Lezione 1-I°Semestre PDF - Genetica

Genetica Corso di laurea in Medicina e Chirurgia CCL “E” Prof. Carnevale Roberto Dip.to Scienze e Biotecnologie Medico-Chirurgiche A.A. 2019/2020  TESTI CONSIGLIATI 1. GEN...

Genetica Corso di laurea in Medicina e Chirurgia CCL “E” Prof. Carnevale Roberto Dip.to Scienze e Biotecnologie Medico-Chirurgiche A.A. 2019/2020  TESTI CONSIGLIATI 1. GENETICA principi di analisi formale. Griffiths A.J.F., et al. Casa editrice Zanichelli; 2. PRINCIPI DI GENETICA. Snustad D.P. et al. Casa editrice Edises; 3. GENETICA. Pierce Benjamin A. Casa editrice Zanichelli 07/01/2020 Pagina 2 Prof. Carnevale Roberto  RICERCA E MEDICINA 07/01/2020 Pagina 3 Prof. Carnevale Roberto  RICERCA E MEDICINA Il programma sarà così sviluppato: 1.DIDATTICA DI BASE; 2.SEMINARI DI RICERCA TRASLAZIONALE; 3.ATTIVITA’ DI LABORATORIO; 4.TENTATIVO DI LAVORO SCIENTIFICO (REVIEW) INSIEME 07/01/2020 Pagina 4 Prof. Carnevale Roberto  RICERCA E MEDICINA SMiLE (Students Medicine Latina) Group: Beatrice Benazzi, Chiara Bologna, Valeria Cipolla, Chiara Clerici, Leonardo Marini, Andrea Missimei, Giovanni Ormesi, Niccolò Pannozzo, Leonardo Rasile, Sara Ruci, Greta Venturini, Fabio Zara. 07/01/2020 Pagina 5 Prof. Carnevale Roberto  Lezione 1 1. La genetica e l’organismo; 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà; 3. Determinazione del sesso. 07/01/2020 Pagina 6 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo Perché la genetica è divenuta così importante? La genetica cerca di capire le proprietà del materiale genetico, l’acido desossiribonucleico, meglio noto come DNA. Le cellule di tutti gli organismi, dai batteri all’uomo, contengono uno o più assetti di un insieme di molecole di DNA di base che è unico per ogni specie; questo insieme di molecole di DNA viene chiamato genoma. Il genoma può essere suddiviso in cromosomi, ciascuno dei quali è un’unica molecola lunga di DNA continua; a sua volta un unico cromosoma può essere suddiviso nella sua lunghezza in migliaia di regioni funzionali chiamate geni ed in altre regioni le cui funzioni sono meno ben definite. Ad esempio nell’uomo ogni cellula è costituita da 46 cromosomi, che sono la somma di due genomi equivalenti composti da 23 cromosomi l’uno. Un cromosoma umano medio contiene un tratto di DNA lungo circa 550 mm. 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 7 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo L’importanza della genetica L’albinismo fu descritto per la prima volta nel 1900 osservando le caratteristiche dei nativi americani Hopi. E’ un difetto oculocutaneo autosomico recessivo del gene OCA2 del cromosoma 15 che produce enzimi necessari per la produzione di melanina. E’ un difetto raro 1:20000 ma negli Hopi 1:200. 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 8 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo L’importanza della genetica I geni influiscono sulla nostra statura, sul peso, sul colore dei capelli e sulla pigmentazione della pelle. Influenzano anche la nostra predisposizione a molte patologie e malattie e contribuiscono perfino alla nostra intelligenza e personalità. I geni sono fondamentali per definire chi e come siamo. Chronic Granulomatous Disease (CGD) was described for the first time by both B.H. Landing and R.A. Good in 1957 described as "a fatal granulomatosus of childhood". Is a rare (prevalence 1:1 000 000 individuals) primary immunodeficiency affecting the innate immunologic system. X-CGD is characterized by life-threatening bacterial and fungal infections. It is caused by mutations in any of the 4 genes that are located on the X chromosome and encode for subunits of the NADPH oxidase, resulting in defective O2- generation and intracellular killing. The authors detected 103 different specific mutations; the types of mutations included: 1. Large and small deletions (11%); 2. Frameshifts (24%); 3. Nonsense mutations (23%); 4. Missense mutations (23%); 5. Splice-region mutations (17%); 6. Regulatory-region mutations (2%)000 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 9 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo L’importanza della genetica La Rivoluzione verde che fra gli anni Cinquanta e Sessanta ha incrementato la produzione di cibo nel mondo, è profondamente legata all’impiego della genetica. Oggi, il mais, la soia e altre colture geneticamente modificate rappresentano una quota importante di tutto il cibo prodotto nel mondo. 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 10 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo L’importanza della genetica L’industria farmaceutica è un altro ambito in cui la genetica svolge un ruolo importante. Numerosi farmaci e additivi alimentari vengono sintetizzati da funghi e batteri che sono stati manipolati geneticamente per renderli adatti a produrre queste sostanze. L’industria biotecnologica si serve di tecniche di genetica molecolare per sviluppare e produrre in serie sostanze di valore commerciale. Ormoni della crescita, insulina, fattori di coagulazione, enzimi, antibiotici, vaccini e molti farmaci vengono ora prodotti commercialmente grazie a batteri e altre cellule geneticamente modificate. 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 11 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo Organismi genetici modello Alcune specie nel corso degli anni si sono affermate come organismi genetici modello, cioè organismi con caratteristiche che li rendono particolarmente adatti per la ricerca genetica e sui quali è stata raccolta un’impressionante quantità di informazioni genetiche. Tra gli organismi modello su cui sono stati sviluppati approfonditi studi genetici vi sono: 1. La Drosophila melanogaster, il moscerino della frutta; 2. L’Escherichia coli; 3. Nematode; 4. Pesce zebra; 5. Il topolino domestico; 6. Lievito di birra 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 12 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo Organismi genetici modello: esempio La Drosophila Contributi alla genetica: 1. Principi fondamentali dell’eredità; 2. Ricerche sulle mutazioni; 3. Genetica di popolazioni; 4. Genetica comportamentale 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 13 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo Organismi genetici modello: esempio il batterio Contributi alla genetica: 1. Regolazione genica; 2. Replicazione, trascrizione e traduzione; 3. Mutazioni geniche; 4. Ingegneria genetica 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 14 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo Organismi genetici modello: esempio Il topo Contributi alla genetica: 1. Organismo modello per le malattie umane; 2. Genetica del cancro 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 15 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo Le branche della genetica Lo studio della genetica è costituito da tre grandi settori: la genetica di trasmissione, la genetica molecolare e la genetica di popolazioni. 1. La genetica di trasmissione, conosciuta anche come genetica classica, include i principi fondamentali dell’ereditarietà e il modo in cui i caratteri passano da una generazione all’altra; 2. La genetica molecolare riguarda la natura chimica del gene, cioè il modo in cui l’informazione genetica viene codificata, replicata ed espressa. Comprende i processi cellulari di replicazione del DNA, trascrizione e traduzione (attraverso i quali l’informazione genetica passa da una molecola a un’altra) e la regolazione genica, il processo che controlla l’espressione dell’informazione genetica; 3. La genetica di popolazioni esplora la composizione genetica di gruppi di individui appartenenti alla stessa specie (popolazioni) e come questa composizione possa variare nello spazio e nel tempo. Poiché l’evoluzione è cambiamento genetico, la genetica di popolazioni è essenzialmente lo studio dell’evoluzione. 