Genetica - parte1

Introduzione alla genetica mendeliana

Gli organismi diploidi (2n) sono quegli organismi dove i cromosomi sono presenti a coppie (es. uomo 23 coppie, pianta di pisello 7 coppie). Ciascuna coppia è costituita da due cromosomi, detti omologhi. In ciascuna coppia di cromosomi uno è di origine paterna, mentre l’altro è di origine materna. I gameti vengono invece detti aploidi (n), in quanto è presente un solo cromosoma per ciascuna coppia. Il numero di cromosomi è specie specifico, in quanto specie ha un numero specifico di cromosomi. Spesso si usa l’aspetto aploide per definire le dimensioni di un genoma di una specie.

Esistono alcuni organismi modelli della genetica: Neurospora crassa (muffa del pane), Zea mays, Drosophila melanogaster (moscerino della frutta), Homo sapiens. Il cariotipo è l'insieme dei cromosomi metafasici (sono al massimo grado di compattamento, non vengono trascritti e sono facilmente osservabili), che poi possono essere ordinati in base a grandezza, forma o posizione del centromero.

Ciclo vitale di un eucariote

Lo zigote è una cellula diploide (2n) che deriva dalla fecondazione, cioè dalla fusione, di due nuclei aploidi (n). Nel nucleo diploide sono presenti due serie aploidi, una che deriva dalla cellula uovo e una che deriva dallo spermatozoo. Dallo zigote attraverso le divisioni cellulari (mitosi) e tutta una serie di processi, si arriva ad un individuo nella fase giovanile e poi adulto.

Le cellule somatiche compongono il corpo di un organismo e sono diploidi. Nell’organismo adulto ci sono poi linee cellulari specializzate (2n) dette meiociti (oociti o spermatociti), che daranno origine agli organi all’interno del quale si formano i gameti (n) dividendosi per meiosi.

La mitosi è preceduta dall’interfase costituita da fase G1, S (replicazione del DNA) e G2. Al termine della fase S tutti i cromosomi sono stati duplicati. Durante la fase M si ha poi la segregazione dei cromosomi. In tarda profase ci sono i due omologhi e ogni cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli. Nella prometafase i microtubuli sono associati al cinetocore. I due cromosomi si separano a livello del centromero e migrano verso i poli opposti della cellula.

Nella meiosi i cromosomi omologhi si appaiano (tetrade o bivalente) e avviene uno scambio. Al termine della prima divisione si ha la separazione dei cromosomi omologhi (il cromosoma materno si separa da quello paterno). La prima divisione meiotica può quindi essere definita riduzionale (conto i centromeri e vedo che sono di meno rispetto all’inizio). Nella seconda divisione meiotica i cromatidi fratelli si separano a livello del centromero e si formano due nuclei aploidi.

La meiosi è il processo che riduce lo stato diploide a quello aploide, e le cellule aploidi che si ottengono non sono identiche. Ci sono due fattori che contribuiscono alla variabilità genetica:

• I due cromosomi omologhi vengono separati in modo del tutto casuale quindi possono esserci diverse combinazioni tutte con la stessa probabilità (numero di combinazioni possibili è 2ⁿ; es. nell’uomo 2²³).
• Avviene il crossing over, cioè i cromosomi si scambiano dei pezzi (ne avviene più di uno lungo il cromosoma). Per chiasma si intende la figura osservata al microscopio mentre il meccanismo è il crossing over. Il crossing over è lo scambio fisico reciproco di segmenti cromosomici localizzati nelle stesse posizioni nella coppia di omologhi.

Genetica mendeliana

La genetica mendeliana studia come i geni vengono trasmessi dai genitori ai figli. Per fare ciò Mendel utilizza il metodo degli incroci controllati, andando ad analizzare dei caratteri facilmente classificabili (su delle piante di pisello odoroso studia il colore del fiore, colore e forma del seme, colore e forma del baccello, lunghezza dello stelo e posizione dei fiori). Attraverso gli incroci controllati si ottengono delle generazioni dette generazioni filiali. A partire dai parentali si ottiene la F1 e poi si prosegue: le piante F1 crescono, raggiungono la maturità e possono essere autofecondate oppure si possono incrociare tra di loro (incrocio) per ottenere la F2 e poi si può ripetere con le generazioni successive.

I parentali nella genetica mendeliana sono linee pure, cioè se in una linea pura si osserva il carattere fiore bianco, il carattere è fissato, cioè si ottiene anche nelle successive generazioni. Il carattere rimane immutato dai genitori ai figli per molte generazioni.

