Appunti di Biologia e genetica (parte 2)

La genetica

La genetica è la scienza che studia i geni, e nasce con la promulgazione delle leggi dell'ereditarietà di Mendel (1865).

Storia della genetica

• 1869: Isolamento del DNA di Meischer
• 1890: Studio dei cromosomi durante la divisione cellulare di Weismann
• 1909: Conio del termine “gene” da Johanssen – l’unità fondamentale della trasmissione ereditaria
• 1911: Teoria cromosomica dell’eredità

Leggi dell'ereditarietà di Gregorio Mendel, 1865

Mendel era un monaco molto attivo, studiò anche in università (cosa molto rara per il tempo), dove entrò in contatto con vari scienziati e fisici che gli permisero di ampliare le sue vedute scientifiche nell’osservazione. In quanto appassionato di piante, si dedicava alla loro osservazione e cominciò a mischiarle.

Così studiò la trasmissione di caratteri e tratti nelle piante di pisello: un carattere è una proprietà dell’organismo, determinata geneticamente (forma e colore) mentre un tratto è una particolare forma del carattere (es. colore bianco). Concentra i suoi studi sulle piante di pisello perché erano reperibili, in grado di autoimpollinarsi e si riproducevano in fretta.

Nei suoi studi analizzò 7 caratteri di queste piante: ci aspettiamo di vedere una linea pura quando dopo diverse impollinazioni otteniamo lo stesso risultato (es. tutti fiori bianchi o tutti viola). Mendel generò allora 14 linee pure ed iniziò ad incrociare i diversi caratteri. L’impollinazione venne fermata non permettendo al polline di cadere nel carpello, egli sostituiva dunque il polline di un fiore con quelli di un altro per studiare l’incrocio, separando il carpello (organo femminile) e gli stami che contengono il polline (organo maschile) dello stesso fiore.

Dopo aver piantato i semi frutto dell’incrocio tra le due linee pure viola e bianca, ottenne sempre piante a fiori viola per la prima generazione figliale (F1). Dalle piante nate nell'F1 (lasciate autofecondare), ottenne la F2: il carattere bianco ritorna, insieme al viola. Questo processo vale per tutti e 7 i caratteri studiati: il carattere che scompare nell'F1 ritorna nell'F2. Mendel si accorse che nell'F2 c’è un rapporto stabile e costante tra i caratteri: 1/4 delle piante mostrano il tratto recessivo, mentre 3/4 quello dominante.

Teoria degli alleli

I fattori responsabili della trasmissione ereditaria di particolari tratti sono unità discrete (ALLELI) che compaiono a coppie e si separano durante la formazione dei gameti. Queste unità sono in grado di mantenere la propria integrità anche in presenza di altre unità: gli alleli sono le varianti alternative di uno stesso gene. Ogni pianta di pisello è provvista di due alleli per ogni carattere, uno proveniente da ciascun genitore – durante la formazione dei gameti solo una delle due unità passa a un gamete. Il cromosoma ospita la posizione occupata dal gene sul cromosoma, detta locus.

Ipotesi di Mendel

• Se i due alleli sono identici tra loro, si dice linea pura per quel carattere.
• Se i due alleli non sono identici, uno può mascherare l’altro:
  • Tratto recessivo – non è espresso nelle piante in F1, ma viene espresso in F2.
  • Tratto dominante – è presente nelle piante F1.
• Nonostante il loro aspetto identico, le piante P1 e F1 dovevano essere geneticamente differenti: è importante distinguere l’aspetto di un organismo (fenotipo) dal suo patrimonio genetico (genotipo).

Le leggi di Mendel

Le ipotesi di Mendel porteranno alla:

• Legge dell’uniformità della prima generazione ibrida: dall’incrocio tra individui che differiscono per un carattere, appartenenti a linee pure, si ottiene una prima generazione filiale (F1) costituita da individui tutti uguali tra loro, che possono manifestare il carattere di uno dei due genitori.
• Legge della segregazione dei caratteri: alla seconda generazione filiale (F2), i caratteri, controllati da coppie di alleli, segregano l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti e si manifestano in rapporti numerici definiti e costanti.