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 16 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo Le prime applicazioni e idee sull’ereditarietà Gli antichi Greci nutrivano una scrupolosa considerazione per la riproduzione umana e l’ereditarietà. I filosofi greci avevano sviluppato il concetto di pangenesi, secondo il quale particelle specifiche, che più tardi saranno chiamate gemmule, trasportano l’informazione da varie parti del corpo agli organi riproduttivi, dai quali passano all’embrione nel momento del concepimento. La teoria della pangenesi condusse gli antichi Greci a proporre la nozione di ereditarietà dei caratteri acquisiti, secondo la quale i caratteri acquisiti da un individuo nel corso della vita diventano parte della sua informazione ereditaria e passano alla sua progenie; per esempio individui che, applicandosi con costanza, abbiano sviluppato un’abilità musicale, potrebbero generare figli con un innato talento musicale. LA GENETICA DI TRASMISSIONE 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 17 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo Le prime applicazioni e idee sull’ereditarietà Ulteriori sviluppi nella nostra conoscenza dei principi dell’ereditarietà si verificarono durante il Seicento. Verso la fine del Cinquecento i produttori di occhiali da vista olandesi cominciarono a costruire semplici microscopi, consentendo a Robert Hooke (1635-1703) di scoprire le cellule nel 1665. I microscopi hanno fornito ai naturalisti nuove ed eccitanti prospettive sulla vita, e forse fu l’eccessivo entusiasmo per questo nuovo mondo tanto piccolo che diede origine all’idea del preformismo. Secondo il preformismo, all’interno dell’uovo o dello spermatozoo esisterebbe un adulto in miniatura completamente formato, un homunculus che nel corso dello sviluppo semplicemente si ingrandisce. Il preformismo implicava che tutti i caratteri fossero ereditati da un solo genitore, dal padre se l’homunculus si trovava nello sperma, dalla madre se si trovava nell’uovo. LA GENETICA DI TRASMISSIONE 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 18 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo Le prime applicazioni e idee sull’ereditarietà Nella seconda metà dell’Ottocento, i citologi dimostrarono che il nucleo aveva una funzione nella fecondazione. Verso la fine dell’Ottocento, August Weismann (1834-1914) seppellì definitivamente la nozione di ereditarietà dei caratteri acquisiti. Tagliò le code dei topi in 22 generazioni consecutive e dimostrò che la coda dei loro discendenti si manteneva ostinatamente lunga. Weismann propose allora la teoria del plasma germinale, secondo la quale le cellule che si trovano negli organi riproduttivi contengono una dotazione completa di informazioni genetiche che viene trasmessa all’uovo e allo spermatozoo. LA GENETICA DI TRASMISSIONE 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 19 Prof. Carnevale Roberto  1. La genetica e l’organismo Le prime applicazioni e idee sull’ereditarietà Teoria Contenuto Corretta/non corretta Pangenesi L’informazione genetica viaggia Non corretta attraverso le varie parti del corpo fino agli organi riproduttivi. Preformismo Nelle cellule sessuali si trova un Non corretta organismo in miniatura e tutti i caratteri sono ereditati da un solo genitore. Teoria del plasma germinale Ogni cellula contiene una serie Corretta completa di informazioni genetiche. Teoria cellulare Ogni forma di vita è costituita di Corretta cellule e le cellule derivano solo da altre cellule. Eredità mendeliana I caratteri vengono ereditati Corretta secondo leggi definite. LA GENETICA DI TRASMISSIONE 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 20 Prof. Carnevale Roberto 1. La genetica e l’organismo Le prime applicazioni e idee sull’ereditarietà Il 1900 rappresentò un autentico spartiacque nella storia della genetica. Venne infatti riscoperta la fondamentale pubblicazione di Gregor Mendel del 1866, sugli esperimenti con le piante di pisello che aveva rivelato i principi dell’ereditarietà. Si riconobbe così l’importanza delle sue conclusioni, e altri biologi cominciarono immediatamente a condurre studi genetici simili su topi, polli e altri organismi. I risultati di queste ricerche dimostrarono che molti caratteri vengono trasmessi secondo le leggi di Mendel. Le relazioni scritte degli esperimenti di Mendel furono pubblicate nel 1866. In quel momento nessuno sembrò accorgersi che Mendel aveva scoperto i principi fondamentali dell’ereditarietà. Nel 1868 Mendel fu eletto abate del monastero e l’aumento degli impegni amministrativi lo costrinse a interrompere l’insegnamento e alla fine anche gli esperimenti di genetica. Morì all’età di 61 anni, senza aver ottenuto alcun riconoscimento per il suo contributo alla genetica. Il valore delle scoperte di Mendel non fu riconosciuto fino al 1900, quando tre botanici, Hugo de Vries, Erich von Tschermak-Seysenegg e Carl Correns, cominciarono, indipendentemente fra loro, a condurre esperimenti simili con le piante e giunsero a conclusioni identiche a quelle di Mendel. LA GENETICA DI TRASMISSIONE 1. La genetica e l’organismo 07/01/2020 Pagina 21 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà In che modo Mendel arrivò a formulare le leggi dell’ereditarietà? 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 22 Prof. Carnevale Roberto 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà PRIMO STEP…....GENERAZIONE LINEE PURE Mendel iniziò con 34 varietà di piselli e impiegò due anni a selezionare quelle che avrebbe utilizzato nei suoi esperimenti cioè Pisum sativum. Verificò che ogni varietà fosse geneticamente una linea pura (cioè omozigote per ogni carattere che egli aveva scelto di studiare) coltivando le piante per due generazioni per essere sicuro che tutte le progenie fossero identiche agli individui che le avevano generate. L’approccio di Mendel allo studio dell’ereditarietà si dimostrò efficace per diversi motivi. 1. La pianta era facile da coltivare e Mendel poteva contare sul giardino e la serra del monastero. Rispetto ad altre piante il Pisum sativum cresce relativamente in fretta e completa un’intera generazione in una sola stagione di crescita. 2. Le piante esaminate generano una progenie abbondante, i semi, che consentì a Mendel di analizzare significativi rapporti matematici fra i caratteri osservati nella progenie. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 23 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Inoltre molti successi di Mendel si possono attribuire alle sette caratteristiche che egli scelse di studiare. Non prese in considerazione caratteristiche che mostravano un’eccessiva variabilità; al contrario, si concentrò su quelle esistenti in forme facilmente distinguibili, come il rivestimento bianco o grigio dei semi, il loro essere lisci o rugosi e avere baccelli rigonfi o ristretti. In definitiva Mendel ebbe successo perché adottò un approccio sperimentale e interpretò i risultati usando modelli matematici. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 24 Prof. Carnevale Roberto 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà TERMINOLOGIA GENETICA DI BASE…...CHE MENDEL NON CONOSCEVA Termine Definizione Gene Un fattore ereditato (una regione del DNA) che contribuisce a determinare una caratteristica dell’organismo. Allele Una delle (due o più) forme alternative di un gene Locus Posizione specifica occupata da un allele su un cromosoma Genotipo Serie di alleli posseduta da un individuo Eterozigote Individuo che possiede due alleli differenti in un certo locus Omozigote Individuo che possiede due alleli identici in un certo locus Fenotipo o L’aspetto o la manifestazione di una tratto caratteristica 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 25 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà GENERAZIONE LINEE PURE Benché per le piante di piselli la norma sia l’autofecondazione (ogni pianta si incrocia con se stessa), Mendel realizzò incroci fra piante diverse aprendo i germogli prima del completo sviluppo delle antere (l’organo sessuale maschile), rimuovendole, e quindi cospargendo lo stigma con il polline prelevato dalle antere di altre piante. SECONDO STEP….... MESSA A PUNTO DI UNA TECNICA PER INCROCI FRA PIANTE 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 26 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà TERZO STEP…..INCROCI MONOIBRIDI Mendel incrociò una pianta di pisello di una linea pura per la caratteristica dei semi lisci (omozigote) con un’altra, altrettanto pura, per i semi rugosi (omozigote). La prima generazione dell’incrocio è detta generazione P (parentale). La progenie dei genitori della generazione P è detta generazione F1 (prima generazione filiale). Quando Mendel esaminò la prima generazione filiale di questo incrocio, scoprì che aveva espresso solo uno dei fenotipi presenti nella generazione parentale: tutti i semi F1 erano lisci. Mendel effettuò 60 incroci di questo tipo e ottenne sempre lo stesso risultato. Realizzò anche incroci reciproci: in un incrocio il polline (il gamete maschile) fu prelevato da una pianta con semi lisci e, nel suo reciproco, fu prelevato da una pianta con semi rugosi; gli incroci reciproci fornivano sempre il medesimo risultato: tutti gli individui F1 erano lisci. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 27 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà QUARTO STEP…... AUTOFECONDAZIONE DELLA GENERAZIONE F1 Mendel non si accontentò di esaminare solo i semi che derivavano da questi incroci monoibridi. La primavera seguente piantò i semi F1, coltivò le piante che erano germinate da essi e consentì alle piante di autofecondarsi, producendo una seconda generazione, la generazione F2 (seconda generazione filiale). In questa emersero entrambi i caratteri della generazione P; Mendel contò 5474 semi lisci e 1850 semi rugosi nella generazione F2. Osservò che il numero dei semi lisci rispetto a quelli rugosi aveva un rapporto di circa 3 a 1; vale a dire che circa 3/4 dei semi in F2 erano lisci e 1/4 era rugoso. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 28 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà COSA RIVELANO GLI INCROCI MONOIBRIDI La presenza di entrambi i semi, lisci e rugosi, nelle piante della F2, poteva essere spiegata solo se quelle della F1 possedevano in qualche modo tutti e due i fattori genetici (lisci e rugosi) ereditati dalla generazione P. Giunse pertanto alla conclusione che ciascuna pianta ibrida doveva possedere i due fattori genetici che codificano un carattere. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 29 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà COSA RIVELANO GLI INCROCI MONOIBRIDI I fattori genetici scoperti da Mendel (che oggi chiamiamo alleli) sono convenzionalmente rappresentati da lettere dell’alfabeto; l’allele relativo ai semi lisci è di solito rappresentato dalla lettera R e l’allele dei semi rugosi dalla r. Le piante della generazione P negli incroci di Mendel possiedono due alleli identici: RR nel genitore con semi lisci e rr in quello con semi rugosi. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 30 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà COSA SUCCEDE CON INCROCI DIIBRIDI? Oltre a sperimentare sugli incroci monoibridi, Mendel incrociò anche varietà di piselli che differivano per due caratteri: un incrocio diibrido. Per esempio, era in possesso di una varietà omozigote di piselli con semi lisci e gialli e un’altra varietà con semi rugosi e verdi. Quando incrociò le due varietà, i semi di tutta la progenie F1, risultarono lisci e gialli. Allora fece autofecondare la F1 e ottenne alla F2 la seguente progenie: 315 semi lisci e gialli, 101 rugosi e gialli; 108 lisci e verdi; 32 rugosi e verdi. Mendel riconobbe che questi tratti stavano all’incirca in un rapporto 9 : 3 : 3 : 1, vale a dire 9/16 della progenie erano lisci e gialli, 3/16 rugosi e gialli, 3/16 lisci e verdi, 1/16 rugosi e verdi. Il principio dell’assortimento indipendente è in realtà un’estensione del principio della segregazione, che afferma che due alleli di un locus si separano quando si formano i gameti; il principio dell’assortimento indipendente afferma che, quando questi due alleli si separano, la loro separazione è indipendente da quella degli alleli presenti in altri loci. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 31 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà COSA SUCCEDE CON INCROCI DIIBRIDI? Vediamo ora come il principio dell’assortimento indipendente spiega i risultati ottenuti da Mendel nei suoi incroci diibridi. Ogni pianta possiede due alleli che codificano per ciascun carattere, di conseguenza gli individui parentali, che provengono da linee pure, dovevano avere genotipi RR YY e rr yy. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 32 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà COSA SUCCEDE CON INCROCI DIIBRIDI? Quando Mendel fece autofecondare le piante F1 per produrre la F2, gli alleli di ciascun locus si separavano e un solo allele entrava in ciascun gamete. È a questo punto che il principio dell’assortimento indipendente diventa importante. Ogni coppia di alleli si può separare in due modi: (1) R si separa da r andando con Y e r con y per produrre gameti RY e ry, oppure (2) R si separa da r andando con y e r con Y per produrre gameti Ry e rY. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 33 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Gli incroci diibridi rivelano il principio dell’assortimento Indipendente Quando questi quattro tipi di gameti vengono combinati per produrre la generazione F2, la progenie è composta da 9/16 di lisci e gialli, 3/16 di rugosi e gialli, 3/16 di lisci e verdi e 1/16 di rugosi e verdi, che stanno fra loro in un rapporto fenotipico 9 : 3 : 3 : 1. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 34 Prof. Carnevale Roberto 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà FORMULAZIONE DELLE TRE LEGGI Principio Ciclo Cellulare* Dominanza (Prima legge di Mendel): Mendel chiamò dominanti quei caratteri che si presentavano non modificati nella progenie eterozigote F1 e chiamò recessivi i caratteri che sparivano nella progenie eterozigote F1. Segregazione (Seconda legge di Mendel): quando un individuo Meiosi produce gameti, le due coppie di un gene (alleli) si separano, cosicché ciascun gamete riceve soltanto una copia. Estensione della segregazione; Assortimento indipendente* Meiosi (Terza legge di Mendel): due geni responsabili di due caratteri diversi assortiscono in maniera indipendente l’uno dall’altro. * Se i caratteri sono sullo stesso cromosoma segregano insieme e non è possibile ottenere combinazioni alternative rispetto ai fenotipi parentali (a meno di eventi di crossing-over). 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 35 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Relazione tra gli incroci genetici e la meiosi SECONDA E TERZA LEGGE DI MENDEL 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 36 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La natura molecolare degli alleli Gli alleli, come R o r che codificano per piselli lisci o rugosi, di solito corrispondono a sequenze specifiche di DNA. Il locus che determina se un pisello è rotondo o grinzoso è una sequenza di DNA sul cromosoma 5 che codifica per una proteina detta isoforma 1 dell’enzima dell’amido ramificato (o SBEI). 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 37 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La natura molecolare degli alleli L’allele R, che produce i semi lisci nei piselli, codifica per una normale forma funzionale dell’enzima SBEI. Questo enzima converte una forma lineare dell’amido in una molto ramificata. L’allele r, che codifica per i semi rugosi, è una sequenza di DNA diversa che contiene una mutazione o un errore; codifica per una forma non attiva dell’enzima che non produce la forma ramificata dell’amido e determina un accumulo di saccarosio nel pisello rr. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 38 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La natura molecolare degli alleli Poiché il pisello rr contiene una grande quantità di saccarosio, durante lo sviluppo il seme assorbe acqua e si gonfia. Più tardi, quando il pisello matura, l’acqua va persa. Poiché i piselli rr hanno assorbito più acqua e si sono espansi notevolmente durante la crescita, nel processo di maturazione perdono più acqua e alla fine appaiono corrugati e raggrinziti. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 39 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Mendel condusse esperimenti simili anche su altri caratteri Risultati incroci di Mendel tra monoibridi Linee parentali Progenie F2 Rapporto Piante alte x nane 787 alte e 277 nane 2,84:1 Semi gialli x verdi 6022 gialli e 2001 verdi 3,01:1 Fiori viola x bianchi 705 viola e 244 bianchi 3,15:1 Baccelli larghi x stretti 882 larghi e 299 stretti 2,95:1 Baccelli verdi x gialli 428 verdi e 152 gialli 2,82:1 Fiori assiali x terminali 651 assiali e 207 terminali 3,14:1 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 40 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci Uno degli scopi di Mendel nel condurre i suoi esperimenti sulle piante di pisello era di trovare un modo per predire gli esiti degli incroci tra piante con diversi fenotipi. Vi sono due metodi semplice e veloce per prevedere i risultati degli incroci genetici: 1. Il quadrato di Punnett; 2. Calcolo della probabilità: 3. Metodo schema ramificato 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 41 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci Per illustrare il quadrato di Punnett incrociamo due varietà di piselli che differiscono per altezza, quelli alti (T) dominanti rispetto a quelli bassi (t). Per prevedere quali tipi di progenie derivano da questo reincrocio dobbiamo prima di tutto determinare quali gameti saranno prodotti da ciascun genitore. Il principio della segregazione ci dice che i due alleli in ciascun genitore si separano e uno solo di essi passa in ogni gamete. Tutti i gameti della pianta bassa omozigote tt riceveranno un solo allele basso (t). La pianta alta in questo incrocio è eterozigote (Tt); di conseguenza il 50% dei suoi gameti riceverà un allele alto (T) e l’altro 50% riceverà un allele basso (t). Un quadrato di Punnett si costruisce disegnando una griglia, mettendo i gameti prodotti da un genitore lungo il margine superiore e quelli prodotti dall’altro genitore lungo il lato sinistro. