01 introduzione

GENETICA

Gli stomi regolano la traspirazione delle piante

L’espressione di AtMYB60 nelle cellule guardiane precede la loro apertura

Neandertal. Un nostro antenato?

Caratteri tipicamente africani

Fronte verticaleRegione occipitale poco prominente

Mento

Eppure abbiamo in comune con loro più di quanto si pensasse

Svante Pääbo

Forse la nostra diversità genetica risente anche dell’ibridazione con altre forme umane, oggi estinte?

Stoneking & Krause (2011)

Forse è andata diversamente

NeandertalAntenati degli eurasiaticiAntenati degli africani

Peter J. Russell Genetica. Un approccio molecolare

Pearson € 69

Materiale di supporto: http://hpe.pearson.it.russell

Dipartimento di Scienze della Vita e Biotecnologie g.barbujani@unife.it

Ricevimento: stanza 12, lunedì 14.30 – 16.00

Capitolo 1

Introduzione alla genetica

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

http://utenti.unife.it/guido.barbujani/index.php?lng=it&p=4

Quattro cose importanti

• Variabilità • Eredità • Il pensiero evoluzionista• La genetica

Variabilità

Variabilità morfologica in strawberry poison frog (Dendrobates pumilio)

Albinismo: un carattere moderatamente patologico

Melanomi: caratteri patologici

Variabilità diacronica

Homo georgicus

Variabilità: il punto di partenza per ogni analisi genetica o

evoluzionistica è l’osservazione che un certo carattere, o

complesso di caratteri, è variabile o polimorfico nei diversi individui

Quattro cose importanti

• Variabilità • Eredità • Il pensiero evoluzionista• La genetica

Eredità

Genitori e figli si assomiglianoIndividui imparentati si assomiglianoIndividui di popolazioni vicine si assomiglianoIndividui di specie affini si assomigliano

Perché?

Ieri: Perché hanno in comune dei fattori ereditari (geni) che determinano l’eredità di caratteri comuni: Genetica formaleOggi: Perché hanno in comune tratti di DNA ereditati dai genitori: Genetica molecolare

Quanto DNA in una cellula?

Nell’uomo: 6 miliardi di paia di basi nei 46 cromosomi1 base 0,8 mμ6 miliardi di basi 5 m di DNA in 5-20 μ

5-20 μ

Quanto DNA in una cellula?

6 miliardi di paia di basi1 base 0,8 mμ6 miliardi di basi 5 m di DNA in 5-20 μ

Foglio A4, 60 battute per riga. 30 righe = 1800 basi su ogni foglio, due facciate 2000 basi

Se 100 fogli = 1 cm6 miliardi di paia di basi 15000 cm = 150 m

Albero evolutivo del cromosoma X: Kaessmann et al. (2001).

Le differenze genetiche nella nostra specie sono le più basse di tutti i primati

Due persone dello stesso continente possono essere geneticamente più distanti di persone di continenti diversi.

Il DNA fa l’RNA, l’RNA fa le proteine, e mai viceversa

Più precisamente: l’informazione biologica procede, con pochissime eccezioni, dal DNA all’RNA e dall’RNA alle proteine

Figura 1.2

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

Le tecnologie del DNA ricombinante hanno permesso di modificare geneticamente vari organismi, sviluppando molti prodotti di interesse commerciale

Quattro cose importanti

• Variabilità • Eredità • Il pensiero evoluzionista• La genetica

L’origine del pensiero evoluzionista

• Tutti gli esseri creati• La grande catena

degli esseri (Ray 1690)

L’origine del pensiero evoluzionista

• Teoria uniformitaria: gli stessi processi agiscono nel presente e nel passato (Hutton 1788)

• I geologi scoprono che le rocce hanno età diverse (Buffon 1788)

L’origine del pensiero evoluzionista

Lamarck (1809): La vita sorge spontaneamente dalla

materia inanimata. Organismi diversi discendono da

antenati comuni. L’ambiente guida il cambiamento da

forme viventi semplici a forme complesse.

