Appunti di genetica

Tappe fondamentali della genetica

1865: leggi dell’ereditarietà, G. Mendel

1869: isolamento del DNA, F. Miescher

1890: studio dei cromosomi (“corpi colorati”) durante la divisione cellulare, A. Weismann

1909: conio del termine “gene” (dal greco “genos”, nascita), Johanssen (botanico danese)

1911: teoria cromosomica dell’ereditarietà, Drosophila, T. Morgan (fly group), Nobel nel 1933

Le leggi di Mendel

La genetica nasce con la promulgazione delle leggi di Gregor Mendel (1822-1884). Mendel era un monaco che venne mandato dalla curia a studiare in un’università in quegli anni frequentata dai più grandi scienziati ancora oggi ricordati. Tale vicinanza a questi scienziati consentì a Mendel di aprire la propria visione del mondo e trovare un modo per raffigurare ciò che osservava: il grande contributo dato da Mendel deriva dal fatto che descriveva la realtà sotto forma di numeri, quantità; grazie a tale trasformazione delle osservazioni in quantità numeriche egli ha identificato le leggi della genetica.

Per i suoi esperimenti Mendel sceglie le piante di pisello odoroso per tre motivi essenziali:

• Facili da coltivare;
• Ne esistevano molte specie con caratteri somatici facilmente distinguibili;
• Era possibile controllarne l’impollinazione: presentando sia i gameti femminili che quelli maschili, normalmente si autoimpollinano; si può però impedire questa auto-impollinazione e pilotare una cross-impollinazione, un’impollinazione incrociata tra piante con caratteristiche diverse.

Eglli studia la trasmissione di caratteri e tratti nelle piante di pisello:

Il carattere è una proprietà dell’organismo osservato determinata geneticamente (es. forma della pianta, colore dei fiori, ecc.);

Il tratto è una sottospecie del carattere, una particolare forma del carattere (es. carattere: colore del fiore – tratto: fiore bianco);

In particolare prende in considerazione sette caratteri:

• Colore dell’involucro del fiore (fiore viola/bianco);
• Colore del seme (giallo/verde);
• Forma del seme (liscio/rugoso);
• Colore del bacello (verde/giallo);
• Forma del bacello (pieno/irregolare);
• Lunghezza dello stelo (lungo/corto);
• Posizione dei fiori (assiale, terminale).

Metodo di incrocio di Mendel

Le piante studiate da Mendel tendenzialmente sono in grado di autoimpollinarsi: per ciascun tipo di pianta studiata, ha lasciato che la pianta si autoimpollinasse per varie generazioni, osservando cosa succedeva al carattere che stava studiando. Se il carattere rimaneva costante (es. da pianta con fiori viola a pianta con fiori viola), la pianta che stava studiando era una linea pura: pianta che in seguito ad autoimpollinazione mantiene lo stesso carattere.

Una volta trovate le linee pure per tutti i caratteri, inizia a fare avvenire cross-impollinazioni: impollinazioni tra piante con tratti diversi dello stesso carattere (tra pianta a fiore viola e pianta a fiore bianco). Per fare avvenire questo tipo di impollinazione usa gli organi staminali delle piante: elimina l’organo maschile (polline) della pianta a fiore viola per impedire l’autoimpollinazione, per poi trasferire il polline dallo stame della pianta bianca all’organo femminile della pianta viola (carpello). Una volta avvenuta la cross-impollinazione semina e osserva le piante ottenute. Osserva che si ottengono tutte piante viola.

Deduce che dopo aver incrociato due linee pure, le piante ottenute nella prima generazione filiale (F1) sono tutte caratterizzate dallo stesso tratto, acquisito da una delle due piante della generazione parentale (P). Ripeté il processo molte volte, per tutti i caratteri e i tratti osservati.

L’innovazione di Mendel rispetto ad altri scienziati che si stavano occupando della stessa materia fu:

• Analizzare un carattere alla volta;
• Analizzare quantitativamente la progenie.

Altro esempio di incrocio Mendeliano

La progenie F1 mostrava solo uno dei due tratti trasmessi dalle piante P1 e sempre lo stesso (seme liscio). In tutti gli incroci i risultati erano sempre gli stessi. A tal punto, piantando i semi ottenuti, fece nascere la pianta ottenuta dalla F1. Successivamente, con autoimpollinazione, andò ad osservare i semi della generazione F2. Osservò che nella F2 il tratto che non si era presentato nella F1 si manifestava al 25%. Vi era un rapporto 3 (seme liscio) :1.