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 42 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci Un altro metodo per determinare l’esito di un incrocio genetico consiste nell’impiego delle regole della probabilità, come fece Mendel con i suoi incroci. La probabilità esprime la possibilità che un determinato evento abbia luogo. Due regole del calcolo delle probabilità sono utili per prevedere i rapporti di frequenza nella progenie ottenuta da incroci genetici: 1. La regola del prodotto 2. La regola della somma 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 43 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci Per illustrare l’uso della regola del prodotto consideriamo di nuovo il lancio di un dado. La probabilità di lanciare un dado e di ottenere un quattro è 1/6. Per calcolare la probabilità di lanciare un dado due volte e ottenere 2 quattro, possiamo applicare la regola del prodotto. La probabilità di ottenere un quattro al primo lancio è 1/6 e così pure quella di ottenere un altro quattro al secondo lancio; ne consegue che la probabilità di ottenere un quattro in entrambi i lanci è 1/6 × 1/6 = 1/36. Perché la regola del prodotto sia valida gli eventi dei quali si vuole calcolare la probabilità congiunta devono essere indipendenti: vale a dire che il verificarsi di uno non deve influenzare quello dell’altro. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 44 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci Per ottenere la probabilità di ottenere un tre o un quattro lanciando un solo dado, dobbiamo usare la regola della somma, sommando la probabilità di ottenere un tre (1/6) alla probabilità di ottenere un quattro (di nuovo 1/6), in altri termini 1/6 + 1/6 = 2/6 = 1/3. Perché la regola della somma sia valida, gli eventi di cui si deve calcolare la probabilità devono essere mutualmente esclusivi, ciò significa che un evento esclude la possibilità che l’altro si verifichi. Per esempio non si può lanciare il dado una volta e ottenere sia un tre sia un quattro, perché solo una faccia del dado finisce rivolta verso l’alto. Questi eventi si dicono mutualmente esclusivi. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 45 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci Le regole del prodotto e della somma delle probabilità possono essere usate nell’incrocio di Mendel. Consideriamo l’incrocio per l’altezza, Tt × Tt. Metà dei gameti prodotti da ciascuna pianta ha un allele T e l’altra metà l’allele t, vale a dire che la probabilità di ciascun tipo di gamete è 1/2. Utilizzando la regola del prodotto possiamo stabilire la probabilità di ogni tipo possibile. I quattro tipi di progenie ottenibili da questo incrocio e le probabilità per essi associate sono le seguenti: TT (gamete T e gamete T ) 1/2 × 1/2 = 1/4 alta Tt (gamete T e gamete t) 1/2 × 1/2 = 1/4 alta tT (gamete t e gamete T ) 1/2 × 1/2 = 1/4 alta tt (gamete t e gamete t) 1/2 × 1/2 = 1/4 bassa Dopo aver determinato le probabilità di ottenere ciascun tipo di progenie possiamo usare la regola della somma per determinare i rapporti fenotipici complessivi. A causa della dominanza una pianta alta può possedere i genotipi TT, Tt o tT; ora, applicando la regola della somma, troviamo che la probabilità della progenie alta è 1/4 + 1/4 + 1/4 = 3/4. Poiché solo un fenotipo codifica la varietà bassa (tt), la probabilità di questa progenie è semplicemente 1/4. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 46 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci Talvolta disponiamo di informazioni addizionali che modificano o «condizionano» la probabilità; questa situazione prende il nome di probabilità condizionata. Per esempio, supponiamo di incrociare due piante di pisello eterozigoti (Tt × Tt) e di ottenere una progenie alta. Qual è la probabilità che questa pianta alta sia eterozigote (Tt)? Si potrebbe supporre che la probabilità dovrebbe essere 1/2, cioè la probabilità di ottenere una progenie eterozigote da un incrocio fra due eterozigoti. Tuttavia in questo caso disponiamo di un’informazione ulteriore, il fenotipo della progenie, che modifica la probabilità. Quando due individui eterozigoti vengono incrociati, ci aspettiamo una progenie 1/4 TT, 1/2 Tt e 1/4 tt. Ma sappiamo che la progenie in questione è alta, perciò possiamo eliminare la possibilità che sia portatrice del genotipo tt. La progenie alta deve avere o il genotipo TT o quello Tt e, in un incrocio fra due individui eterozigoti, questi si presentano in un rapporto 1 : 2. Perciò la probabilità che una progenie alta sia eterozigote (Tt) è di due su tre, cioè 2/3. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 47 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci LA DISTRIBUZIONE BINOMIALE E LA PROBABILITA’ 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. QUESITO: 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. SOLUZIONE: Qui applichiamo semplicemente la regola del prodotto: 1/4 × 1/4 × 1/4 = 1/64. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 48 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci LA DISTRIBUZIONE BINOMIALE E LA PROBABILITA’ 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 = probabilità di avere un figlio albino (1/4) q = probabilità di avere un figlio con pigmentazione normale (3/4) n = il numero di volte in cui l’evento si verifica La binomiale di questa situazione è (p + q)5 poiché ci sono 5 figli nella famiglia (n=5). Lo sviluppo è (p+q)5= p5 + 5p4q + 10p3q2 + 10p2q3 + 10pq4 + q5 COEFFICIENTI TERMINI 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 49 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci LA DISTRIBUZIONE BINOMIALE E LA PROBABILITA’ In questo esempio ci sono 6 termini (n + 1, dove n=5 figli). Ogni termine della distribuzione fornisce la probabilità relativa a una particolare combinazione dei caratteri dei figli. Il primo termine (p5) di avere 5 figli tutti albini, perché p è la probabilità dell’albinismo. Il secondo termine (5p4q1) corrisponde alla probabilità di avere 4 figli albini e 1 normale e così via. (p+q)5= p5 + 5p4q + 10p3q2 + 10p2q3 + 5pq4 + q5 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 50 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci LA DISTRIBUZIONE BINOMIALE E LA PROBABILITA’ In che modo si sviluppa una distribuzione binomiale? Facciamo un esempio di una progenie con 4 figli (n=4). I termini saranno n + 1, quindi 5 termini. Cioè: (p+q)4= p4 + p3q + p2q2 + pq3 + q4 Il passo successivo consiste nel determinare il coefficiente di ogni termine. Il coefficiente del primo termine è sempre 1; nel nostro esempio il primo termine è 1p4 o semplicemente p4. Il coefficiente del secondo termine è sempre uguale alla potenza alla quale è elevata la binomiale; nel nostro esempio il coefficiente è 4 e il termine 4p3q. Per il coefficiente del terzo termine, si moltiplica il coefficiente del termine precedente (4 nel nostro esempio) per l’esponente di p in quel termine (3) e si divide per il numero della posizione corrispondente a quel termine (è il secondo termine, quindi 2). Quindi si ha (4x3)/2=6. Analogamente il coefficiente del terzo termine e così via…. La distribuzione binomiale risulterà essere: (p+q)4= p4 + 4p3q + 6p2q2 + 4pq3 + q4 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 51 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà La predizione degli esiti degli incroci LA DISTRIBUZIONE BINOMIALE E LA PROBABILITA’ ESERCIZIO QUESITO: Calcolare la probabilità di avere su 5 figli, 2 con albinismo e 3 normali. DATI: p= albinismo; q= normale; Probabilità di generare figlio albino= 1/4; Probabilità di generare figlio