Genetica

Genetica

Scienza che studia l’ereditarietà dei caratteri, tramite l’identificazione dei meccanismi di trasmissione → previsioni sulla progenie.

Branche della genetica

• Genetica della trasmissione dei caratteri monogenici: Malattie mendeliane o monogeniche → malattie rare, dovute a mutazioni di un singolo gene, facili da trovare nella stessa famiglia. Si studia tramite incroci programmati, nell’uomo tramite gli alberi genealogici.
• Genetica quantitativa: Studio della trasmissione dei caratteri determinata da più geni → malattie complesse ma molto diffuse, malattie poligeniche, i geni implicati sono difficili da identificare.
• Genetica della popolazione: Studio dei processi evolutivi che determinano la frequenza di varianti genetiche nella popolazione → biodiversità: maggiori possibilità di sopravvivenza.
• Genetica molecolare: Funzionamento dei geni, DNA ricombinante, organizzazione del genoma.

Tutte queste branche fanno parte della genetica medica.

Probabilità

(P = n casi favorevoli / n casi totali)

Una coppia ha ½ di probabilità di avere una figlia femmina e ½ di probabilità di avere un figlio maschio.

• Che probabilità ha di avere due figlie femmine? → Probabilità che si verifichino due eventi indipendenti: prodotto delle singole probabilità: ½ * ½ = ¼
• Che probabilità ha di avere 2 maschi o 2 femmine? → Probabilità che si verifichino l’uno o l’altro di 2 eventi mutuamente esclusivi: somma singole probabilità: ¼ + ¼ = ½

Ciclo cellulare

Mitosi

Si tratta dell’intervallo di tempo che intercorre tra due divisioni cellulari successive.

• N: contenuto aploide di cromosomi
• C: contenuto aploide di DNA → entrambi dipendono dalla specie

Interfase

• Fase G1: 2N/2C → fase più variabile in durata, le cellule poco proliferanti hanno una fase G1 più lunga, determina la durata del ciclo cellulare. La cellula può arrestare la divisione ed entrare in fase G0.
• Fase S: 2N/4C → Avviene la replicazione del DNA: cromatidi fratelli (identici dal punto di vista molecolare). Il numero di cromosomi non è raddoppiato, i cromatidi fratelli sono uniti dal centromero fino alla mitosi.
• Fase G2: Fase post sintesi.

Mitosi

• Profase:
  • Inizio profase: Centrioli separati, DNA condensato, cromosomi visibili, nucleolo comincia a scomparire → 2N 4C.
  • Profase intermedia: I centrioli continuano a separarsi e incomincia a formarsi il fuso mitotico.
  • Profase avanzata: I centrioli raggiungono i poli opposti della cellula. La membrana nucleare inizia a dissolversi.
• Metafase: La membrana nucleare si è dissolta. I cromosomi si allineano sulle fibre del fuso equatoriale, sono compattati al massimo e il genoma è silenziato, per minimizzare le rotture durante l'anafase e evitare perdita di materiale genetico.
• Anafase: I cromatidi fratelli migrano ai poli opposti. Si separano nello stesso momento in modo che all’inizio della citocinesi non vi siano più cromosomi in una cellula che nell'altra → 4N (i cromatidi sono stati separati), 4C.
• Telofase: Cominciano a ricostruirsi le membrane nucleari. I cromosomi si allungano e diventano meno visibili. Si riforma il nucleolo.
• Citocinesi: Si riforma la membrana cellulare in modo da separare le due cellule figlie. Ognuna ha contenuto 2N, 2C. Nelle cellule animali avviene la citodieresi, in quelle vegetali si forma un setto di cellulosa che divide le due cellule.

Meiosi

Si ha inizialmente una fase somatica: lo zigote accresce per scissione binaria → mitosi. In seguito deve produrre cellule aploidi → cellule germinali (gameti con assetto N) che daranno origine a zigoti (2N). Un organismo accresce tramite mitosi e il ciclo biologico termina tramite una fase aploide. I gameti necessitano della meiosi:

• Profase I: I cromosomi omologhi si appaiano e avviene il crossing over (pachitene) tra cromatidi non fratelli di cromosomi omologhi (cromosomi con derivazione mista), i cromosomi rimangono uniti, tramite sinapsi, fino alla metafase, deve avvenire sempre almeno un crossing over perché la divisione vada a buon fine → aumento della biodiversità.
• Metafase I: Ogni paio di cromosomi si dispone sul piano equatoriale del fuso.
• Anafase I: I membri di ogni paio di cromosomi si separano e migrano verso i poli opposti → 2N, 4C.
• Telofase I: I cromosomi, costituiti da due cromatidi fratelli, completano la migrazione. Si formano le membrane nucleari.
• Citocinesi: N, 2C → divisione riduzionale

In seguito avviene la seconda divisione detta equazionale del tutto simile alla mitosi → N, C.

