Biology for Majors I

Explain complications to the phenotypic expression of genotype, including mutations

Gli esperimenti di Mendel con le piante di pisello hanno suggerito quanto segue:

  1. Esistono due “unità” o alleli per ogni gene.
  2. Gli alleli mantengono la loro integrità in ogni generazione (nessuna miscelazione).
  3. In presenza dell’allele dominante, l’allele recessivo è nascosto e non contribuisce al fenotipo.

Pertanto, gli alleli recessivi possono essere “trasportati” e non espressi da individui. Tali individui eterozigoti sono talvolta indicati come ” portatori.”Ulteriori studi genetici su altre piante e animali hanno dimostrato che esiste molta più complessità, ma che i principi fondamentali della genetica mendeliana sono ancora validi. Nelle sezioni a seguire, consideriamo alcune delle estensioni del mendelismo. Se Mendel avesse scelto un sistema sperimentale che mostrasse queste complessità genetiche, è possibile che non avrebbe capito cosa significassero i suoi risultati.

Obiettivi di Apprendimento

  • Spiegare come un tratto con dominanza incompleta verranno visualizzati in una popolazione
  • Spiegare come un tratto con codominant eredità apparirà in una popolazione
  • Spiegare come un tratto con il sesso-collegamento verrà visualizzato in una popolazione
  • Spiegare come mutli-allele eredità sarà l’impatto con un tratto all’interno di una popolazione
  • Descrivere l’impatto di penetranza ed espressività su un tratto l’espressione in una popolazione

Dominanza Incompleta

Foto è di un snapdragon con un fiore rosa.

Figura 1. Questi fiori rosa di un eterozigote snapdragon derivano da una dominanza incompleta. (credito: “storebukkebruse” / Flickr)

I risultati di Mendel, che i tratti sono ereditati come coppie dominanti e recessive, contraddicevano la visione in quel momento che la prole esibiva una miscela dei tratti dei loro genitori. Tuttavia, il fenotipo eterozigote occasionalmente sembra essere intermedio tra i due genitori. Ad esempio, nella bocca di leone, Antirrhinum majus (Figura 1), un incrocio tra un genitore omozigote con fiori bianchi (CWCW) e un genitore omozigote con fiori rossi (CRCR) produrrà prole con fiori rosa (CRCW). (Si noti che diverse abbreviazioni genotipiche sono usate per le estensioni mendeliane per distinguere questi modelli dalla semplice dominanza e recessività.) Questo modello di ereditarietà è descritto come dominanza incompleta, denotando l’espressione di due alleli contrastanti in modo tale che l’individuo mostri un fenotipo intermedio. L’allele per i fiori rossi è incompletamente dominante sull’allele per i fiori bianchi. Tuttavia, i risultati di un’auto-croce eterozigote possono ancora essere previsti, proprio come con le croci dominanti e recessive mendeliane. In questo caso, il rapporto genotipico sarebbe 1 CRCR:2 CRCW:1 CWCW e il rapporto fenotipico sarebbe 1: 2:1 per il rosso:rosa: bianco.

Dominanza incompleta può essere visto in diversi tipi di fiori, tra cui tulipani rosa, garofani e rose—tutti i fiori rosa in questi sono dovuti alla miscelazione di alleli rossi e bianchi. La dominanza incompleta può anche essere osservata in alcuni animali, come i conigli. Quando un’Angora a pelo lungo si riproduce con un Rex a pelo corto, la prole ha una pelliccia di media lunghezza. La lunghezza della coda nei cani è influenzata in modo simile da geni che mostrano modelli di dominanza incompleti.

Eredità codominante

Un cavallo con colorazione rossa roan.

Figura 2. Cavallo rosso Roan

Una variazione sulla dominanza incompleta è la codominanza, in cui entrambi gli alleli per la stessa caratteristica sono simultaneamente espressi nell’eterozigote. Un esempio di codominanza sono i gruppi sanguigni MN degli esseri umani. Gli alleli M e N sono espressi sotto forma di un antigene M o N presente sulla superficie dei globuli rossi. Gli omozigoti (LMLM e LNLN) esprimono l’allele M o N, e gli eterozigoti (LMLN) esprimono entrambi gli alleli allo stesso modo. In un auto-incrocio tra eterozigoti che esprimono un tratto codominante, i tre possibili genotipi della prole sono fenotipicamente distinti. Tuttavia, il rapporto genotipico 1:2:1 caratteristico di una croce monoibrida mendeliana si applica ancora.

