GENETICA La teoria cromosomica dell’eredità: Sex-linkage e non disgiunzione Morgan e il “Fly Lab”

1. GENETICALa teoria cromosomica dell’eredità:Sex-linkage e non disgiunzioneMorgan e il “Fly Lab”

2. Coesione dei sistercromatidi • Coesione dei sister cromatidi : tali cromatidi sono legati da ponti proteici durante la metafase • Legame mantenuto fino all’anafase • Assicura un'adeguata separazione dei sistercromatidi durante la mitosi

3. Fattori chiave in Meiosi I • Durante la profase, i cromosomi omologhi vanno in sinapsi formando un complesso che forma i bivalenti • Lo scambio tra sistercromatidi di cromosomi omologhi vengono osservati come chiasma, sito del crossing-over • Durante l’anafase, il centromero non si divide, così i cromosomi omologhi segregano ed il comple-mento cromosomico delle cellule si riduce (2n > n). Dunque, la Meiosi I si riferisce alla fase di divisione reduzionale

4. Fattori chiave in Meiosi II • La Meiosi II è fondamentalmente una divisione mitotica, eccetto che per la presenza di solo la metà del numero dei cromosomi • I centromeri si separano nell’anafase di Meiosi II, ed i sistercromatidi derivanti dalla fase S prima di Meiosi I segregano • I prodotti di Meiosi II sono 4 cellule con comple-mento cromosomico pari a n. Tali cellule sono quindi aploidi

5. Ma cosa c’entra questo con Mendel? • Mendel predisse che i suoi fattori devono essere in coppia per spiegare i suoi dati sul monoibrido. I primi citologi mostrarono che i cromosomi sono in coppia • Mendel predisse che alla formazione dei gameti, i geni a coppia devono segregare ed ogni membro della coppia era rappresentato ugualmente nei gameti. In metafase I, i cromosomi omologhi segregano ai poli opposti del fuso • Mendel predisse che i gameti devono portare un fattore. I prodotti della meiosi sono infatti aploidi

6. Cromosomi e Segregazione

7. Review of Lecture • Il principio di uniformità di Mendel : in un incrocio tra due linee omozigoti estreme per un carattere (es. giallo vs. verde), la progenie ibrida F1 mostrerà solo uno dei due fenotipi parentali • Il concetto della dominanza tiene conto del principio dell’unifor-mità asserendo che per ciascun gene, uno dei due elementi maschera il fenotipo dell’altro nell’ibrido • Il fenomeno della dominanza rivela che la manifestazione ester-na, o fenotipo, di un individuo non riflette necessariamente la sua costituzione genetica, o genotipo • Il principio della segregazione di Mendel : i due elementi in una coppia genica segregano tra loro nei gameti cosicchè la metà dei gameti porta un membro della coppia e l’altra metà l’altro • Il principio della fertilizzazione random di Mendel : l’unione dei gameti durante la fertilizzazione è random, e si verifica senza riguardo verso il membro della coppia genica che è portato nel gamete

8. Cromosomi e Assortimento Indipendente

9. Review of Lecture • Il principio di uniformità di Mendel : in un incrocio tra due linee omozigoti estreme per un carattere (es. giallo vs. verde), la progenie ibrida F1 mostrerà solo uno dei due fenotipi parentali • Il concetto della dominanza tiene conto del principio dell’unifor-mità asserendo che per ciascun gene, uno dei due elementi maschera il fenotipo dell’altro nell’ibrido • Il fenomeno della dominanza rivela che la manifestazione ester-na, o fenotipo, di un individuo non riflette necessariamente la sua costituzione genetica, o genotipo • Il principio della segregazione di Mendel : i due elementi in una coppia genica segregano tra loro nei gameti cosicchè la metà dei gameti porta un membro della coppia e l’altra metà l’altro • Il principio della fertilizzazione random di Mendel : l’unione dei gameti durante la fertilizzazione è random, e si verifica senza riguardo verso il membro della coppia genica che è portato nel gamete

10. E cosa succede all’assortimento indipendente?

11. Evidenze della Teoria Cromosomica dell’Eredità • Descrizione del Sex-linkage di T. H. Morgan – Tratti che segregano con il sesso, seguono la segregazione del cromosoma X (Eredità limitata dal sesso in Drosophila)

