Fondamenti di Genetica

Fondamenti di genetica

Prof.ssa Anna Olivieri
Appunti di Antonio Leoni
UNIPV A.A. 2020/2021

Indice

• Introduzione ......................................................................................................................................... 6
• 1. Il Mendelismo .............................................................................................................................. 7
  • 1.1 Organismo Modello ............................................................................................................... 7
  • 1.2 Variabili interessate negli studi scientifici ............................................................................. 8
    • 1.2.1 Discontinue ................................................................................................................... 8
    • 1.2.2 Continue ........................................................................................................................ 9
  • 1.3 Quadri di ereditarietà .............................................................................................................. 9
  • 1.4 Gli studi di Mendel ................................................................................................................. 9
    • 1.4.1 Perché il Pisum Sativum? .......................................................................................... 10
    • 1.4.2 Schema degli esperimenti di Mendel ........................................................................ 11
  • 1.5 Differenze tra Genotipo e Fenotipo ....................................................................................... 12
  • 1.6 La prima legge di Mendel ....................................................................................................... 13
  • 1.7 Distribuzione fenotipica in un incrocio con due caratteri ....................................................... 14
  • 1.8 La seconda legge di Mendel .................................................................................................... 17
  • 1.9 I geni sui cromosomi ............................................................................................................... 17
  • 1.10 Uno sguardo all’uomo ............................................................................................................ 18
  • 1.11 Variazioni sul tema Mendeliano ............................................................................................ 19
• 2. Mitosi e Meiosi ........................................................................................................................... 23
  • 2.1 Il ciclo cellulare ....................................................................................................................... 23
  • 2.2 Fase M ...................................................................................................................................... 25
  • 2.3 La meiosi .................................................................................................................................. 27
    • 2.3.1 Meiosi I ........................................................................................................................ 28
    • 2.3.2 Meiosi II ........................................................................................................................ 29
    • 2.3.3 I movimenti dei cromosomi alla meiosi ........................................................................ 30
    • 2.3.4 Combinazioni di geni ..................................................................................................... 30
    • 2.3.5 Confronto Mitosi e Meiosi ............................................................................................ 32
  • 2.4 Produzione di spermatozoi e uova nell’Uomo ......................................................................... 33
• 3. Citogenetica: Cariotipo e aberrazioni cromosomiche ............................................................... 35
  • 3.1 Il numero cromosomico .......................................................................................................... 35
  • 3.2 Il cariotipo .............................................................................................................................. 36
    • 3.2.1 Posizione del centromero ............................................................................................ 37
    • 3.2.2 Allestimento del cariotipo ............................................................................................ 38
    • 3.2.3 Tipi di Bandeggi .............................................................................................................. 39
    • 3.2.4 Nomenclatura ................................................................................................................ 40
    • 3.2.5 Identificazione di cariotipi aberranti ............................................................................. 41
  • 3.3 Diagnosi prenatili dove avviene l’analisi del cariotipo ......................................................... 42
  • 3.4 Anomalie cromosomiche ........................................................................................................ 44
    • 3.4.1 Aneuploidia ................................................................................................................... 45
    • 3.4.2 Cause di aneuploidie: Non disgiunzione meiotica ....................................................... 46
    • 3.4.3 Tipi di Aneuploidie ........................................................................................................ 47
    • 3.4.4 Aneuploidie dei cromosomi sessuali ........................................................................... 48
  • 3.5 Alterazioni strutturali dei cromosomi ...................................................................................... 49
    • 3.5.1 Inversioni ..................................................................................................................... 50
    • 3.5.2 Esempi di alterazioni per la delezione ......................................................................... 50
    • 3.5.3 Traslocazioni .................................................................................................................. 51
    • 3.5.4 Sindrome di Down familiare ......................................................................................... 51
    • 3.5.5 La disomia uniparentale ............................................................................................... 53
    • 3.5.6 Variazioni del numero di copie (CNV) ......................................................................... 54
    • 3.5.7 Siti fragili ........................................................................................................................ 55
• 4. Analisi del pedigree in genetica umana ..................................................................................... 56
  • 4.1 Analisi degli alberi genealogici ................................................................................................. 56
  • 4.2 Costruzione e analisi di un pedigree ....................................................................................... 56
  • 4.3 Fibrosi cistica ............................................................................................................................ 59
  • 4.4 Anemia falciforme ................................................................................................................... 60
  • 4.5 Caratteristiche di un carattere dominante ............................................................................ 62
  • 4.6 Trasmissione ereditaria legata ai cromosomi sessuali ............................................................ 64
    • 4.6.1 Caratteri dominanti legati all’X .................................................................................... 64
    • 4.6.2 Caratteri recessivi legati all’X ....................................................................................... 65
    • 4.6.3 Caratteri legati all’Y: ereditarietà oloandrica ................................................................. 67
