Appunti di genetica

La genetica

La genetica è la scienza che studia i geni e i caratteri ereditari, i meccanismi dell'ereditarietà, la generazione e il mantenimento della variabilità genetica nelle popolazioni. Il gene è l'unità di informazione genetica che controlla la sintesi di un polipeptide o di una molecola di RNA. Tuttavia, vi sono diverse definizioni:

• Definizione strutturale: il gene viene definito come una struttura fisica specifica, una sequenza nucleotidica con particolari caratteristiche;
• Definizione strutturale: il gene viene definito in base alle caratteristiche del prodotto finale: un carattere, un enzima, un polipeptide o un trascritto (quest’ultimo è il più generico);
• Definizione genetica: il gene viene definito funzionalmente in base all’effetto di specifiche coppie di mutazione sul fenotipo mutante: unità di complementazione.

Carattere fenotipico

Il carattere fenotipico è la caratteristica distinguibile, misurabile o quantificabile secondo uno o più parametri e si definiscono:

• Carattere monomorfico (es. numero di braccia): assenza di variazioni in un gruppo di individui;
• Carattere dimorfico o polimorfico (es. colore degli occhi): presenza di due o più varianti in un gruppo di individui. I caratteri dimorfici dipendono anche dall'influenza dell'ambiente.

Ereditarietà mendeliana

L'ereditarietà mendeliana o i caratteri mendeliani indicano che questi caratteri vengono trasmessi alla progenie secondo i principi mendeliani: Mendel ha definito delle caratteristiche molto importanti che ancora oggi sono considerate; un carattere mendeliano è un carattere definito da un gene o da più geni. In genere, tutti i geni vengono ereditati in modo mendeliano.

Scoperte di Mendel

Mendel stabilì che esistevano unità di eredità (fattori unitari) che noi ora chiamiamo geni: all’epoca il termine “gene” ancora non era stato coniato e quindi egli li chiamava fattori. Mendel predisse il comportamento di questi fattori durante la meiosi (alla fine di essa si ha la formazione dei gameti) e formulò dei postulati che ancora oggi rappresentano la pietra miliare della genetica formale.

Mendel ha avuto delle intuizioni molto importanti. Egli utilizzò la pianta di pisello come organismo sperimentale dal momento in cui è auto impollinante, facile da incrociare, ha un rapido tempo di generazione, è facile da crescere e anche da maneggiare. Oggi vengono utilizzati anche altri organismi di modello, come: i topi, alcuni lieviti, eccetera. L’organismo modello è quello che mi permette di studiare determinati fattori in organismi più semplici.

Esperimenti con caratteri alternativi

Mendel scelse dei caratteri che avessero due sole forme alternative. Un carattere è una caratteristica fenotipica di un organismo che può presentare più forme alternative (polimorfi). Egli utilizzò sette caratteri, i quali, in effetti, corrispondono ai sette cromosomi della pianta di pisello, con solo due forme alternative:

• Colore del seme (verde e giallo)
• Colore del baccello (giallo e verde)
• Tipo di baccello (semplice o concamerato)
• Posizione del fiore (laterale o apicale)
• Colore del fiore (colorato e bianco)
• Altezza della pianta (alta o bassa)
• Tipo di seme (liscio e rugoso)

Per ogni forma alternativa dei caratteri, Mendel creò una linea pura, dunque in totale 14 linee pure. Cos’è una linea pura? Mendel analizzò un carattere alla volta. Un’altra cosa importante che fece fu quella di analizzare in modo quantitativo i risultati che otteneva da un incrocio: quindi Mendel, ad esempio, contava quanti semi gialli e quanti semi verdi venivano a formarsi da un incrocio.

Esempio di incrocio

Esempio: egli prese una pianta linea pura per semi verdi e una pianta linea pura semi gialli, li incrociava e andava ad analizzare il risultato: nonostante incrociasse due piante con due forme alternative, otteneva piante tutte uguali, in questo caso, semi gialli. Questo risultato lo otteneva anche incrociando altre forme alternative di altri caratteri. Dunque, non si otteneva da quest’incrocio una progenie fatta da una miscela dei due genitori ma si presentava solo una delle due forme. Successivamente egli prese due semi risultati dal primo incrocio, quindi non sono linee pure, e li fece incrociare in un secondo incrocio: la progenie di questo incrocio non dava solo semi gialli ma ritornava il seme verde.

