Gregor Johann Mendel (Hynčice, 22 luglio 1822 – Brno, 6 gennaio 1884)

1. Gregor Johann Mendel (Hynčice, 22 luglio 1822 – Brno, 6 gennaio 1884) Nel 1843 Mendel fece ingresso nel monastero di San Tommaso a Brunn (odierna Brno, Repubblica Ceca), accolto dai frati agostiniani e dall'abate Cyrill Napp. Mendel trascorse cinque anni felici a San Tommaso, dedicarsi allo studio delle sue discipline preferite quali la matematica, la botanica e la meteorologia. Mendel fu ordinato sacerdote il 6 agosto 1847. Nel 1851 quando l’abate Cyrill  Napp gli concesse la possibilità di iscriversi all’ Università imperiale di Vienna, Mendel seppe sfruttare pienamente l'occasione e divenne quasi subito assistente all'istituto di fisica, ruolo riservato agli studenti migliori. Mendel si laureò sia in biologia sia in matematica. Nel 1853 Mendel conobbe Andreas von Ettingshausen e Franz Unger, l'influenza dei quali fu determinante per lo sviluppo del suo esperimento sui piselli rugosi: il primo, un fisico, gli spiegò la teoria combinatoria, il secondo, un botanico, le tecniche più avanzate di impollinazione artificiale. Gregor Mendel, per compiere i suoi esperimenti iniziati circa nel 1854, coltivò e analizzò durante i sette anni di esperimenti circa 28.000 piante di piselli; successivamente impegnò un biennio per elaborare i suoi dati, che portarono a tre generalizzazioni che divennero in seguito famose come Leggi dell'ereditarietà di Mendel. Finalmente, nell'inverno 1865 Mendel ebbe l'occasione di esporre il lavoro di una vita a un pubblico di circa quaranta persone, tra cui biologi, chimici, botanici e medici, in due conferenze. Purtroppo, nessuno riuscì a seguire né a comprendere il suo lavoro. L'anno successivo (1866) pubblicò il proprio lavoro facendone stampare quaranta copie che inviò prontamente agli scienziati più famosi d'Europa, per invogliarli alla verifica della sua grande scoperta mediante ulteriori esperimenti. Il significato degli esperimenti di Mendel venne compreso realmente all’inizio del 1900.

2. La Genetica Mendeliana Genotipo e fenotipo Piano sperimentale 1) Scelta dell’organismo. 2) Metodo di ricerca (ipotetico-deduttivo). 3) Caratteri trasmessi indipendentemente e facilmente individuabili (forme alternative). 4) Lavoro preliminare per la selezione di linee pure (34 varietà di piante). Il carattere studiato rimaneva invariato per molte generazioni dopo autofendazione. 5) Nei suoi esperimenti Mendel si avvalse della tecnica della fecondazione incrociata impedendo l’autofecodazione. 6) Mendel non conosceva mitosi e meiosi. ♂ ♀ Fecondazione incrociata

3. I sette caratteri studiati da Mendel nei suoi esperimenti di incrocio Incroci di monoibridi 1) Monoibridi. Linee pure che avevano forme alternative per un singolo gene. 2) Gli incroci reciproci davano stessi risultati (non dipendenza dal sesso). 3) La progenie F1 era simile ad una delle 2 linee parentali. 4) Il fenotipo non presente nella F1 ricompariva nella F2 con una frequenza pari ad 1/3 rispetto a quella all’altro carattere . 5474 semi lisci e 1850 semi rugosi 2,96 : 1

4. “ “ “ “ “ Fattore  Gene Locus  Localizzazione specifica di un gene su un cromosoma Forme alternative Allele Segregazione indipendente dei fattori Mendeliani Quadrato di Punnet Genotipi F1: tutti Ss Fenotipi F1: tutti lisci Genotipi F2: 1/4 SS, 1/2 Ss, 1/4 ss (1:2:1) Fenotipi F2: 3/4 semi lisci 1/4 semi rugosi (3:1)

