9788808130259 04 CAP - appunti di lezione per esame PDF

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appunti di lezione per esame...

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Sezione

B

A

Biologia molecolare, genetica, evoluzione

Capitolo

Gli sviluppi della genetica

1

Gli studi sui cromosomi sessuali

Esiste una relazione tra le teorie di Mendel e la meiosi Soltanto all’inizio del secolo scorso, i biologi furono in grado di capire l’importanza degli esperimenti di Gregor Mendel. Durante i decenni in cui gli studi dell’abate agostiniano erano rimasti ignorati, erano stati fatti molti progressi nel campo della microscopia e, quindi, anche nello studio della struttura della cellula (o citologia). Fu in questo periodo, per esempio, che vennero individuati i cromosomi e furono osservati per la prima volta i loro movimenti durante la mitosi e la meiosi. Nel 1902, il biologo statunitense Walter Sutton stava studiando la produzione di gameti nei maschi di cavalletta quando, osservando il processo meiotico, notò che i cromosomi risultavano appaiati sin dall’inizio della prima divisione meiotica e i due cromosomi che costituivano ogni coppia erano quasi identici. Con gli strumenti di allora l’appaiamento era evidente soltanto all’inizio della prima divisione meiotica (figura 1), ma un occhio esperto poteva individuare gli omologhi non appaiati anche durante la metafase della mitosi.

Ti ricordi? Durante gran parte del ciclo cellulare, il DNA è presente nel nucleo sotto forma di filamenti di cromatina, ma prima di ogni divisione cellulare (mitosi o meiosi) si condensa in cromosomi, ben visibili nella metafase.

3 Figura 1 Il cariotipo umano è formato da 46 cromosomi che si appaiano all’inizio della meiosi.

2

1

6

13

19

3

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22 Autosomi (22 paia)

B2

5

La coppia numero 23 comprende 2 cromosomi sessuali. In questo esempio si tratta di quelli del maschio, XY, la femmina invece ha due cromosomi X.

capitolo

Sutton fu colpito dal parallelismo fra le sue osservazioni e la legge della segregazione di Mendel. Da questo confronto emerse con chiarezza l’ipotesi che i cromosomi fossero i portatori dei geni e che i due alleli di ogni gene si trovassero sui cromosomi omologhi. Sutton suppose inoltre che gli alleli rimanessero sempre indipendenti e venissero separati durante la meiosi I, quando si separano i cromosomi omologhi; da ciò dedusse che, al momento della fecondazione, con la fusione dei gameti si potessero formare nuove combinazioni di alleli. In questo modo Sutton spiegava la legge di Mendel della segregazione degli alleli in base alla separazione dei cromosomi omologhi durante la meiosi. La legge di Mendel sull’assortimento indipendente, infatti, afferma che gli alleli di geni differenti segregano indipendentemente gli uni dagli altri (figura 2). Sutton ritenne che anche questa affermazione potesse essere giusta, ammesso però che rispettasse l’importante condizione che i geni non fossero situati sullo stesso cromosoma. Infatti, se due geni diversi si trovano sullo stesso cromosoma, durante la meiosi finiscono inevitabilmente nello stesso gamete, a meno di essere stati in precedenza separati da un crossing over. In base a queste considerazioni Sutton ritenne che i geni, ovvero i fattori descritti da Mendel, fossero portati dai cromosomi. Nello stesso anno, il biologo tedesco Theodor Boveri, che stava studiando il modo in cui si sviluppano i tumori, giunse alla conclusione che il cancro era una patologia dovuta a errori avvenuti nel corso della mitosi, con conseguente formazione di cariotipi anomali. Sebbene inizialmente trascurata, anche questa ricerca forniva una convincente conferma della teoria cromosomica, secondo la quale i geni si trovavano sui cromosomi. P

L Liscio (L) Giallo (G)

Ti ricordi? Per illustrare le leggi di Mendel si usa il quadrato di Punnett, una tabella utile per determinare gli incroci tra alleli dominanti (lettera maiuscola) o recessivi (lettera minuscola).

g

l

G

B1 Gli sviluppi della genetica

Rugoso ( l) Verde (g) ×

F1

Dei quattro cromosomi presi in esame, due portano gli alleli per il seme liscio o rugoso e due per il colore verde o giallo del seme. In questo esempio, un genitore è omozigote dominante e l’altro è omozigote recessivo, perciò i gameti prodotti saranno LG e lg.

