Dalla genetica classica alle moderne tecniche di ingegneria genetica

Dal DNA alle proteine I mitili vivono in ambienti battuti dalle onde: se non sono trascinati via lo devono alla loro capacità di ancorarsi alle rocce con una sostanza secreta dal loro piede: bisso. E’ materiale composta da cheratina e altre proteine che viene applicato in forma di sottili filamenti ed è il piu potente adesivo subacqueo. Si può ottenere con tecniche di ingegneria genetica: si inserisce DNA di mitilo in cellule di lievito che si riproducono in modo rapido e fungono da fabbriche che su istruzione di questo DNA, producono quantità utilizzabili di proteine del bisso.

Sintesi proteica e ruolo del DNA

Ogni proteina viene sintetizzata secondo le istruzioni contenute nel DNA. Il DNA di ogni cellula si può considerare un manuale di istruzioni per fabbricare proteine, scritto in un alfabeto di 4 lettere: A,T , G e C. La successione delle basi lungo ogni filamento o sequenza delle basi, differisce da un organismo all’altro (prima che una cellula si divida, il suo DNA si duplica, quando i filamenti si svolgono e staccano). IN altri momenti della vita della cellula i filamenti si separano solo in certe zone per esporre determinati tratti della sequenza di basi che corrispondono a geni; la maggior parte contiene istruzioni per costruire le proteine.

Trascrizione e traduzione del DNA

Per attuare le istruzioni codificate in ogni gene, occorrono la trascrizione e la traduzione. Nelle cellule eucarioti, la trascrizione avviene nel nucleo; la sequenza di basi selezionata lungo il DNA funge da stampo per l’assemblaggio di un filamento di acido ribonucleico RNA a partire dalla scorta di nucleotidi liberi presenti nella cellula; questo si sposta nel citoplasma, dove avviene la traduzione durante la quale l’RNA dirige l’assemblaggio di catena politpeptidiche che appena formate, si ripiegano nelle forme delle proteine. Il DNA dirige la sintesi dell’RNA che dirige la sintesi delle proteine: DNA trascrizione RNA traduzione proteina. Le proteine svolgono quindi nelle cellule compiti strutturali e funzionali; qualcuna sintetizzerà DNA, RNA e altre proteine.

RNA e sue classi

Trascrizione del DNA nell’RNA 3 classi di RNA Prodotte dalla trascrizione del DNA: una classe, la piu diffusa è l’RNA messaggero o mRNA, che porta codificate le istruzioni per la sintesi delle proteine; RNA ribosomale o rRNA è un fondamentale componente dei ribosomi, strutture sulle quali gli amminoacidi sono assemblati in catene polipeptidi che; l’RNA di trasporto o tRNA che ha la funzione di consegnare ai ribosomi gli amminoacidi, uno per uno e nell’ordine specificato dall’mRNA.

Aspetti essenziali della trascrizione

Aspetti essenziali trascrizione Una molecola di RNA è simile a un lungo filamento di DNA. Anche l’RNA consiste di una sequenza di 4 tipi di nucleotidi, costituiti da un gruppo fosfato, uno zucchero a 5 atomi di carbonio e una base azotata. Lo zucchero è il ribosio; le basi azotate sono le stesse del DNA ma la quarta base è l’uracile mentre nel DNA la timina. L’uracile si appaia con l’adenina; è possibile quindi assemblare su ogni porzione del DNA un filamento complementare di RNA. Durante la sintesi di un filamento di RNA gli enzimi aggiungono i nucleotidi uno alla volta procedendo in direzione 5(cappuccio)- 3(polo opposto, estremità). LA trascrizione differisce dalla duplicazione del DNA: nella trascrizione funge da stampo solo una regione del filamento di DNA, non l’intera molecola; durante l’assemblaggio di un filamento di RNA, l’aggiunta di nucleotidi all’estremità 3 è catalizzata dall’enzima RNA polimerasi; il prodotto è singolo filamento di ribonucleotidi, non una doppia elica. La trascrizione comincia in corrispondenza di un promotore, sequenza di basi del DNA che segnala l’inizio di un gene. Alcune proteine posizionano una RNA polimerasi sullo stampo di DNA e favoriscono il suo legame col promotore. L’enzima si sposta lungo il filamento di DNA, aggiungendo e unendo tra loro i vari nucleotidi. Quando la RNA polimerasi raggiunge la fine del gene, un altro segnale provoca il distacco e la liberazione della nuova molecola di RNA che viene chiamata trascritto primario.

