Genetica I - Appunti

Genetica

Il codice genetico e la struttura del DNA

Il codice genetico è universale (per tutti i viventi) ed è una corrispondenza definita da una sequenza lineare di nucleotidi (A, T, G, C) del DNA. Tre nucleotidi del codice danno vita a un amminoacido. La sequenza lineare di amminoacidi (20 diversi) forma la proteina. Quindi, il DNA è in grado di codificare amminoacidi.

Una proprietà degli esseri viventi è la capacità di riprodursi, che è data dalla proprietà del DNA di riprodursi formando una doppia elica. La struttura molecolare del DNA permette la riproduzione e la sintesi degli amminoacidi. È formato da una doppia elica antiparallela, con polarità diversa. Si segue la polarità 5’-3’, ma con orientamento opposto per i due filamenti. Ad esempio, si vede anche nell’orientazione degli zuccheri. Le due eliche sono congiunte nel mezzo da ponti a idrogeno che connettono le basi azotate. Le basi complementari sono: A-T e G-C. Ci sono due legami a idrogeno tra Adenina e Timina, e tre legami a idrogeno tra Citosina e Guanina. Queste basi hanno la capacità di replicarsi.

Scoperta e replicazione del DNA

L’universalità del DNA e del codice genetico è stata scoperta da Watson e Crick. Nel 1953, Nature descrisse la struttura dell’acido desossiribonucleico, dicendo che se solo specifiche basi si legano, se si ha un filamento già definito allora l’altro è già definito. Avevano intuito come nella struttura del DNA ci fosse la capacità di duplicare una doppia elica in due doppie eliche figlie. Watson e Crick lo avevano intuito dalla complementarità delle basi.

L’elica stampo fa da stampo, mentre la DNA polimerasi è un enzima pilotato da uno stampo che sintetizza una catena complementare in direzione 5’-3’. L’elica stampo ha polarità opposta, perciò sono antiparallele. Una doppia elica parentale si denatura e la DNA polimerasi è in grado di generare un’elica complementare a quella stampo. Per replicazione si possono generare doppie eliche figlie di quelle già definite. La replicazione del DNA è molto accurata e fedele, ma ogni tanto può fare errori detti mutazioni. Nelle mutazioni si ha la chiave dell’evoluzione.

Il dogma centrale della genetica

Quindi le proprietà del DNA sono due: la capacità di dare origine a due doppie eliche uguali a sé stesse (uguali a quella di partenza) tramite la replicazione semiconservativa e la capacità di dare origine a un trascritto, un RNA che diventerà messaggero, complementare a una delle due eliche. Il dogma centrale della genetica è dato dal DNA che viene trascritto in mRNA il quale sarà tradotto in polipeptide tramite il codice genetico.

Trascrizione e cromosomi

Nella trascrizione del DNA lavora la RNA-polimerasi (nella replicazione del DNA lavora la DNA-polimerasi). Queste sono enzimi pilotati da uno stampo, un’elica di DNA che genera un’elica complementare (tramite complementarità delle basi). RNA al posto della timina presenta l’uracile ma rimane il concetto di complementarità delle basi (uracile e adenina sono complementari).

Quindi sia nella replicazione del DNA sia nella trascrizione del DNA, la copiatura di un’elica di DNA tramite la complementarità delle basi in un’elica complementare garantisce la conservazione dell’informazione. I cromosomi sono costituiti da DNA molto spiralizzato, avvolto in vari ordini di spiralizzazione. La doppia elica (spessore di 2nm) si avvolge intorno a un rocchetto di proteine, gli istoni. Circa 140 paia di basi si avvolgono su un istone e il DNA avvolto intorno agli istoni forma una fibra di circa 10nm. Quindi il DNA è associato a proteine come anche fattori trascrizionali, che dipendono dalla sequenza locale del DNA e saranno responsabili della trascrizione dei geni regolata insieme alla RNA-polimerasi. La disposizione dei geni sui cromosomi è lineare, sono in fila.

La cromatina

Ciò fu scoperto dai genetisti che avevano lavorato sulla Drosophila già prima delle scoperte di Watson e Crick. Il DNA organizzato insieme alle proteine (istoni, fattori trascrizionali) dà vita alla cromatina. Al livello di spiralizzazione superiore si ha una fibra di 30nm a forma di solenoide. Le varie fibre possono essere continuamente spiralizzate in ordini superiori fino ad arrivare al cromosoma metafasico.

