Genetica - appunti

Genetica: il metodo sperimentale di Mendel

Per i suoi esperimenti sulla trasmissione ereditaria Mendel scelse la pianta di pisello. Le differenti varietà di piante avevano caratteristiche diverse tra loro; le piante che conservavano sempre gli stessi caratteri di generazione in generazione vennero chiamate linee pure.

L’importanza di Mendel è legata anche all’introduzione di un nuovo tipo di metodo scientifico; effettuando fecondazioni artificiali per incrociare le piante con i caratteri da lui scelti, egli utilizzò un nuovo approccio che comprendeva:

• Mise a punto un’ipotesi di lavoro;
• Studiò i discendenti non solo della prima generazione, ma anche della seconda e di quelle successive;
• Con una logica matematica contò il numero dei discendenti e analizzò i risultati ottenuti;
• Organizzò i suoi dati in modo tale da rendere la loro valutazione semplice e oggettiva.

La legge della segregazione

In seguito alle sue prime osservazioni Mendel identificò sette caratteri che mostravano, nelle diverse varietà di piante, due aspetti differenti. Una varietà, per esempio, produceva sempre semi gialli, mentre un’altra produceva sempre semi verdi; in una varietà i semi maturi avevano un aspetto rugoso, mentre in un’altra varietà erano lisci, e così via.

Mendel eseguì sperimentalmente gli incroci asportando le antere contenenti il polline di un fiore e cospargendo i suoi stigmi col polline prelevato da un fiore di una varietà diversa; il fiore privo di antere e quello da cui viene prelevato il polline costituiscono la generazione P: la generazione parentale.

Mendel trovò che, per ogni carattere, nella prima generazione F1, ossia la prima generazione filiale, tutti i figli mostravano solo uno dei due caratteri presenti nei genitori; l’altro carattere era scomparso. I caratteri che comparivano nella generazione F1 in seguito all’incrocio di due linee pure furono chiamati da Mendel dominanti.

Mendel si chiese che cosa fosse successo ai caratteri scomparsi; egli lasciò che le piante della F1 si autoimpollinassero, permise cioè ai gameti maschili fecondare quelli femminili dello stesso fiore e vide che i caratteri scomparsi nella prima generazione riapparivano nella seconda generazione F2. Questi caratteri, presenti nella generazione parentale e ricomparsi poi nella F2, dovevano in qualche modo essere ancora presenti nella generazione F1, Mendel chiamò questi caratteri recessivi.

I caratteri dominati e recessivi compaiono nella F2 nel rapporto 3:1. Ogni unità ereditaria era costituita da due componenti; ciascuna componente di ogni coppia poteva manifestarsi oppure no, ma era comunque presente e poteva essere trasmessa alla generazione successiva. Le componenti delle unità ereditarie furono definite da Mendel fattori discreti.

Nelle cellule le due componenti di ogni unità, ereditate una dal padre e una dalla madre, si trovavano insieme a formare una coppia, ma si separavano di nuovo quando le piante della F1 producevano i gameti formando due tipi di cellule sessuali.

Conseguenze della segregazione

Possono esistere forme alternative di uno stesso gene alle quali corrisponde un determinato carattere: queste forme alternative si chiamano alleli. In un organismo ci possono essere tre combinazioni dei due alleli relativi a un carattere; se i due alleli sono uguali (ad esempio, GG o gg), allora l’organismo è detto omozigote per quel particolare carattere, mentre, se i due alleli sono diversi tra loro (per esempio, Gg), l’organismo è detto eterozigote per quel carattere. Quando i due gameti si fondono dando origine allo zigote, gli alleli si trovano di nuovo in coppie.

Se i due alleli di una coppia sono uguali, il carattere che essi determinano sarà espresso, cioè si manifesterà; se, invece, gli alleli sono diversi, uno può essere dominante rispetto all’altro. Un allele dominante rende manifesto il suo carattere nella condizione eterozigote e in quella omozigote; viceversa, un allele recessivo è quello che determina il manifestarsi del carattere a esso corrispondente soltanto nella condizione omozigote. Il modo in cui un gene si manifesta in un organismo determina il suo fenotipo; il fenotipo viene indicato dalle caratteristiche osservabili.

Anche se un allele recessivo non è rappresentato nel fenotipo, nella condizione eterozigote esso è comunque presente nell’assetto genetico, o genotipo.