Dal trascritto primario a RNA maturo

Dal trascritto primario a RNA maturo Nelle cellule eucarioti la nuova molecola di RNA non è ancora finita, il precursore deve essere modificato. Alcuni enzimi attaccano all’estremità 5 del trascritto primario di mRNA un nucleotide e alcuni gruppi fosfato (in seguito nel citoplasma, questa estremità avrà un ruolo importante nella formazione del legame tra mRNA e il ribosoma). All’estremo 3 della maggior parte dei trascritti di mRNA viene legata una coda di 100-200 nucleotidi contenenti adenina, le code poli A (funzione di proteggere i messaggi codificati nell’mRNA fino al momento dell’utilizzo da parte della cellula). Vi sono anche modifiche interne. LA maggior parte dei geni eucarioti contiene uno o piu introni, sequenze di basi che non recano istruzioni per sintetizzare proteine e devono essere rimosse prima che la molecola possa essere tradotta. Sono collocati in mezzo a regioni dette esoni, parti dell’mRNA destinate a essere tradotte in proteine. Gli introni sono trascritti con gli esoni ma poi sono tagliate prima che l’RNA maturo esca dal nucleo. Consente alle varie cellule dell’organismo di usare lo stesso gene per assemblare trascritti diversi. Spliching, meccanismo tagli.

Codice genetico e lettura delle istruzioni

Lettura istruzioni in codice Cos’è il codice genetico Una molecola di mRNA è una sequenza lineare di nucleotidi. Come scoprirono Khorana, Nirenberg, i ribosomi leggono le basi nucleotidiche 3 alla volta, come triplette. In un filamento di mRNA, queste triplette di basi, le parole del codice, sono chiamate codoni. L’ordine in cui si susseguono i diversi codoni in un filamento di mRNA stabilisce l’ordine in cui gli amminoacidi saranno uniti tra loro per formare una catena polipeptidica. Disponendo di 4 lettere (G,C,A,U) si formano 64 diverse parole di 3 lettere: triplette o codoni. Dato che gli amminoacidi che possono costituire le proteine sono 20, la maggior parte è codificata da piu di un codone: l’acido glutammico, corrisponde alle parole in codice GAA e GAG. La tripletta AUG ha una doppia funzione. Oltre a codificare l’amminoacido metionina, rappresenta anche codone di inizio, che avvia la traduzione di un mRNA su un ribosoma. La lettura di 3 basi alla volta comincia a livello di un particolare codone AUG lungo la sequenza nucleotidica dell’mRNA trascritto. I codoni AUG, UAA e UGA non corrispondono a nessun amminoacido, ma sono i segnali di fine, che arrestano l’ulteriore allungamento della catena in formazione. L’insieme dei 64 codoni costituisce il codice genetico, base della sintesi proteica in tutti gli organismi.

Struttura e funzione di mRNA e tRNA

Struttura e funzione di mRNA e tRNA Nel citoplasma di una cellula esiste una scorta di molecole di amminoacidi e tRNA liberi; ogni molecola di tRNA ha un gancio, sito di legame specifico per un amminoacido e un anticodone, tripletta di nucleotidi in grado di appaiarsi in modo complementare con un codone dell’mRNA: serve a posizionare l’amminoacido agganciato al tRNA nella sequenza corretta specificata dall’mRNA. Pur essendo i possibili codoni 64, la cellula usa un minor numero di molecole di tRNA, ma un singolo tRNA riconosce piu di un codone. Secondo le regole di appaiamento l’adenina si unisce con l’uracile e la guanina con la citosina. Nelle interazioni codone anticodone, la rigidità di queste regole si allenta, in particolare per la terza base di ogni codone. AUU, AUC e AUA codificano l’isoleucina e si appaiono a un unico tipo di tRNA che la trasporta; prima che gli anticodoni del tRNA interagiscano coi codoni dell’mRNA, questo si deve legare alla superficie del ribosoma. Ogni ribosoma è costituito da 2 unità, una maggiore e un‘altra minore, assemblate nel nucleo a partire da rRNA e componenti proteiche. Le sub unità saranno poi esportate separatamente nel citoplasma dove saranno assemblate formando ribosomi funzionali.

61 triplette corrispondono ad amminoacidi specifici; altre 3 servono da segnale di arresto che bloccano la traduzione

Processo di sintesi proteica

Processo di sintesi proteica Inizio la prima fase comincia quando la sub unità minore del ribosoma si attacca al filamento di mRNA presso l’estremità 5 ponendo in evidenza il primo codone (batterio intestino). Il primo tRNA si colloca in modo da appaiarsi col codone di inizio dell’mRNA. E’ in genere 5- AUG- 3 ed è complementare all’anticodone 3- UAC- 5 del tRNA. La formilmetionina sarà il primo amminoacido della catena polipeptidica. La combinazione tra la sub unità minore, l’mRNA e il tRNA di inizio è detta complesso di inizio. Una volta che questo si è formato, la sub unità maggiore si attacca alla minore e il tRNA di inizio con la fMet va a occupare il sito P (peptide) della sub unità maggiore, uno dei 3 siti di legame col tRNA.

