Riceve Venerdi ore 15:30-17:00 Al CEINGE, Via Comunale...

Griffiths et al., GENETICA 6/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

GENETICAProf. Massimo Zollo

RiceveVenerdi ore 15:30-17:00

Al CEINGE, Via Comunale Margherita 482

Dal Gene al Fenotipo2 lezioni

Anthony J. F. GRIFFITHS et al. GENETICA FORMALEPierce GENETICA

iGenetica Peter Russell

23 Aprile, 2008


?METABOLOMA?

Anti-senso RNA..ma,siRNAsmiRNA….omaNAT..toma

Farmacogenoma


GATTACA

• Noi siamo i nostri geni?(il genoma)

• geni espressi (il trascrittoma)

• il trascrittoma e l’ambiente

1970, 20 anni prima


Clinton and Blair

C. VenterF.Collins

1990-2001Human GenomeSequenced!

Celera Genomis, Human Genome ScienceCromosoma e creazione di organismo artificiale


Cell Nucleus

Chromosome

Protein Gene (DNA)Gene (mRNA), single strand

The Human Genome Project

Gene Expression


• improved diagnosis of disease

• earlier detection of genetic predispositions to disease

• rational drug design

• gene therapy and control systems for drugs

• personalized, custom drugs


medicine and the new genetics: anticipated benefits


Whitehead Institute, Center for Genome Research, Cambridge, MA


Approccio a colpo da fucile a canna“shotgun”


SANGER METODO DELLA TERMINAZIONEDideoxy chain TERMINATOR

The work for his second Nobel Prizeawarded in 1980) was developing the technique still used today - 'dideoxy' or 'Sanger' sequencing

In 1958 he was awarded the Nobel Prizefor his work in “sequencing proteins”



• The International Human Genome Sequencing Consortium published their results in Nature, 409 (6822): 860-921, 2001

• Celera Genomics published their results in Science, 291 (5507): 1304-1351, 2001


Progetto Genoma Umano 1990 -2003


CLASSIFICAZIONE DELLEMALATTIE GENETICHE

- Malattie Monogeniche (Mendeliane)A.D., A.R., X-L.

- Malattie Cromosomiche (Anomalie di numero e di struttura)

- Malattie Multifattoriali (o Poligeniche)

- Malattie da Mutazioni delle Cellule Somatiche

- Malattie da Mutazioni nel Genoma Mitocondriale


http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?CMD=search&DB=omim


Gregor Johann Mendel (1822-1884)prete nel monastero Agostiniano di Brno, Cecoslovacchia, centro di insegnamento teologia, filosofia e scienze naturali.


Verdi LisciVerdi rugosi


Caratteri dominanti e recessivi

La F2 quindi era composta da caratterisia dominanti che recessivi, però legati dal rapporto 3:1

“un componente di ogni coppia era ereditato dal padre e l'altro dalla madre. Questa, nota anche come prima legge di Mendel, è la legge della segregazione”


Prima legge di Mendel

o legge della segregazione degli alleli

Durante la formazione dei gameti gli allelisegregano (si separano) in due gruppi di gameti di uguale numero.

Incrocio monoibrido:AaXAa1:2:13:1 “dominanti” AA,Aa


Mendel formulò la seconda legge, o dell'assortimento indipendente, che afferma: "...quando si formano i gameti, gli alleli di un gene si separano indipendentemente daglialleli di un'altro gene".

