Genetica I PDF - Trasmissione dei caratteri

GENETICA I Giampiero Valè Trasmissione dei caratteri Eredità mendeliana: segregazione e assortimento indipendente dei caratteri Alleli multipli Elaborazione statistica della segregazione mendeliana Analisi dell’eredità mendeliana nell’uomo: alberi genealogici Gruppi sanguigni Eredità legata...

GENETICA I Giampiero Valè Trasmissione dei caratteri Eredità mendeliana: segregazione e assortimento indipendente dei caratteri Alleli multipli Elaborazione statistica della segregazione mendeliana Analisi dell’eredità mendeliana nell’uomo: alberi genealogici Gruppi sanguigni Eredità legata al sesso e determinazione genetica del sesso padre Gregor Johann Mendel, Brno (Repubblica Ceca), 1865 Breve ripasso della terminologia genetica Breve ripasso della terminologia genetica_2: geni, loci, alleli Breve ripasso della terminologia genetica_3: genotipo e fenotipo A) Principio della dominanza: il carattere che si manifesta in F1 è dominante, quello che ricompare in F2 recessivo Al locus R: gene SBE I Il risultato nella F1 non cambia negli incroci reciproci Incroci di piante F1 e B) principio della segregazione: negli eterozigoti alla formazione dei gameti si ha separazione degli alleli Zigoti diploidi con genotipo: -Omozigote dominante (AA) -Omozigote recessivo (aa) -Eterozigote (Aa) Segregazione nella generazione F3 prodotta mediante autofecondazione delle piante F2 ed aumento di omozigosi da autofecondazione Da 5474 + 1850 diapo 7 Reincrocio o test-cross (per un singolo carattere): mi consente di capire se un fenotipo dominante è omo o eterozigote C) Principio dell’assortimento indipendente: coppie di caratteri si assortiscono in modo indipendente al momento della formazione dei gameti RRGG X rrgg Fenotipi non parentali NB: Se n è il numero dei geni, il numero dei genotipi UNICI sarà 3n e il numero dei fenotipi sarà 2n Relazione tra principio dell’assortimento indipendente e la meiosi NB: Questa è una F1 di un diibrido Con 2 coppie di omologhi, ci sono 4 possibili disposizioni alla metafase I, che risultano in 4 possibili separazioni alla anafase I. possibili combinazioni nei gameti: 2n, dove n= numero coppie di omologhi; qdi 22=4 diversi gameti) Il Reincrocio o test-cross (per due caratteri): produce 4 classi fenotipiche con la stessa frequenza Risultati dell’incrocio con 3 o più caratteri: es incrocio RR GG PP x rr gg pp triibrido RrGgPp gameti 1/2P 1/8RGP 1/2G 1/2p 1/8RGp 1/2R 1/2P 1/8RgP 1/2g 1/2p 1/8Rgp 1/2P 1/8rGP 1/2G 1/2r 1/2p 1/8rGp 1/2P 1/8rgP 1/2g 1/2p 1/8rgp TEST DEL CHI-QUADRO E CONCETTI DI PROBABILITA’  Test del chi-quadrato Valuta probabilità che lo scarto tra risultati osservati e attesi sulla base dell’ipotesi si sia verificata per solo effetto del caso GL (gradi di libertà): numero di classi indipendenti in un campione; nel nostro caso, 2 classi fenotipiche, GL=1 H0: i rapporti corrispondono a una segregazione 3:1 e gli scostamenti sono dovuti solo al caso (non sono significativi)  Probabilità Quando due genitori eterozigoti per l’albinismo si accoppiano (Aa × Aa), la probabilità di generare un figlio affetto da albinismo (aa) è 1/4, mentre la probabilità di avere un figlio con pigmentazione normale è (AA o Aa) è 3/4. Supponiamo di voler conoscere la probabilità per questa coppia di avere tre figli affetti da albinismo. In questo caso c’è solo un modo perché ciò avvenga: che il loro primo figlio sia albino e il loro secondo figlio sia albino e anche il terzo lo sia. Qui applichiamo semplicemente la regola del prodotto: 1/4 × 1/4 × 1/4 = 1/64. Immaginiamo ora di chiederci quale sia la probabilità di questa coppia di avere tre figli, uno albino e due con normale pigmentazione. Questa situazione è più complessa. A) Il