Appunti sulla genetica

Genetica

La genetica è la scienza che studia i processi alla base di tutti i fenomeni biologici: i processi vitali, a partire dalla struttura e dalla funzione cellulare sino alla riproduzione degli organismi, sono condizionati dall’attività dei geni. Storicamente, dell’ereditarietà dei caratteri; il campo genetico comprende lo studio della scoperta del DNA, del funzionamento dei geni e della manipolazione del genoma. Avviene all’interno del meccanismo di replicazione del DNA (che l’RNA messaggero una volta nucleo), la trascrizione da DNA a RNA messaggero, subita la maturazione viene trasportato all’interno del citoplasma dove avviene infine la traduzione. Tutte le informazioni ad oggi disponibili sono state ottenute grazie alla possibilità di studiare i modelli biologici, cioè organismi scelti per particolari qualità.

Mendelismo

Il primo modello biologico scelto da Mendel fu il Pisum sativum: ebbe competenze in ambito vegetale, quindi, trovò più comodo scegliere un organismo vegetale, sia perché il Pisum sativum ha un tempo di generazione relativamente breve quindi si potevano fare due generazioni in un anno. Una caratteristica molto importante dei vegetali è la possibilità di autofecondarsi, inoltre è facilmente reperibile e poco costoso. Si è spostato poi sul Drosophila melanogaster (moscerino della frutta), che, come vantaggi, ha la durata del ciclo vitale di 12-15 giorni e una grande facilità di allevamento. Passiamo poi ai procarioti, con l’Escherichia coli (batterio). I procarioti sono organismi con un cromosoma unico e circolare, che si riproducono per scissione, molto funzionali perché hanno un ciclo vitale di 20 minuti. Vennero anche i Saccharomyces cerevisiae: lieviti che hanno un tempo di generazione di 90 minuti. Hanno cromosoma eucariote che permette di analizzare anche altri organismi eucarioti. Per gli studi che devono avere un’applicabilità a livello umano, si utilizza il Mus musculus (topo), che condivide il 90% delle sequenze del DNA con l’uomo, con un ciclo vitale di 10 settimane.

Requisiti generali per un modello biologico

• Breve tempo di generazione;
• Prolificità elevata;
• Variabilità genetica facilmente osservabile;
• Relativa complessità del genoma;
• Facilità di allevamento (spazio ridotto, bassi costi).

Vocabolario

• Carattere monogenico: carattere controllato dalla presenza ed espressione di un singolo gene;
• Carattere poligenico: carattere controllato da una serie di geni diversi;
• Gene: porzione di DNA che occupa una specifica posizione su un cromosoma, detta locus;
• Allele: una o più forme alternative di un gene, ognuna con una sequenza nucleotidica ben specifica;
• Eterozigote: organismo che possiede due alleli diversi per un determinato locus (Aa) Ibrido sinonimo di eterozigote;
• Omozigote: organismo che possiede un solo tipo di allele per un locus (AA oppure aa);
• Allele selvatico (o wild type): allele più frequente in una determinata popolazione;
• Genotipo: somma totale dell’informazione genetica contenuta in un organismo;
• Fenotipo: le caratteristiche osservabili in un individuo, risultanti dall’interpretazione tra genotipo e ambiente in cui avviene lo sviluppo;

Meriti di Mendel

Gregor Mendel fu il primo studioso a dare un'impronta scientifica agli esperimenti genetici. Nacque a Heinzendorf in Boemia nell’attuale Repubblica Ceca nel 1822. Divenne sacerdote nel Monastero agostiniano all’Università di Vienna di Brno, studia e nel 1856 inizia gli esperimenti sulle piante di pisello e pubblica i risultati nel 1866 sugli atti della Società di Storia Naturale di Brno. Nel 1871 assume incarichi amministrativi e muore nel 1884. I suoi esperimenti saranno ripetuti solo all’inizio del 1900.

• Piano sperimentale ben organizzato, che potesse rispondere meglio alle esigenze, e basato su una serie di incroci utilizzando come modello sperimentale il Pisum sativum;
• Selezione dei caratteri monogenici in modo tale che il rapporto genotipo-fenotipo fosse più prevedibile possibile;
• Precisione nella raccolta dei dati;
• Buona elaborazione statistica.

