Le leggi di Mendel e l'evoluzione della genetica moderna

Esperimenti di Mendel

Gregor Mendel compì i suoi esperimenti e sviluppò le sue teorie nella seconda metà dell’Ottocento.

Questi suoi esperimenti confermarono un presupposto della teoria della mescolanza. Come modello sperimentale, scelse le piante di pisello odoroso. Queste piante producono organi sessuali e gameti di entrambi i sessi all’interno dello stesso fiore. Queste piante tendono ad autoimpollinarsi. Mendel quindi provò la tecnica dell’impollinazione incrociata trasportando manualmente il polline da una pianta all’altra.

Caratteri e generazioni

- Si definisce carattere una caratteristica fisica osservabile; il tratto è una forma particolare assunta da un carattere (tratto ereditario trasmesso da genitore a figlio).

- Mendel scelse come generazione di partenza (generazione parentale), i caratteri dovevano essere allo stato puro: il tratto prescelto deve essere costante per molte generazioni. L’incrocio fra piselli di ceppo puro a fiori bianchi doveva originare per varie generazioni soltanto a progenie fiori bianchi.

- Per i suoi esperimenti, Mendel scelse le piante di pisello poiché avevano caratteristiche che si prestavano all’analisi matematica dei dati.

- Per ciascun carattere Mendel scelse piantine di linea pura per forme opposte del carattere in questione ed effettuò una fecondazione incrociata: raccolse il polline e lo mise sullo stigma. Le piante che fornivano o ricevevano il polline costituivano la generazione parentale, indicato con P.

- I semi e le nuove piante da essi prodotte costituivano la prima generazione filiale o F1. Gli individui di questa generazione possono essere definiti ibridi.

Leggi di Mendel

I risultati ottenuti nella generazione F1 possono essere riassunti nella prima legge di Mendel, detta legge della dominanza. Mendel quindi incrociò piante di linea pura per un determinato carattere e ottenne piante e semi ibridi che manifestavano solo uno dei tratti della generazione parentale. Da questi risultati formulò la legge della dominanza.

Mendel in seguito lasciò le piante della generazione F1 autoimpollinarsi e produrre i semi di una nuova generazione (generazione filiale o F2).

- Il tratto che non si era espresso nella generazione F1, ricomparirà nella generazione F2. Nel caso di Mendel, il seme liscio era dominante su quello rugoso, da lui chiamato recessivo.

- In F2 il rapporto numerico fra i due tratti era sempre lo stesso (all’incirca 3:1). I risultati di F1 non cambiavano se nella generazione parentale si partica dagli ibridi reciproci; non aveva importanza quale genitore forniva il polline.

- Le unità responsabili dell’ereditarietà di un particolare carattere si presentano come particelle distinte che in ciascun individuo si trovano in coppia

- Durante la formazione dei gameti tali particelle si separano e ogni gamete ne eredita uno soltanto. Secondo questa teoria gli elementi unitari dell’ereditarietà si conservano integri in presenza l’uno dell’altro.

Gli elementi unitari dell’ereditarietà si chiamano geni e le forme diverse di uno stesso gene sono chiamate alleli. Questi elementi portano alla costituzione della seconda legge di Mendel o legge della segregazione. Quando un individuo produce due gameti, le due coppie di un gene (allele) si separano, cosicché ciascun gamete riceve soltanto una copia. La legge della segregazione mostra come le due copie di un gene si separino nei gameti.

L’insieme degli alleli che determinano un carattere è detto genotipo, la caratteristica osservabile data è detta fenotipo. Se i due alleli del genotipo sono uguali, l’individuo è omozigote. Se i due alleli sono diversi, l’individuo è eterozigote e ha un fenotipo dominante. Per prevedere le combinazioni alleliche risultanti da un incrocio è possibile usare il Quadro di Punnett. La griglia riporta su un lato tutti i possibili genotipi del gamete maschile e lungo l’altro quelli femminili (entrambi sono cellule aploidi). La griglia si completa mettendo in ogni quadrato il genotipo diploide di ciascuna combinazione gametica. Un gene è una sequenza di DNA che si trova in un punto preciso del cromosoma, detto locus, che codifica un preciso carattere. Il Quadrato di Punnett quindi, considera tutte le combinazioni dei gameti nel calcolo delle frequenze genotipiche e prevede come si mescolano gli alleli in ogni incrocio.

Il testcross determina se un individuo con fenotipo dominante è omozigote o eterozigote.

Incrociando individui con più caratteri distinti si ottengono nella 2° generazione individui nei quali i caratteri si trasmettono indipendentemente l’uno dall’altro. Se i caratteri sono 2, il rapporto sarà 9 : 3 : 3 : 1

Possiamo perciò comprendere che quando si formano i gameti, gli alleli di 2 o più geni si separano e non vengono ereditati assieme, ma indipendentemente.

