Genetica

Genetica mendeliana e principi dell'ereditarietà

Genetica mendeliana

Caratteristiche di un individuo:

• Caratteri: caratteri ereditabili
• Geni: costituzione genetica di un organismo
• Genotipo: caratteristiche osservabili strutturali e funzionali di un organismo
• Fenotipo: il risultato di un’interazione tra geni e ambiente

Gli esperimenti di Mendel

Oggetto dei suoi esperimenti sono i piselli odorosi perché sono facili da coltivare, danno fiori e frutti nello stesso anno di semina e producono un numero elevato di semi. Normalmente si riproducono per autofecondazione (anche detta selfing).

Nei suoi esperimenti, Mendel impedì l'autofecondazione rimuovendo, prima della produzione del polline maturo, gli stami dal germoglio del fiore in sviluppo. Quindi prelevò il polline dagli stami di un altro fiore e lo sparse sul pistillo del fiore emasculato per effettuare la fecondazione.

Fecondazione incrociata: è la fusione dei gameti maschili (polline) prodotto da un organismo con i gameti femminili (cellule uovo) prodotti da un altro. Una volta avvenuta la fecondazione incrociata, lo zigote svilupperà i semi di pisello. Mendel si procurò 34 varietà di piante di piselli che differivano per un certo numero di caratteri. Ha lasciato fecondare ogni varietà per molte generazioni per essere sicuro che i caratteri che voleva studiare fossero ereditari, identificò quindi le linee pure, ovvero un carattere che rimaneva immutato dai genitori ai figli per molte generazioni.

Selezionò 7 paia di caratteri da studiare negli incroci. Ogni paio influenzava una caratteristica della pianta e le due forme alternative erano facilmente distinguibili:

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

Le leggi di Mendel

1. Principio della dominanza

Dall'incrocio tra due linee pure che differiscono per un solo carattere si ottiene una F1 in cui tutti gli individui manifestano uno solo dei due fenotipi parentali. Questo fenotipo è definito dominante mentre l'altro è recessivo.

2. Principio della segregazione

I due membri di una coppia genica (alleli) segregano l'uno dall'altro durante la formazione dei gameti, metà dei gameti contiene un allele e l'altra metà l'altro allele.

a) Primo esperimento: monobridi. Mendel effettuò incroci tra linee pure di piselli che avevano forme alternative di un singolo carattere (semi lisci e rugosi), con il risultato di una progenie completamente a semi lisci. Successivamente scambiò i genitori ottenendo lo stesso risultato.

Sono incroci eseguiti in entrambi i modi, ovvero femmina a semi lisci x maschio semi rugosi e incroci reciproci: femmina a semi rugosi x maschio semi lisci. Se i risultati di questi incroci sono gli stessi significa che l'ereditarietà del carattere non dipende dal sesso. Il risultato significativo di questo incrocio è che tutti i semi della progenie F1 ottenuta dagli incroci reciproci erano lisci.

b) Secondo esperimento: Mendel piantò questi semi e lasciò autofecondare le piante della F1 per produrre i semi F2. Nella generazione F2 comparvero semi sia lisci sia rugosi nello stesso baccello. Trovò che 5474 semi erano lisci e 1850 rugosi con un rapporto vicino al 3:1. Mendel osservò che nonostante la F1 manifestasse un fenotipo simile a uno dei due genitori, non rappresentava una linea pura: questo distingueva in qualche modo la F1 dal genitore al quale assomigliava.

Ipotesi formulate:

• Le forme alternative del carattere analizzate nell’incrocio sono determinate da fattori ereditari
• Una linea pura contiene una coppia di fattori identici
• Tali fattori si separano l'uno dall'altro nella formazione dei gameti con la stessa probabilità e rimangono distinti negli incroci senza fondersi; perciò ogni individuo della F1 doveva contenere entrambi i fattori parentali, uno per ciascuno dei caratteri alternativi
• L'espressione fenotipica del carattere mancante doveva in qualche modo essere mascherata da quella visibile (dominanza), in questo caso il seme liscio è il carattere dominante mentre il seme rugoso è il carattere recessivo. Oggi vengono chiamati allele dominante e allele recessivo, ovvero le forme alternative di un gene.

