Appunti di Genetica

Introduzione alla genetica

Storicamente la genetica è quella disciplina che si occupa dello studio dell’ereditarietà dei caratteri, oggi però un genetista si occupa anche dello studio della natura del materiale genetico, del funzionamento dei geni, dell’ereditarietà e della manipolazione della funzione dei geni, tramite la modifica del DNA.

Dal punto di vista temporale si individuano diversi sviluppi della genetica:

• Dal 1900 al 1950 → genetica classica
• 1950-1970 → genetica molecolare
• 1970-oggi → biotecnologia
• 1980-oggi → genomica

Parlando di geni, le uniche sorgenti di variabilità genetica sono le mutazioni. Esistono poi anche la ricombinazione e la selezione, ma la prima si occupa di mescolare i geni (crossing over) e la seconda di favorire le combinazioni di geni che garantiscano una fitness più elevata.

Nelle cellule procariote le porzioni di geni codificanti sono lineari, in quelle eucariote le porzioni sono discontinue. Alcune parti vengono trascritte e tradotte e prendono il nome di esoni, altre sono invece trascritte ma non tradotte e prendono il nome di introni.

In tutto il genoma umano, le uniche porzioni codificanti costituiscono circa l’1,5%. Il resto veniva considerato e chiamato DNA spazzatura, anche se oggi sappiamo che è fondamentale per il controllo dell’espressione dei geni.

Nella cellula eucariota il materiale genetico è conservato all’interno del nucleo dove avviene la replicazione del DNA, la formazione dell’RNA che una volta maturo viene trasportato nel citoplasma dove viene tradotto.

Modelli sperimentali biologici

Per comprendere i meccanismi che stanno alla base dei processi genetici è necessario scegliere dei modelli sperimentali biologici adeguati, ovvero che abbiano determinate caratteristiche.

In particolare, il primo genetista della storia, Mendel, scelse il pisum sativum, ovvero il pisello odoroso perché, al contrario di molti vegetali, si riproduceva almeno 2 o 3 volte l’anno; la progenie era molto numerosa; poteva autofecondarsi (cosa praticamente impossibile negli animali) che rendeva possibile creare delle linee pure, ovvero omozigoti per un determinato carattere; facilmente reperibile; poco costoso e facilmente allevabile.

Dopo gli esperimenti di Mendel si abbandona il pisum sativum e si passa a:

• Drosophila → la quale ha una durata di ciclo vitale molto breve, facile da allevare (in barattoli), altissima prolificità, ha permesso lo studio della teoria cromosomica dell’ereditarietà.
• Escherichia coli → è un procariote (unico cromosoma e scissione binaria), ciclo vitale di 20 minuti, non è patogeno, permette di studiare la frequenza di mutazioni.
• Saccharomyces cerevisiae → è un eucariote unicellulare, ha una durata del ciclo vitale breve, ha gli stessi cromosomi degli eucarioti superiori.
• Caenorhabditis elegans → nematode di dimensioni di qualche millimetro. È un organismo eutelico, con cellule fisse.
• Mus musculus → modello sperimentale per gli studi che hanno come bersaglio un’applicabilità a livello umano. Ciclo vitale di circa 10 settimane.

Requisiti per essere un modello sperimentale:

1. Breve tempo di generazione
2. Prolificità
3. Variabilità genetica facilmente osservabile
4. Relativa complessità del genoma
5. Facilità di allevamento (spazio e costi)

Mendelismo

Mendel è considerato il primo genetista della storia, ma sicuramente non è stato il primo a fare esperimenti ed incroci. Anche nell’antichità gli uomini avevano incrociato varie specie agrarie per migliorarne la qualità e la quantità.

Mendel era un monaco e non essendo uno scienziato, i suoi esperimenti vennero disconosciuti per circa 40 anni.

Prima delle sue teorie, tutti gli esperimenti fatti erano riconducibili alla teoria dell’ereditarietà per mescolamento, la quale non è sbagliata.

Le teorie di Mendel si adattano a tutti quei caratteri che sono monogenici, ovvero controllati da un singolo gene, mentre i caratteri poligenici (come il colore della pelle) rispondono alla teoria dell’ereditarietà per mescolamento.

Questa credenza si basava sul fatto che, prima dello studio scientifico di Mendel, i caratteri sottoposti ad analisi erano importanti dal punto di vista agroalimentare e quindi tutti poligenici.

Mendel ha diversi meriti tra cui quello di un piano sperimentale ben organizzato, della precisione nella raccolta dei dati e nella buona elaborazione statistica dei dati ottenuti.