Come si determina il genotipo dei discendenti

Uno dei modi più semplici per prevedere i tipi di discendenti che si possono produrre da tale incrocio è uno schema chiamato quadrato di Punnett. Per impostare un quadrato di Punnett bisogna scrivere in alto, sopra la tabella, i possibili alleli presenti nei gameti di uno dei due genitori e, in verticale a sinistra della tabella, i possibili alleli dell’altro genitore (si trovano grazie alla tabella, il rapporto genotipico e il rapporto fenotipico).

Testcross

Il testcross è un incrocio sperimentale tra un individuo con fenotipo dominante e genotipo sconosciuto per un dato carattere e un altro individuo con fenotipo recessivo. Nella prole può comparire un solo fenotipo oppure ne possono comparire due; nel primo caso l’individuo con il fenotipo dominante sarà probabilmente omozigote, mentre nel secondo caso sarà eterozigote per il carattere in questione.

Legge dell'assortimento indipendente

Mendel prese in considerazione gli incroci tra piante di pisello che differivano per due caratteri: un genitore produceva semi lisci e gialli e l’altro rugosi e verdi. I caratteri “liscio” e “giallo” sono dominanti, mentre “rugoso” e “verde” sono recessivi. Tutti i semi prodotti dall’incrocio tra queste linee pure parentali risultarono gialli e lisci. Erano dunque comparse nuove combinazioni di caratteri. In base ai risultati ottenuti, Mendel formulò la legge dell’assortimento indipendente: in un incrocio, prendendo in considerazione una coppia di caratteri alla volta, si ottiene una prima generazione costituita interamente da individui eterozigoti che manifestano entrambi i caratteri dominanti.

Incrociando poi tra loro questi individui si ottiene una seconda generazione costituita da individui che presentano nuove combinazioni di caratteri in proporzioni definite.

Malattie autosomiche causate da un allele recessivo

Le malattie recessive portate dagli autosomi (ossia tutti i cromosomi che non sono sessuali) in genere si manifestano solo se sono presenti nel genotipo in forma omozigote.

• La fenilchetonuria; agli individui affetti da questa malattia, manca un enzima, la fenilalanina idrossilasi, indispensabile per la demolizione dell’amminoacido fenilalanina. Quando questo enzima è assente o difettoso, la fenilalanina e i prodotti animali derivanti dalla sua scissione si accumulano nella corrente sanguigna e nell’urina. Queste sostanze sono molto dannose per le cellule del sistema nervoso degli embrioni e dei neonati e per questo danno luogo a un grave ritardo mentale.
• Il morbo di Tay-Sachs; gli omozigoti per il morbo di Tay-Sachs appaiono normali alla nascita e per i primi mesi. Tuttavia, a circa otto mesi compaiono i primi sintomi di una forte apatia, alla quale segue una forma di cecità. Gli individui omozigoti sono privi di un enzima che demolisce un particolare lipide. Nel bambino privo di questo enzima, i lisosomi delle cellule cerebrali si riempiono di questo lipide, si gonfiano, e le cellule cerebrali muoiono.
• Anemia falciforme e anemia mediterranea. L’anemia falciforme è provocata da globuli rossi a forma di falce contenenti un’emoglobina anomala. La forma particolare di questi globuli rossi rende difficoltosa la loro circolazione e provoca occlusioni nei vasi sanguigni; di conseguenza si manifestano diversi sintomi quali debolezza, dolori, febbre… L’anemia mediterranea, nota anche come talassemia, è causata da globuli rossi microcitici (molto piccoli) che non sono in grado di sintetizzare emoglobina (nella forma eterozigote è di solito asintomatica, ma in quella omozigote presenta sintomi come debolezza, pallore, febbre…).
• La fibrosi cistica è una malattia genetica che colpisce le cellule specializzate nella secrezione con conseguente produzione di un muco denso che finisce nei polmoni. I tessuti polmonari vengono lesionati e ciò rende problematica la respirazione.
• L’albinismo, ossia l’assenza di pigmento nelle cellule della pelle, dei capelli e degli occhi, è provocato dall’incapacità di produrre un pigmento scuro chiamato melanina. Le persone affette da questa malattia hanno la pelle estremamente pallida, capelli bianchi e occhi privi di pigmento.