Allungamento Il secondo codone dell’mRNA si trova in corrispondenza del sito A (amminoacile) della sub unità maggiore. Un tRNA con l’anticodone anticomplementare si inserisce sulla molecola di mRNA e col suo amminoacido va a occupare il sito A del ribosoma. Entrambi i siti, A e P, sono occupati e si forma un legame peptidico tra i due amminoacidi attaccando il primo al secondo. L’mRNA scorre in avanti di un codone nel ribosoma; il primo tRNA si sposta nel sito exit e viene liberato, il secondo tRNA, a cui sono attaccati fMet e 2 amminoacido passa dal sito A al P, mentre un 3 complesso amminoacido tRNA si inserisce nel sito A, libero, di fronte al terzo codone dell’mRNA. L’operazione si ripete. Il sito E di volta in volta riceve il tRNA che si allontana, il sito P accetta il tRNA che reca la catena polipeptidica in formazione e il sito A accoglie il tRNA col nuovo amminoacido che si aggiungerà alla catena.

Terminazione Verso l’estremità finale del filamento di mRNA è presente uno dei 3 codoni che portano il segnale di arresto. Non esistono tRNA con anticodoni corrispondenti a queste triplette di stop e nel sito A non entrerà alcun tRNA ma si inserirà una proteina, detta fattore di rilascio. Quando si giunge a un codone di terminazione, la traduzione cessa, la catena polipeptidica viene rimossa e le 2 subunità ribosomiali si separano. Nel processo di allungamento, nelle cellule procariote la parte iniziale della molecola dell’mRNA rimane libera e un altro ribosoma può formare con essa un complesso di inizio. Un gruppo di ribosomi che legge una stessa molecola di mRNA è detto polisoma che sintetizza contemporaneamente molte copie di un polipeptide a partire dalle istruzioni trasportate da una molecola di mRNA.

Controllori dei geni

Controllori dei geni Le cellule del nostro corpo contengono gli stessi geni: la maggior parte è utilizzata per sintetizzare proteine fondamentali per la struttura di ogni cellula. Ogni cellula usa solo una piccola parte dei suoi geni (una parte è inutilizzata). Alcune esprimono certi geni solo una volta, o in certi momenti, o sempre, o mai. L’espressione dei geni dipende dal tipo di cellula, dai suoi adattamenti alle variazioni dell’ambiente chimico, dai segnali che riceve, dai sistemi di controllo intrinseci. Tutte le cellule hanno lo stesso numero di geni. I sistemi di controllo dell’espressione genica sono costituiti da molecole; vi sono proteine regolatrici che influenzano trascrizione, traduzione e i prodotti genici; queste agiscono sul DNA, l’RNA, le nuove catene polipeptidiche o sulle proteine finali. Alcuni componenti sono attivati o disattivati da molecole segnale, come gli ormoni. Altri agiscono in risposta a variazioni della concentrazione di sostanze presenti all’esterno o interno della cellula. Si dice che i sistemi di controllo negativi bloccano una particolare attività cellulare, quelli positivi la promuovono.

Sistemi di controllo negli eucarioti

Sistemi di controllo negli eucarioti Scelta dei geni Anche se tutte le cellule del nostro corpo hanno gli stessi geni, quasi tutte hanno composizione, struttura e funzione specializzate. Il differenziamento cellulare procede nelle specie pluricellulari per tutto lo sviluppo ed è conseguenza di una espressione selettiva dei geni nei diversi tipi di cellule. Solo le cellule dei globuli rossi immature usano i geni per produrre emoglobina. Solo alcuni globuli bianchi usano i geni per la produzione di molecole che sono gli anticorpi. Le cellule di un organismo pluricellulare usano raramente piu del 10% dei loro geni nello stesso tempo. I sistemi di controllo di norma disattivano la maggior parte dei geni. Anche il tipo di geni espresso varia nel tempo, secondo lo stadio in cui si trova l’organismo.

Livelli di controllo Della trascrizione meccanismo di controllo positivo, promuove la velocità della trascrizione dei geni che governano i compiti quotidiani della cellula.

Pre trascrizione prima della trascrizione, le sequenze geniche possono essere modificate non da mutazioni ma da sistemi che decidono se e quali geni devono essere espressi. Esempio disattivazione cromosoma x.

