Appunti del corso di Modelli animali

BIOTECNOLOGIE DI BASE E MODELLI ANIMALI

Lezione 1

Modello animale: organismo, specie studiata per la comprensione di particolari

specie modello perché le acquisizioni fatte su

fenomeni biologici. Utilizziamo una

quello ci possano dare indicazioni anche su altri organismi. Ciò è possibile proprio

perché i principi biologici fondamentali, come vie metaboliche, geni di

regolazione e sviluppo, si mantengono attraverso l’evoluzione. (geni altamente

conservati) specie modello?

Come viene scelta una I ricercatori cercano un organismo che

risponda a determinate caratteristiche e necessità, in particolare si guardano

questi fattori:

 dimensioni: facili da tenere in laboratorio, né particolarmente piccole né

grandi per garantire la giusta maneggiabilità

 tempo di generazione: riproduzione veloce, non animali dal ciclo di vita

eccessivamente prolungato

 accessibilità: di facile reperibilità, facile da reperire, allevare, manipolare

 genetica: abbastanza semplice (magari con un piccolo corredo

cromosomico)

 conservazione dei meccanismi

Un esempio di modello animale è la DROSOPHILA MELANOGASTER: moscerino

della frutta, uno degli organismi viventi più studiati. E’ stato utilizzato sin dai primi

‘900

anni del per degli i famosi esperimenti di Morgan

studi di genetica di base,

hanno permesso di approfondire il lavoro di mendel e difatto sono stati descritti i

meccanismi ereditari legati al cromosoma X.

I motivi per cui è un modello di studio sono i seguenti:

 insetto piccolo, che non occupa spazio e facile da allevare in laboratorio. In

natura si nutre di lieviti che crescono sulla frutta marcescente, ma in

laboratorio possiamo preparare una dieta artificiale a base di lievito.

e anche un’elevate

 ha un breve tempo di gestazione (2 settimane)

riproduttività (ogni singola femmina può deporre fino a 600 uova in 10 giorni)

 corredo genomico semplice: ha solo 4 paia di cromosomi: 3 autosomi e 1

sessuale

 tecniche di trasformazioni genetiche sono state disponibili sin dal 1987, ed è

dunque semplice creare dei mutanti

 il sequenziamento del suo genoma è stato completato nel 1998

 le mutazioni genetiche sono molto frequenti

Tra alcuni studi su questi insetti uno in particolare ha avuto anche il premio nobel,

dato nel 2017 per medicina e fisiologia, per le loro scoperte riguardanti i

a livello dell’ipotalamo ci

ritmi circadiani:

meccanismi molecolari che controllano i

sono dei geni che hanno un’importanza fondamentale per mantenere un

bioritmo interno che a sua volta si sincronizza con l’alternanza luce-buio, mediante

il chiasma ottico, che permette il passaggio dei nervi ottici. Dopo le informazioni

sensoriali riguardanti la luce, il bioritmo si sincronizza con il gene tau ed il gene ter

che sono collocati nell’ipotalamo che sono in gradi di garantire il mantenimento

Esempio: se noi prendiamo un animale e lo

di questi determinati gruppi endogeni.

teniamo costantemente al buio, questi ritmi continuano m si sfasano nel tempo, in

quanto non più controllati dall’alternarsi luce buio, ma possono rallentare o

velocizzarsi.

Sui ritmi circadiani sono basate tantissime nostre funzioni vitali come per esempio il

la fame, la coordinazione (varia a seconda dell’orario della

ritmo sonno-veglia,

giornata), la temperatura corporea e la pressione sanguigna.

Queste funzioni vitali solo dettate da geni che sono altamente conservati e sono

presenti anche negli insetti: tutto quello che regola il bioritmo nei mammiferi è

uguale negli insetti. Infatti questi geni tau e ter, presentano sequenze

drosophila che nell’uomo. Tutto ciò

nucleotidiche identiche sia nel topo che nella

è impressionante perché gli insetti si sono separati dalla linea che ha portato i

mammiferi molto tempo fa: l’antenato comune a insetti e mammiferi aveva

dunque già questi geni che si sono conservati in entrambi, questo perché sono di

importanza fondamentale per la sopravvivenza, un cambiamento potrebbe

portare a condizioni incompatibili con la vita.