Autoimpollinazione F2 Gameti maschili della generazione F1 Dall’autoimpollinazione si ottengono quindi quattro tipi diversi di gameti femminili e maschili che possono combinarsi in 16 (4 × 4) modi diversi.

Gameti femminili della generazione F1

7 Figura 2 Secondo l’ipotesi di Sutton, i cromosomi si distribuiscono secondo un incrocio di tipo mendeliano, illustrato dal quadrato di Punnett.

B3

Le parole Il nome generico Drosophila deriva dalla latinizzazione di termini greci che significano «amante della rugiada»; l’attributo specifico melanogaster significa «ventre nero».

A

La presenza di specifici cromosomi determina il sesso di un individuo Alcuni anni dopo la pubblicazione degli studi di Sutton e di altri citologi, gran parte dei ricercatori pensava ancora che i geni non avessero una consistenza fisica e che la teoria cromosomica fosse poco attinente agli studi sull’ereditarietà. Il contributo decisivo per dimostrare la localizzazione dei geni sui cromosomi venne soprattutto dalle ricerche effettuate sul moscerino della frutta Drosophila melanogaster; gli esperimenti sugli incroci condotti su questo insetto dimostrarono che certi caratteri ereditari dipendono dal sesso, cioè che i geni che li determinano si trovano senza dubbio sui cromosomi sessuali. Come osservato da Sutton e dai suoi colleghi, i cromosomi di un organismo diploide sono presenti in coppie. I cromosomi di tutte le coppie, tranne una, sono simili tra loro nei maschi e nelle femmine e sono detti autosomi (vedi figura 1), mentre i cromosomi della coppia che fa eccezione sono uguali solo in uno dei due sessi e sono chiamati cromosomi sessuali. Nei mammiferi (compresa la specie umana), e in molti altri gruppi di animali, è la femmina ad avere i due cromosomi sessuali uguali, chamati per convenzione cromosomi X e la femmina risulta perciò XX. I cromosomi sessuali del maschio sono costituiti da un cromosoma X (uguale al cromosoma X della femmina) e da un cromosoma Y, molto più piccolo (figura 3A), perciò i maschi di queste specie sono indicati con XY. Quando per meiosi si formano i gameti, nei maschi metà degli spermatozoi possiede un cromosoma X e metà un cromosoma Y, mentre tutti i gameti prodotti dalla femmina presentano il cromosoma X. Il sesso della prole, quindi, dipende dal fatto che il gamete femminile venga fecondato dal gamete maschile portatore del cromosoma X oppure da quello portatore del cromosoma Y (figura 3B). Dal momento che gli spermatozoi X e Y sono prodotti in numero uguale, c’è esattamente la stessa probabilità di avere figli maschi o femmine. B

X Y Maschio

Meiosi

Spermatozoo

X

X X

Y

Femmina

Meiosi X

X

X

X

Y

X

X

X

X

Y

Cellula uovo

1 Figura 3 (A) I cromosomi sessuali X e Y umani fotografati al microscopio elettronico a scansione. (B) Il quadrato di Punnett evidenzia che ci sono le stesse probabilità per gli zigoti di essere maschili o femminili.

B4

La proporzione relativa al sesso dei figli è del 50% di maschi e 50% di femmine.