Omozigoti sono organismi che contengono due coppie dello stesso specifico allele di un dato gene, possono essere sia omozigoti dominanti che omozigoti recessivi. Gli individui che possiedono due alleli diversi di uno specifico gene sono eterozigoti e avranno un’espressione fenotipica del carattere dominante.

Per rappresentare le combinazioni di tutti i possibili tipi di gameti prodotti da due genitori di un incrocio, si utilizza il quadrato di Punnett o uno schema ramificato: è un metodo per determinare il genotipo incrociando un individuo che esprime il fenotipo dominante x un individuo omozigote recessivo. Se l’individuo è omozigote dominante, si otterranno tutti individui con fenotipo dominante; se invece l’individuo è eterozigote, si otterranno individui con tutte le possibili caratteristiche in un rapporto di 1:1 (o 1:1:1:1 se diibridi).

3. Principio dell'assortimento indipendente

Il principio afferma che i fattori che controllano diverse coppie di caratteri si distribuiscono in modo indipendente gli uni dagli altri.

Mendel effettuò incroci di diibridi, ovvero incroci nei quali sono implicate contemporaneamente due coppie di caratteri alternativi. In particolare, scelse la generazione P con un genitore con entrambe le coppie omozigoti dominanti e un genitore con entrambe le coppie omozigoti recessive, ottenendo una F1 eterozigote con fenotipo uguale al genitore dominante. A seguito dell’autoimpollinazione della F1, nella F2 osserviamo un rapporto 9:3:3:1 tra le quattro possibili classi fenotipiche: semi lisci e gialli (S-Y-), semi lisci e verdi (S-yy), semi rugosi e gialli (ssY-), semi rugosi e verdi (ssyy).

In questo caso, per rappresentare l'incrocio dobbiamo incrociare i gameti aploidi della generazione F1, rappresentando quindi tutti i possibili incroci degli alleli, con 16 risultati. Es. SsYy x SsYy >> SY-Sy-sY-sy x SY-Sy-sY-sy.

Incroci di eterozigoti per tre coppie di alleli: in questo caso il rapporto fenotipico della F2 è 27:9:9:9:3:3:3:1 Triibridi.

Analisi statistica dei dati genetici: test del chi-quadrato

I dati ottenuti dagli incroci genetici sono quantitativi, quindi i rapporti fenotipici osservati nella progenie raramente coincidono esattamente con i rapporti attesi a causa di fattori casuali insiti nei fenomeni biologici. Viene quindi sviluppata un’ipotesi sulla base dei dati osservati e considerata come ipotesi nulla in quanto stabilisce che non vi è una reale differenza tra i dati osservati e i dati attesi. Il test del chi-quadro è essenzialmente un test di bontà dell'adattamento.

Si crea quindi una tabella dove si inseriscono i dati dei numeri effettivamente osservati (o), i dati dei numeri attesi (a), la differenza tra questi due dati (d), la differenza al quadrato (d²), e la differenza al quadrato in rapporto al numero atteso (d²/a). La somma di questi ultimi valori ci indica il valore del chi quadrato (χ²) e considerando i gradi di libertà del test, ovvero il numero di classi -1, possiamo osservare nella tabella di probabilità dove si inserisce il nostro valore chi-quadrato. Il valore della probabilità che troviamo indica la probabilità che la deviazione dei valori osservati da quelli attesi sia dovuta al caso. Il valore non ci dice che l'ipotesi è corretta, ci indica solamente che i dati sperimentali non forniscono un argomento valido da un punto di vista statistico contro l'ipotesi, quindi come regola generale se la probabilità ottenuta è maggiore di 0,05 allora possiamo confermare la nostra ipotesi.

Genetica nell'uomo

Poiché non è possibile per ragioni etiche effettuare incroci programmati sulla specie umana, le modalità di ereditarietà dei caratteri dell'uomo vengono determinate esaminando come il carattere compare negli alberi genealogici di individui che chiaramente manifestano il carattere. Si usa il quadrato per indicare l'uomo e il cerchio per indicare la donna.

