Appunti di genetica

Genetica

La genetica è la branca della biologia e della scienza che studia le caratteristiche del patrimonio genetico e che si occupa dei meccanismi dell'ereditarietà, dell'effetto dei geni sull'organismo e sui sistemi di regolazione genetica all'interno di ogni cellula.

Vocabolario

• Gene: Porzione di DNA che occupa una specifica posizione su un cromosoma, detta locus.
• Allele: Una o più forme alternative di un gene, ognuna con una sequenza nucleotica ben specifica.
• Eterozigote: Organismo che possiede due alleli diversi per un determinato locus (Aa). Ibrido è sinonimo di eterozigote.
• Omozigote: Organismo che possiede un solo tipo di allele per un locus (AA oppure aa).
• Allele selvatico (o wild type): Allele più frequente in una determinata popolazione.
• Genotipo: Somma totale dell’informazione genetica contenuta in un organismo.
• Fenotipo: Le caratteristiche osservabili in un individuo, risultanti dall'interpretazione tra genotipo e ambiente in cui avviene lo sviluppo.

Mendelismo

Gregor Mendel

Gregor Mendel fu il primo a porsi l’obiettivo di studiare le regole che governano l'ereditarietà dei caratteri. Nasce a Heinzendorf in Boemia (nell’attuale Repubblica Ceca) nel 1822. Sacerdote nel Monastero agostiniano di Brno, studia all’Università di Vienna. Nel 1856 inizia gli esperimenti sulle piante di pisello e pubblica i risultati nel 1866 sugli Atti della Società di Storia Naturale di Brno. Nel 1871 assume incarichi amministrativi e muore nel 1884. I suoi esperimenti saranno ripetuti solo all'inizio del 1900.

Ereditarietà per mescolamento

Prima di Mendel si pensava che questa fosse la motivazione dell’ereditarietà dei caratteri. Es. un fenotipo bianco e un fenotipo nero danno origine a un fenotipo grigio.

Pisum Sativum

Mendel ha fatto una serie di incroci con i Pisum sativum andando alla ricerca di quei caratteri che potevano essere sottoposti a una serie di regole ben precise. Senza saperlo è quindi arrivato a selezionare dei caratteri monogenici, cioè caratteri controllati da un singolo gene, per avere una risposta più prevedibile possibile. Il Pisum sativum si riproduce per autofecondazione quindi in questa pianta è estremamente facile ottenere le linee pure. Le linee pure sono piante che presentavano un carattere costante nel corso delle generazioni, ad esempio piante di pisello che a ogni generazione producevano fiori viola, oppure piante di pisello che producevano sempre semi lisci o sempre semi gialli.

Per ottenere le linee pure si devono incrociare gameti maschili e femminili prodotti dalla stessa pianta. Mendel aveva incrociato una linea pura di pisello che produceva semi lisci con una linea pura che produceva semi rugosi. Tutti i semi della progenie F1 erano lisci.

Quando le piante ottenute dai semi F1 erano autofecondate, si produceva una progenie F2 costituita da semi sia lisci che rugosi. Generalmente, entrambi i tipi di semi si ritrovavano nello stesso baccello. I semi lisci e rugosi avevano un rapporto di 2,96:1.

Nel secondo esperimento Mendel non si è limitato a osservare l’autofecondazione ma è intervenuto manualmente interrompendola e spostando i pollini di una pianta sugli ovociti dell’altra e viceversa. Avendo fatto questa fecondazione incrociata nell’F1 è andato a osservare cosa succede nell’F2 e si ottiene un rapporto fenotipico relativamente alla forma del seme, ¾ di piselli lisci e ¼ di piselli rugosi.

Le prime 3 conclusioni di Mendel:

• Fattori unitari in coppie: I caratteri genetici sono controllati da fattori unitari che si trovano in coppie (alleli) nei singoli organismi.
• Dominanza-recessività: Quando sono presenti due fattori (alleli) diversi, responsabili di una singola caratteristica, uno sarà espresso nel fenotipo (dominante) e l’altro mascherato (recessivo).
• Segregazione: Durante la formazione dei gameti, i fattori unitari presenti in coppie si separano a caso (segregano) così ciascun gamete riceve l’uno o l’altro con uguale probabilità (pari a 1/2).

Prima legge di Mendel – Legge della Dominanza

Mendel definì:

• Dominanti i caratteri che comparivano sempre
• Recessivi i caratteri che sembravano scomparsi, ma che in realtà erano mascherati dal carattere dominante.