Controllo post trascrizione interviene a livello della maturazione dell’mRNA, del trasporto dell’RNA maturo da nucleo a citoplasma, o della traduzione. In alcuni geni gli introni possono essere rimossi o gli esoni ricuciti in piu di un modo. L’elaborazione del trascritto primario può avere versioni alternative.

Mendel e la genetica classica

Mendel e la genetica classica Nascita della genetica Ai tempi in cui Darwin stava scrivendo L’origine delle specie e Hertwig stava osservando al microscopio la fusione tra una cellula uovo e uno spermatozoo di riccio di mare, Mendel, alla ricerca di un principio che potesse spiegare che cosa regola la trasmissione dei caratteri ereditari, dava il via ad esperimenti che avrebbero fornito una risposta; il suo lavoro effettuato nel giardino di un monastero austro ungarico di Brunn segnò l’inizio della genetica moderna. Nell’800 era già noto che: entrambi i genitori contribuiscono alla determinazione delle caratteristiche dei figli e questi contributi sono portati dai gameti, cellula uovo e spermatozoo. Mendel ha dimostrato che i caratteri ereditari sono trasmessi come unità separate (elemente) che passano da una generazione all’altra in modo indipendente le une dalle altre. Preannunciavano la separazione dei cromosomi omologhi durante la meiosi; non potendo però godere del supporto di dati scientifici sull’esistenza di cromosomi, geni e del DNA, le sue conclusioni non furono comprese. I suoi esperimenti furono resi noti nel 1865 in occasione di un riunione della società di storia naturale di Brunn, mentre le conclusioni dei suoi studi furono pubblicate nei proceeding della società; il suo lavoro rimase ignorato per 35 anni.

Alcuni termini I geni sono unità ereditarie che recano le istruzioni per produrre o influenzare un dato carattere che viene trasmesso dai genitori alla prole. Ogni gene occupa una posizione specifica (locus) su un cromosoma. Per ciascun carattere ereditario, le cellule diploidi possiedono 2 geni, che occupano loci omologhi, due posizioni corrispondenti sui cromosomi omologhi. Le mutazioni possono cambiare la struttura molecolare di un gene e le informazioni relative a quel carattere. Le varianti molecolari di un gene si dicono alleli. Quando la prole deriva da un incrocio genetico eredita, generazione in generazione, una coppia di alleli identici per un dato carattere, si dice linea pura. Al contrario, eredita una coppia di alleli diversi, si dice linea ibrida. Nel caso in cui i due alleli siano uguali si parla di condizione omozigote, se diversi eterozigote. Un allele è dominante quando i suoi effetti su un carattere ,mascherano gli effetti di qualsiasi altro allele recessivo che occupi il locus omologo. Un allele dominante si indica con lettera maiuscola, l’allele recessivo corrispondente con la solita lettera ma minuscola. Omozigote dominante individuo che per quel carattere possiede due alleli dominanti; omozigote recessivo due alleli recessivi; eterozigote due alleli diversi. Il genotipo è l’insieme dei geni di un individuo, il fenotipo è l’insieme di caratteri fisici, chimici di un individuo.

Metodo sperimentale Per i suoi esperimenti scelse la pianta di pisello (pisum sativum). Le piante erano facilmente reperibili, facili da coltivare e crescevano rapidamente; le differenti varietà avevano caratteristiche differenti tra loro, che rimanevano inalterate da un raccolto a un altro; le piante che conservavano gli stessi caratteri di generazione in generazione furono chiamate linee pure. La scelta delle piante da pisello risultò vantaggiosa dato che le strutture riproduttive del fiore sono racchiuse interamente dai petali anche quando sono mature e il fiore di norma si autoimpollina poiché i gameti maschili fecondano quelli femminili. Si può procedere all’impollinazione incrociata tra le piante senza che i risultati siano falsati da impollinazioni spontanee. Effettuando,Mendel, fecondazioni artificiali per incrociare le piante coi caratteri da lui scelti, utilizzò un approccio metodologico innovativo:

-mise a punto una ipotesi di lavoro, corredata da possibili esperimenti; pianificò poi gli esperimenti con cura scegliendo di studiare caratteristiche ereditarie nette e scartando le incerte (quelle che si presentavano con un aspetto graduale, come una seghettatura della foglia piu o meno pronunciata)

-studiò i discendenti della prima, seconda e anche terza generazione

-con una moderna logica matematica contò il numero dei discendenti e analizzò i risultati

-organizzò i suoi dati in modo da rendere la loro valutazione semplice e oggettiva (altri poterono ripeterli facilmente).