Variabilità genetica

La riproduzione sessuata genera ogni volta biodiversità. La progenie è ogni volta completamente diversa a causa del rimescolamento di varianti diverse, ciò garantisce la conservazione della specie insieme all’introduzione di elementi mutazionali (talvolta dannosi) → evoluzione. La variabilità genetica può essere aumentata:

• Per ricombinazione: Alla fine del processo meiotico il 50% dei cromosomi è parentale e il 50% sono ricombinanti → derivazione mista.
• Per segregazione: Dipende dalla disposizione dei cromosomi sul fuso mitotico. Possibili combinazioni di appaiamento: n-1² (n = numero di coppie di cromosomi) → assortimento indipendente.

Spermatogenesi

I gameti maschili derivano dallo spermatogonio (2N) → spermatocita primario (2N) meiosi I → 2 spermataciti secondari meiosi II → 4 spermatidi (N) differenziazione: il citoplasma viene ridotto, si crea il colletto e il flagello → spermatozoi (N).

Ovogenesi

Gameti femminili derivano da oogonio (2N) → oocita primario (2N) meiosi I → oocita secondario e 1 corpo polare (divisione asimmetrica del citoplasma) meiosi II → ootide (N) e 2^o corpo polare → 2 corpi polari e un uovo (N). La cellula deve fornire il necessario per le prime divisioni dello zigote, questo comporta una divisione asimmetrica del citoplasma. Negli animali la meiosi è più specifica e confinata solo nei gameti.

• Riproduzione asessuale: Scissione binaria e mitosi.
• Riproduzione sessuale: Fase aploide tramite meiosi e formazione degli zigoti.

Assetto cromosomico

Il materiale genetico è suddiviso in cromosomi, nei procarioti c’è un solo cromosoma di forma circolare, negli eucarioti il numero di cromosomi e la morfologia è caratteristico di ciascuna specie. Gli eucarioti hanno due copie di ciascun cromosoma, le cellule somatiche sono diploidi (2N). I cromosomi di una stessa coppia (omologhi) hanno la stessa morfologia ma derivazione diversa, non sono identici dal punto di vista molecolare. I gameti sono cellule aploidi (cellule germinali), sono aploidi per mantenere costante la quantità di DNA.

Leggi di Mendel

Esiste una variabilità tra individui di una stessa specie, ci sono differenze visibili trasmesse di generazione in generazione, dovute a differenze nelle sequenze di DNA che costituiscono i geni trasmessi. Mendel identificò le modalità di trasmissione delle caratteristiche fisiche dai genitori ai figli → la trasmissione dei geni è direttamente correlata alla modalità di trasmissione dei cromosomi. Le caratteristiche di un individuo trasmesse da una generazione all’altra sono le caratteristiche ereditarie (caratteri). La loro espressione è controllata da sequenze di DNA, i geni (fattori). L’insieme dei geni è il genotipo, l’insieme delle caratteristiche fisiche visibili costituisce il fenotipo. Il fenotipo dipende:

• Genotipo (costituzione genetica)
• Azione di altri geni (gene principale insieme ad altri geni)
• Influenze ambientali ed eventi casuali durante lo sviluppo

Mendel utilizza un sistema sperimentale (Pisum sativum) con ciclo biologico breve e controllabile e progenie numerosa, parte da linee pure che riproducendosi per autofecondazione presentano lo stesso fenotipo per il carattere considerato, considera separatamente l’ereditarietà di ciascun carattere seguendo la comparsa del fenotipo.

I legge di Mendel

Incrocia due linee parentali pure diverse riguardo al carattere considerato (forma del seme) ed ottiene una generazione filiale (F1) con unica variante parentale → monoibrido, l’incrocio reciproco dà lo stesso risultato → non dipende dal sesso. Permette l’autofecondazione di F1, nella F2 è presente anche il carattere assente nella F1, i due caratteri sono tra loro in proporzioni diverse 3:1. Ipotizza che i caratteri siano determinati da fattori particellari che, trasmessi da P alla progenie, portano l’informazione ereditaria, ogni fattore esiste in forme alternative (alleli), ognuno dei quali determina le varianti alternative del carattere. La linea pura ha una coppia di fattori identici e i gameti contengono una copia del fattore, la F1 ha alleli diversi, poiché deriva da linee pure diverse, ma mostra un solo carattere. Il carattere visibile in F1 è detto dominante, mentre il non visibile in F1 è recessivo. Un organismo diploide con alleli uguali è detto omozigote, se ha alleli diversi è detto eterozigote. Il fenotipo recessivo ha genotipo omozigote recessivo, il fenotipo dominante può avere genotipo eterozigote oppure omozigote dominante.