Incrocio di monoibridi

Mendel analizzò la progenie, individuando i caratteri e le diverse classi dove si avevano diversi caratteri, e contò gli individui per ciascuna classe. Analizzando i dati riuscì a fare delle ipotesi sulla trasmissione dei caratteri. Es. forma del seme → questo carattere ha due forme alternative: seme liscio e seme rugoso. Gli incroci dove si considera un solo carattere per volta si dicono incroci di monoibridi. Si prendono i due parentali linee pure, uno liscio e uno rugoso. Nella F1 si hanno tutti i semi lisci. Mendel deduce che nella F1 si manifesta solo uno dei caratteri dei genitori. Nella F2 ricompare il carattere rugoso (nei baccelli i semi sono sia lisci che rugosi) ma in numero minore rispetto al liscio (sono in rapporto di circa 3:1). Fece anche l’incrocio reciproco cioè scambiando i parentali (maschio liscio e femmina rugoso e viceversa) e ottenne gli stessi risultati.

Come può un carattere presente in un parentale scomparire nella F1 e ricomparire nella F2? Le forme alternative del carattere sono ciascuna determinata da un “fattore particellare” che vengono trasmessi alle generazioni successive attraverso i gameti. Oggi si dice che sono i geni a determinare i caratteri, ma quella di prima può essere definita come la definizione mendeliana del gene. Un gene mendeliano è l’unità che determina un carattere.

Mendel ipotizza anche che questi fattori o geni in ciascuna pianta erano presenti a coppie. Oggi si dice che sono presenti due alleli (allele liscio e allele rugoso). Ciascun parentale linea pura contiene una coppia identica dello stesso allele e solo uno si manifesta: si parla di dominanza per il carattere che si manifesta nella F1 e di recessività nel carattere che viene nascosto nella F1.

Come si rappresentano? Il dominante viene indicato con lettere maiuscole e il recessivo con lettere minuscole. I parentali si chiamano omozigote dominante e omozigote recessivo. Le piante della F1 sono monoibridi tutti identici tra loro (Ss) eterozigote (alleli diversi per lo stesso tipo).

Per verificare l’ipotesi si può usare il quadrato di Punnett. Si pensa al contributo dei parentali in termini di gameti prodotti. Le piante F1 producono gameti S e s in egual quantità. Ci sono quindi 4 possibili combinazioni e tutti possono avvenire perché la combinazione è casuale. La combinazione eterozigote è riportata due volte. Lo schema verifica i dati che aveva trovato Mendel perché verifica il rapporto 3:1 tra lisci e rugosi.

Genotipi: 1/4 SS, 2/4 Ss, 1/4 ss
Fenotipi: 3/4 S, 1/4 s

La prima legge – Il principio della segregazione

I due membri di una coppia genica (alleli) segregano (si separano) l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti: metà dei gameti contiene un allele, metà l’altro allele. La progenie viene prodotta mediante combinazione casuale dei gameti prodotti dai due genitori. Per individuare genotipi e fenotipi della generazione F2 si può usare anche lo schema ramificato.
*(S- indica che il genotipo può essere SS o Ss)

Questo schema va interpretato con le leggi della probabilità:

• Probabilità → Numero di volte in cui un dato evento è atteso rispetto al numero totale dei casi. La probabilità di fare 6 lanciando un dado è 1/6.
• Regola del prodotto → La probabilità che due eventi indipendenti si verifichino contemporaneamente è uguale al prodotto delle singole probabilità. La probabilità di avere due 6 lanciando due dadi contemporaneamente è 1/6 x 1/6 = 1/36.
• Regola della somma → La probabilità che si verifichino due o più eventi mutualmente escludentisi (alternativi) è la somma delle singole probabilità. La probabilità di avere un 1 o un 6 è 1/6 + 1/6 = 2/6 = 1/3.

Mendel fece incroci per tutti e 7 i caratteri visti all’inizio, fece la somma di tutti i valori e ottiene un rapporto di circa 3:1. Mendel cerca poi delle conferme a queste sue scoperte.

Prima verifica

Continua a ottenere le generazioni filiali successive e le analizza, arriva fino alla F6 e ottiene la segregazione di caratteri dominanti e recessivi secondo le segregazioni attese. L’autofecondazione delle piante dominanti (3/4 S-) a seme liscio della F2 produce due tipi di progenie perché possono essere sia SS che Ss. La progenie F3 sarà per 1/3 il primo caso e per 2/3 il secondo caso.

