Genetica

Genetica

Il mendelismo

La dissezione genetica è il procedimento con cui si identificano i geni che determinano un dato carattere o fenotipo, controllano un processo biologico complesso. È possibile grazie all’isolamento e allo studio di varianti geniche aberranti dette mutazioni che producono cambiamenti del fenotipo normale. La Drosophila melanogaster è stato il primo organismo modello. Gregorio Mendel (1822-1884) è il padre della genetica, e i suoi primi esperimenti furono sugli incroci tra piante di pisello da giardino, Pisum sativum. Il suo obbiettivo era quello di comprendere i meccanismi che controllano la trasmissione di alcune caratteri visibili nelle piante come per esempio colore e morfologia.

Per carattere si intende una caratteristica o proprietà di un organismo. I risultati di questi esperimenti portarono a concludere che i caratteri analizzati sono il risultato di fattori specifici, unità fisiche discrete trasmesse da una generazione all’altra intatte, ma non sempre è così perché i caratteri possono andare incontro a mutazioni, e in modo indipendente dall’una all’altra. Mendel morì senza sapere di aver dato le basi della genetica, infatti l’importanza del suo lavoro venne compresa solo verso l’inizio del 1900, grazie a Correns, Tschermak e De Vries.

Per trasmissione indipendente si intende che i fattori determinanti, cioè i geni devono trovarsi su cromosomi diversi, quando invece i geni si trovano sullo stesso cromosoma, la loro trasmissione non sarà più indipendente ma saranno trasmessi insieme.

Ipotesi precedenti a Mendel

• Preformismo: ossia l’individuo adulto è già presente in miniatura nel germe, ovvero nell’uovo o nello spermatozoo.
• Eredità per mescolamento: ovvero gli individui figli assomigliano un po' al papà e un po' alla mamma. Quindi uovo e spermio contengono "essenze" derivanti dalle diverse parti del corpo del genitore che poi si mescolano per formare il nuovo individuo che poi conterrà un po' dell’uno e un po' dell’altro.

Invece Mendel poi arriva a dire che i caratteri di un organismo (pianta) sono determinati da unità fisiche discrete che vengono trasmesse intatte da una generazione all’altra.

Pisum sativum e caratteristiche studiate

Il Pisum sativum è una pianta che si coltiva facilmente, può dare generazioni ampie, possiede varietà di forme e colori, ha un’autofecondazione e fecondazione crociata, ha un tempo relativamente breve di generazione, ha una numerosità della progenie, dimensioni contenute e un basso costo. Nello stesso fiore ci sono sia gli organi maschili che femminili, può produrre sia polline che ovuli. Se la pianta non è manipolata dall’uomo si riproduce per autofecondazione, invece per fecondazione crociata prevede un intervento dell’uomo.

Mendel analizza 7 caratteri:

• Forma del seme: Sferico o Grinzosa
• Colore del seme: Giallo o Verde
• Colore del fiore: Rosso o Bianco
• Forma del baccello: Gonfio o Ristretto
• Colore del baccello: Giallo o Verde
• Posizione dei fiori: Assiale o Terminale
• Altezza: Alta o Nana

Per ognuno di questi caratteri ci sono due alternative prodotte dalle variazioni. Un gene può avere più alleli, allele R (dominante) e allele r (recessivo).

Esperimenti di Mendel

Mendel partì su linee pure di Pisum sativum. Per linea pura s’intende popolazione che attraverso le varie generazioni ottenute per autofecondazione resta stabile per un dato carattere, ovvero manifesta sempre lo stesso fenotipo. Si tratta quindi di popolazioni omogenee per il carattere in esame, manifesta sempre lo stesso carattere, sempre fiori bianchi o semi verdi.

Mendel inizialmente non effettua l’autofecondazione ma una fecondazione incrociata tra fiori bianchi e fiori purpurei, andando a prelevare con un pennellino il polline nell’antera dei fiori purpurei e andando a impollinare la pianta con il fiore bianco, o viceversa. Poi si sviluppa una prima generazione di piante (F1) che saranno tutte piante a fiori purpurei. Con P s’intende generazione parentale, ovvero fiore bianco e purpureo, poi si ha una fecondazione crociata da cui si forma F1. Nella F1 si manifesta solo una delle caratteristiche dei genitori (fiori purpurei).