Legge della dominanza: In un eterozigote un allele può mascherare la presenza dell’altro.

Test cross

Si utilizza per scoprire il genotipo di un individuo con fenotipo dominante, si incrocia con ss (omozigote recessivo).

• Se S- è SS → fenotipo S-
• Se S- è Ss → fenotipo S- e ss (1:1)

II legge di Mendel

I due membri di una coppia genica (alleli) si separano l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti. La progenie viene prodotta dalla combinazione casuale dei gameti dei genitori. La variabilità di un determinato carattere è data dall’esistenza di forme alternative di uno stesso gene e dalla loro interazione con l’ambiente. Il sito specifico su un cromosoma in cui è localizzato un gene è il locus geni. Gli alleli si trovano nello stesso locus su cromosomi omologhi.

Legge della segregazione: In un eterozigote due alleli differenti segregano durante la formazione di gameti → separazione dei cromosomi omologhi durante l’anafase I.

III legge di Mendel

I fattori che controllano caratteri diversi possono distribuirsi in modo indipendente gli uni dagli altri. I geni sono localizzati su cromosomi diversi e possono portare ad assortimenti casuali durante la meiosi. Le quattro possibili classi di gameti considerando un doppio eterozigote per due caratteri sono: ab, AB, Ab, aB. Mendel incrocia due caratteri, seleziona linee pure per ciascuno dei due caratteri e ottiene una generazione F1 uniforme (eterozigoti per due caratteri). Incrociando per autofecondazione i diibridi della F1 si ottengono quattro diversi fenotipi tra loro in rapporto 9:3:3:1 → Principio dell’assortimento indipendente. Si può effettuare il test cross anche per due geni e il rapporto fenotipico della progenie è il rapporto dei gameti prodotti dal genitore in studio.

Analisi statistica delle frequenze osservate

Confronto tra i risultati ottenuti e i risultati attesi in base all’ipotesi di partenza → differenze dovute al caso oppure no. L’analisi statistica usata è il test del χ². L’ipotesi si respinge per un valore di scostamento associato a probabilità <5%, ma può essere vera anche per valori di probabilità <5%.

χ² = ∑ per tutte le classi (frequenze osservate - frequenze attese) / frequenze attese. Il valore di χ² associato ad una probabilità dipende dal numero di classi indipendenti ovvero dal numero di gradi di libertà: gradi di libertà (GL) = numero di classi indipendenti = numero di classi totali - 1.

Rapporto tra alleli di uno stesso gene

Gli alleli di uno stesso gene sono, nella maggior parte dei casi, più di due (allelismo multiplo). Il genotipo relativo ad un determinato gene che dà informazioni relativamente al rapporto tra alleli è il genotipo eterozigote. Genotipo eterozigote (Aa o A¹A²) può rilevare un rapporto di:

• Dominanza completa: Espressione fenotipo di A e no di a
• Dominanza incompleta: Espressione fenotipo intermedio tra A e a
• Codominanza completa: Espressione fenotipo di A e di A²

Dominanza incompleta

Incrociando linee pure di fiori di bocca di leone e analizzando il carattere “colore del fiore” (P: rosso x bianco), la F1 presenta una terza variante, un colore intermedio tra i due. Incrociando successivamente la F1 si ottengono 3 fenotipi: 2/4 presentano il fenotipo della F1, ¼ presenta il colore rosso e ¼ il colore bianco, il rapporto genotipico è spiegabile con le leggi di Mendel. Quando un allele non è completamente dominante sull’altro allele si ha la dominanza incompleta. Il fenotipo dell’eterozigote è intermedio tra quello degli omozigoti parentale.

Alleli multipli

In una popolazione di individui possono esistere più di due alleli di uno specifico gene. L’allele maggiormente frequente è l'allele selvatico (wild type), si tratta dell’allele del gene originale da cui gli altri si sono originati per mutazione, gli alleli alternativi sono detti alleli mutanti, di solito sono meno frequenti. Se ci sono più alleli alternativi si tratta di alleli multipli. Un singolo individuo diploide può possedere al massimo due degli alleli del gene localizzati sui due cromosomi omologhi in corrispondenza del loro locus genico. Le mutazioni garantiscono biodiversità.