Seconda verifica

Fa il reincrocio o test cross. Il test cross è un incrocio tra un organismo a fenotipo dominante ma a genotipo ignoto, con un altro parentale il cui genotipo è omozigote recessivo (parentale tester). Se la pianta a genotipo ignoto è SS, la progenie sarà tutta a fenotipo liscio e avrà genotipo Ss. Se la pianta a genotipo ignoto è Ss saranno 50% piante a fenotipo liscio e 50% a fenotipo rugoso. Tra le due tipologie di progenie c’è un rapporto 1/3:2/3. Si sceglie come tester un ss perché SS maschera il recessivo. In questo modo possiamo invece capire se l’altro è eterozigote o omozigote, perché il contributo di ss è minimo. Il fenotipo che si ottiene dal secondo caso (S e s) sono uguali ai gameti prodotti dal parentale Ss.

Incrocio di diibridi

Negli incroci di diibridi non si usa un solo carattere ma due. Ad esempio nella pianta di pisello, Mendel esamina i caratteri seme liscio e rugoso, e colore verde e giallo. I due parentali sono linee pure: omozigote dominante e omozigote recessivo per entrambi i caratteri. La generazione F1, eterozigote per entrambi i caratteri (doppio eterozigote) ha seme giallo e liscio. Questo indica quale forma dei caratteri è dominante (liscia e giallo).

Fenotipo → è ciò che appare, che si vede. Negli esperimenti mendeliani si usano caratteri che si possono rilevare attraverso un’analisi visiva. Genotipo → è la costituzione genetica dell’individuo in esame per dei caratteri specifici.

Per la F2 Mendel fa due ipotesi alternative:

1. I geni che controllano i due caratteri vengono trasmessi insieme alla progenie, si comportano come se fossero un solo carattere. Quindi si comportano come F2 di un monoibrido e ci si aspetta di trovare un rapporto fenotipico 3:1.
2. I due caratteri vengono ereditati in maniera indipendente. Si calcola il rapporto fenotipico considerando 4 tipi di gameti e tutte le possibili combinazioni. Tutte le combinazioni sono previste con la stessa frequenza. Quali tipi di gameti vengono prodotti e con quale frequenza?

Per ottenere la F2 combino i gameti prodotti. Le combinazioni possibili sono 16. Rapporti fenotipici: 9/16 gialli lisci, 3/16 verdi lisci, 3/16 gialli rugosi, 1/16 verdi rugosi.

La seconda legge di Mendel (I parte)

I geni che controllano caratteri diversi si distribuiscono in modo indipendente l’uno dall’altro durante la produzione dei gameti. In termini più moderni: geni situati su cromosomi diversi si comportano (segregano) in modo indipendente durante la produzione dei gameti. Nella F2 di un diibrido, se le coppie di caratteri vengono ereditate in maniera indipendente, si osservano 4 classi fenotipiche con il rapporto di 9:3:3:1. Questa previsione fu rispettata in tutti gli incroci condotti da Mendel. Questo è il risultato dell’assortimento indipendente dei caratteri nei gameti e della fusione casuale dei gameti.

Per calcolare i rapporti fenotipici della F2 si usa lo schema ramificato. Mendel pubblicò il suo trattato nel 1866 con il titolo: “Esperimenti di ibridazione delle piante”. Il lavoro di Mendel non ottenne grande attenzione nella comunità scientifica del tempo. Nel 1900 tre botanici, Carl Correns, Hugo de Vries e Erich von Tschermak giunsero indipendentemente alle stesse conclusioni. Le teorie genetiche divennero popolari grazie a un biologo inglese, William Bateson che coniò il termine “Genetica” dal termine greco per “generare”.

Locus genico

È la localizzazione specifica di un gene su un cromosoma. Si indica il gene dal punto di vista fisico, il tratto che occupa sul cromosoma. Il gene A controlla uno specifico carattere e ha una specifica localizzazione sul cromosoma. Del gene A esistono diversi alleli, diverse forme o varianti. All’interno di una popolazione esiste una variante del gene A, detto gene o allele selvatico (wild type) e si indica con la lettera A perché è il dominante (la forma funzionale). Nella popolazione la forma A è quella più diffusa. Oltre al gene selvatico esistono nella popolazione diverse forme o varianti di questo gene (es. A₁, A₂, A₃, A₄). Si possono anche chiamare alleli mutanti quando il gene ha perso la sua funzione. A livello molecolare la sequenza di basi è quasi identica tra le varianti tranne una piccola porzione. Allele selvatico e varianti hanno lo stesso locus genico.