5. The molecular basis for dominance

6. Il principio della segregazione I° legge di Mendel I due membri di una coppia genica (alleli) segregano l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti in meiosi. The cellular basis for segregation 2 n Diploide: un organismo con 2 assetti di cromosomi omologhi (2n) Aploide: un organismo con una sola copia di ogni cromosoma (n) n F1 2 n F1 Metà dei gameti contiene un allele e l’altra metà l’altro allele. n

7. Metodo dello schema ramificato Verifica dell’ipotesi 1) Reincrocio (identificazione del genotipo dei semi a fenotipo liscio) Autofecondazione F2 Progenie F3 Mendel ottenne gli stessi risultati per i 7 caratteri studiati. Reincroci di verifica vennero eseguiti fino alla F6 3/4 S- (liscio) 1/4 ss (rugoso) Progenie tutta SS (liscio)

8. 2) Reincrocio di prova (testcross) Incrocio tra un individuo con genotipo ignoto (fenotipo dominante ) ed un individuo omozigote recessivo.

9. Il principio dell’assortimento indipendente II° legge di Mendel Coppie di alleli di geni situati su cromosomi diversi segregano indipendentemente durante la formazione dei gameti in meiosi. Incrocio di diibridi Liscio S e giallo Y sono caratteri dominanti Come nell’incrocio di monoibridi nella F1 compaiono solo i due caratteri dominanti IiRr Prophase I The cellular basis of independent assortment Metaphase I Products of meiosis II IR ir Ir iR

10. Quadrato di Punnett SY Sy sY sy SY Sy sY sy 9 diversi genotipi e 4 fenotipi differenti Rapporto fenotipico 9 : 3 : 3 : 1 1/16 SSYY + 2/16 SsYY + 2/16 SSYy + 4/16 SsYy = 9/16 semi lisci-gialli 1/16 Ssyy + 2/16 Ssyy = 3/16 semi lisci-verdi 1/16 ssYY + 2/16 ssYy = 3/16 semi rugosi-gialli 1/16 ssyy = 1/16 semi rugosi-verdi carattere dominante

11. Dati sperimentali ottenuti da Mendel (numeri attesi in parentesi) 315 lisci-gialli, 108 lisci-verdi, 101 rugosi-gialli, 32 rugosi-verdi 9 (312) : 3 (104) : 3 (104) : 1 (35) Schema ramificato 1) Considerare un carattere alla volta 2) L’autofecondazione della F1 eterozigote dava una progenie F2 con rapporti fenotipici pari a 3/4 dominante e 1/4 recessivo Reincrocio di prova (testcross) Doppio eterozigote SsYy X ssyy Gameti 1/4 SY 1/4 Sy 1/4 sY 1/4 sy Gameti sy 1/4 SsYy 1/4 Ssyy 1/4 ssYs 1/4 ssyy liscio-giallo liscio-verde rugoso-giallo rugoso-verde Rapporto genotipico e fenotipico  1 : 1 : 1 : 1 Eterozigote per un carattere e omozigote per l’altro SsYY X ssyy Gameti 1/2 SY 1/2 sY Gameti sy 1/2 SsYy 1/2 ssYy liscio-giallo rugoso-giallo Rapporto genotipico e fenotipico  1 : 1

12. Incroci di triibridi 2n = classi fenotipiche F2 (8) 3n = classi genotipiche F2 (27) dove n = coppie alleliche in eterozigosi

13. Test del CHI-QUADRATO O = N° osservato (Observed) E = N° atteso (Expected) (O - E) = d = deviazione Gl = gradi di libertà = n-1 dove n = variabili