In un fiore i gameti maschili vengono prodotti dal polline che si sviluppa nelle antere; le cellule uovo sono prodotte dall’ovario. Quando i granuli pollinici, caduti dallo stigma raggiungono la cellula uovo le fecondano, si origina lo zigote e per mitosi l’embrione. Esso forma introno a se il seme, il pisello mentre l’ovario origina il baccello che racchiude i semi. Mendel apriva il fiore prima della maturazione del polline e asportava le antere per impedire l’autoimpollinazione, poi faceva una fecondazione artificiale.

Legge della segregazione

Legge della segregazione Cominciò col considerare 32 tipi di piante di pisello, che osservò per anni prima di iniziare i suoi esperimenti quantitativi. Identificò quindi 7 caratteri che mostravano 2 aspetti differenti: una produceva sempre semi gialli, mentre un’altra sempre verdi; in una varietà i semi maturi erano rugosi, in un’altra lisci. Esegui gli incroci asportando le antere contenenti il polline di un fiore e cospargendo i suoi stigmi col polline prelevato da un fiore di una varietà diversa; il fiore privo di antere e quello da cui viene prelevato il polline sono la generazione P: parentale. Per ogni carattere nella prima generazione F1, prima generazione filiale, tutti i figli mostravano solo uno dei 2 caratteri presenti nei genitori; l’altro era del tutto e inaspettatamente scomparso; tutti i semi prodotti in seguito all’incrocio tra linee pure di piante con semi gialli e linee pure di piante con semi verdi erano gialli; i fiori prodotti da piante derivate dall’incrocio tra una linea pura di piante con fiori viola e una linea pure di piante con fiori bianchi erano viola. I caratteri come i semi gialli e i fiori viola che comparivano nella generazione F1, in seguito all’incrocio di due linee pure furono chiamati dominanti ( I legge della segregazione). Si chiese cosa fosse successo agli altri caratteri, il colore verde del seme o il colore bianco del seme, che erano pure stati trasmessi da una generazione all’altra. Lasciò che le piante della F1 si autoimpollinassero, permise ai gameti maschili di fecondare i femminili e vide che i caratteri scomparsi nella 1 generazione riapparivano nella seconda (F2). Questi, presenti nella generazione parentale P e ricomparsi nella F2, dovevano essere ancora presenti nella F1, sebbene non si fossero manifestati; li chiamò recessivi (non si manifesta ma rimane). I caratteri dominanti e recessivi compaiono nella F2 nel rapporto di 3:1. La comparsa e la scomparsa dei caratteri antagonisti e le loro proporzioni costanti nella generazione F2 potevano essere spiegate ipotizzando che ogni unità ereditaria fosse costituita da 2 componenti; ogni componente di ogni coppia poteva manifestarsi o no, ma era comunque presente e poteva trasmettersi alla successiva. Le componenti delle unità ereditarie furono definite fattori discreti (separabili). Nelle cellule le 2 componenti di ogni unità (da padre e madre) si trovavano insieme a formare una coppia ma si separavano quando le piante della F1 producevano i gameti formando 2 tipi di cellule sessuali, ognuna con una sola componente di ogni coppia. Legge della segregazione: ogni individuo ha coppie di fattori per ogni unità ereditaria e i membri di una coppia segregano nella formazione dei gameti. Mendel ipotizzò che alla base del processo della riproduzione sessuata ci fossero la fecondazione e la meiosi, intui l’esistenza di cellule diploidi e dei cromosomi omologhi e si rese conto che i gameti (aploidi) devono contenere la metà delle informazioni ereditarie rispetto alle altre cellule del corpo; dopo la fecondazione le due componenti di ogni unità ereditaria, portate separatamente dai 2 gameti (aploidi) si uniscono nel formare lo zigote: geni.