Altri organismi invertebrati famosi

 Hydra (phylum: cnidari), è un polipo che vive in acqua dolce, specie molto

per l’alta capacità di rigenerazione. Eutelia: caratteristica fa si che

studiata

tutti gli organismi di una specie abbiano un numero costante di cellule che

si differenzia alla fine dello sviluppo embrionale e rimane tale durante tutta

la vita.

 Coenerhabditis enegans è un verme (nematodi), impiegato nello studio

della differenziazione cellulare e dell’apoptosi.

 Cepaea nemoralis è un gasteropode (molluschi) utilizzato negli studi sulla

ereditarietà e in biologia evolutiva

 Euprymna scolopes è un calamaro delle Hawaii, modello di simbiosi tra

animali e batteri nella produzione di sistemi bioluminescenti

 Loligo pelaei è un calamaro oggetti di ampi studi neurologici a causa del

suo assone gigante: non è rivestito da guaina mielinica, in quanto

invertebrati, ma la velocità dell’impulso è garantita dalle dimensioni

dell’assone (in maniera direttamente proporzionale). Utilizzato per studi di

fisiologia del sistema nervoso proprio per la dimensione dell’assone.

 Ricci di mare (echinodermi), usati per gli studi dello sviluppo embrionale

perché sono euterostomi(‘), con caratteristiche simili a quello dei cordati.

 Ciona intestinalis, ascidia (cordati, phylum al quale apparteniamo anche

noi). Studi fatti sul genoma paragonandolo al nostro

Nell’ambito dei vertebrati

 Zebrafish: corpo quasi trasparente che rende possibile la visione

dell’anantomia interna dell’animale  utile per studiare la fisiologia di

organi e apparati

 Rattus norvegicus e mus musculus (cordati) sono il ratto e il topo, modelli

animali in tossicologia, come modello neurologico e come fonte di colture

primarie.

La vita è una gerarchia autoreplicante di livelli e la biologia è proprio lo studio dei

    

livelli che la compongono. Geni proteine cellule organi organismi

popolazioni.

Nessun fenomeno può essere isolato dagli altri, sono tutti relazionati tra loro.

Lo scopo è quello di cercare di capire quali sono di capire i principali phyla

animali, come svolgono le funzioni vitali, che caratteristiche hanno e le differenze

ma anche tra gli animali e l’uomo stesso. Dobbiamo concentrarci

tra i vari animali,

sulla biodiversità nel mondo animale e capirne le principali caratteristiche in

relazione al loro sviluppo e all’ambiente in cui vivono (che è determinante per

avere successe nell’ambiente stesso).

Analizzeremo 3 grandi caratteristiche:

 classificazione,

Piani organizzativi: cosa ci permette di attribuire un animale

ad un determinato phylum, simmetria, cefalizzazione, altro strumento di

diversificazione degli animali (formazione della zona del corpo dove si

–

addensano gangli per la formazione del SNC non in tutti è presente infatti

spesso ci troviamo di fronte ad un sistema nervoso primitivo dove non c’è

solo quando c’è si può parlare di cefalizzazione

separazione tra snc ed snp, –

- processo evolutivo importante), cavità corporee (celoma cavità

corporea che si crea all’interno del corpo dell’animale tra il digerente e la

parete del corpo. E’ una conquista evolutiva perché cambiano forma,

diventando cilindrici da piatti e conquistano uno spazio in cui organizzare i

vari organi e apparati.

 Funzioni vitali: tegumento, significato e tipologie oppure circolatorio (capire

come fanno a svolgere quelle funzioni gli animali in cui non è presente),

scheletro e la sua funzione di sostegno.

 

Biodiversità: caratteristiche dei principali phyla animali poriferi, cnidari,

platelminti, nematodi, anellidi, molluschi, artropodi, echinodermi, cordati

(vertebrati: pesci, uccelli, mammiferi). Analisi anche delle classi in ogni

phylum e delle differenze.