Caratteri recessivi

Determinano dei fenotipi mutati a causa di mutazioni con perdita di funzione:

• Albinismo: è dovuto all'omozigosi di alleli recessivi per la mancanza di pigmentazione.
• La frequenza nella popolazione degli alleli recessivi deleteri è generalmente più alta della frequenza degli alleli dominanti deleteri, dato che eterozigoti per gli alleli mutati recessivi non presentano uno svantaggio selettivo significativo, tuttavia individui omozigoti per alleli recessivi svantaggiosi sono generalmente rari.
• Il carattere non si manifesta a ogni generazione.
• Un incrocio tra due eterozigoti produce una progenie che manifesta il carattere con la probabilità di 1/4.
• Individui affetti sono omozigoti per il carattere.
• Se la malattia è rara, la probabilità di avere figli malati aumenta nel caso di consanguineità.
• Il carattere si manifesta in uguale proporzione tra i due sessi.

Caratteri dominanti

Determinano dei fenotipi mutati a causa di mutazioni con acquisto di funzione:

• Nanismo derivato da difetti di crescita delle ossa lunghe e una mutazione dominante del gene FGFR3 sul cromosoma 4. L’omozigosi per la mutazione è letale. È probabile che in un albero genealogico una persona affetta sia eterozigote e che la maggior parte degli incroci relativamente all'allele mutato sia tra un eterozigote e un omozigote recessivo.
• Il carattere generalmente non salta le generazioni.
• Due genitori non affetti non avranno figli affetti.
• Un individuo eterozigote trasmetterà in media il gene mutato a metà della progenie.
• Il carattere si manifesta in uguale proporzione tra i due sessi.

Basi cromosomiche dell'ereditarietà

Basi cromosomiche

• Cromosomi omologhi: coppia di cromosomi che portano informazioni per gli stessi geni, un cromosoma da parte di madre e uno da parte di padre.
• Omogametico (sesso con cromosomi uguali)
• Eterogametico (sesso con cromosomi diversi)
• Cromosomi sessuali
• Autosomi: cromosomi non sessuali.
• Centromero: costrizione lungo ogni cromosoma
• Metacentrico (al centro)
• Submetacentrico (un braccio più lungo dell’altro)
• Acrocentrico (un braccio e una piccola appendice)
• Telocentrico (solo un braccio)
• p= braccio corto
• q= braccio lungo
• Le regioni e le sotto regioni di un braccio sono numerate a partire dal centromero verso il corrispondente telomero

Mitosi e meiosi

Mitosi (1 duplicazione di DNA, 1 divisione citoplasmatica)

Meiosi (1 duplicazione di DNA, 2 divisioni citoplasmatiche)

Profase I

• Leptotene: i cromosomi incominciano ad avvolgersi
• Zigotene: si formano le sinapsi, ovvero formazione lungo i cromatidi di una cerniera detta complesso sinaptinemale che allinea i cromosomi base per base.
• Pachitene: avviene il crossing over.
• Diplotene: le sinapsi si disgregano e i cromosomi iniziano a separarsi. Si formano i chiasmi in corrispondenza dei siti di crossing over i cromosomi si associano strettamente.

Generazione di nuove combinazioni alleliche nella meiosi

• La meiosi produce nuclei aploidi con un numero di cromosomi dimezzato rispetto a quello della cellula diploide che è andata incontro al processo meiotico. La fusione dei nuclei aploidi durante la fecondazione ristabilisce il numero diploide.
• Ogni cromosoma di origine materna o paterna ha identiche probabilità di allinearsi da una parte o dall’altra della piastra equatoriale metafasica. La formula generale per stabilire il numero possibile di combinazioni di appaiamento alla piastra metafisica è 2ⁿ, dove n è il numero di coppie di cromosomi nella cellula diploide.
• Il numero di possibili combinazioni cromosomiche nei gameti risultanti dall’assortimento indipendente dei cromosomi in meiosi è 2ⁿ. Nell'uomo, che ha 23 coppie di cromosomi, sono possibili oltre quattro milioni di combinazioni.
• Il crossing over ha luogo in tutte le meiosi e poiché i siti di crossing over cambiano da una meiosi all'altra, il numero di possibili combinazioni alleliche prodotte da questo processo è estremamente grande.

Ereditarietà legata al sesso

La teoria cromosomica dell'ereditarietà è stata studiata da Morgan nel 1930 tramite esperimenti di genetica in Drosophila. In una delle sue linee pure, Morgan trovò un moscerino con occhi di colore bianco anziché di color rosso mattone caratteristico del selvatico, ovvero ceppo o allele che sia più frequente nella popolazione naturale di quell’organismo. Varianti di un ceppo selvatico originano da cambiamenti mutazionali degli alleli selvatici che producono alleli mutanti, questi possono essere recessivi o dominanti rispetto all'allele selvatico.