La codominanza può essere osservata anche nei gruppi sanguigni umani: il gruppo sanguigno di AB è un risultato sia dell’allele di IA che dell’allele di IB che è codominante. Il colore del mantello roan nei cavalli è anche un esempio di codominanza. Un roan “rosso” deriva dall’accoppiamento di un genitore castano e di un genitore bianco (Figura 2). Sappiamo che questo è codominio perché i singoli peli sono castani o sono bianchi, portando all’aspetto generale del roan rosso.

Domanda pratica

Quindi qual è la differenza tra dominanza incompleta e ereditarietà codominante? Mentre sono molto simili, la differenza fondamentale è questa: nella dominanza incompleta, i due tratti sono mescolati insieme, mentre nella codominanza, entrambi i tratti sono espressi.

Abbiamo già discusso la dominanza incompleta nei fiori (Figura 1). Cosa pensi che un fiore sarebbe simile se i fenotipi rosso e bianco erano invece codominanti?

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Il fiore avrebbe petali sia rossi che bianchi, come questo Rododendro:

 Un fiore che ha una divisione uniforme di petali bianchi e rossi.

Tratti legati al sesso

Negli esseri umani, così come in molti altri animali e alcune piante, il sesso dell’individuo è determinato dai cromosomi sessuali. I cromosomi sessuali sono una coppia di cromosomi non omologhi. Fino ad ora, abbiamo considerato solo modelli di ereditarietà tra cromosomi non sessuali o autosomi. Oltre a 22 coppie omologhe di autosomi, le femmine umane hanno una coppia omologa di cromosomi X, mentre i maschi umani hanno una coppia di cromosomi XY. Sebbene il cromosoma Y contenga una piccola regione di somiglianza con il cromosoma X in modo che possano accoppiarsi durante la meiosi, il cromosoma Y è molto più corto e contiene molti meno geni. Quando un gene in esame è presente sul cromosoma X, ma non sul cromosoma Y, si dice che sia X-linked.

 La foto mostra sei moscerini della frutta, ognuno con un diverso colore degli occhi.

Figura 3. Nella Drosophila, il gene per il colore degli occhi si trova sul cromosoma X. In senso orario dall’alto a sinistra sono marrone, cinabro, seppia, vermiglio, bianco e rosso. Il colore degli occhi rossi è wild-type ed è dominante al colore degli occhi bianchi.

Il colore degli occhi in Drosophila è stato uno dei primi tratti X-linked da identificare. Thomas Hunt Morgan mappò questo tratto al cromosoma X nel 1910. Come gli umani, i maschi di Drosophila hanno una coppia cromosomica XY e le femmine sono XX. Nelle mosche, il colore degli occhi wild-type è rosso (XW) ed è dominante al colore degli occhi bianchi (Xw) (Figura 3). A causa della posizione del gene del colore degli occhi, le croci reciproche non producono gli stessi rapporti di prole. Si dice che i maschi siano emizigoti, perché hanno un solo allele per ogni caratteristica legata all’X. L’emizigosità rende irrilevanti le descrizioni della dominanza e della recessività per i maschi XY. I maschi di Drosophila non hanno una seconda copia allele sul cromosoma Y; cioè, il loro genotipo può essere solo XWY o XwY. Al contrario, le femmine hanno due copie allele di questo gene e possono essere XWXW, XWXw o XwXw.

In una croce legata all’X, i genotipi della prole F1 e F2 dipendono dal fatto che il tratto recessivo sia stato espresso dal maschio o dalla femmina nella generazione P0. Per quanto riguarda il colore degli occhi di Drosophila, quando il maschio P0 esprime il fenotipo dell’occhio bianco e la femmina è omozigote dagli occhi rossi, tutti i membri della generazione F1 mostrano occhi rossi. Le femmine F1 sono eterozigoti (XWXw) e i maschi sono tutti XWY, avendo ricevuto il loro cromosoma X dalla femmina P0 dominante omozigote e il loro cromosoma Y dal maschio P0. Un successivo incrocio tra la femmina XWXw e il maschio XWY produrrebbe solo femmine dagli occhi rossi (con genotipi XWXW o XWXW) e entrambi i maschi dagli occhi rossi e bianchi (con genotipi XWY o XwY). Ora, considera un incrocio tra una femmina omozigote dagli occhi bianchi e un maschio con gli occhi rossi (Figura 4). La generazione F1 mostrerebbe solo femmine eterozigoti dagli occhi rossi (XWXw) e solo maschi dagli occhi bianchi (XwY). La metà delle femmine F2 sarebbe dagli occhi rossi (XWXw) e la metà sarebbe dagli occhi bianchi (XwXw). Allo stesso modo, la metà dei maschi F2 sarebbe dagli occhi rossi (XWY) e la metà sarebbe dagli occhi bianchi (XwY).