Esperimento: Mendel eseguì diverse serie di incroci. Per ciascun carattere scelse piantine di linea pura per forme opposte del medesimo carattere (linea pura di seme liscio e linea pura di seme rugoso) ed effettuò una fecondazione incrociata: raccolse il polline da un ceppo parentale e lo mise sullo stigma (l’organo femminile) dei fiori dell’altro ceppo, ai quali preventivamente aveva tolto le antere (gli organi maschili), in modo che la pianta ricevente non potesse autofecondarsi. Queste costituivano la generazione parentale, indicata con P.

I semi e le nuove piante da essi prodotte costituivano la prima generazione filiale o F1. Gli individui di questa generazione possono esser definiti ibridi in quanto figli di organismi che differiscono per uno o più caratteri. Mendel e i suoi aiutanti esaminarono tutte le piante di F1 per vedere quali caratteri presentavano e poi annotarono il numero di piante di F1 che mostravano ciascun tratto.

Mendel elaborò la sua prima legge, detta anche legge della Dominanza: gli individui ibridi della generazione F1 manifestano solo uno dei tratti presenti nella generazione parentale.

La primavera seguente Mendel coltivò le piantine della generazione F1 ed eseguì una seconda serie di esperimenti. Ognuna di queste piante fu lasciata libera di autoimpollinarsi e produrre i semi di una nuova generazione che chiameremo seconda generazione filiale o F2. Di nuovo, furono descritte e contate le caratteristiche di tutte le piante F2. In tutti gli incroci eseguiti, Mendel notò due dati importanti.

• Il tratto che non si era espresso (cioè non si era manifestato) nella generazione F1 ricompariva nella generazione F2. Quindi, nel caso del carattere «forma del seme» ricompariva il tratto rugoso che nella generazione F1 sembrava sparito. Questo fatto portò Mendel a concludere che il tratto a seme liscio fosse dominante su quello a seme rugoso, da lui chiamato recessivo. In ognuna delle altre sei coppie di caratteri studiate da Mendel, un tratto si dimostrò sempre dominante sull’altro; e il tratto recessivo era quello che, in un incrocio fra ceppi puri, scompariva dalla generazione F1.
• In F2 il rapporto numerico fra i due tratti, quindi seme liscio e seme rugoso, era sempre lo stesso per ciascuno dei sette caratteri studiati, ed era all’incirca 3:1. In altre parole, 3/4 della generazione F2 mostrava il tratto dominante e 1/4 il tratto recessivo. L’incrocio per la forma del seme dava un rapporto di 5474:1850 = 2,96:1.

Seconda legge di Mendel - Legge della Segregazione

I dati ottenuti da Mendel smentivano radicalmente la teoria della mescolanza: i tratti della generazione parentale infatti non si fondevano nella generazione F1 e nella generazione F2 ricompariva il tratto recessivo. Il tratto «rugoso» per esempio ricompariva nei semi di F2, dopo essere apparentemente scomparso nei semi di F1.

Spiegazione dei risultati

Come si possono spiegare questi risultati? Che cosa accade al tratto recessivo nella generazione F1? Perché i tratti recessivi e quelli dominanti nella generazione F2 si manifestano in rapporti sempre costanti? Per rispondere a questi interrogativi Mendel propose una teoria che possiamo così riassumere:

• Le unità responsabili dell’ereditarietà di un particolare carattere si presentano come particelle distinte che in ciascun individuo si trovano in coppia;
• Durante la formazione dei gameti tali particelle si separano e ogni gamete ne eredita una soltanto.

Secondo questa teoria, gli elementi unitari dell’ereditarietà si conservano integri in presenza l’uno dell’altro. L’idea di Mendel era che ogni pianta di pisello possedesse due elementi («particelle») ereditari per ciascun carattere, derivanti ciascuno da un genitore, e che durante la produzione dei gameti, un gamete ricevesse soltanto una di queste unità appaiate. La sua conclusione, che costituisce il nocciolo del modello mendeliano dell’ereditarietà, fu che ogni gamete contiene una sola unità, ma lo zigote ne contiene due, perché è il prodotto della fusione di due gameti. Gli elementi unitari dell’ereditarietà oggi si chiamano geni e le forme diverse di uno stesso gene sono chiamate alleli.

La teoria di Mendel può essere espressa nella seguente forma, che costituisce la seconda legge di Mendel o legge della segregazione: quando un individuo produce gameti, le due copie di un gene (cioè gli alleli) si separano, cosicché ciascun gamete riceve soltanto una copia.