Riproduzione

Tipi di riproduzione

La riproduzione permette agli esseri viventi di generare altri organismi simili a sé. La riproduzione può essere sessuata o asessuata, la quale fu la prima a originarsi. I batteri ad esempio fanno asessuata, infatti generano due batteri con il cromosoma di partenza dopo che è stato duplicato il cromosoma iniziale tramite replicazione semiconservativa. Nella riproduzione sessuata si formano i gameti tramite la meiosi. Gli organismi più complessi fanno riproduzione sessuata.

Meiosi negli esseri umani

Prendendo ad esempio gli esseri umani possiamo riscontrare 46 cromosomi e sono organismi diploidi in quanto hanno due copie per cromosomi. 22 coppie di cromosomi somatici e una coppia di cromosomi sessuali. I cromosomi sessuali di un padre sono XY mentre quelli della madre sono XX. La meiosi avviene nelle gonadi; testicolo per gli uomini e ovaio per le donne. La meiosi genera i gameti: spermatozoi nel maschio e un oocita nella femmina. Se uno spermatozoo che porta i geni paterni e un oocita che porta i geni materni interagiscono, portano alla fecondazione. I geni poi si combinano (con due genomi aploidi, 22 cromosomi del padre e 22 della madre insieme ai cromosomi sessuali) per formare uno zigote, un nuovo organismo.

Il genoma e variabilità genetica

La meiosi è quindi un processo che produce i gameti dotati di una copia di ciascuno dei 22 cromosomi insieme a un cromosoma sessuale, è una divisione cellulare molto specializzata. I geni fatti di DNA sono localizzati nei cromosomi. Il genoma è il contenuto completo dell’informazione genetica di un individuo ed è costituito da più cromosomi lineari. L’assetto aploide è caratterizzato da una singola copia di ciascuno dei cromosomi del genoma. L’assetto diploide è caratterizzato da due copie di ciascuno dei cromosomi del genoma. I cromosomi omologhi sono coppie di cromosomi identici contenenti gli stessi geni (tranne nei gameti). Ma non sono completamente identici perché in corrispondenza di ogni gene si hanno diversi alleli cioè forma alternativa dello stesso gene (uso lettere maiuscole o minuscole). Alleli sono geni omologhi con quasi la stessa sequenza che generano differenze funzionali tra le varianti alleliche.

Meiosi e mitosi comparate

Gli eucarioti diploidi sono originati dalla fusione di due gameti aploidi (n), uno maschile e uno femminile, e non diploide (2n). Nelle piante con fiori si ha la fusione dei due gameti aploidi che sono il polline maschile e l’ovulo femminile. La meiosi può essere comparata con la mitosi, che è una riproduzione cellulare più standard e produce due cellule diploidi con lo stesso contenuto genetico di partenza.

Fasi della mitosi

Comincia con una fase S dove i cromosomi sono duplicati, sintesi del DNA. Segue la fase G2 in cui la cellula si prepara alla divisione. Poi si ha la mitosi vera e propria. Finisce con la citochinesi per avere le cellule figlie diploidi uguali alla cellula di partenza. La mitosi inizia con la Profase in cui i cromosomi non sono ben spiralizzati, sono ancora filiformi. Si ha la rottura della membrana nucleare. I cromosomi saranno poi visibili e spiralizzati e si organizzano nella piastra metafasica. I cromosomi, già duplicati, sono formati da due cromatidi identici e al centro dal centromero (da al cromosoma la forma a X). I centromeri sono in fila, si sono allineati. I poli del fuso mitotico sono definiti dai centrioli. I cromosomi sulla piastra metafasica si dividono in due ed durante l’anafase i centrioli tirano verso di sé i cromatidi portandoli nei poli opposti. I cromatidi sono identici. Nella telofase si riforma la membrana nucleare, i cromosomi si despiralizzano. Poi si ottengono due cellule figlie con lo stesso contenuto di DNA e cromosomi della cellula di partenza. Mitosi e meiosi differiscono per la ripartizione del materiale genetico duplicato alle cellule figlie.

Particolarità della meiosi

Nella meiosi invece si hanno i cromosomi paterni e materni. Si ha la replicazione del DNA, la duplicazione in due cromatidi. Sulla piastra metafasica però i centromeri sono paralleli, appaiati tra loro. In più si scambiano anche parte del materiale genetico attraverso il processo di crossing over. Si ha una prima divisione meiotica in cui un cromosoma va nell’origine del fuso e l’altro cromosoma va nell’altro polo. Otteniamo quindi due cellule diploidi ma la divisione meiotica non è finita, è doppia. Dopo la seconda divisione meiotica si ottengono 4 cellule aploidi. Questo processo è simile alla mitosi perché si ha la divisione dei cromatidi anche se in questo caso i cromatidi sono un po’ diversi l’uno dall’altro per il crossing over. Tra la prima e seconda divisione meiotica non avviene replicazione del DNA.

