Appunti di genetica su tutto il programma

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 ed ambiente in cui avviene lo sviluppo.

Soggetti degli esperimenti

Il primo organismo scelto da Mendel è il Pisum sativum (pisello) sia perché aveva delle competenze in ambito vegetale, quindi ha trovato più comodo scegliere un vegetale, sia perché il Pisum sativum ha un tempo di generazione breve quindi si potevano fare due generazioni in un anno. Una caratteristica molto importante dei vegetali è la possibilità di autofecondarsi. È facilmente reperibile e poco costoso.

Si è spostato poi sul Drosophila melanogaster (moscerino della frutta), che come vantaggi ha la durata del ciclo vitale di 12-15 giorni. Ha anche una grande facilità di allevamento (basta tenerlo in un barattolo con polenta zuccherata).

Passiamo poi ai procarioti, con l’Escherichia coli (batterio). I procarioti sono organismi con un cromosoma unico e circolare che si riproducono per scissione, molto funzionali perché hanno un ciclo vitale di 20 minuti.

Per gli studi che devono avere un’applicabilità a livello umano, si utilizza il Mus musculus (topo), che condivide il 90% delle sequenze del DNA con l’uomo, con un ciclo vitale di 10 settimane.

I requisiti generali per un modello utilizzabile per le ricerche genetiche sono: breve tempo di generazione; prolificità; variabilità genetica facilmente osservabile; relativa complessità del genoma; facilità di allevamento (spazio ridotto, bassi costi).

Mendel

Primo a porsi l’obiettivo di studiare le regole che governano l’ereditarietà dei caratteri. Nato 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 neri danno origine ad un fenotipo grigio.

Pisum Sativum

Mendel, una volta che si è posto il problema di cercare di studiare le regole alla base dell’ereditarietà dei caratteri, ha fatto una serie di incroci con i Pisum sativum andando alla ricerca di quei caratteri che potevano essere sottoposti ad 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, ossia quelle piante che si riproducono per autoimpollinazione e che mantengono inalterato quel carattere che contraddistingue quella varietà. Per ottenere le linee pure si devono incrociare gameti maschili e femminili prodotti dalla stessa pianta. Il risultato del primo esperimento è una linea pura, non una via di mezzo tra i due.

Nel secondo esperimento Mendel non si è limitato ad 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 ad 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 tre conclusioni di Mendel:

• Ogni carattere è controllato da fattori unitari in coppie (alleli) nei singoli organismi.
• Quando sono presenti due fattori (alleli) diversi responsabili di una singola caratteristica, uno sarà espresso nel fenotipo (dominante) e l’altro mascherato (recessivo).
• 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).

Le parole sottolineate sono cose che si sono scoperte decine di anni dopo, Mendel non usava quelle parole.

Prima legge di Mendel

Mendel definì i caratteri che comparivano sempre dominanti, mentre i caratteri che sembravano scomparsi, ma che in realtà erano mascherati dal carattere dominante, recessivi. Mendel elaborò la sua prima legge, che enuncia: Se si incrociano due individui che differiscono tra loro per un solo carattere, si ottenevano individui in cui si manifesta solo il carattere dominante.

Incrocia una linea pura di pisello a seme liscio con una linea pura di pisello a seme rugoso e osserva che dopo la prima generazione F1 si producono solo piante a seme liscio, mentre in F2 si ottengono sia semi lisci che semi rugosi con un rapporto pari a circa 3:1.

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. Ogni cromosoma contiene un numero di loci genici che a loro volta contengono una sequenza di DNA che contiene le informazioni per controllare un determinato fenotipo.

Quando ci troviamo davanti ad un fenotipo dominante, facendo il test cross (questa tabella), possiamo stabilire se il fenotipo dominante (liscio/rugoso) è dovuto alla presenza di un genotipo omozigote (SS, ss) o eterozigote (Ss). Basta incrociare il pisello con fenotipo dominante con un omozigote recessivo perché un pisello è rugoso solo se è omozigote recessivo (solo se ss). Quindi se incrociamo un pisello col fenotipo dominante, ma di cui non conosciamo il genotipo, con un pisello rugoso abbiamo: se nella F1 otteniamo tutti i piselli lisci, sono eterozigoti che manifestano il fenotipo dominante quindi il genotipo di partenza era un genotipo omozigote dominante (primo caso).

