Cromosomi, Geni e Mutazioni

Sutton e Boveri: 1902

Furono i genetisti che proposero la Furono i genetisti che proposero la Teoria CromosomicaTeoria Cromosomica

In precedenza va assolutamente In precedenza va assolutamente ricordata la figura di Mendel che fu il ricordata la figura di Mendel che fu il primo in grado di dimostrare i principi primo in grado di dimostrare i principi dell’eredità tramite incroci di piante di dell’eredità tramite incroci di piante di pisellopisello

Drosophila melanogaster È i moscerino della frutta È stato l’organismo da

più usato dai genetisti moderni per i loro studi

La sua versatilità deriva dal fatto di essere rapidamente prolifico e dall’avere 4 cromosomi giganti

Nei maschi uno dei due cromosomi sessuali è ricurvo ed è detto Cromosoma Y

Determinazione cromosomica del sesso La differenza tra moscerini maschi e femmine, La differenza tra moscerini maschi e femmine,

così come nella razza umana, viene spiegata così come nella razza umana, viene spiegata tramite differenze nell’ultima coppia tramite differenze nell’ultima coppia cromosomicacromosomica

Le femmine sono Le femmine sono omozigotiomozigoti nell’ultima coppia nell’ultima coppia (XX)(XX)

I maschi sono I maschi sono eterozigotieterozigoti nell’ultima copia nell’ultima copia (XY)(XY)

I cromosomi X e Y sono detti I cromosomi X e Y sono detti cromosomi cromosomi sessualisessuali

Gli altri cromosomi sono dettiGli altri cromosomi sono detti autosomi autosomi

Quadrato di Punnett per la determinazione del sesso

In accordo con le leggi In accordo con le leggi di M. da un genitore di M. da un genitore omoz ed uno eteroz omoz ed uno eteroz per un carattere per un carattere (sesso) il 50% delle F1 (sesso) il 50% delle F1 sarà sarà ♂ e il 50% ♀♂ e il 50% ♀

Durante la meiosi i Durante la meiosi i gameti femminili gameti femminili saranno sempre X saranno sempre X mentre ½ di quelli mentre ½ di quelli maschili sarà X e ½ Ymaschili sarà X e ½ Y

Sono quindi i gameti Sono quindi i gameti ♂ che a caso ♂ che a caso determinano il sesso determinano il sesso del nasciturodel nascituro

In molti animali la determinazione del sesso è come nella drosofila mentre in altri come per es. le farfalle avviene il contrario e cioè il ♂ è XX e la ♀ ♂ è XX e la ♀ XYXY

Determinazione del sesso e teoria cromosomica

La scoperta del meccanismo di determinazione La scoperta del meccanismo di determinazione del sesso in drosofila ha confermato la teoria del sesso in drosofila ha confermato la teoria cromosomica:cromosomica: Il fenotipo di un organismo (in questo caso il Il fenotipo di un organismo (in questo caso il

sesso) può essere determinato dall’aver sesso) può essere determinato dall’aver ereditato un cromosoma piuttosto che un altroereditato un cromosoma piuttosto che un altro

Nell’uomo la determinazione del sesso avviene Nell’uomo la determinazione del sesso avviene come in Drosophilacome in Drosophila 23 paia di cromosomi: 22 paia di autosomi e 1 23 paia di cromosomi: 22 paia di autosomi e 1

paio di cromosomi sessualipaio di cromosomi sessuali

I geni L’identificazione dei cromosomi sessuali è stata

quindi la conferma della teoria cromosomica Ciò aprì però un altro problema:

Ogni cromosoma contiene un carattere?Certamente no! La drosofila ha solo 4

cromosomi ma molti più caratteri Sutton propose quindi che in ogni cromosoma ci

fossero molti geni regolanti più caratteri Sutton suggerì anche che i geni avessero loro loci

specifici su ogni cromosoma

Per i caratteri legati al sesso è abbastanza facile.

Ora ti spiego come ho fatto

Come si fa a sapere in quale cromosoma mappa

un certo gene

Dott. T.H. Morgan (1866-1945)

Il lavoro di Morgan Morgan si dedicò allo studio genetico della Morgan si dedicò allo studio genetico della Drosophila.Drosophila.

