Genetica mendeliana nell'uomo

Test del chi-quadro e genetica mendeliana nell'uomo

Cosa è il test del chi-quadro

Per effettuare questo test, costruiamo una tabella in cui in corrispondenza dei fenotipi che abbiamo trovato nell’esperienza, scriviamo accanto il numero osservato e quello atteso. Utilizziamo poi questa formula. Il valore di chi-quadro ottenuto, si utilizza poi per determinare la probabilità che la nostra ipotesi sia vera ossia che le differenze osservate siano dovute solo ad oscillazioni sperimentali casuali.

Oltre a questo valore però dobbiamo prendere in considerazione anche un altro parametro cioè il grado di libertà. Questo è dato da:

Gradi di libertà: numero di classi fenotipiche – 1

Per determinare poi la probabilità che ci consente di accettare o rifiutare l’ipotesi, si usa la tabella del chi-quadro, in cui i gradi di libertà sono disposti nella colonna a sinistra (df) mentre i valori di probabilità si trovano nella prima riga in alto. All’interno della tabella ci sono i valori di chi-quadro, associati alle diverse probabilità e i gradi di libertà.

Utilizzo della tabella del chi-quadro

Ad esempio, nell’angolo in alto a sinistra, per 1 grado di libertà, il valore di chi-quadro di 0,004 corrisponde ad un valore di probabilità pari a 0,95 cioè 95%. Nella tabella i valori di probabilità sono decrescenti e al valore di probabilità di 0,05 (con asterisco rosso) è solitamente associata la significatività. Questo è un valore soglia al di sotto del quale l’ipotesi formulata deve essere rifiutata mentre al di sopra di un valore di probabilità del 5% l’ipotesi può essere accettata.

I valori di chi-quadro lungo una stessa riga aumentano mentre i corrispondenti valori di probabilità diminuiscono. Questo significa che tanto più alto è il valore di chi-quadro, tanto minore è la probabilità che i dati osservati si discostino da quelli attesi per il semplice effetto del caso.

Nel nostro esempio il valore di chi-quadro è di 3.43 e i gradi di libertà sono pari a 3 (4 sono i fenotipi ottenuti - 1). Guardando la tabella, sulla riga corrispondente ai 3 gradi di libertà, cerchiamo il valore di chi-quadro che più si avvicina a quello da noi trovato. Quello che lo approssima meglio è 3,67 che corrisponde ad una probabilità di 0,30 o 30% quindi un valore superiore al 5% (valore soglia). Quindi, possiamo concludere dicendo che l’ipotesi da noi formulata è vera cioè le differenze tra i valori osservati e quelli attesi non sono significative perché dovute solo ad oscillazioni casuali per cui accettiamo l’ipotesi.

La genetica mendeliana nell'uomo

Applicazione delle leggi di Mendel nell'uomo

Le cellule diploidi umane possiedono 46 cromosomi cioè 23 coppie di cromosomi omologhi. Di queste, 22 sono presenti in entrambi i sessi e sono le coppie di autosomi mentre la restante coppia cioè i cromosomi sessuali sono rappresentati in modo diverso nei due sessi. Le femmine hanno due cromosomi X mentre i maschi uno X e uno Y (XX e XY). Il termine “autosomi” si riferisce a tutti quei cromosomi che non partecipano alla determinazione del sesso quindi non solo nella nostra specie ma in qualsiasi altra a riproduzione sessuale.

Nell’uomo, moltissimi caratteri sono controllati da singoli geni e questi caratteri si dicono monogenici o monofattoriali. A seconda della localizzazione del gene, si distinguono in:

• Autosomici: se il gene che controlla il carattere si trova su una delle 22 coppie di autosomi.
• Legati al cromosoma X: se il gene che controlla il carattere è localizzato sul cromosoma sessuale X.
• Legati al cromosoma Y: se il gene che controlla il carattere è localizzato sul cromosoma sessuale Y.

Gli alleli dei geni presenti nelle coppie di cromosomi possono essere uguali o diversi e tra gli alleli di uno stesso gene possono esistere relazioni di dominanza e recessività. Benchè l’analisi di ereditarietà dei caratteri nell’uomo sia più complessa di quanto visto nei modelli sperimentali, le regole di segregazione degli alleli e di assortimento dei geni, applicate ai caratteri monogenici, sono identiche a quelle viste sulle piante e animali.