Conseguenze della meiosi

Nella mitosi si vede l’allineamento dei cromosomi sulla piastra metafasica. In tutte le cellule finali si ha la copia del genoma completa, ma è aploide. Quindi la meiosi può avere diverse conseguenze sul genotipo dei gameti. Vediamo che gene ‘a’ e ‘b’ hanno varianti alleliche A e B su cromosoma paterno e a e b nel cromosoma materno. Dopo che i cromatidi si organizzano sulla piastra metafasica, sono possibili due diversi arrangiamenti. Come si vede nell’immagine, abbiamo i geni paterni A e B, mentre sotto quelli materni a e b. Mentre sulla destra i cromosomi materni e paterni sono combinati; sopra c’è il cromosoma paterno A e materno b, sotto il cromosoma materno a e paterno B.

Arrivando alle cellule figlie della prima divisione meiotica; a sinistra vediamo una cellula contenente i cromosomi di origine paterna (A e B) e l’altra quelli materni (a e b), mentre a destra si ottengono la cellula figlia che sta sopra con cromosoma paterno A e materno b, e quella che sta sotto avrà cromosoma materno a e paterno B. L’organizzazione dei cromosomi paterni e materni sulla piastra metafasica è casuale. Così nella generazione finale dei gameti vediamo a sinistra che delle quattro cellule due avranno solo i cromosomi paterni (A e B) e le altre due quelli materni (a e b). A destra invece delle quattro cellule due hanno il cromosoma paterno A e materno b e le altre due saranno definite dal cromosoma a materno e B paterno. Da questo esempio abbiamo quattro possibili combinazioni a partire da due cromosomi.

Abbiamo 2 combinazioni. Ma noi abbiamo 23 cromosomi quindi 2²³ combinazioni possibili tra cromosoma paterno e materno (8388608) di ciascuno dei cromosomi. Essendo i vari cromosomi diversi tra loro per i differenti alleli e il rimescolamento crea moltissime combinazioni diverse di alleli. Allele è la variante per uno stesso gene. Il numero di combinazioni di alleli presenti tramite meiosi è 2ⁿ (uomo 2 alla 23). Ciò crea variabilità genetica, crea genotipi diversificati.

Il crossing over e la variabilità genetica

Tornando indietro, durante la profase della prima divisione meiotica avviene il crossing over cioè lo scambio di materiale genetico tra cromatidi di origine materna e paterna. Nella metafase si vedono al microscopio i chiasmi che sono punti di contatto tra cromatidi in cui è avvenuto scambio genetico. I cromatidi materni e paterni si appaiano e si associano in modo stretto. Si ha uno scambio preciso di materiale genetico tramite una rottura di entrambe le eliche del DNA (legame fosfodiesterico) con una conseguente riconnessione molto precisa. Cromosomi uscenti non sono danneggiati ma si sono scambiati tratti omologhi. Questo processo crea ulteriore diversità nei gameti perché con lo scambio di materiale genetico i cromatidi saranno diversi da quelli di partenza. Avviene una ricombinazione di varianti alleliche nel cromosoma. La ricombinazione avviene sempre nella meiosi per la riproduzione sessuata. L’assortimento casuale dei cromosomi materni e paterni sulla piastra metafasica è il secondo meccanismo che crea variabilità genetica negli organismi.

Riproduzione nelle piante

Raramente nella mitosi si ha il crossing over, nella meiosi almeno uno. Nelle piante il polline è generato per meiosi nelle antere del fiore. L’ovaio produrrà per meiosi l’ovulo che sarà fertilizzato dal polline per ottenere un’altra pianta.

Genetica mendeliana

Esperimenti di Mendel

Mendel fu il primo a capire l’esistenza dei geni che lui chiamava fattori. Ipotizzò astrattamente che i geni davano i caratteri all’essere. Mendel aveva svolto i suoi esperimenti su una pianta diploide di pisello con fiore il Pisum sativum. È un fiore ermafrodita che contiene sia stigmi femminili sia antere maschili. Mendel condusse diversi incroci per fecondare una pianta con il polline di un'altra pianta in modo tale da ottenere le caratteristiche desiderate. Il lavoro preliminare fatto da Mendel fu molto astratto ma da acuto osservatore scelse i caratteri di cui poi osservò l’ereditarietà. Si era reso conto che c’erano dei caratteri che si vedevano in due varianti diversi: forma del seme (liscia o rugoso), il colore del seme (giallo o verde), forma del baccello (gonfia o compressa), colore del baccello (verde o giallo), colore dei fiori (rosso o bianco), posizione dei fiori (assiale o terminale) e altezza della pianta (alta o bassa). Studiò l’ereditarietà di questi caratteri.

