Genetica 1

Genetica I

Silvia Kristen Nicolis 6 CFU, finirà verso fine gennaio. Esame scritto + orale. Prima parte alla fine del primo semestre, seconda parte alla fine del secondo. La prima parte è scritto diviso in due sezioni divise in due giorni consecutivi: la prima sezione 5 esercizi, la seconda sezione 4 domande aperte e devo sceglierne 3. La seconda parte è un orale che riguarda solo il secondo semestre. Non si può aspettare più di 6 mesi tra la prima e la seconda parte. Il voto è unico finale.

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Struttura molecolare del DNA

L'eredità è fondata sulla duplicazione del DNA che è il materiale genetico fondamentale in tutte le specie viventi. Tutti funzioniamo a DNA. Il DNA è una doppia elica e contiene la base strutturale della sua funzione che è la capacità di replicare una doppia elica in due doppie eliche di DNA uguali, la riproduzione del nostro genoma. La base strutturale della possibilità che una doppia elica produca due doppie eliche è il meccanismo che sta nella complementarietà delle basi tramite la quale una A è sempre affrontata a una T e una C a una G. Le due eliche del DNA sono complementari e antiparallele.

Il monomero è costituito da uno zucchero, o meglio un anello saccaridico (desossiribosio), una base azotata e da un gruppo fosfato che costituisce il legame fosfodiesterico tra i diversi monomeri. Di conseguenza, prendendo ad esempio, l’elica di sinistra, l’elica di destra è antiparallela e la sua sequenza di basi azotate è determinata dalla sequenza di basi azotate dei monomeri dell’elica di sinistra, tramite la complementarietà delle basi. La doppia elica parentale può essere denaturata, staccando le due eliche.

Il primo ciclo di replicazione prevede la sintesi di un’elica antiparallela, complementare a ciascuna delle due eliche parentali. Le due eliche parentali fanno da filamento stampo per la produzione di due eliche complementari alle due eliche di partenza. Questo avviene ad opera dell'enzima DNA polimerasi, pilotato dalla singola elica di DNA (dopo denaturazione). La DNA polimerasi si associa al filamento stampo e pesca nell’ambiente il desossiribonucleotide trifosfato complementare per la base azotata del filamento stampo. L’enzima catalizza una reazione di allungamento della catena mediante l’aggiunta di un monomero alla volta. L’aggiunta è una reazione chimica che crea un legame fosfodiesterico alla volta con il rilascio del gruppo fosfato.

La direzione di allungamento della catena è determinata da come funziona l’enzima, è una direzione 5’ 3’. L’allungamento delle catene polinucleotidiche avviene sempre in direzione 5’ 3’. 5’ indica l’estremità dell’elica in cui lo zucchero espone il carbonio in posizione 5, mentre 3’ fa riferimento alle estremità del filamento dove è esposto il carbonio in posizione 3 del desossiribosio. La nuova catena ha una polarità opposta a quella dell’elica stampo. La DNA polimerasi è un enzima pilotato da uno stampo che catalizza la sintesi di una catena con polarità opposta a quella stampo. Questa proprietà la ha anche l’RNA polimerasi.

La prima proprietà del DNA: una molecola di DNA produce due molecole di DNA identiche a quella di partenza mediante l'azione di DNA polimerasi. La replicazione del DNA è semiconservativa. I geni non vengono solo riprodotti, hanno la funzione di determinare i caratteri e lo fanno venendo trascritti e tradotti in proteine.

Il dogma centrale della biologia molecolare

Lisa Appiani Il dogma centrale della biologia molecolare dice che il DNA fa l’RNA che fa la proteina. Quindi la doppia elica di DNA viene trascritta in una molecola di RNA messaggero (perché il messaggio che poi porta dalla sequenza di basi del DNA alla sequenza di amminoacidi della proteina mediante traduzione che avviene per mezzo del codice genetico).

Il codice genetico

Il codice genetico è essenzialmente universale, è la regola che associa le triplette di nucleotidi del DNA o dell'mRNA ad amminoacidi. Il codice genetico associa a una sequenza lineare di nucleotidi del DNA (4 tipi), una sequenza lineare di amminoacidi della proteina (20 tipi). Il codice genetico traduce le basi azotate a triplette quindi associa ad ogni tripletta un amminoacido. La traduzione del codice di nucleotidi in codice di amminoacidi è un fenomeno che avviene ad opera di una struttura specializzata della cellula, i ribosomi.

