Ricombinazione genetica

RICOMBINAZIONE DEL DNA

Riportiamo l'attenzione sulla profase I della meiosi che è divisa nelle sottofasi dileptotene, zigotene, pachitene, diplotene e diacinesi. Questo perché in profase I si verifica un evento cruciale, cioè il crossing-over, in cui i cromosomi omologhi che si sono appaiati durante il pachitene si scambiano pezzi di cromosoma che si localizzano nella stessa posizione sui due cromosomi omologhi.

In sintesi, il crossing-over consiste nello scambio di regioni omologhe di DNA tra i cromatidi di una coppia di cromosomi omologhi appaiati. Lo scambio fisico avviene tra segmenti cromosomici che sono localizzati nella stessa posizione dei due omologhi, i quali vengono allineati nucleotide per nucleotide. Questo appaiamento prende il nome di sinapsi ed è accompagnato dalla formazione di una struttura proteica, chiamata complesso sinaptinemale.

Su ogni singola coppia di cromosomi omologhi ci può essere, ad

Ogni meiosi, uno o più punti in cui avviene il crossing-over. Queste regioni in cui si verifica lo scambio sono ben visibili durante il diplotene, cioè quando i cromosomi appaiati iniziano lentamente a separarsi pur restando in contatto proprio in corrispondenza di queste regioni. I punti di contatto sono detti chiasmi. Nella figura in alto si può vedere una coppia di omologhi che è unita proprio nei chiasmi. Nell'esempio in basso si contano due chiasmi ad indicare che il crossing-over, in questo cromosoma, è avvenuto in due regioni.

Consideriamo una coppia di cromosomi omologhi che sono allineati tra loro e hanno formato la sinapsi. Distinguiamo i due omologhi con il colore rosso e il colore blu. Ciascun cromosoma è formato da due cromatidi fratelli, cioè da due doppie eliche di DNA identiche tenute insieme nel centromero (pallino rosso e blu in figura). Indichiamo con A e B due diversi geni che si trovano su questa regioni di cromosoma e con le

Lettere maiuscole e minuscole rispettivamente gli alleli di questi due geni. Ad esempio, sul cromosoma rosso per il gene A è presente l'allele A mentre sul suo omologo azzurro, per lo stesso gene, è presente la variante allelica a (stessa cosa per il gene B). In ogni determinato punto in cui avviene il crossing-over a scambiarsi sono solo due dei 4 cromatidi appaiati. Se lo scambio si verifica tra cromatidi fratelli di un omologo (ad esempio tra i due cromatidi rossi) non ci sarà alcuna conseguenza visibile dal momento che questi due cromatidi sono identici tra loro. Il crossing-over potrà avere conseguenze visibili se a scambiarsi sono i due cromatidi, uno proveniente da un cromosoma e l'altro dal suo omologo (un cromatidio rosso e uno blu). Per capire meglio il meccanismo del crossing-over, consideriamo solo un cromatidio per ciascuno dei due omologhi cioè quelli che effettivamente verranno coinvolti nel crossing-over in questa ipotetica regione.

cromosomica.In questa figura sono schematizzati diversi passaggi del modello di crossing-over.

1. partiamo da due cromatidi allineati.
2. rottura a doppio filamento che interessa cioè i filamenti della doppia elica di DNA di uno dei duecromatidi (in figura quello rosso). Questa rottura è catalizzata dall’enzima Spo11.
3. il complesso proteico MRX con attività esonucleasica 5’ 3’ rimuove alcuni nucleotidi dalledue estremità 5’ così da generare DNA a singolo filamento su entrambe i lati.
4. un’estremità 3’ libera migra sull’altra doppia elica di DNA cioè quella rimasta intatta del 148cromosoma omologo in cui va ad allontanare uno dei due filamenti e va ad appaiarsi con lesequenze nucleotidiche complementari dell’altro filamento. Il filamento che viene allontanato formauna struttura ad anello detta D-loop. Contemporaneamente,da entrambe le estremità 3’ parte lasintesi di DNA ad opera

della DNA polimerasi utilizzando, come stampo, i filamenti complementari intatti (le frecce blu).

1. si crea una regione detta di eteroduplex in cui si ha un appaiamento tra filamenti provenienti dalle due molecole di DNA.
2. le estremità dei filamenti spezzati vengono unite dalla DNA ligasi dando origine a strutture acroce note come giunzioni di Holliday, le quali possono migrare (sia da un lato che dall'altro) estendendo così la regione di eteroduplex. Questa migrazione può avvenire anche per migliaia di basi purché le molecole di DNA che si scambiano i filamenti siano altamente omologhe.
3. Le giunzioni di Holliday vengono poi tagliate in specifiche posizioni generando così i due cromatidi ricombinanti in cui le combinazioni alleliche dei geni A e B sui due omologhi sono diverse da quelle originali.
4. Questo meccanismo per il crossing-over viene, in realtà, usato anche dalla cellula per riparare i danni del DNA dovuti a rotture a doppio filamento.

