DALLE LEGGI DI MENDEL ALLA GENETICA MODERNA
Prof.ssa Sara Di Giulio
La genetica è la scienza che studia la trasmissione dei caratteri e le modalità con cui essi vengono ereditati
La trasmissione ereditaria dei caratteri è definita come il processo attraverso il quale si trasmettono i vari caratteri dai genitori ai figli
L’insieme dei caratteri ereditati per metà dal padre e per metà dalla madre, costituiscono il patrimonio ereditario tipico di ciascun individuo
Nell’uomo esso è costituito da 46 cromosomi: 23 materni e 23 paterni
La scoperta dei meccanismi di ereditarietà è da ricercare nel lungo lavoro del monaco naturalista austriaco, Gregor Mendel, che dopo 15 anni di osservazioni su circa 20000 piante, scoprì delle precise leggi che regolano questi meccanismi
GENETICA
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Gregor Joahnn Mendel (1822-1884) nacque in una famiglia umile e dopo aver frequentato l’istituto di Lipsia, studiò matematica e scienza all’Università di Vienna. Si specializzò in botanica per poi entrare nel convento di agostiniani di San Tommaso, insegnando scienze naturali in una scuola di Brno.
Convinto che i caratteri non si trasmettessero a caso dai genitori ai figli, Mendel compì i suoi esperimenti con preciso rigore scientifico, scegliendo in maniera opportuna il materiale da osservare: le piantine di pisello odoroso
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La scelta del pisello odoroso non fu casuale:
1. le piante sono facili da coltivare 2. crescono rapidamente
3. presentano varietà con caratteristiche nettamente diverse 4. il loro fiore ha una conformazione
particolare per cui i petali avvolgono e proteggono gli organi sessuali, impedendo il contatto con polline estraneo, facilitando l’autoimpollinazione
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PRIMA LEGGE O LEGGE DELLA DOMINANZA DEI CARATTERI
Dall’incrocio di due linee pure diverse (seme giallo GG, seme verde gg), dette omozigoti, si ottengono tutti semi gialli (eterozigoti Gg) definiti ibridi.
Il carattere recessivo (colore verde) scompare e nel fenotipo si manifesta soltanto quello dominante (colore giallo)
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PRIMA LEGGE O LEGGE DELLA DOMINANZA DEI CARATTERI
Quadrato di Punnett - monoibridi F1
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PRIMA LEGGE O LEGGE DELLA DOMINANZA DEI CARATTERI
Da incroci tra individui differenti per una singola coppia di caratteri antagonisti nascono individui in cui compare soltanto uno dei due caratteri (dominante) mentre l’altro rimane nascosto (recessivo)
Generazione parentale GG x gg
Gameti G,G,g,g
Prima generazione filiale F1 Gg,Gg,Gg,Gg
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SECONDA LEGGE O LEGGE DELLA SEGREGAZIONE DEI CARATTERI
Dall’incrocio di due ibridi di prima generazione (F1) ricompare il carattere recessivo in rapporto 1:3 rispetto al carattere dominante
Tre piante hanno seme giallo e una verde
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SECONDA LEGGE O LEGGE DELLA SEGREGAZIONE DEI CARATTERI
Quadrato di Punnett - IBRIDI F2
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SECONDA LEGGE O LEGGE DELLA SEGREGAZIONE DEI CARATTERI
Nella discendenza degli ibridi (F2) ricompare il carattere recessivo e i due caratteri si presentano separati nel rapporto costante 3:1
Ogni individuo possiede due fattori per ogni carattere e i componenti di ciascuna coppia si separano (segregano) durante la formazione dei gameti.
I caratteri recessivi si manifestano soltanto in presenza di entrambi i componenti
Generazione filiale F1 Gg x Gg
Gameti F1 G,G,g,g
Seconda generazione filiale F2 GG,Gg,Gg,gg
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TERZA LEGGE O LEGGE DELL’ASSORTIMENTO INDIPENDENTE
Dall’incrocio tra piselli a seme giallo liscio (ibridi per entrambi i caratteri GgLl), ogni individuo origina 4 tipi di gameti (GL, Gl, gL, gl) che possono combinarsi in 16 modi diversi (Genotipi) dando 4 forme diverse (Fenotipi):
gialli lisci (GL), gialli rugosi (Gl), verdi lisci (gL), verdi rugosi (gl)
Dalla genetica moderna sappiamo che questa legge non è universalmente valida come la legge della segregazione. Essa si applica infatti solo ai geni posizionati su cromosomi distinti, ma non su quelli collocati sullo stesso cromosoma.