Nel 1909 si accorse che in una popolazione di D. Nel 1909 si accorse che in una popolazione di D. tutti gli individui erano normalmente ad occhi tutti gli individui erano normalmente ad occhi rossi tranne uno, un rossi tranne uno, un maschiomaschio, con occhi bianchi, con occhi bianchi

Tutta la F1 era ad occhi rossi quindi l’Tutta la F1 era ad occhi rossi quindi l’alleleallele per il per il colore degli occhi doveva essere colore degli occhi doveva essere recessivorecessivo

L’incrocio della F1 dava una F2 con le attese L’incrocio della F1 dava una F2 con le attese proporzioni…3/4 rossi e ¼ bianchiproporzioni…3/4 rossi e ¼ bianchi

Qualche cosa in più… Gli individui ad occhi bianchi (1/4) erano solo Gli individui ad occhi bianchi (1/4) erano solo maschimaschi Morgan ritenne quindi che il gene per il colore degli Morgan ritenne quindi che il gene per il colore degli

occhi si trovasse sullo stesso cromosoma che occhi si trovasse sullo stesso cromosoma che determinava il sessodeterminava il sesso

Questo gene è infatti nel cromosoma Questo gene è infatti nel cromosoma XX mentre il mentre il cromosoma cromosoma YY non lo ha non lo ha

Il maschio ha un solo cr X e se questo porta l’allele Il maschio ha un solo cr X e se questo porta l’allele recessivo, il fenotipo sarà comunque recessivo perché recessivo, il fenotipo sarà comunque recessivo perché non c’è nessun allele dominante a mascherarlonon c’è nessun allele dominante a mascherarlo

La femmina ha 2 cr X e per avere gli occhi bianchi La femmina ha 2 cr X e per avere gli occhi bianchi entrambi i cr devono essere recessivientrambi i cr devono essere recessivi

I quadrati di Punnett

Caratteri legati al sesso

I I genigeni i cui loci mappano sul cr i cui loci mappano sul cr XX sono detti sono detti legati al sessolegati al sesso

I I caratteri che ne deriva no sono detti che ne deriva no sono detti legati al sesso

Morgan identificò un’altra ventina di caratteri Morgan identificò un’altra ventina di caratteri legati al sesso (forma delle ali, colore del corpo, legati al sesso (forma delle ali, colore del corpo, forma delle setole) forma delle setole)

Gruppi di associazione

Quando geni diversi risiedono sullo stesso Quando geni diversi risiedono sullo stesso cromosoma si parla di cromosoma si parla di gruppi di associazionegruppi di associazione

I gruppi di associazione rappresentano spesso I gruppi di associazione rappresentano spesso un’importante eccezione alla III legge di Mendel un’importante eccezione alla III legge di Mendel poiché non riescono a segregare in maniera poiché non riescono a segregare in maniera indipendenteindipendente

Ma non è sempre così…Ma non è sempre così…

…ancora Morgan… Se un maschio di Se un maschio di DrosophilaDrosophila con tre alleli recessivi con tre alleli recessivi

che mappano sul cr X vengono incrociati con che mappano sul cr X vengono incrociati con femmine omozigoti dominanti, la F1 dovrebbe femmine omozigoti dominanti, la F1 dovrebbe essere tutta con fenotipo dominante mentre nella F2 essere tutta con fenotipo dominante mentre nella F2 ½ maschi dovrebbero essere dominanti e ½ recessivi½ maschi dovrebbero essere dominanti e ½ recessivi

Morgan condusse moltissimi esperimenti di tal tipoMorgan condusse moltissimi esperimenti di tal tipo Occasionalmente trovò però delle eccezioni perché Occasionalmente trovò però delle eccezioni perché

alcuni maschi avevano mescolato i caratteri alcuni maschi avevano mescolato i caratteri dominanti e recessivi che mappavano sullo stesso dominanti e recessivi che mappavano sullo stesso cromosoma Xcromosoma X

Il ruolo del Crossing-over Tale fenomeno è dovuto al fatto che Tale fenomeno è dovuto al fatto che

a volte i gruppi di associazione a volte i gruppi di associazione possono separarsipossono separarsi