Una caratteristica importante che deriva dalla pianta scelta da Mendel è la proprietà di autofecondazione; dunque, diventa molto semplice ottenere linee pure, ovvero organismi nei quali è semplice stabilire una relazione tra genotipo e fenotipo perché è omozigote per il carattere d'interesse.

Ereditarietà per mescolamento

Prima di Mendel si pensava che questa fosse la motivazione dell’ereditarietà dei caratteri (ad esempio un fenotipo bianco e un fenotipo nero danno origine ad un fenotipo grigio).

Sperimentazioni condotte su Pisum Sativum

Mendel ha osservato e preso in considerazione sette caratteri:

• Colore del seme
• Forma del seme
• Colore del rivestimento del seme
• Posizione del fiore (assiale o terminale)
• Lunghezza del fusto
• Colore del baccello
• Forma del baccello

Senza saperlo, selezionò caratteri monogenici, ossia caratteri controllati da un singolo gene, e questo ha fatto sì che il risultato tra il gene che controlla il carattere e la risposta finale del fenotipo fosse il più prevedibile possibile. I geni che codificano i caratteri si trovano nei cromosomi, e la posizione occupata di un determinato gene si chiama locus genico. La maggior parte degli organismi sono diploidi, perché derivano dalla fusione di due gameti aploidi, i cui corredi cromosomici sono formati da un singolo cromosoma.

Regola generale: ogni gene è presente in duplice copia in tutti gli organismi diploidi presenti su due cromosomi omologhi. Gli alleli sono le variazioni nella sequenza del gene; ogni variante prende il nome di allele. Si parla di eterozigosi quando la sequenza del gene in un organismo diploide è rappresentata da due sequenze di DNA che occupano la stessa posizione sullo stesso cromosoma omologo, ma le due sequenze non sono identiche perché anche solo con la differenza di un nucleotide, si crea un allele diverso che non può manifestare un carattere diverso.

Primo incrocio: legge della dominanza

Incrocia una linea pura di pisello che produce semi lisci con un'altra linea pura di piselli con semi rugosi. Incrociando tra loro individui che differiscono per un solo carattere, si ottengono alla prima generazione ibridi tutti uguali. Indicando gli alleli con le lettere dell'alfabeto e precisamente con “A” il carattere dominante e con “a” il carattere recessivo.

Eccezioni alla prima legge di Mendel

• Dominanza incompleta (es: bella di notte): generalmente l'allele dominante dovrebbe trasmettere il proprio fenotipo coprendo quello dell'allele recessivo. Nel caso della bella di notte, il figlio dell'eterozigote presenta una colorazione intermedia tra i due genitori (omozigote rosso e omozigote bianco). Se accadesse più frequentemente sarebbe semplice stabilire la relazione fenotipo-genotipo.
• Codominanza: non esiste un allele dominante e uno recessivo che si presentano nel fenotipo. Un esempio sono i gruppi sanguigni. Partendo dai gruppi sanguigni, la nostra specie si può distinguere in gruppo 0, gruppo A, gruppo B e gruppo AB, che si differenziano per la presenza o assenza di un antigene presente sulla membrana dei globuli rossi. Se non è presente nessun antigene, l'individuo sarà omozigote per allele I₀ (il gruppo 0 non provoca alcuna produzione di anticorpi). Gli individui dei gruppi A e B presentano almeno uno dei due alleli che controlla la presenza di questo antigene sulla membrana e presenta almeno un allele dominante; dunque, questi individui possono clonare solo a chi fa parte della stessa categoria. Gli individui AB presentano entrambi gli alleli:
  • I₀: sempre recessivo, non determina la produzione di nessun antigene;
  • I_A/B: determinano l’antigene A o l’antigene B;
  • I_AI_B: codominanza - Il gruppo AB (ricevitore universale) può ricevere sangue da chiunque perché avendo entrambi gli antigeni non produrrà degli anticorpi contro di essi.