Per verificare la validità dei suoi incroci (anche operati tramite una impollinazione fatta artificialmente), Mendel si occupò di descrivere 7 caratteri: colore e forma del seme, altezza della pianta, forma e colore del baccello, rivestimento del seme.

Mendel incrocia un pisello liscio con uno rugoso, tutti e due provenienti da linee pure, e secondo le regole della teoria dell’ereditarietà per mescolamento si sarebbe dovuto aspettare una forma intermedia, in realtà tutti i semi nella generazione filiale F1 sono lisci.

Successivamente incrocia manualmente due piante sorelle della generazione F1 e nota nell’F2 la ricomparsa dell’alto fenotipo con un rapporto di circa 3:1. Il fenotipo presente nella F1 prende il nome di dominante, l’altro di fenotipo recessivo.

Prima legge di Mendel o legge della dominanza

Prima legge di Mendel o legge della dominanza: incrociando due linee pure che differiscono solo per il fenotipo di un carattere si ottiene una progenie che mostra soltanto uno dei due fenotipi parentali, quello dominante. Il fenotipo dominante nasconde quello recessivo in caso di eterozigosi.

Conclusioni di Mendel:

1. Fattori unitari in coppie: i caratteri genici sono controllati da fattori ereditati in coppie (alleli) nei singoli organismi.
2. Dominanza/Recessività: dati due alleli o fattori responsabili della stessa caratteristica, uno dei due è dominante e si manifesta e l’altro recessivo e rimane nascosto.
3. Segregazione: durante la formazione dei gameti i fattori presenti in coppie si separano, così ognuno dei due gameti riceve l’uno o l’altro fattore con la stessa probabilità.

Mendel non aveva idea dell’esistenza della meiosi o dei gameti.

Associato ad un fenotipo dominante ci sono due genotipi = eterozigote e omozigote dominante. Associato al fenotipo recessivo solo il genotipo omozigote recessivo.

È possibile studiare le probabilità con cui si presenta un determinato fenotipo grazie al quadrato di Punnet.

Spiegazione di termini genetici

Cromosomi omologhi: sequenze di DNA che negli organismi eucarioti contengono i geni (i procarioti ne hanno solo 1 e sono detti apolidi). Gli eucarioti sono detti diploidi ovvero originati da due gameti aploidi che si uniscono per formare un organismo diploide. I cromosomi omologhi hanno le stesse sequenze di DNA, gli stessi geni ma non gli stessi alleli; per questo possiamo definirli simili ma non identici.

Geni: porzione di DNA situata su un cromosoma in una posizione ben precisa detta locus genico.

Alleli: una o più forme alternative di un gene formate da sequenze nucleotidiche precise che occupano una determinata posizione. Una sequenza codifica per un fenotipo.

Un gene controlla un carattere, un allele le variazioni possibili per quel carattere.

Cercando di aumentare il livello di omozigosi e preferire quelle sequenze geniche che garantiscono una fitness maggiore riduce la biodiversità e soprattutto è una strategia suicida perché in caso di cambiamenti per esempio climatici le fitness minori potrebbero tornare utili.

Legge della dominanza incompleta

È una possibile eccezione della legge della dominanza. In questo caso non abbiamo un allele dominante sull’altro. L’esempio più comune è quello del fiore di mirabilis rosso e del fiore bianco che danno vita ad un fiore rosa.

In questo caso è più facile verificare la condizione di eterozigosi.

Codominanza

Un’altra eccezione è costituita dalla legge della codominanza, ovvero non esistono un carattere dominante e uno recessivo, ma i due sono presenti insieme. Il caso più conosciuto è quello dei gruppi sanguigni umani A, B, AB, 0. Nel gruppo 0 la sequenza non permette di codificare l’antigene che si colloca sopra il globulo rosso. Nel caso in cui venga codificato un antigene si avrà il gruppo A o il gruppo B. Se invece gli individui eterozigoti codificano sia l’antigene A che il B allora sono codominanti.

Terminologia genetica:

• Allele selvatico: è il più frequente ed è limitato ad un certo tipo di ambiente o condizione.
• Genotipo: somma totale dell’informazione genetica contenuta in un organismo.
• Fenotipo: caratteristiche osservabili derivate dall’interazione tra genotipo e ambiente esterno.
• Eterozigote: alleli diversi per un determinato locus genetico.
• Omozigote: stessi alleli per un determinato locus genetico.
• Poliallelia: Si parla di poliallelia in relazione ad un gruppo di individui, una popolazione. Maggiori sono gli alleli, maggiore è la variabilità genetica.