Per spiegare le osservazioni effettuate Mendel ipotizzò che sui cromosomi esistono dei geni, le unità fondamentali della trasmissione ereditaria, la cui posizione sul cromosoma è detta locus. Per ogni gene, nel caso delle cellule somatiche diploidi, vi sono due copie. Ogni gene codifica per un carattere (es. colore del fiore), per il quale presenta forme alternative, espresse dagli alleli. Essi producono un tratto diverso dello stesso carattere. Gli alleli sono dunque forme alternative di un gene.

Due cromosomi di una coppia di omologhi. Nella stessa posizione ho il locus specifico del gene di interesse. Il gene codifica per uno stesso carattere (es. colore del fiore) ma su un cromosoma ho il gene con l’allele per un tratto (fiori viola) e sull’altro ho il gene con l’allele per un altro tratto (fiori bianchi). Ciò ci spiega che quello che Mendel vedeva nella F1 era un individuo di cui veniva mostrato solo un tratto per un carattere, ma che sui cromosomi presentava due alleli diversi.

Ipotizza che: se i due alleli sono identici tra di loro, si origina una linea pura per quel carattere. Per questo, anche se continuo a far autoimpollinare la pianta, ottengo sempre lo stesso risultato, in quanto l’allele è sempre quello (es. allele che codifica per il colore bianco dei fiori, da cui otterrò solo fiori bianchi). Quando faccio avvenire la cross-impollinazione mi accorgo che solo uno dei due tratti si presenta in F1: questo è il tratto dominante (seme liscio). Il tratto che non si presenta in F1 ma ricompare in una percentuale del 25% in F2 è il tratto recessivo (seme rugoso). Il tratto dominante è in grado di mascherare la presenza, sul cromosoma omologo, del tratto recessivo.

Individui che hanno alleli dello stesso gene, presenti in ciascun cromosoma omologo, che codificano in maniera identica per un certo tratto sono detti omozigoti (es. RR, rr); Individui che hanno alleli dello stesso gene, presenti in ciascun cromosoma omologo, che codificano in maniera diversa per un certo tratto sono detti eterozigoti (es. Rr).

Nonostante il loro aspetto identico le piante P1 e F1 dovevano essere geneticamente differenti: è importante distinguere l’aspetto di un organismo, le sue caratteristiche osservabili (fenotipo) e il suo patrimonio genetico (genotipo). Essi avevano lo stesso fenotipo ma diverso genotipo, diversi alleli per un gene su una coppia di omologhi. Il genotipo determina il fenotipo. Ad ogni modo, sul genotipo, possono agire influenze ambientali ed eventi casuali durante lo sviluppo, nonché altri geni, che possono causare cambiamenti tali per cui il fenotipo osservato non è quello che si potrebbe ipotizzare sulla base del genotipo.

Prima legge di Mendel: legge dell’uniformità della prima generazione ibrida

Dall’incrocio tra individui che differiscono per un tratto di uno stesso carattere (appartenenti a linee pure, ovvero che hanno due alleli uguali per uno stesso carattere) si ottiene una prima generazione filiale (F1) costituita da individui tutti uguali tra loro, che possono manifestare il carattere di uno dei due genitori.

Seconda legge di Mendel: legge della segregazione dei caratteri

Alla seconda generazione filiale (F2), i tratti, controllati da coppie di alleli, segregano (si separano) l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti e si manifestano in rapporti numerici definiti e costanti.

Gli incroci effettuati da Mendel, che considerano un solo gene che codifica per un carattere e per il quale ci sono alleli che codificano per tratti alternativi dello stesso carattere, vengono chiamati incroci monoibridi.

Nella F2 ¼ ½ ¼

Rapporti a livello genotipico:

Oppure 1:2:1

Rapporti a livello fenotipico:

¾ (dominante) ¼ (recessivo)

Oppure 3:1

Il quadrato di Punnet consente di prevedere i rapporti tra i discendenti di un incrocio quando studiamo pochi geni alla volta (nei tetraibridi, incroci dove consideriamo quattro geni, arriviamo a 256 caselle!). In alternativa uso il blanchyng system. Per il quadrato di Punnet si crea uno schema in cui:

• Nella prima riga poniamo i gameti prodotti da un individuo;
• Nella prima colonna poniamo i gameti prodotti dall’altro individuo.