Ereditarietà dei caratteri umani

I principi mendeliani valgono per tutti gli organismi che hanno riproduzione sessuata, uomo compreso. Lo studio dell’ereditarietà dei caratteri è complicato nell’uomo per l’impossibilità di effettuare incroci programmati e per progenie poco numerosa. I caratteri attraverso l’analisi degli alberi genealogici seguendo la comparsa dei caratteri negli individui che appartengono alla stessa famiglia.

Gruppi sanguigni

Sistema AB0

Il sistema AB0 nell’uomo è determinato dall’espressione di alleli multipli di un gene che codifica per una transferasi → importante per le trasfusioni di sangue. Esistono 4 possibili fenotipi e sei possibili genotipi, il gruppo sanguigno è determinato dalla presenza o dall’assenza di molecole sulla membrana esterna del globulo rosso (antigeni). Gli antigeni vennero scoperti mettendo a contatto sangue di un tipo con il siero di un altro tipo che porta allo sviluppo di una reazione tipica antigene-anticorpo. Il gene codifica per una glicosiltransferasi, ovvero il trasporto di gruppi glucidici sul globulo rosso, i possibili alleli sono I_A (N-acetilgalattosammina), I_B (D-galattosio) e i (transferasi inattiva).

• 0 → ii
• B → I_BI_B, I_Bi
• A → I_AI_A, I_Ai
• AB → I_AI_B

L’antigene A e l’antigene B sono montati sull’antigene H che li ancora al globulo rosso. Se si mischiano due gruppi non compatibili si verifica un’agglutinazione. In A la molecola “A” non è riconosciuta come estranea, non rappresenta un antigene, non vengono prodotti anticorpi. B produce anticorpi anti-A poiché la molecola A è riconosciuta come estranea rappresenta un antigene che induce la produzione di anticorpi anti-A → emolisi.

• A può donare a: A, AB; può ricevere da A e 0.
• B può donare a B, AB; può ricevere da B e 0.
• AB può donare a AB; può ricevere da A, B e 0.
• 0 può donare a A, B, AB, 0; può ricevere da 0.

Il sistema AB0 è un esempio di codominanza. Gli individui di gruppo AB sono eterozigoti I_AI_B: entrambi gli alleli determinano la comparsa sulla membrana esterna del globulo rosso sia l’antigene A, sia l’antigene B, gli alleli sono codominanti. L’eterozigote AB manifesta entrambi i fenotipi degli omozigoti parentali. Dato che tutti e tre gli alleli sono stati trovati con frequenze apprezzabili nelle popolazioni umane, il gene è detto polimorfico.

Fenotipo Bombay

Gli individui risultano nel test standard di gruppo 0, non perché non possono produrre antigeni A o B, ma perché non producono l’antigene H che non può montare eventuali antigeni A o B. Sono distinguibili da individui di gruppo 0 poiché, diversamente da questi, producono anticorpi anti-H. Il gene che esprime la sostanza H ha 2 alleli, H (dominante) e h (recessivo, molto raro) che non permette l’espressione. Ci sono 2 fenotipi possibili, presenza o assenza di sostanza H e 3 genotipi possibili HH (esprime), Hh (esprime) e hh (non esprime). Sono geneticamente diversi dagli individui ii che presentano gruppo 0.

Sistema MN

Il sistema MN scoperto nel 1927 da Landsteiner è determinato dall’espressione di alleli di un gene che codifica per una glicoproteina espressa sulla superficie dei globuli rossi. Gli alleli che esprimono le varianti antigeniche sono 2, L_M e L_N sono codominanti, i genotipi/fenotipi possibili sono 3. Il sistema non è generalmente implicato in reazioni legate a trasfusioni ematiche.

Fattore Rh

Nel 1940 Landsteiner e Wiener isolano un anticorpo immunizzando conigli con sangue di Macacus Rhesus. L’anticorpo agglutina i globuli rossi umani in circa l’85% degli individui → anticorpo anti-Rh. Gli individui che reagiscono con l’anticorpo anti-Rh: Rh+ → presentano l’antigene sui globuli rossi. Gli individui che non reagiscono con l’anticorpo anti-Rh: Rh- → non presentano l’antigene sui globuli rossi. Il carattere Rh+/Rh- è ereditato come carattere mendeliano semplice ed Rh+ è dominante su Rh-. Il fattore che conferisce la positività è ereditato seguendo leggi mendeliane.