La costituzione genetica di un individuo è detta genotipo, mentre la manifestazione fisica di un carattere è definita fenotipo.

Eccezioni alla legge di Mendel

1. La bella di notte - mirabilis
   Regola normale: di fronte ad 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 ad 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 fronte al caso di dominanza incompleta di solito dobbiamo ricorrere al test cross. Linea pura rossa e linea pura bianca determinano un eterozigote rosa.
2. Codominanza
   Succede che non esiste un allele recessivo e uno dominante ma entrambi gli alleli manifestano i loro effetti sul fenotipo. L’esempio più classico e interessante è quello dei gruppi sanguigni. Dal punto di vista dei gruppi sanguigni la nostra specie si può dividere in gruppo 0, gruppo A e 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 i con 0 quindi non presenta alcun antigene, perciò 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 i con 0 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.

Caso dell’anemia falciforme

Per il medico è un tipico caso di dominanza competa perché tutti e due gli alleli sono allo stato recessivo e determinano la mutazione di questa patologia. A livello citologico 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.

Seconda legge di Mendel – legge dell’indipendenza dei caratteri

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.

È partito dalle linee pure, sia per gli alleli omozigoti che per gli alleli recessivi. Ha incrociato una pianta che avesse i piselli gialli e lisci con una pianta che mostrasse i fenotipi recessivi quindi colore verde e forma grinzosa del seme. Mendel ha notato che i rapporti di segregazione erano 9:3:3:1 = In 9 casi venivano manifestati tutti e 2 i fenotipi dominanti, in 3 casi un fenotipo dominante era associato a un fenotipo recessivo e viceversa, in un caso su 16 comparivano tutti e 2 i fenotipi recessivi.

Partiamo da una rappresentazione schematica che associa il fenotipo in alto all’interpretazione del genotipo in basso. Il fenotipo è una linea pura (lisci, gialli e verdi, rugosi). Questi individui produrranno dei gameti secondo la legge di segregazione, i gameti contengono soltanto una delle due copie. Quindi avremo una copia del carattere liscio e una copia del carattere giallo, e la stessa cosa col carattere recessivo. Andando a fare questo incrocio, l’unica combinazione possibile è un doppio eterozigote (almeno un allele dominante per ciascun individuo). Questo, dal punto di vista del fenotipo avremo entrambi dominanti.

La vera difficoltà nell’interpretazione di questi dati consiste nell’avere chiaro come vengono prodotti i gameti da parte di un ibrido (o doppio eterozigote). Siamo davanti ad un doppio eterozigote, che categorie di gameti produce? La regola generale è che a partire da un organismo diploide i gameti prodotti devono contenere una sola copia dei due alleli. Bisogna quindi stabilire, partendo da un doppio eterozigote, quali e quante categorie di gameti possono essere prodotti. A questo punto la regola da seguire è quella della segregazione: per ogni carattere ne deve comparire solo uno dei due alleli, quindi, partendo dal doppio omozigote dominante, prendiamo il suo primo carattere che qui è indicato con la lettera S. Secondo la regola, dobbiamo avere per forza un allele dell’altro carattere di fianco, infatti nel primo caso abbiamo S con Y, oppure con l’omozigote recessivo dell’altro carattere y. L’allele recessivo s potrà a sua volta trovarsi insieme ai due alleli Y e y. Quindi, un doppio eterozigote può fornire 4 diverse combinazioni (16 totali). In un caso su 16 avremo entrambi i fenotipi recessivi, quindi avremo dei piselli verdi e rugosi.

Conclusione

La seconda legge di Mendel dice che caratteri posti su diversi cromosomi si comportano in maniera indipendente nella formazione dei gameti (principio dell’assortimento indipendente). Questa legge è in linea con la teoria della probabilità, che prevede che la probabilità che si verifichino 2 eventi indipendenti è 9:3:3:1.