Incrocio diibrido9:3.3:1


Seconda legge di Mendel

o legge dell’assortimento indipendente

Membri di differenti coppie di alleli vengono assortiti indipendentemente uno dall’altro, ...se ....Presenti su cromosomi diversi diremo oggi


Leggi di Mendel: “1800

1. LEGGE DELLA SEGREGAZIONE2. LEGGE DELL'ASSORTIMENTO INDIPENDENTE


Interazione gene-proteina, ambiente-fenotipo


Archibald Garrod

Fenil-chetonuria, autosomica recessivaMolte malattie umane sono difetti metabolici

Sir Archibald Edward Garrod was an English physicianwho pioneered the field of inborn errors of metabolism and alkaptonuriarare inherited genetic disorder of tyrosine metabolism. . He was born on November 25, 1857, in London, and died on March 28, 1936, in Cambridge.Archibald was the fourth son of Sir Alfred Baring Garrod, a physician at King's College Hospital, who discovered the abnormal uric acid metabolism associated with gout.http://en.wikipedia.org/wiki/Archibald_Garrod


PKU- Phenil Chetonuria, autosomica recessiva, causata in un difetto nell’incapacitàdi convertire la Phenil-alanina in Tirosina che si accumula come è convertitain un acido tossico : fenil piruvico

Le malattie genetiche sono alla base di errori congeniti del metabolismo…..


Ciclo vitale del fungo Neurospora


Mutanti nutrizionali=auxotrofiCeppo che cresce su terreno min=prototrofo

Beadle and Tatum


precursoreEnzima X

OrnitinaEnzima Y

Citrullina ArgininaEnzima Z

Mutante Ornitina Citrullina Arginina

arg-1

arg-2

arg-3

+

-

-

+

+

-

+

+

+

NUTRIENTI

precursoreEnzima X

OrnitinaEnzima Y

Citrullina ArgininaEnzima Z

arg-1+ arg-2+ arg-3+


…si scopri’ che tutte le proteine sianoessi enzimi (o non), sono codificate

dai geni.• Teoria di Beadle e Tatum• UN GENE –> UNA PROTEINA (o un

POLIPEPTIDE)

NOBEL PRICE :

E.L. Tatum and G.W. Beadle, Science, 91 (1940) 458.


pausa

7 minuti ….+3 per sedersi


Struttura del gene Fenil-alanina-idrossilasi, mutazioni identificate origine del malfunzionamentodell’enzima.

Mutazioni “leaky”Mutazioni “null”


Per un certo locus possono esistere piu forme alleliche (alleli multipli)L’insieme degli alleli noti è definito SERIE ALLELICA


Qual’è la spiegazione di dominanza e recessività a livello diprodotto genico??

• aplo-sufficiente (A)• aplo-insufficiente (B)• (A) P/P o P/p sono sufficienti a produrre il fenotipo

selvatico mentre i p/p non lo sono• (B) una singola dose P/p del fenotipo selvatico non è

sufficiente per raggiungere i normali livelli funzionali

• Definizione: la recessività di un allele mutante è ilrisultato dell’aplosufficienza dell’allele selvatico di queldeterminato gene; la dominanza di un allele mutante è ilrisultato del dell’aploinsufficenza dell’allele selvatico


Recessività di un allele mutante di un gene aplosufficiente


Differenze tra Dominanza, Dominanzaincompleta e Codominanza

• Dominanza-il fenotipo dell’eterozigote è uguale a quello di uno degli omozigoti

• Dominanza incompleta- il fenotipodell’eterozigote è intermedio (rientranell’intervallo) tra quelli dei due omozigoti

• Codominanza-il fenotipo dell’eterozigoteinclude quelli di entrambi gli omozigoti


DOMINANZA INCOMPLETA

BELLA DI NOTTE


RossoRosabianco

due dosi pigmentouna dose pigmentonessuna dose

Spiegazione molecolare:


IAIAIA/i

A

BIB/IB

IB/i IA/IB

AB

i/i

O

Schema delle proteine di membrana del globulo rossodel gruppo sanguigno ABO, glicolipidi di membrana modificati dauna glicosil-transferasi che aggiungonouno zucchero ad un polisaccaride il quale a sua volta è unito ad un lipideper formare un glicolipide in membrana

membrana del globulo rosso


CODOMINANZA GRUPPI SANGUIGNI

A e B sonoallelicodominanti


Charlie Chaplin ABO• Joan Barry (gruppo A)

• Charlie Chaplin (gruppo O)Figlio (gruppo B)

• Era suo figlio?• IA/IA o IA/i ( gruppo A)• i/i ( gruppo O)• NON ERA SUO FIGLIO!!

