Gregor Johann Mendel

(Hynčice, 22 luglio 1822 – Brno, 6 gennaio 1884)

Nel 1843 Mendel fece ingresso nel monastero di San Tommaso a Brunn (odierna Brno, Repubblica Ceca), accolto dai frati agostiniani e dall'abate Cyrill Napp.

Mendel trascorse cinque anni felici a San Tommaso, dedicarsi allo studio delle sue discipline preferite quali la matematica, la botanica e la meteorologia.

Mendel fu ordinato sacerdote il 6 agosto 1847.

Nel 1851 quando l’abate Cyrill  Napp gli concesse la possibilità di iscriversi all’ Università imperiale di Vienna, Mendel seppe sfruttare pienamente l'occasione e divenne quasi subito assistente all'istituto di fisica, ruolo riservato agli studenti migliori. Mendel si laureò sia in biologia sia in matematica. Nel 1853 Mendel conobbe Andreas von Ettingshausen e Franz Unger, l'influenza dei quali fu determinante per lo sviluppo del suo esperimento sui piselli rugosi: il primo, un fisico, gli spiegò la teoria combinatoria, il secondo, un botanico, le tecniche più avanzate di impollinazione artificiale.

Gregor Mendel, per compiere i suoi esperimenti iniziati circa nel 1854, coltivò e analizzò durante i sette anni di esperimenti circa 28.000 piante di piselli; successivamente impegnò un biennio per elaborare i suoi dati, che portarono a tre generalizzazioni che divennero in seguito famose come Leggi dell'ereditarietà di Mendel.

Finalmente, nell'inverno 1865 Mendel ebbe l'occasione di esporre il lavoro di una vita a un pubblico di circa quaranta persone, tra cui biologi, chimici, botanici e medici, in due conferenze. Purtroppo, nessuno riuscì a seguire né a comprendere il suo lavoro. L'anno successivo (1866) pubblicò il proprio lavoro facendone stampare quaranta copie che inviò prontamente agli scienziati più famosi d'Europa, per invogliarli alla verifica della sua grande scoperta mediante ulteriori esperimenti.

Il significato degli esperimenti di Mendel venne compreso realmente all’inizio del 1900.

La Genetica Mendeliana

Fecondazione incrociata

Genotipo e fenotipo

Piano sperimentale

1) Scelta dell’organismo.

2) Metodo di ricerca (ipotetico-deduttivo).

3) Caratteri trasmessi indipendentemente e facilmente individuabili (forme alternative).

4) Lavoro preliminare per la selezione di linee pure (34 varietà di piante). Il carattere studiato rimaneva invariato per molte generazioni dopo autofendazione.

5) Nei suoi esperimenti Mendel si avvalse della tecnica della fecondazione incrociata impedendo l’autofecodazione.

6) Mendel non conosceva mitosi e meiosi.

♀♂

I sette caratteri studiati da Mendel nei suoi esperimenti di incrocio

Incroci di monoibridi

5474 semi lisci e 1850 semi rugosi

2,96 : 1

1) Monoibridi. Linee pure che avevano forme alternative per un singolo gene.

2) Gli incroci reciproci davano stessi risultati (non dipendenza dal sesso).

3) La progenie F1 era simile ad una delle 2 linee parentali.

4) Il fenotipo non presente nella F1 ricompariva nella F2 con una frequenza pari ad 1/3 rispetto a quella all’altro carattere .

Risultati sperimentali degli incroci di MendelF2 (numeri) F2 (rapporto)

Carattere F1 Dominanti Recessivi Totale Domin./Recess.Semi: lisci /rugosi Tutti lisci 5.474 1.850 7.324 2.96 : 1Semi: giallo/verdi Tutti gialli 6.022 2.001 8.023 3.01 : 1Involucri del seme:grigi/bianchiFiori: porpora/bianchi

Tutti grigiTutti porpora

705 224 929 3.15 : 1

Fiori: assiali/terminali Tutti assiali 651 207 858 3.14 : 1Baccelli: pieni/irregolari Tutti pieni 882 299 1.181 2.94 : 1Baccelli: verdi/gialli Tutti verdi 428 152 580 2.82 : 1Stelo: lungo/corto Tutti lunghi 787 277 1.064 2.84 : 1Totale 14.949 5.010 19.959 2.98 : 1