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TERZA LEGGE O LEGGE DELL’ASSORTIMENTO INDIPENDENTE
9 gialli lisci 3 gialli rugosi 3 verdi lisci 1 verde rugoso
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TERZA LEGGE O LEGGE DELL’ASSORTIMENTO INDIPENDENTE
Generazione ibrida per due caratteri GgLl x GgLl
Gameti F1 GL,GL,Gl,Gl,gL,gL,gl,gl
Seconda generazione filiale F2 GGLL, GGLl, GGLl, GgLL, GgLL. GgLl, GgLl, GgLl, GgLl, GGll, Ggll, Ggll,
ggLL, ggLl, ggLl, ggll
Dall’incrocio di due individui che differiscono per due o più
caratteri (bi-ibridi, tri-ibridi), ogni coppia di alleli (bi-allelia)
per ciascun carattere viene ereditata in maniera del tutto
indipendente dall’altra
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Le leggi di Mendel furono riprese e maggiormente comprese soltanto molti anni dopo e soltanto a seguito di altre scoperte scientifiche.
Nel ‘900, grazie ai progressi nella microscopia, il genetista americano, Thomas Hunt Morgan, studiando il moscerino della frutta (Drosophila melanogaster) riuscì ad osservare i cromosomi, e a spiegarne il comportamento durante la divisione meiotica. Morgan definì questa:
TEORIA CROMOSOMICA DELL’EREDITARIETA
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Nel 1953 il fisico francese Francis Crick e lo scienziato americano James Watson riunirono i dati fino a quel momento disponibili sul DNA e proposero il seguente modello di struttura:
• La molecola di DNA è un’elica a doppio filamento a forma di spirale
• Le unità di base del DNA sono i
NUCLEOTIDI formati da:
1. Uno zucchero (il desossiribosio) 2. Acido fosforico
3. Una base azotata (ADENINA,
CITOSINA, GUANINA e TIMINA)
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Le basi azotate sono complementari e possono appaiarsi solo in due modi:
• adenina – timina TA
• citosina – guanina CG
Esistono dunque solo quattro nucleotidi diversi ma il loro diverso alternarsi lungo la catena del DNA determina l’incredibile varietà delle specie viventi
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• Il DNA contiene tutti i CARATTERI EREDITARI e le informazioni, cioè le caratteristiche di un individuo
• Nel DNA le informazioni sono scritte sotto forma di molecole (sequenze di basi azotate) e il linguaggio viene chiamato CODICEGENETICO
• Gli organismi viventi differiscono sia per il numero che per la sequenza delle basi azotate
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I CROMOSOMI sono strutture microscopiche, osservabili esclusivamente durante la meiosi, che si trovano nel nucleo di ogni cellula degli organismi viventi
Sono formati da due filamenti paralleli avvolti a spirale, i cromatidi, che contengono DNA, formato a sua volta dai GENI
Un GENE è una sequenza di DNA che si trova in un punto preciso del cromosoma, detto locus, e che codifica un preciso carattere
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Nel 1903 il medico statunitense Walter Sutton arrivò alla conclusione che i geni si trovano nei cromosomi
Sutton aveva osservato che geni e cromosomi avevano molte cose in comune:
1. entrambi sono trasmessi dai genitori ai figli;
2. ogni individuo ha due alleli per ogni gene e ha due versioni di ciascun cromosoma;
3. ogni gamete porta un solo allele per ciascun gene e un solo cromosoma di ciascun tipo
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Le cellule somatiche degli organismi viventi sono dette DIPLOIDI in quanto presentano due coppie di cromosomi omologhi (uno paterno e uno materno)
Le cellule sessuali (gameti) sono APLOIDI, in quanto a seguito del processo meiotico, i cromosomi omologhi si separano in ciascuna delle cellule figlie
A seguito della fecondazione la cellula (zigote) torna ad essere diploide
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Cellule somatiche Cellule sessuali (gameti)
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Il corredo cromosomico umano è formato da 46 cromosomi omologhi (23 coppie):
1. 22 coppie di autosomi (cromosomi non sessuali
2. 1 coppia (l’ultima) di cromosomi sessuali (XX per la femmina e XY per il maschio)
i gameti (ovociti e spermatozoi) contengono invece solo 23 cromosomi:
• ovociti: 22 autosomi e 1 cromosoma sessuale (sempre X)
• spermatozoi: 22 autosomi e 1 cromosoma sessuale (X oppure Y)
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GENOTIPO: è l’insieme dei geni che un individuo presenta
FENOTIPO: l’insieme delle caratteristiche osservabili in un individuo. È il risulto dei geni e delle influenze che l’ambiente ha sull’individuo sin dalla nascita
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OMOZIGOSI: condizione in cui un individuo presenta due alleli uguali su ciascun cromosoma omologo (AA oppure aa)
ETEROZIGOSI: condizione in cui un individuo presenta due alleli diversi su ciascun cromosoma omologo (Aa)
Si parla di DOMINANZA di un allele su l’altro quando, in un individuo eterozigote si manifesta soltanto uno dei due alleli. L’allele che non si manifesta nel fenotipo si chiama RECESSIVO.