Calcolo dei rapporti genetici

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

1. La regola del prodotto = la probabilità che eventi indipendenti si verifichino contemporaneamente è il prodotto delle probabilità degli eventi singoli. Es. la probabilità di ottenere due 4 lanciando due dadi è 1/6 x 1/6 = 1/36
2. La regola della somma = la probabilità che si realizzino l’uno o l’altro di due eventi mutualmente esclusivi è la somma delle loro probabilità individuali. Es. probabilità lanciando due dadi di fare due 4 o due 5 è 1/36 + 1/36 = 1/18

Principi genetici di Mendel

1. Alcuni alleli sono dominanti e altri recessivi
2. Durante la formazione dei gameti, gli alleli differenti segregano l’uno dall’altro
3. Geni indipendenti assortiscono indipendentemente

I rapporti fenotipici di Mendel sono basati su campioni di grande dimensione. In campioni di piccole dimensioni la deviazione dalla probabilità può essere attribuita al caso. Più è grande la dimensione del campione più piccola sarà la deviazione.

Valutazione dei dati genetici

I rapporti previsti dalle leggi di Mendel sono naturalmente influenzati da eventi casuali. Se Mendel avesse avuto solo 16 progenie, avrebbe trovato un rapporto 9:3:3:1? Così i risultati della segregazione e dell’assortimento indipendente sono tutti soggetti al caso. Dimensioni grandi del campione riducono l’effetto del caso. Noi possiamo saggiare l’effetto del caso usando un metodo statistico chiamato chi-quadro.

Analisi del Chi-Quadro

Il test del chi-quadro verifica se le differenze dal rapporto atteso sono dovute al caso o se sono differenze reali.

• Passo 1: stabilire l’ipotesi nulla (H₀)
  Quest’ipotesi assume che non esista nessuna differenza reale tra i valori osservati e i valori attesi. Quale sarebbe l’ipotesi nulla in un incrocio monoibrido? E diibrido? Monoibrido: il rapporto osservato non è diverso dal rapporto atteso 3:1. Diibrido: il rapporto osservato non è diverso dal rapporto atteso 9:3:3:1.
• Passo 2: l’equazione
  Noi usiamo l’equazione del chi-quadro per determinare se possiamo accettare l’ipotesi nulla oppure se dobbiamo rifiutarla (quindi esisterebbero differenze reali).

Ottenuto il valore del chi-quadro dall’equazione, viene inserito in una tabella che vede una serie di colonne (con livelli di probabilità) e righe (valore che costituisce i gradi di libertà). Gradi di libertà di un’analisi statistica si calcolano prendendo i dati a disposizione meno 1. C’è anche una linea rossa verticale. Tutti i valori che si vanno a collocare a sinistra della linea rossa significa che i valori differenti sono da attribuire al caso. Qualora il valore del chi-quadro fosse a destra della linea, la differenza è statisticamente significativa. Alcuni motivi per cui la differenza è significativa: eccezioni alla legge di dominanza o raccolta imprecisa dei dati.

Interpretazione dei dati

H₀ = il rapporto misurato non è diverso da quello atteso. Quindi le deviazioni osservate sono attribuibili al caso. Se i valori osservati hanno una differenza molto grande dai valori attesi siamo largamente a destra della linea rossa quindi lo scostamento è statisticamente significativo.

Eredità mendeliana nell’uomo

La maggior parte dei caratteri nell’uomo sono il risultato di interazioni multiple tra geni e per questo non mostrano un’ereditarietà semplice di tipo mendeliano. Alcuni caratteri tuttavia sono controllati da singoli geni, ad esempio la fibrosi cistica, l’anemia falciforme e la corea di Huntington. Nell’uomo non si possono fare incroci pianificati e per questo si studiano individui imparentati che appartengono alla stessa famiglia. Si sfruttano cioè gli alberi genealogici.

L’albero genealogico

L’albero genealogico o pedigree, è la rappresentazione schematica di una famiglia nella quale sono presenti caratteri genetici rilevanti.