CAPITOLO 6 ORGANIZZAZIONE E TRASMISSIONE DEL MATERIALE EREDITARIO

CAPITOLO 6 ORGANIZZAZIONE E TRASMISSIONE DEL MATERIALE EREDITARIO LIGUORI EDITORE 1

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6. 1 GENOMA Figura 6. 1 Cariotipi di segale (A) e di moscerino (B) nei quali sono evidenti le coppie di cromosomi omologhi. 3

6. 1 GENOMA Tabella 6. 1 a Numeri cromosomici (2 n) e livello di ploidia (numero di genomi x) di alcuni organismi animali e vegetali, e microrganismi. 4

6. 1 GENOMA Tabella 6. 1 b Numeri cromosomici (2 n) e livello di ploidia (numero di genomi x) di alcuni organismi animali e vegetali, e microrganismi. 5

6. 2 DISTRIBUZIONE DEL DNA NEI CROMOSOMI: SEQUENZE UNICHE E SEQUENZE RIPETUTE QUADRO 6. 1 – FAMIGLIE MULTIGENICHE Figura 6. 2 Localizzazione ed espansione dei membri di famiglie multigeniche molto diffuse negli eucarioti: tubuline in Arabidopsis thaliana (A) e actine in topo (Mus musculus) (B). 6

6. 2 DISTRIBUZIONE DEL DNA NEI CROMOSOMI: SEQUENZE UNICHE E SEQUENZE RIPETUTE QUADRO 6. 1 – FAMIGLIE MULTIGENICHE Tabella 6. 2 Principali famiglie geniche del genoma umano e di quello di altre specie. 7

6. 2 DISTRIBUZIONE DEL DNA NEI CROMOSOMI: SEQUENZE UNICHE E SEQUENZE RIPETUTE QUADRO 6. 1 – FAMIGLIE MULTIGENICHE Figura 6. 3 Evoluzione della famiglia dei geni umani codificanti le globine. 8

6. 3 CROMOSOMA EUCARIOTICO: ORGANIZZAZIONE DELLA CROMATINA Figura 6. 4 Modello molecolare della cromatina. 9

6. 3 CROMOSOMA EUCARIOTICO: ORGANIZZAZIONE DELLA CROMATINA Figura 6. 5 Struttura dei nucleosomi: organizzazione degli istoni e del DNA nell’ottamero di un nucleosoma (A) e nel tratto di connessione tra nucleosomi adiacenti (B) (da: R. J. Brooker 1999, modificata). 10

6. 3 CROMOSOMA EUCARIOTICO: ORGANIZZAZIONE DELLA CROMATINA Figura 6. 6 Struttura della fibra fondamentale: modelli a solenoide (A) e a zig-zag (B) (da: R. J. Brooker 1999, modificata). 11

6. 3 CROMOSOMA EUCARIOTICO: ORGANIZZAZIONE DELLA CROMATINA Figura 6. 7 Relazione tra le regioni delle proteine attaccate all’impalcatura (SAR) e sequenze geniche nei cromosomi eucariotici (da R. J. Brooker 1999, modificata). 12

6. 3 CROMOSOMA EUCARIOTICO: ORGANIZZAZIONE DELLA CROMATINA Figura 6. 8 Rappresentazione schematica dei diversi livelli di organizzazione e impacchettamento della cromatina. 13

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI Figura 6. 9 (A) Metafase di Medicago coerulea con 16 cromosomi A e due cromosomi B (indicati dalle frecce). (B) Cariotipo di Nicotiana tabacum (2 n=4 x=48). (C, D) Esempi di cariogramma di Capsicum annuum e ideogramma di Zea mays. 14

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI Figura 6. 10 Rappresentazione schematica del cromosoma eucariotico (da: E. Falistocco 1998, modificata). 15

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI CENTROMERO Figura 6. 11 Classificazione dei cromosomi in base alla posizione del centromero e alla lunghezza dei bracci: (A) metacentrico; (B) sub-metacentrico; (C) acrocentrico; (D) telocentrico. 16

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI CENTROMERO Figura 6. 12 Particolare del centromero (costrizione primaria) di un cromosoma: (A) eterocromatina centromerica evidenziata mediante colorazione con Giemsa; (B) microtubuli che aderiscono alla superficie centromerica in corrispondenza del cinetocoro. 17