normale= 3/4 DISTRIBUZIONE BINOMIALE: (p+q)5= p5 + 5p4q + 10p3q2 + 10p2q3 + 10pq4 + q5 SOLUZIONE: 10p2q3 = 10 (1/4)2 (3/4)3 = 270/1024 = 0,26 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 52 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Applicazione della probabilità e diagrammi ramificati negli incroci diibridi Esaminiamo gli incroci diibridi di Mendel (Rr Yy × Rr Yy) considerando ogni carattere separatamente. Se consideriamo solo la forma Metodo schema ramificato dei semi, l’incrocio era Rr × Rr che produce un rapporto fenotipico 3:1 (una progenie formata da 3/4 di semi lisci e 1/4 rugosi). Consideriamo ora l’altra caratteristica, cioè il colore dei semi. Questo incrocio era Yy × Yy, che a sua volta produce un rapporto fenotipico 3:1 (una progenie 3/4 gialla e 1/4 verde). Possiamo ora mettere in relazione fra loro questi rapporti monoibridi usando la regola del prodotto per ottenere la proporzione della progenie con le differenti combinazioni di forma e colore dei semi. La proporzione dei semi lisci e gialli è 3/4 (la probabilità dei lisci) × 3/4 (la probabilità dei gialli) = 9/16. La proporzione della progenie con semi lisci e verdi è 3/4 × 1/4 = 3/16; quella con semi rugosi e gialli ancora 3/4 × 1/4 = 3/16; infine la proporzione della progenie con semi rugosi e verdi è 1/4 × 1/4 = 1/16. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 53 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Applicazione della probabilità e diagrammi ramificati I diagrammi ramificati rappresentano un modo pratico per organizzare tutte le combinazioni di caratteri. Nella prima colonna inseriamo le proporzioni dei fenotipi relativi a un carattere Metodo schema ramificato (nel nostro caso 3/4 lisci e 1/4 rugosi). Nella seconda colonna collochiamo due volte le proporzioni dei fenotipi relativi al secondo carattere (3/4 gialli e 1/4 verdi), accanto a ciascun fenotipo della prima colonna: mettiamo 3/4 gialli e 1/4 verdi accanto al fenotipo liscio e lo facciamo lo stesso accanto al fenotipo rugoso. Tracciamo delle linee e uniamo i fenotipi della prima colonna con ciascun fenotipo della seconda. Ora seguiamo ogni ramo del diagramma moltiplicando le probabilità di ogni carattere indicate nei rami. Il vantaggio del diagramma ramificato consiste nel fatto che consente di tenere sotto controllo tutte le combinazioni potenziali dei caratteri che possono comparire nella progenie e può essere usato per determinare i rapporti fenotipici o genotipici di un certo numero di caratteri. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 54 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Applicazione della probabilità e altro modo per rappresentare il diagramma ramificato QUESITO: Dato l’incrocio Aa Bb cc Dd Ee × Aa Bb Cc dd Ee, calcolare la probabilità di ottenere una progenie con il genotipo aa bb cc dd ee. DATI: Incrocio Genotipo Probabilità Aa x Aa aa 1/4 Bb x Bb bb 1/4 cc x Cc cc 1/2 Dd x dd dd 1/2 Ee x Ee ee 1/4 SOLUZIONE:1/4 x 1/4 x 1/2 x 1/2 x 1/4 = 1/256 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 55 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Applicazione della probabilità e diagrammi ramificati ESERCIZIO QUESITO: Dato l’incrocio Aa Bb cc Dd Ee × Aa Bb Cc dd Ee, calcolare la probabilità di ottenere una progenie con il genotipo Aa bb cc Dd EE. DATI: Incrocio Genotipo Probabilità Aa x Aa Aa 1/2 Bb x Bb bb 1/4 cc x Cc cc 1/2 Dd x dd Dd 1/2 Ee x Ee EE 1/4 SOLUZIONE:1/2 x 1/4 x 1/2 x 1/2 x 1/4 = 1/128 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 56 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Per effetto del caso i rapporti osservati differiscono da quelli attesi? Nella blatta germanica il colore marrone (Y) del corpo è dominante sul colore giallo (y). Se incrociamo una blatta marrone eterozigote (Yy) con una gialla (yy), ci aspettiamo una progenie con un rapporto 1 : 1 fra marroni e gialle. In una progenie di 40 individui, pertanto, ci aspettiamo di trovare una discendenza di 20 marroni e 20 gialli. Tuttavia il numero osservato spesso diverge da questi valori; potremmo infatti trovare una progenie di 22 marroni e 18 gialli. Il caso svolge un ruolo cruciale negli incroci genetici, esattamente come accade nel lancio di una moneta. Quando si lancia una moneta ci si aspetta un rapporto 1 : 1, 1/2 teste e 1/2 croci. Se si lancia una moneta 1000 volte, con tutta probabilità si otterrà una proporzione di teste e croci molto vicina al rapporto atteso 1 : 1. Ma se si lancia la moneta solo 10 volte, questo rapporto potrebbe risultare molto diverso da 1 : 1. Facilmente si potrebbero ottenere 6 teste e 4 croci o 3 teste e 7 croci, solo per effetto del caso. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 57 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Effetto del caso nei rapporti osservati da Mendel Se ci si aspetta un rapporto 1 : 1 fra blatte marroni e gialle ma l’incrocio ne ha prodotte 22 marroni e 18 gialle, non ci si deve troppo stupire, anche se il risultato non è esattamente 1 : 1. In questo caso sembra ragionevole assumere che il caso abbia prodotto uno scostamento fra il valore atteso e quello osservato. Ma, se il risultato fosse stato 25 marroni e 15 gialle, si può ancora pensare che si tratta di un rapporto 1 : 1? Qualcos’altro oltre al caso potrebbe aver determinato lo scostamento. Per valutare questo aspetto si utilizza un test statistico detto test del chi-quadro della bontà di adattamento. Esso ci fornisce informazioni sulla misura in cui i valori osservati concordano con quelli attesi. Il chi-quadro non può dirci se un incrocio genetico è stato condotto in modo corretto, se i suoi risultati sono corretti o se abbiamo trovato l’esatta spiegazione genetica dei risultati. Ciò che esso ci fornisce è la probabilità che la differenza fra valori osservati e valori attesi sia dovuta al caso. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 58 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Effetto del caso nei rapporti osservati da Mendel Il valore del chi-quadro (c2) si calcola utilizzando la formula seguente: c2=(osservati-attesi)2/ attesi Molti scienziati adottano il valore 0,05 (5%) come soglia limite: se la probabilità (P) che il caso sia responsabile della divergenza è maggiore o uguale a 0,05, essi accettano l’ipotesi che il caso sia responsabile della differenza fra valori attesi e valori osservati. Quando la probabilità è minore di 0,05 gli scienziati assumono che essa non sia dovuta al caso e che esista una differenza significativa. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 59 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Effetto del caso nei rapporti osservati da Mendel Esempio 1 VV x vv Vv x Vv Nella F2 abbiamo 105 viola e 45 bianchi. Con un rapporto apparente di 3:1. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 60 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Effetto del caso nei rapporti osservati da Mendel Esempio 1 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 61 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Effetto del caso nei rapporti osservati da Mendel Esempio 1 P Gradi 0,955 0,975 0,9 0,5 0,1 0,05* 0,025* 0,01* 0,005* libertà 1 0,000 0,000 0,016 0,455 2,706 3,841 5,024 6,635 7,879 Prima di vedere il risultato 2 0,010 0,051 0,211 1,386 4,605 5,991 7,378 9,210 10,597 dobbiamo illustrare la 3 0,072 0,216 0,584 2,366 6,251 7,815 9,348 11,345 12,838 tabella del chi-quadro. I gradi di libertà 4 0,207 0,484 1,064 3,357 7,779 9,488 11,143 13,277 14,860 rappresentano il numero 5 0,412 0,831 1,610 4,351 9,236 11,070 12,832 15,086 16,750 di modi in cui le classi 6 0,676 1,237 2,204 5,348 10,645 12,592 14,449 16,812 18,548 attese sono libere di 7 0,989 1,690 2,833 6,346 12,017 14,067 16,013 18,475 20,278 variare (esempio colore 8 1,344 2,180 3,490 7,344 13,362 15,507 17,535 20,090 21,955 può essere viola o 9 1,735 2,700 4,168 8,343 14,684 16,919 19,023 21,666 23,589 bianco). Per un test chi- quadro i gradi di libertà 10 2,156 3,247 4,865 9,342 15,987 18,307 20,483 23,209 25,188 sono uguali a n–1, dove 11 2,603 3,816 5,578 10,34 12,275 19,675 21,920 24,725 26,757 n è il numero dei diversi 12 3,074 4,404 6,304 11,34 18,549 21,026 23,337 26,217 28,300 fenotipi attesi. 