Alberi genealogici

Per mostrare le modalità di trasmissione dei caratteri monogenici nell’uomo, è conveniente costruire gli alberi genealogici. Questi sono dei diagrammi con diversi simboli che illustrano le relazioni esistenti tra i diversi componenti di un nucleo familiare. I simboli usati sono:

• Quadrato: indica individuo di sesso maschile.
• Cerchio: indica individuo di sesso femminile.
• Linea orizzontale: unione tra i due sessi.
• Linea verticale: progenie indicata sotto i due genitori (nei nuclei familiari le diverse generazioni sono indicate con i numeri romani mentre gli individui all’interno del nucleo familiare sono indicati con i numeri arabi).
• Colorati in modo diverso: individui che manifestano il carattere che stiamo analizzando nel nucleo familiare.
• Simbolo colorato a metà: eterozigoti portatori dell’allele recessivo responsabile del carattere in esame.
• Quadrato con una linea sopra: individui deceduti.

In figura è rappresentato l’albero genealogico di una famiglia in cui segrega un carattere autosomico recessivo cioè un gene che localizza su una coppia di cromosomi autosomici con un allele recessivo responsabile del carattere. Essendo recessivo si manifesta solo negli omozigoti. L’individuo 1 della generazione IV e l’individuo 1 della generazione V sono colorati in modo diverso perché manifestano il carattere considerato. L’individuo affetto che viene identificato per primo all’interno della famiglia è detto probando.

Caratteristiche di un albero genealogico per un carattere recessivo

Le caratteristiche di un albero genealogico riferito ad un carattere recessivo sono:

1. Solitamente i genitori dell’individuo affetto non manifestano il carattere in quanto sono eterozigoti e mostrano il fenotipo dell’allele dominante. Dall’incrocio di due eterozigoti Aa, solo ¼ della progenie sarà omozigote aa e manifesterà il carattere dell’allele recessivo.
2. La trasmissione si dice essere di tipo orizzontale cioè il carattere non si manifesta nei genitori e poi nei figli ma solo nei figli.
3. Il carattere, non essendo legato ai cromosomi sessuali, si manifesta indifferentemente in entrambi i sessi.

Riconoscere la segregazione di un carattere recessivo non è facile perché l’allele recessivo può restare nascosto per molte generazioni e manifestarsi solo quando due eterozigoti si uniscono tra loro. Se la frequenza dell’allele recessivo è bassa, gli eterozigoti sono rari e quindi difficilmente possono nascere omozigoti che manifestano il carattere. Questa probabilità può invece aumentare tra consanguigni cioè tra individui imparentati se il carattere è presente in eterozigosi all’interno di una famiglia.

Malattie o caratteri dovuti all'omozigosi di alleli mutati recessivi

Elenco di alcune malattie o caratteri dovuti all’omozigosi di alleli mutati recessivi di geni autosomici. Tra le più conosciute vi è l’albinismo dovuto a mutazioni nei geni coinvolti nella sintesi della melanina che è il pigmento responsabile della colorazione dei capelli e della pelle. Gli individui che manifestano questo carattere hanno capelli bianchi e pelle molto chiara. Vi sono poi l’anemia falciforme e la talassemia (nota anche come anemia mediterranea) entrambe legate a mutazioni sul gene che codifica per la catena β dell’emoglobina.

In figura è invece rappresentato l’albero genealogico di una famiglia in cui segrega un carattere autosomico dominante. Essendo l’allele mutato dominante, il carattere si manifesta sia negli omozigoti AA che negli eterozigoti Aa. Un individuo eterozigote Aa (che presenta quindi il carattere) se incrociato con un individuo sano aa, trasmetterà la malattia al 50% dei suoi figli. Se ad incrociarsi sono invece due individui malati eterozigoti Aa, il carattere si manifesterà nel 75% della progenie cioè sia negli omozigoti AA che negli eterozigoti Aa. Nell’albero mostrato, gli individui che manifestano il carattere sono colorati di rosso e si può notare come in ogni generazione ci sia almeno un individuo affetto. In altre parole, ciascun individuo che manifesta il carattere deve avere almeno uno dei due genitori che manifesta lo stesso carattere, non vi è il salto di generazione. Si dice in questo caso che la trasmissione è verticale, cioè da genitore a figlio, con individui che manifestano il carattere presenti in tutte le generazioni. Anche questo carattere si manifesterà in entrambi i sessi.

Malattie o caratteri dovuti ad alleli dominanti di geni autosomici

Elenco di alcune malattie o caratteri dovuti ad alleli dominanti di geni autosomici. Tra le più conosciute vi è il nanismo acondroplasico dovuto ad un difetto nella crescita delle ossa lunghe ed è dovuto ad una mutazione di un gene detto fgfr3 che è coinvolto nello sviluppo delle ossa.

