Genetica Prof. Landi

Z Y A

sito di sintesi del

repressore sito di legame del

repressore

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• esempio dell’operone arabinosio ara ara ara

C ara O ara I promotore terminatore

B A D

codifica per una proteina bifunzionele

ARA C: geni strutturali (enzimi per la

demolizione dello zucchero

ATTIVATORE: in presenza di arabinosio arabinosio)

si complessa ad esso andando a legarsi

ad ara I e attivando la trascrizione

REPRESSORE: in assenza di arabinosio

assume una conformazione spaziale

differente legandosi sia ad ara I che ad

ara O reprimendo la trascrizione

Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti:

• esempio del regulone galattosio

In presenza di galattosio ed assenza di glucosio i geni GAL1,GAL2,GAL7 e GAL10 codificano per

enzimi che permettono la conversione di galattosio in glucosio, la loro espressione è regolata dalle

proteine codificate dai geni GAL4,GAL80 e GAL3

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via metabolica del galattosio

Il regolatore chiave dell’espressione del gene GAL è GAL4 (TF)

legante una specifica sequenza di DNA (UAS) enancher,

promuovendo cosi la trascrizione in vivo

sequenze enancher Gal4 possiede due domini, uno legante il

DNA in sequenze specifiche e l’altro per

l’attivazione della trascrizione

In assenza di galattosio la proteina

GAL80 lega costantemente con alta

affinità il dominio di attivazione della

trascrizione di GAL4 inibendone l’attività e

reprimendo i geni GAL

In presenza di galattosio la proteina GAL3

si complessa con esso (+ ATP), subendo

un cambiamento allosterico che

promuove il suo legame a GAL80, che a

sua volta determina il rilascio di

quest’ultima dal dominio di GAL4

promuovendo la trascrizione 38

Meccanismo di promozione della trascrizione:

(per approfondimenti sulla regolazione genica in fagi, procarioti ed eucarioti vedi biologia

molecolare)

MUTAZIONI:

Mutazioni geniche: sono mutazioni nella sequenza di un singolo gene, non rilevabili al

microscopio ma solo mediante analisi genetiche

Mutazioni cromosomiche: sono mutazioni di una regione cromosomica comprendente piu geni,

possono essere rilevate mediante analisi morfologica e quantitativa al microscopio dei cromosomi

stessi oppure tramite analisi genetiche

Le mutazioni cromosomiche possono essere divise in due gruppi:

• Cambiamenti nel numero dei cromosomi

• Cambiamenti nella struttura dei cromosomi 39

Cambiamenti nel numero dei cromosomi:

• EUPLOIDIA: cambiamenti nel numero dell’intero corredo cromosomico (le cellule presentano +/-

corredi cromosomici rispetto al normale)

1. MONOPLOIDIA (n) —> individuo mutato normalmente diploide (diverso da aploide wt)

2. DIPLOIDIA (2n)

3. TRIPLOIDIA (3n) Poliploidia

4. TETRAPLOIDIA (4n)

Negli euploidi esiste una correlazione tra il numero di copie di corredi cromosomici e la dimensione

dell’organismo. Gli individui poliploidi nel mondo vegetale (dove più frequentemente si osserva)

hanno dimensioni maggiori sia complessive, che a livello delle singole parti rispetto ai loro

corrispondenti diploidi, pur mantenendo intatte le proporzioni tra le parti del corpo.

Tra i poliploidi è opportuno distinguere ulteriormente tra:

- AUTOPOLIPLOIDI (INDIVIDUI PIU GRANDI)—> possiedono piu corredi cromosomici derivanti

da incroci di individui della stessa specie.

I. Gli individui 3n sono ottenuti incrociando un individuo 2n con uno 4n, avendo nei gameti n+2n.

Come tutti gli individui a numero dispari di corredi cromosomici sono sterili o molto poco fertili

poichè i loro gameti sono aneuploidi (non vitali)

II. Gli individui 4n sono ottenuti per raddoppiamento di un corredo cromosomico diploide sia

mediante l’aggiunta di sostanze chimiche durante specifiche fasi di divisione cellulare sia

spontaneamente La colchicina induce poliploidia se aggiunta in cellule

Poichè 4 è pari, un autotetraploide mitotiche durante la metafase e l’anafase bloccando la

può avere una meiosi regolare, formazione delle fibre del fuso mitotico (microtubuli).

questo accade se i 4 cromosomi Impedisce cosi la migrazione dei cromatidi fratelli dopo

omologhi possono appaiarsi come due la divisione del centromero, raddoppiando il corredo

bivalenti o come un quadrivalente. Se cromosomico.

invece i 4 cromosomi formano un

trivalente ed un univalente i gameti 2n —> 4n —> 8n —> etc.

diventano non piu funzionali 40

- ALLOPOLIPLOIDI (OTTENGO IBRIDI INTERSPECIFICI)—> possiedono piu corredi

cromosomici derivanti da incroci di individui appartenenti a specie diverse ma strettamente affini,

i loro corredi cromosomici sono omeologhi (parzialmente omologhi)

Piante allopoliploidi possono essere prodotte

incrociando specie affini e facendo duplicare il

corredo cromosomico dell’ibrido, oppure

mediante fusione di cellule diploidi

1) incrocio i gameti di due specie affini

2) ottengo un ibrido sterile

3) raddoppio il corredo cromosomico dell’ibrido

sterile rendendolo fertile

Le variazioni del numero cromosomico sono state sfruttate per creare nuove linee di piante con le

caratteristiche desiderate 41

• ANEUPLOIDIA: cambiamenti nel numero di porzioni del corredo cromosomico, gli individui

affetti da tali mutazioni si formano prevalentemente a seguito di eventi di non disgiunzione

durante la meiosi delle cellule parentali. In particolare i crossing-over necessari per mantenere i

bivalenti appaiati fino all’anafase I non avvengono correttamente causando la non disgiunzione.