Fattore Gene

Locus Localizzazione specifica di un gene su un cromosoma

Forme alternative Allele

Segregazione indipendente dei fattori Mendeliani

Genotipi F1: tutti Ss

Fenotipi F1: tutti lisci

Genotipi F2: 1/4 SS, 1/2 Ss, 1/4 ss (1:2:1)

Fenotipi F2: 3/4 semi lisci

1/4 semi rugosi (3:1)

“ “ “ “ “

Quadrato di

Punnet

The molecular basis for dominance

The cellular basis for segregation

F1

n

2 n

2 n

n

F1

Il principio della segregazione I° legge di Mendel

I due membri di una coppia genica (alleli) segregano l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti in meiosi.

Metà dei gameti contiene un allele e

l’altra metà l’altro allele.

Diploide: un organismo con 2 assetti di cromosomi omologhi (2n)

Aploide: un organismo con una sola copia di ogni cromosoma (n)

Metodo dello schema ramificato

Verifica dell’ipotesi

Autofecondazione F2

Progenie F3

Progenie tutta SS

(liscio)

3/4 S- (liscio)

1/4 ss (rugoso)

1) Reincrocio (identificazione del genotipo dei semi a fenotipo liscio)

Mendel ottenne gli stessi risultati per i 7 caratteri studiati. Reincroci di verifica vennero eseguiti fino alla F6

2) Reincrocio di prova (testcross)

Incrocio tra un individuo con genotipo ignoto (fenotipodominante ) ed un individuo omozigote recessivo.

Il principio dell’assortimento indipendente

II° legge di Mendel

Coppie di alleli di geni situati su cromosomi diversi segregano indipendentemente durante la formazione dei gameti in meiosi.

Incrocio di diibridi

Liscio S e giallo Y sono caratteri

dominanti

Come nell’incrocio di monoibridi nella

F1 compaiono solo i due caratteri dominanti

The cellular basis of independent

assortment

Prophase I

Metaphase I

Products of meiosis II

IiRr

IR ir Ir iR

1/16 SSYY + 2/16 SsYY + 2/16 SSYy + 4/16 SsYy = 9/16 semi lisci-gialli 1/16 Ssyy + 2/16 Ssyy = 3/16 semi lisci-verdi 1/16 ssYY + 2/16 ssYy = 3/16 semi rugosi-gialli

1/16 ssyy = 1/16 semi rugosi-verdi

Quadrato di Punnett

9 diversi genotipi e 4 fenotipi differenti

Rapporto fenotipico 9 : 3 : 3 : 1

carattere dominante

SY Sy sY sy SY Sy sY sy

Dati sperimentali ottenuti da Mendel (numeri attesi in parentesi)

315 lisci-gialli, 108 lisci-verdi, 101 rugosi-gialli, 32 rugosi-verdi

9 (312) : 3 (104) : 3 (104) : 1 (35)

Schema ramificato

1) Considerare un carattere alla volta

2) L’autofecondazione della F1 eterozigote dava una progenie F2 con rapporti fenotipici pari a 3/4 dominante e 1/4 recessivo

SsYy X ssyy

Gameti

1/4 SY 1/4 Sy 1/4 sY 1/4 sy

Gameti

sy 1/4 SsYy 1/4 Ssyy 1/4 ssYs 1/4 ssyy

liscio-giallo liscio-verde rugoso-giallo rugoso-verde

Rapporto genotipico e fenotipico 1 : 1 : 1 : 1

SsYY X ssyy

Gameti

1/2 SY 1/2 sY

Gameti

sy 1/2 SsYy 1/2 ssYy

liscio-giallo rugoso-giallo

Rapporto genotipico e fenotipico 1 : 1

Doppio eterozigote

Eterozigote per un carattere e omozigote per l’altro

Reincrocio di prova (testcross)

Incroci di triibridi

2n = classi fenotipiche F2 (8)

3n = classi genotipiche F2 (27)

dove n = coppie alleliche in eterozigosi

Test del CHI-QUADRATO

O = N° osservato (Observed)

E = N° atteso (Expected)

(O - E) = d = deviazione

Gl = gradi di libertà = n-1

dove n = variabili

Verifica mediante CHI-QUADRATO di un incrocio Mendeliano

Ipotesi i due geni si distribuiscano in modo indipendente 4 classi fenotipiche con rapporto 1:1:1:1