Conseguenze della legge di Mendel

Conseguenze Possono esistere forme alternative di uno stesso gene a cui corrisponde un certo carattere: semi lisci o rugosi o fiori bianchi o viola; sono alleli. Le lettere maiuscole indicano il carattere dominante, le minuscole i recessivi. L’allele per i semi gialli è rappresentato da G (giallo) l’allele per i semi verdi g. In un organismo vi possono essere 3 combinazioni dei due alleli relativi a ogni carattere; se i due alleli sono uguali (GG o gg) è detto omozigote mentre se sono diversi (Gg) è eterozigote. La pianta omozigote FF dominante per i fiori viola può produrre gameti maschili (cellule spermatiche) o femminili (cellule uovo) che contengono l’allele per il fiore viola F e che la pianta omozigote recessiva ff a fiori bianchi può produrre gameti che contengono l’allele per il fiore bianco f, mentre la piante eterozigote per il colore del fiore produce metà dei gameti maschili contenenti l’allele F e metà f, cosi come metà dei gameti femminili con ‘allele F e l’altra metà con f. Durante la meiosi, i due alleli di uno stesso gene si separano e vanno a finire in gameti diversi: ogni gamete riceve solo un allele di ogni gene in quanto riceve solo uno dei due cromosomi omologhi contenenti un allele ciascuno. Quando i due gameti si fondono dando origine allo zigote, gli alleli si trovano di nuovo in coppie. Se i due alleli di una coppia sono uguali (condizione omozigote) il carattere che determinano sarà espresso, si manifesterà; se gli alleli sono diversi (condizione eterozigote), uno può essere dominante rispetto all’altro. Un allele dominante rende manifesto il suo carattere nella condizione eterozigote e in quella omozigote; viceversa, un allele recessivo è quello che determina il manifestarsi del carattere a esso corrispondente solo nella condizione omozigote. Il modo in cui un gene si manifesta in un organismo determina il suo fenotipo: indicato dalle caratteristiche osservabili (fiore viola). Anche se un allele recessivo non è rappresentato nel fenotipo, nella condizione eterozigote, è comunque presente nel genotipo di un organismo, indicato dalla coppia allelica.

Trasmissione dei caratteri umani

Trasmissione caratteri umani Il carattere iride pigmentato (colorato) che determina il colore degli occhi dipende dai pigmenti presenti nell’iride; i pigmenti scuri dominano su quelli chiari. L’attaccatura dei capelli punta della vedova domina su quella diritta, la presenza di lentiggini sul naso domina sulla loro assenza.

Come si determina il genotipo dei discendenti Quando piante di pisello omozigote per i fiori viola sono incrociate con piante omozigote per i fiori bianchi nascono solo piante coi fiori viola; tuttavia, ogni pianta di questa generazione F1 porta sia un allele per il colore viola che per quello bianco. Coma saranno il fenotipo e genotipo di una generazione F2 se la F1 si autoimpollina? Il modo piu semplice per scoprirlo è colo quadrato di Punnett (genetista inglese che per primo lo usò). Si deve scrivere in alto sopra la tabella i possibili alleli presenti nei gameti di uno dei due genitori e in verticale a sinistra della tabella i possibili alleli dell’altro genitore. Definire i genotipi dei figli F2 di 2 individui eterozigoti, i gameti possibili sono F e f. Il rapporto genotipico della F2 è 1:2:1, un individuo omozigote dominante, due individui eterozigoti e un individuo omozigote recessivo. Il rapporto fenotipico è 3:1, 3 individui con fiori viola e uno con fiori bianchi.

Testcross e legge dell'assortimento indipendente

Testcross A un fenotipo recessivo corrisponde un genotipo omozigote recessivo per quel carattere; se l’allele per il colore dei petali di un fiore venisse indicato con la lettere B e il colore bianco fosse recessivo, una pianta coi fiori bianchi avrebbe il genotipo bb. Se per un certo carattere un organismo presentasse un fenotipo dominante, a tale potrebbero corrispondere due genotipi differenti, BB e bb; per sapere di quale si tratta si ricorre al test cross o re incrocio. E’ un incrocio sperimentale tra un individuo con fenotipo dominante e genotipo sconosciuto per un dato carattere (può essere omozigote dominante o eterozigote) e un altro individuo con fenotipo recessivo (può essere solo omozigote per l’allele recessivo). Nella prole può comparire un solo fenotipo o due: nel primo caso l’individuo con il fenotipo dominante sarà omozigote, nel secondo eterozigote per il carattere in questione.

Legge assortimento indipendente Mendel si chiese poi se la segregazione dei due alleni di un gene poteva influenzare quella di altri alleli recanti caratteristiche differenti. In una nuova serie di esperimenti, prese in considerazione gli incroci tra piante di pisello che differivano per due caratteri: un genitore produceva semi gialli lisci e uno rugosi e verdi. I caratteri liscio e giallo sono dominati, rugoso e verde recessivi. I semi prodotti dall’incrocio tra queste linee pure parentali risultarono gialli e lisci; Mendel fece si che i fiori delle piante F1 si autoimpollinassero e ottenne nella F2 un numero di semi pari a 556. Erano comparse nuove combinazioni di caratteri. I risultati non sono in contraddizione coi precedenti risultati ottenuti da Mendel. Se i due caratteri, colore e forma del seme, fossero considerati indipendentemente, liscio e rugoso comparirebbero ancora nel rapporto fenotipico 3:1 come i caratteri giallo e verde. Ma i caratteri relativi al colore e alla forma del seme, in origine riuniti in una combinazione si comportavano come se fossero indipendenti l’uno dall’altro e originarono combinazioni giallo rugoso e verde liscio. Mendel formulò allora la legge dell’assortimento indipendente: in un incrocio, prendendo in considerazione due coppie di caratteri alla volta, si ottiene una prima generazione costituita interamente da individui eterozigoti che manifestano entrambi caratteri dominanti. Incrociando poi tra loro questi si ottiene una seconda generazione costituita da individui che presentano nuove combinazioni di caratteri in proporzioni definite. In un incrocio tra 2 semi, uno con gli alleli dominanti per il colore e la forma del seme e l’altro con gli alleli recessivi, i fenotipi dei discendenti saranno in media nel rapporto fenotipico di 9:3:3:1