14. Verifica mediante CHI-QUADRATO di un incrocio Mendeliano Ipotesi  i due geni si distribuiscano in modo indipendente 4 classi fenotipiche con rapporto 1:1:1:1 2 =  (o-e)2  e 2 = 3.43 quindi l’ipotesi è accettabile e la deviazione è dovuta al caso Esperimento di Batenson e Punnett con il pisello odoroso (1908) Dati relativi alla F2 ottenuta da un incrocio di diibridi: FenotipoOsservatiAttesi Fiori viola-grani del polline allungati 296 240 Fiori viola-grani del polline rotondi 19 80 Fiori rossi-grani del polline allungati 27 80 Fiori rossi-grani del polline rotondi 85 26 Fiori viola e grani del polline allungati sono i caratteri dominanti Fiori rossi e grani del polline rotondi sono i caratteri recessivi Ipotesi  i due geni si distribuiscano in modo indipendente rapporto fenotipico 9:3:3:1 2 = [(296-240)2 240] + [(19-80)2  80] + [(27-80)2  80] + [(85-26)2  26] = 222.12 df= 3 2 = 222.12 e quindi l’ipotesi deve essere rifiutata

15. Criticisms of Mendel’s work The chromosomal locations of the loci that Mendel studied If two loci are close to each other on the chromosome, they tend to remain associated during meiosis rather than assorting independently (linked genes). Was Mendel lucky enough to find each locus on a different chromosome ? The loci on the same chromosomes (I and IV) are far enough apart that the high frequency of crossovers accounts for the independent assortment of alleles. - The most common criticism is that he presented data on only 7 traits that all obeyed to the laws he proposed, intentionally ignoring traits whose inheritance can not be explained as easily. Mendel described in his paper also the results of flower color in beans that were deviating from his lows.

16. In fact, in the F2 generation from a cross between purple and white flowered plants, he obtained 31 plants that varied in color from purple to pale violet and white. Mendel commenced several experiments to verify whether the law of development discovered for Pisum applies to the hybrids of other plants. Mendel stressed the need for the researchers to carefully account for differences that may be caused by plating methods and temperature. - Some scientists have proposed that Mendel misclassified a significant number of phenotype. Probably this is true and Mendel misclassified about 5 % of the heterozygous F2 plants as homozygous. Because of space restrictions, Mendel limited the number of F3 plants to grow (about 10). • Fisher used chi-square analysis to demonstrate that Mendel’s results were remarkably close to expected ratio. He said “too good to be true”. • Mendel repeated those experiments whose results were deviating from his expectations.

17. Problemi: Discendenza in un Incrocio Diibrido. a) In un Incrocio Diibrido, AaBb x AaBb, quale frazione della discendenza sarà omozigote per entrambi i caratteri recessivi (aabb) Risoluzione mediante l’uso dei gameti: Gameti uguali per entrambi i genitori ¼ AB + ¼ Ab + ¼ aB + ¼ ab  ¼ ab x ¼ ab = 1/16 aabb Alternativamente consideriamo separatamente i 2 geni: Aa x Aa → ¼ AA + 2/4 Aa + ¼ aa → freq. aa = ¼ Bb x Bb → ¼ BB + 2/4 Bb + ¼ bb → freq. bb = ¼ ¼ ab x ¼ ab = 1/16 aabb b) In un Incrocio Diibrido, AaBb x aabb, quale frazione della discendenza sarà omozigote per entrambi i caratteri recessivi (aabb) Risoluzione: Gameti ¼ AB + ¼ Ab + ¼ aB + ¼ ab 4/4 ab ¼ ab x ab = ¼ aabb

18. c) In un Incrocio Diibrido, SsYy x SsYy, quale frazione della discendenza sarà omozigote per entrambi i caratteri? Risoluzione mediante il quadrati di Punnett: Sviluppando in quadrato di Punnett per ‘l incrocio SsYy x SsYy. Otteniamo che 4/16 (or 1/4) della discendenza dell'incrocio sarà omozigote per entrambi i caratteri. Notare che vi è un diverso fenotipo per ciascuna delle 4 differenti combinazioni di alleli. Alternativamente possiamo considerare i geni separatamente: Ss x Ss → ¼ SS + 2/4 Ss + ¼ ss → 2/4 sono omozigoti (SS o ss) Yy x Yy → ¼ YY + 2/4 Yy + ¼ yy → 2/4 sono omozigoti (YY o yy) Ris. 2/4 x 2/4 = 4/16 = ¼ omozigoti per entrambi i geni