Generazioni e caratteri dominanti e recessivi

Quindi Mendel indicò generazione parentale la prima generazione, prima generazione filiale per la seconda generazione e seconda generazione filiale per la terza generazione. Egli notò che questo comportamento era presente in tutti i caratteri, definendo:

• Carattere dominante il carattere che si manifestava nella F1
• Recessivo il carattere che non si manifestava nelle F1 ma che tornava nella F2

Anche numericamente la forma dominante era di più della forma recessiva. Questo rapporto numerico, Mendel lo osservò per tutti gli incroci.

Ipotesi di Mendel

Mendel ipotizzò che:

• Ogni carattere doveva essere controllato da una coppia di fattori, che oggi noi chiamiamo alleli;
• Ogni individuo, per ciascun carattere, possiede due fattori uguali (omozigote) o due fattori differenti (eterozigoti);
• Uno dei due fattori è sempre visibile fenotipicamente (dominante), l’altro se è presente insieme al primo non è visibile fenotipicamente (recessivo);
• Durante la formazione dei gameti i due fattori segregano, ovvero si separano, così ciascun gamete riceve l’uno o l’altro con uguale probabilità (ciò avviene durante la meiosi);
• Questi gameti nel momento in cui avviene la fecondazione si incrociano in modo casuale e quindi i gameti con un determinato fattore (allele) hanno uguale probabilità di unirsi con gameti contenenti il medesimo fattore (omozigote dominante o recessivo) o il fattore alternativo (eterozigote).

Per il principio della dominanza, negli eterozigoti si manifesta il fenotipo dominante. Ipotesi di Mendel: ogni carattere è determinato da due fattori che oggi chiamiamo alleli. Dalla prima generazione Mendel ipotizzò che il seme verde era una linea pura con allele recessivo e il seme giallo era una linea pura con allele dominante: in F1 il genotipo sarà Gg ma si presenta solo il carattere dominante; in F2 compare il carattere recessivo per il 25%. Ma come viene spiegato questo rapporto 3:1?

Quando prendiamo due individui della F1, entrambi eterozigoti, essi producono gameti, i quali segregano e vanno uno in un gamete e uno in un altro gamete; entrambi i gameti producono gameti in cui saranno presenti o fattori g o fattori G in proporzioni uguali. Nel momento in cui i gameti si accoppiano, essi si accoppiano in maniera casuale, ottenendo così: un omozigote recessivo, due eterozigoti e un omozigote dominante. Quindi il rapporto fenotipico sarà 3:1. Tuttavia, dei tre semi gialli, solo uno era una linea pura e gli altri due invece erano eterozigoti (rapporto genotipico 1:2:1). Egli dimostrò ciò con l’autofecondazione, ottenendo così sempre il rapporto 3:1.

Principio della segregazione

Tutto ciò prende il nome di principio della segregazione o prima legge di Mendel: I fattori mendeliani, dunque, hanno lo stesso tipo di comportamento dei cromosomi attuali. In ogni cellula i cromosomi si presentano in coppia. Ogni coppia di cromosomi è costituita da due cromosomi omologhi. Ogni cromosoma è formato da due cromatidi tenuti insieme da un centromero: questa condizione si viene a formare solo nel momento in cui il DNA viene replicato, ovvero in Metafase della mitosi, nel momento poco prima della divisione del centromero (è proprio in questo momento che si fanno i cariotipi). Due cromatidi, quindi, noi li osserviamo in metafase, nella prima fase della mitosi, in fase G2 e verso la fine della fase S. In fase G1 i cromosomi sono tutti a un cromatide (doppia elica di DNA) e durante la fase S ogni cromatide viene duplicato.

Meiosi e cromosomi

In meiosi invece: alla prima divisione meiotica i due cromosomi omologhi si separano e alla seconda divisione meiotica invece si separano i due cromatidi in modo da ottenere dei gameti con un cromatide per ognuno delle quattro cellule che si ottengono. Ogni gene ha due alleli uguali o diversi localizzati nei cromosomi omologhi (A= allele dominante; a= allele recessivo). Possiamo avere delle coppie di cromosomi omologhi dove vi sono entrambi gli alleli dominanti, entrambi recessivi o uno dominante e l’altro recessivo.

Locus e allele

Il locus si trova in una posizione fisica del cromosoma ed è la posizione precisa che occupa un gene lungo il cromosoma. L’allele è una delle varianti con cui si può manifestare un gene. Variante genica, in senso generico, è una qualunque variazione rispetto alla sequenza standard (dunque l’allele presenta una sequenza nucleotidica differente da quella standard). In genere, gli alleli a bassa frequenza nella popolazione sono quegli alleli che danno delle caratteristiche deleterie all’organismo. Ci sono altri alleli che non danno né vantaggi né svantaggi, come i gruppi sanguigni.