molecola di DNA. In questo caso, la doppia elica del cromosoma omologo viene utilizzata per riparare il DNA danneggiato. I passaggi sono simili a quelli descritti, ma la giunzione di Holliday viene tagliata in punti diversi, dando origine a una molecola di DNA in cui la rottura è stata riparata, ma che ha un tratto di sequenza che è stata copiata dal cromosoma omologo (il tratto blu interno alla molecola rossa). Inoltre, la disposizione degli alleli dei geni A e B non è cambiata rispetto a quella di partenza. Link sul crossing-over: https://www.youtube.com/watch?v=3qgBKrAZCLg CONSEGUENZE DEL CROSSING-OVER Studiando Mendel abbiamo considerato caratteri fenotipici controllati da geni diversi che assortiscono indipendentemente, cioè geni che si localizzano su cromosomi diversi. In figura, le due linee pure parentali differiscono per due caratteri: forma del seme e colore del seme (gialli e lisci in una linea e verdi e rugosi nell'altra). Questi due caratteri sono sotto ilcontrollo di due diversi geni che localizzano su cromosomi diversi non omologhi. Dall'incrocio delle due linee pure si ottiene una F1 a semi gialli e lisci che è doppio eterozigote e di genotipo Gg (gene per il colore del seme) e Ww (gene per la forma del seme). Dalle leggi di Mendel sulla segregazione e sull'assortimento indipendente sappiamo che gli alleli dei geni diversi che localizzano su cromosomi non omologhi segregano, alla meiosi, indipendentemente tra loro. Quindi, dal doppio eterozigote (dell'esempio) ci attendiamo 4 diversi tipi di gameti tutti nella stessa proporzione di 1/4 cioè del 25% di cui 2 con la combinazione allelica parentale GW gw mentre 2 con una combinazione nuova di alleli Gw gW. Per autofecondazione questi 4 tipi di gameti daranno origine a 4 diversi fenotipi nei rapporti 9:3:3:1. Cosa succede in meiosi se i due geni che stiamo considerando si trovano sullo stesso cromosoma? I geni che si trovano sullo stesso cromosoma sono detti

Poi in meiosi II e, al termine, si formeranno 4 tipi di gameti tutti nella stessa proporzione di 1/4, cioè del 25%, dei quali 2 con la combinazione allelica parentale AB ab mentre gli altri due (50%) di tipo ricombinante Ab ab. Quindi, il crossing-over che si è verificato in questa cellula ha prodotto 4 diverse combinazioni di gameti simile all'assortimento indipendente.

Nelle due diapositive precedenti abbiamo seguito il possibile destino di due cellule di questo individuo doppio eterozigote Aa Bb che sono entrate in meiosi in cui: nella prima cellula non vi è stato crossing-over tra A e B quindi si sono formati solo gameti parentali mentre nell'altra cellula è avvenuto crossing-over e si sono formati per il 50% gameti parentali e per il 50% gameti ricombinanti. Se adesso consideriamo un numero più grande di cellule di questo individuo che vanno incontro a meiosi, la probabilità che si formino gameti di un tipo o dell'altro tipo.

Dipenderà dalla frequenza con cui i geni A e B ricombinano tra di loro. Questa frequenza può essere determinata andando ad osservare un numero elevato di meiosi diverse.

FREQUENZA DI RICOMBINAZIONE

Definiamo la frequenza di ricombinazione tra due geni che localizzano sullo stesso cromosoma come il rapporto tra il numero delle volte in cui essi ricombinano rispetto al totale. In altre parole, se esaminiamo un numero elevato di meiosi, possiamo contare in quante di esse i due geni hanno ricombinato e determinare quindi la frequenza di ricombinazione dividendo il numero di gameti trovati ricombinanti rispetto al totale di gameti esaminati. Se contiamo un numero elevato di meiosi, il valore della frequenza di ricombinazione per due geni sullo stesso cromosoma sarà compreso tra 0 e 50%. Sarà 0 se i due geni non ricombinano mai tra di loro mentre 50% se ricombinano sempre in tutte le meiosi. Una frequenza di ricombinazione del 50% è equivalente all'assortimento

Indipendente che si ha quando i due geni si trovano su cromosomi diversi. L'associazione tra i geni fu osservata, la prima volta, tra Bateson e Punnet incrociando varietà di pisello odoroso che differivano per il colore del fiore e la lunghezza del granulo di polline. Incrociando due linee pure per questi caratteri si ottenne nella F1 tutte piante a fiori rossi e polline lungo (caratteri dominanti). Quando le piante della F1 vennero autofecondate si ottennero, nella F2, piante parentali e piante ricombinanti ma il numero di piante parentali era in misura superiore rispetto a quella attesa nell'ipotesi dell'assortimento indipendente dei due geni così come quella dei ricombinanti era inferiore. Infatti, se i due geni fossero assortiti in maniera indipendente ci saremmo attesi il classico rapporto 9:3:3:1. Quindi su un totale di 853 fiori esaminati ci saremmo attesi 9/16 di 853 cioè 451 fiori rossi a polline lungo, 3/16 di 853 cioè 150 di fiori rossi a...

polline corto e anche di fiori bianchi a polline lungo e infine 1/16 di 853 cioè 50 di fiori bianchi a polline corto. Se adesso confrontiamo i numeri osse