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI TELOMERI Tabella 6. 3 Motivo delle sequenze ripetute telomeriche di mammiferi, piante superiori (Arabidopsis) e funghi (Saccharomyces cerevisiae). 18

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI TELOMERI Figura 6. 13 Risultati di un esperimento di ibridazione in situ fluorescente condotta su una fibra di DNA cromosomico di pomodoro usando sonde per sequenze telomeriche [TTTAGGG]n e subtelomeriche (TGR 1), corrispondenti al segnale rosso e a quello verde, rispettivamente (Foto: H. de Jong). 19

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI ORGANIZZATORE NUCLEOLARE E SATELLITE Figura 6. 14 (A) Ovulo con cellula madre delle megaspore e (B) microspore multinucleate di erba medica con nucleoli evidenti (colorati in blu e rosso, rispettivamente). 20

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI ORGANIZZATORE NUCLEOLARE E SATELLITE Figura 6. 15 (A) Coppia di cromosomi satellitari di segale con evidente costrizione secondaria; (B) organizzatori nucleolari (NOR) di segale evidenziati mediante ibridazioni in situ con sonde di DNA ribosomale (Foto: H. de Jong). 21

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI ORGANIZZATORE NUCLEOLARE E SATELLITE Figura 6. 16 Organizzazione dei geni ribosomali: gli spaziatori intergenici (IGS) delimitano una unità di trascrizione, mentre i geni sono separati da spaziatori trascritti interni (ITS) e affiancati da spaziatori trascritti esterni (ETS). 22

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI ORGANIZZATORE NUCLEOLARE E SATELLITE Figura 6. 17 Organizzazione strutturale di un nucleolo (Foto: Garland 1989). 23

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI ORGANIZZATORE NUCLEOLARE E SATELLITE Figura 6. 18 Composizione dei ribosomi procariotici ed eucariotici (da: R. J. Brooker 1999, modificata). 24

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI NOTA TECNICA – COEFFICIENTE DI SEDIMENTAZIONE QUADRO 6. 2 – STORIA DELLA CITOGENETICA Figura 6. 19 Ibridazione in situ genomica tra Salix alba e Salix fragilis: i segnali indicano le regioni cromosomiche contenenti sequenze simili (Foto: S. Meneghetti e H. de Jong). 25

6. 4 STRUTTURA E MORFOLOGIA DEI CROMOSOMI EUCARIOTICI NOTA TECNICA – COEFFICIENTE DI SEDIMENTAZIONE QUADRO 6. 2 – STORIA DELLA CITOGENETICA Figura 6. 20 Ibridazione in situ di geni e cromosomi, rispettivamente, in pomodoro (A) ed in frumento (B). 26

6. 5 TEORIA CROMOSOMICA DELL’EREDITÀ Figura 6. 21 Cariotipo suino: sono evidenti 18 coppie di autosomi e due cromosomi sessuali, XY (2 n=2 x=36+XY). 27

6. 6 CONSERVAZIONE E TRASMISSIONE DEL MATERIALE EREDITARIO Figura 6. 22 Cromosoma 12 umano fotografato al microscopio elettronico (Foto: E. Du Praw). Sono ben visibili i cromatidi fratelli uniti al centromero. 28

6. 7 MITOSI E DIVISIONE CELLULARE Figura 6. 23 Rappresentazione schematica della mitosi: (A) nucleo in interfase; (B, C, D) profase; (E) metafase; (F) anafase; (G) telofase; (H, I) citocinesi. 29

6. 7 MITOSI E DIVISIONE CELLULARE PROFASE, METAFASE, ANAFASE, TELOFASE Figura 6. 24 Fasi principali della mitosi in Allium: (A)interfase; (B) cromosomi in profase; (C) cromosomi in metafase; (D) cromosomi in anafase; (E) cromosomi in telofase; (F) cellule figlie risultanti dalla mitosi. 30

6. 7 MITOSI E DIVISIONE CELLULARE CITOCINESI Figura 6. 25 Processo di citocinesi nelle cellule vegetali (A) ed in quelle animali (B). 31