1. MONOSOMIA (2n-1)—>individui privi di una copia di un cromosoma(di solito morte-pre natale)

2. TRISOMIA (2n+1) —>individui con una copia in piu di un qualunque cromosoma

3. NULLISOMIA (2n-2) —>perdita di entrambi gli omologhi di un cromosoma

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Cambiamenti nella struttura dei cromosomi (riarrangiamenti):

I. delezione—> perdita di un segmento di cromosoma

II. duplicazione—> raddoppiamento di una porzione di cromosoma

III. inversione—> un segmento inverte il suo orientamento sul cromosoma

IV. traslocazione—> un segmento di un cromosoma si sposta su un altro cromosoma

La rottura del DNA è la prima causa di questi fenomeni, poichè affinchè avvenga un

• riarrangiamento entrambi i filamenti della doppia elica devono rompersi in due punti diversi e

successivamente le estremità rotte devono ricongiungersi. Tali riarrangiamenti quindi possono

essere indotti artificialmente mediante l’utilizzo di radiazioni ionizzanti (raggi x e gamma)

altamente energetiche e capaci di rompere il doppio filamento di DNA in più punti.

Il secondo meccanismo che provoca riarrangiamenti è il crossing-over tra segmenti di DNA

• duplicato detto anche ricombinazione omologa non allelica. Se si appaiano sequenze che non

sono nella stessa posizione relativa sugli omologhi, il crossing-over può produrre cromosomi

aberranti

Esistono due tipologie fondamentali di riarrangiamenti cromosomici:

A. RIARRANGIAMENTI NON BILANCIATI—> modificano il dosaggio genico di un segmento

cromosomico (delezione e duplicazione)

B. RIARRANGIAMENTI BILANCIATI—> modificano l’ordine dei geni sul cromosoma (inversione

e traslocazione) 43

Genetica di popolazione:

Legge di Hardy-Weinberg:

Requisiti per parlare di “Popolazione all’equilibrio di Hardy-Weinberg” :

1. Gli incroci tra individui della popolazione devono essere casuali

2. Tutti i genotipi hanno la stessa vitalita’ (fitness)

3. Completa possibilità di accoppiamenti nella popolzione, nessuna presenza di sotto-popolazioni

totalmente o parzialmente isolate geneticamente

4. Le stime funzionano tanto meglio quanto più è grande la popolazione

pool genetico = somma in un dato momento di tutti gli alleli degli individui di una popolazione che

sono in grado di riprodursi

frequenze alleliche = probabilità che un allele sia selezionato quando si estrae a caso dal pool

per formare un gamete

frequenze genotipiche / fenotipiche = con quale frequenza un certo genotipo/fenotipo si

manifesta in una popolazione frequenze alleliche

frequenze genotipiche frequenza genotipica frequenza genotipica

AA aa

frequenza genotipica

Aa

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p^2/q^2 —> sono frequenze genotipiche AA e aa

p/q —> sono frequenze alleliche A e a

esempio:

Frequenza malattia recessiva (aa) = 1/1100

Calcolo le frequenze genotipiche:

f(aa) = q^2 = 1/1100 = 0,0009 —> q = rad(0,0009) = 0,03

p = 1-q = 0,97

genotipiche f(Aa) = 2*p*q = 0,06 ( il 6% della popolazione è eterozigote Aa portatore dell’allele recessivo )

f(AA) = p^2 = 0,94 ( il 94% della popolazione è omozigote AA )

frequenze f(aa) —> 0,0009 ( il 0,09% della popolazione sarà malata omozigote aa )

osservazioni:

• Per alleli presenti con una frequenza molto bassa gli individui omozigoti saranno molto rari

• La legge di hardy-weinberg si applica anche se sono presenti più di due alleli per locus

• La logica di hardy-weinberg si applica anche a loci legati al sesso

• E possibile valutare se le frequenze genotipiche osservate a livello di un locus si adattano alle

previsioni di hardy-weinberg utilizzando il test del “chi quadrato”

Genetica Batterica:

Lo scambio di DNA tra batteri avviene mediante 4 meccanismi fondamentali:

• Coniugazione con trasferimento del

plasmide

• Coniugazione con trasferimento di

una porzione di genoma

• Trasformazione

• Trasduzione 45

Coniugazione: avviene attraverso il trasferimento parziale di un cromosoma contenente il fattore F

integrato con esso oppure attraverso il trasferimento di un plasmide F che rimane un’entità

separata.

Il trasferimento di materiale genetico durante la coniugazione tra due batteri non è reciproco, una

cellula donatrice trasferisce una parte del suo genoma in una cellula ricevente mediante un ponte

citoplasmatico che si viene a creare dalla vicinanza delle due cellule. I batteri sono mantenuti uniti

dal pilo sessuale, una estroflessione del batterio donatore che prende contatto e aggancia il

batterio ricevente determinando cosi l’avvicinamento dei due.

Il fattore di fertilità F è un plasmide circolare non presente in tutti i ceppi batterici (F+ / F-) capace

di guidare la sintesi dei pili sessuali,

I. Esso nel caso di trasferimento plasmidico crea nel donatore una copia di se stesso a singolo

filamento tramite replicazione a circolo rotante, che successivamente passando nella cellula

ricevente è convertito in dsDNA circolare dalle polimerasi batteriche. Avremo cosi due cellule

F+

II. Nel caso di trasferimento cromosomico parziale, il fattore F libero si integra nel cromosoma

batterico del donatore a livello di segmenti trasponibili chiamati sequenze di inserzione,

crean