Genetica

Introduzione

La genetica vuole studiare come i geni si trasmettono di generazione in generazione e quali sono le relazioni tra genotipo e fenotipo, tra geni e caratteri. In poche parole, si occupa della variabilità genetica e dell'ereditarietà dei geni. Lo studio di questa materia è cominciato con Mendel, che ha formulato delle leggi ancora oggi accettate per l'ereditarietà di alcuni caratteri.

Genetica mendeliana

Nella seconda metà dell’800 Mendel cominciò i suoi primi studi di genetica. Dopo 7 anni di lavoro, Mendel pubblicò i suoi studi, senza riscontrare particolare successo. Dopo il suo percorso universitario, Mendel si dedicò alla vita dell’orto e alla coltivazione: osservando i suoi prodotti, si rese conto di alcune cose, che lo portarono a fare diversi esperimenti, applicando il metodo sperimentale.

Esperimenti di Mendel

Come modello per i suoi esperimenti, Mendel scelse la pianta di pisello (pisum sativum) per diversi motivi:

• Facile controllo della fecondazione
• Ciclo di riproduzione breve
• Progenie numerosa
• Coltivazione poco costosa
• Caratteristiche visibili diverse da pianta a pianta
• Possibilità di ottenere linee pure

Le piante di pisello producono gameti di entrambi i sessi all’interno dello stesso fiore, quindi, in assenza di qualsiasi intervento esterno, si possono auto-impollinare, evento che, ovviamente, non porta a nessuna variazione o incrocio. Se, invece, si interviene sull’impollinazione, si possono mischiare gameti di piante differenti e ottenere così degli incroci.

Osservazioni di Mendel

Mendel osserva che le piante di piselli del suo orto possono dare semi verdi o semi gialli: decide di separare le due popolazioni e nota che le piante con semi verdi danno sempre piante con semi verdi, mentre le piante con semi gialli possono dare sia piante con semi gialli sia piante con semi verdi (per autofecondazione).

Le piante a semi verdi che danno piante a semi verdi vengono definite linee pure per il carattere “semi verdi”, così come quelle con i semi gialli che danno altre piante con semi gialli. Invece quelle che producono sia semi gialli sia semi verdi, sono definite ibride.

Prime leggi di Mendel

Una volta capito ciò, Mendel reperisce 34 varietà di piante, in cui va a studiare un solo carattere di volta in volta, isolando 7 linee pure in base a:

• Forma del seme
• Colore del seme
• Forma del baccello (pieni o irregolari)
• Colore del baccello
• Dimensione dello stelo
• Posizione del fiore (assiale o terminale)
• Colore del fiore (porpora o bianco)

Incrociando una linea pura con un’altra, Mendel otteneva sempre, nella prima generazione filiale (F1), solo uno dei due fenotipi: incrociando semi lisci con semi rugosi, otteneva sempre una F1 composta solo da piante con semi lisci; incrociando semi gialli e semi verdi, otteneva sempre una F1 di piante con semi gialli (stesso fenotipo per il 100% delle piante).

La linea pura che trasmette il carattere a F1 viene perciò definita da Mendel dominante, l’altra recessiva, in quanto non si manifesta nella prima generazione filiale.

Prima legge di Mendel: la dominanza dei caratteri

Incrociando fra loro individui omozigoti per un carattere con alleli diversi, uno dominante e uno recessivo, si ottiene una generazione filiale di individui eterozigoti, che esprimono solo il carattere dominante.

F1 è però uguale alla parentale dominante solo in apparenza, infatti, sebbene fenotipicamente identica alla parentale dominante, se incrociata con autofecondazione, dà piante ibride. Mendel ha quindi applicato un’analisi statistica per corroborare i suoi risultati, contando quanti dominanti e quanti recessivi si ottenevano dall'autofecondazione di F1. Così si rese conto che in F2 c’è sempre un rapporto 3:1. A questo punto ipotizzò che i caratteri fossero composti da fattori particolati (oggi sappiamo che sono i geni), presenti sempre in coppie (coppie allelica), ma trasmessi singolarmente nel gamete: ogni pianta possiede due alleli e ne trasmette solo uno per volta alla prole, che va a fondersi con il corrispettivo del sesso opposto.

• Se l’individuo è una linea pura, i due alleli sono identici, si parla di omozigosi, i gameti avranno sempre lo stesso allele, che quindi sarà l’unico a essere passato alla prole.
• Nell’ibrido gli alleli sono diversi, si parla di eterozigosi, quindi si possono formare coppie alleliche ricombinate nella prole.