Zigoti femmine

Zigoti maschi

capitolo

B1 Gli sviluppi della genetica

Morgan condusse i suoi studi sui geni portati dai cromosomi sessuali I geni che si trovano sui cromosomi sessuali portano informazioni ereditarie che sembrano non seguire le leggi mendeliane; in questo caso si parla di caratteri legati al sesso. Il primo scienziato che si accorse dell’anomalia nella trasmissione di questi caratteri fu il biologo statunitense Thomas Hunt Morgan. Con una combinazione eccezionale d’intuito e di fortuna, Morgan scelse il moscerino della frutta Drosophila melanogaster come organismo modello; tra i numerosi vantaggi dell’utilizzare questi insetti ci sono la possibilità di allevarli in semplici bottiglie e la facilità con cui si riproducono, ma anche il fatto che la drosofila ha solo quattro paia di cromosomi (2n = 8) (figura 4). 7 Figura 4 I cromosomi di drosofila sono costituiti da tre coppie di autosomi (una coppia è poco visibile perché i cromosomi sono piccoli e quasi rotondi) e una coppia di cromosomi sessuali. X

X

X

femmina

Y

maschio

Come primo obiettivo, i ricercatori del laboratorio di Morgan tentarono d’indivi- Ti ricordi? duare eventuali differenze genetiche presenti tra i vari moscerini impiegati per Mendel aveva diviso le varie generazioni gli esperimenti d’incrocio, simili a quelli condotti da Mendel sulle piante di pisel- di piante di pisello in questo modo: la lo. Una delle più evidenti e importanti caratteristiche dei moscerini della frutta è generazione parentale (P), da cui si ottiene la prima generazione filiale il colore rosso brillante degli occhi. (F1) seguita dalla seconda generazione Una femmina con occhi rossi fu incrociata con un maschio che aveva invece filiale (F2). occhi bianchi e tutta la generazione F1 nacque con gli occhi rossi (figura 5A); il colore bianco degli occhi era dunque recessivo. Morgan incrociò poi tra loro gli individui della generazione F1 e ottenne gli stessi risultati di Mendel, ma con una particolarità: gli esemplari con occhi bianchi erano sempre e soltanto maschi (fi- 5 Figura 5 Negli incroci eseguiti da Morgan l’allele gura 5B). per il carattere «occhi rossi» è indicato Sulla base di questi esperimenti (vedi figura 5), Morgan e i suoi collaboratori con B; quello per il carattere «occhi formularono l’ipotesi che il gene per il colore degli occhi fosse presente solo sul bianchi» è indicato con b. Quando il gene cromosoma X. Infatti, come fu dimostrato in seguito, il cromosoma Y del mosce- è localizzato nel cromosoma X agli alleli rino maschio porta pochissime informazioni genetiche. L’allele per il carattere viene aggiunto l’apice B o b. A

B

Femmina omozigote occhi rossi

P

C

Femmina occhi rossi

Maschio occhi bianchi X

XB XB

Xb

XB Xb

Gameti maschili Y

F1

Maschio Femmina (F1) di partenza occhi rossi occhi bianchi

X

F1 Xb Y

Maschio occhi rossi

X XB Y

XB

XB Xb

Xb Y Gameti Xb Maschili

Gameti maschili Y

Y

F2 XB

Gameti femminili

XB XB Xb

XB Y

Gameti femminili

XB XB XB

XB Y

XB Xb

XB Y

XB Xb

XB Y

Xb Xb

Xb Y

Xb

Xb

XB

Gameti femminili

XB Xb

Xb Y

Testcross

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«occhi bianchi» doveva essere recessivo, dato che tutti i moscerini della F1 avevano gli occhi rossi. Una femmina eterozigote, perciò, ha sempre occhi rossi: questa è la ragione per cui non comparivano femmine con occhi bianchi nella generazione F2. Invece, un maschio con un cromosoma X che possiede l’allele «occhi bianchi» dovrà sempre avere gli occhi bianchi dal momento che non è presente nessun allele sul cromosoma Y. Il maschio si dice emizigote per il carattere in questione, poiché ha la metà delle informazioni genetiche rispetto alla femmina.