primo figlio potrebbe essere albino mentre il secondo e il terzo dovrebbero non esserlo; la probabilità di questa sequenza di eventi è 1/4 × 3/4 × 3/4 = 9/64. B) In alternativa, il primo e il terzo figlio potrebbero avere una pigmentazione normale e il secondo essere albino; la probabilità di questa sequenza di eventi è 3/4 × 1/4 × 3/4 = 9/64. C) Infine, i primi due figli potrebbero avere la pigmentazione normale e il terzo essere albino; la probabilità di questa sequenza è 3/4 × 3/4 × 1/4 = 9/64. Poiché la prima sequenza oppure la seconda oppure la terza producono un figlio albino e due con normale pigmentazione applichiamo la regola della somma e addizioniamo tutte le probabilità: 9/64 + 9/64 + 9/64 = 27/64.  Distribuzione binomiale Se vogliamo conoscere la probabilità di questa coppia di avere cinque figli, due albini e tre con pigmentazione normale, prendendo in considerazione tutte le combinazioni di figli e le relative probabilità, allora il conteggio diventa più difficile. In questo caso si può facilitare il compito applicando la distribuzione binomiale. La binomiale si presenta nella forma (p + q)n dove p rappresenta la probabilità di un evento, q la probabilità dell’evento alternativo e n il numero di volte in cui l’evento si verifica. Per calcolare le probabilità di due figli albini su cinque: p = probabilità di avere un figlio albino (1/4) q = probabilità di avere un figlio con pigmentazione normale (3/4) La binomiale di questa situazione è (p + q)5 poiché ci sono cinque figli nella famiglia (n = 5) Lo sviluppo è (p + q)5 = p5 + 5p4q + 10p3 q2 + 10p2 q3+ 5pq4 + q5 Ogni termine della distribuzione fornisce la probabilità relativa a una particolare combinazione dei caratteri dei figli. Il primo termine (p5) corrisponde alla P di avere 5 figli tutti albini; il secondo termine (5p4q) è la P di avere 4 figli albini e uno con normale pigmentazione, il terzo termine (10p3q2) corrisponde alla probabilità di avere di avere tre figli albini e due con pigmentazione normale e così via. Per conoscere la probabilità di ogni combinazione di eventi inseriamo i valori di p e q; così alla fine la probabilità di avere due figli albini su cinque è 10p2q3 = 10 (1/4)2 (3/4)3 = 270/1024 = 0,26 Potremmo facilmente determinare la probabilità di qualsiasi altra combinazione di albinismo e pigmentazione normale per cinque figli, usando gli altri termini di questa distribuzione. ESTENSIONE DEI PRINCIPI DELL’EREDITARIETA’ Dominanza incompleta: eterozigote mostra fenotipo intermedio rispetto a quello dei due omozigoti; nessun allele è dominante o recessivo, quindi i diversi alleli si distinguono usando la sigla del gene con codici alfa-numerici Esempio sul colore dei fiori della bocca di Esempio sul colore dei frutti della leone (Antirrhinum majus) melanzana Rapporto 1:2:1 Codominanza Le 2 forme alleliche sono funzionali e hanno effetto sul fenotipo, ma non hanno relazione di dominanza/recessività né dominanza incompleta. Il fenotipo dell’eterozigote manifesta le caratteristiche di entrambi gli omozigoti Es locus MN: codifica per un antigene presente sui globuli rossi: eterozigoti LMLN esprimono sia antigeni M che quelli N e sono di gruppo sanguigno MN RIASSUMENDO: Penetranza: non sempre il genotipo produce il fenotipo atteso, fenomeno definito come penetranza incompleta Es. polidattilia, determinato da un allele dominante, alcuni individui hanno allele della polidattilia ma hanno numero normale di dita La penetranza è definita come la percentuale di individui con un certo genotipo che effettivamente esprimono il fenotipo atteso. Per esempio, se abbiamo esaminato 40 individui che possiedono un allele della polidattilia e abbiamo trovato che solo 36 di loro sono polidattili, la