina dopo replicazione DNA Valore C (C-value): quantità di DNA espressa in picogrammi nel nucleo di una cellula aploide Arabidopsis (125.000Kb); riso (390.000Kb); orzo (6M Kb); frumento (17M Kb)  FASI DELLA MITOSI: fase M del ciclo cellulare Profase: condensazione cromatina; cromosomi costituiti da 2 cromatidi fratelli (4C); formazione fuso mitotico (microtubuli e proteine associate) all’esterno del nucleo; frammentazione organuli cellulari (es. RE, GO); scomparsa nucleolo. Prometafase: scomparsa membrana nucleare; ingresso microtubuli nel nucleo; organizzazione dei cinetocori (complessi proteici) a livello del centromero e presa contatto con microtubuli del cinetocore. Metafase: allineamento cromosomi sulla piastra metafasica; aggancio al cinetocore dei microtubuli del cinetocore; cromatidi fratelli connessi a poli opposti. Anafase: separazione dei 2 cromatidi fratelli; migrazione ai poli opposti. Telofase: termine della migrazione ai poli opposti; scomparsa dei microtubuli; ri-formazione della membrana nucleare; ricomparsa dei nucleoli; decondensazione cromosomi. Citocinesi: introflessione della membrana nella regione centrale e separazione delle cellule figlie; ricostruzione della parete nelle cellule vegetali. spindle assembly checkpoint  Centrosoma Piastra metafasica Organizzazione e funzioni dei microtubuli nella mitosi  FASI DELLA MITOSI: schema semplificato e contenuto cromosomi e DNA Cromosoma paterno e materno di ipotetica cellula con 2n=2 Numero di cromosomi e C value in relazione a ciclo cellulare e mitosi n= numero cromosomi genoma aploide (n=23) c= contenuto DNA genoma aploide (3x109 bp)  RIPRODUZIONE SESSUALE E MEIOSI: CONCETTI PRELIMINARI Cellule somatiche: con numero cromosomico diploide (2n); queste cellule contengono quindi coppie di cromosomi omologhi (stesse serie di geni ma non necessariamente stessi alleli per ogni gene) Organismi eucariotici superiori Cellule germinali o gameti: con numero cromosomico aploide (n) Prodotte dalla meiosi, un tipo di divisione cellulare che si verifica negli organi deputati alla produzione dei gameti e che determina un dimezzamento del numero di cromosomi e un rimescolamento dei genomi (creazione di variabilità) MEIOSI: due divisioni cellulari successive separate da un’interfase durante la quale non avviene la duplicazione del DNA Profase I: divisa in 5 fasi: I divisione meiotica Leptotene: condensazione dei cromosomi duplicati nell’interfase; cromatidi strettamente appaiati; inizio del fuso mitotico Zigotene: inizio appaiamento cromosomi omologhi alle estremità (sinapsi) e estensione dell’appaiamento (mediato da una struttura proteica: complesso sinaptinemale) Pachitene: completamento appaiamento e formazione di bivalenti o tetradi (se riferito ai 4 cromatidi); crossing-over (CO) tra cromatidi non fratelli Diplotene: dissoluzione complesso sinaptinemale; inizio allontanamento degli omologhi di ogni coppia; chiasmi visibili (manifestazione citologica del CO) Diacinesi: condensazione cromosomi (ogni bivalente è visibilmente costituito da 4 cromatidi); cromatidi fratelli uniti da centromero; i cromatidi di ogni coppia di omologhi hanno contatti a livello dei chiasmi nelle zone dei CO Metafase I: disposizione dei cromosomi appaiati sul piano equatoriale; scivolamento dei chiasmi verso le estremità di ogni coppia di cromosomi (terminalizzazione dei chiasmi) Anafase I: inizia migrazione ai poli; NO separazione dei cromatidi fratelli; gli omologhi di ogni coppia si separano (disgiunzione degli omologhi) e migrano a poli opposti Telofase I: stessi eventi della mitosi; prima della divisione la cellula è 4C perché ogni cromosoma omologo ha 2 cromatidi fratelli uniti al centromero; dopo citocinesi, si ottengono 2 cellule con numero cromosomico ridotto a metà Profase II: stessi eventi della mitosi Metafase II: stessi eventi della mitosi II divisione meiotica o meiosi II Anafase II: stessi eventi della mitosi Telofase II e citocinesi: stessi eventi della mitosi condensazione dei inizio appaiamento completamento dissoluzione condensazione cromosomi duplicati cromosomi omologhi appaiamento e complesso cromosomi (ogni nell’interfase; alle estremità formazione di sinaptinemale; inizio bivalente è visibilmente cromatidi (sinapsi) e estensione bivalenti o tetradi allontanamento costituito da 4 cromatidi); strettamente dell’appaiamento (se riferito ai 4 degli omologhi di cromatidi fratelli uniti da appaiati; inizio del (mediato da una cromatidi); crossing- ogni coppia; chiasmi centromero; i cromatidi di fuso mitotico struttura proteica: over (CO) tra visibili ogni coppia di omologhi complesso cromatidi non (manifestazione hanno contatti a livello sinaptinemale) fratelli citologica del CO) dei chiasmi nelle zone dei CO  Metafase I: disposizione dei cromosomi appaiati sul piano equatoriale; scivolamento dei chiasmi verso le