Facciamo il punto

1. Quali furono i progressi in citologia che permisero a Sutton di giungere alle sue conclusioni? 2. Perché i caratteri legati al sesso non seguono in modo regolare le leggi mendeliane?

2

3. Perché il fatto di usare Drosophila come organismo modello è stato una buona scelta? 4. A quale conclusione giunse Morgan al termine dei suoi esperimenti con i moscerini della frutta?

Malattie genetiche e alberi genealogici

Le malattie autosomiche possono essere dominanti o recessive Ti ricordi? Un gene codifica per un certo carattere e si trova in un punto preciso di un cromosoma ma, poiché ci sono 2 copie di ciascun cromosoma, sono 2 anche le copie (alleli) di ciascun gene: una copia viene dal padre e una dalla madre. Se i due alleli sono uguali, l’individuo è omozigote per quel gene, se invece i due alleli sono diversi è eterozigote. Un allele può essere dominante, se determina il carattere che si impone sull’altro, o recessivo, se il suo carattere viene «coperto» dall’altro.

Gregor Mendel aveva elaborato le sue leggi eseguendo molti incroci e calcoli statistici su diverse generazioni, ma nessuna delle due procedure può essere applicata agli esseri umani, perciò la genetica umana può contare solo sullo studio delle genealogie. Dato che la nostra specie produce una prole molto meno numerosa delle piante di pisello, i rapporti numerici fra i fenotipi della prole non sono così netti come quelli osservati da Mendel. Per esempio, quando due individui eterozigoti (Aa) hanno dei figli, ognuno di essi ha una probabilità del 25% di essere omozigote recessivo (aa). Se questa coppia dovesse avere dozzine di figli, un quarto sarebbe omozigote recessivo (aa), ma la prole di un’unica coppia molto probabilmente è troppo scarsa per mostrare la proporzione esatta. In una famiglia con due figli, per esempio, ciascuno di essi potrebbe essere aa oppure Aa o AA. Chi studia la genetica umana ha bisogno di sapere se un allele raro, responsabile di un fenotipo anomalo, sia dominante o recessivo. Per capirlo si può usare un albero genealogico, un albero familiare che mostra la comparsa di un fenotipo (e i relativi alleli) in molte generazioni di individui. La figura 6A mostra un albero genealogico con la trasmissione ereditaria di un allele dominante. Da una simile genealogia si nota che: • ogni persona malata ha un genitore malato; • circa metà dei figli di un genitore malato è malata; • il fenotipo compare con la stessa frequenza nei due sessi. La figura 6B mostra invece la trasmissione ereditaria di un allele recessivo, in questo schema si nota che: • le persone malate hanno di solito due genitori sani; • nelle famiglie colpite dalla malattia, circa un quarto dei figli di genitori sani è malato; • il fenotipo compare con la stessa frequenza nei due sessi. Negli alberi genealogici che mostrano la trasmissione ereditaria di un fenotipo recessivo non è raro trovare un matrimonio fra consanguinei. Questo fatto è una conseguenza della rarità degli alleli recessivi che originano fenotipi anomali. Perché due genitori fenotipicamente normali abbiano un figlio malato (aa)

B6

capitolo A

Malattia autosomica dominante

B

Ogni individuo affetto dalla malattia di Huntington possiede un genitore malato.

B1 Gli sviluppi della genetica

Malattia autosomica recessiva ... e l’allele recessivo viene trasmesso a metà della progenie fenotipicamente sana.

Uno dei genitori è eterozigote…

Generazione I (genitori)

Generazione I (genitori)

Generazione II

Generazione II

Generazione III

Generazione III Generazione IV Eterozigote

Sano Femmina Maschio Unione

Malato (portatore sano)

Circa metà dei figli (di entrambi i sessi) di un genitore affetto dalla malattia è a sua volta malato.

Entrambi questi cugini sono eterozigoti.

L’unione di individui eterozigoti recessivi può dare origine a figli omozigoti recessivi di fenotipo albino.