penetranza dovrebbe essere 36/40 = 0,90 (90%). Espressività: es. alcuni individui polidattili possiedono, nelle mani o nei piedi, dita in sovrannumero completamente funzionali, mentre altri possiedono solo un piccolo accenno di dito aggiuntivo I geni essenziali sono quei geni che se mutati causano la morte dell’individuo L’allele mutato in questo caso è definito allele letale. Letali recessivi: prodotto codificato essenziale per la sopravvivenza; alleli che codificano prodotto non funzionale possono persistere nella popolazione solo allo stato eterozigote (es. albinismo nelle piante) Alleli letali Letali dominanti: prodotto codificato da un allele è funzionale ma così dannoso da causare la morte; il suo effetto si manifesta sia in omo- che eterozigosi ALLELI MULTIPLI ………………….. ALLELI MULTIPLI: esempio del locus C nel coniglio Serie allelica che descrive relazioni di dominanza: C>cch>ch>c  GRUPPI SANGUIGNI: il sistema AB0 Questi sono i genotipi dei riceventi locus I sul cromosoma 9 Sulla superficie dei globuli rossi sono presenti glicolipidi di membrana che si comportano come antigeni e caratterizzano i 4 fenotipi AB0 I rapporti di dominanza tra alleli sono IA>i; IB>i; IA=IB; IA e IB sono entrambi dominanti su i e sono co-dominanti tra loro Struttura degli antigeni nel sistema AB0 Transferasi: A: 353 aminoacidi B: 353 aminoacidi 0: 117 aminoacidi  Sistema Rhesus (Rh) Sistema complesso, con almeno 45 diversi antigeni (proteine di membrana sulla superficie dei globuli rossi) codificati da 2 loci sul cromosoma 1: RHD e RHCE Individui con sangue Rh+, hanno Possono fare antigene D sulla superficie dei globuli trasfusioni solo a rossi e genotipo DD o Dd e non hanno individui Rh+ anticorpi anti-D RHD codifica antigene di superficie RhD Individui con sangue Rh-, non hanno antigene D sulla superficie dei globuli Possono fare rossi; genotipo dd (delezione completa trasfusioni a locus RHD); possono avere anticorpi individui Rh- e Rh+ anti-D solo se hanno subito trasfusioni con sangue con antigene D  IAI0Dd Madre fenotipo A Rh+ ¼IAD ¼IAd ¼I0D ¼I0d I0d ¼IAI0Dd ¼IAI0dd ¼I0I0Dd ¼I0I0dd 0 0 I I dd Padre fenotipo 0 Rh- Figli IAI0Dd e I0I0dd sono compatibili Figlio IBI0dd non è compatibile ALBERI GENEALOGICI  CARATTERI EREDITARI NELL’UOMO Non è possibile effettuare incroci programmati NELL’UOMO: Progenie limitata: difficile fare analisi statistiche Quindi: analisi della segregazione di un carattere nel corso delle generazioni all’interno di famiglie Costruzione e analisi di alberi genealogici ALBERI GENEALOGICI O PEDIGREE Rappresentazione grafica della trasmissione di un carattere in una famiglia umana  Albinismo: autosomico recessivo Una figlia manifesta carattere, qdi il genitore II 4 non può che essere etero (il II 5 è sicuramente etero) NB1): In generale se nella progenie di genitori che nn manifestano carattere sono presenti figli che lo manifestano, il carattere è recessivo NB2): Se entrambi i genitori manifestano il carattere e nella progenie sono presenti figli senza, il carattere è dominante (e i genitori sono etero)  Cancro colorettale non poliposico: autosomico dominante Il cancro colorettale ereditario non poliposico (HNPCC) o sindrome di Lynch è una sindrome ereditaria autosomica dominante, con un grado di penetranza elevato-medio (30-70%) 1) SI VEDE COME UN CARATTERE DOMINANTE SI MANIFESTA CON MAGGIORE FREQUENZA DI UNO RECESSIVO: 41,6% DELLA PROGENIE MANIFESTA IL CARATTERE 2) NON SALTA GENERAZIONI Alcuni caratteri a base genetica ereditaria nell’uomo Un esercizio semplice: quale è la base genetica? Calcolo P nella analisi alberi genealogici Sicuramente non è aa; qdi potrebbe essere AA (p1/3) o Aa (p2/3)  EREDITA’ LEGATA AL SESSO I cromosomi che specificano il sesso sono