Lezione 12: Interazioni geniche e deviazioni mendeliane in Biologia

Lezione 12 - 24/10/2022

Argomenti trattati

• Interazioni tra geni e rapporti mendeliani modificati
• Interazioni geniche che determinano nuovi fenotipi
• Epistasi (recessiva e dominante)
• Interazione genica che coinvolge geni modificatori
• Pleiotropia
• Espressione genica e ambiente
• Penetranza ed espressività

Interazioni tra geni e rapporti mendeliani modificati

Le interazioni genetiche sono quei casi in cui tolta la genetica quantitativa noi non rispettiamo i principi di Mendel.

Nessun gene agisce da solo nel determinare il fenotipo di un individuo; al contrario, il fenotipo è il risultato di una serie di reazioni molecolari integrate, molto complesse e sotto il diretto controllo genico.

Tutti gli esempi genetici discussi hanno delle precise basi molecolari e in diversi casi, mediante l'analisi genetica, si possono rilevare delle interazioni complesse tra geni.

Di seguito vengono esaminati alcuni di questi esempi.

Consideriamo due geni che si distribuiscono indipendentemente, ognuno con due alleli: A e a, B e b. Il risultato di un incrocio tra individui, di cui ciascuno sia un doppio eterozigote (A/a B/b × A/a B/b), sarà rappresentato da 9 genotipi nelle seguenti proporzioni:

• 1/16 A/A B/B
• 2/16 A/A B/b
• 1/16 A/A b/b
• 2/16 A/a B/B
• 4/16 A/a B/b
• 2/16 A/a b/b
• 1/16 a/a B/B
• 2/16 a/a B/b
• 1/16 a/a b/b

Se i fenotipi determinati dalle due coppie alleliche sono riconoscibili l'uno dall'altro, per esempio, piselli lisci o rugosi, steli lunghi o corti e vi è dominanza completa, allora si osserva l'ormai familiare rapporto fenotipico di 9:3:3:1, dove le quattro classi fenotipiche rappresentano i fenotipi normale e mutante controllati dai due geni coinvolti.La deviazione dal rapporto standard di 9:3:3:1 dei fenotipi selvatici e mutanti indica che ha luogo un'interazione tra alleli di geni diversi.

I genotipi corrispondenti al rapporto fenotipico 9:3:3:1 possono essere rappresentati in modo abbreviato come A/- B/-, A/- b/b, a/a B/-, a/a b/b rispettivamente.

Il trattino indica che il fenotipo è lo stesso, sia il gene dominante allo stato omozigote o eterozigote.

Per esempio, A/- significa A/A o A/a.

Questo sistema non può essere usato nel caso di dominanza incompleta o di codominanza, perché ai genotipi A/A o A/a corrispondono fenotipi diversi.

Interazioni Geniche

I rapporti di segregazione osservati da Mendel furono la conseguenza della felice scelta del materiale e del metodo sperimentale ed anche un pizzico di fortuna ogni carattere considerato era sotto il controllo di un solo gene con due forme alleliche, una delle quali manifestava dominanza

• le coppie alleliche considerate avevano la loro base fisica in differenti cromosomi oppure negli stessi cromosomi ma in loci tra loro molto distanti (forma del baccello - altezza della pianta, CHR 3) (colore del baccello immaturo - forma del seme, CHR 5)

Interazioni geniche che determinano nuovi fenotipi

Se le due coppie di alleli in un incrocio di diibridi influenzano la stessa caratteristica fenotipica, l'interazione tra i loro prodotti genici potrebbe determinare nuovi fenotipi, con rapporti fenotipici modificati o meno, a seconda della particolare interazione tra i prodotti dei geni non allelici.

Questi esempi differiscono da esempi apparentemente simili che coinvolgono alleli multipli o casi di codominanza poiché gli alleli di due o più geni, non quelli di uno solo, interagiscono per produrre nuovi fenotipi.

Consideriamo due geni particolari, entrambi coinvolti nella determinazione del colore dell'occhio di Drosophila.