Per andare a vedere in che proporzione saranno i fenotipi e genotipi delle generazioni filiali per un certo carattere, si utilizza il quadrato di Punnet.

Per dimostrare che, anche se fenotipicamente uguali, la generazione parentale dominante e F1 sono in realtà diverse, Mendel esegue quello che oggi si chiama test cross, il quale serve per verificare il genotipo di un individuo fenotipicamente dominante (AA o Aa), che viene così incrociato con un individuo fenotipicamente recessivo, di cui si conosce il genotipo (aa).

Seconda legge di Mendel: principio di segregazione

I due membri di una coppia di alleli segregano durante la formazione dei gameti (alla base della meiosi).

A questo punto Mendel inizia a studiare la segregazione di due caratteri contemporaneamente. Genera quindi un diibrido, partendo da due linee pure, una con semi gialli e lisci e una con semi verdi e rugosi: ottenute le linee pure per i due caratteri scelti, le incrocia, ottenendo una F1, che ha fenotipo dominante per entrambi i caratteri, presentandosi con semi gialli e lisci (continua a valere la legge della dominanza). Successivamente Mendel reincrocia la F1. I nuovi rapporti fenotipici saranno 9:3:3:1.

Terza legge di Mendel: principio dell’assortimento indipendente

I geni che controllano caratteri diversi si distribuiscono nei gameti in modo indipendente gli uni dagli altri. Con indipendenti si intende caratteri che sono su cromosomi diversi oppure sullo stesso cromosoma, ma in posizioni estremamente lontane.

Si può andare ulteriormente avanti, analizzando 3 caratteri per volta: forma e colore del seme + colore del fiore (porpora o bianco).

• Due linee pure:
  • Seme giallo e liscio con fiore porpora
  • Seme verde e rugoso con fiore bianco
• Si incrociano le due linee pure e si ottiene una F1 tutta con i caratteri dominanti: semi lisci e gialli con i fiori porpora
• Test cross per verificare il rapporto

Si ottiene così un rapporto 27:9:9:9:3:3:1

Numero di geni segreganti

Classi fenotipiche: 2

Classi genotipiche: 3

I particolati di cui parlava Mendel sono in realtà geni, collocati in un locus specifico su un cromosoma. Ogni gene è costituito da due alleli, una copia materna e una paterna. Il fenotipo dipende dal genotipo, che può essere omozigote dominante, omozigote recessivo o eterozigote.

Nei primi del Novecento gli esperimenti di Mendel vengono ripresi da Sutton e Boveri e, grazie all’analisi citologica dei nuclei delle cellule, si ottenne la prima visione dei cromosomi e si definirono i geni come qualcosa che segrega insieme ad essi.

Segregazione e cromosomi

La segregazione è quindi la separazione dei cromosomi omologhi in meiosi, che determina la separazione dei gameti e degli alleli. I cromosomi omologhi sono cromosomi che hanno gli stessi geni in loci corrispondenti. Il locus genico è la posizione occupata dal gene sul cromosoma (conoscibile grazie allo studio del genoma umano). I due loci genici sono allelici quando si trovano su due cromosomi omologhi e nella stessa posizione.

I gameti possiedono un singolo locus per ogni gene, ma alleli di loci differenti vengono assortiti nei gameti in modo casuale l’uno dall’altro. La meiosi prevede appunto l'assortimento indipendente dei loci, dove si trovano geni che determinano fenotipi diversi.

Mendel aveva analizzato caratteri che erano tra di loro in loci molto distanti e molto probabilmente proprio su cromosomi diversi. Se avesse analizzato loci sullo stesso cromosoma e molto vicini avrebbe potuto ottenere risultati molto più confusi e quindi non avrebbe potuto scrivere leggi chiare e semplici.

Applicazione delle leggi di Mendel

Negli animali le leggi di Mendel sono applicabili solo se si analizzano caratteri mendeliani, quindi:

• Facilmente distinguibili
• Con solo due alternative fenotipiche
• Con fenotipo determinato da un unico gene

Dominanza incompleta

Mendel sostiene che analizzando un determinato fenotipo si presentano due alternative (dominante e recessiva), ma in realtà non è sempre così. Non sempre un gene manifesta pienamente il carattere dominante, ma può presentare un fenotipo intermedio tra dominante e recessivo. Dal punto di vista molecolare, in una dominanza incompleta, un solo allele dominante non è sufficiente per avere il fenotipo dominante pieno, ci vuole in questo caso l'espressione biallelica. La maggior parte del genoma umano è fatto per funzionare bene con un'espressione monoallelica, quindi, spesso la mancanza di un allele non si fa sentire (tratto dell’eterozigote).