detti CROMOSOMI SESSUALI che si distinguono dagli altri cromosomi del corredo detti AUTOSOMI Cariotipo maschile e femminile Nei mammiferi e drosophila: Sesso femminile ha 2 chr X, definito sesso omogametico (perché produce gameti di 1 solo tipo, con chr X); Maschi: hanno un X di origine materna e un Y di origine paterna; il sesso maschile è definito eterogametico Drosophila: Dimensione del genoma: 180 Mb, Cromosomi: 2n=8, Drosophila ha 4 paia di cromosomi: una coppia X/Y e tre coppie autosomiche etichettate II, III, e IV. Numero di geni: 13.000 Determinazione del sesso nell’uomo e mammiferi 150 Mb 57 Mb 900-1200 geni 200 geni  World map of birth sex ratios, 2012 Sex ratio by country for total population. Blue represents more women, red more men than the world average of 1.01 males/female. SINDROMI CONNESSE AI CROMOSOMI SESSUALI  Sindrome di Turner 45X0  Sindrome di Klineferter fenotipicamente maschi e no problemi fino alla pubertà; poi, ridotta 47, XXY fertilità, tendenza obesità, con sintomi che variano da persona a persona Nelle cellule femminili solo 1 dei chr X è attivo, qdi qdo sono presenti X soprannumerari questi sono disattivati, per questa ragione X aggiuntivi sono ben tollerati  Trisomia X e sindrome del doppio Y femmine con caratteristiche non diverse dal normale; effetti altezza > 180 cm, lieve ritardo mentale, denti grandi, lievi o assenti; statura > del normale, ritardo apprendimento possibili problemi vascolari. Frequenza 1/1000 maschi e a parlare, dislessia, tono muscolare < alla norma  Struttura, omologia e colinearità cromosomi X e Y 2,6 Mb Le regioni PAR (PseudoAutosomic Region) presenti alle estremità del chr Y hanno geni omologhi a quelli del chr X Complessivamente contengono 29 geni e tutti sfuggono alla inattivazione del chr X Il chr Y è trasmesso solo per via La funzione delle regioni PAR è di paterna e la maggior parte di esso nn ha sequenze omologhe permettere ai cromosomi X e Y di al chr X e qdi nn ricombina alla appaiarsi e segregare meiosi. Solo PAR ricombinano con chr X alla meiosi. correttamente durante la spermatogenesi. La delezione di PAR1 determina mancato appaiamento e sterilità nei maschi 320 Kb  Determinazione del sesso da dosaggio genico, es Drosophila In Drosophila, sesso X:A>1= metafemmine determinato da rapporto tra X:A>; si nota come emofilia si manifesti solo nei maschi e si può dedurre che alcune femmine siano portatrici sane dato che lo trasmettono ai figli.  Un esempio di previsione di albero genealogico per un carattere recessivo legato al sesso sul chr X: Daltonismo: colpisce 5-8% daltonismo dei maschi ma meno del 1% delle femmine umane La coppia II non metterà mai al mondo una figlia femmina daltonica perché le femmine erediteranno l’unico XD dal padre; mentre i figli maschi avranno ½ probabilità di ereditare allele Xd dalla madre. Quindi questa coppia ha P ¼ di generare figli daltonici: ½ di essere maschi x ½ di aver ereditato allele Xd dalla madre, ma sicuramente i figli daltonici saranno tutti maschi  CARATTERI DOMINANTI LEGATI AL CHR X Compaiono sia nei maschi che nelle femmine, ma maggiore frequenza nelle femmine Non saltano le generazioni I maschi affetti li trasmettono a tutte le figlie ma non ai figli Donne affette eterozigoti li trasmettono a circa metà dei figli maschi e metà delle femmine I maschi ereditano il carattere dominante solo dalla madre Una femmina può ereditare il carattere sia dal padre che dalla Un esempio di carattere dominante legato all’X nell’uomo è la madre ipofosfatemia detta anche rachitismo familiare vitamina D- resistente CARATTERI DOMINANTI LEGATI AL CHR X  CARATTERI LEGATI AL CHR Y Affetti solo i maschi, trasmissione da padre a figlio Se un maschio è affetto lo sarà anche tutta la