Appunti di Genetica

Genetica mendeliana

La genetica mendeliana si basa sugli studi fatti dal genetista Mendel sulla pianta di pisello da orto. Nelle sue osservazioni Mendel si basa sullo studio di 7 caratteri semplici quali colore dei fiori, colore dei piselli, forma dei piselli, colore e forma dei baccelli, lunghezza dello stelo e posizione dei fiori.

Metodi di incrocio

Il metodo usato da Mendel è quello degli incroci controllati: vengono definiti due parentali, P1 femminile a fiore rosso e P2 maschile a fiore bianco. Dopodiché in P1 vengono rimossi gli stami maschili in modo tale che non vadano a produrre il polline (si evita in questo modo l’autofecondazione della pianta) mentre in P2 non vengono rimossi in modo tale che la pianta riesca ad impollinare P1 depositando il polline sui suoi pistilli. Si viene così a creare la prima generazione filiale denominata F1. Dopodiché Mendel effettuò delle autofecondazioni o inincroci (incroci nella stessa generazione filiare) all’interno di F1 ottenendo così la generazione F2.

I parentali incrociati vengono considerati come linee pure, ossia individui altamente omozigoti perché il loro carattere è rimasto immutato per molte generazioni. Considero ora il carattere “forma del seme”; Mendel effettua l’incrocio tra una pianta con semi lisci ed una pianta con semi rugosi. Nella generazione filiale 1 Mendel ottenne solo piante con seme liscio ma dopo aver effettuato l’inincrocio in F2 ottenne molte piante con seme liscio ma anche alcune con seme rugoso, con un rapporto tra esse di 3:1.

Caratteristiche genetiche e alleli

Quindi il carattere “rugoso” scompare nella generazione F1 per poi ricomparire in F2. Ciò è spiegato da Mendel tramite la presenza di fattori particellari (oggi detti geni) presenti in due forme alternative negli organismi (in questo caso le forme alternative sono rugoso e liscio) e che vengono trasmessi con i gameti. Le due forme diverse dello stesso gene sono dette alleli quindi in questo caso si ha un allele per il carattere rugoso ed un allele per il carattere liscio. Ciò vuol dire che nella F1 sono presenti entrambi gli alleli ma solo uno si manifesta (quello liscio) e ciò significa che tra i due uno prevale sull’altro: vi è quindi un allele dominante ed un allele recessivo.

Questi alleli vengono indicati con la lettera maiuscola per il dominante e con la lettera minuscola per il recessivo. In questo caso S per il carattere liscio e s per il carattere rugoso. Pertanto, gli individui della generazione F1 presenteranno un genotipo (ossia la sequenza degli alleli) Ss ed un fenotipo (ossia il carattere manifestato) liscio, indicato anche con S-. Poiché presentano entrambi gli alleli questi individui sono detti eterozigoti. Invece i due parentali sono omozigoti in quanto presentano un solo tipo dei due alleli: il primo parentale ha genotipo SS con carattere liscio e il secondo parentale ha genotipo ss con fenotipo rugoso.

Schema di incrocio e quadrato di Punnet

Si può quindi schematizzare il primo incrocio con il seguente schema:

Nell’inincrocio in F1 i gameti prodotti sono ½ S e ½ s per ogni individuo, quindi viene usato il quadrato di Punnet per prevedere i possibili genotipi in F2:

Per quanto riguarda il genotipo si avranno quindi ¼ di individui SS, ½ Ss e ¼ ss; invece per il fenotipo si hanno ¾ a carattere S- liscio e ¼ a carattere s rugoso, si dice quindi che il rapporto tra i fenotipi è di 3:1.

Prima legge di Mendel

Da questi incroci Mendel ottenne la prima legge di Mendel: i membri di una coppia genica (gli alleli) segregano l’uno dall’altro alla formazione dei gameti, in tal modo metà dei gameti contiene un allele e l’altra metà contiene l’altro allele. La progenie viene prodotta tramite la combinazione casuale dei gameti dei due genitori. Per il calcolo della combinazione dei gameti si può anche usare lo schema ramificato: le frazioni sopra riportate oltre ad indicare la frequenza con cui si manifestano i caratteri negli individui, indicano anche la probabilità che ha il carattere di manifestarsi in un futuro individuo.

Verifiche sulla prima legge di Mendel

Analisi delle generazioni successive: Mendel continua gli incroci fino alla sesta generazione filiale ottenendo sempre i rapporti previsti dal metodo visto sopra. Prende per esempio le piante a fenotipo dominante della F2 e le incrocia tra loro; in tal modo i casi possibili sono SS x SS, da cui si formano solo individui SS a fenotipo liscio, e Ss x Ss, in cui si ottengono ¾ degli individui S- e ¼ ss. Mendel non sapeva quali piante stesse scegliendo tuttavia aveva calcolato la frequenza della generazione F2 pertanto sapeva che in F3 la frequenza doveva essere di 1/3 con seme liscio, e 2/3 di cui ¾ liscia e ¼ rugosa. Poiché Mendel ottiene questi dati anche sperimentalmente questa verifica è avvenuta in maniera efficace.