Mendel e la genetica delle piante

Inizialmente fece l’autofecondazione con piante con una delle due varianti. Ad esempio, piante con seme liscio dopo autofecondazione davano vita a figlie con seme liscio. Anche le figlie di piante con seme rugoso presentavano il seme rugoso. Ugualmente avveniva per le caratteristiche sopracitate. Le linee pure hanno eredità pura per un carattere attraverso la riproduzione per autofecondazione per molte generazioni.

Poi fece esperimenti con linee pure dette linee parentali, incrociandole. Sperimentò così tutte le varianti del carattere, incrociando ad esempio una pianta a seme liscio e una a seme rugoso. La progenie F1 mostrava una varietà del carattere, cioè il seme liscio. Poi decise di incrociare tra loro piante della generazione F1 ottenendo la generazione F2 in cui apparivano entrambi i caratteri delle linee pure di partenza (sia liscio che rugoso). Ha osservato anche le quantità risultanti: 5474 a semi lisci e 1850 a semi rugosi. Quindi un carattere scompariva nella prima generazione F1 per poi riapparire nella seconda F2 e anche il rapporto quantitativo in F2 continuava a tornare più volte in gruppi di incroci diversi ed anche per le altre caratteristiche. Da scienziato immaginava un modello in grado di spiegare la realtà per poi provarlo con esperimenti.

Le ipotesi di Mendel

Mendel pensava che i caratteri dipendessero dai fattori, oggi definiti geni, ereditati dai genitori. Nei genitori i caratteri erano presenti in due varianti diverse, con due copie del fattore ‘a’: linea pura seme liscio A e seme rugoso a. Il modello proponeva che questi fattori non si mischiassero ma si combinassero tramite gameti nella progenie F1 dando vita a figlie Aa. Mendel distingueva il genotipo, cioè i fattori non visibili che determinano un carattere, dal fenotipo, cioè la proiezione reale del genotipo.

Genotipo e fenotipo

AA e aa è il genotipo parentale definito omozigote perché ha coppie uguali del medesimo fattore. Aa è invece definita specie eterozigote del gene ‘a’. Le piante F1 sono infatti eterozigoti. Così formulò il concetto di dominanza cioè una variante allelica del fattore è dominante sull’altra e il fenotipo sarà lo stesso per l’omozigote dominante e l’eterozigote. È recessivo a perché il fenotipo si mostra solo negli omozigoti recessivi. Mendel osservò che nella progenie si vedevano sia semi lisci che semi rugosi.

Dominanza e probabilità

Infatti si vede dalla tabella (o F1/F1=F2 A a schema ramificato) che F2 ha il 25% di probabilità di essere omozigote dominante, AA, il 50% di essere eterozigote e il 25% di essere omozigote recessivo. Le probabilità del fenotipo sono 75% A quindi seme liscio e 25% a quindi seme rugoso. Grazie al concetto di dominanza sappiamo che il carattere A è dominante su a e perciò si presenta nel fenotipo.

Re-incrocio e test cross

Per testare questo modello (capire se il carattere A è omozigote AA o eterozigote Aa) fece un re-incrocio o test cross tra eterozigote e omozigote recessivo. Perché il modello stia in piedi ci aspettiamo metà carattere dominante e metà recessivo. Ciò perché si combinano aa dell’omozigote con Aa dell’eterozigote ottenendo ½ Aa e ½ aa. Si può anche vedere il test cross come una validazione del modello di Mendel, incrociando un organismo della F1 e l’organismo omozigote recessivo.

Frequenza e probabilità

Le frazioni risultanti dalle tabelle indicano sia la probabilità sia la frequenza di avere determinati alleli. Due eventi indipendenti hanno una probabilità di verificarsi insieme che è dato dal prodotto delle singole probabilità degli eventi (estrazioni degli alleli). Inoltre, la probabilità di ottenere un determinato fenotipo è data dalla somma delle singole probabilità, quindi si calcola la probabilità che avvenga uno o l’altro di eventi mutuamente esclusivi.

Incroci e modelli genetici

Mendel poi considerò due caratteri insieme, forma e colore del seme. Mendel quindi incrociò delle linee pure con seme liscio e giallo RRGG e seme rugoso e verde rrgg (entrambe figlie di generazioni di autofecondazione). Nella progenie si ottenevano piante con semi lisci e gialli. Si deduce dal modello di Mendel che gli alleli dominanti sono liscio e giallo.