Fondamenti di genetica

Fondamenti di genetica

Terminologia genetica

- Carattere = caratteristica di un individuo trasmessa di generazione in generazione.

- Alleli = forme diverse di un gene (chiamato anche fattore mendeliano).

- Locus = sito cromosomico di localizzazione del gene.

- Generazione P = generazione parentale in un incrocio.

- Generazione F1 = prima generazione filiale derivante dalla generazione P.

- Generazione F2 = seconda generazione filiale derivante dalla generazione F1.

- Genotipo = costituzione genetica di un organismo omozigote (dominante o recessivo) o eterozigote.

- Fenotipo = manifestazione fisica di un carattere determinata dal genotipo.

- Linea pura = carattere invariato dal genitore al figlio per generazioni (omozigosi per l’allele).

Genetica mendeliana

La genetica mendeliana prende il nome da Gregor Johann Mendel, che fondò questa scienza nel 1854. Utilizzò un approccio sperimentale che consisteva nell'analisi di un carattere alla volta, effettuando incroci controllati tra linee con differenze discrete e visibili nei caratteri ereditari. Utilizzò infatti delle linee pure di pisello odoroso, che fece autofecondare tra di loro.

Come funziona l’autofecondazione?

Prese due piante di pisello odoroso, rimosse gli stami dal fiore 1 prima che il polline venisse prodotto, lasciando però il pistillo e l'ovario (ossia i gameti femminili); poi raccolse il polline delle antere mature del fiore 2 (ossia i gameti maschili). Infine effettuò una fecondazione incrociata trasferendo il polline dagli stami al pistillo. È un metodo utile per determinare un genotipo di fenotipo dominante.

• Colore del fiore e rivestimento del seme (grigio e porpora / bianco e bianco)
• Colore del seme (giallo / verde)
• Forma del seme (liscio / rugoso)
• Colore del baccello (verde / giallo)
• Forma del baccello (pieno / irregolare)
• Lunghezza dello stelo (lungo / corto)
• Posizione dei fiori (assiale / terminale)

Incrociando monoibridi (incroci tra linee pure con forme alternative di un singolo carattere) Mendel formulò il principio della segregazione. Nella generazione parentale egli aveva incrociato una linea pura di pisello che produceva semi lisci con una che produceva semi rugosi. Tutti i semi della progenie F1 erano lisci. Da qui il principio di uniformità della F1, ossia che tutti i figli di genitori di linee pure sono simili tra loro.

Quando le piante ottenute dai semi F1 venivano autofecondate, si produceva una progenie F2 costituita da semi sia lisci che rugosi. Generalmente, entrambi i tipi di semi si ritrovavano nello stesso baccello. Nei suoi esperimenti Mendel contò alla F2 5474 semi lisci e 1850 semi rugosi, ottenendo così un rapporto di 2,96:1. Si può quindi osservare che il genitore della F1 è diverso da P, in quanto F1 non è una linea pura: quindi avremo nella generazione parentale due fattori identici (SS e ss), mentre nella F1 due fattori diversi (Ss), perciò ci saranno fattori in forme alternative che sono trasmissibili alla progenie.

Questi diversi fattori prendono il nome di alleli e si dividono in “dominanti” e “recessivi”. Un allele dominante maschera l’effetto degli alleli recessivi, mentre l’allele recessivo è mascherato dalla presenza di alleli dominanti.

I risultati degli incroci reciproci erano sempre gli stessi. Tutta la F1 era simile ad una delle due linee pure parentali, dimostrando quindi la dominanza di un allele sull’altro. Nella F2 però ricompariva il carattere parentale scomparso nella F1; il carattere manifestato nella F1 (dominante) compariva sempre nella F2 con una frequenza di circa 3 volte rispetto all’altro (recessivo).

Il principio della segregazione dice quindi che i caratteri recessivi, mascherati alla F1 di un incrocio tra due linee pure, ricompaiono alla F2 in proporzioni definite (rapporto 3:1). I membri di una coppia genica, gli alleli, segregano (si separano) l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti in meiosi. Metà dei gameti contiene un allele, mentre l’altra metà contiene l’altro allele: ogni gamete porta solo 1 allele e la progenie sarà prodotta mediante la combinazione casuale di questi gameti.

Per confermare il principio della segregazione si arriva ad autofecondare le piante fino alla generazione F6 (il principio infatti è valido indipendentemente dal numero delle generazioni implicate). L'incrocio tra due piante con semi lisci SS origina linee pure, mentre tra due piante con semi lisci Ss originano piante con un rapporto 3:1 (come nella F1). Due genotipi diversi originano stesso fenotipo dominante. Ogni pianta contiene due fattori e ogni gamete uno solo, la cui combinazione casuale produce progenie nelle proporzioni osservate.

Si può usare anche un altro metodo: l'incrocio di prova. È un incrocio tra un individuo con fenotipo dominante e un omozigote recessivo. Se il genitore 1 è SS, tutti i semi della progenie sono lisci. Se invece il genitore 1 è Ss, 1/2 dei semi della progenie è liscio e 1/2 è rugoso.