Estensioni dell'analisi mendeliana

Relazioni tra alleli di uno stesso gene

Fino ad ora abbiamo solo parlato di rapporti di dominanza e recessività tra gli alleli di un gene. Nell’esempio della forma dei semi, abbiamo visto che hanno fenotipo liscio sia gli omozigoti SS che gli eterozigoti Ss. Tuttavia, gli esperimenti di Mendel si erano limitati a considerare solamente quei caratteri che rispondevano a questo tipo di relazione tra gli alleli di un gene. In seguito, quando altri genetisti andarono ad analizzare caratteri diversi da quelli studiati da Mendel, si resero conto che esistono altri tipi di relazioni tra gli alleli di un gene che modificano i rapporti fenotipici attesi secondo le leggi di Mendel.

Oggi sappiamo che, oltre alla dominanza, tra gli alleli di un gene possono esistere altre diverse relazioni, quali: dominanza, semidominanza e codominanza.

• Semidominanza (dominanza incompleta): se uno dei due alleli è parzialmente dominante rispetto all’altro allora l’individuo eterozigote mostrerà un fenotipo intermedio.
• Codominanza: nessuno dei due alleli è dominante sull’altro e quindi l’individuo eterozigote mostra entrambi i fenotipi controllati dai due alleli.

Nel caso della dominanza completa, se uno dei due alleli è dominante e l’altro è recessivo, l’individuo eterozigote mostra il fenotipo dell’allele dominante. Parlando invece di semidominanza, prendiamo come esempio il gene che controlla il colore del fiore Rbocca di leone. Questo gene ha due alleli: C è l’allele del gene che in omozigosi determina il colore del fiore rosso e C è l’allele che in omozigosi determina il colore bianco. Dall’incrocio tra un fiore omozigote per il colore rosso e uno omozigote per il colore bianco si otterrà nella F1 una pianta eterozigote a fiori rosa. Quindi nel caso della semidominanza, il fenotipo dell’eterozigote è intermedio tra quello dei due omozigoti. Allele dominante scritto in lettera maiuscola e in apice l’allele che cambia.

Codominanza e meccanismo molecolare della dominanza

Nel caso della codominanza l’eterozigote mostra i fenotipi di entrambi gli omozigoti. Nell’esempio in figura, il carattere considerato è il colore del mantello del bovino. Con M è indicato l’allele del gene che in omozigosi determina il colore del mantello bianco e con M è indicato l’allele del gene che in omozigosi determina il colore rosso. Incrociando un bovino bianco con un bovino rosso si ottiene, nella F1, un bovino a macchie rosse e bianche in cui si manifestano entrambi i fenotipi controllati dai due alleli.

Che relazione esiste a livello molecolare tra genotipo e fenotipo?

Consideriamo il caso della dominanza completa in cui l’allele mutato recessivo non si manifesta negli eterozigoti. Per prima cosa, nella parte sinistra della figura, vediamo l’omozigote selvatico con i due alleli di tipo wild-type. In questo caso, entrambi gli alleli del gene codificano per una proteina funzionante e quindi si manifesta il fenotipo selvatico. Se guardiamo invece l’omozigote recessivo abbiamo che entrambi gli alleli sono mutati quindi la proteina può o non essere sintetizzata oppure se sintetizzata, può essere alterata nella sua sequenza amminoacidica e non essere quindi funzionante. In questo caso si manifesta il fenotipo recessivo. Negli eterozigoti infine, un allele è mutato ma l’altro è quello di tipo selvatico dominante che codifica per una proteina funzionante che è sufficiente affinché si manifesti il fenotipo wild-type. Si dice, in questo caso, che l’allele dominante è aplosufficiente perché in singola dose è sufficiente a produrre il fenotipo selvatico.

Ad esempio vediamo cosa accade a livello molecolare per quanto riguarda il fenotipo semi lisci e semi rugosi. Questo carattere è controllato dal gene SBE1 che nella sua forma wild-type codifica per una proteina con un’attività enzimatica che è coinvolta nella ramificazione dell’amido contenuto all’interno nei semi (conversione di amilosio che ha catena lineare a amilopectina che ha catena ramificata). L’allele mutato di questo gene codifica per un’enzima non funzionante in quanto la mutazione, in questo caso, consiste nell’inserzione di un elemento trasponibile di 800 paia di basi all’interno del gene che causa un’interruzione della sequenza codificante. La mancata produzione di questo enzima negli omozigoti recessivi ha come conseguenza una ridotta quantità di amilopectina che comporta, con la maturazione del seme, una maggior perdita di acqua e quindi il seme acquisisce l’aspetto rugoso. Negli eterozigoti il singolo allele wild-type, invece, produrrà una quantità sufficiente di enzima per mantenere il fenotipo semi liscio.