L’uso e il disuso alterano la morfologia

L’origine del pensiero evoluzionista

• Malthus (1789): Lotta per l’esistenza• Wallace (1858): Selezione naturale

L’origine del pensiero evoluzionista

Darwin (1859): L’Origine delle specie per selezione naturale:

1. Tutti gli organismi discendono con modifiche da antenati comuni

2. Le modifiche dipendono principalmente dall’azione della selezione naturale su una variabilità preesistente.

Mortalità differenzialeFertilità differenziale

L’evoluzione come fatto e come teoria

• Ci sono diverse teorie evoluzionistiche, che differiscono per il ruolo assegnato al caso e alla selezione naturale

• Ma che gli organismi siano discesi da antenati comuni attraverso cambiamenti evolutivi è un fatto, che le varie teorie cercano di spiegare

Il contesto ecologico del cambiamento evolutivo

• Distribuzione spaziale delle risorse• Distribuzione degli individui• Tasso di crescita della popolazione• Rapporti fra preda e predatore• Parassitismo• Commensalismo• ecc.

Fattori abiologiciFattori biologici

Il contesto ecologico del cambiamento evolutivo

In un certo contesto ambientale:(a) Mortalità differenziale: X vive più a lungo di Y e perciò

lascia più discendenti

(b) Fertilità differenziale: nello stesso lasso di tempo X si riproduce più efficacemente di Y e perciò lascia più discendenti

Evoluzione darwiniana

1. Esiste una variabilità2. Questa variabilità è, almeno in parte, ereditaria3. Nel contesto ambientale in cui si trovano, individui diversi

hanno fertilità o mortalità diverse4. Le caratteristiche degli individui che lasciano più

discendenti si diffondono nella popolazione: adattamento

Evoluzione darwiniana: lasintesi moderna

L’evoluzione è il cambiamento delle caratteristiche genetiche di una popolazione, per effetto della selezione naturale, o del caso, o di tutti e due

E allora:

Solo le popolazioni, non gli individui possono evolversi: la genetica evoluzionistica studia le popolazioni

Quattro cose importanti

• Variabilità • Eredità • Il pensiero evoluzionista• La genetica

Un po’ di date

• 1856-1863 Esperimenti di Mendel sui piselli• 1900 de Vries, Correns e von Tschermak riscoprono i principi dell’eredità• 1905-1909 Nascono le parole “genetica” (Bateson) e “gene” (Johannsen)• 1910-1911 Morgan scopre l’eredità legata al sesso e l’associazione dei geni sui

cromosomi• 1928 Griffith identifica un “principio trasformante”• 1941 Beadle e Tatum propongono la corrispondenza “un gene un enzima”• 1944 Avery, MacLeod e McCarthy dimostrano che il principio trasformante è il

DNA• 1953 Watson e Crick propongono il modello della doppia elica• 1966 Nirenberg e Khorana decifrano il codice genetico• 1977 Gilbert e Sanger sviluppano il metodo di sequenziamento del DNA• 1980 Chambon dimostra che i geni Eucarioti sono interrotti da introni• 1986 Mullis sviluppa la PCR, polymerase chain reaction• 2001 Viene completata la prima sequenza genomica umana• 2010 “Next generation sequencing”

Figura 1.4 (segue)

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

Organismi modello

Figura 1.4 (continuazione)

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

Organismi modello

Figura 1.5

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

Figura 1.6

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

Aploidia, diploidia

Come sono fatti i cromosomi

Mitosi

Sono i microtubuli a far migrare i cromatidi

Meiosi

Nella meiosi i cromosomi omologhi si scambiano tratti di DNA:crossing-over

divisione del centromero

Alla meiosi si formano nuove combinazioni di cromosomi

e i cromosomi nonsono più gli stessi

Ad ogni generazione compaiono delle novità: quante?

Ogni genitore ha 2 copie dei 23 cromosomi

Ammettendo che non ci sia crossing-over, può formare 223 combinazioni di cromosomi

Sono più di 8 milioni di combinazioni

Ma se c’è in media un crossing-over per coppia (in realtà sono ben di più), questo numero diventa 423: più di 16 mila miliardi di combinazioni

Lo stesso vale per l’altro genitore

Quindi, gli zigoti diversi che ogni coppia può produrre sono 423 x 423, cioè 256 milioni di miliardi di miliardi

Sintesi 1

• Senza variabilità non si fa genetica • La genetica studia la trasmissione ereditaria delle

caratteristiche biologiche• Cose da ricordare sulla cellula

– DNA, RNA, proteine– Cellula eucariote e procariote– Cromosomi– Mitosi e meiosi

• Niente ha senso in biologia se non viene interpretato alla luce dell’evoluzione