2 = (o-e)2 e

2 = [(296-240)2 240] + [(19-80)2 80] + [(27-80)2 80] + [(85-26)2 26] = 222.12

df= 3

Ipotesi i due geni si distribuiscano in modo indipendente rapporto fenotipico 9:3:3:1

2 = 3.43 quindi l’ipotesi è accettabile e la deviazione è dovuta al caso

Esperimento di Batenson e Punnett con il pisello odoroso (1908)

Fiori viola e grani del polline allungati sono i caratteri dominanti

Fiori rossi e grani del polline rotondi sono i caratteri recessivi

2 = 222.12 e quindi l’ipotesi deve essere rifiutata

Dati relativi alla F2 ottenuta da un incrocio di diibridi:Fenotipo Osservati AttesiFiori viola-grani del polline allungati 296 240Fiori viola-grani del polline rotondi 19 80Fiori rossi-grani del polline allungati 27 80Fiori rossi-grani del polline rotondi 85 26

Criticisms of Mendel’s work

The chromosomal locations of the loci that Mendel studied

If two loci are close to each other on the chromosome, they tend to remain associated during meiosis rather than assorting independently (linked genes).

Was Mendel lucky enough to find each locus on a different chromosome ?

The loci on the same chromosomes (I and IV) are far enough apart that the high frequency of crossovers accounts for the independent assortment of alleles.

- The most common criticism is that he presented data on only 7 traits that all obeyed to the laws he proposed, intentionally ignoring traits whose inheritance can not be explained as easily.

Mendel described in his paper also the results of flower color in beans that were deviating from his lows.

- Some scientists have proposed that Mendel misclassified a significant number of phenotype.

Probably this is true and Mendel misclassified about 5 % of the heterozygous F2 plants as homozygous. Because of space restrictions, Mendel limited the number of F3 plants to grow (about 10).

-Fisher used chi-square analysis to demonstrate that Mendel’s results were remarkably close to expected ratio. He said “too good to be true”.

Mendel repeated those experiments whose results were deviating from his expectations.

In fact, in the F2 generation from a cross between purple and white flowered plants, he obtained 31 plants that varied in color from purple to pale violet and white.

Mendel commenced several experiments to verify whether the law of development discovered for Pisum applies to the hybrids of other plants.

Mendel stressed the need for the researchers to carefully account for differences that may be caused by plating methods and temperature.

Problemi: Discendenza in un Incrocio Diibrido.

a) In un Incrocio Diibrido, AaBb x AaBb, quale frazione della discendenza sarà omozigote per entrambi i caratteri recessivi (aabb)

Risoluzione mediante l’uso dei gameti:

Gameti uguali per entrambi i genitori

¼ AB + ¼ Ab + ¼ aB + ¼ ab ¼ ab x ¼ ab = 1/16 aabb

Alternativamente consideriamo separatamente i 2 geni:

Aa x Aa → ¼ AA + 2/4 Aa + ¼ aa → freq. aa = ¼

Bb x Bb → ¼ BB + 2/4 Bb + ¼ bb → freq. bb = ¼

¼ ab x ¼ ab = 1/16 aabb

b) In un Incrocio Diibrido, AaBb x aabb, quale frazione della discendenza sarà omozigote per entrambi i caratteri recessivi (aabb)

Risoluzione:

Gameti¼ AB + ¼ Ab + ¼ aB + ¼ ab

4/4 ab

¼ ab x ab = ¼ aabb

c) In un Incrocio Diibrido, SsYy x SsYy, quale frazione della discendenza sarà omozigote per entrambi i caratteri?

Risoluzione mediante il quadrati di Punnett:

Sviluppando in quadrato di Punnett per ‘l incrocio SsYy x SsYy.Otteniamo che 4/16 (or 1/4) della discendenza dell'incrocio sarà omozigote per entrambi i caratteri.

Notare che vi è un diverso fenotipo per ciascuna delle 4 differenti combinazioni di alleli.

