Biologia e Genetica - Appunti

Appunti di genetica

Lezione 1

Genetica

La genetica nasce nell'800 grazie a Mendel e permette di capire come vengono ereditati i caratteri. È distinta in quattro branche:

• Genetica formale (Mendel): studia la trasmissione dei caratteri tramite leggi.
• Genetica molecolare: studia la struttura e funzione dei geni.
• Genetica di popolazione: studia come i geni vengono trasmessi all'interno di una popolazione.
• Genetica quantitativa: la più importante, in quanto le malattie monogeniche sono state tutte identificate, e questa branca studia la situazione in cui più geni influenzano un fenotipo. Indica in che percentuale il fattore genetico influenza lo sviluppo della malattia.

La genetica spiega l'ereditarietà dei caratteri e la variabilità dei caratteri (i figli assomigliano ai genitori ma non sono mai uguali ad essi). La variabilità interspecifica è tra più specie; quella intraspecifica è tra la stessa specie. Questo si spiega tramite la meiosi che conduce alla riproduzione di tipo sessuato (crossing-over).

Il genetista spiega, una volta identificato il gene, un suo eventuale malfunzionamento. La genetica applicata spiega, una volta identificato il gene, il suo riscontro fenotipico.

Storia

Vi sono tre linee di sviluppo della genetica: Mendel che enunciò tre leggi e spiegò la trasmissione dei caratteri; Weissmann che identificò la differenza tra cellule somatiche e cellule germinali; Wischer che ipotizzò la presenza degli acidi nucleici. Agli inizi del '900, Lutton e Bawen misero insieme le prime due branche identificando i geni all'interno dei cromosomi.

Organismi

Gli organismi pluricellulari sono per definizione eucarioti. Funzionalmente si hanno cellule con determinati ruoli specializzate nella loro funzione. Tutto questo è determinato dal differenziamento cellulare, che dipende da differenti fattori di trascrizione che interagiscono differentemente con il DNA. Negli eucarioti, il materiale genetico è contenuto nel nucleo. Durante l'interfase, il materiale genetico è distinto in eterocromatina ed eucromatina (accessibile alla trascrizione). Durante la mitosi, la cromatina subisce un compattamento progressivo (fino ad arrivare al cromatide). Questo consente una più facile divisione del materiale genetico. Il cromosoma è formato da due cromatidi fratelli uniti, a livello del centromero, dalle coesine. L'unità fondamentale della compattazione è la collana di perle formata da nucleosomi (10nm) che progressivamente si compatterà maggiormente (fibra da 30nm) per arrivare alle anse (300nm) con l'aiuto di proteina non istoniche.

Cromosoma

Il numero è specie-specifico ma non proporzionale al materiale genetico. Gli eucarioti sono organismi diploidi in quanto, durante l'interfase, presentano due copie del cromosoma (2n) in quanto i geni sono biallelici. La mitosi è un processo equazionale in quanto si mantiene una conformazione 2n mentre la meiosi è un processo riduzionale in quanto si passa a conformazione aploide (n).

Ciclo cellulare

Il ciclo cellulare intercorre tra due mitosi. La fase variabile è la fase G1. Nel corso del ciclo cambia la quantità di DNA. Nella cellula aploide abbiamo un valore C. Nelle cellule somatiche il contenuto è 2C. Dopo la fase S si avrà invece contenuto 4C. L'interfase rappresenta un periodo in cui si sono duplicati i centrioli ed il materiale genetico. A questo punto il DNA inizia a compattarsi e si entra in profase. L'evento fondamentale è la formazione del fuso preceduta dalla formazione dell'aster che ancora il COMT alla membrana plasmatica. Sui cromosomi si evidenziano i cinetocore che consentono l'adesione ai microtubuli del fuso. Essi avvolgono il cromosoma a livello del centromero aderendo a DNA altamente ripetuto (sequenze in tandem) detto DNA alfoide. La piastra interna del cinetocore prende contatto con questa struttura; la piastra esterna prende contatto con i microtubuli. Vi sono malattie autoimmuni che interagiscono con le proteine del cinetocore. Nella metafase i cromosomi si allineano all'equatore del fuso (piastra equatoriale). Nella meiosi, durante la metafase I, si ha l'appaiamento dei cromosomi omologhi. Durante l'anafase i cromatidi fratelli si muovono ai poli opposti del fuso e si ha un inizio di ricostruzione dell'involucro nucleare. Durante la telofase inizia a formarsi l'anello contrattile. La citodieresi è la fase finale con le due cellule divise e gli involucri nucleari ricostituiti.