Applicazione delle leggi di Mendel

Un quadrato di Punnett consente di prevedere i rapporti tra i discendenti di un incrocio. Per leggerlo e comporlo, devo conoscere i genotipi dei genitori, poi scrivo sulla linea in alto i gameti possibili di un genitore e sotto i gameti possibili di un altro. Individui Aa e AA hanno lo stesso fenotipo, ma hanno genotipi diversi.

Legge sull'assortimento indipendente

Mendel estese i suoi studi sull’ereditarietà a incroci di ibridi: individui doppi eterozigoti (eterozigoti per due geni diversi). Da qui la legge sull’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 indipendentemente.

L’assortimento indipendente dei cromosomi in meiosi: le osservazioni di Mendel sulla segregazione sono spiegate dal comportamento dei cromosomi, paterno e materno durante la meiosi. I cromosomi omologhi segregano nel corso dell’anafase I, separando così i diversi alleli. Durante l’anafase II, i due cromatidi di ciascun cromosoma si separano.

Metodo degli schemi ramificati

Il metodo degli schemi ramificati si basa sulla probabilità: il rapporto tra il numero di volte in cui un particolare evento è atteso verificarsi e il numero totale di casi possibili. Ad esempio, la probabilità di ottenere testa o croce è del 50% > 1/2. Se voglio una carta di cuori in un mazzo la probabilità è del 25% > 1/4 > 13/52.

Anche la segregazione degli alleli e la fecondazione sono eventi casuali, infatti le leggi fondamentali della probabilità utili per risolvere problemi di genetica con il metodo dello schema ramificato sono due:

• Regola del prodotto: la probabilità di due eventi indipendenti che si verificano contemporaneamente è il prodotto delle singole probabilità. Esempio: un ragazzo cerca una moglie che sia bella e ricca, la probabilità che la trovi è quella di trovare una donna bella e una ricca.
• Regola della somma: la probabilità che si verifichi l’uno o l’altro di due eventi mutuamente esclusivi è la somma delle singole probabilità. Un ragazzo cerca una moglie bella o ricca, è sufficiente quindi che si verifichi uno dei due eventi: somma tra le due singole probabilità.

Allora, posso utilizzare questo metodo per calcolare le probabilità di formazione di un dato gamete quando sono coinvolti più di due geni (branching system): per calcolare la probabilità di un fenotipo dove sono coinvolti più di due geni, calcolo attraverso moltiplicazione. Queste regole valgono per i monoibridi perché guardiamo un gene alla volta.

Rincrocio e determinazione del genotipo

Tramite reincrocio riesco a determinare il genotipo di un monoibrido (foto). Se nella progenie non vedo nessun topo marrone, allora il genitore era un omozigote. Rincrociando un diibrido, non possiamo eseguire la stessa operazione, applicheremo dunque un diverso procedimento, attraverso il quale possiamo capire che il fenotipo della progenie è identico al genotipo dei gameti prodotti dall’individuo che si sta analizzando.

Eccezioni alle regole di Mendel

Queste regole non sono però sempre valide, ci sono delle estensioni per descrivere le varie situazioni che possono verificarsi: crossing over e ricombinazione. Mendel ha avuto a suo favore il tempo (non erano ancora state fatte determinate scoperte), infatti, successivamente altri ricercatori osservarono che alcuni geni non seguono un assortimento indipendente, ma vengono quasi sempre ereditati insieme: vengono chiamati geni associati o concatenati.

Ogni cromosoma contiene tanti geni: per quanto riguarda quelli associati o concatenati, si intende che gli alleli dominanti si trovino sullo stesso cromosoma. Quando entrambi gli alleli dominanti si trovano su uno dei due cromatidi, si dicono geni associati in cis; quando uno si trova su un cromatidio e uno sull’altro, si dicono geni associati in trans. Al contrario, vengono considerati geni indipendenti quando un allelo è dominante e l’altro non lo è.

I caratteri associati segregano insieme, a meno che non vengano separati mediante crossing over: la concatenazione assoluta è estremamente rara. Un cromosoma si può spezzare determinando ricombinazione genetica. L’associazione può essere completa: niente crossing-over o parziale: crossing-over. Il crossing over è infatti considerato la base della ricombinazione: il numero di cromosomi parentali nel totale delle cellule è maggiore del numero di cromosomi ricombinanti, perché non sempre avviene il crossing-over.

Incrocio AaBb x aabb

Ci sono geni indipendenti e associati in modo completo.