estremità di ogni coppia di cromosomi (terminalizzazione dei chiasmi) Sono cromosoma paterno e materno che vanno in cellule diverse Anafase I: inizia migrazione ai poli; NO separazione dei cromatidi fratelli; gli omologhi di ogni coppia si separano (disgiunzione degli omologhi) e migrano a poli opposti Telofase I: stessi eventi della mitosi; prima della divisione la cellula è 4C perché ogni cromosoma omologo ha 2 cromatidi fratelli uniti al centromero; dopo citocinesi, si ottengono 2 cellule con numero cromosomico ridotto a metà  Sono cromosoma paterno e materno che sono in cellule diverse Le cellule sono ancora 2C cellule figlie n (aploidi) con contenuto di DNA 1C Una cellula umana ha un totale di 46 cromosomi. Indicare quanti cromosomi ci saranno al termine della mitosi, meiosi I e meiosi II A. 46, 46, 46 B. 46, 23, 23 C. 23, 23, 23 D. 46, 46, 23 E. 46, 23, 46 Risposta: B Durante le due divisioni meiotiche si ha la separazione di cromosomi omologhi o di cromatidi fratelli  FASI DELLA MEIOSI: schema semplificato Meiosi II NB qdi dopo I divisione meiotica numero cromosomico è dimezzato, ma contenuto DNA è ancora 2C Questi sono 1 chr materno e 1 paterno (una coppia di omologhi) Fino alla anafase 1 la cellula Anafase I Profase I è 4C - Telofase I In sintesi: con la meiosi a partire da 1 cellula madre 2n vengono prodotte 4 cellule figlie n, ognuna con una sola copia del paio di cromosomi della cellula madre In riferimento al numero di cromosomi: I divisione meiotica: riduzionale, in quanto le 2 cellule figlie contengono numero di cromosomi dimezzato rispetto alla madre II divisione meiotica: equazionale, in quanto il numero cromosomico rimane inalterato In riferimento al contenuto DNA: I divisione meiotica: rimane inalterato rispetto cellula madre II divisione meiotica: viene dimezzato rispetto cellula madre Le due divisioni della meiosi considerando 4 cromosomi NB che qui abbiamo il Es rosso materno per il materno e blu chr lungo e il paterno paterno per il chr corto NB che qui abbiamo il paterno per il chr lungo e il materno per il chr corto IL CO E’ FONTE DI VARIABILITA’ GENETICA Quindi: al pachitene della profase I della meiosi si possono verificare CO (scambio fisico di segmenti tra cromatidi omologhi ma non fratelli) La ricombinazione (cambiamento del rapporto di associazione tra alleli di 2 geni concatenati) è la conseguenza genetica del CO I prodotti meiotici derivati da un singolo evento di CO tra 2 geni sono: a) 2 cromatidi parentali (non ricombinanti) b) 2 cromatidi ricombinanti Il CO produce variazione genetica  La separazione casuale dei cromosomi omologhi produce variazione genetica Un esempio considerando 3 coppie di cromosomi, I, II e III: allineamenti e migrazioni diverse dei cromosomi materni e paterni producono combinazioni diverse di cromosomi nelle cellule risultanti Quindi un secondo processo della meiosi che contribuisce alla variazione genetica è la distribuzione casuale di cromosomi che si verifica in anafase I, in seguito al loro allineamento casuale in metafase I: 2n combinazioni possibili DIFFERENZE TRA MITOSI E MEIOSI  GAMETOGENESI NEGLI ANIMALI Gametogenesi nelle gonadi degli animali: ovaio e testicolo GAMETOGENESI NELLE PIANTE SUPERIORI Nelle piante superiori vi è alternanza tra generazioni aploidi (gametofito) e diploidi (sporofito) Parte maschile del fiore (stame) contiene cellule riproduttive diploidi (microsporociti) ognuna delle quali va incontro a meiosi e produce 4 microspore aploidi; ogni microspora si divide per mitosi e produce 1 granulo pollinico immaturo costituito da 2 nuclei aploidi; il nucleo del tubulo determina la crescita di un tubulo pollinico; il nucleo generativo si divide per mitosi per produrre 2 cellule spermatiche; il granulo pollinico con i suoi 2 nuclei aploidi è il gametofito maschile. Parte femminile del fiore, ovario, contiene i megasporociti, cellule diploidi, ciascuna delle quali in seguito a meiosi producono 4 megaspore aploidi, delle quali solo 1 sopravvive. Il nucleo della macrospora sopravvissuta si divide mitoticamente per 3 volte producendo 8 nuclei aploidi che costituiscono il gametofito femminile, detto sacco embrionale. I nuclei superiori si chiamano antipodi, quelli inferiori sinergidi; i nuclei inferiori, in seguito a divisione del citoplasma originano cellule distinte, una delle quali si trasforma nell’oosfera.  Nel VN avviene La doppia riattivazione di fecondazione trasposoni e nelle piante produzione di siRNA che può causare migrano al SC imprinting Vegetative nucleus per rinforzare nell’endosper silencing dei trasposoni ma Sperm cells Nell’endosperma (ovule) si osserva imprinting: Central cell nucleus demetilazione in CCN consente espressione degli CCN è demetilata alleli materni, e produce siRNA mentre quelli che migrano a EC paterni sono egg cell per rinforzare silenziati silencing