Hearst "Castle" San Simeon


HbS/HbS (*) soggetti anemici

Globulo rosso falciformeAnemia mediteranea (*)

HbA/HbA

HbA/HbS (*) codominanza a livello molecolare

Talassemia Mediterranea

WT

Talassemico


Elettroforesi di varianti dell’emoglobina


LEZIONE 2


Lezione 2gene-fenotipo

gene therapy nell’occhio, ATTUALITA’? Commento al lavoro!OMIMhttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?CMD=search&DB=omim


Definizione di Alleli multipli

• Un gene puo’avere piu stati o forme, si parla allora di allelli multipli.

• In questo caso gli alleli costituiscono una serie allelica, i membri di una serie allelicapossono mostrare gradi diversi di dominanza l’uno rispetto all’altro.


Pleiotropic gene - a gene that affects more than one phenotype


Compatibilità con Rh

AB+

AB-

B+

B-

A+

A-

O+

O-

AB+AB-B+B-A+A-O+O-

Donor[1]Recipient[1]

A RhD negative patient who does not have any anti-RhD antibodies can receive a transfusion of RhD positive blood once, but this would cause sensitization to the RhDantigen, and a female patient would become at risk for hemolytic disease of the newborn.

RhD positive patients do not react to RhD negative blood.


Le foglie del trifoglio (nord America)manifestano diverse molteplicivariazioni nel tema della dominanzasu una serie di alleli di un unico gene cheda’ le varie forme della V sulle foglie


Topi oversprimenti la Green Flourescent portein GFP il gene della medusa che conferisce il colore verde


ALLELI LETALI: allele gialloPleiotropic Effects and Lethal GenesLethal Gene - a gene that leads to the death of an individual; these can be either dominant or recessive in naturePleiotropic gene - a gene that affects more than one phenotype

L’allele Ay definisce due caratteristiche il colore del mantello e la sopravvivenza


Rapporto 2:1Invece di 1:2:1


Gatto dell’isola di ManSenza coda, notare ancheil colore diverso degli occhi!

Allele ML/M interferisce con lo sviluppo della spina dorsalegatto senza coda

ML/ML omozigosi allele letale, non nasce , il difetto èdovuto ad un non nomale sviluppo della spina dorsaleEsistono casi anche di alleli sub-letali esempio AA X Aa = ½ AA ed ½ AaInvece si ottiene 60% AA ed 40% Aa si tratta di alleli sub-letali, gradi diversi di DOMINANZA

Spesso il fatto che un gene sia letale o no dipende dall’ambiente nel qualel’organismo si sviluppa ………………

http://www.inseparabile.com/gatti/manx.htm


Effetti pleoiotropici….

• Effetti molteplici dei una stessa mutazione• La pleiotropia è dovuta alla complessità

delle interazioni geniche all’interno di unacellula

• L’Interazione tra geni-proteine definiscel’effetto pleiotropico


La insorgenza della fenilchetonuria si manifesta attraversouna complessa sequenza di tappe…….

Esempio: mutazioni a carico di diversi geni diversi del PAH possono provocarealti livelli della fenil-alanina

PAH


Effetti pleoiotropici…• Effetti molteplici dei una stessa

mutazione• La pleiotropia è dovuta alla

complessità delle interazionigeniche all’interno di unacellula

• L’Interazione tra geni-proteinedefinisce l’effetto pleiotropico

• Esempio Maori/sterilità e respirazione cilia/flagello

Un gene è detto pleiotropico quando possiede effetti molteplici.

MARFANl’eccessiva lunghezzadelle dita delle mani,lo spostamento del cristallino e i difetticardiaci

polidattilia sindattilia


La complessita’ genetica come sidisseziona??