La mappa genetica

La frequenza di ricombinazione può essere usata per determinare l’ordine e la distanza tra geni su un cromosoma e per tracciare la mappa genetica. In questa mappa i geni sono posizionati in ordine lineare e la distanza tra due geni è misurata dalla frequenza di ricombinazione tra loro. La distanza genetica viene espressa in unità di mappa. Due geni distano un’unità di mappa o 1 centimorgan (cM): la frequenza di ricombinazione fra due geni è uguale all’1%, il valore della frequenza è compreso tra 0 e 50%.

0% - 50%: Ricombinanti tetradi che subiscono crossing-over/ num. totale e generano geni indipendenti.

Gamete: cellula aploide. Incrocio: unione dei gameti di due individui diversi. Genotipo: composizione genetica di un organismo. Fenotipo: caratteristica osservabile in un individuo. Omozigote: individuo che per un dato gene presenta due alleli identici AA, aa. Eterozigote: individuo che presenta due alleli diversi per un dato gene Aa.

Caratteri legati al sesso

Essendo diversi tra maschio e femmina, hanno un diverso pattern di trasmissione ereditaria (diverso dagli studi di Mendel), per cui è importante capire chi trasmette cosa. Il cromosoma X del padre è trasmesso solo alle figlie femmine, il cromosoma Y ai figli maschi. L’essere maschio dipende infatti dal cromosoma Y. Il processo non è comunque analogo per tutte le specie (nel caso delle tartarughe dipende dalla temperatura).

Il sesso maschile (XY) è il sesso eterogametico e produce due tipi di gameti (che contengono X o Y). Il sesso femminile (XX) è il sesso omogametico: produce un solo tipo di gamete (che contiene X). Y contiene pochi geni mentre X ne contiene moltissimi.

Questi cromosomi sono accomunati da regioni omologhe terminali, chiamate pseudoautosomiche. X e Y si appaiano dunque solo nelle porzioni terminali, che sono identiche tra di loro, consentono alla tetrade di formarsi e ai cromosomi di separarsi. Siccome hanno cromosomi diversi, anche il patrimonio lo sarà. I geni legati all’X sono presenti in doppia dose nella femmina e in singola dose nel maschio.

Una femmina, XX, può avere genotipo XAXA (entrambi alleli dominanti, omozigote), XAXa (un solo allele dominante, eterozigote), XaXa (entrambi alleli recessivi, omozigote). Un maschio, XY, è chiamato emizigote e può avere genotipo XAY (allele dominante) o XaY.

Per un carattere autosomico, gli incroci reciproci danno lo stesso risultato, è indifferente che il carattere sia portato dal maschio o dalla femmina (come negli studi di Mendel). Per un carattere legato al sesso, gli incroci reciproci danno risultati diversi. È dunque importante conoscere il sesso dell’individuo che porta il carattere.

Un allele patologico (che trasporta quindi patologia) l’individuo può avere: in caso di femmina DD sane, Dd portatrici (sane ma possono trasmetterla alla progenie), dd malate. In caso di maschio DY sano i maschi mostrano sempre l’allele che hanno, sono quindi dY malato più soggetti alla patologia. Una condizione di femmina malata (aa) si verifica quando il padre è malato e la madre è portatrice o malata.

Caratteri X-linked

• Emofilia B
• Daltonismo (legato al gene recessivo)
• Gruppo sanguigno Xg
• Favismo
• Retinite pigmentosa

Il problema è che nelle femmine vediamo due dosi di ogni gene X-linked, mentre nei maschi una sola. La quantità di prodotto genico di un gene X-linked è uguale nei due sessi perché nelle cellule femminili un cromosoma viene silenziato/disattivato, questo è spiegato tramite l’ipotesi di Mary Lyon, secondo la quale:

• L’inattivazione di uno dei due cromosomi X nelle cellule somatiche delle femmine, per ottenere la compensazione di dose genica tra maschi e femmine.
• L’inattivazione è casuale (può essere il gene del papà o della mamma) e avviene precocemente durante lo sviluppo.
• Inattivazione avvenuta, tutte le cellule discendenti mantengono inattivato lo stesso X.
• L’inattivazione è reversibile nell’oogenesi, dove l’X inattivato si riattiva.