La dominanza incompleta influenza il modo in cui i geni vengono espressi (il fenotipo), ma non il modo in cui vengono ereditati.

Anche nell'uomo ci sono tratti con dominanza incompleta, uno di questi è l'ipercolesterolemia familiare: patologia trasmissibile, causata da una mutazione di una catena di geni coinvolti nel metabolismo delle LDL. I geni coinvolti sono: il gene LDLR, che codifica per il recettore della LDL, il gene APOB (alterato dominio di legame dell’apolipoproteina B con il recettore LDL), il gene PCSK9 (in cui si ha guadagno di funzione). La forma più grave della patologia si manifesta negli individui omozigoti, ma è molto rara e colpisce infatti un soggetto su un milione. La forma meno grave, quella eterozigote, colpisce invece una persona ogni 250.

Codominanza

L’esempio più famoso nell’uomo è quello del gruppo sanguigno MN. Venne descritto nei primi del Novecento da due medici, Landsteiner e Levin, i quali avevano scoperto che i globuli rossi umani presentano un polimorfismo antigenico rispetto a due antisieri, detti anti-M e anti-N. I globuli rossi umani di un individuo possono essere agglutinati dai due antisieri in tre modalità diverse e pertanto possono essere classificati in gruppi:

• Gruppo M = sangue che viene agglutinato dal siero anti-M, ma non anti-N
• Gruppo N = sangue che viene agglutinato dal siero anti-N, ma non anti-M
• Gruppo MN = sangue che viene agglutinano da entrambi i sieri

Ciò che distingue questi tre individui è l'assetto genico del locus L, che può essere omozigote Lm, omozigote Ln o eterozigote LmLn. In questo determinato locus si può trovare quindi sia un gene che è in grado di codificare per l’antigene M sia un gene che è in grado di codificare per l’antigene N (due varianti che vengono riconosciute dai rispettivi sieri).

In questo caso l'allele recessivo non c'è, ci sono due alleli che se espressi danno in egual modo un fenotipo, quindi, l’individuo eterozigote produce antigeni sia M che N, che vanno sulla superficie del globulo rosso e vengono entrambi riconosciuti dagli antisieri e di conseguenza il sangue verrà agglutinato sia dall’antisiero M che dall’antisiero N.

L'allele recessivo non è in grado da solo, in singola copia, di dare il fenotipo completo. Normalmente un allele recessivo, se presente con un dominante, non esprime i suoi geni o non codifica un prodotto funzionale. In questo caso, invece, gli effetti degli alleli diversi sono egualmente evidenziabili negli eterozigoti.

Patologie legate a dominanza e codominanza

• Malattia di Tay-Sachs: malattia ad accumulo lisosomiale piuttosto rara. Gli individui affetti da questa patologia non sono in grado di metabolizzare alcuni tipi di gangliosidi, che quindi si accumulano nel SNC, portando a deficienza mentale e a morte. Il locus che sintetizza l'enzima che deve metabolizzare i gangliosidi si trova sul cromosoma 15. L'individuo malato è l’omozigote recessivo, che non ha nessun allele che produce l’enzima o che lo produce in modo corretto. A livello dell’organismo si osserva quindi una situazione di dominanza completa, poiché gli individui omozigoti dominanti ed eterozigoti hanno lo stesso fenotipo, sono entrambi in grado di produrre l’enzima che si occupa di metabolizzare i gangliosidi e non manifestano la malattia. A livello chimico si ha una situazione di codominanza, poiché l’allele recessivo è in realtà in grado di produrre l’enzima, ma difettoso. A livello biochimico, guardando l’attività della molecola, si ha una situazione di dominanza intermedia, perché solo il 50% degli enzimi prodotti è funzionante (sufficiente per avere il fenotipo wild type).
• Fibrosi cistica: malattia legata alla codominanza molecolare. Il gene responsabile è il gene CFTR, regolatore di conduttanza transmembrana. Gli individui affetti da questa patologia presentano entrambi gli alleli mutati e sono omozigoti recessivi. Producono per lo più proteina difettosa, quindi non hanno canali funzionanti e di conseguenza manifestano la patologia. Gli individui sani sono, invece, omozigoti dominanti, in grado di produrre solo la proteina sana. Gli eterozigoti, infine, sono generalmente sani da un punto di vista fenotipico, e sono in grado di produrre entrambe le proteine, sia la wild type (funzionante), che quella difettosa. Per questo motivo, da un punto di vista molecolare, il locus è codominante, mentre da un punto di vista fenotipico è un locus con dominanza completa.
• Polidattilia: non sempre l’allele dominante, rispetto al recessivo, è il più frequente nella popolazione. Infatti, in questa patologia rara (1/400), per cui l’individuo affetto ha un numero anomalo di dita (in genere il sesto dito è solo abbozzato), che è dovuta a un gene dominante (P), è l’allele recessivo a presentarsi con maggiore frequenza. Gli individui omozigoti per l’allele recessivo sono sani, mentre gli individui omozigoti dominanti e eterozigoti mostrano la patologia.