Secondo incrocio: legge della segregazione

Quando le piante ottenute da semi F₁ erano autofecondate, si produceva una generazione F₂ formata sia da semi rugosi all'interno dello stesso baccello. Il fenotipo che compare nella F₁ è definito fenotipo dominante, quello che scompare viene detto recessivo. Alla seconda generazione, ottenuta incrociando tra loro gli ibridi della prima, gli alleli si segregano in gameti differenti (principio della segregazione dei gameti). Mendel non parlava di alleli, non conoscendo la natura del materiale genetico che controllava il carattere da lui descritto. Si ottengono 1/4 degli individui con il carattere recessivo e 3/4 con il carattere dominante. Di questi ultimi 2/3 sono eterozigoti, 1/3 è omozigote. Si definisce fenotipo il complesso dei caratteri visibili di un individuo; mentre con genotipo si intende la combinazione di alleli posseduta da un individuo. Da questi incroci si osserva che il fenotipo dominante è espresso sia dagli omozigoti dominanti sia dagli eterozigoti. Per determinare il genotipo dell'individuo con fenotipo dominante si ricorre al test-cross (o incrocio di controllo) che utilizza l'omozigote recessivo. Se il genitore con fenotipo dominante è eterozigote, i discendenti avranno per metà il fenotipo dominante e per metà quello recessivo. Se invece il genitore con fenotipo dominante è omozigote, i discendenti avranno tutti il fenotipo dominante.

Caso particolare: anemia falciforme

Per il medico è un tipico caso di dominanza completa perché tutti e due gli alleli sono allo stato recessivo e determinano la mutazione di questa patologia. A livello citologico abbiamo una dominanza incompleta perché i globuli rossi presentano una morfologia intermedia tra quella a falce e quella a disco biconcavo dei soggetti sani. A livello molecolare è un caso di codominanza perché nel soggetto con la patologia vengono prodotte sia molecole normali sia patologiche.

Legge dell’indipendenza dei caratteri & Legge della segregazione

• Ogni carattere è controllato da fattori unitari presenti in coppie (alleli);
• Dominanza/recessività: fenotipo espresso = dominante, fenotipo mascherato = recessivo;
• Segregazione: durante la formazione dei gameti, i fattori unitari presenti in coppie si separano (segregano) così ciascun gamete riceve l’uno o l’altro andando a ricreare la situazione diploidia. Incrociando due linee pure nella generazione F₁ apparirà il carattere dominante, mentre nella F₂ si presenta anche il carattere recessivo con un rapporto pari circa a 3:1.

Terzo incrocio: legge dell’assortimento indipendente

Prende in considerazione la modalità con le quali vengono ereditati due caratteri diversi (nel caso dell’esperimento il colore e la forma del seme). Il colore giallo era dominante sul verde e la forma liscia era dominante su quella rugosa. La novità è stata quella di analizzare contemporaneamente i due caratteri. Incrociando individui che differiscono tra loro per due o più caratteri, ogni coppia di alleli per ciascun carattere viene ereditata in maniera del tutto indipendente dall'altra. Si hanno così tutte le possibili combinazioni degli alleli di ciascuna coppia e la comparsa di individui con caratteri nuovi.

Incrociando tra loro 2 diibridi (è lo zigote prodotto dall’incrocio di due caratteri) RrGg, ogni individuo dà origine a 4 tipi di gameti (RG, Rg, rG e rg) che possono combinarsi in 16 modi diversi. Mendel partì sempre da linee pure (seme giallo e liscio incrociato con seme verde e rugoso); nella generazione F₁ compaiono i caratteri dominanti, incrociando le F₁ ricompaiono anche i caratteri recessivi: i figli derivanti da questa generazione stanno in un rapporto di: 9 (appaiono due fenotipi dominanti):3 (un carattere dominante e uno recessivo):3 (un carattere recessivo e uno dominante):1 (compaiono tutti e due i fenotipi recessivi). L’esperimento dimostra che caratteri posti su diversi cromosomi si comportano in modo indipendente nella formazione dei gameti.

Principio dell’assortimento indipendente (terza legge di Mendel). La vera difficoltà nell’interpretazione di questi dati consiste nell’avere chiaro come vengono prodotti i gameti da parte di un ibrido (o doppio eterozigote). La regola generale è che a partire da un organismo diploide i gameti prodotti devono contenere una sola copia dei due alleli. Bisogna quindi stabilire, partendo da un doppio eterozigote, quali e quante categorie di gameti possono essere prodotti. A questo punto, la regola da seguire è quella della segregazione: per ogni carattere ne deve comparire solo uno dei due alleli, quindi, partendo dal doppio omozigote dominante, prendiamo il suo primo carattere che qui è indicato con la lettera S. Secondo la regola, dobbiamo avere per forza un allele dell’altro carattere di fianco, infatti nel primo caso abbiamo S con Y, oppure con l’omozigote recessivo dell’altro carattere y. L’allele recessivo s potrà a sua volta trovarsi insieme ai due alleli Y e y. Quindi, un doppio eterozigote può fornire 4 diverse combinazioni (16 totali). In un caso su 16 avremo entrambi i fenotipi recessivi, quindi avremo dei piselli verdi e rugosi.