MODELLI ORGANIZZATIVI E SVILUPPO: SIMMETRIA, CELOMA

In passato gli esseri viventi venivano riconosciuti in 5 regni

 Piante

 Funghi

 Animali

 Monera (procarioti)

Da un punto di vista genetico ulteriore divisione in 3 domini: –

 

archeobatteri procarioti primitivi, (batteri estremofili metanogeni, alofili

estremi, termofili estremi)

 

eubatteri procarioti evolutivi

 

eucarioti organismi nucleati comprendenti piante, funghi e animali

Oggi invece abbiamo 7 regni diversi:

ARCHEA,

1) procarioti con caratteristiche biochimiche uniche, principalmente

di composizione della membrna acellulare, spesso vivienti in condizioni

ambientali estreme per la composizione chimica, pressione e temperatura

BACTERIA,

2) procarioti batteri o solo eubatteri, in senso stretto, comprendente

la maggior parte dei procarioti

PROTISTA,

3) o protozoi in senso stretto, costituito da eucarioti unicellulari

CHROMISTA,

4) cromisti eucarioti unicellulari o pluricellulari, per la maggior

parte fotosintetici, con caratteristiche proprie, come il cloroplasto costituito

da 4 membrane ecc..

FUNGHI,eucarioti

5) eterotrofi, unicellulari o pluricellulari, individuati da alcune

particolarità strutturali e metaboliche.

PLANTAE,

6) piante, costituito dagli organismi autotrofi con differenziamento

cellulare

ANIMALIA,

7) animali, costituito dagli organismi eterotrofi con differenziamento

cellulare

Noi studiamo in mondo degli ANIMALI, organismi eterotrofi con differenziamento

cellulare. La possibilità di riconoscere la biodiversità, la classificazione gerarchica

viene introdotta da Carlo Linneo, nel 700 (prima non avevamo la possibilità di

nomenclatura binomia:

riconoscere gli animali). Introdusse la ad ogni specie

due nomi latinizzati:

vengono assegnati

 genere

primo nome:

 specie

secondo nome: 

Specie

La classificazione gerarchica in gruppi progressivamente più ampi:

    

famiglia ordine classe phylum regno

genere

Classificazione: strumento fondamentale per lo studio scientifico

La tassonomia sistematica è l’identificazione, la denominazione e la



classificazione delle specie: importanza pratica di queste nozioni dobbiamo

avere un modello sperimentale sicuro, dobbiamo sapere che ho a che fare con

una determinata specie + gestione ecosistemi: quando parliamo di biodiversità e

della sua conservazione, quindi salvaguardia di ambienti ed ecosistemi. Capirne

l’inquinamento e specie in cui vivono. (esempio: se dobbiamo proteggere parte

del nostro ambiente dall’attacco di uno specifico insetto debbiamo avere tutte le

–

informazioni possibili per combatterlo con efficacia plasmodio malaria).

Linneo primo a fare ordine nelle specie e adottò anche il criterio di similitudine per

attribuirle ad un determinato taxon, anziché quello delle differenze tra gli individui.

strettamente imparentate, ma in realtà l’unica

Un genere è un gruppo di specie

entità biologica vera è la specie, tutte le altre categorie sono artefici del nostro

sistema di classificazione.

Che cos’è una SPECIE? Abbiamo diversi approcci:

 

concetto biologico

Mayr: di specie le specie sono gruppi di popolazioni

naturali interfeconde, capaci di incrociarsi per produrre progenie fertili e

flusso genico

riproduttivamente isolate da altri gruppi simili. Considera il tra le

specie.

Il concetto biologico è importante perché colloca la tassonomia delle

specie nello schema concettuale della genetica delle popolazioni.

 Concetto ecologico di specie: ritengo appartenenti a d una stessa specie

tutti gli individui che occupano un determinata nicchia ecologica (ogni

specie ha la propria diversa nicchia: ovvero fattori biotici (umidità, calore),

abiotici (parassitismo, altri organismi con cui competono per il dominio del

determinato habitat).

territorio) che caratterizzano un Insieme delle risorse e

degli habitat sfrutti da una specie costituisce la sua nicchia ecologica

 Concetto fenetico: caratteristiche visibili,

basato sulle morfologiche. Insieme

di caratteristiche morfologiche che permette ad un tassonomo di definire

una specie, mediante cioè attributi condivisi.

l’insieme di popolazioni che condividono un

 Concetto filogenetico:

Viene considerato l’aspetto evolutivo.

antenato comune.

