Interazione tra geni e con l’ambiente, mutazioni

Lezione 12. Interazione tra geni

L’azione dei geni non è mai isolata, ma influenzata da altri geni, interazioni tra geni rilevate tramite analisi → molecolare o genetica.

Il controllo genetico delle vie metaboliche, serie di conversioni enzimatiche dove i geni coinvolti controllano la produzione degli enzimi, esempi: in Neurospora, arginina; nell’uomo, fenilalanina e tirosina.

Complementazione tra geni

Per determinare se due mutanti con lo stesso fenotipo, linee pure isolate indipendentemente, hanno mutazioni nello stesso gene o in geni diversi si effettua il test di complementazione.

Se l’incrocio tra due mutanti produce una progenie con fenotipo selvatico significa che le due mutazioni sono in geni diversi → complementazione negli individui della progenie; se l’incrocio, invece, produce progenie con fenotipo mutante significa che le due mutazioni sono sullo stesso gene e quindi non c’è complementazione.

Complementazione → situazione in cui il difetto di un mutante viene compensato dalle funzioni di un altro e viceversa. La funzione che manca in un mutante è presente nel genoma di un altro.

Esempio: Drosophila

Esempio: Drosophila. In Drosophila, due linee pure mutanti hanno corpo nero invece di grigio giallastro, fenotipo selvatico.

Il motivo del corpo mutato è diverso nei parentali, uno è omozigote recessivo per il gene e, ebony, l’altro per il gene b, black.

Quando due mutanti vengono incrociati, la progenie della F1 ha corpo del fenotipo selvatico, eterozigote, entrambi i geni con un allele funzionante. Complementazione in due geni implicati nel fenotipo del colore del corpo →

Esempio: Lathyrus odoratus

Esempio: Lathyrus odoratus, interazione tra geni in una via biosintetica descritto da Bateson e Punnet → Parentali: AAbb X aaBB, incolore.

F1: AaBb, porpora selvatico →

F2: Rapporto 9/16 : 7/16, rapporto “diagnostico” per geni coinvolti nella stessa via metabolica → porpora : incolore.

Gli alleli dominanti A e B controllano la produzione rispettivamente degli enzimi α e β funzionali, mentre gli alleli a e b determinano assenza di attività enzimatica, geni complementari →

! Nella progenie di individui omozigoti per mutazioni recessive in due geni diversi ma con identico fenotipo si può osservare complementazione.

La progenie, infatti, essendo eterozigote in entrambi i loci genici, risulta di fenotipo selvatico.

Un esempio è l’albinismo, da due genitori albini può nascere un figlio di fenotipo selvatico.

Epistasi

Interazione che non porta la comparsa di nuovi fenotipi ma impedisce l’espressione del fenotipo determinato da un gene per l’azione del prodotto di un altro gene, o più geni.

Spesso coinvolti geni che contribuiscono a differenti passaggi di una stessa via biosintetica.

Epistatico: è il gene che maschera.

Ipostatico: è il gene la cui azione viene mascherata.

Dati due loci non allelici A e B, dove A, epistatico, maschera l’azione di B, l’epistasi può:

• Essere causata dall’omozigosi recessiva dell’allele A, → epistasi recessiva, mancanza del suo prodotto genico, a/a maschera l’azione di B;
• Derivare dalla presenza di un allele dominante nel locus A, → epistasi dominante, presenza del suo prodotto genico, A/- maschera l’azione di B.

Epistasi recessiva

Determinazione del colore del pelo nei roditori, geni A e C.

Gene C, gene della via biosintetica del pigmento: C pigmento nero → c pigmento assente-fenotipo albino.

Gene A, gene che controlla la distribuzione del pigmento: A bandeggio → a nessun bandeggio.

Aguti è una colorazione di pelo grigiastra, dovuta alla presenza di una banda gialla tra due bande nere, peli nel mantello.

F2 Rapporto 9:3:4.

Via biosintetica: S1 → S2 → nero (→ A), il prodotto del gene A controlla la distribuzione del pigmento nel tessuto, la sua azione è esterna alla via biosintetica.

Riprendendo l’esempio di “Lathyrus odoratus”, avendo nella F2 fiori di colore bianco per 3/16 aaB- (a epistatico su B, b) e 3/16 A-bb (b epistatico su A, a), doppia epistasi recessiva →

Epistasi dominante

Determinazione del colore del frutto nella zucca, geni W e Y.

Gene Y: Y frutto giallo, y frutto verde. Gene W: W maschera azione di Y, sia con Y o y frutto bianco → Rapporto 12:3:1.

Via biosintetica: Sn → bianco → verde → giallo. W, agendo su Y, impedisce la colorazione del frutto → Y.

Esempio: Determinazione della colorazione dei polli, gene inibitore I.

Epistasi a carico di geni duplicati

Un gene in un locus può determinare fenotipo identico a quello prodotto da un gene in un secondo locus.

Quando è implicata epistasi recessiva o dominante con entrambi i geni, questo determina una modificazione del rapporto 9:3:3:1.

Esempio: Forma del frutto di Capsella bursa pastoris.

Forma ovoidale → Gene A1 → Forma cuore.

Doppia epistasi dominante. 15:1.