Creiamo poi le combinazioni, riportando le lettere nei punti in cui si incrociano. Dopo aver elaborato le prime due leggi studiando un carattere alla volta, Mendel estende il suo studio a incroci diibridi, considerando due caratteri diversi.

Si parte da una linea pura ma per due caratteri diversi. GENERAZIONE P topo nero a pelo corto (BBSS) X topo marrone a pelo lungo (bbss). Quali gameti si possono originare? Topo 1: B e S Topo 2: b e s GENERAZIONE F1 Con la fecondazione (guardo gli incroci) ottengo topi a pelo lungo e nero (BbSs). Quali gameti si possono originare da un individuo diibrido, fatto da due alleli diversi per due geni diversi? Dato che ogni gamete porta un solo allele per un gene, in ogni quadrato (per costruire il gamete) riporto un allele per il gene B/b e un allele per il gene S/s con tutte le combinazioni possibili. Si originano quattro possibili gameti sia per il maschio che per la femmina. Faccio tutte le combinazioni possibili: ottengo 16 combinazioni. Ottengo: Fenotipo 9/16 pelo nero corto, 3/16 pelo nero lungo, 3/16 pelo marrone corto, 1/16 pelo marrone lungo.

Terza legge di Mendel: legge dell’assortimento indipendente

Nell’incrocio tra individui che differiscono per due o più caratteri, controllati ciascuno da coppie alleliche localizzate su cromosomi diversi, ogni coppia allelica si assortisce (segrega) indipendentemente. Nel momento in cui due geni sono su cromosomi non omologhi, essi vengono trasmessi in maniera differente.

Questo assortimento indipendente deriva da come vengono separati i cromosomi in meiosi. Meiosi di un individuo diibrido abbiamo B b S s. Gli alleli B e b si trovano su cromosomi omologhi; gli alleli S e s si trovano su cromosomi omologhi. Quando i cromosomi omologhi si appaiano in metafase I e poi si separano in anafase I, essi vanno verso i poli opposti della cellula. A seconda di come vengono disposti i cromosomi omologhi in metafase I, abbiamo assortimenti diversi. Siccome gli assortimenti sono equiprobabili, nella progenie troviamo tutte le combinazioni possibili (le quattro che abbiamo visto nel quadrato di Punnet).

Di fatto, Mendel formula le sue leggi senza conoscere i meccanismi di mitosi e meiosi. Questi due processi iniziano ad essere conosciuti nel 1900, e si pensa che geni e cromosomi abbiano qualcosa in comune. Nel 1903 Sutton e Boveri, sostenendo che i geni si trovano sui cromosomi, avanzano la teoria cromosomica dell’ereditarietà: la trasmissione dei geni segue la trasmissione dei cromosomi, in quanto i geni sono localizzati sui cromosomi.

Ora sappiamo che:

• I geni sono sequenze di DNA che codificano per un carattere e che vengono espresse in proteine o in RNA;
• Ogni gene occupa uno spazio specifico (locus) su un cromosoma. Lo stesso gene occupa loci corrispondenti su cromosomi omologhi. A livello dello stesso gene, però, i cromosomi possono portare alleli diversi (eterozigosi).
• Il fatto che un gene sia in omozigosi su cromosomi omologhi non implica che tutti gli altri geni siano in omozigosi, in quanto i geni sono indipendenti.
• Ogni cromosoma porta molti geni (più i cromosomi sono grandi più ospitano geni).
• Il genoma umano è costituito da circa 30mila geni, distribuiti su 23 coppie di cromosomi.
• Gli alleli rappresentano varianti alternative di uno stesso gene.

Importantissimo!

Regola generale che ci fa capire cosa attenderci da ogni incrocio. Ad esempio, da Aa x Aa sono attesi 2 tipi di gameti (A e a), 2 classi fenotipiche nella progenie (A e a) e 3 classi genotipiche (AA, Aa e aa). NB: la classe fenotipica la posso utilizzare solo con una lettera. Si usa la lettera dell’allele dominante e, se non è presente, la lettera dell’allele recessivo.

Branching system

Si basa sui principi elementari dalla probabilità. Probabilità rapporto tra il numero di volte in cui un particolare evento è atteso verificarsi e il numero totale di casi possibili. Es. la probabilità di ottenere testa dal lancio di una moneta è 1/2. Es. la probabilità di prendere una carta di cuori da un mazzo di 52 carte, di cui 13 sono cuori è p = 13/52 = 1/4, ossia noi ci aspettiamo, in media, di prendere una carta di cuori una volta su quattro prove. Anche l’ereditarietà, la trasmissione dei caratteri, è un evento che possiamo calcolare in base alla probabilità. Ciò perché i geni e gli alleli vengono trasmessi casualmente alla progenie in base a come segregano i cromosomi durante la meiosi.