Lezione 2

Negli eucarioti e nelle piante esistono cellule specializzate alla produzione di uno zigote (partendo da una cellula diploide si arriva ad una cellula aploide). I geni hanno un'espressione di tipo biallelico (due copie). Esistono delle cellule somatiche poliploidi come gli epatociti e le cellule tumorali. La meiosi oltre alla riduzione dei cromosomi permette anche la ricombinazione genica con assortimento indipendente dei cromosomi e crossingover. La meiosi si compone di una prima divisione riduzionale ed una seconda equazionale. La particolareggiata è la meiosi I in particolare la profase I e la metafase I.

La profase I viene distinta in altri momenti (leptotene, zigotene ecc.). Nella meiosi I si ha la separazione dei cromosomi omologhi; nella meiosi II si ha la separazione dei cromatidi fratelli. L'ovocita dopo la meiosi I viene bloccato fino alla pubertà. Nella profase I avviene l'appaiamento degli omologhi con la formazione delle tetradi. Questo appaiamento permette la corretta separazione con allineamento sulla piastra equatoriale. Nella fase di leptotene iniziano a condensarsi i cromosomi con scomparsa della membrana nucleare. Durante lo zigotene si forma la sinapsi che forma una cerniera che unisce i cromosomi omologhi. Senza questo appaiamento non si avrebbe crossingover ed una corretta separazione.

In pachitene questa cerniera è completa e si ha lo scambio di regioni cromosomiche simili. Il processo di crossingover avviene tramite rottura e riparazione di zone omologhe il che consente la ricombinazione genica. Nel diplotene inizia a scomparire la sinapsi ed è la fase in cui si bloccano gli ovociti femminili. I cromosomi bloccati in questa fase possono subire alterazioni con l'età. Nella diacinesi scompare il nucleo. I cromosomi X ed Y nel maschio fanno poco crossingover (solo nelle regioni pseudoautosomiche).

Nella metafase I si forma il fuso ed i cromosomi omologhi si dispongono simmetricamente sul piano equatoriale della cellula. Nella mitosi i microtubuli del fuso si attaccano da entrambe le parti del centromero. Nella meiosi I, invece, i microtubuli si attaccano unicamente da un lato. Al momento della separazione si avrà dunque la separazione degli omologhi. Le cellule figlie entrano nella meiosi II che sostanzialmente rispecchia una normale mitosi. La posizione dei cromosomi consente la segregazione indipendente dei cromatidi in quanto l'ordine di disposizione sulla piastra è casuale e si otterranno un numero di combinazioni proporzionali esponenzialmente al numero dei cromosomi.

In sostanza la meiosi consente una diminuzione del numero di cromosomi ed un rimescolamento del materiale genico, sia tramite la segregazione indipendente sia tramite il crossingover (assortimento casuale, grossolano; scambio di parti di cromatidi, minuzioso). Il numero di gameti differenti che possiamo produrre a livello di meiosi è 2ⁿ, dove n è il numero di coppie di cromosomi omologhi. Il processo meiotico determina una variabilità interspecifica che conduce all'esclusività di ogni individuo. Il contenuto di DNA arrivato a 4C dopo la sintesi, tende a ridursi in 2C alla prima divisione meiotica ed a C nella seconda divisione (C è tipico delle cellule aploidi). Nella donna il picco di presenza di follicoli primordiali è al terzo mese di vita fetale (7 milioni). Da qui in poi si avrà il processo di atresia.

Leggi di Mendel

I tratti ereditari rappresentano i caratteri che vengono trasmessi da una generazione all'altra. L'espressione di un determinato carattere è determinata da un gene che Mendel chiamò fattore. A fronte di un determinato genotipo non è necessario per forza un determinato tipo di fenotipo. Questo perché vi sono caratteri poligenici dove diversi geni intervengono su un fenotipo; anche l'ambiente può influenzare l'espressione genica. Mendel studiò caratteri che non erano influenzati dall'ambiente. Il locus rappresenta la posizione di un gene sul cromosoma. L'allele rappresenta una delle varianti del gene. L'allele più frequente è detto wild type rispetto ai meno frequenti alleli mutati. L'omozigote presenta una singola variante allelica; l'eterozigote ne presenta due. Il monoibrido presenta un singolo carattere (biibrido, triibrido).