Organizzazione del DNA

Il DNA è organizzato in cromatina (= DNA + proteine: istoni, fattori trascrizionali). Il gene è un lungo tratto di DNA associato a proteine e l’associazione di DNA + proteine si chiama cromatina. Il DNA è organizzato in cromatina. Queste proteine sono istoni e fattori trascrizionali. L’avvolgimento di DNA attorno all’istone forma il nucleosoma. Il genoma degli eucarioti è organizzato con due tipi di proteine: gli istoni, ovvero i rocchetti, ottameri di proteine istoniche, a cui attorno è avvolto da DNA forma il cosiddetto nucleosoma che comprende 146 paia di nucleotidi arrotolati attorno a ciascuno dei rocchetti istonici.

Il secondo tipo di proteine a cui è associato il materiale genetico sono i fattori trascrizionali, ovvero proteine che si associano alla DNA in modo che dipende dalla sua sequenza (modo sequenza specifico).

Basi cromosomiche dell’ereditarietà

I cromosomi sono le unità in cui il nostro DNA è organizzato nel nucleo della cellula. I geni sono localizzati sui cromosomi e il nostro genoma che definiamo contenuto completo dell’info genetica dell’individuo, è costituito da più cromosomi lineari che sono in numero diverso a seconda della specie e che possiamo rappresentare come dei pacchettini. L’assetto aploide di un individuo è costituito da n cromosomi (uno rosso, uno blu e uno verde in questo ipotetico individuo che ha 3 cromosomi). L’assetto aploide n=3 cromosomi, l’assetto diploide è 2n = 6 cromosomi.

Molti organismi, anche noi siamo diploidi cioè abbiamo due assetti cromosomici, cioè ogni cromosoma è presente in 2 copie. L’assetto diploide implica coppie di cromosomi che definiamo omologhi cioè che contengono gli stessi geni, hanno la stessa sequenza di DNA. All’interno di ciascun cromosoma sono localizzati i geni e ciascun gene può essere presente in diverse forme alleliche, in diversi alleli. Gli alleli sono forme alternative dello stesso gene. Gli alleli nella nomenclatura mendeliana vengono simboleggiati da lettere, cioè maiuscola o minuscola a seconda che sia dominante o recessivo (a, A). A e a sono due forme alleliche dello stesso gene.

Gli organismi eucarioti diploidi originano dalla fusione di due gameti aploidi, uno maschile e uno femminile. Questo vale per animali pluricellulari ma anche piante di fiori. Il gamete maschile può essere uno spermatozoo aploide n che si fonde con uno femminile che può essere l’uovo aploide n, a generare uno zigote diploide 2n. Lo zigote è il prodotto della fusione di due gameti. Lo stesso succede nelle piante con fiori, il gamete maschile è il polline che è aploide e il femminile è l’ovulo anch’esso aploide, si fondono e producono uno zigote che sarà diploide e che produrrà la nuova pianta con fiori.

Riproduzione cellulare e cromosomi

La formazione dei gameti avviene tramite un tipo di divisione cellulare particolare e molto specializzata, la meiosi. I gameti sono le cellule aploidi che combinandosi quelli maschili con quelli femminili, formano lo zigote che è una cellula diploide dalla quale parte lo sviluppo di un nuovo individuo.

La replicazione (duplicazione) del DNA avviene durante la fase S del ciclo cellulare tramite duplicazione semiconservativa, a cui segue la ripartizione del materiale genetico nelle 2 cellule figlie. Questa ripartizione è organizzata in profase, metafase, anafase e telofase.

Lisa Appiani In questa immagine vediamo la mitosi. Mitosi e meiosi sono due modi diversi di ripartire il materiale genetico duplicato alle cellule figlie. La mitosi è una divisione che da una cellula porta a due cellule, è il tipo di divisione a cui vanno incontro le cellule somatiche. Nella metafase, i cromosomi (due bacchette connesse al centromero) che si sono duplicati nella fase S, si allineano sulla piastra metafasica e questa organizzazione garantisce poi nell’anafase la migrazione dei centromeri ai poli opposti del fuso. Sulla piastra i centromeri sono allineati, poi nell’anafase ogni centromero si divide e migrano ai poli opposti del fuso. Poi segue la telofase in cui comincia a riformarsi la membrana nucleare, i cromosomi cominciano a despiralizzarsi e comincia ad avvenire la vera e propria divisione di tutto il materiale cellulare in due cellule figlie.