9/16 caratteri dominanti (giallo e liscio), 3/16 col primo dominante e secondo recessivo (giallo rugoso), 3/16 primo carattere recessivo e secondo dominante (verde liscio), 1/16 caratteri recessivi (verde rugoso). Quando si formano i gameti, gli alleli di un gene segregano (si separano) indipendentemente dagli alleli di un altro gene.

Malattie genetiche umane

Malattie genetiche umane Si ricorre agli alberi genealogici per comprendere le modalità con cui i figli ereditano alcune anomalie genetiche dai genitori. Malattie auto somatiche causate da un allele recessivo Le malattie recessive portate dagli autosomi (da tutti i cromosomi tranne i sessuali) in genere si manifestano solo se sono presenti nel genotipo in forma omozigote; gli individui eterozigoti per il gene relativo sono privi di sintomi.

Fenilchetonuria (PKU) Agli individui affetti, manca un enzima, la fenilalanina idrossilasi, indispensabile per la demolizione dell’amminoacido fenilalanina. Quando questo è assente o difettoso, la fenilalanina e i prodotti anomali derivanti dalla sua scissione si accumulano nella corrente sanguigna e nell’urina; queste sostanze sono dannose per le cellule del sistema nervoso di embrioni e neonati e danno luogo a un grave ritardo mentale. 1 neonato su 10 000 è omozigote per questo allele. Gli individui colpiti da questa malattia genetica devono sottoporsi a una dieta rigorosa a basso contenuto di fenilalanina per il periodo di infanzia e adolescenza (cellule nervose in via di sviluppo); oggi si ritiene opportuno seguirla per tutta la vita. Questa dieta permette agli omozigoti PKU di crescere normalmente poiché prevede quantità di fenilalanina sufficienti a soddisfare le esigenze alimentari, ma non tali da produrre accumuli tossici. E’ stato allestito un test biochimico che abbinato all’amniocentesi permette di identificare la PKU nel feto in via di sviluppo. LA madre viene sottoposta a una dieta povera di fenilalanina.

Modelli di trasmissione dei caratteri

Modelli di trasmissione caratteri Dominanza incompleta Le leggi di Mendel non sono sufficienti, una prova ne è il fiore della pianta di bocca di leone, che può essere bianco, rosa o rosso. Se una pianta appartenente a una linea pura a fiori rossi si incrocia con una pura a fiori bianchi si ottiene una generazione F1 di fiori rosa. Il fenotipo degli individui eterozigoti è influenzato dall’azione di entrambi gli alleli. Non c’è un allele dominante e si parla di dominanza incompleta (gli eterozigoti differiscono dagli omozigoti per geno e fenotipo).

LA piante della generazione P a fiore rosso produce gameti che portano un allele indicato con R. La pianta a fiore bianco produce gameti con allele r. La pianta della generazione F1 presenta fiori rosa e produce metà dei gameti con allele R e l’altra con r. Dall’autoimpollinazione di una pianta di generazione F1 a fiori rosa si ottiene una F2 in cui ricompaiono i fenotipi rosso e bianco del fiore. Proporzione tra fenotipo rosso bianco e rosa è 1:2:1.

Alleli multipli e codominanza Molti geni presentano piu di 2 forme di alleli. I gruppi sanguigni umani sono esempio di ereditarietà dovuta a un gene con alleli multipli. I gruppi sanguigni sono classificati in A, B, AB e 0 in base alla presenza o assenza sulla superficie di globuli rossi di particolari proteine. I globuli rossi del sangue di gruppo 0 non presentano nessuna proteina, quelli di AB sia del gruppo A che B. Il gruppo AB è risultato di codominanza di due alleli che vengono espressi nel fenotipo.