Malattie autosomiche causate da un allele dominante

Le malattie causate da un allele dominante sono:

• La corea di Huntington, una malattia progressiva che porta alla distruzione delle cellule cerebrali e alla morte dell’individuo dopo 10-20 anni dalla comparsa dei primi sintomi.
• Il nanismo acondroplastico; gli individui che ne sono affetti hanno una statura molto bassa, mostrano un viso caratterizzato da una fronte sporgente, hanno inoltre arti molto corti.

Mutazioni

In una pianta analizzata da un botanico olandese, a volte appariva un carattere che non era presente in nessuno dei due genitori né in alcun antenato di quella particolare pianta. Egli ipotizzò che tali caratteri comparissero in seguito a improvvisi cambiamenti avvenuti nei geni e che le caratteristiche determinate da un gene modificato fossero poi trasmesse come ogni altro carattere ereditario. Questo botanico chiamò questi bruschi cambiamenti ereditari mutazioni e gli organismi che li presentavano furono detti mutanti.

Dominanza incompleta e codominanza

Incrociando una pianta di bocca di leone con i fiori rossi con un’altra con fiori bianchi si producono eterozigoti di colore rosa. Questo fenomeno, in cui il fenotipo dell’eterozigote mostra caratteristiche intermedie tra quelle dei due omozigoti, è detto dominanza incompleta. In altri casi, al contrario, gli alleli possono manifestare il fenomeno della codominanza, con organismi eterozigoti che non mostrano fenotipi intermedi, ma esprimono contemporaneamente entrambi i fenotipi omozigoti.

Alleli multipli

In una popolazione di organismi possono essere presenti più di due forme alleliche per uno stesso gene; si hanno perciò alleli multipli. Negli esseri umani i quattro principali gruppi sanguigni (A, B, AB, e 0), cioè i quattro fenotipi per questo carattere, sono determinati dalle combinazioni dei tre alleli (A, B, e 0) di un unico gene. Il fenotipo dei gruppi sanguigni consiste in particolari polisaccaridi, chiamati A e B, che si trovano sulla superficie dei globuli rossi; nel plasma sanguigno sono inoltre presenti delle particolari proteine, gli anticorpi.

I globuli rossi di un individuo possono avere sulla loro superficie un solo tipo di polisaccaride (come accade per i gruppi A e B), possono averli entrambi (nel caso del gruppo AB), oppure nessuno dei due (gruppo 0). Queste caratteristiche del fenotipo sono determinate dal fatto che gli alleli A e B sono codominanti, mentre l’allele 0 è recessivo; così, gli individui con gruppo sanguigno di tipo A hanno o due alleli A oppure un allele A e uno 0, e i loro globuli rossi portano il polisaccaride A.

Il plasma di queste persone non contiene anticorpi contro il polisaccaride A, ma possiede anticorpi contro il polisaccaride B; perciò essi possono ricevere sangue di gruppo sia A sia 0, ma non di gruppo B o AB. Gli individui con sangue di tipo B hanno il polisaccaride B sui loro globuli rossi, e possiedono anticorpi contro il polisaccaride A, quindi possono ricevere sangue solo da gruppi B o 0. Gli individui con sangue di tipo AB hanno entrambi i polisaccaridi, ma nessuno dei due anticorpi (A e B) e, pertanto, possono ricevere sangue da qualunque donatore. Gli individui di gruppo 0 non hanno nessuno dei due polisaccaridi, ma hanno sia gli anticorpi A e B; possono ricevere sangue solo dal gruppo 0, ma possono donare sangue a chiunque e vengono infatti definiti donatori universali.

Interazioni tra alleli di due geni

Talvolta, quando un carattere è influenzato da due geni differenti, può apparire un fenotipo del tutto nuovo. In altri casi, invece, l’interazione genica non produce alcun nuovo fenotipo, ma un gene può interferire con un altro mascherandone gli effetti. Questo tipo di interazione è detta epistasi.

Interazioni tra alleli di più geni: eredità poligenica

Alcuni caratteri, come la statura, il colore della pelle, il comportamento, sono l’esito complessivo degli effetti combinati di molti geni; questo fenomeno è detto eredità poligenica. Un carattere che risente dell’azione di più geni presenta una gradazione di lievi differenze che è detta variazione continua. Alcune di queste variazioni di altezza sono provocate da fattori ambientali, per esempio l’alimentazione. Questa variabilità dipende da differenze geneticamente determinate nella produzione di ormoni, nella formazione delle ossa e in parecchi altri fattori.