Secondo esperimento di Mendel

In questo caso prende in considerazione due caratteri contemporaneamente.

Partendo sempre dalle linee pure, quindi in omozigosi. Incrociando un omozigote dominante e uno recessivo otteneva nella generazione F1 soltanto la presenza del fenotipo dominante.

Nella F2 invece ottenne dei nuovi rapporti di segregazione (9:3:3:1), in cui erano presenti anche dei caratteri intermedi (esempio seme giallo e rugoso, seme verde e liscio).

Da qui deriva la seconda legge di Mendel che è quella dell’assortimento indipendente: caratteri diversi vengono ereditati in maniera indipendente nella formazione dei gameti.

La legge dell’indipendenza dei caratteri oggi è stata rivista perché i genetisti moderni ritengono che due caratteri, posti su cromosomi diversi vengono ereditati in maniera indipendente, a meno che non intervenga il crossing over.

La legge dell’assortimento indipendente è legata alla legge della probabilità di due eventi.

Gli esperimenti di Mendel stabilirono alcuni principi di base:

• Alcuni alleli sono dominanti, altri recessivi.
• Geni diversi assortiscono in maniera indipendente.
• Durante la formazione dei gameti, alleli differenti segregano uno rispetto all’altro.

Test statistico che ci permette per effettuare la validazione delle leggi di Mendel è quello del Chi Quadro.

Per effettuare il test dobbiamo avere un dato teorico che corrisponde all’applicazione di Mendel (rapporti attesi, per esempio 3:1 per un carattere alla volta - 9:3:3:1 per due caratteri).

Li inseriamo in una formula:

Chi quadro = sommatoria (dati osservati-dati attesi)^2 fratto i dati attesi.

Vanno poi inseriti nella tabella della probabilità del Chi-Quadro. Nelle colonne sono presenti i gradi di libertà che si calcolano prendendo il numero di dati a disposizione -1. Se sono a sinistra della linea rossa allora le differenze tra dati attesi e osservati sono poco significative e quindi date dal caso. A destra della linea troviamo un risultato non valido.

Alberi genealogici

Gli alberi genealogici sono delle modalità di studio della presenza di una mutazione di alleli all’interno di una famiglia e ci permette di fare previsioni sull’ereditarietà degli alleli e come possano arrivare allo stato di omozigosi.

Esistono dei simboli convenzionali per indicarli: donna cerchio, maschio quadrato, unione con una linea.

In caso di presenza di gemelli bisogna distinguere in: gemelli dizigotici, hanno patrimoni genetici diversi e condividono soltanto il padre e la madre. Gemelli monozigotici, sono i gemelli veri e propri.

Per costruire un albero il genetista deve tenere in considerazione che:

• L’allele è dominante o recessivo.
• La mutazione riguarda caratteri autosomici o legati al sesso.

Solitamente se un allele mutato è recessivo non è presente in tutte le generazioni.

Gli alleli mutati dominanti sono letali e tendono a scomparire per opera della selezione naturale. Un’eccezione è quella della corea di Huntington, che si manifesta in età avanzata e dopo il periodo riproduttivo dell’individuo. Non esiste al momento una cura efficace per questa malattia.

Interazioni geniche

Si parla di interazioni geniche tutte le volte che un determinato fenotipo non è controllato da un singolo gene, ma da più geni. Quindi i geni interagiscono tra di loro nella manifestazione di un determinato carattere.

Si può ipotizzare che il carattere che stiamo osservando non è determinato da un solo gene, ma dall’interazione di vari geni quando abbiamo una deviazione rispetto al rapporto di segregazione 9:3:3:1. Possono riguardare due geni che hanno influenza paritaria sul fenotipo, oppure due geni in cui esiste un allele dominante che influenza l’altro: si parla di epistasi. Esiste quindi una sorta di gene che subisce e uno che domina. I geni epistatici mascherano l’espressione di quelli ipostatici.

Esempio: forma della cresta del pollo. Ha almeno quattro diverse forme: frastagliata, a fagiolo, singola, a noce. Si parte da linee pure, ovvero in una situazione di omozigosi.

Incrocio tra una cresta a fagiolo e una frastagliata mi dà una cresta a noce. Incrociando gli individui della F1 otteniamo rapporti di segregazione 9:3:3:1 ma con rapporti diversi, tanto che nasce anche un fenotipo nuovo.