6. 7 MITOSI E DIVISIONE CELLULARE CITOCINESI NOTA CHIAVE – ASPETTI SALIENTI DELLA MITOSI Figura 6. 26 Schema riepilogativo della mitosi di un organismo con 2 n=4. 32

6. 8 INTERFASE E CICLO CELLULARE Figura 6. 27 Schema del ciclo cellulare. 33

6. 8 INTERFASE E CICLO CELLULARE Figura 6. 28 a Variazioni del contenuto di DNA durante le varie fasi del ciclo cellulare (2 C corrisponde al contenuto presintesi e 4 C a quello postsintesi); 34

6. 8 INTERFASE E CICLO CELLULARE Figura 6. 28 b Fluorescenza emessa dal DNA durante il ciclo cellulare quando colorato con prodotto fluorescente (DAPI). 35

6. 8 INTERFASE E CICLO CELLULARE QUADRO 6. 3 – CITOMETRIA A FLUSSO (FCM) Figura 6. 29 (A) Rappresentazione schematica del contenuto di DNA nucleare rilevabile durante il ciclo cellulare mediante analisi citometrica; (B) protoplasto colorato con FITC (isotiocianato di fluoresceina) e PI (ioduro di propidio) per evidenziare, rispettivamente, le proteine totali e il DNA nucleare (foto: S. Lucretti); (C) istogrammi con picchi 2 C e 4 C di una sospensione di nuclei isolati da cellule vegetali. 36

6. 8 INTERFASE E CICLO CELLULARE QUADRO 6. 3 – CITOMETRIA A FLUSSO (FCM) Tabella 6. 4 Contenuti di DNA in pg e dimensioni del genoma in Mb di alcune specie coltivate. 37

6. 8 INTERFASE E CICLO CELLULARE Figura 6. 30 Principali eventi molecolari che controllano la progressione del ciclo cellulare nei lieviti (da: P. J. Russell 1998, modificata). 38

6. 8 INTERFASE E CICLO CELLULARE Figura 6. 31 Regolazione ormonale del ciclo cellulare nelle piante secondo M. Frank e T. Schmülling, 1999. 39

6. 9 VARIAZIONI DELLA STRUTTURA CROMOSOMICA DURANTE IL CICLO CELLULARE Figura 6. 32 Ciclo di condensazione e decondensazione dei cromosomi durante le varie fasi del ciclo cellulare. 40

6. 9 VARIAZIONI DELLA STRUTTURA CROMOSOMICA DURANTE IL CICLO CELLULARE Figura 6. 33 Distribuzione delle regioni eterocromatiche ed eucromatiche nei 12 cromosomi del corredo di base di pomodoro (Lycopersicon esculentum) (Foto: H. de Jong). 41

6. 9 VARIAZIONI DELLA STRUTTURA CROMOSOMICA DURANTE IL CICLO CELLULARE QUADRO 6. 4 – BANDEGGIO CROMOSOMICO Tabella 6. 5 Tecniche di bandeggio cromosomico. 42

6. 9 VARIAZIONI DELLA STRUTTURA CROMOSOMICA DURANTE IL CICLO CELLULARE QUADRO 6. 4 – BANDEGGIO CROMOSOMICO Figura 6. 34 (A) Bandeggio C in Allium flavum con segnali localizzati in zone cromosomiche intercalari e terminali (Foto: G. Vosa). (B, C) Cromocentri in nucleo interfasico di Arabidopsis evidenziati mediante DAPI e 5 -metil-citosina (Foto: H. de Jong). 43

6. 10 MEIOSI E FORMAZIONE DEI GAMETI Figura 6. 35 Alternanza di fase nucleare. 44

6. 10 MEIOSI E FORMAZIONE DEI GAMETI Figura 6. 36 a Diagramma schematico del processo meiotico: interfase I e fasi salienti della meiosi I, con particolare riferimento alla profase (da R. J. Brooker 1999, modificata). 45

6. 10 MEIOSI E FORMAZIONE DEI GAMETI Figura 6. 36 b Diagramma schematico del processo meiotico: interfase II ed eventi principali della meiosi II (da R. J. Brooker 1999, modificata). 46