12. EreditàLimitata dal Sesso in Drosophila (T. H. Morgan 1910) • L’incorrere di un gruppo di mutanti (maschi) per l’occhiobiancoaiuta Morgan a identificare la naturadellamutazione • Eglifeceincroci standard con femminedagliocchirossi • La progenie F1dimostraronocheilcolorerossodominavasulbianco, non appariva un sex linkage in questagenerazione

13. Mutanti a occhiBianchi e sex-linkage • Dopo un anno di tentativi, Morgan trovò un mutantespontaneo (maschio) con occhibianchi • Il genotipo wild-type è occhirossi, designato da w+

14. Mutanti a occhiBianchi e sex-linkage • Morgan incrociòmaschi a occhibianchi con femmine wild-type • F1 tutti a occhirossi • F2 3 rossi : 1 bianco • Ma tuttiimoscerini a occhibianchieranomaschi P X X+X+ XWY X+Y XWX+ X F1 F2 X+Xw X+X+ X+Y XwY

15. Quadrato di Punnett F1 All RRXX all RWX X+Y XWX+ X F1 1/2RX 1/2W ¼ RRXX Red female ¼ RWX Red male 1/2RX ¼ wwx white male ¼ RWXX Red female 1/2WX

16. EreditàLimitata dal Sesso in Drosophila • Tuttavia, ilmutante a occhibianchiricompariva in F2 in un rapportopeculiare, • Occhirossiwildtype e la mutazioneocchiobiancosegregava 3:1, ma solo neimaschi • “…sembravachetuttigliocchibianchieranoconfinati al sessomaschile”

17. EreditàLimitata dal Sesso in Drosophila Questocaratteresex limited o linked condusse Morgan ad iniziarei test cross con igenitorioriginali Un test cross di una F2 a occhirossi con un padre a occhibianchiportò : a. RXRX x WXW = tutteprogenieocchirossi b. WXRX x WXW = produce femmine a occhibianchi ! ♀Red eye : ♀White eye : ♂Red eye : ♂White eye 1 : 1 : 1 : 1

18. EreditàLimitata dal Sesso in Drosophila • Morgan conclusecheil gene checondizionailcolorerossodell’occhio è portato dal cromosoma X e non esiste un omologosulcromosomaemizogote Y checitologicamentesembraappaiarsi con la X • Tutte le femmine F1erano RXWX, e quandoincrociate con ilmaschio a occhibianchi, le progeniesegregavano in 4 classi

19. EreditàLimitata dal Sesso in Drosophila • Come ulterioreprovachequesto era ilcaso, Morgan ipotizzòchegli F1 a occhirossimaschierano di genotipo RXW, e quandoincrociati con femmine a occhibianchi (WXWX) dovrebberoprodurretuttefemmine a occhirossi e maschi a occhibianchi WXWX x RXW ottiene wild type  WXRX : WWX ottiene X mutato solo X dal padre♀ 1 : 1 ♂dalla mamma

20. EreditàLimitata dal Sesso in Drosophila • Morgan sviluppòuna forte correlazionegeneticacheigenieranoassociati con icromosomi • Morgan concluse : “E’ adessodiventatoevidenteperchènoitrovammonecessarioassumereunacoppia di X cromosomirossi in unodeglispermatozoidegliibridi F1 a occhirossi (RXO). Il fatto è cherosso e cromosoma X sonocombinati e nienteesistevadall’altra parte”

21. Mutanti a occhiBianchi e sex-linkage • Inferenza di Morgan : • Il locus biancodeveesseresulla X, nessun gene sulla Y • Le femminehanno due copie del gene, imaschi solo una • Le femminesono a occhibianchi solo se hanno due allelirecessivi P X F1 F2

22. Sex-linkage Linkage e assortimento non-indipendente • La dimostrazione di Morgan del sex linkage è stataparticolarmenteconvincenteperchèl’inferenzagenetica (nessun gene sulla Y) era consistente con un evidenzafisica (ilcromosoma X piùgrande dell’ Y) • Immediatamenteovvioche ci devonoesseremoltigeninellamoscachecromosomi, infatti ci devonoesseremoltigeni per cromosoma • Moltigeni non assortisconoindipendentemente

23. Evidenza sulla Teoria Cromosomica Nonostanteilsuccesso di Morgan e deisuoistudenti, alcuniscienziatiancoradubitavanoche la teoriacromosomicadell’ereditàcosì fosse, l’ideacheigenisonoreali, oggettifisicichesonoportati sui cromosomi. Gliscetticinotavanochenonostanteglialleli per ilcolorerosso e biancodegliocchisicomportavano in manieratotalmenteanalogaaicromosomi X, provaconclusiva del linkage degliallelisulcromosoma X non è stataancoraofferta.