Domanda pratica

 Questa illustrazione mostra un'analisi quadrata di Punnett del colore degli occhi della mosca della frutta, che è un tratto legato al sesso. Una mosca della frutta maschio dagli occhi rossi con il genotipo X^{w} Y è incrociata con una mosca della frutta femmina dagli occhi bianchi con il genotipo X^{w}X^{w}. Tutta la prole femminile acquisisce un allele W dominante dal padre e un allele w recessivo dalla madre, e sono quindi eterozigoti dominanti con il colore degli occhi rossi. Tutti i figli maschi acquisiscono un allele recessivo w dalla madre e un cromosoma Y dal padre e sono quindi emizigoti recessivi con il colore degli occhi bianchi.

Figura 4. L’analisi di Punnett square viene utilizzata per determinare il rapporto tra la prole da un incrocio tra una mosca della frutta maschio dagli occhi rossi e una mosca della frutta femmina dagli occhi bianchi.

Quale rapporto di prole deriverebbe da un incrocio tra un maschio dagli occhi bianchi e una femmina che è eterozigote per il colore degli occhi rossi?

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La metà della prole femminile sarebbe eterozigote (XWXw) con gli occhi rossi, e la metà sarebbe omozigote recessiva (XwXw) con gli occhi bianchi. La metà della prole maschile sarebbe emizigosa dominante (XWY) con rosso sì, e la metà sarebbe emizigosa recessiva (XwY) con gli occhi bianchi.

Le scoperte nella genetica della mosca della frutta possono essere applicate alla genetica umana. Quando un genitore femmina è omozigote per un tratto recessivo legato all’X, passerà il tratto al 100% della sua prole. I suoi figli maschi sono, quindi, destinati ad esprimere il tratto, in quanto erediteranno il cromosoma Y del padre. Negli esseri umani, gli alleli per determinate condizioni (alcune forme di daltonismo, emofilia e distrofia muscolare) sono X-linked. Le femmine che sono eterozigoti per queste malattie sono detto di essere portatori e non possono presentare effetti fenotipici. Queste femmine passeranno la malattia a metà dei loro figli e passeranno lo status di portatore a metà delle loro figlie; pertanto, i tratti recessivi legati all’X appaiono più frequentemente nei maschi rispetto alle femmine.

In alcuni gruppi di organismi con cromosomi sessuali, il genere con i cromosomi sessuali non omologhi è la femmina piuttosto che il maschio. Questo è il caso di tutti gli uccelli. In questo caso, i tratti legati al sesso avranno maggiori probabilità di apparire nella femmina, in cui sono emizigoti.

Piazze Punnett non mendeliane

Questa attività pratica vi aiuterà a ricordare la differenza tra i tipi di eredità non mendeliana e ricordare solo come funzionano.

Fare clic qui per una versione di solo testo dell’attività.

Video Review

Guarda questo video per un riassunto dei tre casi “speciali” di eredità non mendeliana che hai appena praticato.

Alleli multipli

Mendel implicava che solo due alleli, uno dominante e uno recessivo, potevano esistere per un dato gene. Ora sappiamo che questa è una semplificazione eccessiva. Sebbene i singoli esseri umani (e tutti gli organismi diploidi) possano avere solo due alleli per un dato gene, possono esistere più alleli a livello di popolazione in modo tale che si osservino molte combinazioni di due alleli. Si noti che quando esistono molti alleli per lo stesso gene, la convenzione è quella di indicare il fenotipo o genotipo più comune tra gli animali selvatici come il tipo selvaggio (spesso abbreviato “+”); questo è considerato lo standard o la norma. Tutti gli altri fenotipi o genotipi sono considerati varianti di questo standard, il che significa che si discostano dal tipo selvaggio. La variante può essere recessiva o dominante per l’allele wild-type.

Un esempio di alleli multipli è il colore del mantello nei conigli (Figura 5). Qui, esistono quattro alleli per il gene C. La versione wild-type, C + C+, è espressa come pelliccia marrone. Il fenotipo del cincillà, cchcch, è espresso come pelliccia bianca dalla punta nera. Il fenotipo himalayano, chch, ha pelliccia nera sulle estremità e pelliccia bianca altrove. Infine, il fenotipo albino, o “incolore”, cc, è espresso come pelliccia bianca. In caso di alleli multipli, possono esistere gerarchie di dominanza. In questo caso, l’allele wild-type è dominante su tutti gli altri, cincillà è incompletamente dominante su Himalayan e albino, e Himalayan è dominante su albino. Questa gerarchia, o serie allelica, è stata rivelata osservando i fenotipi di ogni possibile prole eterozigote.