L'omozigosi per l'allele autosomico recessivo di un gene, bw (brown), determina occhi di colore marrone, e l'omozigosi per l'allele autosomico recessivo di un altro gene indipendente, st (scarlet), determina occhi di colore scarlatto.

Moscerino di linea pura con occhi marrone X moscerino di linea pura con occhi scarlatto

Generazione P

Genitore 1 º Genitore 2 ở Fenotipo parentale Occhi marrone Occhi scarlatto Rapporto fenotipico in Fa per bw*/bwX Rapporto fenotipico in Fa per st"/st x st+/ st Rapporti combinati in Fa Proporzioni fenotipiche attese in F2 Genotipo parentale diploide 8888 00 88 bw/bw st+/st" bw+/bw+ stist Gameti aploidi bw st+ st Gameti del genitore 2 Ở

Generazione F;

88 bw+Ust Gameti del bw st+ genitore 1 Q bw+/bw st"ist Occhi rossi (selvatico) Genotipi dell'F .: tutti bw+/ bw st*/ st Fenotipi dell'F ;: tutti con occhi rossi (selvatico) 3/4 st+/- Wie bw+/- st+/- W18 rosso (selvatico) 3/2 bw*/- 1/4 st / st 3/18 bw+/- st/st 3/18 scarlatto 3/4 st+/- 3/16 bw/bw st+/- 3/18 marrone 1/4 bw bw< 1/4 st / st 1/18 bw/bw st/st 1/jg bianco

Figura 13.15 Interazione genica che produce nuovi fenotipi. Incrocio genetico che mostra l'interazione di geni per il colore dell'occhio in Drosophila.

Quando vengono incrociati moscerini di linee pure con occhi marrone e con occhi scarlatto, tutta la F1 ha un nuovo fenotipo, selvatico, con occhi rosso mattone.

Quando i moscerini della F1 vengono incrociati, non solo danno origine a moscerini con occhi di color rosso mattone (selvatico), marrone e scarlatto, ma anche a individui con occhi bianchi non pigmentati.

Questi quattro fenotipi per il colore dell'occhio sono in rapporto di 9 selvatico: 3 scarlatto: 3 marrone: 1 bianco.

Questo rapporto è caratteristico della progenie F2 che deriva da due genitori ognuno dei quali è eterozigote per due geni; tuttavia, la comparsa di un nuovo fenotipo indica la presenza di interazioni geniche.

La spiegazione di questo risultato è la seguente:

• il colore degli occhi selvatico dipende dagli alleli selvatici dei geni per il colore dell'occhio brown e scarlet.
• Questi due geni segregano indipendentemente.

Le relazioni tra genotipo e fenotipo in questo caso sono:

• BW/- ST/- = selvatico
• BW/- st/st = scarlatto
• bw/bw s/- = marrone
• bw/bw st/st = bianco.

(Molte altre coppie di geni per il colore dell'occhio in Drosophila hanno concettualmente gli stessi rapporti fenotipo-genotipo nei quali il doppio recessivo dà origine a un nuovo colore dell'occhio.)

F1 X F1

Generazione F2

bw*/bwLa spiegazione molecolare del fenotipo con occhio bianco nell'esempio precedente può essere la seguente:

• Il colore selvatico dell'occhio è il risultato di una combinazione di un pigmento marrone e di uno rosso scarlatto, che produce un colore rosso mattone.
• I pigmenti rosso scarlatto e marrone sono il prodotto finale di due distinte catene biosintetiche, ognuna delle quali è controllata da un certo numero di geni.

I moscerini con il genotipo BW/- st/st non producono il pigmento marrone ma sintetizzano quello rosso scarlatto, quindi hanno occhi di quest'ultimo colore.

I moscerini con il genotipo bw/bw ST/- non producono il pigmento rosso scarlatto ma sintetizzano quello marrone, quindi hanno occhi di colore marrone.