Primo esperimento

1. Incrocio del maschio con occhi bianchi (w) con una femmina con occhi rossi (w+w+) proveniente dallo stesso ceppo:

• F1: Avevano tutti gli occhi rossi, incrociando la progenie F1 si ottengono individui con un rapporto 3:1; il fenotipo dell’occhio bianco è recessivo rispetto a quello rosso mattone selvatico.
• Ipotesi: Il gene che determina la variante del colore dell'occhio è localizzato sul cromosoma X. La condizione dei geni localizzati sul cromosoma X nei maschi è definita emizigosi dato che il gene è presente solo una volta nell’organismo e non c'è alcun allele corrispondente sul cromosoma Y.
• Risultati: La trasmissione di questo allele viene passata da un genitore maschio, attraverso una figlia femmina, a un nipote maschio: ereditarietà criss-cross.

Secondo esperimento

2. Incrocio di una femmina con occhi bianchi (ww) proveniente da una linea pura con un maschio con occhi rossi (w+):

• F1: Presenta tutte le femmine con occhi rossi (w+-) e tutti i maschi con occhi bianchi (w), incrociando i moscerini della F1 si ottengono metà individui con occhi rossi e metà con occhi bianchi indipendentemente dal sesso (rapporto 1:1).
• Risultato: Il risultato è differente dal primo esperimento e ci indica la modalità di trasmissione dei cromosomi sessuali legati al cromosoma X: ereditarietà associata al cromosoma X.

Un'ulteriore prova di questa teoria cromosomica dell'ereditarietà proviene dallo studente di Morgan, Bridges, che trovò rare eccezioni al risultato del primo incrocio del secondo esperimento di Morgan, ovvero circa 1/2000 moscerini della F1 era femmina con occhi bianchi (ww) o maschio con occhi rossi (w+).

Ipotesi: È intervenuto un problema durante la segregazione cromosomica nella meiosi, i cromatidi fratelli che dovrebbero muoversi verso i poli opposti in anafase si segregano in maniera errata e si ottiene una non-disgiunzione ottenendo così un uovo con due o con nessun cromosoma X. Questo particolare tipo di non disgiunzione cromosomica è detto non-disgiunzione del cromosoma X, e quando avviene in individui con un normale assetto cromosomico è detta non-disgiunzione primaria.

Primo esperimento

1. Incrocio tra femmina con occhi bianchi (ww) e maschio con occhi rossi (w+):

• Risultati: Si ottengono con rapporto 1:1 individui con XXX non vitali, individui con solo una Y non vitali, individui con XXY femmina con occhi bianchi e individui X0 maschio con occhi rossi. Le classi che sopravvivono sono maschi X0 con occhi rossi senza cromosoma Y e con un allele w+ sull’X e le femmine XXY con occhi bianchi con un allele w su ogni X. (Nel caso dei moscerini, il cromosoma Y non determina il sesso, infatti X0 è maschio, nell'uomo avviene il contrario)
• Ipotesi: La condizione nella quale uno o più cromosomi interi di un assetto cromosomico normale mancano o non sono presenti in sovrannumero è definita aneuploidia.

Secondo esperimento

2. Incrocio tra femmine XXY con occhi bianchi con maschi normali XY con occhi rossi:

• Risultati: 96% si ottenevano individui vitali XX (w+w), XY (w), XYY(w) e XXY(w+w) in rapporto 1:1:1:1. 4% si osservavano individui XXX e YY non vitali e individui XY maschi con occhi rossi e individui XXY femmine con occhi bianchi. Questo risultato ci indica la presenza di una seconda non-disgiunzione chiamata non-disgiunzione secondaria, perché verificata nella progenie di femmine prodotte da una non disgiunzione primaria.
• Ipotesi: Gli esperimenti di Bridges mostrano che questa particolare modalità di ereditarietà era sempre strettamente riconducibile a specifiche classi di aneuploidie X0 e XXY, dimostrando senza dubbi che un fenotipo specifico era associato a uno specifico assetto cromosomico.

Determinazione del sesso

• Determinazione genotipica: nella quale i cromosomi sessuali svolgono un ruolo fondamentale.
• Determinazione genica: non sono coinvolti i cromosomi sessuali.