Calcolo dei rapporti genetici

Prevede che la probabilità che si verifichino due eventi indipendenti sia data dal prodotto delle loro probabilità separate; nel caso del rapporto fenotipico: (3:1) x (3:1) = (9:3:3:1). Le probabilità o frequenze attese di specifici fenotipi o genotipi si possono calcolare con semplici regole statistiche.

1. Regola del prodotto: la probabilità che eventi indipendenti si verifichino contemporaneamente è il prodotto delle probabilità degli eventi singoli. Ad esempio, la probabilità di ottenere due 4 lanciando due dadi è 1/6 x 1/6 = 1/36;
2. Regola della somma: la probabilità che si realizzino l’uno o l’altro di due eventi mutualmente esclusivi è la somma delle loro probabilità individuali. Ad esempio, la probabilità di lanciare due dadi di fare due 4 o due 5 è 1/36 + 1/36 = 1/18.

I rapporti fenotipici di Mendel sono basati su campioni di grande dimensione. In campioni di piccole dimensioni, la deviazione dalla probabilità può essere attribuita al caso. Più è grande la dimensione del campione, più piccola sarà la deviazione.

Valutazione dei dati genetici

I rapporti previsti dalle leggi di Mendel sono naturalmente influenzati da eventi casuali: se Mendel avesse avuto solo 16 progenie, avrebbe trovato un rapporto 9:3:3:1? Così i risultati della segregazione e dell’assortimento indipendente sono tutti soggetti al caso. Dimensioni grandi del campione riducono l’effetto del caso: si utilizza un metodo statistico chiamato chi-quadro (popolazione Mendeliana).

Analisi del chi-quadro

Il test del chi-quadro verifica se le differenze dal rapporto atteso sono dovute al caso o se sono differenze reali.

• Passo 1: stabilire l’ipotesi nulla (H_o): quest’ipotesi assume che non esista nessuna differenza reale tra i valori osservati e i valori attesi. Quale sarebbe l’ipotesi nulla in un incrocio monoibrido? E diibrido?
  • Monoibrido: il rapporto osservato non è diverso dal rapporto atteso 3:1
  • Diibrido: il rapporto osservato non è diverso dal rapporto atteso 9:3:3:1
• Passo 2: usiamo l’equazione del chi-quadro per determinare se possiamo accettare l’ipotesi nulla oppure se dobbiamo rifiutarla (quindi esisterebbero differenze reali). Ottenuto il valore del chi-quadro dall’equazione, viene inserito in una tabella che vede una serie di colonne (livelli di probabilità) e righe (gradi di libertà). I gradi di libertà di un’analisi statistica si calcolano prendendo i dati a disposizione – 1. È presente anche una linea rossa verticale: tutti i valori che si vanno a collocare a sinistra della linea rossa significano che i valori differenti sono da attribuire al caso. Qualora il valore del chi-quadro fosse a destra della linea rossa, la differenza è statisticamente significativa. Alcuni motivi per cui la differenza è significativa:
  • Eccezioni alla legge di dominanza (dominanza incompleta o codominanza);
  • Raccolta imprecisa dei dati;

H_o: il rapporto misurato non è diverso da quello atteso. Quindi, le deviazioni osservate sono attribuibili al caso. Se i valori osservati hanno una differenza molto grande dai valori attesi, siamo largamente a destra della linea rossa, quindi lo scostamento è statisticamente significativo.

Eredità mendeliana nell’uomo

La maggior parte dei caratteri nell’uomo sono il risultato di interazioni multiple tra geni e per questo non mostrano un’ereditarietà semplice di tipo mendeliano. Alcuni caratteri, tuttavia, sono controllati da singoli geni (es. fibrosi cistica e anemia falciforme). Nell’uomo non si possono fare incroci pianificati e per questo si studiano individui imparentati che appartengono alla stessa famiglia (alberi genealogici). Attraverso l’albero genealogico si possono fare ipotesi circa il tipo di ereditarietà di un determinato carattere e di calcolare la probabilità che da una fecondazione possano nascere figli portatori del carattere stesso:

• Caratteri recessivi: si ereditano da genitori eterozigoti.