Successivamente Mendel lascia riprodurre le piante F1 con autofecondazione, e si otterrà un F2 (seconda generazione) dove oltre a piante con fiori purpurei sono presenti piante con fiori bianchi (entrambi i fenotipi di partenza), con un rapporto di 3 piante con fiori purpurei e 1 pianta con fiori bianchi (3:1) (3/4- 1/4). Succede che il carattere fiore bianco, che era scomparso nella F1, riappare nella F2, e questo vuol dire che nelle piante F1, hanno sia il carattere dei fiori bianchi che purpurei, e quindi nella F1 il carattere fiore bianco non è scomparso.

Questo comportamento si ripete in tutti e sette i caratteri e non è specifico solo per il colore del fiore, quindi per esempio anche per la forma del seme prima nella F1 è sferico, ma successivamente nella F2 avremo sia semi sferici che grinzosi, sempre con un rapporto 3:1.

Dominanza e recessività

Il fenotipo espresso sia in F1 che in F2 si definisce dominante, mentre il fenotipo che scompare nella F1 e riappare nella F2 si definisce recessivo. La presenza del fenotipo recessivo nella F2 indica che il relativo determinante genetico sia presente in condizione latente nella F1. Fenotipo: l'insieme delle caratteristiche morfologiche e funzionali di un organismo, quali risultano dall'espressione del suo genotipo e dalle influenze ambientali.

Oltre a osservare il rapporto 3:1, Mendel fa riprodurre le piante della F2 con fiori purpurei e quelle con fiori bianchi singolarmente con autofecondazione. Da ognuna di queste si avrà una progenie F3, e in questa generazione si osserva che tutte piante della F2 con fenotipo recessivo (fiore bianco) si comportavano come linee pure recessive, dando luogo a piante con fiore bianchi, mentre le piante della F2 con fenotipo dominante (fiori purpurei), cioè i 3/4 risultavano eterogenee e si dividevano in due gruppi:

• 1/3 si comportavano come linee pure dominanti, ovvero producevano una progenie F3 con fenotipo dominante, fiori purpurei.
• 2/3 si comportavano come gli ibridi F1, ovvero producevano una progenie F3 con rapporto dominante: recessivo, 3:1, 3 fiori purpurei e 1 fiore bianco.

Quindi possiamo dire che le piante che si comportano come linee pure sono omozigoti per l’allele dominante o recessivo, quindi avranno o entrambi gli alleli dominanti o entrambi gli alleli recessivi, mentre i 2/3 saranno gli eterozigoti, cioè avranno un allele per il rosso e uno per il bianco.

Questo avviene analogamente per il carattere forma del seme, ovvero dalle piante della F2 per autofecondazione si avrà che piante F2 generate da semi rugosi produrranno una F3 di semi rugosi, mentre 1/3 delle piante F2 generate da semi lisci producevano una F3 di semi lisci, invece 2/3 delle piante F2 generate da semi lisci producevano una F3 di semi lisci e rugosi con rapporto 3:1. Anche per il colore del seme stessa cosa, dove il colore giallo è dominante su quello verde.

Solo nella parentale si fa la fecondazione crociata tra le linee pure di partenza, poi nelle altre si fa una autofecondazione.

La probabilità secondo Mendel

La probabilità che lanciando un dado esca tre è 1/6, quando abbiamo due dadi invece è 1/36, questo usando la regola del prodotto: e due eventi sono indipendenti, la probabilità che si verifichino insieme è data dal prodotto delle probabilità dei singoli eventi. Invece la probabilità che lanciando due dadi escano due tre o due quattro, è 1/18 facendo 1/36+1/36, e questo si sa facendo la regola della somma: se due eventi sono mutualmente esclusivi, la probabilità che si verifichi uno di essi è data dalla somma delle loro singole probabilità.

Ipotesi di Mendel

• I fattori ereditari (geni) sono entità fisiche;
• I fattori ereditari sono presenti a coppie. Nelle linee pure i due membri della coppia sono identici (alleli dominanti o recessivi), mentre le piante F1 possiedono un fattore dominante e uno recessivo;
• Alla meiosi, durante la formazione dei gameti, i membri di ciascuna coppia (alleli) si separano e vengono trasmessi con uguale frequenza ai gameti (Principio della segregazione), cioè metà dei gameti riceverà l’allele dominante (A) e metà l’allele recessivo (a) e nel momento della fecondazione i gameti formeranno lo zigote indipendentemente dall’allele;
• Ogni gamete riceve solo un membro di ciascuna coppia;
• I gameti di sesso opposto si combinano per formare lo zigote indipendentemente dall’allele che possiedono;

Sia i spermatozoi prodotti che le uova prodotte avranno metà allele dominante e metà allele recessivo, e con la formazione dello zigote, avremmo ¼ A/A, 2/4 A/a, ¼ a/a. Questa categoria genotipica (1:2:1 rapporto genotipico), forma un’unica categoria fenotipica che sono i ¾ dominante e ¼ recessiva, e la categoria con carattere dominante è eterogenea.