 Questa illustrazione mostra le quattro diverse varianti per il colore del mantello nei conigli all'allele C. Il genotipo CC produce il fenotipo wild type, che è marrone. Il genotipo c^{ch}c ^ {ch} produce il fenotipo cincillà, che è pelliccia bianca con punta nera. Il genotipo c^{h} c ^ {h} produce il fenotipo himalayano, che è bianco sul corpo e nero sulle estremità. Il genotipo cc produce il fenotipo recessivo, che è bianco

Figura 5. Esistono quattro diversi alleli per il gene del colore del pelo di coniglio (C).

Questa foto mostra Drosophila che ha antenne normali sulla testa e un mutante che ha le gambe sulla testa.

Figura 6. Come si è visto confrontando la Drosophila wild-type (a sinistra) e il mutante Antennapedia (a destra), il mutante Antennapedia ha le gambe sulla testa al posto delle antenne.

La dominanza completa di un fenotipo wild-type su tutti gli altri mutanti si verifica spesso come effetto del “dosaggio” di uno specifico prodotto genetico, tale che l’allele wild-type fornisce la giusta quantità di prodotto genetico mentre gli alleli mutanti non possono. Per la serie allelica nei conigli, l’allele wild-type può fornire un determinato dosaggio di pigmento di pelliccia, mentre i mutanti forniscono un dosaggio minore o del tutto assente. È interessante notare che il fenotipo himalayano è il risultato di un allele che produce un prodotto gene sensibile alla temperatura che produce solo pigmento nelle estremità più fredde del corpo del coniglio.

In alternativa, un allele mutante può essere dominante su tutti gli altri fenotipi, incluso il tipo selvaggio. Ciò può verificarsi quando l’allele mutante interferisce in qualche modo con il messaggio genetico in modo che anche un eterozigote con una copia di allele wild-type esprima il fenotipo mutante. Un modo in cui l’allele mutante può interferire è migliorando la funzione del prodotto del gene wild-type o cambiando la sua distribuzione nel corpo.

Un esempio di questo è la mutazione Antennapedia in Drosophila (Figura 6). In questo caso, l’allele mutante espande la distribuzione del prodotto genico e, di conseguenza, l’eterozigote Antennapedia sviluppa le gambe sulla sua testa dove dovrebbero essere le sue antenne.

Gli alleli multipli conferiscono resistenza ai farmaci nel parassita della malaria

La malaria è una malattia parassitaria nell’uomo trasmessa da zanzare femmine infette, tra cui Anopheles gambiae (Figura 7a), ed è caratterizzata da febbri cicliche elevate, brividi, sintomi simil-influenzali e grave anemia. Plasmodium falciparum e P. vivax sono gli agenti causali più comuni della malaria e P. falciparum è il più mortale (Figura 7b). Quando prontamente e correttamente trattata, P. falciparummalaria ha un tasso di mortalità dello 0,1 per cento. Tuttavia, in alcune parti del mondo, il parassita ha evoluto la resistenza ai trattamenti di malaria comunemente usati, quindi i trattamenti malarici più efficaci possono variare in base alla regione geografica.

La foto a mostra la zanzara Anopheles gambiae, che porta la malaria. La foto b mostra un micrografo di Plasmodium falciparum a forma di falce, il parassita che causa la malaria. Il plasmodio è di circa 0,75 micron.

Figura 7. La (a) Anopheles gambiae, o zanzara africana della malaria, agisce come vettore nella trasmissione all’uomo del parassita che causa la malaria (b) Plasmodium falciparum, qui visualizzato utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a falsi colori. (credito a: James D. Gathany; credito b: Ute Frevert; falso colore di Margaret Shear; scala-bar dati da Matt Russell)

Nel Sud-est asiatico, in Africa e in Sud America, P. falciparum ha sviluppato resistenza ai farmaci antimalarici clorochina, meflochina e sulfadoxina-pirimetamina. P. falciparum, che è aploide durante la fase di vita in cui è contagioso per gli esseri umani, si è evoluto più alleli mutanti resistenti ai farmaci del gene dhps. Vari gradi di resistenza alla sulfadossina sono associati a ciascuno di questi alleli. Essendo aploide, P. falciparum ha bisogno di un solo allele resistente ai farmaci per esprimere questo tratto.