0 13 3,565 5,009 7,042 12,34 19,812 22,362 24,736 27,688 29,819 14 4,075 5,629 7,790 13,33 21,064 23,685 26,119 29,141 31,319 15 4,601 6,262 8,547 14,33 22,307 24,996 27,488 30,578 32,801 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 62 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Effetto del caso nei rapporti osservati da Mendel Esempio 1 Il passaggio successivo consiste nel determinare la probabilità associata ai valori di chi- quadro che abbiamo calcolato; questa corrisponde alla probabilità che la differenza fra valori attesi e valori osservati possa essere dovuta al caso. Questo passaggio richiede un confronto fra il valore del chi-quadro che abbiamo calcolato (2,0) e i valori teorici con gli stessi gradi di libertà contenuti nella tabella del chi-quadro. I gradi di libertà rappresentano il numero di modi in cui le classi attese sono libere di variare. Per un test chi-quadro i gradi di libertà sono uguali a n–1, dove n è il numero dei diversi fenotipi attesi. Nel nostro esempio ci sono due fenotipi attesi (viola e bianco); pertanto, i gradi di libertà è 1. P Gradi 0,955 0,975 0,9 0,5 0,1 0,05* 0,025* 0,01* 0,005* libertà Valore c2=2 1 0,000 0,000 0,016 0,455 2,706 3,841 5,024 6,635 7,879 La probabilità associata al valore del chi-quadro 2 è compresa tra 0,10 e 0,50, il che indica che un’alta probabilità che la differenza fra i valori osservati ed attesi sia dovuta al caso in quanto il test del chi-quadro risulta essere non significativo. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 63 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Effetto del caso nei rapporti osservati da Mendel ESERCIZIO Una serie di incroci ha prodotto un totale di 50 gattini, 30 neri e 20 grigi (vaori osservati). Calcolare se tali prodotti sono dovuti al caso oppure no. Quelli attesi li calcoliamo in tabella. Valori attesi? Fenotipo Osservato Atteso Nero 30 3/4x50=37.5 Grigio 20 1/4x50=12.5 Totale 50 c2=(osservati-attesi)2/ attesi = (30-37.5)2/37.5 + (20-12.5)2/12.5 =6 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 64 Prof. Carnevale Roberto  2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà Effetto del caso nei rapporti osservati da Mendel ESERCIZIO Valore c2=6 P Gradi 0,955 0,975 0,9 0,5 0,1 0,05* 0,025* 0,01* 0,005* libertà 1 0,000 0,000 0,016 0,455 2,706 3,841 5,024 6,635 7,879 La probabilità associata al valore del chi-quadro 6 è compresa tra 0,025 e 0,01, il che indica che un’alta probabilità che la differenza fra i valori osservati ed attesi non sia dovuta al caso e che quindi vi sia una differenza significativa. In questo caso forse un genotipo ha fatto registrare un tasso di mortalità superiore prima che la progenie fosse contata oppure altri fattori genetici hanno alterato i rapporti osservati. 2. Mendelismo: principi fondamentali dell’ereditarietà 07/01/2020 Pagina 65 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Determinazione del sesso…................ 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 66 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Nel 1891, si osservò una struttura peculiare nel nucleo delle cellule di insetti maschi che venne chiamata corpo X. Più tardi, si riconobbe che si trattava di un cromosoma. Nel 1905 i ricercatori dimostrarono che, nelle cavallette e in altri insetti, le cellule della femmina hanno due cromosomi X, mentre quelle del maschio hanno un solo X. I ricercatori mostrarono anche che i cromosomi X e Y si separano in cellule diverse durante la formazione dello sperma; metà degli spermatozoi riceve un cromosoma X e l’altra metà riceve un Y. Tutte le cellule uovo prodotte dalla femmina nella meiosi ricevono invece un solo cromosoma X. Questa distribuzione di cromosomi X e Y negli spermatozoi spiega perché il rapporto- sessi in molti organismi dioici (organismi con strutture riproduttive o maschili o femminili) sia di 1 : 1. La determinazione del sesso può dipendere da: 1. Tipo cromosomi, XX-X0, XX-XY, ZZ-ZW; 2. Ambiente 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 67 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Determinazione del sesso XX-X0. Quello delle cavallette studiate da McClung è uno dei meccanismi più semplici di determinazione del sesso attraverso i cromosomi, ed è chiamato sistema XX-X0. In questo sistema le femmine X0 hanno due cromosomi X (XX), mentre i maschi genitori possiedono un singolo cromosoma X (X0). Non esiste un cromosoma 0: il numero zero indica l’assenza di un cromosoma sessuale. gameti X 0 Relativamente ai cromosomi sessuali, i maschi che producono due tipi diversi di gameti sono chiamati sesso eterogametico. Le femmine che X XX X0 producono gameti tutti uguali sono invece il sesso omogametico. Nel sistema XX-X0, il sesso XX di un singolo organismo è perciò determinato dal tipo di gamete maschile che feconda l’uovo. Uno X XX X0 spermatozoo che contiene X si unisce a un uovo che contiene X per produrre zigoti XX, che alla fine zigoti si sviluppano come femmine. Lo spermatozoo senza cromosoma X si unisce all’uovo che invece lo contiene, per produrre zigoti X0 che danno luogo Rapporto sessi = 1 : 1 a maschi. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 68 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Determinazione del sesso XX-XY. Anche se i cromosomi X e Y di solito non sono strettamente omologhi, durante la meiosi si accoppiano e perciò segregano in cellule diverse. L’accoppiamento è possibile perché questi cromosomi sono omologhi in piccole aree chiamate regioni pseudoautosomiche, nelle quali portano gli stessi geni. Nell’essere umano ci sono regioni pseudoautosomiche a entrambe le estremità dei cromosomi X e Y. XY genitori gameti X Y X XX XY XX X XX XY zigoti Rapporto sessi = 1 : 1 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 69 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Determinazione del sesso ZZ-ZW. In questo sistema la femmina è eterogametica e il maschio è omogametico. Per evitare di ZZ confondersi con il sistema XX-XY, i genitori cromosomi sessuali di questo sistema sono chiamati Z e W, ma osservati al microscopio questi cromosomi non assomigliano alle gameti Z Z lettere Z e W. In questo sistema le femmine sono ZW; dopo la meiosi, metà delle uova ha il cromosoma Z e l’altra metà il cromosoma W. Z ZZ ZZ I maschi sono invece ZZ; ogni spermatozoo contiene solo il cromosoma Z. Il sistema ZZ- ZW ZW presiede alla determinazione del sesso W ZW ZW negli uccelli, nei serpenti, nelle farfalle e in alcuni anfibi e pesci. zigoti Rapporto sessi = 1 : 1 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 70 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Determinazione del sesso legata all’ambiente. In tutti gli esempi di determinazione del sesso che abbiamo sin qui affrontato, i geni avevano un ruolo fondamentale, ma in un certo numero di organismi il sesso è determinato, completamente o in parte, da fattori ambientali. Un esempio affascinante di determinazione ambientale del sesso è osservabile nel mollusco marino Crepidula fornicata, noto anche come patella comune. La prima larva che si stabilisce sopra un substrato solido e disponibile, si sviluppa come patella femmina. Successivamente produce sostanze chimiche che attirano altre larve, che si insediano sopra di lei. Queste larve si sviluppano come maschi che quindi si accoppiano con la patella femmina sottostante. Dopo un certo periodo di tempo i maschi che si trovano sopra diventano femmine e, a loro volta, attraggono altre larve che si collocano sopra la colonia, si sviluppano come maschi e si accoppiano con le patelle sottostanti. Le patelle possono formare colonie di una dozzina o più di individui. Questo tipo di sviluppo sessuale viene chiamato ermafroditismo sequenziale. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 71 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Alcuni sistemi di determinazione del sesso. Sistema Meccanismo Sesso eterogametico Organismi XX-X0 Femmine XX; Maschi Maschio Alcune cavallette e altri X insetti XX-XY Femmine XX; Maschi Maschio Molti insetti, pesci, XY anfibi, rettili e i mammiferi compreso l’uomo ZZ-ZW Femmine ZW; Maschi Femmina Farfalle, uccelli ZZ Determinazione genica Non si distinguono Varia Alcune piante, muffe, del sesso cromosomi sessuali, il protozoi sesso è determinato da geni su cromosomi indifferenziati Determinazione del Il sesso è determinato Nessuno Alcuni invertebrati, sesso ambientale da fattori ambientali tartarughe e alligatori 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 72 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Determinazione del sesso nella Drosophila. Negli anni venti Bridges ipotizzò che il sesso nella Drosophila fosse determinato, non dal numero di cromosomi X e Y, ma piuttosto dal bilanciamento fra geni di determinazione femminile, localizzati sul cromosoma X, e geni di determinazione maschile, presenti sugli autosomi. Suggerì perciò che il sesso dei moscerini fosse determinato dal cosiddetto rapporto X : A, vale a dire il numero di cromosomi X diviso per il numero di assetti aploidi dei cromosomi autosomici. Di solito i moscerini possiedono due assetti aploidi di autosomi e due cromosomi X, se sono femmine, oppure un cromosoma X e un Y, se sono maschi. Bridges ipotizzò questi risultati dei rapporti: Complemento del Assetti autosomici Rapporo X:A Fenotipo sessuale cromosoma sessuale aploidi XX AA 1,0 Femmina XY AA 0,5 Maschio X0 AA 0,5 Maschio XXY AA 1,0 Femmina XXX AA 1,5 Metafemmina XXXY AA 1,5 Metafemmina XX AAA 0,67 Intersesso X0 AAA 0,33 Metamaschio XXXX AAA 3. Determinazione del sesso 1,307/01/2020 Metamaschio Pagina 73 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Determinazione del sesso nell’uomo. L’uomo come nella Drosophila ha una determinazione del sesso XX-XY ma nell’uomo la presenza di un gene SYR sul cromosoma Y determina i caratteri sessuali maschili. L’importanza di questo gene è data da alcune patologie con anomalie di cromosomi X e Y quali: La sindrome di Turner La sindrome di Klinefelter Le femmine poli-X Sono femmine con 3 X. Sono maschi con uno o più Incidenza è 1:1000 femmine cromosomi Y e multipli di X. Nella nate. Magre ed alte, lieve Sono femmine con un solo maggior parte dei casi sono ritardo mentale. cromosoma X. Incidenza è XXY. Incidenza è 1:1000 maschi 1:3000 femmine nate. Bassa nati. Alta statura, intelligenza statura, intelligenza nella norma. nella norma. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 74 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Il ruolo dei cromosomi sessuali. I fenotipi associati alle anomalie sessuali ci permettono di fare alcune deduzioni sul ruolo che questi ultimi hanno nella determinazione del sesso nell’uomo: 1. Il cromosoma X contiene informazioni genetiche per entrambi i sessi; 2. Il gene che determina il sesso maschile è localizzato sulla Y; 3. La mancanza della Y produce solo femmine; 4. I geni della fertilità si trovono sia sulla X che la Y 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 75 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Il gene che determina il fenotipo maschile nell’uomo. Rari maschi possono essere XX. Gli scienziati hanno dimostrato che non è tutto il cromosoma Y a determinare il sesso ma solo un gene localizzato su di esso. Infatti durante gli stadi precoci dello sviluppo, tutti gli esseri umani possiedono gonadi e dotti riproduttivi maschili e femminili indifferenziati. In seguito a sei settimane dalla fecondazione, si attiva un gene nel cromosoma Y. Questo gene fa si che le gonadi indifferenziate si trasformano in testicoli che secernono il testosterone che determina, insieme ad altri ormoni, la regressione dei dotti riproduttivi femminili. Questo gene si chiama GENE DELLA REGIONE Y DI DETERMINAZIONE DEL SESSO (SRY). Esperimenti con topi hanno ulteriormente dimostrato l’importanza di questo gene. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 76 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Il gene che determina il fenotipo maschile nell’uomo. Oltre al gene SYR esiste anche il gene Tfm sul cromosoma X che determina il fenotipo maschile di un individuo. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 77 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Eccezione regole di Mendel sui geni legati all’X e Y Le caratteristiche legate al sesso sono determinate da geni presenti su cromosomi sessuali. Visto che i maschi e le femmine differiscono nei cromosomi sessuali e nei geni ad essi contenuti, il modello di eredità delle caratteristiche legate al sesso è diverso da quello che presentano i geni situati sugli autosomi. Un esempio è rappresentato da: 1. Occhi bianchi legati al cromosoma X nella Drosophila; 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 78 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Occhi bianchi legati al cromosoma X nella Drossophila. Il primo scienziato a spiegare l’eredità legata al sesso fu il biologo Thomas Hunt Morgan. Egli scoprì nella sula colonia di moscerini del suo laboratorio, un maschio con occhi bianchi diverso quindi da quelli rossi dei normali moscerini della frutta. Per indagare l’eredità degli occhi bianchi incrociò una linea pura di femmine con occhi rossi con maschi occhi bianchi. Il risultato ottenuto era coerente con i principi di Mendel cioè da un incrocio omozigote dominante con un individuo omozigote recessivo si dà origine ad una progenie eterozigote che presenta carattere dominante (occhi rossi). 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 79 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Quando Morgan reincrociò i moscerini della F1, trovò che tutte le femmine dei moscerini della F2 avevano occhi rossi, ma che la metà dei maschi della F2 aveva occhi rossi e l’altra metà occhi bianchi. Questa scoperta non corrispondeva al risultato atteso secondo Mendel per un tratto recessivo che dovrebbe presentarsi in 1/4 della progenie F2 sia maschile che femminile. Per spiegare questo inatteso risultato, Morgan ipotizzò che il locus per il colore degli occhi fosse situato sul cromosoma X (cioè, che il colore degli occhi fosse legato all’X). Comprese cioè che gli alleli per il colore degli occhi erano presenti solo sul cromosoma X e che non esisteva un allele omologo sul cromosoma Y. Dato che le cellule delle femmine possiedono due cromosomi X, le femmine possono essere omozigoti o eterozigoti per gli alleli del colore degli occhi. D’altro canto, le cellule dei maschi hanno un solo cromosoma X e possono portare un solo allele per il colore degli occhi. Quindi i maschi non possono essere omozigoti o eterozigoti, ma sono definiti emizigoti per i loci legati al cromosoma X. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 80 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Per verificare l’ipotesi secondo cui il carattere occhi bianchi è legato al cromosoma X, Morgan condusse ulteriori incroci. Predisse che un incrocio tra una femmina a occhi bianchi e un maschio a occhi rossi avrebbe prodotto tutte femmine con occhi rossi e tutti maschi con occhi bianchi. Morgan fece ulteriori incroci nella F1 tra femmine occhi rossi e maschi occhi bianchi. In questi incroci i risultati furono coerenti con la conclusione di Morgan: il carattere occhi bianchi è l’espressione di una caratteristica legata al cromosoma X. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 81 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso I caratteri legati al cromosoma Y. I caratteri legati al cromosoma Y, chiamati anche caratteri olandrici, mostrano un modello di eredità diverso. Si tratta di caratteri presenti solo nei maschi, poiché solo questi possiedono il cromosoma Y, ed ereditati sempre dal padre. Inoltre, un maschio con un carattere legato all’Y lo trasmetterà a tutta la sua progenie maschile, perché ogni maschio eredita il cromosoma Y dal padre. I geni che codificano per questi tipi di caratteri sono vantaggiosi solo se sono presenti nei maschi. Per evitare che geni che codificano per caratteri maschili compaiano nelle femmine, durante la meiosi il crossing-over è stato soppresso per buona parte della lunghezza dei cromosomi X e Y. Il crossing-over può ancora verificarsi nelle femmine fra i due cromosomi X, ma fra i cromosomi X e Y il crossing-over è limitato alle piccole regioni pseudo-autosomiche nelle quali, durante la meiosi, X e Y continuano ad accoppiarsi e a segregare. A causa di questa assenza di crossing-over si è verificato la perdita costante del materiale genetico sulla Y. La funzione della maggior parte dei geni legati all’Y non è ancora ben compresa; molti sembrano avere un ruolo nello sviluppo sessuale maschile e nella fecondità. Alcuni si esprimono nel corpo, ma molti si esprimono in maniera predominante o esclusiva nei testicoli. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 82 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Evoluzione del cromosoma Y. Gli studi sui cromosomi sessuali hanno portato alla conclusione che i cromosomi X e Y in molti organismi si evolvono da una coppia di autosomi. Il primo passo di questo processo evolutivo si verificò quando un membro di una coppia di autosomi acquisì un gene che determinava il fenotipo maschile, come il gene SRY trovato oggi nell’uomo. Questo passo ebbe luogo nei mammiferi circa 250 milioni di anni fa. Alcuni studiosi hanno previsto che il cromosoma umano Y in futuro continuerà a perdere materiale genetico, fino a scomparire del tutto dalle specie in circa 10 milioni di anni. Tuttavia uno studio pubblicato nel 2012 ipotizza che il declino del cromosoma Y umano si sia arrestato e che negli ultimi 6 milioni di anni nessun gene sia andato perduto. La ricombinazione interna al cromosoma Y può aver contribuito a rallentare o a prevenire il suo completo decadimento nell’uomo. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 83 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso MA LE FEMMINE PRODUCONO PIU’ PROTEINE LEGATE AL CROMOSOMA X RISPETTO AI MASCHI? 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 84 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Compensazione di dose genica nella X. Nelle specie con determinazione del sesso di tipo XX-XY, le differenze nel numero di cromosomi X posseduti dai maschi e dalle femmine rappresenta un problema particolare nel corso dello sviluppo. Nelle femmine ci sono due copie del cromosoma X e due copie di ogni autosoma, perciò i geni sui cromosomi X e sugli autosomi sono «in equilibrio». Nei maschi, tuttavia, c’è un solo cromosoma X, mentre ci sono due copie di ogni autosoma. Poiché la quantità di proteina prodotta è spesso funzione del numero di copie del gene che codifica per la proteina, nei maschi è probabile che ci siano meno proteine codificate da geni legati all’X rispetto a quelle codificate da geni autosomici. Questa differenza può essere uno svantaggio, poiché la concentrazione proteica svolge spesso un ruolo critico nello sviluppo. Alcuni animali hanno superato questo problema attraverso l’evoluzione di meccanismi che rendono uguale il quantitativo di proteina prodotto dall’unico cromosoma X e dai due autosomi nel sesso eterogamico. Questo meccanismo si chiama compensazione di dose. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 85 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Compensazione di dose genica nella X. Perché si è ipotizzato l’esistenza di un meccanismo di compensazione del dosaggio genico (o più precisamente della differenza di dosaggio genico)? 1. Le aneuploidie dei cromosomi sessuali, a differenza di quelle a carico degli autosomi, sono compatibili con la vita, e, in alcuni casi, non comportano fenotipi anormali, esempio: 47, XXX femmine normali, talvolta sterili 47, XXY (sindrome di Klinefelter) maschi sterili, talvolta con lieve ritardo mentale 45, X0 (sindrome di Turner), statura inferiore alla media, sterilità, altre anomalie di sviluppo generalmente non gravi 48, XXXX o XXXY sintomatologia più grave delle precedenti, ma comunque condizione compatibile con la vita 2. La quantità di prodotto genico di geni del cromosoma X è uguale in maschi e femmine, nonostante il fatto che i maschi abbiamo una sola copia del gene e le femmine due. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 86 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Nel 1949 Murray Barr osservò dei corpi compatti, più intensamente colorati, nei nuclei delle cellule di gatti femmina: queste strutture presero il nome di corpi di Barr. Mary Lyon nel 1961 ipotizzò che il corpo di Barr fosse un cromosoma X inattivo; La scienziata suggeriva che all’interno di ogni cellula femminile, in maniera casuale, uno dei due cromosomi X diventasse inattivo. Se una cellula contiene più di due cromosomi X, tutti tranne uno risultano inattivati. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 87 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Corpi di Barr. Nella tabella si può vedere il numero di corpi di Barr presente nelle cellule umane con diversi complementi di cromosomi sessuali. Cromosomi sessuali Sindrome Numeri di corpi di Barr XX Nessuna 1 XY Nessuna 0 X0 Turner 0 XXY Klinefelter 1 XXXY Klinefelter 2 XXXXY Klinefelter 3 XXX Tripla X 2 XXXX Femmina poli-X 3 XXXXX Femmina poli-X 4 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 88 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Ipotesi di Lyon. Mary Lyon fece delle osservazioni sul colore della pelliccia in gatti e topi femmine Il colore della pelliccia è associato al cromosoma X Ad esempio, gatti con pelliccia variegata, macchie arancioni e nere, sono di solito femmine 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 89 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Ipotesi di Lyon. Il colore arancione è dato dall’allele DOMINANTE O, mentre il colore nero dall’allele RECESSIVO o Un gatto di sesso femminile, eterozigote per l’allele del colore arancione (O) e per quello del colore nero (o) può possedere una pelliccia con macchie arancioni e macchie nere, la cui distribuzione e dimensione varia tra individui diversi. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 90 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Ipotesi di Lyon. Le formazione delle macchie arancioni è il risultato dell’espressione dell’allele per il colore arancione sul cromosoma X attivo, mentre l’altro X che possiede l’allele per il colore nero è inattivato o attenuato. Viceversa, la formazione delle macchie nere è il risultato dell’espressione dell’allele per il colore nero presente sull’X attivo, mentre l’altro X che possiede l’allele per il colore arancione è inattivato o attenuato. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 91 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Ipotesi di Lyon. Mary Lyon ipotizzò che: Nelle femmine di mammifero uno dei due cromosomi X fosse inattivato diventando trascrizionalmente inerte e dando luogo così alla struttura compatta e citologicamente visibile del corpo di Barr. L’inattivazione fosse casuale (potesse colpire a caso uno qualsiasi dei due cromosomi X) la scelta del cromosoma inattivato fosse tramandata somaticamente da una generazione cellulare all’altra in modo clonale, dando luogo a cloni omogenei di cellule. L’inattivazione è: L’inattivazione risponde all’esigenza di 1. Casuale (in media il 50% delle cellule inattiva l’X compensare in numero di cromosomi X ereditato dal padre e il 50% quello ereditato dalla fra le femmine e maschi (compensazione madre); 2. Mantenuta clonalmente (le cellule figlie mantengono del dosaggio) lo stesso pattern di inattivazione della cellula madre); 3. Precoce 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 92 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso L’inattivazione del cromosoma X avviene intorno al 15mo-16mo giorno dello sviluppo embrionale (l’embrione e’ composto di circa 5000 cellule) ed è poi mantenuta clonalmente. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 93 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Come si verifica l’inattivazione del cromosoma X? 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 94 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Meccanismo dell’inattivazione casuale del cromosoma X. L’inattivazione casuale del cromosoma X si compie in due stadi. Durante il primo, la cellula in qualche modo stima o conteggia quanti cromosomi X sono presenti. Nel secondo stadio, viene selezionato un cromosoma X destinato a diventare l’X attivo, mentre gli altri vengono silenziati. Sono stati identificati numerosi geni e sequenze che partecipano a questo processo. Il più importante fra questi è un gene chiamato Xist (che sta per «trascritto specifico per l’inattivazione dell’X»). Sui cromosomi X destinati a essere inattivati, il gene Xist è attivo e produce una lunga molecola di RNA costituita da 17 000 nucleotidi che si avvolge intorno al cromosoma X, e porta al silenziamento dei suoi geni, probabilmente reclutando proteine complesse che alterano la struttura della cromatina. Invece sul cromosoma X destinato a rimanere attivo, altri geni reprimono l’attività di Xist in modo tale che l’RNA Xist non copre più il cromosoma X e i geni su di esso rimangono attivi. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 95 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Nel centro di inattivazione mappa il gene Xist Il gene Xist (X inactive specific transcript) sfugge all’inattivazione Xist è necessario per l’inattivazione dell’ X Il prodotto di Xist è un RNA non codificante di 17 kb (nella specie umana) che si associa stabilmente al cromosoma X che sarà inattivato La struttura complessiva di Xist è conservata tra le varie specie. In particolare, l’esone 4 forma una caratteristica struttura a forcina. 3. Determinazione del sesso 07/01/2020 Pagina 96 Prof. Carnevale Roberto 3. Determinazione del sesso Modificazioni a caric