Le prove dell’inattivazione si hanno guardando i nuclei cellulari delle cellule femminili e maschili: nelle cellule femminili vediamo una macchiolina chiamata Corpo di Barr, che si è scoperto essere il cromosoma X inattivo (la cromatina è tutta condensata in un angolino). Si sono trovati dei problemi relativi al numero di cromosomi all’interno della cellula, si è visto che l’inattivazione funziona sempre, disattivando tutti i “cromosomi extra”, lasciando solo un cromosoma attivo.

Partiamo da uno zigote che è fusione delle cellule gametiche, questo origina il nuovo individuo tramite mitosi ecc. L’inattivazione avviene in una di queste fasi di mitosi (alla fine delle quali vediamo il mosaicismo funzionale): uno dei due cromosomi viene condensato in corpo di Barr, da lì, tutte le cellule figlie mantengono lo stesso X inattivato. Per le cellule gametiche c’è la possibilità di reset, per le cellule somatiche non si può invertire il processo.

Nel caso della colorazione del pelo nei gatti: un gatto con pelo di colore arancione e nero, sarà figlio di una femmina con genotipo Oo che mostrerà un allele X-linked O per il colore arancione e un allele X-linked o per il colore nero. Nel caso di un gatto calico, vale lo stesso ragionamento ma cambia il fatto che il suo avere il pelo bianco è dovuto ad un gene autosomico.

La casualità di quale X inattivare è costante e può causare l’espressione di alleli recessivi X-linked in femmine eterozigoti. Nel caso in cui si decida quale cromosoma inattivare, vediamo le eccezioni ai postulati di Lyon:

• Inattivazione preferenziale del cromosoma X con un’anomalia strutturale (come la delezione): mantiene attivo un cromosoma completo, dotato di tutti i geni.
• Inattivazione preferenziale del cromosoma X normale in individui con traslocazioni X/autosoma: la traslocazione consiste nel processo di scambio reciproco di materiale cromosomico tra due cromosomi non omologhi. Questo dà come risultante due cromosomi ibridi, la cellula tende a mantenere attivo l’X difettoso traslocato. La cellula sceglie il difetto meno grave.

Il cromosoma Y umano

Differenzia il sesso maschile e permette la produzione di spermatozoi. Il gene più importante, senza il quale non ci sarebbe la differenziazione maschile, è SRY, il quale produce il fattore TDF (le gonadi femminili vengono trasformate in testicoli maschili). Le malattie legate all’Y sono minori rispetto a quelle legate all’X e sono legate soprattutto al fattore del differenziamento.

Estensione dell’analisi mendeliana

Le leggi di Mendel non permettono l’analisi ulteriore al fenotipo, e non sono quindi complete.

Interazione tra alleli

In ogni gene possiamo trovare diverse forme alternative, Mendel studiava solo due casistiche possibili (allele dominante o recessivo). Esistono però altri due tipi di interazioni tra alleli: dominanza incompleta e codominanza.

Nel caso della dominanza incompleta, l’allele dominante non riesce a coprire interamente il recessivo (si nota leggermente nel fenotipo). Nel caso della codominanza, entrambi gli alleli si manifestano senza che alcuno copra l’altro.

Dominanza completa: se si è omozigoti dominanti si riesce ad esempio a arrotolare la lingua, mentre se si è recessivi non si può. La quantità di prodotto anche di un solo allele è sufficiente a dare il fenotipo, non è importante la quantità di prodotto genico (se c’è dominante se non c’è recessivo).

Dominanza incompleta: fiore o Codominanza: entrambi gli alleli si manifestano fenotipicamente. Nel caso del gruppo sanguigno MN: se abbiamo solo alleli N avremo solo antigene N sul globulo rosso e saremo di gruppo sanguigno N (stessa cosa vale per M). Sul globulo rosso vedo sia gli antigeni M che N perché i due sono ugualmente forti senza coprirsi (gruppo MN).

Se siamo gruppo M siamo omozigoti, se siamo N siamo NN, se siamo eterozigoti MN.

Allelismo multiplo

Es. genetica di alcuni gruppi sanguigni, MN, ABO, RH: i geni non hanno solo due alleli, la maggior parte ne ha tantissimi. Quando ho tanti alleli diversi non si parla solo di dominante e recessivo, vediamo gli alleli multipli: parlo di allele selvatico o wild type o normale; tutti gli altri alleli saranno derivanti da mutazioni.