Effetti multipli di un singolo gene

La maggior parte dei caratteri è influenzata da un certo numero di geni differenti, ma spesso accade che un singolo gene possa avere molteplici effetti sul fenotipo di un organismo: questo fenomeno è detto pleiotropia (ad esempio anemia falciforme).

Geni e ambiente

L’espressione di un gene è sempre il risultato della sua interazione con l’ambiente. Un fattore ambientale che spesso influisce sull’espressione genica è la temperatura.

Eredità mendeliana

Lo studio dei caratteri mendeliani nell’uomo viene effettuato attraverso lo studio dei pedigree.

Albero genealogico o pedigree → figura che rappresenta in modo schematico individui con almeno un ascendente in comune, i loro discendenti, i loro coniugi e le relazioni di parentela che intercorrono tra di essi.

• Per accertare le modalità di trasmissione di un carattere ereditario.
• Nella consulenza genetica (es. per calcolare il rischio di generare figli affetti o il rischio di sviluppare una determinata malattia genetica).

Carattere autosomico

• Carattere determinato da un gene il cui locus è posto sui cromosomi autosomici.

Carattere legato al sesso (X-linked)

• Carattere determinato da un gene il cui locus è posto sui cromosomi sessuali (X o Y).

Anche se secondo la regola generale i modelli di disordine a singolo gene possono essere classificati come autosomici o legati alla X e come dominanti o recessivi, il modello di ereditarietà di un albero genealogico individuale può essere oscurato da un numero di altri fattori che possono rendere il tipo di eredità difficile da interpretare: le difficoltà diagnostiche possono verificarsi a causa:

• della variabilità (espressività variabile);
• dell’assenza dell’espressione del gene preso in considerazione (penetranza incompleta);
• dell’interazione con altri geni, ecc.

Eredità autosomica dominante

• Nella malattie Autosomiche Dominanti si utilizza la lettera MAIUSCOLA per indicare l’allele che dà la malattia.
• Basta un solo allele dannoso per dare origine ad un fenotipo affetto.
• Gli affetti possono essere: Omozigoti dominanti (AA) Eterozigoti (Aa).
• Se entrambi i genitori sono affetti (Bb) da una malattia autosomica dominante, allora il 75% dei figli sarà affetto (BB o Bb) e il 25% sarà omozigote normale.
• È raro che un soggetto affetto da una malattia autosomica dominante sia omozigote per il gene che dà la malattia.
• Il carattere si presenta in tutte le generazioni, senza apparenti “salti di generazione”.
• Il carattere non dipende dal sesso (in quanto il carattere è autosomico). Quindi: - Maschi e femmine sono ugualmente affetti - Il carattere è trasmesso da entrambi i genitori con uguale probabilità ai figli.
• Ogni persona affetta in genere ha almeno un genitore affetto.
• Gli individui affetti sono generalmente eterozigoti in quanto gli omozigoti affetti sono molto più rari.
• Il carattere viene trasmesso da un genitore affetto in teoria alla metà (50%) dei figli.
• Le persone sane hanno solo figli sani.

Acondroplasia (parte delle osteocondrosplasie)

• OMIM 100800
• Alterazioni sviluppo tessuto osseo, con anomalie dimensioni e forma degli arti, tronco, cranio.
• Tipiche caratteristiche facciali.
• Megalocefalia e bozze frontali prominenti.
• Arti corti e mani corte e tozze.
• Altezza media maschi adulti: 131 cm.
• Altezza media femmine adulte: 124 cm.
• Intelligenza normale.
• Penetranza completa (tutti gli individui con la mutazione sono affetti).
• L’80% dei casi è dovuto a mutazioni “de novo”: una sostituzione G→ A che sostituisce l’aminoacido glicina con l’arginina.

Sindrome di Marfan

• Mutazione nel gene della fibrillina, principale componente delle microfibrille extracellulari.
• Sistemi colpiti: tessuti connettivi (sistema scheletrico deformità osse vertebre e sterno, dita mani lunghe e sottili).
• Occhio (miopia grave e dislocazione del cristallino).
• Cuore (insufficienza valvolare, dilatazione della radice dell’aorta).
• Un soggetto affetto può presentare uno solo o più dei suddetti segni malattia.
• Esempio di espressività variabile.
• Es: neurofibromatosi di tipo I (gene sul cr.17): A.D