progenie maschile Non saltano le generazioni Non sono né dominanti né recessivi  Come stabilire se un carattere è legato al sesso? Se dati di segregazione su progenie sono disponibili: 1) Osservare se c’è diversa segregazione fenotipica nella progenie maschile e femminile: se si osserva distorsione è probabile che il gene sia localizzato su un cromosoma sessuale (nella quasi totalità dei casi sul chr X) 2) Definire se il carattere è dominante o recessivo: osservare le femmine, se il gene è legato al sesso sono le uniche a poter essere eterozigoti e a permetterci di stabilire se il carattere è dominante o recessivo in base al fenotipo dell’eterozigote Nell’uomo, dove non sono disponibili incroci controllati e la progenie è limitata: 1) Quando il carattere è recessivo dobbiamo osservare la frequenza nella popolazione e ci aspettiamo di osservare più maschi con fenotipo recessivo rispetto alle femmine (es osservare un grande albero genealogico) 2) Se il carattere è dominante non è attesa grande differenza significativa tra maschi e femmine per la frequenza del carattere; verificare però che tutte le figlie femmine di un maschio con fenotipo mutato abbiano anch’esse fenotipo mutato (viceversa, ipotesi di carattere autosomico) Compensazione del dosaggio dei geni X-linked nei mammiferi Affinchè il livello di espressione genica, relativa ai geni sul cromosoma X, sia uguale tra i due sessi, è necessario un meccanismo di compensazione del dosaggio dei geni Nei mammiferi la compensazione del dosaggio si attua inattivando uno dei due cromosomi X nella femmina  Inattivazione di uno dei due cromosomi X inizia 16 giorni dopo la fecondazione (stadio di blastula), embrione di 20 cellule La inattivazione di uno o dell’altro chr X è casuale ma permanente e trasmessa nelle successive divisioni cellulari Il cromosoma X inattivato è scelto a caso tra i cromosomi X di derivazione materna e paterna, secondo un processo indipendente da cellula a cellula. Di conseguenza alcune cellule inattiveranno il cromosoma X paterno e altre quello materno. Ogni femmina di mammifero è quindi un mosaico di porzioni in cui è attivo uno o l'altro cromosoma X Inattivazione dei geni X-linked nelle femmine dei mammiferi determina mosaicismo Displasia ectodermica anidrotica: un allele recessivo di un gene mediamente su chr X che blocca la formazione delle ghiandole sudoripare 50% delle cellule Esempio di mosaicismo da inattivazione del cromosoma X nella esprimeranno donna Xm e 50% Xp Allele non funzionale presente su X paterno, qdi nelle cellule con X materno inattivato abbiamo i sintomi Corpo di Barr Le femmine eterozigoti presentano mosaicismo per questo carattere  Compensazione del dosaggio genico per il chr X Uno dei 2 chr X di tutte le cellule di una femmina viene quindi inattivato precocemente bloccando la trascrizione di tutti i geni del chr X inattivato Nuclei in interfase: visibile ammasso eterocromatico a ridosso della membrana nucleare: corpo di Barr il gene Xist produce una lunga molecola di RNA costituita da 17 000 nucleotidi sul cromosoma X destinato a rimanere attivo, altri geni (Tsix) reprimono l’attività di Xist in modo tale che l’RNA Xist non copra il cromosoma X e i geni su di esso rimangono attivi visibile al microscopio ottico (o meglio elettronico a trasmissione) in nuclei in interfase di cellule femminili Nella Drosophila: iperattivazione del singolo cromosoma X del maschio. Al processo partecipano almeno 5 diversi geni che codificano per un complesso di proteine e RNA che vanno a legarsi al cromosoma X del maschio. Le proteine sono del tipo acetil transferasi istoniche ed elicasi che facilitano distacco istoni, srolotamento dell’elica di DNA e pertanto facilitazione della trascrizione