  • 4.7 Ereditarietà mitocondriale ...................................................................................................... 68
  • 4.8 Penetranza ed espressività ..................................................................................................... 69
• 5. Geni e funzione .......................................................................................................................... 71
  • 5.1 Enzimi e vie metaboliche ......................................................................................................... 73
  • 5.2 Deficienze enzimatiche ............................................................................................................ 76
  • 5.3 Loss of function o gain of function ........................................................................................... 76
  • 5.4 Geni ed enzimi del metabolismo dei carboidrati ..................................................................... 78
  • 5.5 Difetti delle proteine di trasporto: Emoglobina ....................................................................... 79
  • 5.6 Farmacogenetica, farmacogenomica ed ecogenetica ............................................................. 82
• 6. Le mutazioni geniche ................................................................................................................. 84
  • 6.1 La mutazione genica................................................................................................................. 86
  • 6.2 La mutazione genica è un processo casuale o indotto? ......................................................... 89
  • 6.3 Basi molecolari di una mutazione spontanea .......................................................................... 90
  • 6.4 Le mutazioni indotte ................................................................................................................ 93
    • 6.4.1 Radiazioni ionizzanti ..................................................................................................... 93
    • 6.4.2 Agenti mutageni chimici ................................................................................................ 94
    • 6.4.3 Agenti intercalanti .......................................................................................................... 94
  • 6.5 Epigenetica ............................................................................................................................... 96
• 7. Il codice genetico ....................................................................................................................... 99
• 8. Genetica molecolare e DNA ricombinante .............................................................................. 102
  • 8.1 La clonazione .......................................................................................................................... 102
  • 8.2 Clonazione animale ................................................................................................................ 103
    • 8.2.1 Separazione Embrionale (Fusione Nucleare) ........................................................ 103
    • 8.2.2 Trasferimento nucleare ............................................................................................... 104
    • 8.2.3 Microiniezione del nucleo ........................................................................................... 105
  • 8.3 Tecniche del DNA ricombinante ......................................................................................... 105
  • 8.4 Genoteche di DNA ............................................................................................................. 109
    • 8.4.1 Cercare un clone di interesse ................................................................................... 109
  • 8.5 PCR ..................................................................................................................................... 110
  • 8.6 Sequenziamento Sanger .................................................................................................... 112
  • 8.7 Next generation sequencing ............................................................................................. 115
• 9. Dal concetto di gene al genoma umano .................................................................................. 116
  • 9.1 Gene nei procarioti diverso da gene negli eucarioti .............................................................. 120
  • 9.2 Geni sovrapposti .................................................................................................................... 122
  • 9.3 Splicing alternativo ................................................................................................................. 122
  • 9.4 Ricombinazione somatica nel gene........................................................................................ 125
  • 9.5 I geni ....................................................................................................................................... 126
  • 9.6 Associazione tra carattere autosomico dominante e gruppo sanguigno .............................. 127
  • 9.7 Progetto Genoma Umano ...................................................................................................... 131
• 10. Genetica e cancro ................................................................................................................. 136
  • 10.1 Legame tra cancro e genetica .............................................................................................. 137
  • 10.2 Caratteristiche del cancro .............................................................................................. 137
  • 10.3 Tumori ereditari e sporadici .......................................................................................... 138
  • 10.4 Regolazione del ciclo cellulare ....................................................................................... 139
  • 10.5 Retinoblastoma .................................................................................................................... 140
  • 10.6 Protooncogene ras ........................................................................................................... 142
  • 10.7 Cancro al seno ................................................................................................................ 142
  • 10.8 Cancro al colon .............................................................................................................. 143
  • 10.9 Geni ibridi e cancro ........................................................................................................ 146
  • 10.10 Confronto tra l’effetto delle mutazioni: protooncogeni e oncosoppressori ................. 148
  • 10.11 Genomica e cancro ........................................................................................................ 149
  • 10.12 Epigenetica e cancro ...................................................................................................... 150
  • 10.13 Le vie genetiche del cancro ........................................................................................... 150
  • 10.14 Cancro e ambiente ......................................................................................................... 151
• 11. Sviluppo e determinazione del sesso .................................................................................. 152
  • 11.1 Tappe del differenziamento sessuale .................................................................................. 154
  • 11.2 Mutazioni cromosomiche .................................................................................................... 156
  • 11.3 Compensazione del dosaggio genico ................................................................................... 158
• 12. CRISPR/Cas9 : Premio Nobel 2020 (fuori programma) ......................................................... 162
  • 12.1 Come agisce il complesso CRISPR-Cas9 ............................................................................... 164
  • 12.2 Applicazioni di CRISPR-Cas9 ................................................................................................. 166