Genetica umana e alberi genealogici

La genetica umana parte dal presupposto che gli alleli responsabili di fenotipi anomali (malattie genetiche) siano rari all’interno della popolazione. Ciò significa che se alcuni membri di una famiglia presentano un allele raro, è altamente improbabile che una persona all’esterno della famiglia, che entri a farne parte per matrimonio, sia dotata anch’essa dello stesso allele raro. La genetica umana si basa sulle genealogie di famiglie in cui compaiono determinati fenotipi e parte dal presupposto che gli alleli per i fenotipi anomali sono molto rari in una popolazione.

Un albero genealogico è un albero familiare che mostra la comparsa di un fenotipo in molte generazioni di individui imparentati.

- Ogni persona malata ha un genitore malato;

- Circa metà dei figli di un genitore malato è malata;

- Il fenotipo compare con la stessa frequenza nei due sessi;

L’analisi degli alberi genealogici di famiglie in cui alcuni individui sono affetti da malattie ereditarie, mostrano che gli alleli recessivi per i fenotipi anomali sono molto rari e spesso derivano da matrimoni tra consanguinei.

Mutazioni e poliallelia

Una mutazione può dare origine a un nuovo allele di un gene; sono fenomeni casuali, copie diverse di un allele possono andare incontro a cambiamenti differenti. I genetisti definiscono selvatico quel particolare allele di un gene che in natura è presente nella maggior parte degli individui. Gli alleli del gene (alleli mutanti), producono un fenotipo diverso. Un gene il cui locus è occupato dall’allele selvatico in meno del 99% dei casi è detto polimorfico. Quindi una mutazione nel genoma, pur essendo un evento raro, è responsabile della comparsa di nuovi alleli, o alleli mutanti, che portano alla nascita di un nuovo fenotipo.

In una specie, possono esistere più di due alleli di un certo genere. Questa condizione è chiamata poliallelia. La comparsa in una specie di più di due alleli per lo stesso gene a seguito di mutazioni casuali, è definita poliallelia, un fenomeno che aumenta il numero dei fenotipi possibili.

Dominanza incompleta e codominanza

Nelle singole coppie di alleli studiate da Mendel, gli eterozigoti mostravano dominanza completa, cioè esprimevano sempre il fenotipo L. Molti geni, hanno alleli che non sono né dominanti né recessivi: gli eterozigoti presentano un fenotipo intermedio. Quando gli eterozigoti mostrano un fenotipo intermedio, si dice che il gene segue la regola della dominanza incompleta (nessuno dei due alleli è dominante). Alcuni geni, quindi, presentano alleli che non sono né dominanti né recessivi e danno individui eterozigoti con un fenotipo intermedio. Il gene è detto a dominanza incompleta.

Nella codominanza si esprimono entrambi gli alleli di un locus

Due alleli di un locus producono due diversi fenotipi che compaiono entrambi negli eterozigoti: fenomeno definito codominanza. Quando due alleli di uno stesso locus portano a due diversi fenotipi, entrambi espressi negli eterozigoti, si parla di codominanza.

Pleiotropia ed epistasi

I principi di Mendel si ampliarono ulteriormente quando fu scoperto che un singolo allele può influenzare più di un fenotipo; questo allele è detto pleiotropico (es: colorazione del pelo). Tra i geni che hanno un’azione pleiotropica ci sono quelli responsabili di molte malattie umane come la fenilchetonuria (PKU, malattia metabolica), causata da un allele recessivo che rende inattivo l’enzima epatico che catalizza la conversione dell’amminoacido fenilalanina in tirosina.

Certi caratteri sono determinati da più geni (caratteri poligenici). I genisti hanno scoperto diversi casi in cui due geni interagiscono tra di loro, determinando comportamenti che apparentemente non rispettano le leggi di Mendel. È il caso dell’epìstasi, dove un gene influenza e sovrasta l’espressione fenotipica di un altro gene. In caso di epìstasi, la comune distribuzione dei fenotipi studiata da Mendel (9:3:3:1) risulta modificata.

- Il gene B controlla la produzione di melanina; l’allele dominante B produce pigmentazione nera, quello recessivo marrone.

- Il gene E controlla la disposizione del pigmento. In presenza dell’allele dominante E la melanina si deposita normalmente, mentre l’allele recessivo impedisce la disposizione del pigmento.

Quindi, anche i geni (come gli alleli), possono interagire tra loro alterando l’effetto fenotipico di altri geni, come nel caso dell’epìstasi, dove un gene determina e sovrasta l’espressione di un altro gene.

Se un allele cancella l’espressione di un allele mutante, viene definito soppressore e comporta l’espressione del fenotipo selvatico; è questo il caso dell’allele recessivo “su” di Drosophila (moscerino della frutta).

Vigore degli ibridi e variabilità

Le osservazioni di Darwin sui vantaggi qualitativi di una progenie ibrida furono spiegate con il fenomeno del vigore degli ibridi: la dominanza o sovradominanza degli alleli in un organismo frutto di un incrocio tra linee pure. L’ipotesi della dominanza si basa sul fatto che è improbabile che gli ibridi siano omozigoti per alleli recessivi deleteri. L’ipotesi della sovradominanza afferma, che negli ibridi, nuove combinazioni di alleli dai ceppi parentali interagiscono tra loro, producendo tratti superiori che non possono essere espressi nelle linee parentali.