Eccezioni alle leggi di Mendel

Pleiotropismo

È un fenomeno per il quale la mutazione di un singolo gene produce una serie multipla di fenotipi alterati. L'alterazione è subita direttamente da un unico gene, che codifica per una specifica proteina, ma la sua mancanza causa un primo effetto principale, che porta a sua volta a una cascata di eventi secondari. Quindi la mutazione non altera direttamente tutti i fenotipi.

È osservabile sia nell’uomo che negli animali. Un esempio riguarda l’alterazione di un gene presente nelle galline, responsabile della qualità delle penne, che risultano così difettose. Questo provoca una maggior perdita di calore, quindi una temperatura del corpo bassa, che porta a diverse conseguenze:

• Aumento del metabolismo (per cercare di aumentare T)
• Accelerazione del ritmo cardiaco
• Ingrossamento del cuore
• Maggior volume di sangue
• Cambiamenti nella composizione del sangue
• Ingrossamento della milza
• Maggiore consumo di cibo quando fa freddo
• Cambiamenti renali
• Ridotta capacità di adattarsi a cambiamenti di temperatura.

L'effetto fenotipico fondamentale è che la mutazione non permette di produrre delle penne wild type.

Rapporti mendeliani atipici

I rapporti tipici che ci si aspetta dagli incroci di Mendel sono 3:1, per incroci tra monoibridi, e 9:3:3:1, per incroci tra diibridi. In alcuni casi però si ottengono dei rapporti differenti, atipici, dovuti a interazione o interferenza tra geni.

Un esempio è l’interazione genica che si osserva nelle foglie di trifoglio bianco, che producono il cianuro, dove il rapporto ottenuto è di 9:7. In questo caso due geni producono due proteine, che interagiscono tra di loro per creare un certo fenotipo, grazie a una catena metabolica. Il gene A codifica per l’enzima A, il quale trasforma il precursore in un intermedio, il glucoside. A questo punto interviene l’enzima B, prodotto dal gene B, che trasforma il glucoside in cianuro. Se manca anche solo uno dei due enzimi, o addirittura entrambi, la produzione di cianuro non può avvenire, e questo accade quando i due geni non presentano almeno un allele dominante.

Date le piante AABB incrociate con aabb (parentali pure), si ottiene una F1 AaBb di individui wild type, che producono cianuro. Nella F2, però, non si ha un rapporto 9:3:3:1, pur avendo due loci, perché questi interferiscono l’uno con l’altro portando ad un rapporto 9:7. Solo le piante di tipo A-B-, presentando l’allele dominante per entrambi i geni, saranno in grado di produrre cianuro. Le piante di tipo A-bb, aaB- e aabb, invece, non sono in grado di produrlo. Il rapporto genotipico è sempre 9:3:3:1, ma, osservando i fenotipi, il rapporto è di 9:7.

Epistasi dominante (12:3:1)

Un caso esempio è il colore dell’aleurone del granturco. La pianta è in grado di produrre colore rosso se presenta A-, in modo indipendente dal gene B. Quando non presenta né A né B dominante, l’aleurone del granoturco è bianco e se invece presenta solo B dominante il colore è giallo. Questo perché il gene A è epistatico sul gene B, che invece definiamo ipostatico.

Ciò significa che:

• In presenza dell’allele A (dominante), il gene B viene silenziato
• In presenza di aaB-, il gene B può esprimersi (con il colore giallo)
• In presenza di aabb non si ha alcuna colorazione

Quindi l’espressione del gene A interferisce con l’espressione del gene B. Fenotipicamente il rapporto finale risulta essere 12:3:1.

Epistasi recessiva (9:3:4)

È il gene B ad essere epistatico e il gene A ad essere ipostatico. Il gene B determina il colore di base, ma se è presente anche il gene A, questo è in grado di influire sul colore appena dato da B. Se manca il gene B non c’è la base di colore e quindi il pelo risulta albino. Gli alleli del gene ipostatico possono esprimersi solo se è presente almeno un allele dominante del gene epistatico.