Nel sud-est asiatico, diversi alleli resistenti alla sulfadossina del gene dhps sono localizzati in diverse regioni geografiche. Questo è un fenomeno evolutivo comune che si verifica perché mutanti resistenti ai farmaci sorgono in una popolazione e si incrociano con altri P. falciparum si isola nelle immediate vicinanze. I parassiti resistenti alla sulfadossina causano notevoli difficoltà umane nelle regioni in cui questo farmaco è ampiamente usato come rimedio contro la malaria da banco. Come è comune con gli agenti patogeni che si moltiplicano in gran numero all’interno di un ciclo di infezione, P. falciparum si evolve relativamente rapidamente (oltre un decennio o giù di lì) in risposta alla pressione selettiva dei farmaci antimalarici comunemente usati. Per questo motivo, gli scienziati devono lavorare costantemente per sviluppare nuovi farmaci o combinazioni di farmaci per combattere il carico di malaria in tutto il mondo.

Alleli multipli (gruppi sanguigni ABO) e quadrati di Punnett

Penetranza ed espressività

La penetranza si riferisce alla probabilità che un gene o un tratto venga espresso. In alcuni casi, nonostante la presenza di un allele dominante, un fenotipo potrebbe non essere presente. Un esempio di questo è la polidattilia negli esseri umani (dita e/o dita extra). Un allele dominante produce polidattilia negli esseri umani, ma non tutti gli esseri umani con l’allele visualizzare le cifre in più. Penetranza “Completa” significa che il gene o i geni per un tratto sono espressi in tutta la popolazione che ha i geni. Penetranza” incompleta ” o “ridotta” significa che il tratto genetico è espresso solo in una parte della popolazione. La penetranza dell’espressione può anche cambiare in diversi gruppi di età di una popolazione. La penetranza ridotta deriva probabilmente da una combinazione di fattori genetici, ambientali e di stile di vita, molti dei quali sono sconosciuti. Questo fenomeno può rendere difficile per i professionisti della genetica interpretare la storia medica familiare di una persona e prevedere il rischio di trasmettere una condizione genetica alle generazioni future.

 Penetranza completa: tutti e sei i quadrati sono di colore verde scuro. Penetranza incompleta: tre dei quadrati sono di colore verde scuro e tre dei quadrati sono bianchi. I quadrati in ogni esempio sono destinati a rappresentare individui dello stesso genotipo per il gene di interesse.

Figura 8. Illustrazione modellata su un’immagine simile di Steven M. Carr, Penetranza contro espressività.

L’espressività d’altra parte si riferisce alla variazione dell’espressione fenotipica quando un allele è penetrante. Tornando all’esempio della polidattilia, una cifra extra può verificarsi su una o più appendici. La cifra può essere a grandezza naturale o solo uno stub. Quindi, questo allele ha ridotto la penetranza e l’espressività variabile. L’espressività variabile si riferisce alla gamma di segni e sintomi che possono verificarsi in persone diverse con la stessa condizione genetica. Come per la penetranza ridotta, l’espressività variabile è probabilmente causata da una combinazione di fattori genetici, ambientali e di stile di vita, molti dei quali non sono stati identificati. Se una condizione genetica ha segni e sintomi altamente variabili, può essere difficile da diagnosticare.

 Espressività stretta: tutti e sei i quadrati sono di colore verde scuro. Espressività variabile: i sei quadrati sono varie tonalità di verde. I quadrati in ogni esempio sono destinati a rappresentare individui dello stesso genotipo per il gene di interesse.

Figura 9. Illustrazione modellata su un’immagine simile di Steven M. Carr, Penetranza contro espressività.

Per maggiori informazioni sulla penetranza ridotta e l’espressività variabile date un’occhiata al tutorial interattivo sulla penetranza offerto da PHG Foundation. Il tutorial spiega le differenze tra penetranza ridotta ed espressività variabile.

Espressività variabile e penetranza incompleta

Verifica la tua comprensione

Rispondi alle domande qui sotto per vedere quanto bene comprendi gli argomenti trattati nella sezione precedente. Questo breve quiz non conta verso il vostro grado nella classe, e si può riprendere un numero illimitato di volte.

Usa questo quiz per verificare la tua comprensione e decidere se (1) studiare ulteriormente la sezione precedente o (2) passare alla sezione successiva.

  1. Il suo nome deriva da, “Origin and Evolution of Sulfadoxine Resistant Plasmodium falciparum,” Public Library of Science Pathogens 6, no. 3 (2010): e1000830, doi:10.1371/journal.ppat.1000830. ↵

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