Quadrato di Punnett

Il quadrato di Punnett è un sistema che ci permette di capire come si ottengono i risultati di un incrocio da un punto di vista numerico e di stimare i possibili genotipi che si possono ottenere. Come faccio a capire se un fenotipo dominante ha genotipo omozigote dominante o eterozigote? Si fa il cosiddetto incrocio di prova o reincrocio, ovvero prendo, ad esempio, la pianta che voglio studiare con fenotipo dominante e la incrocio con quella con fenotipo recessivo (l’incrocio con l’omozigote recessivo consente l’identificazione del genotipo relativo al fenotipo dominante) e in base al risultato che ottengo posso capire se la pianta di cui non conoscevo il genotipo sia omozigote o eterozigote:

• Se ottengo un solo fenotipo, ovvero quello dominante, vuol dire che la pianta è omozigote dominante;
• Se ottengo due fenotipi, ovvero dominante e recessivo, vuol dire che la pianta è eterozigote.

Quindi l’incrocio di prova è usato per determinare il genotipo di individui che mostrano il fenotipo dominante (omozigoti o eterozigoti) e l’individuo viene incrociato con un omozigote recessivo (fenotipo recessivo):

• Se l’individuo è omozigote dominante, tutta la progenie mostrerà il fenotipo dominante;
• Se l’individuo è eterozigote, metà progenie esibirà il fenotipo dominante e l’altra metà mostrerà il fenotipo recessivo.

Assortimento indipendente dei caratteri

Cosa succede se invece di analizzare un solo carattere, se ne analizzano due contemporaneamente? Mendel ha preso una pianta con due forme alternative dominanti (seme giallo e liscio) e l’ha incrociata con una pianta con due forme alternative recessive (seme verde e rugoso). Alla F1 otteneva piantetutte uguali con fenotipo dominante per entrambi i caratteri (semi gialli e lisci). A questo punto incrociava le piante risultanti dalle F1 tra di loro: nella F2 ricomparivano i fenotipi recessivi, ma in maniera particolare, ovvero si ottenevano piante con quattro diverse combinazioni di carattere (giallo, liscio; verde, liscio; giallo, rugoso; verde, rugoso).

Dunque, otteneva due gruppi di piante uguali alle piante della generazione parentale e gli altri gruppi di piante erano caratterizzati dal riassortimento dei due caratteri: un gruppo presentava il dominante di un carattere e il recessivo dell’altro e l’altro gruppo era il reciproco. Mendel, per di più, ha contato i risultati e si è accorto che essi stavano in un rapporto fenotipico di 9:3:3:1. Se analizziamo i singoli risulti per caratteri, abbiamo: 12 semi gialli e 4 semi verdi (rapporto 3:1) e 12 semi lisci e 4 semi rugosi (rapporto 3:1) e dunque il rapporto fondamentalmente non è cambiato.

Questo rapporto 9:3:3:1 lo osserviamo solo nel caso in cui avviene un incrocio tra due eterozigoti doppi. Nel caso in cui si ha un incrocio tra un doppio eterozigote e un omozigote recessivo doppio (sarebbe un reincrocio), oppure un incrocio tra due doppi omozigoti recessivi, la proporzione dei risultati cambia:

• Rapporto 1:1:1:1

Il sistema ramificato consiste nell’analizzare uno per volta i geni che vengono presi in esame: Abbiamo un doppio eterozigote che viene incrociato con un altro doppio eterozigote e, anziché costruire un pannello, si analizzano uno alla volta. Partiamo dalla forma del seme: per il primo principio mendeliano, dall’incrocio tra eterozigoti per un solo gene otteniamo ¾ individui con fenotipo dominante (forma liscia) e ¼ con fenotipo recessivo (forma rugosa). Poi si passa al secondo carattere, in questo caso il colore del seme: anche in questo caso ci aspettiamo ¾ fenotipo dominante (giallo) e ¼ fenotipo recessivo (verde) per ogni pianta S- e ss. Dunque, alla fine, avrò: 9/16 di probabilità che abbia S-/Y- (perché ¾ * ¾ ); 3/16 di probabilità che abbia S-/yy (perché ¾ * ¼ ); 3/16 di probabilità che abbia ss/Y- (perché ¾ * ¼ ); 1/16 di probabilità che abbia ss/yy (perché ¼ * ¼ ). In questo modo posso calcolare le probabilità anche nei casi in cui si abbiano più di due geni: nIl numero dei diversi gameti possibili è uguale a 2ⁿ dove n=numero di geni in eterozigosi (trovo anche il numero di fenotipi; 3 invece mi indica il numero di genotipi).