Mendel utilizzò un metodo basato sull'osservazione e sulla descrizione di una singola caratteristica. Scelse il pisello perché era facilmente controllabile e manipolabile. In particolare utilizzò la fecondazione incrociata e l'autofecondazione. Il pisello in più ha un ciclo riproduttivo breve, progenie numerosa, caratteristiche visibili e costo limitato. Il metodo utilizzato da Mendel è il classico metodo scientifico. Incrociando piselli diversi osserva 34 ceppi con caratteristiche differenti. Con l'autofecondazione ottiene poi 7 tipi di piante che erano linee pure. Un allele dominante viene definito con la lettera maiuscola il recessivo con la minuscola (S=liscio, Y=giallo).

La prima legge enuncia che la prima generazione tra due linee pure è una generazione uniforme. Praticamente si manifesta unicamente uno dei due caratteri (pisello liscio). Mendel escluse che il carattere fosse influenzato dal sesso. La prima generazione viene definita F1 che non rappresenta una linea pura in quanto deriva dall'incrocio di due linee pure. Infatti, dall'autofecondazione di F1, ricompare il carattere parentale nella F2. I rapporti sono particolari in quanto i caratteri hanno rapporti fenotipici 3:1. Questo evidenzia come sono presenti forme differenti di uno stesso gene (alleli). Precisamente il caratteri liscio (S) è dominante ed in F1 viene nascosto fenotipicamente il carattere rugoso. I rapporti genotipici di F2 sono per questo diversi da 3:1 in quanto si ha il 50% di omozigoti (25% dominanti e 25 recessivi) e 50% di eterozigoti.

La II legge di Mendel è la legge della segregazione indipendente: i geni di una coppia di alleli si separano indipendentemente e avremo gameti in rapporto 1:1 dell'allele opposto. Di conseguenza alla F2 i rapporti fenotipici dei caratteri avranno una manifestazione in rapporto costante. Una rappresentazione grafica è il quadrato di Plummet (tabella a doppia entrata).

Lezione 3

La I legge di Mendel è quella dell'uniformità dove l'incrocio di due linee pure deriveranno individui tutti eterozigoti che manifesteranno il carattere di un solo genitore (dominante). La II è quella della segregazione dei caratteri: se si incrociano gli individui F1, in F2 ricompare il carattere recessivo in rapporto 3:1 (fenotipico). I rapporti genotipici sono invece 2:1:1. Alla meiosi avviene l'assortimento indipendente dei cromosomi che consente la formazione di più combinazioni di gameti. La III legge di Mendel prevede che dall'incrocio di individui che differiscono per due o più caratteri si osserva che alla prima generazione si manifesta unicamente il carattere di un genitore (F1 della I legge di Mendel). Dall'autofecondazione di F1 per l'assortimento indipendente si ottengono rapporti 9:3:3:1. Questo perché si possono avere quattro possibili gameti con sedici possibili combinazioni. Si avranno quattro fenotipi differenti con sedici possibili combinazioni di genotipo. Il sistema ramificato permette un calcolo più rapido del fenotipo e del genotipo risultante.

Per questo motivo dall'incrocio di individui n eterozigoti troviamo, dove n è il numero di geni coinvolti, 2 il numero dei gameti, 2 di classi fenotipiche e 3 di classi genotipiche (i rapporti sono differenti). Gli schemi ramificati vengono studiati in base alle leggi della probabilità. La probabilità è il rapporto tra il numero di volte in cui un evento è atteso ed il numero di combinazioni totali. La regola del prodotto prevede che la probabilità di verificarsi di due eventi indipendenti è pari al prodotto delle due singole probabilità (probabilità che venga due volte testa di seguito). La regola della somma prevede invece che dei due eventi indipendenti se ne verifichi uno dei due e la probabilità totale è la somma delle probabilità indipendenti. Dall'incrocio di due linee pure con gameti di probabilità ½ di produrre un dato allele, si avrà la probabilità di ¼ di individui con omozigosi dominante ed ½ con eterozigosi. Un sistema per desumere il genotipo di un genitore ignoto è il testcross incrociando tale individuo con un omozigote recessivo.

Estensioni

Esistono delle eccezioni alle leggi di Mendel con dei fattori che modificano la progenie. Ad esempio un carattere può essere controllato da più geni oppure vi sono fattori ambientali. Il concetto di penetranza ed espressività sono legati ad un gene. Nella interazione tra alleli vi potrà invece essere un fenomeno di dominanza incompleta o di epistasi.