• Con il Test di complementazione o test criss-cross:

• A) si trattano le cellule con agenti radianti (UV)• B) si saggiano i mutanti per determinare quanti

loci genici sono coinvolti e quali mutazioni sonosugli stessi geni

• C) Si combinano le mutazioni a due a due medianti incroci che danno luogo ai doppimutanti.


Test di complementazione


Altro esempio: genere Campanula

Colore blu=selvaticoIrradiamo con UV

Otteniamo 3 mutanti bianchi: sono frutto della stessa mutazione occorrentesullo stessso gene o su geni diversi? Tre alleli di uno stesso gene oppure di due o di tre geni?

Secondo incrocio:

Gene W1+

Dicesi complementazione:la produzione di un fenotiposelvatico a seguito dell’unione di due alleli mutantirecessivi in una stessacellula

A livello molecolare:


Diagramma di flusso dell’antocianina in campanula

Gene w1+ Gene w2+

Enzima 1 Enzima 2

Precursore 1 Precursore 2 Antocianina Blu

Complementano = due mutazioni in geni diversi

Non Complementano = due mutazioni nello stesso gene

Una mutazione in uno dei due geni porterà all’accumulo del corrispondenteprecursore, il quale renderà il fiore bianco


Nuclei diversi

“Se due alleli mutanti recessive, ottenuti in modo indipendente e tali da produrreFenotipi recessivi simili, non si complementano allora devone essere allelidello stesso gene”

Fusione di cellule funginee, test di complementazioneNuclei aploidi che si fondono formando un eterocarionte

arg-1; arg2+ arg-1+; arg2


Assortimento Indipendente

9

7

campanula

w1/ w1; w2+/ w2+ (bianco) X w1+/ w1+; w2/ w2 (bianco)

F1 : w1+/ w1, w2+/w2 (blu)

w1+/ w1; w2/ w2+ (bianco) X w1+/ w1; w2+/ w2 (bianco)

F2: 9 w1+/-,w2+/-3 w1+/-,w2/w2 (bianco)3 w1/w1,w2+/- (bianco1 w1/w1;w2/w2 (bianco)

campanula


Ci vediamo il prossimo mercoledi…

Ambiente

Genoma

Gene / Fenotipo

Esercitazioni oggi pomeriggioGruppo 2-3, prossimo mercoledi: Gruppo 1


PAUSA...5+5 min


Serpente del mais:-Fenotipo selvatico nero-arancione livrea mimetica(A)-Fenotipo nero non ha pigmento arancione (B)-Fenotipo arancione non produce il pigmento nero (C)-Fenotipo rosa albino non ha sia il pigmentoarancione che quello nero (D)

precursore (b+) Pigmento nero

precursore (o+) Pigmento arancionefenotipo mimetico

o+/ o+; b/b (aranc) X o/o; b+/b+ (nero)

selvatico

o+/ o; b+/b (selvatico)

F2: o+/ o; b+/b (selvatico) X o+/ o; b+/b (selvatico)

F1

9 o+/ -; b+/- (selvatico)3 o+/ -; b/b (aranc)3 o/o; b+/- (nero)1 o/ o; b/b (rosa albino)

albino

b+=pigmento nero, b=assenza pigmento neroo+=pigmento arancione, o=assenza pigmento aranc

ESEMPIO DI INTERAZIONE TRA GENI DI DIVERSE VIE METABOLICHE


Interazione tra un gene regolatore ed il suo bersaglio


Interazioni geniche

• Epistasi• Soppressione• Letalità sintetica


Gene AGene B Gene C

Epistasi: è l’interazione da due o piu’

geni che controllono il fenotipo, un gene sta sopra di un altro

Fenotipo A = Fenotipo BStesso fenotipo

Strada accessoria

ABCD

Una mutazione di un certo locus maschera la mutazione di un altro locus in un doppio mutante