Esempio:

Nel caso dell’epistasi abbiamo un’interazione genica, ma prevede la prevalenza sul fenotipo dell’attività di un gene sull’altro. Il gene prevalente è epistatico, l’altro ipostatico. Nel fenotipo colore del topo sono coinvolti due geni, uno che determina la presenza o assenza di colore, il secondo che determina il tipo di colore. Il gene epistatico è quello della presenza del colore, quello che determina il tipo di colore è ipostatico.

Nella F1 abbiamo la manifestazione di un colore marroncino che dipende dal fatto che una setola è nera con bande gialle, colore aguti.

Un aguti incrociato con un altro aguti danno vita a 9 aguti, 3 neri e 4 bianchi. Abbiamo quindi una alterazione del rapporto di segregazione.

L’alterazione è spiegata dal fatto che tutte le volte che nel genoma del nostro roditore sono presenti due geni coinvolti abbiamo il colore aguti. Altrimenti possiamo avere un colore nero quando il gene che determina assenza o presenza di colore è dominante, otteniamo il bianco quando il gene che determina assenza o presenza di colore è recessivo.

Come si spiega l’epistasi?

Il fenotipo finale colore è determinato dalla presenza di un substrato che per alterare un colore deve subire delle modifiche dovute all’attività di due proteine diverse sintetizzate da geni diversi. Se il prodotto finale dipende dall’attività di due geni, se il primo è omozigote recessivo e non funziona il risultato finale sarà controllato dall’attività del secondo gene. Si blocca la modificazione degli alleli solo nel momento in cui il gene epistatico è omozigote recessivo.

Un altro rapporto di segregazione strano si è notato una serie di incroci nei topi che riguarda il carattere colore del pelo. L’osservazione interessante è stata ottenuta quando si sono incrociati tra loro topolini di colore giallo eterozigoti. Il 25% di omozigote con colore giallo moriva in fase di sviluppo. Tutti i topi con pelo giallo vivi sono in realtà eterozigoti, si è visto che si poteva generare un embrione con il colore giallo omozigote ma abortivano. Si è dimostrata così la presenza di alleli letali. Probabilmente legato al colore giallo c’è un gene che allo stadio omozigote risulta letale. Gli alleli letali possono essere presenti anche in altri animali. Uno per esempio è quello del gatto Manx, ovvero il gatto senza coda. I gatti senza coda devono essere per forza eterozigoti altrimenti è letale in omozigosi.

La maggior parte degli alleli letali sono presenti allo stato recessivo, perché al dominante portano alla morte solo dopo la prima generazione filiale.

Penetranza ed espressività

I caratteri mendeliani sono caratteri con rapporto diretto tra sequenza del gene e fenotipo corrispondente. Sono quindi a penetranza ed espressività completa.

Penetranza: regola la relazione tra la presenza di un genotipo e il suo fenotipo. Non basta che ci sia un gene in un determinato genoma, ma deve essere messo nelle condizioni di essere espresso, ovvero trascritto e tradotto. Per penetranza completa intendiamo che di fronte al genotipo, ci attendiamo il corrispondente fenotipo. Segue la regola del tutto o nulla: vediamo o no il carattere corrispondente.

Quando si parla di espressività ci troviamo in una situazione un po’ più complessa. Un gene ha un'espressività variabile nel momento in cui ha una manifestazione fenotipica che non raggiunge il 100%. L’espressività è quindi sempre variabile.

I caratteri possono avere rapporto tra genotipo e fenotipo non sempre così semplici come ci si potrebbe aspettare. Si possono spiegare con delle alterazioni dei meccanismi che hanno a che fare con il controllo dell’espressione dei geni.

Esempio:

Polidattilia: carattere a penetranza incompleta ed espressività variabile. Si possono avere sei dita (penetranza) oppure un microscopico sviluppo di una sesta falange (espressività), che sfugge a qualunque tipo di analisi.

La causa di queste penetranze ed espressività sono problemi inerenti il controllo dell’espressione del gene.

Esempio: Un altro fenotipo condizionato da questi fenomeni è quello della distribuzione delle macchie di colore nel pelo degli animali. È sottoposto a una serie di funzioni che non sono date da un rigido controllo dell’espressione.

Spesso anche l’ambiente esterno influenza il colore del pelo.

Pleiotropia: intendiamo un fenomeno in cui un singolo gene controlla fenotipi diversi. Esempio nei gatti siamesi in cui un g