Nella dominanza completa basta un'unica dose dell'allele dominante per far manifestare il fenotipo (omozigoti uguali ad eterozigoti). La recessività completa, viceversa, prevede la manifestazione del fenotipo unicamente in omozigosi recessiva. La penetranza rappresenta la probabilità che un allele dominante si esprima in individui che lo presentano. Se l'allele ha una penetranza incompleta si manifesterà unicamente in una frazione degli individui della popolazione che lo possiede. I difetti di penetranza, probabilmente, sono da attribuire al background genetico (interferendo sostanzialmente con altri alleli). Il difetto di penetranza a differenza dell'omozigosi recessiva, viene trasmesso alla progenie come dominante anche se non espresso dal genitore. L'espressività è il grado in cui la penetranza di un gene o di un genotipo si esprime a livello fenotipico. Per esempio i pazienti affetti da osteogenesis imperfecta possono manifestare o meno certi sintomi. Le mutazioni del gene possono essere differenti e questo cambia la gravità del fenotipo.

Rispetto all'allelismo multiplo vi sono alterazione della dominanza completa (Mendel): per esempio nella dominanza incompleta si manifesta un fenotipo intermedio nell'eterozigote (ma non una sintomatologia più o meno varia). Nei casi di dominanza incompleta si manifesterà un fenotipo intermedio (come fosse diluito) dipendente dalla quantità, per esempio, di enzima presente. Una situazione di codominanza, invece, prevede il manifestarsi di entrambi gli alleli. L'esempio classico è il gruppo sanguigno. Il gruppo M,N è un gruppo antigenico presente sulla superficie dei globuli rossi. I due geni possono essere presenti singolarmente o essere presenti contemporaneamente.

L'allelismo multiplo prevede la presenza di più alleli per uno stesso gene (non un solo allele). L'allele più frequente è detto wildtype. I gruppi sanguigni canonici derivano da modificazioni di membrana (antigeni di gruppo A e B). Nei soggetti di gruppo A vengono prodotti anticorpi anti-B e viceversa. Nei soggetti di gruppo O nel plasma sono presenti entrambi gli anticorpi ma sulla superficie del globulo rosso non è presente alcun antigene e per questo si parla di donatore universale. Viceversa, il gruppo AB, presenta entrambi gli antigeni sull'eritrocita ma nessun anticorpo nel plasma ed è per questo il ricevente universale. Il locus è localizzato sul cromosoma 9. L'allele I e l'allele I variano per quattro amminoacidi. L'allele i non codifica per alcun prodotto (gruppo O). La sostanza H aggiunge un fucosio al galattosio terminale. A questo galattosio viene aggiunta un'N-acetilgalattosammina nell'antigene A o un altro galattosio nell'antigene B. Esistono individui che non possiedono la H transferasi e non attaccano il fucosio. Il fenotipo appare di tipo O. Questi non possono essere trasfusi se non con individui di gruppo O Bombay inquanto producono anticorpi contro la sostanza H.

Il fattore Rh è un altro gruppo sanguigno ma gli Rh- non producono anticorpi contro l'Rh+. Rh+ si manifesta sia con DD che con Dd. Il fatto più grave è una donna con Rh- e figlio Rh+. Alla prima gravidanza non succede nulla. Al momento del parto è presente uno stravaso di sangue tra feto e madre (riceve). Per questo motivo entrano cellule Rh+ e la madre si immunizza. Durante la seconda gravidanza gli anticorpi possono penetrare nel feto e causare un'anemia emolitica. Al momento del parto vengono somministrate immunoglobuline per impedire alla madre di immunizzarsi evitando i problemi.

Lezione 4

Nessun gene agisce da solo ma il genotipo è il risultato delle reazioni molecolari che sono sotto controllo diretto genico. L'interazione tra più geni può generare caratteri fenotipici inaspettati: il rapporto 9:3:3:1 può non accadere. Ciò può succedere in caso di epistasi in cui un gene ne maschera l'espressione di un altro oppure nel caso in cui più geni agiscono su uno stesso carattere. Inoltre esistono esempi, anche nell'uomo, di alleli letali che se espressi causano la morte del feto. Nel gallo sono presenti quattro tipi di creste. La cresta rosa è dominante sulla singola ed anche la cresta a pisello è dominante sulla singola.