24. Evidenza sulla Teoria Cromosomica Qualchealtradimostrazione era richiesta per stabilireunarelazionetral’anormale, cosicchèilnormale, assortimentodeglialleli e deicromosomi. Un’altrostudente di Morgan, Calvin Bridges, fornì giusto unaprovadellateoriacromosomicadell’eredità.

25. Evidenza sulla Teoria Cromosomica • C. Bridges prese in considerazione l’ipotesi della non-disgiunzione (mancata segregazione dei cromosomi durante la meiosi) • Una segregazione difettosa è associata ad un cambiamento del complemento cromosomico

26. Provadirettaattraverso la non disgiunzionechegenisex-linked in Drosophila sonoportatisulcromosoma X • Bridges scoprìfemmineeccezionali (EF) cheavevanoilcromosoma X in sovrannumero • Le EF primarie non mostravano influenza paterna • Si osservavaunabassafrequenza ~5% (~1/2000) • Le EF secondarieproducevano ~5% di maschicheeranopaterni per il gene sex linked • Egliipotizzòche i geni sex linked eranoallocatisulcromosoma X, e ~ il 10% delleuovadelle EF portavanoentrambi i cromosomi X

27. non-disgiunzione

28. Non disgiunzioneprimaria P ♀XwXw x ♂ Xw+Y F1 95%: 1♀ Rosso: 1♂ Bianco 5%: ♀ Bianco♂ Rosso(sterile) X Y XX XXX letale XXY femmine occhi bianchi sono XXY • ricevono entrambi Xw dalla madre maschi occhi rossi sono Xw+(padre) + 0 (madre) 0 OX 0Y letale

29. Non disgiunzioneprimaria X+Y x XwXw atteso atteso XwYXwX+ non atteso non atteso X+OXwXwY

30. La non disgiunzione è una mancata segregazione

31. Non disgiunzionesecondaria • Bridges ipotizzòche le EF F1ricevonoentrambi i cromosomi X dallamadre, e i maschi a occhirossiricevono un singolo X dallamadre • Per dimostrarloegliusòfemmine a occhibianchidella F1 e le incrociò con maschi a occhirossi (wt)

32. Non disgiunzionesecondaria

33. Non disgiunzionesecondaria Bridges predisse i seguenti gameti dalle femmine a occhi bianchi XXY XX Y XY X Una serie di fenotipi diversi da incrocio con spermatozoi normali

34. Non disgiunzione secondaria :segregazione di un trivalente XXY

35. Non disgiunzione secondaria :segregazione di un trivalente XXY P (1◦ EF)♀ XwXwYx♂ Xw+Y ♀ ♂ gameti: Xw (46%) Xw+ (50%) XwY (46%) Y (50%) XwXw (4%) Y (4%)

36. Non disgiunzionesecondaria Gameti femminili XX X Y XY X+ Gameti maschili Y Fenotipi eccezionali Fenotipi attesi

37. Progeny from: P (1◦ EF)♀ Xw XwYx♂ Xw+Y Paring of X chromosome from male gamete: • Xw Xw+ (23%) • Xw YXw+ (23%) • Xw Xw Xw (2%) • Y Xw+ (2%) Pairing of Y chromosome from male gamete: XwY (23%) XwYY (23%) • Xw XwY (2%) • YY (2%) The mating of the primary exceptions (white eyed female) with wild type results in 4% viable secondary exceptions

38. Evidenze della Teoria Cromosomica • Bridges verificò la suaipotesiesaminando i cromosomisessualidelleeccezioniprimarie • Femmine a occhibianchi (XwXwY) avevano un cromosoma X in più • Maschisterili a occhirossiperdevanoilcromosoma Y