A e a sono alleli, ovvero forme alternative di un gene. Gli individui A/a sono detti ibridi o eterozigoti, gli individui delle linee pure (con entrambi i caratteri dominanti o recessivi) sono omozigoti. A/A è un omozigote dominante, mentre a/a è un omozigote recessivo. Il genotipo è la costituzione genetica del carattere, il fenotipo è l’espressione del genotipo.

Nella F2, 1/3 delle piante con fiori bianchi daranno sempre piante con fiori bianchi (omozigoti), 1/3 delle piante con fiori rossi daranno sempre piante con fiori rossi (omozigoti), mentre 2/3 daranno sempre luogo a una progenie con rapporto 3:1 come nella progenie F2 (eterozigoti).

Test cross

Un’altra cosa che Mendel fa è verificare la sua ipotesi andando a incrociare piante F1 con semi gialli per esempio, con una linea pura con semi verdi (carattere recessivo), tramite fecondazione crociata, e la pianta con semi gialli (Y/y=A/a) produrrà metà gameti con Y (grandi) e metà gameti con y, mentre la pianta con semi verdi produrrà tutti gameti con y. Da questa fecondazione si produrrà una progenie di semi metà y/y e metà Y/y, e questo è il valore atteso, cioè il valore che si aspetta Mendel, e quello che ottiene Mendel è il valore sperimentale che si avvicina a quello atteso (58:52). Questo esperimento è chiamato test cross, dove un individuo viene incrociato tramite fecondazione crociata con un individuo recessivo.

Il test cross può essere usato per esempio per capire se una pianta che manifesta un fenotipo dominante possa essere eterozigote o meno. E si incrocia una pianta con fenotipo dominante e genotipo non noto con una pianta con fenotipo recessivo e genotipo y/y, e la predizione è che se la pianta madre con genotipo non noto fosse omozigoti Y/Y avremo una progenie tutta con fiori rossi, se invece la pianta è eterozigote avremo metà eterozigoti e metà omozigoti per l’allele recessivo.

PP o Pp = YY o Yy.

Prima legge di Mendel

• Segregazione bilanciata: Durante la meiosi i due membri di una coppia di geni (alleli) segregano (si separano) e vengono trasmessi ai gameti in proporzioni uguali (metà dei gameti riceverà un membro e l’altra metà riceverà l’altro). Membro= allele. Nella fecondazione incrociata non ci importa quale pianta produrrà polline e quale ovuli perché il risultato non cambia.

Seconde esperienze di Mendel

Mendel prende in considerazione il colore e la forma del seme della pianta di Pisum sativum, si parte sempre da linee pure e le parentali sono piante che producono seme liscio e verde, mentre l’altra è una pianta che produce seme rugoso e giallo, poi questi individui produrranno gameti e la progenie F1 avrà le caratteristiche dominanti e quindi seme giallo e liscio. Da R/rY/y si possono ottenere 4 tipi di gameti: RY, Ry, rY, ry, con un rapporti di ¼ o 25%, la stessa quantità.

Seconda legge di Mendel

Assortimento indipendente: Durante la formazione dei gameti i membri di due (o più) coppie geniche si assortiscono in modo indipendente.

La teoria cromosomica dell'eredità

Dopo l’enunciazione delle leggi di Mendel e prima della loro riscoperta diversi studi ebbero lo scopo di identificare la sede del materiale ereditario all’interno della cellula. Si ipotizzò che il nucleo potesse contenere il materiale ereditario, la cui natura molecolare/biochimica rimaneva comunque sconosciuta. Nel 1882, Walther Flemming, anatomista tedesco e fondatore della citogenetica, pubblicò un articolo dove, mediante il colorante anilina, descrisse l’intreccio di materiale fibroso che si trovava nel nucleo cellulare e studiò i cambiamenti a cui andava incontro durante la divisione cellulare. Lo definì con il termine cromatina, ovvero materiale colorabile.

Nel 1883 Eduard van Beneden descrisse la meiosi nelle uova del nematode Ascaris megalocephala e mostrò che la fecondazione consiste nella fusione di due nuclei, uno proveniente dallo spermatozoo, l’altro dall’ovocita, ognuno dei quali contiene la metà delle strutture filiformi osservate nelle cellule somatiche dello stesso organismo. Queste strutture filiformi furono chiamate cromosomi successivamente da Von Waldeyer.