Mitosi e meiosi differiscono nel modo di ripartire il materiale genetico che presenta la cellula duplicata tra le due cellule figlie in un modo critico perché si formino i gameti funzionali al miracolo della riproduzione sessuale. Nella mitosi i cromosomi duplicati si allineano sulla piastra metafasica, poi si scindono al centromero in due cromatidi fratelli e i singoli cromatidi (risultati dalla duplicazione di un cromosoma) migrano ai poli opposti del fuso; si ottengono due cellule diploidi perché la replicazione del DNA ha duplicato il materiale genetico di ciascun cromosoma.

Nella meiosi invece il materiale genetico si duplica, quindi una cellula che ha due cromosomi diventa una cellula che ha duplicato ciascuno dei suoi due cromosomi e quindi ne ha 4. Poi nella metafase i centromeri non sono più tutti allineati ma sono messi in modo perpendicolare rispetto al fuso in modo che quando avviene nell’anafase (la separazione), quello che migra ai poli opposti sono cromosomi il cui centromero non si rompe, ma un cromosoma duplicato va da una parte e l’altro duplicato va dall’altra; si ottengono quindi due cellule diploidi ma il contenuto in cromosomi è diverso. A seguire avviene un’altra divisione cellulare che porta la cellula diploide a diventare aploide quindi il prodotto finale è 4 cellule aploidi che sono i gameti.

Il DNA presente nelle cellule figlie è lo stesso (sono sempre cromosomi duplicati). La meiosi è un tipo di divisione cellulare che crea cellule aploidi che poi devono ricombinarsi tramite la fusione dei gameti a dare lo zigote. Oltre a questa particolarità di due divisioni cellulari successive, c’è anche il modo di allineare i cromosomi sulla piastra metafasica. Il prodotto finale sono 4 cellule aploidi che sono i gameti. Nella meiosi i cromosomi omologhi duplicati, affiancati sulla piastra metafasica, si chiamano tetradi quindi ogni cromosoma si è duplicato e quindi è fatto da 2 cromatidi e ciascun cromosoma è accanto al cromosoma omologo duplicato sulla piastra metafasica.

Queste tetradi hanno una disposizione peculiare sulla piastra metafasica della meiosi e non sono presenti nelle cellule in mitosi. Successivamente avviene la migrazione dei cromosomi (anziché dei cromatidi duplicati) ai due poli, il centromero non si duplica. Segue la seconda divisione meiotica che è simile alla mitosi, riduce il numero di cromatidi da 2n a n, dividendo il centromero in due; tutto questo non è preceduto da una seconda duplicazione del DNA, infatti è detta divisione riduzionale, perché riduce il complemento genetico della cellula da 2n a n. Tutti abbiamo nelle nostre cellule cromosomi di origine materna e paterna, infatti, siamo il prodotto della fusione di un gamete di nostra madre e uno di nostro padre.

Su ciascuno dei cromosomi, materno e paterno, è rappresentato un gene ipotetico. Nell’immagine sono stati rappresentati due cromosomi perché questo è un individuo che ha n=2. Sono cromosomi diversi perché hanno la posizione del centromero differente, uno è un cromosoma metacentrico (col centromero in mezzo) e l’altro è acrocentrico. Sul cromosoma metacentrico (col centromero in mezzo) c’è un gene A, il cromosoma paterno porta l’allele A grande (alleli= forme alternative dello stesso gene); il gene a è presente con la variante allelica A grande sul cromosoma con centromero in mezzo mentre sul cromosoma paterno, lo stesso gene a sull’omologo (i cromosomi omologhi portano lo stesso gene) è presente l’allele a piccolo, che è la forma variante del gene. È lo stesso gene con piccole differenze molecolari. La stessa cosa succede sul cromosoma che ha il centromero eccentrico (acrocentrico o telecentrico) c’è il gene b: sul cromosoma rosso il gene b è presente nella variante allelica B grande, sul cromosoma blu omologo il gene è presente nella variane allelica b piccolo. Questo individuo è eterozigote per entrambi questi due geni (a e b).

ETEROZIGOTE = possiede sui due cromosomi omologhi alleli diversi.

OMOZIGOTE = possiede sui due cromosomi omologhi varianti alleliche identiche.

Cosa succede quando la cellula entra in meiosi

Vediamo nell’immagine schematizzata la metafase della prima divisone meiotica (seconda riga): i cromosomi omologhi si dispongono a formare le tetradi in preparazione a quello che vediamo nella terza riga cioè che all’anafase i cromosomi omologhi duplicati migreranno ai poli opposti del fuso. Quindi vediamo sopra il cromosoma che porta a e il cromosoma che porta b che si sono duplicati e si dispongono in piastra metafasica a formare le tetradi.