Incrociando diibridi (incroci tra linee pure con due coppie di caratteri alternativi) Mendel riuscì a formulare un secondo principio, ossia quello dell’assortimento indipendente. Questo incrocio, realmente effettuato, coinvolge due paia di caratteri del pisello, liscio/rugoso e giallo/verde. I fattori che controllano diverse coppie di caratteri si distribuiscono in modo indipendente gli uni dagli altri. Coppie di alleli per geni situati su cromosomi diversi segregano indipendentemente durante la formazione dei gameti. Quindi nella generazione F2 avremo un rapporto fenotipico di 9:3:3:1 di liscio-giallo : liscio-verde : rugoso-giallo : rugoso-verde.

Incrociando triibridi, quindi avremo 3 coppie di caratteri, avremo la partecipazione di 8 gameti materni/paterni e la possibilità di ottenere 64 combinazioni. Nella F2 il rapporto fenotipico sarà di 27:9:9:9:3:3:3:1.

Teoria cromosomica dell’ereditarietà

È importante aver chiara l’organizzazione cromosomica degli organismi aploidi e diploidi. Gli aploidi (N) hanno una copia di materiale genetico ripartito in cromosomi. I diploidi (2N) hanno invece due copie di materiale genetico ripartito in cromosomi. I cromosomi omologhi sono i componenti di una coppia cromosomica, ognuno derivato da un genitore.

Per quanto riguarda il ciclo cellulare di una cellula eucariotica, questo ha durata di 24 ore, anche se la lunghezza del ciclo in realtà varia molto a seconda dell’organismo e del tipo di cellula. Il ciclo cellulare è generalmente costituito da 4 fasi: G1, S, G2 e M.

La mitosi è un processo per cui i nuclei figli hanno stesso numero cromosomico e sono geneticamente identici tra loro e con il nucleo del genitore. Avviene sia in cellule aploidi che in quelle diploidi. È costituita da cariocinesi e citocinesi: la prima è la divisione del nucleo, la seconda la divisione del citoplasma. Generalmente comprende diverse fasi:

1. Inizio della profase: i centrioli si separano. I cromosomi si accorciano, si ispessiscono e diventano visibili mentre il nucleolo inizia a scomparire.
2. Profase intermedia: i centrioli continuano a separarsi. Incomincia a formarsi il fuso mitotico. I cromosomi replicati diventano visibili.
3. Profase avanzata: i centrioli raggiungono i poli opposti del nucleo. Inizia a formarsi il fuso mitotico. La membrana nucleare incomincia a dissolversi.
4. Metafase: la membrana nucleare si è dissolta. I cromosomi replicati, tenuti uniti dal centromero, si allineano sulle fibre del fuso in posizione equatoriale rispetto alla piastra metafasica.
5. Inizio dell’anafase: i centromeri si dividono e i cromosomi figli iniziano a migrare ai poli opposti.
6. Anafase avanzata: le due serie di cromosomi figli si avvicinano ai poli. Ha inizio la citocinesi.
7. Telofase: iniziano a ricostituirsi le membrane nucleari. I cromosomi si allungano e diventano meno visibili. Si riforma il nucleolo e la citocinesi prosegue.
8. Interfase: la citocinesi è completata, i cromosomi sono allungati e non sono più visibili. I cromosomi e i centrioli si replicano prima della fine dell’interfase.

Il ciclo cellulare dal punto di vista dei cromosomi comprende nella fase G1 la preparazione della cellula per la sintesi del materiale genetico. Nella fase S avviene la duplicazione del materiale genetico, quindi alla fine della fase S ogni cromosoma sarà costituito da due cromatidi, detti cromatidi fratelli. Ogni cromatidio conterrà una singola doppia elica di DNA. In G2 la cellula si prepara a dividersi e nella fase M, ossia la mitosi, i cromosomi altamente condensati si andranno a dividere e avremo 92 cromosomi che si andranno a dividere nelle due cellule figlie. Le due cellule figlie conterranno ognuna 46 cromosomi (per quanto riguarda l’uomo).

La meiosi invece è quel processo di divisione cellulare che porta alla formazione di cellule apolidi per la linea germinale (gameti). Il materiale cromosomico si raddoppia una volta e la cellula si divide due volte. È un processo fondamentale per garantire la conservazione dello stesso numero di cromosomi all’interno di ogni specie. Nella meiosi I i membri di ogni coppia di cromosomi omologhi si uniscono, poi si separano e vengono distribuiti in nuclei distinti (da 2n ad n riduzionale). Nella meiosi II i cromatidi che costituiscono ciascun cromosoma omologo si separano e vengono distribuiti ai nuclei delle cellule figlie (equazionale). Un processo importante che avviene nella profase I è il crossing-over, che consiste nella rottura e nello scambio di cromatidi e la loro successiva ricongiunzione.

I punti importanti della meiosi sono quindi:

• Produzione di cellule aploidi
• Crossing-over nella profase I (durante l’appaiamento tra i cromosomi omologhi, le tetradi = insieme di cromosomi omologhi in sinapsi costituito da 4 cromatidi, può avvenire uno scambio reciproco di parti tra cromosomi omologhi)
• Assortimento casuale dei cromosomi omologhi (I divisione) e dei cromatidi fratelli (II divisione) con formazione di nuove combinazioni