***

*


Epistatic pathwayWNT


Meccanismo molecolare dell’epistasi recessiva

Nei doppi mutanti i rapporti ci aiutano ad identificare i mutanti epistatici:

Colori del petalo di Collinsia ParvifloraSelvatico=blu

(bianchi) (magenta) [m and w non sono geni associati](blu)


Incolore ->magenta ->blu

Genew+ Gene m+


EPISTASI RECESSIVA

Shamu’

Colore mantello Labrador B allele colore nerob allele colore bruno

e/e, B/- = gialloe/e, b/b = gialloE/-,B/- = neroE/-,b/b = bruno

Allele (e) è epistatico (colore giallo) su questi alleli B e b che determinano pelo nero (B) e pelo marrone (b)


Rapporto A-B- A-bb aaB- aabb Tipo interazione Esempio

Genotipo

9:3:3:1

9:3:4

12:3:1

9:7

9:6:1

15:1

13:3

9 3 3 1

9 3 4

12 3 1

9 7

9 6 1

15 1

13 3

Epistasi Recessiva colore del pelo labrador

Epistasi dominante Colore nella zucca

Epistasi recess.doppia Albinismo nelle lumache

Interazione doppia

Epistasi domin doppia

Epistasi domin e recess

nessuno Forma seme e colore dei piselli

-

-

-

Riassunto regole da conoscere:


Interazioni geniche



Meccanismo molecolare di soppressione

Un allele normale soppressore cancella l’espressione di un allele mutante di un altrogene dando luogo al normale fenotipo, retromutante


A B prodotto

Soppressore assente

A

Soppressore presente

B prodotto

B

Il soppressore fornisce un fattore B che “bypass” il blocco

La soppressione è talvolta confusa con l’epistasi, la differenza crucialestà nel fatto che il soppr cancella l’espressione di un allele mutantee rispristina il corrispondente fenotipo selvatico. Il rapporto fenotipico modicato èl’indicatore di questa interazione. Solo due fenotipi segrano e non tre come nell’epistasi, vedi esempio precedente

13:3 9:3:4Esempio occhi porpora e rossi di drosophila


Alleli modificatori

• Una mutazione modificatrice che avviene in un secondo locus cambia l’espressione di una mutazione che avviene in un primo locus.

• In genere si tratta di proteine che regolano l’espressione di un gene regolatori positivi o negativi


Interazioni geniche



Letali sintetici

• Quando si accoppaino due mutanti singoli vitali ne risultano doppi mutanti letali. Questi si chiamano i mutanti sintetici.

• Se si combinano doppi mutanti ciascuno con una mutazione leaky in punti diversi della via di sintesi, la via si blocca.

• Es. orgine della letalità sintetica


Ribbon structure


Protein-Protein interaction and network- P53 in giallo


Variabilità nella manifestazionefenotipica

• Penetranza (1)• Espressività (2)• Pleiotropia (3)

• (1) - è la probabilità che un gene abbia unaqualsiasi espressione fenotipica completa

• (2) - è la severità di espressione del fenotipo• (3) - un gene ha un difetto primario ma puo’

guidare l‘effetto su altri geni ed avereconseguenze molteplici con una malattia piu’ complessa.


Espressività variabile, 10 diverse gradazioni di pezzatura


http://www.ndsu.nodak.edu/instruct/mcclean/plsc431/mendel/mendel1.htm

Variation in Gene Expression

Penetrance - the frequency of expression of an allele when it is present in the genotype of the organism (if 9/10 of individuals carrying an allele express the trait,the trait is said to be 90% penetrant). Not all phenotypes that are expressed are manifested to the same degree. For polydactyly, an extra digit may occuron one or more appendages, and the digit can be full size or just a stub. Therefore, when the P allele is present it expresses variable expressivity.

The hand of blues guitar player Hound Dog Taylor (Blues Man of the “HouseRockers “) exhibiting Polydactyly (Polidattilia)

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