6. 10 MEIOSI E FORMAZIONE DEI GAMETI PRIMA DIVISIONE (MEIOSI I) PROFASE I E COMPLESSO SINAPTINEMICO Figura 6. 37 Fotografia al microscopio elettronico (A) e rappresentazione schematica (B) del complesso sinaptinemico formatosi tra due coppie cromatidiche di cromosomi omologhi. 47

6. 10 MEIOSI E FORMAZIONE DEI GAMETI PRIMA DIVISIONE (MEIOSI I) PROFASE I E COMPLESSO SINAPTINEMICO Figura 6. 38 Formazione di chiasmi tra cromosomi omologhi (A) e meccanismo di crossing-over (B). 48

6. 10 MEIOSI E FORMAZIONE DEI GAMETI PRIMA DIVISIONE (MEIOSI I) PROFASE I E COMPLESSO SINAPTINEMICO Figura 6. 39 Processo di terminalizzazione dei chiasmi in una coppia di bivalenti con centromeri subterminali (A-C) e cromosomi in diacinesi (D). 49

6. 10 MEIOSI E FORMAZIONE DEI GAMETI PRIMA DIVISIONE (MEIOSI I) METAFASE I Figura 6. 40 Cromosomi metafasici allineati (fronteggiamento dei bivalenti) ai lati opposti del piano equatoriale (A) e diagramma schematico di coorientazione dei centromeri (B). 50

6. 10 MEIOSI E FORMAZIONE DEI GAMETI SECONDA DIVISIONE (MEIOSI II) Figura 6. 41 Fasi salienti del processo di microsporogenesi nelle piante (foto: E. Falistocco). 51

6. 10 MEIOSI E FORMAZIONE DEI GAMETI CITOCINESI Figura 6. 42 Prodotti meiotici nelle piante: (A) tetrade simmetrica di microspore di Dactylis glomerata con schema raffigurativo; (B) tetrade con microspore disposte ai vertici di un tetraedro con schema raffigurativo; (C) tetrade lineare di megaspore di Medicago sativa con schema raffigu-rativo; (D) tetrade con megaspora calazale funzionale e tre megaspore micropilari degenerate (megasporo-genesi di tipo Polygonum). 52

6. 10 MEIOSI E FORMAZIONE DEI GAMETI CITOCINESI NOTA CHIAVE – ASPETTI SALIENTI DELLA MITOSI Figura 6. 43 A, B Confronto tra mitosi (A) e meiosi (B) considerando per semplicità un organismo con tre coppie di cromosomi omologhi e assenza di crossing-over. 53

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA CITOCINESI NOTA CHIAVE – ASPETTI SALIENTI DELLA MITOSI Figura 6. 43 C Conseguenze di singoli crossing-over sulla ristrutturazione dei cromosomi ricombinanti. 54

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA MECCANISMI DI RICOMBINAZIONE GENETICA Figura 6. 44 Modello di Holliday per la ricombinazione omologa (A) con modifica suggerita da Meselson, Radding e Weaver (B) (da: T. A. Brown 1999, modificata). 55

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA MECCANISMI DI RICOMBINAZIONE GENETICA Figura 6. 45 Fotografia al microscopio elettronico di un intermedio di Holliday. 56

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA QUADRO 6. 5 – DETERMINAZIONE CROMOSOMICA DEL SESSO Figura 6. 46 a Cariotipo umano maschile (2 n=44+XY). 57

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA QUADRO 6. 5 – DETERMINAZIONE CROMOSOMICA DEL SESSO Figura 6. 46 b Cariotipo umano femminile (2 n=44+XX). 58

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA QUADRO 6. 5 – DETERMINAZIONE CROMOSOMICA DEL SESSO Figura 6. 47 Determinismo cromosomico del sesso di tipo Drosophila (femmine XX e maschi XY), tipo Protenor (femmine XX e maschi XO) e tipo Abraxas (femmine ZW e maschi ZZ). Nelle api (Apis mellifera) i maschi sono aploidi (n) e le femmine diploidi (2 n). 59

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA QUADRO 6. 5 – DETERMINAZIONE CROMOSOMICA DEL SESSO Figura 6. 48 Cariotipo maschile e femminile, e dimorfismo sessuale in Drosophila melanogaster. 60