Si parla di associazione incompletaSi parla di associazione incompleta Il fenomeno è dovuto al crossing-Il fenomeno è dovuto al crossing-

overover Chiaramente la divisione dei gruppi Chiaramente la divisione dei gruppi

di associazione è di associazione è tanto più tanto più frequente quanto più lontani sono i frequente quanto più lontani sono i loci sul cromosomaloci sul cromosoma

Geni che mappano su loci vicini Geni che mappano su loci vicini difficilmente potranno dissociarsidifficilmente potranno dissociarsi

Bandeggio dei cromosomi Studiando le frequenze con cui

avvengono i Crossing-over ed ora, soprattutto, grazie a più precisi studi di biologia molecolare, si possono mappare i cromosomi

È possibile quindi stabilirle dove si trova il locus di uno specifico gene

Tramite coloranti è poi possibile ottenere delle bande chiare e scure che identificano il gene sul cromosoma

Le mutazioni

L’eredità dell’informazione genica Generalmente i geni passano da generazione in Generalmente i geni passano da generazione in

generazione immutatigenerazione immutati La prole è geneticamente diversa dai genitori La prole è geneticamente diversa dai genitori

perché gli alleli vengono mescolati tramite la perché gli alleli vengono mescolati tramite la riproduzione sessuata non perché i geni riproduzione sessuata non perché i geni cambiano nella loro sequenza nucleotidica cambiano nella loro sequenza nucleotidica

Il crossing-over concorre ad aumentare la Il crossing-over concorre ad aumentare la mescolanza dei geni all’interno dei cromosomi mescolanza dei geni all’interno dei cromosomi ma non ne altera la sequenza nucleotidica e ma non ne altera la sequenza nucleotidica e quindi il prodotto proteicoquindi il prodotto proteico

Variazioni dell’informazione genetica

Raramente si hanno però delle Raramente si hanno però delle variazioni nell’informazione geneticavariazioni nell’informazione genetica

Si parla di mutazioni che dipendono da Si parla di mutazioni che dipendono da errori nella replicazione del materiale errori nella replicazione del materiale genetico o da errori nella distribuzione genetico o da errori nella distribuzione dei cromosomi in meiosi od in mitosidei cromosomi in meiosi od in mitosi

Tipologie di mutazioni

Possono essere distinti 3 diversi tipi di Possono essere distinti 3 diversi tipi di mutazioni:mutazioni: GenicheGeniche: riguardano la : riguardano la sequenza sequenza

nucleotidicanucleotidica dei geni interessati dei geni interessati CromosomicheCromosomiche: riguardano il : riguardano il numero di numero di

cromosomicromosomi GenomicheGenomiche: riguardano : riguardano l’intero patrimonio l’intero patrimonio

cromosomicocromosomico

Mutageni In natura le mutazioni sono estremamente rareIn natura le mutazioni sono estremamente rare Esistono però agenti di varia natura che possono Esistono però agenti di varia natura che possono

aumentarne la frequenzaaumentarne la frequenza Questi agenti sono detti mutageni e sono di più Questi agenti sono detti mutageni e sono di più

tipi:tipi: Agenti fisici: alte temperature, radiazioni ionizzantiAgenti fisici: alte temperature, radiazioni ionizzanti Agenti chimici: sostanze varieAgenti chimici: sostanze varie Agenti biologici: alcuni virus (modalità complesse, Agenti biologici: alcuni virus (modalità complesse,

non sempre certe e non sempre chiare)non sempre certe e non sempre chiare)

Mutazioni Cromosomiche

Dipendono da un’errata migrazione dei cromosomi Dipendono da un’errata migrazione dei cromosomi durante la meiosidurante la meiosi

Lo zigote che si formerà avrà un numero di cromosomi Lo zigote che si formerà avrà un numero di cromosomi totale alteratototale alterato

Uno dei motivi è la Uno dei motivi è la non disgiunzione dei cromosomi non disgiunzione dei cromosomi omologhiomologhi nella I divisione meiotica: 2 gameti avranno nella I divisione meiotica: 2 gameti avranno 1 cromosoma in più e 2 gameti 1 cromosoma in meno1 cromosoma in più e 2 gameti 1 cromosoma in meno