Unione fra consanguinei

1 Figura 6 è necessario che siano entrambi eterozigoti (Aa). Se un certo allele recessivo è raro nella popolazione in generale, la probabilità che entrambi i genitori siano portatori di quell’allele è molto bassa. Se, però, quell’allele è presente in una famiglia, due cugini potrebbero condividerlo. Gli studi su popolazioni isolate per motivi geografici o culturali (come gli Amish negli Stati Uniti) hanno portato un contributo importante alla genetica umana, poiché gli individui di questi gruppi tendono a sposarsi fra loro. Entrambe le genealogie, sia quella che mostra la trasmissione di una malattia a fenotipo dominante sia quella a fenotipo recessivo, sono relative a malattie definite autosomiche, poiché i geni responsabili si trovano su uno dei 22 cromosomi non sessuali. Le patologie genetiche che non seguono nessuno dei due schemi appena descritti sono di solito legate a geni presenti sui cromosomi X o Y.

(A) Albero genealogico di una famiglia in cui alcuni individui sono affetti dalla malattia di Huntington, dovuta a un allele dominante; chi eredita l’allele è malato. (B) Albero genealogico di una famiglia portatrice dell’allele recessivo per l’albinismo: gli eterozigoti non manifestano il fenotipo albino, ma possono trasmettere l’allele ai propri figli.

A colpo d'occhio MALATTIE GENETICHE UMANE

L’ereditarietà legata al sesso si manifesta anche in alcune malattie

AUTOSOMICHE

Nella specie umana il cromosoma X porta un numero maggiore di geni r ispetto al cromosoma Y, anche per le dimensioni molto diverse. Un esempio di carattere legato al sesso è la presenza di peli sulle orecchie: il gene responsabile si trova sul cromosoma Y ed è assente sul cromosoma X, per cui solo i maschi possono manifestare questo carattere. Tuttavia, è più facile che si verifichi la situazione opposta, ossia che un gene sia presente sul cromosoma X e assente sul cromosoma Y. L’ereditarietà dei caratteri recessivi legati al cromosoma X è particolarmente studiata per alcune malattie umane. La peculiarità di questa ereditarietà, rispetto a quella dei caratteri studiati da Mendel (ovvero quelli portati dagli autosomi), si manifesta in diversi modi:

RECESSIVE

DOMINANTI

LEGATE AI CROMOSOSMI SESSUALI (X/Y)

• le femmine eterozigoti, dette portatrici sane , sono in genere fenotipicamente sane in quanto la presenza dell’allele sano dominante, posto su uno dei due cromosomi X, permette alle cellule di svolgere normalmente le proprie funzioni; • i maschi, invece, se sono portatori dell’allele recessivo, manifestano il fenotipo della malattia perché il cromosoma Y è privo dell’allele per quel carattere e quindi essi possiedono un allele solo;

B7

Questa donna ha ereditato un cromosoma X mutato dalla madre e un cromosoma X sano dal padre.

Questa donna è portatrice per l’allele mutato, ma è un eterozigote fenotipicamente sano. Femmina portatrice di un gene per il daltonismo su uno dei cromosomi X

Generazione I (genitori)

Generazione II

Femmina sana Maschio sano

Generazione III

Maschio malato Generazione IV

3 Figura 7 Albero genealogico in cui la madre è eterozigote per il daltonismo: uno dei due figli maschi è malato e una delle tre figlie femmine è portatrice sana. Nella generazione III, la figlia dell’uomo malato è portatrice sana, mentre il figlio è sano in quanto non eredita il cromosoma X del padre.

Due fratelli hanno ereditato il cromosoma X mutato dalla madre. Il maschio esprime la mutazione, la femmina è portatrice sana.

Quest’uomo è malato perché ha ereditato il cromosoma X mutato dalla madre e un cromosoma Y sano dal padre. Egli ha trasmesso il cromosoma X mutato a sua figlia (portatrice sana), che ...