19. Problemi: Discendenza in un Incrocio Triibrido Si considerino le 3 coppie alleliche AaBbCc. a) Si calcoli la probabilità di ottenere uno zigote AaBBCc dall’incrocio AaBbCc x AaBbCc Risoluzione: Gameti uguali per entrambi i genitori con ognuno frequenza 1/8 ABCaBC abC abc AbC Abc ABcaBc Considerare un gene alla volta: Aa x Aa → ¼ AA + 2/4 Aa + ¼ aa → freq. Aa = 2/4 Bb x Bb → ¼ BB + 2/4 Bb + ¼ bb → freq. BB = 1/4 Cc x Cc → ¼ CC + 2/4 Cc + ¼ cc → freq. Cc = 2/4 Risultato: ½ x ¼ x ½= 1/16 b) Si calcoli la probabilità di ottenere un fenotipo A-B-C-da un incrocio AaBbCC x AaBbcc Risoluzione: 4/4 C- → 36/64 ¾ B- -- ¾ A- ¼ bb ¼ aa ---------> Risultato: 9/16

20. d) Si calcoli la probabilità di ottenere uno zigote AaBBCc dall’incrocio AaBBCc x AaBbCc Risoluzione: Considerare un gene alla volta: Aa x Aa → ¼ AA + 2/4 Aa + ¼ aa → freq. Aa = 2/4 BB x Bb → ½ BB + 1/2 Bb → freq. BB = 1/2 Cc x Cc → ¼ CC + 2/4 Cc + ¼ CC → freq. Cc = 2/4 Risultato: ½ x ½ x ½= 1/8 e) Si calcoli la probabilità di ottenere un fenotipo aa B- ccda un incrocio AaBbCc x aaBbcc Risoluzione: Considerare un gene alla volta: Aa x aa→ ½ Aa + ½ aa freq. fenot. aa = ½ Bb x Bb → ¼ BB + 2/4 Bb + ¼ bb freq. fenot. B- = ¾ Cc x cc → ½ Cc + ½ cc freq. fenot. cc = ½ Risultato: ½ x ¾ x ½ = 3/16

21. f) Si calcoli la probabilità di ottenere un fenotipo aabbccda un incrocio AaBbCc x aaBbcc Risoluzione: ½ cc → 1/16 ¼ bb ½ Cc ½ aa ¾ B- ½ Aa ---------> Problema: Si calcoli la frequenza degli individui parentali e ricombinanti in un incrocio EeFf  x eeff dove i geni sono associati in coupling, cioè si trovano sullo stesso cromosoma e la loro distanza di mappa è pari a 12 u.m Si consideri che 1 Unità di Mappa (u.m.) è pari ad 1% di individui ricombinanti. Incrocio EeFf  X eeff eeff da gameti di un solo tipo: ef EeFf da i seguenti gameti: EF Ef eF ef Progenie EeFf Eeff eeFf eeff dove EeFf + eeff sono i parentali Eeff + eeFf sono i ricombinanti Gli individui ricombinanti valgono 6% ciascuno (12/2) mentre quelli parentali sono 88% (100-12) cioè 44% ciascuno.

22. Problema: il colore del pelo dei cani Cocker Spaniel B = nero, b = rosso S = colore uniforme, s = pelo bianco chiazzato Incrocio: maschio nero a colorazione uniforme x femmina rossa a colorazione uniforme Dall’incrocio nascono sei cagnolini: 2 completamente neri, 2 completamente rossi, 1 nero e bianco e 1 rosso e bianco. Determinare i genotipi dei genitori. B-S- (maschio) x bbS- (femmina) B-S-bbS- B-ss bbss 2 Tot. Neri 2 Tot. Rossi 1 Nero e 1 Rosso e Bianco Chiaz. Bianco Chiaz 1) Ogni volta che compare un figlio omozigote doppio recessivo, ciascuno dei due genitori deve aver posseduto almeno un allele recessivo in ogni lucus (b e s). 2) Un cagnolino nero e bianco indica che entrambi i genitori erano eterozigoti per il lucus S. 3) I cagnolini completamente rossi indicano che il genitore di sesso maschile era eterozigote in corrispondenza del locus B. P: BbSs (maschio) bbSs (femmina)