Alternativamente possiamo considerare i geni separatamente:

Ss x Ss → ¼ SS + 2/4 Ss + ¼ ss → 2/4 sono omozigoti (SS o ss)

Yy x Yy → ¼ YY + 2/4 Yy + ¼ yy → 2/4 sono omozigoti (YY o yy)

Ris. 2/4 x 2/4 = 4/16 = ¼ omozigoti per entrambi i geni

Problemi: Discendenza in un Incrocio Triibrido

Si considerino le 3 coppie alleliche AaBbCc.

a) Si calcoli la probabilità di ottenere uno zigote AaBBCc dall’incrocio

AaBbCc x AaBbCc

Risoluzione:

Gameti uguali per entrambi i genitori con ognuno frequenza 1/8

ABC aBC abC abc AbC Abc ABc aBc

Considerare un gene alla volta:

Aa x Aa → ¼ AA + 2/4 Aa + ¼ aa → freq. Aa = 2/4

Bb x Bb → ¼ BB + 2/4 Bb + ¼ bb → freq. BB = 1/4

Cc x Cc → ¼ CC + 2/4 Cc + ¼ cc → freq. Cc = 2/4

Risultato: ½ x ¼ x ½ = 1/16

b) Si calcoli la probabilità di ottenere un fenotipo A-B-C- da un incrocio

AaBbCC x AaBbcc

Risoluzione:

¾ A-

¾ B-

¼ bb

4/4 C- → 36/64

--

Risultato: 9/16

¼ aa --------->

d) Si calcoli la probabilità di ottenere uno zigote AaBBCc dall’incrocio AaBBCc x AaBbCcRisoluzione:

Considerare un gene alla volta:

Aa x Aa → ¼ AA + 2/4 Aa + ¼ aa → freq. Aa = 2/4BB x Bb → ½ BB + 1/2 Bb → freq. BB = 1/2Cc x Cc → ¼ CC + 2/4 Cc + ¼ CC → freq. Cc = 2/4

Risultato: ½ x ½ x ½ = 1/8

e) Si calcoli la probabilità di ottenere un fenotipo aa B- cc da un incrocio AaBbCc x aaBbcc

Risoluzione:

Considerare un gene alla volta:

Aa x aa → ½ Aa + ½ aa freq. fenot. aa = ½Bb x Bb → ¼ BB + 2/4 Bb + ¼ bb freq. fenot. B- = ¾Cc x cc → ½ Cc + ½ cc freq. fenot. cc = ½

Risultato: ½ x ¾ x ½ = 3/16

Problema:Si calcoli la frequenza degli individui parentali e ricombinanti in un incrocio EeFf  x eeff dove i geni sono associati in coupling, cioè si trovano sullo stesso cromosoma e la loro distanza di mappa è pari a 12 u.mSi consideri che 1 Unità di Mappa (u.m.) è pari ad 1% di individui ricombinanti.

Incrocio EeFf  X eeff

eeff da gameti di un solo tipo: ef

EeFf da i seguenti gameti: EF Ef eF ef

ProgenieEeFf Eeff eeFf eeffdoveEeFf + eeff sono i parentali Eeff + eeFf sono i ricombinanti

Gli individui ricombinanti valgono 6% ciascuno (12/2) mentre quelli parentali sono 88% (100-12) cioè 44% ciascuno.

½ aa

¾ B-

¼ bb

½ cc → 1/16

½ Aa --------->

f) Si calcoli la probabilità di ottenere un fenotipo aabbcc da un incrocio AaBbCc x aaBbcc

Risoluzione:

½ Cc

Problema:

il colore del pelo dei cani Cocker Spaniel

B = nero, b = rosso S = colore uniforme, s = pelo bianco chiazzato

Incrocio:

maschio nero a colorazione uniforme x femmina rossa a colorazione uniforme

Dall’incrocio nascono sei cagnolini: 2 completamente neri, 2 completamente rossi, 1 nero e bianco e 1 rosso e bianco. Determinare i genotipi dei genitori.

B-S- (maschio) x bbS- (femmina)

B-S- bbS- B-ss bbss

2 Tot. Neri 2 Tot. Rossi 1 Nero e 1 Rosso e Bianco Chiaz. Bianco Chiaz

1) Ogni volta che compare un figlio omozigote doppio recessivo, ciascuno dei due genitori deve aver posseduto almeno un allele recessivo in ogni lucus (b e s).

2) Un cagnolino nero e bianco indica che entrambi i genitori erano eterozigoti per il lucus S.

3) I cagnolini completamente rossi indicano che il genitore di sesso maschile era eterozigote in corrispondenza del locus B.

P: BbSs (maschio) bbSs (femmina)