Es. il locus white di Drosophila melanogaster. Controlla il colore dell’occhio di Drosophila. L’allele selvatico conferisce il colore rosso, è il più diffuso quindi l’allele dominante. Si rappresenta con w⁺ (la w deriva dall’allele recessivo). w white bianco (è un allele che non funziona, che non conferisce colore all’occhio). Ci sono poi una serie di alleli, varianti che conferiscono caratteristiche intermedi:

• blw blood rosso sangue
• chw cherry rosso ciliegia
• hw honey miele
• aw apricot albicocca

Un diploide possiede al massimo due alleli. Qual è la relazione tra i due? C’è una relazione di dominanza. Si parla di dominanza completa quando tra AA e Aa il fenotipo non è distinguibile (vero per tutti i casi analizzati fin’ora). Nel caso del fiore Anthirrinum majus non si ha dominanza completa. Il rosso non domina completamente sul bianco. Nella F2 compare il fenotipo bianco, rosso ma anche rosa in proporzioni 1/4, 1/4, 2/4. In questo caso si parla di dominanza incompleta. Si ha inoltre un “effetto dose”: servono due dosi per avere il rosso, se c’è n’è solo una si ottiene il rosa.

Nel caso del sistema A B 0 si ha una relazione di dominanza completa ma anche di codominanza. Il gene I è presente in tre forma alleliche: I^A, I^B, i.

• ii → recessivo
• Nel secondo e terzo caso si ha dominanza completa
• Nel quarto caso codominanza

I gruppi sanguigni sono molecole presenti sulla superficie del globulo rosso. Queste molecole sono dette antigeni, e possono venire riconosciute come estranee da un organismo che produrrà un anticorpo. La molecola portata dal gruppo A è diversa da quella del gruppo B. Il gene i controlla la sintesi di un enzima detto glicosiltransferasi, che agisce all’interno del sistema sanguigno, riconosce una molecola che è già presente sulla superficie del globulo rosso. Questa molecola viene definita antigene H. L’antigene H viene riconosciuto dall’enzima e poi modificato.

I prodotti del gene I^A e I^B sono leggermente diversi. L’enzima prodotto dal gene I^A riconosce l’antigene H e ci attacca l’acetilgalattosammina, in modo che l’antigene H diventi un antigene A; il prodotto dell’enzima I^B riconosce l’antigene H e ci attacca il galattosio, quindi diventa antigene B. L’allele i produce un enzima non funzionante, quindi l’antigene H non viene modificato.

Se sono presenti in un individuo i prodotti di entrambi gli alleli (I^A e I^B), entrambi gli enzimi funzionano e producono gli antigeni A e B. Sulla superficie del globulo rosso di una persona AB si avranno sia antigeni A che antigeni B, sono presenti entrambi e nessuno domina sull’altro (per questo si parla di codominanza).

Se un organismo con antigeni A riceve sangue con antigeni B, questi vengono riconosciuti come estranei, si ha una reazione di agglutinazione, che forma dei coaguli che impediscono la circolazione.

Fenotipo Bombay → fu ritrovato in un individuo a Bombay. Non si manifesta il fenotipo classico A B 0 perché manca l’antigene H, quindi non si formano neanche gli A, B o 0.

Genetica mendeliana nell’uomo

L’analisi genetica mendeliana nell’uomo è importante perché permette di associare alcuni fenotipi come caratteri mendeliani semplici (es. malattie genetiche). Serve fare una distinzione:

• Caratteri a base mendeliana semplice → sono quelle variazioni di caratteri che si possono ricondurre ad un singolo gene, che si comporta come un singolo fattore mendeliano. Hanno una variazione discontinua (es. i caratteri di Mendel avevano due varianti).
• Caratteri quantitativi → si distinguono dai primi perché la variazione non è discontinua ma continua (es. il carattere altezza). Il controllo viene esercitato da molti geni. Ciascuno di questi geni esercita un contributo che può essere forte o debole. Vengono influenzati fortemente dall’ambiente (es. dieta).

Caratteri quantitativi: predisposizione a determinate patologie (es. patologie cardiovascolari), titolo anticorpale, pressione sanguigna, peso alla nascita, comportamento, quoziente di intelligenza. Malattie ad eredità mendeliana semplice: anemia (cellule falciformi), emofilia.

Analisi degli alberi genealogici nell’uomo

Permette di studiare l’ereditarietà di un singolo carattere nell’uomo (visto che non si possono fare gli incroci controllati, ma si usano gli incroci già esistenti). Si procede a ritroso. Si può capire:

• Dominanza o recessività