I caratteri che Mendel ha utilizzato sono caratteri che hanno rapporti di dominanza completa, ovvero un carattere completamente dominante sull’altro. Tuttavia, ci possono essere degli alleli che non hanno dominanza completa e dunque si parlerà di: dominanza incompleta, codominanza e alleli letali.

Tipi di dominanza

Nel caso della dominanza completa l’eterozigote ha lo stesso fenotipo dell’omozigote dominante. Si ha quando nessuno dei due alleli di un determinato gene prevale sull’altro. L’eterozigote presenta un fenotipo intermedio tra quello dominante e quello recessivo. Quindi due alleli determinano tre fenotipi. Un esempio lo troviamo nei fiori rosa di alcune piante (come le bocche di leone). Nella F2 il rapporto fenotipico sarà di 1:2:1. Come mi accorgo di avere una dominanza incompleta? Se io effettuo un incrocio tra due piante con fiori rosa ottengo fiori rossi, bianchi e rosa in un rapporto 1:2:1 (quindi rispetto a prima cambia il rapporto fenotipico ma non genotipico). Se incrociamo due omozigoti, nella prima generazione (F1) si otterranno tutti individui eterozigoti che presentano un carattere intermedio rispetto a quello dei genitori.

Quando vi è dominanza completa di solito è perché l’allele dominante codifica per un enzima attivo, mentre l’allele recessivo codifica per un enzima inattivo. Nel caso di dominanza incompleta invece la cellula produce un pigmento se entrambi gli alleli codificano per un enzima funzionante di quanto non faccia se un solo allele produce enzima attivo (è il caso del pigmento rosso della bocca di leone). Un altro esempio lo possiamo trovare anche nei polli che hanno un piumaggio nero, bianco e grigio.

Dal punto di vista del risultato è simile alla dominanza incompleta, dal momento in cui l’eterozigote è diverso rispetto all’omozigote dominante e all’omozigote recessivo. Quando si incrociano due eterozigoti allora avremo un rapporto fenotipico 1:2:1. Però, a differenza della dominanza incompleta, nella codominanza si ha la presenza in contemporanea dei due alleli (Aa). Un esempio di codominanza è quello del sistema MN dei gruppi sanguigni. Il sistema MN possiede due antigeni riconosciuti dagli anticorpi: dunque nelle cellule del sangue, sulla superficie cellulare, noi possiamo trovare delle proteine particolari. L’allele M produce delle proteine riconosciute da determinate anticorpi e l’allele N produce altre proteine riconosciute da altri anticorpi: i due alleli M ed N codificano ognuno per una proteina. Pertanto, l’eterozigote MN andrà a produrre entrambi i tipi di proteine.

In questo caso non si parlerà di omozigoti dominanti o recessivi ma si parlerà di omozigoti per N e omozigoti per M. La codominanza la troviamo anche nel sistema AB0 dei gruppi sanguigni, nel quale troviamo tre alleli: un allele I^A che consente la formazione di un antigene che è riconosciuto da anticorpi anti B; l’allele I^B è responsabile della formazione di un antigene riconosciuto dall’anticorpo anti B; l’allele i, chiamato anche I⁰, è responsabile della formazione del gruppo 0 dei gruppi sanguigni e determina la formazione dell’antigene H che non è riconosciuto né dall’anticorpo anti A né dall’anticorpo anti B. Il primo ragionamento applicativo è dato dalla possibilità delle trasfusioni con gruppi sanguigni compatibili: ciò dipende dal sistema AB0 in particolare.

Nel siero troviamo gli anticorpi diretti contro l’antigene A, B oppure entrambi in base al gruppo sanguigno: quando si prende il siero di un determinato individuo e si mette in contatto con una goccia di sangue di un altro individuo si possono verificare due diverse condizioni, ovvero: il contatto della goccia di sangue non comporta nulla oppure si può andare incontro ad agglutinazione (il sangue andrà a formare dei grumi). Questo fondamentalmente dipende dalla presenza nel siero di anticorpi che riconoscono l’antigene presente nella goccia di sangue.