Le leggi fondamentali per applicare la probabilità alla genetica sono:

• La regola del prodotto: La probabilità di due eventi indipendenti che si verificano contemporaneamente è il prodotto delle singole probabilità. Es. un ragazzo cerca una moglie bella e ricca (due eventi indipendenti). La probabilità di trovarla è il prodotto della probabilità di trovare una donna bella x la probabilità di trovare una donna ricca.
• La regola della somma: La probabilità che si verifichi o l’uno o l’altro di due eventi mutualmente esclusivi (che si escludono a vicenda) è la somma delle singole probabilità. Es. un ragazzo cerca una moglie bella o ricca (due eventi mutualmente esclusivi). La probabilità di trovarla è la somma della probabilità di trovare una donna bella + la probabilità di trovare una donna ricca.

Esempi di branching system

1. Per calcolare le probabilità di formazione di un dato gamete quando sono coinvolti più di due geni. Quali gameti può dare e con che probabilità? AaBb: individuo diibrido. Potrei usare il quadrato di Punnet visto che ho due geni, ma ora uso il branching system. Bisogna considerare un gene solo alla volta. Quali gameti può dare l’individuo Aa per il Gene 1: considero l’individuo Aa; gene a? ½ A, ½ a: le scrivo. Quali gameti può dare l’individuo Bb per il Gene 2: considero l’individuo Bb; gene b? ½ B, ½ b: riporto il risultato di fianco a ciascuna lettera A/a scritta precedentemente. I gameti che può dare l’individuo AaBb sono tutte le combinazioni possibili. La loro probabilità è data dal prodotto tra le probabilità dei geni combinati (½ * ½ = ¼).

2. Per calcolare la probabilità di un dato fenotipo quando sono coinvolti più di due geni. Dato l’incrocio tra due diibridi AaBb x AaBb quale è il fenotipo della progenie che ottengo? Bisogna considerare un gene alla volta. Cosa ottengo nella progenie a livello fenotipico? Gene 1: Aa x Aa. ¾ A, ¼ a: le scrivo. Gene 2: Bb x Bb. Cosa ottengo nella progenie a livello fenotipico? ¾ B, ¼ b: riporto i risultati a fianco di ogni A/a scritta. I fenotipi della progenie sono tutte le combinazioni possibili. La loro probabilità è data dal prodotto tra le probabilità dei geni combinati (¾ * ¾ = 9/16).

3. Per calcolare la probabilità di un genotipo. Calcolare la probabilità di avere un genotipo AABbcc dall’incrocio tra due triibridi AaBbCc x AaBbCc. Analizzo un gene alla volta. ¼ * ½ * ¼ = 1/32. N.B. non devo sviluppare tutto lo schema se la domanda richiede solo una parte di esso!

4. Calcolare i gameti derivabili da un triibrido AaBbCc.

Test-cross o reincrocio

Un incrocio molto particolare è il reincrocio, o test-cross. Esso serve a individuare il genotipo di un individuo a fenotipo dominante. Solo guardando il fenotipo, infatti, non posso determinare il genotipo di un individuo. Per esempio se il fenotipo di un individuo è S, il suo genotipo può essere SS (omozigote dominante) o Ss (eterozigote). Scopro il genotipo di un individuo a fenotipo dominante e a genotipo ignoto incrociandolo con un omozigote recessivo per lo stesso gene (ss). Otterrò risultati diversi a seconda del genotipo iniziale.

Reincrocio di un monoibrido: Ottengo risultati diversi a seconda del genotipo iniziale:

• Se il genotipo è omozigote dominante (BB) ottengo tutti topi neri;
• Se il genotipo è eterozigote (Bb) ottengo ½ topi neri (eterozigote Bb) e ½ topi marroni (omozigote recessivo bb).

Il reincrocio è l’unico incrocio per il quale il fenotipo della progenie è identico al genotipo dei gameti prodotti dall’individuo che si sta analizzando. Questo perché il gamete dell’omozigote recessivo è ininfluente: essendo recessivo si manifesta solo quando il genotipo dell’altro genitore è omozigote recessivo; ma nel reincrocio si va ad incrociare l’omozigote recessivo con un individuo a fenotipo dominante, e quindi con genotipo o...