Ereditarietà poligenica Esistono caratteri regolati dall’azione contemporanea di numerosi geni; ne sono esempio colore degli occhi, della pelle. Spesso i caratteri trasmessi da piu geni corrispondono a vari fenotipi poco diversi l’uno dall’altro; il carattere presenta nella popolazione una variazione continua. Si suppone che la trasmissione del colore della pelle sia dovuta a 3 geni A, B e C. Per ognuno esistono due alleli alternativi. Un individuo con pelle molto scura possiede gli alleli dominanti di tutti e tre i geni; una con pelle molto chiara gli alleli in forma recessiva. Dall’incrocio di genitori con queste caratteristiche si ottiene una generazione F1 col colore della pelle intermedio. Quando individui della generazione F1 producono una F2 questa mostra una variabilità nel colore determinata dall’esistenza di molte combinazioni di alleli nel genotipo.

Epistasi Un gene influenza (maschera) gli effetti di un altro. Esempio colore del pelo di cani Labrador retrive, determinato da due geni diversi: l’allele B determina il colore nero e domina sul b che conferisce colore marrone; l’allele E è responsabile del deposito del pigmento colorato nei peli e domina sull’allele e che impedisce il deposito del colore, e il pelo resta chiaro. LA sordità negli umani si trasmette per epistasi.

Mutazioni e anomalie cromosomiche

Mutazioni e anomalie cromosomiche Cos’è una mutazione, cosa provoca Una mutazione è una variazione della sequenza o del numero di nucleotidi nel DNA della cellula e si verifica per un errore nel momento della duplicazione. Le mutazioni possono colpire due tipi di cellule e avere destino diverso. Se la mutazione si verifica in una cellula che va incontro a meiosi, l’errore interessa il DNA dei gameti e si parla di mutazione germinale. Si trasmette all’individuo che si genera a partire dal gamete interessato e sarà presente in tutte le sue cellule. Le mutazioni germinali sono nella maggioranza dei casi nocive e determinano l’insorgere di malattie genetiche ereditarie. Talvolta questo tipo di mutazioni risulta utile, può conferire all’organismo una maggiore capacità di adattamento all’ambiente. Sono le mutazioni che rendono possibile l’evoluzione dei viventi (vantaggiose).

Se l’errore avviene durante una divisione di una cellula somatica si parla di mutazione somatica che rimane circoscritta alla cellula in cui è avvenuta, e alle figlie generate per mitosi. In genere non ha grandi effetti ma si ritiene implicato nei processi di invecchiamento. Qualora interessi un gene che controlla il processo di divisione cellulare i suoi effetti possono essere drammatici perché può causare il cancro: malattia dovuta a una incontrollata e anomala duplicazione delle cellule. L’azioni di alcuni agenti chimici e fisici (mutageni) può far aumentare la frequenza delle mutazioni.

I principali agenti mutageni sono le radiazioni, i raggi x e le sostanze chimiche la cui struttura è simile a quella delle basi del DNA, come il benzopirene. Sono spesso cancerogeni.

Mutazioni puntiformi Se l’errore nella duplicazione del DNA interessa solo una oppure poche basi della sequenza nucleotidica, si parla di mutazione puntiforme. Essa si può verificare per la sostituzione di una base azotata con una differente e in questo caso si possono avere due casi: dato che il codice genetico è ridondante, la nuova tripletta di basi può codificare per lo stesso amminoacido e nella proteina non si verifica nessun cambiamento, e in questo caso l’errore non produce effetti e si parla di mutazione silente; nel caso in cui la base sostituita produca nella proteina un cambiamento della sequenza di amminoacidi si parla di mutazione di senso. Una mutazione puntiforme si può verificare anche a causa di delezione o inserzione di basi, eliminazione o inserimento di una base nella sequenza. Queste modificano radicalmente la proteina sintetizzata perché provano uno spostamento della griglia di lettura. Questi tipi di mutazione possono originare una mutazione non senso, errore che porta alla formazione nell’mRNA di una tripletta che corrisponde al codone di terminazione e provoca l’interruzione della sintesi proteica. Qualora si produca una mutazione di questo tipo in un gene, la catena polipeptidica corrispondente sarà sintetizzata solo al punto in cui è avvenuta la mutazione non senso e potrà difficilmente essere funzionante.

Anomalie cromosomiche A volte durante i processi di mitosi o meiosi, i filamenti di DNA possono spezzarsi e in seguito riunirsi, dando luogo a variazioni notevoli nella strututra di uno o piu cromosomi. Si parla di anomalie cromosomiche dato che interessano lunghi tratti del DNA; possono determinare cambiamento o perdita di interi geni. CI sono vari tipi: caso in cui un tratto di DNA si stacca e viene perduto delezione; duplicazione se un frammento di cromosoma si lega e viene inserito vicino alla stessa porzione di cromosoma omologo; caso in cui un segmento di DNA si spezzi e si riattacchi ma con l’orientamento invertito, inversione; traslocazione quando un frammento di cromosoma si stacca e si lega a un altro cromosoma non omologo.