Accanto a tutti questi approcci oggi abbiamo altri strumenti che ci aiutano a

DNA BARCODING

definire una specie: metodi molecolari, come ad esempio in

che ci permette di individuare gli appartenenti ad una specie sulla base della

sequenza nucleotidica DNA mitocondriale che codifica per

di un segmento di

l’enzima citocromo ossidasi, importante per il ciclo di krebs. Grazie alla sequenza

di questo gene possiamo separare le specie le une rispetto alle altre, distinzione

fino al 95% (è presenta una banca data in cui si possono confrontare i vari dna per

capire la specie di appartenenza).

I tradizionali approcci allo studio della tassonomia sono tutt’ora validi ma

l’introduzione di metodi molecolari come il DNA barcoding può migliorare tali studi

con una futura identificazione e classificazione che dipende da:

 morfologia tradizionale

 moderni metodi molecolari

Lezione 2

Cosa significa essere riproduttivamente isolati?

Le impediscono incroci interspecifici e si differenziano in

BARRIERE DI ISOLAMENTO

due gruppi:

 pre-zigotiche: prima della formazione dello zigote. Si instaurano per far si

che non si formi uno zigote, ovvero lo spermatozoo non può fecondare

l’uovo. E ne esistono di 3 tipi:

 temporale: accoppiamento o la fioritura avvengono in stagioni diversi

dell’anno o in momenti diversi del giorno

 habitat: esiste una barriera fisica, un individuo di una popolazione non

può incontrare quello di un’altra. La separazione fa si che vengano

acquisite caratteristiche differenti in modo tale che anche se si

dovessero incontrare, la fecondazione non avviene

 comportamento: gli individui delle specie non si riconoscono come

potenziali partner riproduttivi. (esempio: uccelli devono fare danze

particolari per far colpo sugli esemplari femminili, con lo scopo di

mostrare la buona qualità genetica e anche per dimostrare l’idealità

solo in quella specie). Stimoli chimici.

Esistono anche possibilità di accoppiamento tra specie diverse perché non

funzionano quelle pre-sinaptiche e quindi intervengono altri tipi di

isolamento:

 isolamento meccanico: differenze anatomiche a livello degli organi

dell’atto di fecondazione.

genitali che impediscono lo svolgersi

 Isolamento genetico: i gameti maschili e femminili non si uniscono e

pertanto non si ha fecondazione

 post zigotiche: dopo la formazione dello zigote. Isolamento non è stato

possibile precedentemente quindi abbiamo due possibilità:

 mortalità degli ibridi: lo zigote ibrido non completa lo sviluppo o

comunque l’individuo non sopravvive fino al raggiungimento della

maturità riproduttiva

 sterilità degli ibridi: gli ibridi non sono capaci di produrre gameti

funzionale

difficile stabilire a che livello riproduttivo avviene l’isolamento di una

N.B. È

determinata specie e spesso cambiano a seconda di molte variabili (es.

ambiente), spesso è difficile assistere la comparsa a nuove specie, mentre in altre

sono molto fluttuabili (insetti).

Se non interviene nessuna di queste barriere abbiamo quindi una progenie vitale e

fertile. il variare

Qualsiasi specie non è in condizione statica ma in continua evoluzione:

delle condizioni ambientali può annullare le barriere di isolamento.

Seppure siano gli insetti gli animali col maggior tasso di variabilità date le

numerose specie, tra i mammiferi i pesci hanno un numero elevato di specie e

dunque hanno avuto una buona variazione adattativa.

lago vittoria,

Un esempio tangibile si ritrova nel uno dei grandi laghi africani, famosi

poiché hanno permesso una grandissima speciazione nei ciclidi, famiglia di pesci

di acqua dolce. Questo perché c’è una grande variabilità di habitat e di nicchie

ecologiche che hanno permesso la nascita di numerosissime specie strettamente

imparentate tra loro. inizialmente due specie di ciclidi,

Nel lago erano presenti i cui pesci hanno una

colorazione diversa e caratteristica: spesso gli esemplari maschili hanno

colorazioni più vistose, mentre quelli femminili più scialbe (isolamento

comportamentale). Ciò avviene perché, in condizioni di luci normali, la femmina

deve essere in grado di riconosce il partner della propria specie con cui

accoppiarsi. inquinamento,

Con il progressivo il lago è andato incontro ad atro