Introduzione

La genetica è lo studio dell’ereditarietà. Studia come i caratteri e le malattie sono trasmessi di generazione in generazione. Verrà affrontata a partire da Mendel e le sue leggi, passando per i cromosomi, la struttura del genoma, il cariotipo e le mutazioni. Si faranno anche alcuni studi di associazione e si affronterà il tema delle mappe cromosomiche. Dopo aver parlato dell’ereditarietà cromosomica si passerà al dettaglio molecolare e quindi al DNA, alla genomica e alle applicazioni riscontrabili nella bioingegneria. Il fine di tutto il corso sarà capire, una volta ultimato, cos’è il gene nell’uomo. Si faranno degli accenni di regolazione dell’espressione dei geni negli eucarioti e del ciclo cellulare al fine di comprendere le basi genetiche del cancro. Inoltre, si affronteranno i temi relativi alla genetica del differenziamento e dello sviluppo animale.

1. Il Mendelismo

Il mendelismo è il termine usato in biologia per indicare l'insieme di quei fatti relativi all'ereditarietà dei caratteri negli organismi, messi in luce da Mendel e che si possono sintetizzare nelle tre "leggi" che vanno sotto il suo nome. Lo studio della trasmissione dei geni tra le generazioni è stato affrontato tramite l’utilizzo degli organismi modello.

1.1 Organismo modello

Un organismo modello è quel particolare organismo che viene sottoposto a degli studi per comprendere particolari fenomeni, talvolta rendendoli più semplici, in base al presupposto che le acquisizioni fatte sull'organismo modello possano fornire indicazioni sugli altri organismi. Questi tipi di organismi sono stati la svolta dello scorso secolo. Si evince che è necessario un organismo modello per ogni tipologia di esperimento che vado a condurre. Esistono infatti degli organismi modello per i procarioti (es: batteri) e per gli eucarioti. Si parte solitamente da eucarioti semplici come ad esempio il lievito. Quindi deducendo qualcosa sul lievito si possono applicare le stesse deduzioni su organismi di una complessità più alta. Da questo tipo poi si arriva a organismi complessi come le piante o il mais (deduzione sui trasposoni) o il topo (mus musculus). Anche l’uomo in sé può essere considerato un organismo modello, infatti, l’uso delle linee cellulari di derivazione umana hanno permesso di comprendere le caratteristiche del metabolismo delle cellule umane.

• Facile da allevare o coltivare.