Nel 1902 Walter Sutton e Theodor Boveri misero in evidenza, indipendentemente, che esisteva un comportamento simile tra il comportamento dei cromosomi in mitosi e in meiosi e il comportamento dei geni descritto da Mendel nei suoi esperimenti, e questi comportamenti analoghi tra geni e cromosomi in particolare nella meiosi sono:

• Nelle cellule somatiche i geni sono in coppie (come i cromosomi).
• Durante la meiosi, i due membri di ciascuna coppia di geni segregano in modo bilanciato nei gameti (come i membri di ciascuna coppia di omologhi). Un gamete riceve solo uno dei due alleli e analogamente riceve solo uno dei due cromosomi omologhi.
• Coppie diverse di geni si assortiscono in modo indipendente (come coppie diverse di cromosomi omologhi).

La conclusione è che il comportamento dei cromosomi è paragonabile a quello dei geni definiti dalle leggi di Mendel, e questo ha portato a definire la teoria cromosomica dell’eredità, ovvero i geni si trovano sui cromosomi e sono i cromosomi i veicoli che trasportano i geni e quindi sono responsabili della trasmissione dell’informazione genetica e del comportamento dei geni definito da Mendel.

I cromosomi somatici (dell’uomo) sono 46, cioè 23 coppie di cromosomi, 22 coppie di autosomi, cioè cromosoma che non partecipa alla determinazione del sesso e 1 coppia di cromosomi sessuali (X,Y), e si vede che i cromosomi hanno forme diverse, e possono esserci:

• Cromosomi metacentrici, dove il centromero si trova in posizione mediana e divide il cromosoma in braccia molto simili di dimensioni.
• Cromosomi submetacentrici: il centromero è in posizione submediana, cioè spostato verso una delle due estremità, e quindi avremo un braccio più lungo e uno meno lungo.
• Cromosomi acrocentrici, il centromero è in posizione subterminale (in prossimità di una delle estremità).
• Cromosoma telocentrico: centromero in posizione terminale.

Ci sono due siti importanti che riguardano la stabilità del cromosoma in cui uno è il centromero e l’altro è il telomero. Il telomero è l’estremità stabile dei cromosomi, il centromero è una regione in cui il cromosoma si restringe e si forma il cinetocore al quale si attaccano i microtubuli del fuso. Il cromosoma singolo è un cromosoma prima della replicazione, prima della fase S, ma poi dopo che il DNA si replica abbiamo i due cromatidi identici, che cambieranno solo in seguito a eventi di ricombinazione meiotica o eventi di mutazioni.

Il cinetocore è una parte proteica fatto da proteine che hanno la funzione di interagire con i microtubuli del fuso e di agganciarli così da trainare i cromosomi durante l’anafase. Un allele indica le due o più forme alternative dello stesso gene, e questi alleli si trovano nella stessa posizione su ciascun cromosoma omologo.

Il ciclo cellulare

Il ciclo cellulare è una serie di eventi ciclici che permette la stabilità dell’informazione genetica e la sua trasmissione da una cellula all’altra durante la meiosi e mitosi. In mitosi abbiamo un inizio che è la fase G1 dove i cromosomi non sono ancora replicati, i cromosomi non si trovano con i due cromatidi figli ma singoli, si ha sintesi di RNA e proteine e non di DNA, questa fase ha una durata di 6-12 ore, poi c’è un punto di restrizione, che è un punto di passaggio dove la cellula che passa attraverso questo punto è indirizzata a entrare nella fase S.

Nella fase S, che ha una durata di 6-8 ore, si ha la sintesi di DNA e quindi raddoppia la quantità di DNA nella cellula e i cromosomi si trovano con i due cromatidi figli, inoltre sono sintetizzati anche RNA e proteine. Dopo la fase S si ha la fase G2 di 3-4 ore dove non si ha sintesi di DNA, ma la sintesi di RNA e proteine continua. Alla fine della G2 la cellula è pronta per andare in mitosi, divisione nucleare, e citochinesi, divisione cellulare, generando due cellule figlie.

In corrispondenza delle transizioni tra G1 a S o tra G2 a M, ci sono dei check point, cioè dei punti di controllo che permettono di verificare che tutto stia andando bene, non ci siano errori.

Mitosi e Meiosi

La mitosi è la divisione nucleare che avviene nelle cellule somatiche, in quelle della linea germinale prima della meiosi (oogoni e spermatogoni) e nell’uovo fecondato. Durante la mitosi, i due cromatidi...