Le differenze fra individui per caratteri semplici come quelli studiati da Mendel nei piselli sono discontinue e qualitative. Questo tipo di variabilità individuale in una popolazione è detta continua ed è spesso associata a caratteri fenotipici quantitativi (es: colore degli occhi). I genetisti chiamano poligenici i caratteri regolati da molti geni e loci per un tratto quantitativo (o QTL) i geni che concorrono a determinare caratteristiche complesse di questo tipo. Il riconoscimento di tali loci costituisce una delle sfide più impegnative e stimolanti. La variabilità individuale all’interno di una popolazione, quindi, dipende da caratteri fenotipici quantitativi, ed è causata sia da fattori genetici sia dall’ambiente.

Caratteri quantitativi e multifattoriali

Mendel formulò le sue tre leggi perché i caratteri esaminati erano monofattoriali, dovuti all’azione di un solo gene. A determinare un carattere sono tre situazioni estreme:

- La trasmissione monogenica. I tipici esempi sono le caratteristiche morfologiche delle piante di pisello, l’essere affetto o meno da una malattia genetica di cui si conosce il responsabile.

- L’eredità poligenica. I caratteri poligenici, essendo il risultato dell’interazione dei prodotti di più geni, possono presentare una variazione continua nell’intensità della loro manifestazione oppure presentarsi nella presenza/assenza.

- Nel caso in cui nessun fattore genetico contribuisce alla manifestazione di un carattere, quest’ultimo dipende esclusivamente dall’azione di fattori ambientali.

Si definisce carattere non mendeliano un carattere che dipende da due o più loci, con contributo variabile di fattore genetico e spesso anche da quelli ambientali. Il termine multifattoriale è un suo equivalente e comprende tutte le combinazioni di fattori genetici e ambientali. Fisher fu il primo a formulare la teoria poligenica dei caratteri quantitativi sostenendo che questo tipo di carattere subisce una variazione continua spiegabile dall’azione mendeliana di un gruppo di geni, ciascuno dei quali non ne determina la presenza o l’assenza, ma fornisce un piccolo contributo alla sua intensità. I fenotipi complessi variano in un intervallo di variabili e sono detti caratteri quantitativi.

Esperimenti di Morgan su Drosophila

Per cercare le risposte ad alcune questioni genetiche sono stati effettuati alcuni studi sulla Drosophila, il moscerino della frutta. I primi sono stati compiuti dal 1909 da Thomas Hunt Morgan. Morgan scelse la Drosophila perché aveva caratteristiche vantaggiose. Il gruppo di Morgan era finalizzato a verificare la terza legge di Mendel sulla segregazione indipendente dei caratteri. In molti casi i risultati dei loro esprimenti erano in disaccordo con quelli previsti dalla legge dell’indipendenza. Morgan considerò i caratteri colore del corpo e forma delle ali ma non ottenne i risultati previsti.

- NB I due caratteri pesi in considerazione da Morgan dipendono dai geni B (corpo grigio) e b (corpo nero) ed F (ali normali) e f (ali corte). Morgan ha incrociato un eterozigote (BbFf) con un omozigote recessivo (bbff) ma non si sono verificati i risultati attesi 1:1:1:1, invece alcuni caratteri venivano ereditato congiuntamente, quindi i due caratteri non erano indipendenti ma i due loci erano associati sullo stesso cromosoma. Quindi gli esperimenti di Morgan su Drosophila dimostrano che alcuni alleli non segregano in maniera indipendente. Alcuni geni sono associati sullo stesso cromosoma.

Crossing-over e mappe genetiche

Il crossing-over è un meccanismo di ricombinazione del materiale genetico proveniente dai due genitori. Nella prima fase della meiosi i cromosomi omologhi sono appaiati e, sono in grado di scambiarsi materiale genetico.

Il gruppo di Morgan aveva stabilito le frequenze di ricombinazione per molte di geni associati della Drosophila Sturtevant (laureando di Morgan) utilizzò questi valori per costruire mappe genetiche che mostrano la disposizione dei geni lungo il cromosoma. A partire dalla prima utilizzazione di Sturtevant, questo metodo è servito ai genetisti per mappare i genomi di procarioti, eucarioti e virus esprimendo le distanze fra geni in unità di mappa corrispondenti ad una frequenza di ricombinazione di 0,01; questa unità è nota anche come centimorgan (cM).

Determinazione del sesso

Gli organismi monoici (palme da dattero) presentano due sessi su uno stesso individuo, quelli dioici (querce e maggior parte degli animali) organi maschili e femminili presenti su due individui differenti. Gli autosomi sono quei cromosomi che non partecipano alla determinazione del sesso, negli umani sono 2 su 46.

Per studiare quali geni sul cromosoma determinano il sesso maschile, i genisti hanno preso in considerazione i casi di non-disgiunzione alla meiosi, che portano ad avere una progenie aneuploide, ovvero con un numero anomalo di cromosomi sessuali.