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA QUADRO 6. 5 – DETERMINAZIONE CROMOSOMICA DEL SESSO Figura 6. 49 Esemplare di farfalla chiamata Abraxas grossulariata. 61

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA QUADRO 6. 5 – DETERMINAZIONE CROMOSOMICA DEL SESSO Figura 6. 50 Rappresentazione schematica della struttura e delle relazioni di omologia tra i cromosomi sessuali umani. 62

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA QUADRO 6. 5 – DETERMINAZIONE CROMOSOMICA DEL SESSO Tabella 6. 6 Tipologie di cariotipi delle piante maschili e femminili ri scontrate maggiormente nelle specie vegetali (A, corredo di autosomi; X, Y, cromosomi sessuali). 63

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA QUADRO 6. 5 – DETERMINAZIONE CROMOSOMICA DEL SESSO Figura 6. 51 Pianta modello dioica Silene latifolia: organi riproduttivi di fiori femminili (A) e di fiori maschili (B); cromosomi mitotici ottenuti da un apice radicale di un individuo 2 n=22+XY (C); cromosomi meiotici evidenziati in una cellula madre del polline: si noti il limitato appaiamento tra i cromosomi sessuali (D). La barra corrisponde a 10 μm (fonte: B. Vyskot e R. Hobza, 2004). 64

6. 11 MEIOSI E RICOMBINAZIONE GENETICA QUADRO 6. 5 – DETERMINAZIONE CROMOSOMICA DEL SESSO Figura 6. 52 Principali fasi evolutive dei cromosomi sessuali nelle piante: (A) determinazione genica del sesso con ricombinazione possibile tra gli autosomi AA corrispondenti (tipo Ecballium elaterium); (B) determinazione del sesso legata a cromosomi XY omomorfici con ricombinazione soppressa nel tratto dove risiedono i fattori genetici per il sesso maschile e femminile (tipo Carica papaya); (C) determinazione del sesso basata su cromosomi XY eteromorfici con ricombinazione soppressa ed omologia limitata ad un tratto terminale (tipo Silene latifolia); (D) determinazione del sesso riconducibile ad un sistema che prevede un cromosoma X e due cromosomi Y, entrambi con eterocromatina costitutiva (tipo Rumex acetosa). 65

6. 12 ORGANIZZAZIONE DEL DNA EXTRACROMOSOMICO: GENOMA MITOCONDRIALE E CLOROPLASTICO Figura 6. 53 Fotografie al microscopio elettronico di un mitocondrio (A) e di un cloroplasto (B). 66

6. 12 ORGANIZZAZIONE DEL DNA EXTRACROMOSOMICO: GENOMA MITOCONDRIALE E CLOROPLASTICO Tabella 6. 7 Dimensione del genoma mitocondriale e cloroplastico di alcuni organismi eucariotici. 67

6. 12 ORGANIZZAZIONE DEL DNA EXTRACROMOSOMICO: GENOMA MITOCONDRIALE E CLOROPLASTICO Figura 6. 54 (A) Mappa del genoma di mitocondrio di mais (maschiofertile) con indicazione di alcuni geni (da: C. Fauron et al. 1995). (B) Mappa del genoma di cloroplasto di riso con i geni principali (da: T. A. Brown, 1999). 68

6. 13 MODELLI DI EREDITÀ CITOPLASMATICA Tabella 6. 8 Principali modelli di eredità citoplasmatica. 69

6. 13 MODELLI DI EREDITÀ CITOPLASMATICA Figura 6. 55 Foglie variegate di una specie ornamentale. 70

6. 13 MODELLI DI EREDITÀ CITOPLASMATICA Tabella 6. 9 Composizione delle progenie di Mirabilis jalapa variegata. 71

6. 13 MODELLI DI EREDITÀ CITOPLASMATICA Figura 6. 56 Eredità citoplasmatica della maschio-sterilità nel mais. 72

6. 13 MODELLI DI EREDITÀ CITOPLASMATICA Figura 6. 57 Origine endosimbiotica di cloroplasti e mitocondri (da: R. J. Brooker 1999, modificata). 73