Oppure dalla Oppure dalla non disgiunzione dei cromatidi fratellinon disgiunzione dei cromatidi fratelli nella II divisione meiotica: 1 gameti avrà 1 cromosoma nella II divisione meiotica: 1 gameti avrà 1 cromosoma in più e 1 gameti 1 cromosoma in menoin più e 1 gameti 1 cromosoma in meno

Non disgiunzione degli omologhi

Non disgiunzione dei cromatidi fratelli

Monosomia e Trisomia

Solitamente le monosomie non sono compatibili con la vita perché il nuovo organismo sarà completamente privo dell’informazione contenuta in un intero cromosoma e potrà manifestare geni recessivi nell’unico cromosoma rimasto. Tra le trisomie la 21 è quella che dà il mongolismo

…altre mutazioni cromosomiche Un’altra tipologia di mutazioni cromosomiche è data Un’altra tipologia di mutazioni cromosomiche è data

dal dal riarrangiamento cromosomicoriarrangiamento cromosomico Occasionalmente un pezzo di cromosoma si stacca e Occasionalmente un pezzo di cromosoma si stacca e

va perso nel citoplasma e con esso l’informazione va perso nel citoplasma e con esso l’informazione contenuta nel frammento di cromosoma…ciò è detto contenuta nel frammento di cromosoma…ciò è detto delezione delezione (delez. In cr. 5 = (delez. In cr. 5 = malattia del pianto del malattia del pianto del gattogatto: bambino ritardato con testa piccola con pianto : bambino ritardato con testa piccola con pianto simile ad un miagolio; morte subito dopo la nascita o simile ad un miagolio; morte subito dopo la nascita o nella prima infanzia)nella prima infanzia)

In altri casi il frammento può attaccarsi ad un In altri casi il frammento può attaccarsi ad un cromosoma non omologo…cromosoma non omologo…traslocazionetraslocazione

Traslocazione

Effetto delle Traslocazioni Se le traslocazioni riguardano la meiosi, alcuni gameti Se le traslocazioni riguardano la meiosi, alcuni gameti

avranno una parte della informazione genetica avranno una parte della informazione genetica mancante altri doppiamancante altri doppia

Comunque non si osserva una perdita o un acquisto di Comunque non si osserva una perdita o un acquisto di informazioni genetiche riguardanti un intero geneinformazioni genetiche riguardanti un intero gene

È per questo che possono essere meno drastiche È per questo che possono essere meno drastiche rispetto alle non disgiunzionirispetto alle non disgiunzioni

Molto dipende però dal sito del taglio e da quello del Molto dipende però dal sito del taglio e da quello del riaggancio perché ciò può modificare la regolazione di riaggancio perché ciò può modificare la regolazione di alcuni geni secondo modalità non ancora note alcuni geni secondo modalità non ancora note portando a gravi malattie ( es.: leucemia mieloide portando a gravi malattie ( es.: leucemia mieloide cronica)cronica)

Altre tipologie di mutazioni cromosomiche

Mutazioni genomiche Sono determinate da un numero abnorme di tutti Sono determinate da un numero abnorme di tutti

i cromosomi del genoma i cromosomi del genoma Ciò si verifica quando ad esempio non si verifica Ciò si verifica quando ad esempio non si verifica

la II divisione meioticala II divisione meiotica In tal caso il gamete sarà diploide e lo zigote che In tal caso il gamete sarà diploide e lo zigote che

si ottiene dopo la fecondazione sarà triploide si ottiene dopo la fecondazione sarà triploide (3n)(3n)

Occasionalmente si possono fecondare due Occasionalmente si possono fecondare due gameti diploidi ottenendo uno zigote tetraploide gameti diploidi ottenendo uno zigote tetraploide (4n)(4n)

Le poliploidie

Organismi con numero alterato di tutti i Organismi con numero alterato di tutti i cromosomi (3n; 4n) sono detti poliploidicromosomi (3n; 4n) sono detti poliploidi

Le poliploidie sono normalmente incompatibili Le poliploidie sono normalmente incompatibili con la vita animale e quindi letalicon la vita animale e quindi letali