I geni esistono in versioni differenti, dette alleli. Un allele codifica semi lisci (R dominante) mentre un altro codifica semi rugosi (r recessivo). In questa situazione l’allele R (lisci) domina sull’allele r (rugosi) quindi in una situazione di eterozigosi (cioè quando in un organismo abbiamo 2 alleli diversi Aa nello stesso locus) si manifesta solo il carattere dominante. Si parla di eterozigosi quando la sequenza di un gene in un organismo diploide è rappresentata da due sequenze diverse di DNA che occupano la stessa posizione sullo stesso cromosoma omologo.

Testcross

Per verificare l’ipotesi che nella generazione F1 a seme liscio esistessero due possibili combinazioni alleliche (SS e Ss), Mendel eseguì un testcross, ovvero un incrocio di controllo che permette di scoprire se un individuo che mostra un carattere dominante è omozigote o eterozigote. In un testcross l’individuo sotto analisi viene incrociato con un individuo omozigote per il carattere recessivo, una condizione facile da riconoscere perché corrisponde sempre a un fenotipo recessivo. Per il gene responsabile della forma del seme, l’omozigote recessivo utilizzato è ss.

Le possibilità sono due:

• Se l’individuo sotto analisi è un omozigote dominante (SS), tutta la prole dell’incrocio di controllo sarà Ss e mostrerà il carattere dominante, ovvero seme liscio;
• Se l’individuo sotto analisi è un eterozigote (Ss), allora circa metà della prole sarà eterozigote (Ss) e mostrerà il carattere dominante, ma l’altra metà sarà omozigote (ss) e mostrerà il carattere recessivo.

I risultati confermarono la seconda possibilità: l’ipotesi di Mendel dunque consentiva di prevedere i risultati del testcross.

Eccezioni alla legge di Mendel

1. La bella di notte - Mirabilis

Regola normale: di fronte a un soggetto eterozigote (che presenta cioè due alleli) di regola un allele domina sull’altro, cioè il fenotipo controllato da questo allele maschera il fenotipo controllato dall’allele recessivo. Eccezione dominanza incompleta: non si può parlare di alleli dominanti o alleli recessivi, perché di fronte a una situazione di eterozigosi abbiamo fiori rosa e quindi con una colorazione intermedia tra fiore bianco e rosso. Non è molto frequente, ma se lo fosse, sarebbe molto vantaggiosa. Nel caso della dominanza incompleta è possibile stabilire una relazione genotipo fenotipo solo osservandolo dall’esterno, mentre di solito dobbiamo ricorrere al test cross. Linea pura rossa e linea pura bianca determinano un eterozigote rosa.

2. IA e IB nel sistema sanguigno ABO

In questo caso non esiste un allele recessivo e uno dominante ma entrambi gli alleli manifestano i loro effetti sul fenotipo. Dal punto di vista dei gruppi sanguigni la nostra specie si può dividere in gruppo 0, gruppo A, gruppo B e gruppo AB. La distinzione è basata sulla presenza, assenza e caratteristiche di un antigene presente sulla membrana dei globuli rossi.

Quando non è presente (gruppo 0) l’individuo è omozigote per l’allele I₀ (i con zero). Non presentando alcun antigene può donare a tutti perché non produrrebbe alcun anticorpo. Gli individui con gruppo sanguigno A o B presentano almeno uno dei due alleli che controllano la presenza di questi antigeni sulla membrana, quindi possono donare soltanto a individui che presentano la stessa categoria. Se donassero ad altri individui si creerebbe una produzione di anticorpi che farebbe glutinare i diversi globuli rossi con conseguenze mortali. Il gruppo AB presenta entrambi gli alleli, che in questo caso si manifestano entrambi. Quindi avremo l’allele I₀ che non determina la produzione dell’antigene, l’allele i con A che determina la produzione dell’antigene A, l’allele i con B che determina la produzione dell’antigene B e il caso di codominanza si manifesta quando un individuo presenta il gruppo sanguigno AB.

Riprenderemo questo esempio quando parleremo della poliallelia, cioè per ogni gene presente, a seconda del numero di mutazioni che coinvolgono la porzione codificante di questo gene si possono creare n alleli.

3. Caso dell’anemia falciforme

Per il medico è un tipico caso di dominanza completa perché tutti e due gli alleli sono allo stato recessivo e determinano la mutazione di questa patologia. A livello citologico (la forma dei globuli rossi) abbiamo una dominanza incompleta perché i globuli rossi presentano una morfologia intermedia tra quella a falce e quella a disco biconcavo dei soggetti sani. A livello molecolare è un caso di codominanza perché nel soggetto con la patologia vengono prodotte sia molecole normali che patologiche.