I moscerini con il genotipo bw/bw st/st non producono pigmento marrone né pigmento rosso e quindi hanno occhi bianchi, non pigmentati.

Un altro esempio di interazione genica coinvolge la forma della cresta nel pollo, che dipende da due geni che segregano indipendentemente, R e P.

Polli con genotipo R/- P/- hanno cresta a noce (così chiamata perché ricorda metà di un gheriglio di noce).

Un incrocio R/r P/p × R/r P/p dà la seguente progenie:

• 9 R/- P/- = cresta a noce
• 3 R/- p/p = cresta a rosa (larga, quasi piatta alla sommità e molle, con la punta assottigliata)
• 3 r/r P/- = cresta a pisello (lunghezza media, bassa, con tre sporgenze per l'intera lunghezza)
• 1 r/r p/p = cresta singola (sottile, molle, relativamente alta rispetto alla testa e al becco, e con scanalature multiple).

Da un punto di vista molecolare, la cresta singola è il fenotipo "base" che si manifesta in assenza dei prodotti genici dei loci R e P.

La presenza di almeno un allele funzionale nel locus R (R/- p/p) modifica il fenotipo base in cresta a rosa mentre un allele funzionale nel locus P (r/r P/-) modifica il fenotipo base in cresta a pisello.

Infine, i prodotti genici R e P interagiscono a dare un nuovo fenotipo, la variante cresta a noce (R/- P/-).

L'EPISTASI

L'epistasi (letteralmente "stare al di sopra") è l'interazione tra gli alleli di due o più geni che controllano un unico fenotipo.

L'interazione implica che un gene mascheri l'espressione fenotipica di un altro gene.

In questo fenomeno sono coinvolti geni che contribuiscono a differenti passaggi di una stessa via biosintetica.

Per questo, le mutazioni di un gene possono mascherare gli effetti di un altro gene nella produzione di un particolare fenotipo.

In seguito a questo tipo di interazione tra geni non vengono prodotti nuovi fenotipi.

Un gene che maschera l'espressione di un altro gene è definito epistatico e il gene del quale viene mascherata l'espressione è detto ipostatico.

Dati due loci non allelici A e B, con A epistatico su B, l'epistasi può essere causata dall'omozigosi recessiva dell'allele A (a/a, epistasi recessiva, cioè dalla mancanza del suo prodotto genico), oppure derivare dalla presenza di un allele dominante nel locus A (A/-, epistasi dominante, cioè dalla presenza del suo prodotto genico).

In entrambi i casi, l'espressione fenotipica del gene nel locus B viene mascherata, indipendentemente dagli alleli in esso presenti (B/- o b/b).

L'epistasi può anche avvenire tra alleli di due geni in entrambe le direzioni (epistasi duplicata).

Tutte queste possibilità possono produrre un gran numero di modificazioni del rapporto 9:3:3:1 in un incrocio di diibridi.

Più complessi sono i casi di interazione interallelica che si hanno quando la situazione ad un locus influenza l'espressione fenotipica del carattere in modo differente a seconda della situazione ad un altro locus o ad altri loci

EPISTASI

Il termine venne introdotto da Bateson per indicare il mascheramento di un gene ad opera di un altro gene situato in un locus diverso Mentre nella dominanza comparivano 2 fenotipi (dominante e recessivo) nell'epistasia ne compaiono tre Il gene che maschera l'espressione di un altro gene è detto epistatico Il gene la cui espressione viene mascherata è detto ipostatico

Il termine venne introdotto da Bateson per indicare il mascheramento di un gene ad opera di un altro gene situato in un locus diverso.

N.B. la dominanza cos'è? Abbiamo l'allele che maschera l'altro allele, questa si chiama interazione intragenica perché avviene all'interno del gene, cioè tra alleli diversi dello stesso gene.

L'epistasi è un'interazione inter-allelica o intergenica perché vi è l'effetto di un gene su un altro gene. In essa un gene maschera o impedisce l'espressione di un altro gene posto in un altro locus.