Interazione tra geni: due geni e un carattere

• Epistasi recessiva F2, 9 : 4 : 3, il mantello dei roditori →
• Cc maschera azione di A →
• Epistasi doppia recessiva, geni complementari, F2 9:7 →
• Epistasi dominante F2 12 : 3 : 1, il colore del frutto della zucca →
• W- maschera azione di Y →
• Geni duplicati F2 15 : 1 →
• A1 e A2 svolgono la stessa funzione →

Lezione 13. Interazione con l’ambiente

Penetranza

Penetranza → percentuale di individui con un certo genotipo che mostra il fenotipo previsto, AA, Aa, aa.

Può essere completa, ad un determinato genotipo corrisponde nel 100% dei casi un determinato fenotipo, o incompleta, organismi con alleli geneticamente identici possono sviluppare fenotipi distinti.

Esempio: Brachidattilia.

È un carattere dominante autosomico, si manifesta con penetranza dal 50 all’80%.

La donna evidenziata, pur essendo eterozigote, non presenta il carattere ma lo trasmette alla progenie: penetranza incompleta →

Studi sulla penetranza dei caratteri:

• Quanto della manifestazione fenotipica è dovuto al genotipo e all’ambiente: alta penetranza, forte contributo → del genotipo;
• Bassa penetranza, effetto → dell’ambiente.

Studio dei gemelli monozigotici, individui con lo stesso genotipo che possono manifestare in modo diverso un determinato carattere; se la concordanza si verifica in numerose coppie significa che il carattere ha una forte componente genetica, analisi dei caratteri per stimare la % di concordanza →

Espressività

Espressività → è il grado con cui un gene o un genotipo è espresso fenotipicamente in un individuo.

Dipende sia da genotipo sia da ambiente, interno o esterno. Può essere costante o variabile. A livello molecolare: «grado» di funzionamento della proteina codificata da un gene.

Espressività variabile, esempi:

• Diverse malattie nell’uomo: in presenza degli stessi alleli la gravità di una determinata malattia può essere diversa, esempio: osteogenesi imperfetta, OMIM 166200;
• Accumulo di antocianine nelle arance;
• Pezzatura del mantello del bracco;
• La mutazione Lobe in Drosophila →
• Tutti eterozigoti Ll: individui con stesso genotipo ma fenotipo diverso. Per dimostrare penetranza variabile.
• Individui con stesso genotipo. Tutti manifestano carattere ma in modo differente.
• Individui con stesso genotipo. Il carattere non si manifesta in tutti e quando lo fa il grado varia.

Effetti ambiente sull’attività dei geni

• Il colore delle corolle dei fiori è più intenso ad altitudini elevate, maggiore irraggiamento della luce UV, stimola attività geni coinvolti nella biosintesi;
• Resa di una pianta coltivata, concimazione e disponibilità di acqua;
• Il colore del mantello dei gatti siamesi è più scuro alle estremità, la temperatura corporea è inferiore, questa facilita l’attività degli enzimi coinvolti nella sintesi della melanina, segnale interno →

Allele difettoso al locus C che codifica per tirosina chinasi: c^s; nei gatti c^s/c^s l’enzima funziona a temperature più basse.

• Nell’uomo: Fenilchetonuria, con dieta adeguata, povera di derivati animali, si può attenuare la gravità dei sintomi portando ad un fenotipo normale.

Lezione 14, 15. Mutazioni

Cambiamento ereditabile del DNA che può avere conseguenze sul fenotipo.

• Geniche → cambiamento di un allele A in a, oppure viceversa, reversioni. Interessano un singolo gene, puntiformi →
• Cromosomiche → interessano tratti di cromosomi, sono variazioni della struttura o del numero dei cromosomi rispetto ad un normale assetto cromosomico.
• Genomiche → interessano intero assetto cromosomico.

Mutazioni geniche

Cambiamenti chimici spontanei:

• Errori nella replicazione del DNA, appaiamenti non corretti; inserzioni o delezioni;
• Errori nella ricombinazione;
• Elementi trasponibili.

Indotta:

• Agenti mutageni chimici o fisici.

Appaiamenti non corretti →

Errori durante la replicazione del DNA

Oscillazioni tautomeriche o cambiamenti di stato delle basi: tautomeri, stati alternativi in cui ogni base può esistere.

In seguito ad un appaiamento errato su uno dei filamenti durante la replicazione, la prima progenie presenterà un filamento corretto e uno errato. Dopo la successiva replicazione, uno dei due filamenti originati dal filamento errato sarà errato, mutante, mentre l’altro sarà corretto. Esempio: da GC, nella seconda progenie si avrà AT.

Transizione → mutazione che sostituisce una coppia di basi purina-pirimidina con un’altra coppia purina-pirimidina, come A-T con G-C.

Trasversione → mutazione che sostituisce una coppia di basi purina-pirimidina con una coppia pirimidina-purina, come G-C con C-G o A-T con C-G.

Deamminazione

Rimozione di un gruppo amminico da una base.

Solitamente meccanismi di riparazione rimuovono l’uracile nel DNA, minimizzando così le conseguenze mutazionali della deamminazione della citosina. Se questi non agiscono si ottiene una sostituzione della coppia di basi nel successivo ciclo di replicazione, U=A → T=A, C-G → T-A per transizione.

I punti caldi mutazionali, hot spots, sono punti dove la deamminazione avviene con frequenza più alta.

Depurinazione

Rimozione