In alcuni casi si verificano casi di CODOMINANZA o dominanza incompleta, in cui nessuno dei due alleli è dominante sull’atro e fenotipicamente si manifesta un carattere intermedio tra i due alleli (esempio fiore rosa della bella di notte, derivante da fiori bianchi e rossi)
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Alla luce delle moderne scoperte le leggi di Mendel possono essere così interpretate:
• 1 legge: dall’incrocio di due omozigoti, uno dominante e uno recessivo, si originano tutti individui eterozigoti
• 2 legge: dall’incrocio fra due individui eterozigoti si avranno:
1. genotipicamente: 1/4omozigoti recessivi (gg), ¼ omozigoti dominanti (GG), 2/4 eterozigoti (Gg)
2. fenotipicamente: 3 con il carattere dominante (1 GG, 2 Gg) e 1 recessivo (gg)
• 3 legge: dall’incrocio fra individui diversi per più coppie di caratteri si osserva che i caratteri vengono ereditati indipendentemente nei modi e nelle proporzioni previste dal calcolo delle probabilità. Cioè ogni cromosoma si comporta indipendentemente dagli altri.
In realtà oggi sappiamo che i geni posti molto vicini sullo stesso cromosoma tendono a restare insieme, mentre si separano se sono posti molto distanti l’uno dall’altro.
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DUPLICAZIONE DEL
DNA
E SINTESI PROTEICAUna sequenza più o meno lunga di nucleotidi forma un gene, che rappresenta il messaggio in codice di una proteina, ovvero di un carattere dell’individuo.
La cellula produce le specifiche proteine che determinano i caratteri (colore degli occhi, colore dei capelli, forma del naso…) leggendo le informazioni critte in codice nei vari geni
L’ereditarietà dei caratteri è resa possibile grazie a due importantissime funzioni del DNA:
1. La sua DUPLICAZIONE attraverso la quale i cromosomi dei figli sono copie di quelli dei genitori
2. La SINTESI PROTEICA: attraverso la quale vengono costruite le varie proteine che danno origine ai caratteri codificati dai geni
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La capacità di un essere vivente di riprodursi è strettamente legata alla capacità del DNA di permettere che ad ogni divisione mitotica i cromosomi si duplichino.
• Nella prima fase della mitosi il DNA si apre come una cerniera lampo: i legami tra le basi azotate si rompono e i due filamenti si separano.
• Ciascun filamento funge da stampo per la formazione di un nuovo filamento, legandosi con i nucleotidi presenti nella cellula e rispettando i legami delle basi.
• I due nuovi filamenti si avvolgono attorno al proprio stampo formando due doppie eliche, ciascuna con un filamento vecchio e uno nuovo.
• Si formano quindi due molecole di DNA perfettamente identiche
DUPLICAZIONE DEL
DNA
E SINTESI PROTEICAGENETICA
Le proteine sono formate da lunghe catene di amminoacidi e si differenziano tra loro per il numero e la disposizione degli amminoacidi.
Per sintetizzare una particolare proteina, il DNA si apre in corrispondenza i un particolare gene che codifica per quella proteina, e con un meccanismo simile alla duplicazione, forma una copia di se su una molecola di RNA messaggero
L’RNAm esce dal nucleo, raggiunge il citoplasma e si fissa sui ribosomi che, leggendo l’ordine delle basi azotate trascritte sull’RNAm, richiamano gli amminoacidi corrispondenti. Quando tutto l’RNm è stato letto, gli amminoacidi richiamati si legano tra loro a formare proprio la proteina voluta dal DNA
DUPLICAZIONE DEL
DNA
E SINTESI PROTEICAGENETICA
Tre nucleotidi formano una
TRIPLETTA
Ogni tripletta codifica per un amminoacido
Una stessa tripletta individua lo stesso amminoacido in qualunque essere vivente
Combinando a 3 a 3 le quattro basi azotate sono possibili 43 = 64 COMBINAZIONI
In natura esistono solamente 20 amminoacidi
DUPLICAZIONE DEL
DNA
E SINTESI PROTEICAGENETICA
Perché 64 combinazioni per soli 20 amminoacidi?
