Genetica - Appunti di Medicina Veterinaria (PDF)

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Università degli Studi di Pisa Genetica.pdf Medicina Veterinaria a ciclo unico Prof: Roberta Ciampolini Autore: francesca2327 Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Genetica CAPITOLO 1: GENETICA MOLECOLARE - COMPOSIZIONE E STRUTTURA DEL GENOMA La cellula è l’unità biologica fondamentale, alla base della costituzione di procarioti ed eucarioti. Nel nucleo di ogni cellula di un individuo è presente lo stesso DNA genomico. Inoltre, il numero di cellule che costituiscono un organismo animale è stimato su 1000 miliardi. Il genoma definisce lo sviluppo di ogni individuo fin dalle più precoci fasi embrionali, ne codifica la morfologia ed i tempi del suo differenziarsi. Inoltre, contiene l’informazione che serve affinché una singola cellula, lo zigote (l’oocita fecondato da uno spermatozoo), si differenzi nei vari organismi. Il DNA Genomico di un mammifero è costituito da circa 3 miliardi di paia di basi. La lunghezza di un assetto cromosomico 2n in forma despiralizzata è di circa 2 m. UNITÀ DI MISURA QUANTITÀ DI DNA NUCLEARE: espressa in pg (picogrammo). 1 pg = 10-12 g. LUNGHEZZA TOTALE DEL DNA: Paia di basi (pb); Kilopb (1Kb = 1.000 pb); Megabasi (1Mb = 106 pb). ORGANISMO NUMERO TOTALE DI CROMOSOMI Uomo 46 Scimpanzé 48 Cane 78 Gatto 72 Topo 40 Cavallo 54 Pollo 78 Pesce rosso 94 Nel nucleo di una cellula umana, e similmente in quello di una cellula animale, il DNA Genomico pesa in media 1 nanogrammo (1 miliardesimo di grammo) e, srotolato misura circa 2 metri. Ad esempio, in 100 grammi di tessuto muscolare, sono contenuti circa 200 milioni di chilometri di DNA Genomico, ben “impacchettato”. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com DNA: PROPRIETÀ E CARATTERISTICHE Il DNA è un lunghissimo polimero lineare non ramificato che contiene diversi milioni di nucleotidi disposti secondo una sequenza irregolare ma non casuale. L’informazione genetica è contenuta nell’ordinato succedersi dei nucleotidi. Ha varie proprietà. La molecola di DNA è una doppia elica destrorsa dal diametro di 2 nm; Le due catene sono antiparallele; Gli scheletri di zucchero-fosfato si trovano all’esterno e le basi all’interno; Le basi sono unite da legami a idrogeno; Si formano solchi maggiori e solchi minori dove entrano le proteine; Il DNA si può denaturare e rinaturare; La doppia elica è una struttura stabile. Per quanto concerne la composizione della molecola di DNA: La composizione in basi del DNA è differente nelle varie specie; L’ordine preciso delle coppie di basi (A con T e C con G) può essere un carattere specie-dipendente che non altera la struttura a doppia elica del DNA; Con il modello della struttura del DNA è possibile qualsiasi sequenza di coppie di basi per tutta la lunghezza della doppia elica; Il numero di differenti sequenze possibili in una molecola di DNA è virtualmente infinito e in grado di poter codificare un’enorme quantità di informazioni; Il DNA è soggetto a replicazione, per poter produrre due molecole figlie identiche. La natura antiparallela delle due catene polinucleotidiche è una caratteristica chiave della doppia elica. La nomenclatura deriva dal sistema di numerazione degli atomi di Carbonio dell’anello dello zucchero. Una catena dell’elica è orientata in senso 5’→3’, e l’altra in direzione opposta (3’ → 5’). Per convenzione, le sequenze di DNA sono scritte in orientamento 5’→3’. Questo significa che un DNA a singolo filamento inizia con un gruppo fosfato libero legato al carbonio 5’ dello zucchero. I successivi nucleotidi sono aggiunti al filamento mediante legami fosfodiesterici, che uniscono il gruppo ossidrilico al carbonio 3’ di uno zucchero con il fosfato legato al carbonio 5’ di uno zucchero adiacente. Il filamento termina con il gruppo ossidrilico libero al carbonio 3’ dell’ultimo zucchero. REGOLE DI CHARGAFF Chargaff evidenzia una caratteristica costante in tutti i genomi, che racchiude sotto il nome di “Regole di Chargaff”. La quantità molare di (A) è sempre uguale alla quantità molare di (T) e quella di (C) è sempre uguale a quella di (G); Nei genomi esiste un’uguale quantità di purine e di pirimidine l’unico rapporto che cambia è quello molare (A)+(T)/(C)+(G). Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com CROMATINA La cromatina è un complesso di DNA e proteine cromosomiche che costituiscono il cromosoma. Esistono due tipi principali di proteine associate al DNA: istoniche e non istoniche. ISTONICHE: Sono le più abbondanti associate ai cromosomi; Sono piccole proteine basiche, con una carica positiva che facilita il loro legame al DNA carico negativamente; 5 tipi principali di Istoni sono associati al DNA eucariote (H1, H2A, H2B, H3, H4); Stechiometricamente, nella cromatina, vi è circa un’uguale quantità di istoni e di DNA; Le quantità e proporzioni degli istoni rispetto al DNA sono costanti in tutte le cellule di tutti gli organismi eucarioti; Gli Istoni svolgono un ruolo cruciale nell’“Impacchettamento” della cromatina; Diversi livelli di “Impacchettamento” rendono i cromosomi capaci di adattarsi dentro il nucleo di pochi micron di diametro; Il primo livello di “Impacchettamento” implica l’avvolgimento del DNA attorno ad un nucleo di istoni con la formazione di una struttura definita NUCLEOSOMA. Un corto segmento di DNA è avvolto attorno a 2 molecole per ciascuno dei 4 istoni (H2A, H2B, H3, H4). L’ H1, è una sola molecola e si ipotizza che svolga un’attività di linker. Il DNA si avvolge attorno al nucleo Istonico compiendo 1 giro e 3/4, il che comporta un compattamento di DNA di circa un fattore 7. I Nucleosomi possono associarsi tra di loro a formare una struttura più compatta, che ha un diametro di 30 nm. L’avvolgimento del nucleo-filamento di 10 nm, determina la costituzione della fibra di 30 nm, e condensa il DNA ad 1/6 della dimensione precedente. Il livello successivo di avvolgimento implica la formazione di domini ad ansa che si estendono formando un angolo con l’asse principale del cromosoma, e sono ancorati ad un’intelaiatura strutturale filamentosa all’interno della membrana nucleare chiamata MATRICE NUCLEARE. Il grado di impacchettamento del DNA si modifica durante il ciclo cellulare. Attraverso la fase (G1) dell’Interfase, la cromatina si rilascia gradualmente ed alla fase (S) si trova nella condizione di maggiore dispersione. In (G2), ricomincia la condensazione della cromatina, che arriverà al grado massimo di compattamento nella metafase. Se dal cromosoma metafasico vengono rimossi gli istoni: o Il cromosoma conserva ancora la sua forma generale; o Le anse di DNA sporgono e si estendono da un’impalcatura proteica. Sulla base della colorabilità dei cromosomi, sono state definite 2 forme di cromatina: EUCROMATINA: rappresenta i cromosomi o le regioni cromosomiche che manifestano un’alternanza normale di condensazione e decondensazione durante il ciclo cellulare. o Compone la maggior parte del genoma di una cellula attiva; o Visivamente subisce un cambiamento dell’intensità della colorazione, dal più scuro in metafase al più chiaro in fase (S). o Viene tipicamente trascritta attivamente, ciò significa che i geni in essa contenuti possono essere espressi; o Le regioni di eucromatina sono tipicamente prive di sequenze ripetute. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com ETEROCROMATINA: rappresenta i cromosomi o le regioni cromosomiche che generalmente rimangono condensate, attraverso tutto il ciclo cellulare, anche in interfase. o Assume una colorazione più intensa rispetto all’eucromatina; o Il DNA che si trova sotto questa forma replica in ritardo, nella fase (S), rispetto al resto del DNA; o Generalmente al suo interno i geni sono trascrizionalmente inattivi. o Esistono due tipologie: ▪ COSTITUTIVA: è presente nella stessa posizione su entrambi i cromosomi omologhi di ogni coppia ed in tutte le cellule. Consiste essenzialmente di DNA ripetuto. Ne sono un esempio le regioni centromeriche; ▪ FACOLTATIVA: varia di condizione: ❖ Nei diversi tipi cellulari; ❖ Nei diversi stadi dello sviluppo; ❖ A volte da un cromosoma omologo all’altro. Un esempio di eterocromatina facoltativa è il Corpo di Barr, il cromosoma X inattivato delle cellule somatiche. NON ISTONICHE: sono tutte le proteine associate al DNA eccetto gli istoni. Alcune svolgono un ruolo strutturale, altre un ruolo transitorio; Sono presenti in gran numero e sono di diverso tipo: o All’interno di un organismo differiscono a seconda del tipo cellulare; o Differiscono da organismo a organismo e in momenti diversi nello stesso tipo cellulare. VALORE C Il valore C è la quantità totale di DNA in un genoma APLOIDE (n). Tale quantità è caratteristica per ogni specie e tra le diverse specie può variare in maniera considerevole. Non esiste correlazione diretta tra contenuto in DNA di un genoma e complessità strutturale e di organizzazione di una specie. PARADOSSO: una spiegazione possibile di questa variabilità può essere la quantità di sequenze ripetute nel genoma. DNA DEGLI EUCARIOTI Sequenze ripetute; UNICHE: presenti in una o poche copie; IN TANDEM: ripetizioni non geniche; o Centromeri; o Telomeri; SPARSE: sequenze geniche e non geniche. o Trasposoni; o Sequenze non funzionali: SINE (100-500 pb), LINE (diverse migliaia di pb). Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com REPLICAZIONE Le due eliche si separano e ciascuna di esse serve da stampo per la sintesi di una nuova elica complementare; La sequenza delle basi dell’elica di nuova sintesi viene determinata dalla formazione di legami idrogeno specifici tra le basi dell’elica che funge da stampo, e quelle dell’elica in via di formazione; Con questo meccanismo, l’informazione genetica codificata nella sequenza delle basi di una molecola parentale può essere facilmente trasmessa a due molecole figlie; Componenti necessari alla sintesi del DNA: I quattro dNTP; Ioni magnesio; Un frammento di DNA; DNA polimerasi: catalizza l’aggiunta di un nucleotide alla catena di DNA esistente con liberazione di un pirofosfato. DNA+dNTP → DNA+ppi. La sintesi procede in direzione 5’-3’. L’addizione dei nucleotidi nella catena non è casuale; REPLICAZIONE DISCONTINUA a livello della forca replicativa: La DNA polimerasi si muove solo in direzione 5’-3’; Sintesi di brevi frammenti (Okazaki); Rimozione dei primer e ligazione; La sintesi dell’elica guida è continua l’altra è discontinua. Ad ogni ciclo di divisione cellulare sia il DNA che gli istoni devono essere duplicati; Frequenza di replicazione: 2kb al minuto. 