Terza legge di Mendel

Mendel ha preso in considerazione le modalità con cui viene ereditato non un singolo carattere (come nel primo esperimento), ma due caratteri diversi. I due caratteri analizzati sono relativi al colore e alla forma del seme. Consideriamo un individuo eterozigote per due geni (SsYy), nel quale gli alleli S e Y provengano dalla madre mentre gli alleli s e y provengano dal padre. Quando questo organismo produce i gameti, gli alleli di origine materna (S e Y) devono per forza finire insieme in uno stesso gamete e quelli di origine paterna (s e y) in un altro, oppure un gamete può ricevere un allele materno e uno paterno (S e y, come pure s e Y)?

Per rispondere a questa domanda, Mendel progettò un’altra serie di esperimenti. Cominciò con dei ceppi di pisello che differivano per due caratteristiche del seme: la forma e il colore. Un ceppo parentale puro produceva soltanto semi lisci e gialli (SSYY), mentre l’altro produceva soltanto semi rugosi e verdi (ssyy). Dall’incrocio fra questi due ceppi si otteneva una generazione F1 nella quale le piante avevano tutte genotipo SsYy. Poiché gli alleli S e Y sono dominanti, i semi erano tutti lisci e gialli.

Mendel continuò l’esperimento fino alla generazione F2 compiendo un incrocio diibrido (ovvero un incrocio fra individui che sono tutti doppiamente eterozigoti) fra piante di F1; in pratica, si limitò a lasciare che le piante di F1 si autoimpollinassero. Secondo Mendel, (che, come dobbiamo ricordare, non aveva mai sentito parlare di cromosomi o di meiosi), esistevano due diversi modi in cui tali piante doppiamente eterozigoti potevano produrre gameti.

• Gli alleli S e s potevano conservare la relazione che avevano nella generazione parentale (cioè essere associati). In questo caso le piante F1 avrebbero prodotto due soli tipi di gameti (SY e sy) e la progenie di F2 risultante dall’autoimpollinazione avrebbe dovuto essere composta da piante con semi lisci e gialli e da piante con semi rugosi e verdi, con un rapporto 3:1. Se questo fosse stato il risultato, non ci sarebbe stata ragione di pensare che la forma e il colore del seme fossero regolati da due geni diversi, dato che i semi lisci sarebbero stati sempre gialli e quelli rugosi sempre verdi.
• Gli alleli S e s si potevano distribuire in modo indipendente da come si distribuivano Y e y (cioè i due geni potevano essere indipendenti). In questo caso la F1 avrebbe prodotto in ugual misura quattro tipi di gameti: SY, Sy, sY e sy. Dalla combinazione casuale di questi gameti si sarebbe generata una F2 con 9 genotipi differenti. La progenie di F2 avrebbe 1 fra 3 genotipi possibili per la forma (SS, Ss e ss) e uno fra tre genotipi possibili per il colore (YY, Yy e yy) che, combinati fra loro, danno 9 genotipi. I fenotipi corrispondenti sarebbero stati 4: liscio giallo, liscio verde, rugoso giallo e rugoso verde. Se inserisci questi dati in un quadrato di Punnett, puoi prevedere che questi quattro fenotipi si sarebbero presentati nei rapporti numerici di 9:3:3:1.

Gli incroci diibridi di Mendel confermarono la seconda previsione: in F2 comparvero infatti 4 fenotipi differenti in un rapporto di 9:3:3:1. In una parte della progenie le caratteristiche parentali si presentarono in combinazioni inedite (liscio con verde e rugoso con giallo), che prendono il nome di fenotipi ricombinanti.

Questi risultati indussero Mendel alla formulazione di quella che è nota come terza legge di Mendel o legge dell’assortimento indipendente dei caratteri: durante la formazione dei gameti, geni diversi si distribuiscono l’uno indipendentemente dall’altro. In altre parole, considerando i due geni A e B, la separazione degli alleli del gene A è indipendente dalla separazione degli alleli del gene B.

Quadrato di Punnett

→ 9/16 S – Y; 3/16 S – yy; 3/16 ss – Y; 1/16 ssyy

Calcolo dei rapporti genetici

Le probabilità o frequenze attese di specifici fenotipi o genotipi si possono calcolare con semplici regole statistiche.