1) Perché più triplette possono codificare per lo stesso amminoacido 2) Perché alcune triplette indicano solo l’inizio o la fine di una proteina
3) Perché molte triplette (forse il 90%) sono tratti di DNA non codificante, di cui non si conosce ancora la funzione
Questo fenomeno è noto con il nome di RIDONDANZA DEL DNA e permette che i danni provocati da mutazioni durante la duplicazione e codifica del DNA, vengano limitati al minimo. Anche un piccolo errore all’interno della tripletta infatti, può portare alla sintesi dello stesso amminoacido.
A esempio entrambe le triplette UUU e UUC codificano per la fenilalanina DUPLICAZIONE DEL
DNA
E SINTESI PROTEICAGENETICA
DUPLICAZIONE DEL
DNA
E SINTESI PROTEICAGENETICA
La grande variabilità negli individui di una specie è solo in parte dovuta al rimescolamento ei caratteri come spiegato dalle leggi di Mendel. Più spesso la comparsa di un nuovo carattere è dovuta ad una MUTAZIONE, cioè un errore nella replicazione del DNA o ad una variazione casuale della sequenza o del numero di nucleotidi dell’acido nucleico di una cellula, causata da agenti esterni.
A volte le mutazioni producono dei cambiamenti dei quali non ci si accorge neanche.
Altre volte la mutazione porta ad anomalie o malattie anche gravi
In alcuni casi la mutazione è vantaggiosa per l’individuo
Se la mutazione si verifica nelle cellule sessuali, essa potrebbe essere tramandata alle generazioni future
Secondo la teoria evolutiva di Darwin le mutazioni sono alla base dell’evoluzione della specie
MUTAZIONI
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Le cause che possono provocare una mutazione sono moltepli:
• Raggi X
• Raggi ultravioletti
• Materiali radioattivi (bomba atomica e centrali nucleari)
• Sostanze chimiche: agiscono direttamente sui geni alterandone il DNA con meccanismi diversi (modificando, sostituendo o eliminando nucleotidi). Tra i principali mutageni chimici ci sono i coloranti, il mercurio e il cloruro di vinile (usato per la produzione di PVC)
MUTAZIONI
GENETICA
Esistono tre tipi di mutazioni:
1. GENICHE: delezioni parziali o totali di un gene o che coinvolgono una singola base azotata. Possono riguardare gli autosomi (malattie non legate al sesso) o i cromosomi sessuali (malattie legate al sesso
2. CROMOSOMICHE: modificazioni che interessano frammenti relativamente lunghi di cromosomi
3. GENOMICHE: perdita o acquisizione di interi cromosomi; si verificano principalmente nei vegetali dove, anzi, vengono utilizzate per aumentare la produzione
MUTAZIONI
GENETICA
MUTAZIONIGENICHE
Talassemia o anemia mediterranea È dovuta ad anomalie dei globuli rossi, cellule deputate al trasporto di ossigeno nel sangue. È una malattia recessiva e pertanto può essere trasmessa soltanto da genitori entrambi eterozigoti, ovvero portatori del gene anomalo. Questi hanno il 25%
di probabilità di concepire un figlio malato
MUTAZIONI
GENETICA
È una grave malattia provocata dalla mancanza di un fattore importante per la coagulazione del sangue (fattore VIII). Il gene responsabile della produzione del fattore VIII è localizzato sul cromosoma X. Una femmina che abbia il gene anomalo solo su uno dei due cromosomi X è una portatrice sana. Se invece il maschio porta il gene anomalo sul cromosoma X sarà completamente privo del gene che codifica per il fattore VIII e sarà dunque malato
MUTAZIONI
MUTAZIONIGENICHE
Emofilia
GENETICA
È chiamata anche trisomia 21 perché le persone che ne sono affette hanno tre copie del cromosoma 21 anziché due.
L’anomalia si origina alla meiosi: i cromosomi di una coppia possono non separarsi e un gamete riceve dunque due copie di quel cromosoma.
MUTAZIONI
MUTAZIONICROMOSOMICHE
Sindrome di Down
Attraverso l’amniocentesi è possibile diagnosticare questa ed altre anomalie cromosomiche già in età fetale
Non è una malattia ereditaria in quanto non viene trasmessa i figli.
GENETICA
Spunti di riflessione ed approfondimento:
1. Ingegneria genetica 2. Clonazione riproduttiva 3. Clonazione terapeutica 4. Eugenetica
5. Malattie genetiche
6. progetto «genoma umano»
7. Terapia genica
8. OGM – organismi geneticamente modificati 9. ….