830 ore per ogni cromosoma; Ci sono puù origini di replicazione. A ciascuna origine si ha denaturazione e replicazione bidirezionale. REPLICONE: tratto di DNA tra l’origine della replicazione e le due terminazioni; La replicazione non avviene simultaneamente in tutti i repliconi, c’è un ordine temporale; L’eterocromatina segue l’eucromatina. STRUTTURA ED ESPRESSIONE DI UN GENE CODIFICANTE UN MRNA ED UNA PROTEINA Il genoma, o DNA Genomico, è costituito da un lungo filamento di DNA, circa 2 metri, organizzato in cromosomi. I cromosomi contengono tutti i geni che servono a far vivere ed agire la cellula con tutti i suoi piccoli organelli e apparati. GENI Consentono alla cellula di dividersi, visto che una cellula madre origina due cellule figlie attraverso la mitosi; La differenziano in una cellula di un particolare tessuto o di un altro; Le indicano in quale momento della vita di un individuo deve specializzarsi, oppure a secernere un particolare secreto un particolare ormone, o un enzima. Le cellule staminali quando si differenziano, diventano più selettive su quali geni nel loro genoma debbano essere attivi e quali spenti. Ad esempio, una cellula staminale neurale spegnerà i geni che in quel tessuto non servono, mentre saranno attivi in altri tipi di tessuti. Più una cellula è differenziata, più specializzato sarà il suo insieme di geni "attivi". Gene dell’aS1-caseina: solo una parte determina la sequenza amminoacidica della proteina codificata ed espressa che viene rilasciata nel latte. La maggior parte dei geni contiene una serie di esoni separati da introni non codificanti, mediamente 9 esoni per gene, sebbene alcuni ne contengano di più. Nella specie bovina: Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Il gene di più grandi dimensioni è il TTN, che codifica per una proteina muscolare, chiamata Titina: Ha una lunghezza di 276.647 nucleotidi; Possiede 317 esoni; La proteina codificata è lunga 34.340 aminoacidi. Il gene più corto presente in tutte le specie si chiama H1A; Codifica per la proteina istonica H1; È lungo 500 nucleotidi; Non ha introni. Ha l’importante compito di partecipare all’impacchettamento del DNA all’interno dei cromosomi. CARATTERISTICHE GENI Il gene è un segmento di DNA in cui sono presenti le informazioni necessarie alla produzione di una proteina. Esso garantisce lo sviluppo e la fisiologia di ogni organismo vivente. Le sequenze hanno la funzione di segnali di inizio o di fine. La trascrizione di un gene viene effettuata dall’enzima RNA polimerasi II. Quindi un gene è organizzato in esoni ed introni, ed è affiancato da regioni con funzioni regolatrici, dette regioni UTR (UnTraslated Region, regione non tradotta). ESONI: costituiscono la parte del gene che contiene le informazioni per la sintesi delle proteine; INTRONI: possono contenere sequenze con diverse e varie funzioni regolatrici che hanno la proprietà di aumentare o diminuire l’intensità della sintesi delle proteine. Altre regioni regolatrici si trovano a monte (posizione 5’) e a valle (posizione 3’) del gene. REGIONI A MONTE: contengono i promotori; I promotori sono sequenze di DNA che avviano la sintesi proteica. REGIONI A VALLE: contengono i terminatori dei geni. I terminatori sono sequenze in grado di bloccare la trascrizione del messaggio contenuto in un gene. Alcune tra le sequenze regolatrici, (es TATA box) del promotore, vengono riconosciute da polipeptidi detti “fattori generali di trascrizione”, poiché assistono l’RNA polimerasi, durante le tappe di inizio e di effettuazione della trascrizione. Altre sequenze di DNA, vengono riconosciute da dei “fattori di trascrizione specifici” che modulano l’espressione dei geni: Nello spazio (a seconda del tipo di cellula); Nel tempo (durante lo sviluppo) e/o sotto l’effetto dello stress. Gli allineamenti precisi di nucleotidi consentono la fissazione di proteine regolatrici. La disposizione di tali proteine sul DNA avvierà o inibirà la trascrizione del gene. TRASCRITTO PRIMARIO: comprende la trascrizione di esoni ed introni; MATURAZIONE: fase successiva in cui gli introni vengono eliminati; L’RNA maturo viene a questo punto trasportato nel citoplasma; I ribosomi si fissano sul mRNA; Tramite l’azione del tRNA, il codice genetico viene tradotto per sintetizzare la proteina corrispondente. Lo splicing dell’RNA rimuove gli introni e congiunge esoni adiacenti. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com INFORMAZIONE GENETICA L’informazione genetica del DNA è trasmessa dalla sequenza dei suoi quattro nucleotidi. Con 4 unità (basi) si possono formare 4N sequenze diverse, dove N è il numero di basi nella sequenza. Il DNA non può servire direttamente da stampo per le catene di aminoacidi che costituiscono le proteine. La sintesi proteica avviene nel citoplasma. Il DNA è sempre confinato nel nucleo. Una seconda molecola è in grado di immagazzinare l’informazione e spostarsi nel citoplasma (RNA). La sua struttura è chimicamente molto simile a quella del DNA. Ha il ribosio al posto del desossiribosio; Ha l’uracile al posto della timina; La catena è a singola elica; Si divide in: RNA CODIFICANTE: composto unicamente da mRNA, il trascritto del gene che codifica per una proteina. o mRNA: 4% dell’RNA totale, emivita breve. RNA NON CODIFICANTE: o rRNA: 80%. È parte integrante del ribosoma, la particella addetta alla sintesi proteica; o tRNA: piccola molecola che trasporta aa al ribosoma per permettere che vengano uniti nell’ordine specificato dalla sequenza nucleotidica dell’mRNA. Oltre ai 3 tipi fondamentali di RNA, negli eucarioti è stata scoperta tutta una serie di piccoli RNA che vengono prodotti dalle regioni non codificanti del DNA e che sono fondamentali nella determinazione di quali geni devono essere attivi nelle diverse cellule e quanto devono esserlo. In particolare, sono note due classi di piccoli RNA: miRNA (microRNA); siRNA (small interfering RNA). TRASCRIZIONE Il principio centrale della biologia afferma che l’informazione fluisce in modo unidirezionale dal DNA alle proteine: DNA → RNA → PROTEINE. Soltanto uno dei due filamenti viene letto e copiato dall’RNA Polimerasi; Il filamento di RNA che si ottiene è complementare al filamento di DNA matrice che è servito da stampo; Il filamento di DNA matrice viene chiamato ANTISENSO; ’altro, che ha la stessa sequenza del mRNA, è detto filamento SENSO ed è codificante; L’mRNA viene in seguito letto e tradotto in proteina. Grazie alla trascrizione avviene la produzione di molecole di mRNA identiche al filamento del DNA codificante, ma con uracile al posto della timina. Queste molecole costituiscono il pre-mRNA, che matura attraverso: SPLICING: dal pre-mRNA, sono tolte le sequenze non tradotte (introni del DNA codificante); SPLICING ALTERNATIVO: quando la sequenza codificante può risultare alterata per il taglio di alcuni esoni, determinando la sintesi di proteine differenti; CAPPING: all’estremità 5’ del pre-mRNA viene aggiunto un “cappuccio” di basi particolari (7 metil-guanosina), importante per il riconoscimento e l’aggancio appropriato dell’mRNA al ribosoma; POLIADENILAZIONE: all’altra estremità (3’) del pre-mRNA viene aggiunta una sequenza poli-A, per aumentarne la stabilità e proteggere il pre-mRNA dalle modificazioni enzimatiche che lo degraderebbero, riducendo le copie di mRNA disponibili per la traduzione a proteina e la quantità di proteina prodotta. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com TRADUZIONE La traduzione è il processo che porta dall’mRNA alle proteine: ad esempio, da 4 basi (codoni di 4 basi di mRNA) si ottengono i 20 amminoacidi. CODICE GENETICO A triplette; Letto in modo continuo e senza sovrapposizioni; Universale; Segnali di inizio (AUG) e fine (UAA, UAG, UGA); Degenerato; Non ambiguo (ridondante). I tRNA mediano il trasferimento dell’informazione dall’acido nucleico alla proteina. La sequenza corretta di aminoacidi si ottiene grazie al legame specifico (mRNA) codone-anticodone (tRNA) e al legame specifico aminoacido-tRNA. FASI INIZIO: CODONE AUG: codone di inizio sull’mRNA che codifica per la metionina; Si ha un fattore di inizio che riconosce e lega il cap in 5’; Si lega la subunità ribosomiale 30s complessata con il met-tRNA e migra lungo l’mRNA in cerca del codone di inizio che si trova all’interno di una corta sequenza consenso; Si lega la subunità 50S e formano il complesso d’inizio 80s. ALLUNGAMENTO: Legame del tRNA carico al ribosoma; Formazione del legame peptidico e spostamento del ribosoma; LEGAME: il legame del complesso in quel punto lascia esposto il codone successivo all’AUG in un sito attivo del ribosoma. L’aminoacil-tRNA appropriato si lega tramite un enzima specifico, idrolizzando GTP. LEGAME PEPTIDICO: nei due siti del ribosoma sono legati due diversi aminoacil-tRNA. Il primo amminoacido viene staccato dal suo aminoacil-tRNA e poi la peptidil-trasferasi forma un legame con il secondo amminoacido; TRASLOCAZIONE: il ribosoma si sposta di un codone in direzione 3’. Lo spostamento libera il sito A e l’aminoacil-tRNA con l’aa giusto può legarsi. TERMINAZIONE: Esistono tre codoni di stop: UAG, UAA, UGA che non codificano per nessun amminoacido; Il ribosoma li riconosce tramite fattori di terminazione che mediano il rilascio del polipeptide dal tRNA al sito P del ribosoma (peptidil-trasferasi); Si verifica il rilascio del tRNA dal ribosoma e la dissociazione delle due subunità. DALLA TRASCRIZIONE ALLA TRADUZIONE: APPROFONDIMENTO Dopo aver subito le modifiche post-trascrizionali l’RNA messaggero maturo esce dal nucleo e migra nel citoplasma cellulare portando con sé le istruzioni per la sintesi proteica. L’operazione viene effettuata in corrispondenza dei ribosomi dove la sequenza di basi dell’RNA viene riconosciuta e letta a gruppi di tre basi. Ogni gruppo di tre basi costituisce un CODONE, che viene riconosciuto da un ANTICODONE complementare, sito all’estremità del tRNA che porta uno specifico aminoacido all’estremo opposto rispetto alla tripletta complementare al mRNA. A specifico codone corrisponde quindi uno specifico aminoacido che viene collocato nella giusta posizione lungo la nascente catena proteica, dove ogni aminoacido si lega a quello che lo precede mediante, legami peptidici. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com PROTEINE Le proteine sono macromolecole e l’elevata varietà di funzioni che possono svolgere dipende dalle strutture con cui possono presentarsi. Presentano varie CLASSI FUNZIONALI: ENZIMI: catalizzano le reazioni metaboliche; STRUTTURALI: formano le strutture dell’organismo (come actina e miosina che compongono il muscolo); PROTEINE REGOLATORIE: agiscono da fattori di trascrizione o controllano i vari processi intracellulari; PROTEINE IN GRADO DI AGIRE COME MESSAGGERI INTRACELLULARI O COME RECETTORI; PROTEINE CHE PERMETTONO IL PASSAGGIO E IL TRASPORTO DI VARIE MOLECOLE; ANTICORPI. L’unità costitutiva delle proteine sono gli AMMINOACIDI. Più aminoacidi sono uniti attraverso il legame peptidico. La semplice sequenza amminoacidica costituisce la struttura base (STRUTTURA PRIMARIA), che: Non rappresenta la struttura biologicamente attiva; Contiene l’informazione necessaria e sufficiente a determinare gli ordini di struttura superiore che conferiscono alla proteina la propria conformazione funzionalmente attiva; Determina tutte le caratteristiche chimiche delle proteine. REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA Negli eucarioti l’attività dei geni è principalmente regolata: TEMPORALMENTE: geni diversi vengono attivati nelle diverse fasi dello sviluppo e dell’accrescimento, quando il loro prodotto è necessario; SPAZIALMENTE: geni diversi sono attivi nei diversi tipi cellulari che compongono i tessuti e gli organi di un animale. La regolazione può avvenire: NEL NUCLEO: nucleo delle cellule, coinvolgendo il DNA o l’RNA; NEL CITOPLASMA: coinvolgendo l’RNA o la catena polipeptidica. Nel nucleo, la trascrizione dei geni può essere stimolata o inibita (regolazione positiva o negativa) da diverse proteine chiamate FATTORI DI TRASCRIZIONE che posseggono strutture caratteristiche (DOMINI) che consentono loro di interagire con il DNA. La regolazione dell’espressione genica può avvenire: Tramite fattori che controllano la trascrizione a partire da: Corretto riconoscimento del promotore di un gene ad opera dell’RNA polimerasi; Numerose proteine accessorie che ne facilitano l’attività. Tramite una varietà di fattori di trascrizione speciali che, in risposta a fattori ambientali o chimici, si legano a particolari sequenze, chiamate ENHANCER o potenziatori, poste in prossimità dei geni, influenzandone l’attività di trascrizione. Molti enhancer hanno una attività tessuto-specifica, stimolando la trascrizione solo in particolari tessuti, mente in altri sono ignorati. Nella fase di maturazione del mRNA (splicing degli introni); Tramite degradazione di mRNA. Si avrà una maggior sintesi di proteina in presenza di mRNA più stabili; La longevità degli mRNA può essere influenzata sia dalle strutture che presentano code di poli-A, sia da segnali chimici, quali gli ormoni. o ESEMPIO: il minor contenuto della frazione caseinica nel latte di capra può essere dovuto, come succede per l’allele F di alfaS1-caseina, anche a splicing alternativo e ad una diversa stabilità dell’RNA messaggero. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Tramite siRNA o miRNA che si appaiano a sequenze presenti in specifici mRNA, degradandoli o impedendone la traduzione in proteina. I miRNA bersaglio di un siRNA vengono tagliati; Gli mRNA bersaglio di un miRNA vengono bloccati. Grazie alle caratteristiche dei cromosomi: POSIZIONE CROMOSOMICA: se il DNA è troppo condensato può non essere accessibile alla RNA polimerasi; MODIFICHE CHIMICHE DEI NUCLEOTIDI CHE COMPONGONO IL DNA: aggiunta di un gruppo metile CH3 (metilazione) alla citosina. o Il DNA metilato è associato alla repressione della trascrizione. Questo fenomeno è molto evidente nelle femmine di mammifero, in cui uno dei due cromosomi X è metilato ed inattivo (CORPO DI BARR); o La metilazione è responsabile anche di casi insoliti in cui l’espressione di un gene è controllata dalla sua ORIGINE PARENTALE (si parla di geni imprinted): è come se il gene fosse stato marcato in modo da ricordare da quale genitore proviene (EREDITÀ MENDELIANA). Con agevolazione data da un INCREMENTO DEL NUMERO GENI (AMPLIFICAZIONE GENICA): dipende dal numero di stampi di DNA utilizzati per la sintesi di RNA; Alcuni geni sono presenti in un numero di copie superiore ad uno e possono essere attivi o meno. Il numero di copie di alcuni geni sembra essere un meccanismo di adattamento evolutivo alle condizioni ambientali. Quindi, i meccanismi di regolazione dell’espressione genica sono complessi e sofisticati, nonché responsabili di una parte della variabilità fenotipica che si osserva nelle popolazioni animali. MUTAZIONI GENICHE Una mutazione è un processo attraverso il quale si produce un cambiamento in una coppia di basi del DNA o un cambiamento nel cromosoma. Può avvenire spontaneamente o essere indotta sperimentalmente; Le conseguenze sull’organismo dipendono da diversi fattori, in particolare da quanto è cambiata l’informazione amminoacidica codificata; Se si ha in regioni esterne alla sequenza codificante, può alterare l’espressione genica; Gli effetti possono essere invertiti per reversione o per mutazione in un sito diverso da quello della mutazione originaria (mutazione soppressore); Può essere causate dall’esposizione a “mutageni chimici” o da radiazioni; Può essere trasmessa alle cellule figlie e alle generazioni seguenti dando origine a cellule mutate o a individui mutati (MUTAZIONI SOMATICHE e MUTAZIONI NELLA LINEA GERMINALE). TIPI DI MUTAZIONI NELLA SEQUENZA CODIFICANTE DEL GENE: SILENTI: non sono espresse in quanto non alterano la struttura primaria della proteina; DI SENSO: sostituiscono un amminoacido con un altro; NON SENSO: accorciano un polipeptide, sostituendo un codone per un amminoacido con un segnale di stop; FRAMESHIFT: alterano il registro di lettura a valle dell’inserzione/delezione. IN SITI ALL’ESTERO DELLA SEQUENZA CODIFICANTE, CHE POSSONO ALTERARE L’ESPRESSIONE DI UN GENE MUTAZIONE SOPPRESSORE: mutazione in un secondo sito (o mutazione secondaria); Non comporta la reversione della mutazione originaria ma maschera o compensa gli effetti della prima mutazione; Esistono due tipi di soppressori: o INTRAGENICI: avvengono all’interno del gene in cui si trova la prima mutazione, ma in un sito diverso; o INTERGENICI: quelli che avvengono in un gene diverso. La funzione può essere ripristinata solo quando entrambe le mutazioni, l’originaria e la soppressore, sono presenti insieme nella stessa cellula. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com A seconda delle cause di mutazione: SPONTANEE: o Avvengono naturalmente, senza l’ausilio di agenti mutageni chimici o fisici; ▪ Ad esempio, errori nei processi cellulari (come la duplicazione del DNA) o per azione di agenti mutageni presenti nell’ambiente (come le radiazioni UV). INDOTTE: avvengono per trattamento con mutageni chimici o fisici noti: o RADIAZIONI: possono causare danni genetici: ▪ Rompendo i cromosomi; ▪ Producendo composti chimici che alterano il DNA (come nel caso dei raggi X); ▪ Causando la formazione di legami inusuali fra le basi del DNA. La mancata riparazione dei danni genetici prodotti dalle radiazioni può indurre mutazioni o determinare la morte della cellula. Esistono due tipi di radiazioni: ▪ IONIZZANTI: α, β, γ, b, x; ▪ ULTRAVIOLETTI. o MUTAGENI CHIMICI: possono essere raggruppati in diverse classi che agiscono in modo diverso: ▪ ANALOGHI DELLE BASI: rimpiazzano le basi normali durante la replicazione del DNA, in seguito cambiano forma e quindi le loro proprietà di appaiamento; ❖ 5-bromouracile; ❖ 2-aminopurina. ▪ AGENTI CHE MODIFICANO LE BASI: causano cambiamenti chimici nelle basi esistenti alternando le proprietà di appaiamento. ❖ ACIDO NITROSO HNO2; ❖ IDROSSILAMINA NH2OH; ❖ METILMETANSULFORATI MMS. ▪ AGENTI INTERCALANTI: vengono inseriti tra le basi adiacenti durante la replicazione causando inserzione o delezione di singole coppie di basi. Il risultato è una mutazione frame-shift. ❖ PROFLAVINA; ❖ ACRIDINA; ❖ BROMURO DI ETIDIO. TASSO DI MUTAZIONE E FREQUENZA DI MUTAZIONE TASSO DI MUTAZIONE: indica la probabilità di un particolare tipo di mutazione in funzione del tempo (il numero di mutazioni per coppia di nucleotidi per generazione oppure il numero per gene per generazione). µ = TASSO DI MUTAZIONE. In Drosophila il tasso di mutazione spontanea per i singoli geni è compreso all’incirca tra 10-4 e 10-5 per gene per generazione; Negli eucarioti è compreso tra 10-4 e 10-6 per gene per generazione. Nei batteri e i fagi: 10-5 e 10-7. FREQUENZA DI MUTAZIONE: è il numero di eventi di un particolare tipo di mutazione espresso come frazione di cellule o di individui in una popolazione. Ad esempio: il numero su 100.000 organismi o il numero su un milione di gameti. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com METODICHE DI ESTRAZIONE DEL DNA Il DNA può essere estratto da diversi tipi di campione: sangue, tessuto e liquidi organici sono solo alcuni dei possibili substrati. Sono disponibili diversi metodi e la scelta deve essere dettata dal tipo di materiale di partenza, dalla sua quantità e dall’uso che si vuole fare del DNA estratto. Il DNA si trova all’interno dei nuclei cellulari, è perciò necessario liberarlo dalla cellula e dalla membrana nucleare ed in seguito purificarlo dalle proteine a cui è associato e dai sali che possono inibire le reazioni successive. ESTRAZIONE CON FENOLO Sfrutta la differente suscettibilità degli acidi nucleici e delle proteine agli effetti denaturanti dei solventi organici come il fenolo e il cloroformio. METODICA: Trattamento con SDS ed un enzima proteolitico come la proteinasi per lisare le cellule e i nuclei e liberare la cromatina; Lavaggio; Passaggio con fenolo che generalmente è mischiato a cloroformio e alcol isoamilico cloroformio e alcol isoamilico (24:1); Precipitazione alcolica coadiuvata dalla presenza di ioni sodio. RESA: è piuttosto alta e offre un prodotto pulito. Tuttavia, è un metodo laborioso e richiede un’incubazione overnight. ESTRAZIONE CON CHELEX Il chelex è una resina chelante con alta affinità per gli ioni metallici polivalenti. METODICA: L’alcalinità del chelex (pH 10-11) e la BOLLITURA rompono le membrane cellulare e denaturano il DNA; In seguito a centrifugazione si ottiene un sovranatante che è una miscela di DNA a singola elica; RESA: il metodo è rapido e semplice e procura abbondante DNA anche se a singola elica e scarsamente puro. ESTRAZIONE CON KIT INDUSTRIALI METODICA: Digeriscono il materiale di partenza sfruttando l’enzima proteinasi; Purificano grazie a specifiche colonnine con una resina silicea; Per cromatografia la resina trattiene il DNA. RESA: si ha purezza, rapidità e riproducibilità. Il quantitativo di DNA estratto risulta minore rispetto ad altri metodi, ma può essere purificato a partire dai substrati più difficoltosi. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com ESTRAZIONE CON GUANIDINA METODICA: Lisi dei globuli rossi: o Aggiungere NE; o Centrifugare; o Eliminare il sopranatante; o Ripetere fino ad ottenere un pellet chiaro. Lisi dei globuli bianchi: o Soluzione con guanidina e proteinasi K; o Un’ora di incubazione a 37 °. Precipitazione del DNA: o Aggiungere etanolo freddo al 100%; o Agitare delicatamente. MEDUSA: o Lavaggio: progressivamente con alcool meno concentrato; o Risospensione: in TE o acqua. RESA: si ha un rapido e grosso quantitativo di DNA. TECNICHE DI MANIPOLAZIONE DEL MATERIALE GENETICO La maggior parte delle tecniche utilizzate in genetica molecolare, si basano sulle proprietà chimico-fisiche degli acidi nucleici. Le tecniche possono essere classificate a seconda degli obiettivi che ci si prefigge di raggiungere nello studio del DNA. STUDIARE IL DNA TRATTO PER TRATTO Le attuali metodologie d’analisi non consentono di considerare globalmente la totalità del genoma, diventa quindi necessario frammentare il DNA. Approfittare della condensazione del DNA nei cromosomi Metafasici è già un modo di lavorare su un genoma frammentato. Questa tecnica si utilizza quando ad esempio si vogliono studiare mutazioni fisiche e cromosomi particolari. Si può analizzare solo la parte codificante del DNA (2% del Genoma), a partire da DNA complementari (cDNA), cioè frammenti di DNA sintetizzati a partire da (mRNA) presenti nei tessuti studiati. Esistono vari metodi di frammentazione di DNA. Il più importante è legato agli ENZIMI DI RESTRIZIONE, grazie ai quali è possibile frammentare la molecola di DNA in frammenti le cui dimensioni siano compatibili con le tecniche di laboratorio. ENZIMI DI RESTRIZIONE Sono enzimi di origine batterica, che tagliano il DNA a doppio filamento solo in corrispondenza di un sito specifico composto da 4-8 nucleotidi; Le sequenze che costituiscono il sito di restrizione sono PALINDROME e il taglio può determinare estremità NETTE o COESIVE; Permettono di ottenere, a partire da una molecola di DNA integra, frammenti di DNA la cui lunghezza ed il numero dipendono dalla ripartizione dei siti di restrizione sulla molecola originale; Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Sono utilizzati in numerose tecniche di biologia molecolare, come la CLONAZIONE, il SOUTHERN BLOT e la ricerca dei POLIMORFISMI degli RFLPs. ALTRE TECNICHE DI FRAMMETAZIONE DEL DNA SONICAZIONE; IRRADIAZIONE; FRAMMENTAZIONE MECCANICA; PCR: ad esempio per scegliere un solo tratto del genoma (TARGET). SEPARARE I FRAMMENTI DI DNA Una volta frammentato un genoma, bisogna separare i frammenti per visualizzarli individualmente, o per selezionare quelli che si vogliono studiare. L’ELETTROFORESI è una delle tecniche più utilizzate per questo scopo. ELETTROFORESI Consiste in un movimento di molecole cariche in un campo elettrico; Consente la separazione di molecole in base alla loro carica elettrica netta ed in funzione delle loro dimensioni; Tecnica che trova ampia applicazione nell’analisi delle dimensioni dei frammenti di DNA, e viene utilizzata anche nella separazione di molecole di RNA. È il metodo più comune per separare molecole di DNA di diversa lunghezza; In biologia molecolare vengono utilizzati due diversi tipi di gel: AGAROSIO: polisaccaride che forma un gel con pori variabili da 100- 300 nm di CONCENTRAZIONE SEPARAZIONE diametro. La concentrazione di agarosio nel gel in un campo elettrico costante DI MOLECOLE determina la gamma dei frammenti di DNA che possono essere separati; 5-50 Kb 0,3 % Utilizzo: o Verifica della quantità o della qualità di un campione di DNA; 100-500 5% o Determinazione, ad esempio, delle dimensioni di un prodotto della PCR, di un’inserzione di un DNA di un vettore, etc; o Va effettuata prima della tecnica del Southern Blot. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com CONCENTRAZIONE RISOLUZIONE 4% 500-1500 nucleotidi POLIACRILAMIDE: è costituito da catene di monomeri di acrilamide che formano 6% 100-750 legami crociati con unità di bisacrilamide. Le dimensioni dei pori del gel sono date nucleotidi sia dalla concentrazione totale di acrilamide e Bis che dal rapporto tra le due. Ad 8% 50-400 esempio Gel 19:1. nucleotidi Utilizzo: o Separazione fine di frammenti di DNA che hanno dimensioni simili; o Sequenziamento del DNA; o Differenti e svariate tecniche per evidenziare i polimorfismi esistenti nel DNA Genomico. EVIDENZIARE IL DNA La molecola del DNA è invisibile tranne che in due casi: Quando in citogenetica si visualizzano i cromosomi metafasici; Quando si precipita il DNA durante il protocollo di estrazione. In tutte le altre condizioni di lavoro, per evidenziare il DNA, sono stati messi a punto dei metodi utilizzati singolarmente oppure in combinazione tra loro: COLORAZIONE: BROMURO DI ETIDIO: agente che si intercala e si fissa al DNA a doppio filamento ed emette fluorescenza quando viene eccitato dai raggi ultravioletti di un’apposita lampada: NITRATO DI ARGENTO: tecnica che permette la formazione di un precipitato d’argento sulla molecola di DNA a singolo filamento. MARCATURA: Con ELEMENTI RADIOATTIVI: incorporazione all’interno di una molecola di DNA, grazie ad un enzima, di nucleotidi marcati radioattivamente. o I radioelementi più utilizzati sono: 32P e 35S. Con SOSTANZE FLUORESCENTI: il DNA viene marcato mediante un fluorocromo prima della separazione elettroforetica su gel. L’eccitazione del fluorocromo mediante un raggio laser determina l’emissione della fluorescenza che viene captata da un apparato ottico. Questo è il principio alla base del rilevamento delle molecole del DNA mediante il sequenziatore automatico. MOLTIPLICARE IL DNA Per moltiplicare il DNA, i metodi più utilizzati sono: CLONAGGIO: a partire da un elevato numero di cellule mediante estrazione da sangue o colture cellulari. Permette di ottenere una grande quantità di copie di un tratto di DNA, clonato in una colonia batterica; In questo modo un frammento di DNA da sequenziare, un cDNA o una sonda specifica, vengono moltiplicati e conservati dai batteri grazie alla MOLTIPLICAZIONE CELLULARE; Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com PCR: principalmente per lo studio di un singolo tratto del genoma. È una reazione che permette l’amplificazione esponenziale di una determinata regione all’interno di una molecola di DNA; Dopo 30 cicli di PCR si ottengono 1 milione di copie del DNA bersaglio; A differenza del clonaggio, la PCR è una reazione che avviene in provetta che non comporta l’uso di cellule viventi. LIMITI: o Si deve conoscere la sequenza del DNA bersaglio al fine di sintetizzare i primers che si ibrideranno nelle posizioni corrette; o Si possono amplificare senza troppe difficoltà frammenti fino a 5Kb. Non si possono ottenere frammenti> di 100Kb PUNTI DI FORZA: o Facilità con cui si può ottenere un singolo segmento del Genoma a partire da un numero di campioni di DNA diversi; o Capacità di amplificare quantità minime di DNA di partenza. APPLICAZIONI: o Studio dei polimorfismi a livello genomico; o Stima della variabilità genetica delle popolazioni; o Analisi di attribuzione di identità in campioni forensi; o Tracciabilità individuale e razziale dei prodotti di origine animale; o Studi di associazione genica tra marcatori e caratteri produttivi e di resistenza agli agenti patogeni (Ricerca QTL). LEGGERE IL DNA SEQUENZIAMENTO: consiste nel determinare l’ordine dei nucleotidi in una molecola di DNA; AUTOMATICO: il sequenziatore è uno strumento in cui la semplice corsa elettroforetica è associata ad un particolare sistema di rilevazione e gestione informatizzata dei dati. ELETTROFORESI CAPILLARE: è il caricamento del campione nel capillare riempito con un materiale polimerico contenente acrilamide ed urea. Avviene per iniezione elettrocinetica: applicando un campo elettrico le molecole di DNA, cariche negativamente, vengono attirate nel capillare e migrano verso l’anodo. Le molecole fluorescenti, legate al DNA, appena eccitate dal laser emettono una radiazione ad una lunghezza d’onda specifica per ciascun fluorocromo. SEQUENZIATORE AUTOMATICO: o Produce il campione di frammenti, ognuno con una marcatura fluorescente che dipende dal nucleotide terminatore presente al 3’; o I frammenti sono separati con l’elettroforesi in singola corsia; o Migrando, i frammenti passano davanti ad un laser ed emettono fluorescenza; o Un rivelatore di fluorescenza registra in ordine i vari colori delle bande emesse e tale ordine è tradotto in dati in sequenza da un computer. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com CAPITOLO 2: EREDITÀ MENDELIANA Mendel era un monaco agostiniano austriaco, considerato il PADRE DELLA GENETICA. Il suo successo viene in parte attribuito alla sua formazione: La sua ESPERIENZA DI GIARDINIERE gli ha insegnato l’importanza della precisione e dell’attenzione per i dettagli; Conosceva bene le basi, i principi e le applicazioni dell’agricoltura; Conosceva i risultati degli esperimenti di incroci pubblicati sulle riviste scientifiche; La sua formazione presso l’Università di Vienna (in matematica, chimica, fisica, scienze naturali, zoologia e botanica) sotto la guida dei migliori scienziati dell’epoca: Gli ha insegnato a vedere il mondo come un posto governato dalle leggi naturali; Lo ha guidato a pensare che queste leggi possono essere formulate matematicamente. Il monaco ha condotto i suoi esperimenti principali attorno al 1860, in un piccolo campo di 35x7 metri nell’orto del suo monastero di Brno (nell’attuale Repubblica Ceca). Ha inoltre ottenuto numerosi riconoscimenti ufficiali per aver incrementato il numero di varietà di frutta e verdura. ESPERIMENTI DI MENDEL Per studiare le leggi naturali che governano l’ibridazione delle piante, Mendel sceglie come modello sperimentale la pianta di pisello (Pisum sativum). Dal 1856 al 1864 esegue centinaia di incroci, conservando un accurato registro con analisi quantitativa. Il suo lavoro, intitolato “Esperimenti sugli ibridi delle piante”, viene pubblicato nel 1866, venendo ignorato per 34 anni, probabilmente perché: Era stato pubblicato su una rivista sconosciuta; Non si conosceva la trasmissione dei cromosomi. Nel 1900, il suo lavoro viene riscoperto da tre botanici (che non lavoravano assieme): HUGO DE VRIES: in Olanda; KARL CORRENS: in Germania; ERICH VON TSCHERMAK: in Austria. Nelle sue ricerche Mendel studia un certo numero di caratteristiche ereditarie delle piante, definite in seguito come CARATTERI, quali colore del fiore, forma dei semi, altezza della pianta e simili. Le varianti di un carattere, come il colore del fiore rosso o bianco, vengono definite FENOTIPI. VANTAGGI DELLA PIANTA DEL PISELLO Poteva essere facilmente coltivata nel suo giardino; Erano disponibili diverse caratteristiche con varietà distinte: Fiori rossi e bianchi, semi lisci e rugosi, piante alte e basse, dette fattori ereditari discreti; Risultava facile effettuare incroci tra piante parentali presentanti caratteri con varietà che potevano essere controllate, in quanto ben definite. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com DUE TIPI DI FECONDAZIONE OSSERVATE DURANTE GLI ESPERIMENTI AUTOFECONDAZIONE: il polline e la cellula uovo derivano dalla stessa pianta; I nuclei spermatici presenti nel polline prodotto dalle antere di un fiore fecondano le cellule uovo contenute nel carpello dello stesso fiore. FECONDAZIONE INCROCIATA: il polline e la cellula uovo derivano da piante che, per lo stesso carattere (come il colore del Fiore), presentano varietà diverse (piante con fiore porpora x piante con fiore bianco). Con IBRIDAZIONE si intende l’INCROCIO o accoppiamento tra due individui di varietà diverse; Con IBRIDO si intende la progenie che deriva dall’ibridazione. CARATTERE VARIANTI Alto Altezza dello stelo STUDIO DI CARATTERI Nano Colore del fiore Porpora Mendel studia sette caratteri trasmessi da linee pure: Bianco Assiale Le caratteristiche morfologiche di un organismo vengono definite CARATTERI; Posizione del fiore Terminale Una varietà che produce, a seguito di successive autofecondazioni, la stessa Giallo Colore del seme caratteristica, (uguale alla pianta originale attraverso diverse generazioni), viene Verde definita LINEA PURA. Forma del seme Liscio Rugoso Colore del bacello Verde Giallo ESPERIMENTI Semplice Forma del bacello Nei primi esperimenti, Mendel ha studiato 7 caratteri discreti, per ciascuno dei Concamerato quali considera solo due varianti alla volta (INCROCIO MONOIBRIDO). Ad esempio: per il carattere colore del fiore, una variante della pianta pura era il fiore rosso mentre l’altra variante della pianta pura era il fiore bianco. GENERAZIONE PARENTALE (P): Mendel ha impedito l’autofecondazione delle piante parentali asportando dal fiore le ANTERE. Il polline necessario per la fecondazione dei fiori proveniva, in tal modo, da un’altra pianta. La tecnica sopracitata prende il nome di FECONDAZIONE o IMPOLLINAZIONE INCROCIATA o INCROCIO. Ha permesso la valutazione dei risultati ottenuti da incroci tra piante con caratteri diversi. GENERAZIONE F1: Mendel effettua l’INCROCIO RECIPROCO (polline del fiore rosso su fiore bianco); Tutte le piante derivate dai semi della F1 avevano i fiori rossi (fenotipo bianco scomparso); Nessun segno di mescolamento. GENERAZIONE F2: Mendel effettua l’AUTOFECONDAZIONE delle piante F1 (Fenotipo Piante Alte); Ottiene semi che sviluppandosi hanno formato la SECONDA GENERAZIONE FILIALE (F2); F2 presenta anche il fenotipo PIANTA BASSA; Totale: 787 piante alte e 227 piante basse. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com I RISULTATI DEGLI INCROCI MONOIBRIDI Incrocio P Generazione F1 Generazione F2 Rapporto Stelo alto x stelo nano Tutti steli alti 787 alti 2,84:1 227 nani Fiori porpora x fiori Tutti fiori porpora 705 porpora 3,15:1 bianchi 224 bianchi Fiori assiali x fiori Tutti fiori assiali 651 assiali 3,14:1 terminali 207 termiali Semi gialli x semi verdi Tutti semi gialli 6022 gialli 3,01:1 2001 verdi Semi lisci x semi rugosi Tutti semi lisci 5474 lisci 2,96:1 1850 rugosi Baccelli verdi x baccelli Tutti baccelli verdi 428 verdi 2,82:1 gialli 152 gialli Baccelli semplici x baccelli Tutti baccelli semplici 14949 dominanti 2,98:1 concamerati 5010 recessivi Mendel fece incroci seguendo lo stesso schema per tutti e 7 i caratteri scelti (ciascuno di essi presentava 2 varianti discrete). In tutti i casi osservò che la F1 aveva fenotipo uniforme e che solo uno dei due fenotipi era presente. Alla F2 ricompariva il fenotipo scomparso nella F1; Alla F2 entrambi i fenotipi erano presenti sempre in proporzioni ben definite, 3:1 o 75% e 25%. INTERPRETARE I DATI Per ciascuno dei sette caratteri studiati: La generazione F1 mostra uno solo dei caratteri parentali; La generazione F2 mostra un rapporto di circa 3:1 tra i due caratteri parentali. I risultati confutano il meccanismo di eredità per mescolamento (secondo cui i caratteri ereditari si mescolano in modo uguale nei figli). Infatti, non spiega perché, ad esempio, i genitori con occhi scuri possano avere figli con occhi chiari o perché i fenotipi estremi non diminuiscono progressivamente la frequenza nella popolazione fino a scomparire. TERMINI CARATTERI MENDELIANI: geni; ALLELI: versioni diverse dello stesso gene; OMOZIGOTE: individuo con due alleli identici; ETEROZIGOTE: individuo con due alleli diversi; GENOTIPO: composizione allelica di un individuo; FENOTIPO: si riferisce all’aspetto esteriore di un individuo. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com EREDITÀ PARTICOLATA I geni che determinano i caratteri ereditari sono presenti in coppie di alleli in ogni individuo; Se due alleli di un gene presenti in un individuo sono diversi, uno dei 2 è dominante sull’ altro; I 2 alleli di un gene si separano, quindi segregano al momento della formazione dei gameti ciascuno dei quali può contenerne solo una copia; In base alle suddette ipotesi, tutte le piante Tt della generazione F1 producono 2 tipi di gameti; Dal momento che i 2 alleli T e t degli individui eterozigoti si separano durante la formazione dei gameti, metà di questi conterrà l’allele T e l’altra metà conterrà l’allele t. QUADRATO DI PUNNETT Il quadrato di Punnett è una tabella, proposta dal genetista Reginald Punnet, che permette di prevedere il risultato di incroci genetici e mostra come i gameti si possono unire durante l’autofecondazione delle piante della Generazione F1. Si scrivono i genotipi dei due parentali: Parentale maschile: Tt; Parentale femminile: Tt. Si scrivono nel quadrato i possibili gameti che possono essere prodotti da ciascun parentale: Parentale maschile: T o t; Parentale femminile: T o t. Si riempiono i quadrati (sia righe che colonne) con i possibili genotipi della progenie: T: indica l’allele dominante; t: indica l’allele recessivo; TT: indica un genotipo omozigote; Tt: indica un genotipo eterozigote; tt: indica un genotipo omozigote. Si determinano le proporzioni relative dei genotipi e dei fenotipi della progenie: L’unione di 2 gameti parentali, entrambi con l’allele T, genera piante della F2 a genotipo TT; L’unione di 2 gameti parentali uno con l’allele T e l’altro con l’allele t genera piante della F2 a genotipo Tt; L’unione di 2 gameti parentali entrambi con l’allele t genera piante della F2 a genotipo tt. RAPPORTI GENOTIPICI: o TT: Tt: tt; o 1:2:1. RAPPORTI FENOTIPICI: o Alto: nano; o 3: 1. L’incrocio tra due individui, come quello sopracitato (eterozigoti per lo stesso gene), è detto INCROCIO TRA MONOIBRIDI. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com LEGGI DI MENDEL PRIMA LEGGE: PRINCIPIO DELLA SEGREGAZIONE La prima legge afferma che due membri di una coppia genica (alleli) segregano (si separano) l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti. RISULTATO: metà dei gameti porta un allele, l’altra metà porta l’altro allele. Quindi: Una pianta contiene due fattori ereditari discreti, uno per ciascun genitore (per ciascun carattere ogni individuo eredita un fattore da un genitore e uno dall’altro); I due fattori possono essere identici o meno; Se i fattori sono diversi: Uno è dominante e ha effetto visibile; Uno è recessivo e non è espresso (Tt). MASCHERAMENTO DA DOMINANZA: fenotipo che sembrava scomparso nella F1 (tt) è presente ma mascherato dall’azione dell’altra variante (Tt). Durante la formazione dei gameti, i fattori di una coppia che determina un carattere, segregano casualmente durante la loro trasmissione dall’individuo parentale alla sua progenie al momento della formazione dei gameti. Quindi metà dei gameti riceve un fattore, l’altra metà riceve l‘altro. Mendel esegue anche incroci diibridi, incrociando piante che differivano per due caratteri: Semi: o RR e Rr: lisci; o rr: rugosi. Colore: o YY, Yy: semi gialli; o yy: semi verdi. SECONDA LEGGE: ASSORTIMENTO INDIPENDENTE La seconda legge afferma che durante la formazione dei gameti, due geni distinti assortiscono in modo indipendente i loro alleli. Gli alleli che determinano 2 caratteri diversi segregano indipendentemente l’uno dall’ altro al momento della produzione dei gameti. La forma del seme R o r che un gamete riceve al momento della sua formazione, non ha alcuna influenza su quale tipo di allele per il colore del seme Y o y riceverà lo stesso gamete e viceversa. I 2 eventi sono completamente indipendenti. Per capire l’effetto dell’assortimento Indipendente in un Incrocio tra diibridi si deve considerare che il genitore a genotipo RRYY produce solo il tipo di gamete R Y ed il genitore a genotipo rryy produce solo il tipo di gamete r y. Alla F1 si ottengono pertanto tutti figli con lo stesso genotipo RrYy. Tutti gli individui della F1 hanno semi lisci e gialli. Se gli alleli che determinano 2 caratteri diversi segregano indipendentemente l’uno dall’altro al momento della produzione dei gameti, ogni pianta della F1 potrà produrre 4 tipi di gameti. Per il carattere “forma del seme” l’allele R o r potranno entrare in un gamete indifferentemente insieme all’ allele Y o y per il carattere “colore del seme”. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Il fenomeno dell’assortimento indipendente fa ipotizzare a Mendel che un individuo RrYy produca 4 tipi di gameti nelle stesse proporzioni. Questi tipi di gameti con i relativi rapporti vengono inseriti nelle righe e nelle colonne ai margini del Quadrato di Punnett. Riempiendo le caselle interne si ottengono 16 combinazioni di alleli o genotipi ciascuna con Probabilità = 1/16. RICAPITOLANDO: La generazione F2 contiene semi con nuove combinazioni (non presenti nei parentali) – rugosi e gialli – lisci e verdi; Queste sono combinazioni ricombinanti; Se i geni assortissero indipendentemente il rapporto fenotipico predetto nella generazione F2 sarebbe 9:3:3:1. Non a caso, i risultati ottenuti da Mendel dopo molti esperimenti di Incroci Diibridi erano molto vicini ai valori attesi. TEST CROSS Mendel utilizza il Test Cross (o REINCROCIO DIIBRIDO A DUE CARATTERI) per verificare la validità delle sue ipotesi sull’assortimento indipendente. Si considerano due caratteri: Altezza pianta (alleli: pianta alta T e nana t); Colore seme (alleli: giallo Y e verde y). Mendel incrocia una pianta della F1 con presunto genotipo eterozigote TtYy (pianta alta seme giallo) con una pianta a genotipo obbligato ttyy (pianta nana seme verde): TtYy x ttyy; Nell’incrocio, tutti i gameti della pianta ttyy contengono l’allele t e l’allele y. In altre parole, la probabilità che un gamete di questa pianta contenga gli alleli ty è uguale a 1. Il gamete e la sua probabilità vengono inseriti nella riga a sinistra del quadrato di Punnett. La pianta a genotipo TtYy produce 4 tipi di gameti che vengono riportati con le loro probabilità nelle colonne. Il test cross effettuato da Mendel conferma pienamente le sue ipotesi: 55 piante alte seme giallo; 51 alte seme verde; 49 nane seme giallo; 53 nane seme verde RAPPORTO 1:1:1:1. ESPERIENZE DI POLIBRIDISMO Incrociando varietà di piselli differenziate da 3 coppie di caratteri. P1: ABC x abc SEME GIALLO: A; SEME ROTONDO: B; BACCELLO ROTONDO: C; SEME VERDE: a; SEME GRINZOSO: b; LEGUME CON STROZZATURE: c. F1: A a B b C c. Gli ibridi F1 danno 8 categorie di gameti: ABC, Abc, aBC, AbC, abC, Abc, aBc, abc. Al momento della fecondazione si verificheranno 8x8 = 64 combinazioni genotipiche: 27 BC; 9 ABC; 9 aBC; 9 AbC; 3 Abc; 3 aBc ; 3 abC; 1 abc. 9 : 3 : 3 : 1 DIIBRIDISMO | 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1 TRIIBRIDISMO → (3+1)n, dove n = numero di coppie di caratteri mendeliani. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com TEORIA CROMOSOMICA DELL’EREDITÀ La teoria cromosomica dell’eredità descrive in quale modo la trasmissione dei cromosomi sia connessa al modello di ereditarietà descritto da Mendel. È stata proposta da due studiosi, indipendentemente, nel 1902/1903: Theodore Boveri, tedesco; e Walter Sutton, statunitense. Secondo la teoria: I cromosomi sono presenti in coppie negli organismi diploidi (assetto cromosomico 2n) che si riproducono sessualmente, al pari degli alleli di ciascun gene; I cromosomi di ogni coppia di omologhi si separano e provocando la segregazione degli alleli in gameti distinti; Gli alleli di uno stesso gene si distribuiscono in singola copia nei gameti; Alla meiosi, la separazione dei cromosomi appartenenti alla stessa coppia di omologhi (segregazione) nei gameti, è indipendente da quella dei cromosomi appartenenti ad altre coppie di omologhi, così come avviene nell’assortimento Indipendente per gli alleli di geni diversi negli incroci mendeliani tra diibridi; Le 2 divisioni meiotiche separano le coppie dei cromosomi omologhi e le distribuiscono ai singoli gameti; Alla fecondazione, il nuovo individuo (zigote) riceve un membro di ciascuna coppia di cromosomi dal padre ed uno dalla madre, in modo assolutamente identico a ciò che avviene per i 2 alleli di un gene. COMPORTAMENTO DEI CROMOSOMI ALLA MEIOSI Negli individui diploidi i cromosomi sono presenti in coppie di omologhi e durante la segregazione dei cromosomi appartenenti a coppie di omologhi diverse, segregano indipendentemente. COMPORTAMENTO DEI GENI E DEGLI ALLELI ALLA MEIOSI E CORRISPONDENZA CON I PRINCIPI DI MENDEL Negli individui diploidi gli alleli di 2 geni sono presenti in coppie (R/r o Y/y); PRINCIPIO DELLA SEGREGAZIONE: i due alleli di un gene segregano l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti. R e r entrano nei gameti singolarmente (anche Y e y). PRINCIPI DELLA TEORIA CROMOSOMICA DELL’EREDITÀ I cromosomi contengono il materiale genetico; I cromosomi si replicano e sono trasmessi da una generazione alla successiva; Nella gran parte delle cellule eucariotiche i nuclei contengono coppie di cromosomi omologhi; Durante la meiosi, ogni coppia segrega nelle due cellule figlie; Durante la formazione dei gameti i diversi cromosomi non omologhi segregano indipendentemente; Ogni parentale trasmette alla progenie un assetto completo di cromosomi; Ciascun assetto è funzionalmente equivalente; Ciascun assetto porta un corredo completo di geni. RELAZIONE CON LEGGI DI MENDEL PRIMA LEGGE: spiegata dall’appaiamento degli omologhi e dalla segregazione dei cromosomi alla meiosi; SECONDA LEGGE: spiegata dal comportamento diverso nei cromosomi non omologhi durante la meiosi. Il sito di un cromosoma nel quale è localizzato un gene, è detto Locus, che corrisponde ad una particolare sequenza di DNA che codifica per una proteina responsabile della realizzazione del fenotipo determinato da quel gene con 2 specifici alleli, ad esempio, su 2 cromosomi omologhi. A livello molecolare, ad alleli diversi dello stesso gene corrispondono piccole differenze nelle sequenze del DNA, che possono dar luogo a differenze funzionali della proteina codificata da quel gene; Tali differenze si possono riscontrare sotto forma di fenotipi diversi nella progenie di un incrocio. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com GENETICA MODERNA I genetisti di oggi si interessano spesso alla relazione tra manifestazione dei caratteri e l’espressione molecolare dei geni, che usano i seguenti approcci: Identificare un individuo con una copia difettosa di un gene; Osservare in che modo questa copia potrà influire sul fenotipo dell’organismo. Le copie difettose sono chiamate “alleli con perdita di funzione”: Senza saperlo Mendel aveva usato molti alleli di questo tipo nei suoi studi sulle piante di pisello; Gli alleli con perdita di funzione vengono ereditati comunemente con modalità recessiva. ANALISI DEL PEDIGREE Se si studiano caratteri umani non è possibile controllare gli incroci come aveva fatto Mendel con le piante di pisello. Invece ci si basa sull’informazione di alberi genealogici (o pedigree). L’analisi del pedigree serve a determinare la modalità di trasmissione di caratteri ereditari umani. I geni che hanno un ruolo patologico possono presentare: Alleli normali; Alleli mutanti che causano i sintomi patologici. Le malattie che seguono una modalità mendeliana semplice possono essere: Dominanti; In cui: o Un soggetto affetto avrà ereditato il gene da almeno un genitore affetto; o In alternativa, la malattia può rappresentare la conseguenza di una nuova mutazione avvenuta durante la formazione dei gameti. Recessive: Valide due predizioni: o Due individui normali eterozigoti generano in media 25% di individui affetti nella loro progenie; o Due individui affetti generano il 100% di progenie affetta. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com CAPITOLO 3: ESTENSIONI DELL’ANALISI MENDELIANA MODALTÀ EREDITARIE DI SINGOLI GENI Esistono molti modi con cui due alleli di un gene possono governare la manifestazione di un carattere: MENDELIANA SEMPLICE: EREDITARIETÀ: eredità di alleli che obbediscono alle leggi di Mendel e seguono una stretta relazione di dominanza/recessività; MOLECOLARE: il 50% della proteina codificata dalle 2 copie dominante (funzionale) è sufficiente per produrre il carattere dominante. DOMINANZA INCOMPLETA: EREDITARIETÀ: si verifica quando l’eterozigote presenta un fenotipo intermedio tra i due omozigoti; o Esempio: incrocio tra un parentale omozigote con fiori rossi e un parentale omozigote con i fiori bianchi produrrà una progenie eterozigote con i fiori rosa. MOLECOLARE: il 50% della proteina codificata dalle 2 copie di un allele funzionale non è sufficiente per produrre lo stesso fenotipo dell’omozigote. PENETRANZA INCOMPLETA: EREDITARIETÀ: si verifica quando il fenotipo dominante non viene espresso, anche se un individuo presenta l’allele dominante. o Esempio: individuo portatore dell’allele per la polidattilia ma ha un numero normale di dita nelle mani e nei piedi. MOLECOLARE: anche se il gene dominante è presente, la proteina codificata da quel gene può non esercitare i suoi effetti. Questo può dipendere da influenze ambientali o da altri geni che possono codificare proteine che controbilanciano gli effetti della proteina prodotta dall’allele dominante. SOVRADOMINANZA INCOMPLETA: EREDITARIETÀ: si verifica quando l’eterozigote presenta un genotipo più vantaggioso rispetto a ciascun omozigote; MOLECOLARE: l’eterozigote risulta vantaggioso in quanto: o Le sue cellule presentano maggiore resistenza alle infezioni dei microrganismi; o Può produrre più forme di dimeri proteici con funzione migliore; o Può produrre proteine che sono attive in un ambito più ampio di condizioni. CODOMINANZA: EREDITARIETÀ: si verifica quando il fenotipo eterozigote esprime entrambi gli alleli contemporaneamente. o Esempio: il gruppo sanguigno dell’individuo che porta gli alleli A e B sarà AB. MOLECOLARE: gli alleli codominanti esprimono proteine che funzionano in modo leggermente diverso l’una dall’altra e la funzione di ogni proteina nell’eterozigote influisce in modo univoco sul fenotipo. X-LINKED: EREDITARIETÀ: coinvolge l’eredità di geni localizzati sul cromosoma X. Nei mammiferi e nelle drosofile i maschi sono emizigoti (XY) per i geni legati al cromosoma X, mentre le femmine sono omozigoti per il cromosoma X (XX); MOLECOLARE: se una coppia di alleli sul cromosoma X mostra una relazione di dominanza/recessività semplice, il 50% delle proteine codificate dalle 2 copie dell’allele dominante è sufficiente per manifestare il carattere dominante nelle femmine. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com EREDITÀ INFLUENZATA DAL SESSO: EREDITARIETÀ: si riferisce all’ impatto del genere maschile o F-femminile sul fenotipo dell’individuo. Alcuni alleli sono recessivi in un genere e dominanti nel genere opposto. o Esempio: calvizie nel genere umano. MOLECOLARE: gli ormoni sessuali possono regolare l’espressione molecolare dei geni. Ciò può avere un ruolo sugli effetti fenotipici degli alleli. EREDITÀ LIMITATA DAL SESSO: EREDITARIETÀ: si riferisce ai caratteri che si manifestano in uno solo dei due sessi. o Esempio: deposizione delle uova per la gallina. MOLECOLARE: gli ormoni sessuali possono regolare l’espressione molecolare dei geni, e questo può avere un ruolo sugli effetti fenotipici degli alleli. In questo caso, gli ormoni sessuali che vengono primariamente prodotti in un solo sesso, sono fondamentali per la produzione di un particolare fenotipo. ALLELI LETALI: EREDITARIETÀ: allele in grado di causare la morte di un organismo; MOLECOLARE: alleli con perdita di funzione che codificano per proteine essenziali per la sopravvivenza. In rari casi tali alleli possono essere causati da una mutazione in un gene non essenziale che modifica la funzione della proteina, rendendola anormale e nociva. FUNZIONE DELLE PROTEINE (SPIEGA IL FENOMENO DELLA DOMINANZA) Per ogni dato carattere (gene), i genetisti si riferiscono ad un allele prevalente in una popolazione naturale di piante come allele selvatico o wildtype. I ricercatori, attraverso lo studio dei geni e dei loro prodotti genici a livello molecolare, hanno scoperto che un allele mutante è spesso difettivo nella sua capacità di esprimere una proteina funzionale. Per comprendere perché molti alleli difettivi sono recessivi bisogna considerare la funzione delle proteine dal punto di vista quantitativo. In una relazione semplice dominante/recessivo, l’allele recessivo non ha effetto sul fenotipo dell’eterozigote. In questo tipo di relazione una sola copia dell’allele dominante (selvatico o wildtype) è infatti sufficiente per mascherare gli effetti dell’allele recessivo. COSA AVVIENE A LIVELLO MOLECOLARE NELLA DETERMINAZIONE DEL COLORE ROSSO DEL FIORE DI UNA PIANTA DI PISELLO ANALIZZATO DA MENDEL ? PREMESSA: il gene codifica per un enzima necessario per la produzione di pigmento rosso. L’allele P è dominante perché una sola dose codifica per una quantità di proteina attiva sufficiente per produrre un fenotipo wildtype (= purple o rosso, ovvero il 50% della quantità di proteina che si trova in un omozigote selvatico). Quindi sia PP che Pp producono sufficiente pigmento rosso per generare fiori rossi. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com L’omozigote recessivo (pp) non può produrre l’enzima attivo per la sintesi del pigmento e quindi i suoi fiori sono bianchi. SPIEGAZIONE: "il 50% della proteina normale è sufficiente” risulta valida per molti alleli dominanti. In tali casi l’omozigote dominante produce molta più proteina selvatica di quanto non sia necessario, e quindi, se anche la quantità di proteina viene ridotta al 50%, come avviene negli eterozigoti, l’individuo ha ancora sufficiente proteina per compiere qualunque funzione cellulare essa svolga. In altri casi però, un allele può essere dominante perché nell’eterozigote produce effettivamente più del 50% della quantità normale di proteina attiva. Questo aumento di produzione è dovuto ad un fenomeno di regolazione genica. In breve: l’allele wildtype, presente nell’eterozigote, viene regolato positivamente e quindi stimolato, per compensare la mancanza della funzione nell’ allele difettivo. IN SINTESI ALLELI WILDTYPE O SELVATICI: alleli prevalenti in una popolazione. Tipicamente codificano proteine che: Funzionano normalmente; Sono prodotte nelle quantità regolari. ALLELI MUTANTI: alleli che hanno subito una modificazione (mutazione). Tendono a essere rari nelle popolazioni naturali; È probabile che causino una riduzione nella quantità o funzione della proteina codificata; Sono spesso trasmessi con modalità recessiva. L’idea che gli alleli recessivi normalmente causino la diminuzione sostanziale delle proteine funzionali è avvalorata dall’ analisi di molte malattie genetiche umane che presentano un corrispettivo negli animali da compagnia ed in produzione zootecnica. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com DOMINANZA INCOMPLETA Nel caso della dominanza incompleta, l’eterozigote mostra un fenotipo intermedio a quello dei due omozigoti. Ad esempio: ESEMPIO: colore del fiore nella bella di notte; Due alleli: o CR = allele per il colore rosso; o CW = allele per il colore bianco. F1: a fenotipo rosa, sottoposta ad autofecondazione; F2: o ¼ piante con fiori rossi; o ½ piante con fiori rosa; ▪ Eterozigoti con fenotipo intermedio. o ¼ da piante con fiori bianchi. Come evidenziato nel quadrato di Punnett, si osserva il rapporto fenotipico di 1:2:1 e non di 3:1 osservabile nel caso di eredità mendeliana semplice. La progenie dell’incrocio ha fiori rosa: in questo caso non basta il 50% della proteina CR per produrre il fenotipo rosso; A livello molecolare, a seconda degli effetti della regolazione dell’espressione genica, gli eterozigoti possono produrre solo il 50% della proteina funzionale per il colore rosso, ma tale quantità non basta a determinare il fenotipo rosso dell’omozigote, per il quale è necessario il doppio di questa proteina. Definire un carattere dominante o dominante incompleto può dipendere da quanto lo si esamina da vicino. Quanto più a fondo si va nella ricerca, tanto più si scopre che l’eterozigote è diverso dall’omozigote selvatico; ESEMPIO: forma del seme di pisello: Mendel aveva concluso dall’esame esteriore che: o I genotipi RR e Rr producono piselli lisci; o Il genotipo rr produce piselli rugosi; o L’esame microscopico, al contempo, dimostra che non tutti i piselli lisci sono uguali. La particolare forma dei semi rugosi è determinata da una forte diminuzione della quantità di riserva di amido a causa dell’allele difettivo r. I semi lisci dei soggetti eterozigoti, contengono un numero intermedio di granuli di amido rispetto ai semi dei soggetti omozigoti. All’interno del seme, una quantità intermedia di proteina funzionale non è sufficiente per produrre un numero di granuli d’amido paragonabile a quelli dell’omozigote che porta le 2 copie dell’allele R. Tuttavia, ad occhio nudo gli eterozigoti sembrano produrre semi lisci. Rispetto al fenotipo, l’allele R è dominante sull’ allele r a livello di un’ispezione visiva, ma nella realtà, gli alleli R e r presentano una relazione di dominanza incompleta a livello della biosintesi dell’amido. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com ESEMPIO: COLORE DEL PIUMAGGIO DEI POLLI. PIUME NERE: CBCB; PIUME BIANCHE: CWCW; PIUME BLU-GRIGIO (BLU ANDALUSI): CBCW. F1: CBCW x CBCW; ¼ CWCW: piume bianche; ½ CBCW: piume blu-grigio (F2); ¼ CBCB: piume nere. Rapporto fenotipico alla F2 di 1:2:1. ESEMPIO: CAVALLO PALOMINO Il cavallo palomino ha il mantello di color oro con criniera e coda bianche. Genotipo: CCcr con allele Ccr che diluisce il colore rossiccio dei sauri chiari fino al giallo oro o crema; Incrocio: palomino x palomino = CCcr x CCcr: ¼ CcrCcr cremello (chiaro); ½ CCcr oro o crema; ¼ CC castano chiaro. Rapporto fenotipico alla F2 di 1:2:1. ESEMPIO: POLLI FRIZZLE Genotipo: Ff eterozigote; L’allele F influisce soprattutto sulla struttura delle penne; Fenotipo: penne ritte, con rachidi piegate in fuori, penne della coda e delle ali meno ricurve ma le barbe spesso sono attorcigliate. Generazione F1: FF x ff Tutti Ff. Generazione F2: Ff x Ff; Rapporto fenotipico 1 FF: 2 Ff: 1 ff. Animali scartati (FF): Penne ritorte da sembrare lana: dopo la muta sono quasi nudi; Per mantenere la temperatura corporea devono produrre più calore, il cuore risulta ipertrofico e batte più rapidamente; Il consumo di cibo aumenta; Maschi omozigoti: raggiungono lentamente la maturità sessuale; Femmine omozigoti: ovulano più tardivamente. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com CODOMINANZA La codominanza si ha quando gli alleli di un gene hanno effetti approssimativamente uguali sull’organismo, il che li rende entrambi identificabili negli eterozigoti. È il fenomeno per cui un singolo individuo esprime ambedue gli alleli di cui è portatore; È una modificazione delle relazioni di dominanza che può essere messa in relazione con la DOMINANZA INCOMPLETA; Definizioni a confronto: CODOMINANZA: l’eterozigote manifesta entrambi i fenotipi dei 2 omozigoti; DOMINANZA INCOMPLETA: fenotipo intermedio. ESEMPIO: BOVINI SHORTHORN Rosso: omozigote dominante; Bianco: omozigote recessivo; Ubero: eterozigote. Il mantello di questi bovini è composto da un mix di peli bianchi e peli rossi presenti in egual misura. ROSSO x BIANCO = ubero; UBERO x UBERO = 1 rosso: 2 uberi: 1 bianco. ESEMPIO: GRUPPI SANGUIGNI DELL’UOM O ABO (ALLELI MULTIPLI, CODOMINANZA) Il gruppo di antigeni ABO che determina il gruppo sanguigno negli esseri umani rappresenta un esempio di allelia multipla, e illustra la relazione allelica di codominanza. I globuli rossi umani presentano sulla membrana delle strutture (antigeni di superficie) costituite da numerose molecole di zuccheri connesse a formare un albero di carboidrati. Gli antigeni (in questo caso carboidrati) sono sostanze che vengono riconosciute come estranee dagli anticorpi prodotti dal sistema immunitario. Sui globuli rossi si trovano 3 antigeni di superficie A, B e 0. La sintesi di questi antigeni è determinata da enzimi che vengono codificati da un gene che presenta 3 forme alleliche: IA; IB e i. L’allele i è recessivo sia rispetto a IA che a IB. Gli alleli IA e IB sono codominanti. Negli eterozigoti sono espressi entrambi. Omozigote ii: Antigene di superficie 0 (gruppo sanguigno 0); Omozigote IAIA o eterozigote IAi: Antigene di superficie A (gruppo sanguigno A). Omozigote IBIB o eterozigote IBi: Antigene di Superficie B (gruppo sanguigno B); Eterozigote IAIB: Antigeni di superficie A e B (gruppo sanguigno AB); Codominanza alleli multipli.  Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Nel gruppo 0 l’albero di carboidrati è più piccolo rispetto al gruppo A o al gruppo B perché uno zucchero non è stato attaccato ad un sito specifico dell’albero. Le persone con gruppo sanguigno 0 presentano una mutazione con perdita della funzione nel gene che codifica per l’enzima (glicosiltransferasi) che deve attaccare lo zucchero a questo sito. L’enzima è infatti inattivo in questi individui. Le persone con gruppo sanguigno A e quelle con gruppo sanguigno B, presentano, sì, un sito attivo di legame per uno zucchero, ma tale sito è diverso tra di loro. Ai rispettivi siti si lega uno zucchero di tipo diverso. L’enzima codificato dall’ allele IA lega all’albero lo zucchero N-Acetilgalattosammina, mentre l’enzima codificato dall’allele IB lega all’albero lo zucchero galattosio. La coniugazione con 2 zuccheri diversi conferisce agli antigeni di superficie A e B strutture molecolari diverse. Tali differenze fanno sì che gli anticorpi riconoscano e si leghino molto specificamente a certi antigeni. Il sangue delle persone con gruppo sanguigno A contiene anticorpi detti “anticorpi del siero” contro gli antigeni B. I loro anticorpi riconoscono e distruggono i globuli rossi di una persona di gruppo B. Analogamente quelle con gruppo sanguigno B, presentano anticorpi del siero contro gli antigeni A e distruggono i globuli rossi di una persona di gruppo A. Le persone con gruppo sanguigno 0 producono entrambi i tipi di anticorpi contro gli antigeni A e B. Quando una persona riceve una trasfusione, il sangue del donatore deve essere compatibile con quello del ricevente per evitare una pericolosa reazione antigene-anticorpo (gli anticorpi del ricevente reagiscono contro le cellule del sangue del donatore causandone l’agglutinazione, situazione che mette a rischio la vita del ricevente perché si ostruiscono i vasi sanguigni. Le persone con gruppo sanguigno AB, non producono nessun anticorpo, né contro A, né contro B, e possono ricevere sangue da tutte le tipologie di donatore. R (GS0) - D (GSA); (GSB) (GSAB) = agglutinazione; R (GSA) - D (GSB); (GSAB) = agglutinazione; R (GSB) - D (GSA); (GSAB) = agglutinazione. Contro l’antigene 0 non viene prodotto nessun tipo di anticorpo: le persone con gruppo sanguigno 0 sono infatti donatori universali, perché il loro sangue può essere donato a qualunque persona con quasiasi gruppo sanguigno, ma posso ricevere sangue esclusivamente da donatori di gruppo sanguigno 0. Specie Sistemi Numero minimo ← SISTEMI DI GRUPPO SANGUIGNO IN ALCUNI ANIMALI DOMESTICI (loci) di alleli al locus più complesso Locus Numero minimo di GRUPPI SANGUIGNI NEI BOVINI→ alleli Bovini 12 500 A 10 Ovini 8 60 B 500 Suini 15 13 C ? Cavalli 8 6 F 5 Polli 12 35 J 4 L 2 M 3 N 2 S 8 Z 3 R’ 3 T’ 2 Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com IRREGOLARITÀ NELLA TRASMISSIONE AUTOSOMICA DOMINANTE PENETRANZA La penetranza è la probabilità che un genotipo esprima il fenotipico clinico. Si esprime come una percentuale o una frazione di 1; Frazione di individui con un dato genotipo Aa che manifestano il carattere associato con quel genotipo; La penetranza incompleta di un carattere si manifesta in una proporzione di figli affetti minore di quella attesa dalle proporzioni mendeliane; Molte malattie autosomiche dominanti sono a penetranza incompleta: vengono all’osservazione come fenotipi che saltano una generazione. o Nell’uomo: ▪ Acondroplasia: penetranza del 100%; ▪ Sindrome dell’X fragile: penetranza dell’80%, con il genotipo della malattia esprimono il fenotipo. In alcuni casi, non tutti gli individui di cui è noto il genotipo relativo ad un gene manifestano il fenotipo controllato da quel gene. Il termine PENETRANZA indica che l’allele dominante non sempre penetra nel fenotipo dell’individuo. La sua misura è descritta a livello di popolazione. È la frequenza con cui un allele dominante o un omozigore recessivo si manifesta nel fenotipo di un individuo. PENETRANZA COMPLETA Tutti gli omozigoti recessivi manifestano un fenotipo; Tutti gli omozigoti dominanti mostrano un altro fenotipo; Tutti gli eterozigoti sono simili; 7 COPPIE ALLELOMORFE DI MENDEL, ALLELI DEL SISTEMA AB0. CALCOLO PERCENTUALE DI PENETRANZA: se il 60% degli eterozigoti che portano un allele dominante manifesta il carattere, allora si afferma che il carattere ha una penetranza del 60&. A livello individuale il carattere è presente o assente; Normalmente gli alleli dominanti influiscono sul fenotipo dei caratteri, se presenti in eterozigosi. In alcuni casi questo non si verifica; ESPRESSIVITÀ: grado con cui i caratteri vengono espressi. Definizione che descrive la manifestazione dei caratteri. PENETRANZA INCOMPLETA Si ha se meno del 100% degli individui con un particolare genotipo manifestano il fenotipo atteso; Alberi genealogici con segregazione per una malattia autosomica dominante: apparente salto di generazione per difetto di penetranza o penetranza incompleta; Diverso effetto di geni modificatori che variano con il variare del background genetico dei diversi individui; Tutti i cani con una copia dell’allele mutante possono manifestare la malattia; tuttavia, se l'allele mutante non è a penetranza completa il numero di figli colpiti scenderà al di sotto del 50% teorico; L’azione di geni modificatori può anche influenzare la penetranza dell’allele lavorando per attenuare o sopprimere la funzione dell’allele mutante; L’esposizione a particolari fattori ambientali può alterare le manifestazioni cliniche della malattia. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com ESEMPIO: tricuspid valve dysplasia (TVD). È una malformazione congenita considerata rara (2-7% di tutte le malattie cardiache congenite del cane); Il Labrador Retriever è particolarmente predisposto, ma è presente anche in: o Boxer, German Shepherd; o Old English sheepdog, Great Dane; o Weimaraner, Golden Retriever, English Bulldog; o Dogue de Bordeaux e Irish setter. Possono essere colpite anche razze di taglia più piccola, come: o Yorkshire Terrier, Beagle, English Cocker Spaniel; o French bulldog e Poodle. Non è stata evidenziata una predisposizione inerente al sesso, e la prevalenza elevata in alcune razze ne suggerisce una predisposizione genetica. Nel Labrador Retriever la base genetica e il modello ereditario della TVD sono descritti come un carattere monogenico autosomico dominante a penetranza Incompleta, e il gene responsabile è stato localizzato sul CFA9. ESEMPIO: brachidattilia e neurofiromatosi (50-80% di penetranza). BRACHIDATTILIA: un carattere dominante autosomico che comporta accorciamento dell’indice e delle dita dei piedi; NEUROFIBROMATOSI: gli individui affetti sviluppano sul corpo proliferazioni tumorali (neurofibromi); In alcune circostanze un allele dominante non viene espresso in un individuo eterozigote; ESEMPIO: polidattilia: Difetto autosomico dominante; I soggetti affetti possono presentare dita aggiuntiva di mani/piedi; Anche se una singola copia dell’allele è sufficiente a causare la condizione, alcuni individui portatori dell’allele dominante non mostrano il carattere. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com POLIDATTILIA NEI POLLI: o Un pollo polidattile ha un dito in più nel piede; o L’allele per la polidattilia si comporta in maniera dominante nei test di incrocio; o Un allele dominante dovrebbe mostrarsi nel fenotipo di tutti gli uccelli che lo possiedono; o Il gene per la polidattilia è dominante sul gene per il piede normale ma ha penetranza incompleta; o Il genotipo della polidattilia non è sempre espresso nel fenotipo: ▪ Sono stati trovati polli con piede normale che danno una progenie tutta polidattile quando sono accoppiati con femmine normali, indicando di essere omozigoti per questo allele (anche se il piede è normale). o La polidattilia tende ad avere espressività variabile; o L’espressività è il grado di espressione di un carattere; o Nel caso della polidattilia il numero di dita può variare: ▪ Un soggetto con molte dita in sovrannumero mostra un’elevata espressività del carattere; ▪ Un soggetto con un solo dito aggiuntivo mostra una ridotta espressività del carattere. ESPRESSIVITÀ VARIABILE L’espressività è un’indicazione della natura e della gravità del fenotipo a parità di genotipo. Esprime infatti la gravità fenotipica di un certo genotipo nell’ambito di una famiglia. Individui differenti, pur avendo lo stesso genotipo, possono essere affetti in misura più o meno grave. ESEMPIO: la sindrome di Marfan si manifesta con un ampio spettro di gravità clinica. ESEMPIO: Osteogenesi imperfetta: Circa 100% di penetranza ma espressività variabile; Comporta: o Sclere blu; o Ossa fragili; o Sordità. Una persona portatrice dell’allele mutato può manifestare una qualsiasi delle caratteristiche della malattia o avere qualsiasi combinazione delle tre. ESEMPIO: Neurofibromatosi. Forma più lieve: poche zone pigmentate sulla pelle (macchie cafè-au-lait); Casi più gravi: uno o più sintomi: o Neurofibromi di varie dimensioni; o Elevata pressione sanguigna; o Disturbi della parola; o Emicranie; o Testa larga; o Bassa statura; o Tumori dell’occhio, del midollo spinale o cerebrale; o Curvatura della colonna vertebrale. Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com Appuntibay.com ETEROGENEITÀ GENICA Riguarda lo stesso fenotipo causato da mutazioni in geni diversi (mutazioni in geni che codificano per diverse unità o subunità di una proteina, o per proteine che interagiscono con altre proteine, o che agiscono a stadi diversi di un processo metabolico). ESEMPIO: Osteogenesi imperfetta: La tripla elica del collagene I è formata da 2 catene a1 (codificate sul cromosoma 17) e una catena a2 (codificata sul cromosoma 7); Mutazioni nei geni che modificano la produzione o la struttura delle catene danno luogo a diversi tipi clinici dell’osteogenesi imperfetta. ETEROGENEITÀ ALLELICA Riguarda lo stesso fenotipo causato da mutazioni diverse nello stesso gene. È comune in quanto molte malattie sono causate da mutazioni che inducono una perdita di funzione (ogni mutazione che impedisce la produzione o la funzione del prodotto genico). ESEMPI: IPERCOLESEROLEMIA FAMIGLIARE: varie mutazioni a livello del gene del recettore LDL provocano la perdita di recettori