L’aspetto critico è il fatto che ci siano due possibili modi in cui i cromosomi omologhi possono disporsi nelle tetradi (rappresentati nei due tondi nella seconda riga dell’immagine):

• Nel tondo a sinistra vediamo che il cromosoma duplicato che porta il gene a paterno (rosso) è presente a nord e sullo stesso lato è presente il cromosoma paterno duplicato che porta il gene b; pertanto, dall’altra parte, a sud, (pronto a migrare al polo opposto del fuso) c’è la copia materna, blu, del cromosoma che porta il gene a e la copia materna del cromosoma che porta il gene b. Nell’anafase (terza riga) risulta che i due cromosomi paterni (in rosso) migrano da una parte, mentre i due cromosomi materni duplicati migrano all’altra parte della cellula. Nella telofase 1 ci sono due cellule figlie in cui quella sopra porta i due cromosomi di origine paterna duplicati e quella sotto porta i due cromosomi materni duplicati. Ciascuna delle due cellule figlie deve ereditare il corredo cromosomico completo, sia il cromosoma che porta il gene a che quello che porta il gene b, però questa non è l’unica possibilità per raggiungere questo obiettivo.
• Nel tondo a destra nella metafase (seconda riga) è rappresentato un secondo modo di rappresentare la tetrade. Il cromosoma paterno duplicato (in rosso) che porta il gene a è associato al cromosoma materno duplicato (in blu) che porta il gene b mentre sull’altro lato della tetrade c’è il cromosoma materno duplicato che porta il gene a e il cromosoma paterno duplicato che porta il gene b. All’anafase la segregazione ai poli opposti del fuso porterà ad avere, nella telofase 1, due cellule figlie, una che ha ereditato il cromosoma paterno duplicato (in rosso) che porta il gene a e il cromosoma materno duplicato (in blu) che porta il gene b e l’altra cellula ha ereditato il cromosoma materno duplicato (in blu) con il gene a e il cromosoma paterno duplicato (in rosso) con il gene b. Entrambe queste cellule hanno un corredo genetico completo, hanno tutto il genoma, però hanno delle combinazioni alleliche diverse, nel caso in cui l’individuo si eterozigote per dei geni.

Le cellule di sinistra che hanno segregato da una parte i cromosomi materni e dall’altra quelli paterni hanno la variante allelica A grande e B grande in una cellula, nell’altra cellula hanno la variante allelica a piccolo e b piccolo. Tutte e due queste cellule hanno tutti i geni che servono. La combinazione di sinistra fornisce dei gameti A grande e B grande e dei gameti a piccolo b piccolo. Nella colonna di destra, all’allele A grande di origine paterna è associato l’allele b piccolo di origine materna. Quindi abbiamo dei gameti A grande b piccolo e dei gameti B grande a piccolo. Il meccanismo di assortimento casuale dei cromosomi materno e paterno sulla piastra metafasica della meiosi 1 fornisce un meccanismo di generazione di variabilità genetica (di diversità genetica) tra i gameti che risultano. A partire da un individuo che è A grande a piccolo, B grande b piccolo si possono avere quattro tipi di gameti:

• A grande B grande
• a piccolo b piccolo
• A grande b piccolo
• a piccolo B grande

Questo meccanismo (quello che succede nella seconda riga) è l’assortimento casuale dei cromosomi di origine materna e di origine paterna sulla piastra metafasica della prima divisione meiotica. Questo assortimento casuale porta con sé che le varianti allelica (se sono diverse ma sempre dello stesso gene) anche loro insieme ai cromosomi che le porto si assortiscono casualmente nelle cellule figlie. Se abbiamo un numero di cromosomi pari a 2, il numero di combinazioni e quindi di gameti possibili è 4.

Lisa Appiani Se avessimo n cromosomi, il numero di combinazioni possibili è 2ⁿ. Quindi, nell’uomo (23 cromosomi) 2²³ = 8.388.608 possibili modi di assortire il cromosoma materno e paterno sulla piastra metafasica. L’enorme numero suggerisce quanta variabilità genetica porti la meiosi, l’assortimento casuale dei cromosomi materno e paterno sulla fase metafasica crea un’enorme variabilità di gameti relativamente alla presenza di varianti alleliche materna o paterna, in particolare, relativamente alla combinazione di varianti alleliche materna e paterna.