39. Evidenze della Teoria Cromosomica • Bridges predissegliaccoppiamentigameticichedovevanosuccederetra 1◦ EF e ilmaschio wild type (occhiorosso) • Verificò i genotipicitologicamente • Concluseche a basso tasso, ilcromosoma X subisce in meiosiuna non disgiunzione, e come conseguenzasiverificaunadivisione non riduzionale per ilcromosoma X

40. Cromosomi sessuali • Il sesso in Drosophila è determinato da una coppia di cromosomi eteromorfici – le femmine hanno cariotipo X/X;2/2;3/3;4/4, 2n=8 – i maschi hanno cariotipo X/Y;2/2;3/3;4/4, 2n=8 • Le femmine possono produrre solo gameti X, e dunque è un sesso omogametico • I maschi possono produrre entrambi i gameti X e Y, e pertanto è un sesso eterogametico

41. Linkage legato al sesso • Morgan nominò il tipo di segregazione del suo mutante bianco sex linkage, perché il fenotipo mutante era linked alla segregazione del cromosoma sessuale • Tratti sex linkedmostrano differenti rapporti fenotipici tra progenie maschi e femmine, e differenti rapporti in incroci reciproci • Nel sistema XY, il maschio produce 2 tipi di gameti, X e Y, la femmina 1 tipo, X. Dunque, un tratto portato dal padre sarà ereditata da tutte le sue figlie, ma in nessuno dei figli • Un tratto omozigote portato da una madre sarà ereditato da tutti i suoi figli e figlie, ma i figli saranno emizigotie mostrare il fenotipo (a prescindere dal genotipo del padre), mentre le figlie saranno eterozigoti e di fenotipo wild type • Un tratto eterozigote portato da una femmina sarà ereditato dalla metà dei suoi figli e metà delle sue figlie. I figli mostreranno il fenotipo, le figlie no

42. Caratteristiche del linkage legato al sesso • L’apparire dei tratti recessivi in un sesso specifico (particolarmente nel sesso eterogametico) – Femmmine eterozigoti per un tratto recessivo passeranno il carattere nella metà dei figli, ma non alle loro figlie • “criss-cross” pattern ereditario – Trattipresenti nella femmina sono ereditati a tutti i suoi figli ma non alle loro figlie

43. Omozigoti, eterozigoti ed emizigoti • Omozigoti – entrambi i cromosomi di una coppia di omologhi portano lo stesso tratto/allele • Eterozigoti – I due cromosomi di una coppia di omologhi portano tratti/alleli differenti • Emizigoti – Un tratto portato da un cromosoma senza un partner omologo (es. una coppia eteromorfica)

44. Tratti rari X-linked mostrano proprietà di base comuni • Questi tratti compaiono più nei maschi che nelle femmine • • infattimaschi emizigoti necesittano di una sola copia del tratto/allele • • le femmine devono essere omozigoti recessivi per esprimere il tratto mutato • La mutazione ed il carattere non passa mai da padre a figlio • • i padri passano ai figli solo Y • • l’eredità padre/figlio di un tratto raro dovrebbe escludere X-linked recessivo

45. Geni autosomici possono anche determinare differenze tra i sessi • Tratti sex-limited– influenza una struttura o un processo che si trova in un sesso ma non nell’altro (es. sviluppo dell’ovario o la produzione degli spermatozoi) • Tratti sex-influenced– si evidenziano in entrambi i sessi ma la loro espressione può differire tra i 2 sessi per differenze ormonali (es. patterned calvizie)

46. Tratti sex-influenced

47. Non tutti gli organismi determinano il sesso nello stesso modo • In Drosophila, maschi XY, femmine XX • In alcuni insetti, il sesso è determinato da un set di cromosomi (aplodiploidia) o da multipli cromosomi sessuali (es. XY1Y2) • In uccelli, e alcuni anfibi e pesci , maschi ZZ, femmine ZW • Alcuni animali perdono i cromosomi sessuali e determinano il sesso attraverso la segregazione dei geni (i cromosomi sessuali non sono eteromorfici) • Alcuni animali determinano il sesso con fattori ambientali • Nell’uomo, maschio XY, femmine XX

48. Se geni portati da differenti cromosomi assortiscono indipendentemente per la segregazione indipendente degli omologhi durante la meiosi, come assortiscono geni portati sullo stesso cromosoma ? geni associati gruppi linkage