Sono invece piuttosto frequenti tra i vegetali che Sono invece piuttosto frequenti tra i vegetali che addirittura sono a volte più resistenti e più grandi addirittura sono a volte più resistenti e più grandi dei corrispettivi diploidi, producendo frutti dei corrispettivi diploidi, producendo frutti anch’essi più grandi. Ciò viene sfruttato in anch’essi più grandi. Ciò viene sfruttato in agronomia agronomia

Mutazioni geniche

Sono mutazioni che avvengono all’interno della Sono mutazioni che avvengono all’interno della sequenza nucleotidica di un gene sequenza nucleotidica di un gene

Questi tipi di mutazioni possono determinare o Questi tipi di mutazioni possono determinare o la sostituzione di un aa con un altro all’interno la sostituzione di un aa con un altro all’interno della proteina (cosa che può essere più o meno della proteina (cosa che può essere più o meno grave a seconda dei casi) o addirittura lo grave a seconda dei casi) o addirittura lo sfasamento di tutto il codice di lettura delle sfasamento di tutto il codice di lettura delle triplette con conseguenze spesso gravissimetriplette con conseguenze spesso gravissime

Varie tipologie di mutazioni geniche

Mutazioni puntiformiMutazioni puntiformiDelezioni Delezioni InserzioniInserzioni

Mutazioni puntiformi Una base azotata è sostituita da un’altraUna base azotata è sostituita da un’altra Ciò Ciò puòpuò determinare la codificazione di un aa in luogo di determinare la codificazione di un aa in luogo di

quello che normalmente dovrebbe esserci nella sequenza quello che normalmente dovrebbe esserci nella sequenza aminoacidica della prot.aminoacidica della prot.

Questo può avere un modesto effetto fenotipico (molti allei Questo può avere un modesto effetto fenotipico (molti allei recessivi studiati da Morgan derivavano da mut puntiformi)recessivi studiati da Morgan derivavano da mut puntiformi)

A volte si hanno però gravi effetti:A volte si hanno però gravi effetti: La sostituzione dell’Acido Glutammico con la Valina La sostituzione dell’Acido Glutammico con la Valina

nella emoglobina la rende piuttosto “appiccicosa” . Per nella emoglobina la rende piuttosto “appiccicosa” . Per questo essa tende a precipitare determinando una forma a questo essa tende a precipitare determinando una forma a falce del g.r….falce del g.r….anemia falciformeanemia falciforme

Inserzioni e delezioni Inserzione: un nucleotide viene erroneamente inserito : un nucleotide viene erroneamente inserito

nella sequenza nucleotidicanella sequenza nucleotidica Sfasamento del modulo di letturaSfasamento del modulo di lettura

Delezione: un nucleotide viene perso nella sequenza : un nucleotide viene perso nella sequenza nucleotidicanucleotidica Sfasamento del modulo di letturaSfasamento del modulo di lettura

Entrambe possono portare ad una proteina inutile oltre Entrambe possono portare ad una proteina inutile oltre che causare la mancata produzione della proteina invece che causare la mancata produzione della proteina invece necessaria. Problemi (spesso gravi) di vario tipo; es.: se necessaria. Problemi (spesso gravi) di vario tipo; es.: se la prot. prevista è un enzima = problemi ai metabolismila prot. prevista è un enzima = problemi ai metabolismi

Mutazioni geniche

Valore delle mutazioni Molto dipende dalle cellule interessate dalla mutazione:Molto dipende dalle cellule interessate dalla mutazione:

Cellule somaticheCellule somatiche: la mutazione interessa : la mutazione interessa l’individuo e non la prole. Possibili conseguenze= l’individuo e non la prole. Possibili conseguenze= neoplasieneoplasie

Gameti: Gameti: la mutazione viene trasmessa alla prole. Nel la mutazione viene trasmessa alla prole. Nel figlio può essere bilanciata dal gene “selvaggio” figlio può essere bilanciata dal gene “selvaggio” (sano) del cromosoma omologo(sano) del cromosoma omologo

Se alcune mutazioni sono dannose altre hanno scarso o Se alcune mutazioni sono dannose altre hanno scarso o nullo significato: vi sono poi mutazione benefiche che nullo significato: vi sono poi mutazione benefiche che portando alla comparsa di nuovi caratteri hanno portando alla comparsa di nuovi caratteri hanno determinato i processi evolutivideterminato i processi evolutivi