Reincrocio di prova o test-cross

Viene effettuato l’incrocio tra piante a fenotipo dominante e piante a fenotipo recessivo nella F2; l’incrocio è quindi S- x ss. Questo tipo di incrocio serve a capire quale sia il genotipo del parentale a carattere dominante. Ci sono infatti due possibili casi:

• SS x ss; si ottengono solo individui Ss con fenotipo liscio
• Ss x ss; si ottiene ½ di individui Ss lisci e ½ di individui ss rugosi

Di conseguenza tramite la generazione filiale è possibile risalire al genotipo del parentale. Il parentale ss viene infatti chiamato “tester” perché si sa per certo che ha un genotipo omozigote recessivo e ci permette quindi di risalire al primo parentale.

Incroci di diibridi

Mendel usa lo stesso schema sperimentale di prima ma considera due caratteri al posto di uno; i caratteri considerati sono forma del seme (S seme liscio e s seme rugoso) e colore del seme (Y seme giallo e y seme verde). I due parentali sono a seme giallo e liscio e a seme verde e rugoso, inoltre sono linee pure come negli incroci monoibridi quindi sono altamente omozigoti. In F1 Mendel ottiene solo individui a fenotipo liscio e giallo; infatti, il primo parentale produce solo gameti con alleli Y e S, mentre il secondo parentale produce solo gameti con alleli y e s, infatti i genotipi dei due parentali sono YYSS e yyss. Di conseguenza tutti gli individui della F1 saranno eterozigoti YySs.

Seconda legge di Mendel

Per la generazione F2 Mendel elabora poi due ipotesi:

• I geni che controllano i due caratteri sono trasmessi insieme alla progenie, quindi ci sarà un rapporto fenotipico liscio-giallo : rugoso-verde di 3:1
• I due caratteri vengono ereditati in maniera indipendente e si hanno quindi 4 tipi di gameti possibili

Delle due ipotesi si verifica la seconda, quindi alla formazione dei gameti i quattro alleli vengono considerati come indipendenti e pertanto si combinano in maniera casuale: si ha quindi una frequenza di ¼ per ogni gamete e le combinazioni sono SY, Sy, sY e sy.

Seconda legge di Mendel: geni che controllano caratteri diversi si distribuiscono in modo indipendente l’uno dall’altro durante la produzione dei gameti; tradotto in termini più moderni, geni situati su cromosomi diversi si comportano in modo indipendente durante la produzione dei gameti. I gameti si combinano poi in maniera casuale, tuttavia è possibile prevedere la frequenza dei fenotipi e dei genotipi tramite il quadrato di Punnet: il rapporto ottenuto è di 9:3:3:1 e questa previsione venne poi confermata dalle analisi successive di Mendel.

Analisi statistica dei dati

L’analisi statistica dei dati permette di valutare se lo scostamento tra i valori attesi e quelli osservati sia significativo e in tal modo permette di verificare se l’ipotesi effettuata sia corretta. Solitamente viene formulata un’ipotesi nulla in cui si ritiene che lo scostamento dei dati sia solo dovuto al caso e successivamente si usa il test di chi-quadrato per verificare quest’ipotesi. La formula del chi-quadrato è:

Questo valore è accompagnato dal valore dei gradi di libertà calcolati con:

Gradi di libertà = numero di classi – 1

Questi due valori vanno poi controllati tramite la tabella seguente:

Se si ottiene una probabilità maggiore di 0,05 l’ipotesi nulla viene accettata, se si ottiene una probabilità minore di 0,05 l’ipotesi è rifiutata e lo scostamento è significativo.

Eccezioni alle leggi mendeliane

Locus genico: locazione specifica di un gene su un cromosoma. All’interno di un locus genico ci sono più alleli dello stesso gene che determina forme diverse del gene.

In una popolazione solitamente è presente un allele selvatico che determina l’allele predominante nella popolazione, sono poi presenti degli alleli mutanti che vanno a mutare l’allele selvatico determinando dei fenotipi diversi. Un esempio è dato dagli alleli del colore dell’occhio in Drosophila: l’allele selvatico è w e determina un colore rosso, mentre gli alleli mutanti sono.

Dominanza completa

È il caso analizzato da Mendel, in cui un allele domina sull’altro determinando un fenotipo.

Dominanza incompleta

Vi sono alleli dominanti e recessivi tuttavia anche i recessivi influiscono sul fenotipo dell’individuo; vi è quindi un effetto dose che determina il fenotipo in base alla quantità di alleli dominanti e recessivi presenti.

Poliallelia e codominanza

Per alcuni fenotipi come i gruppi sanguigni nell’uomo vi sono più di due alleli possibili per il genotipo, si parla quindi di poliallelia o alleli multipli. I gruppi sanguigni nell’uomo sono controllati dal gene I che presenta tre forme alleliche diverse: I^A, I^B e i. I genotipi possibili e i corrispettivi fenotipi quindi sono:

Il gene I è un gene che controlla la produzione degli antigeni sui globuli rossi, in particolare l’allele I^A determina la formazione dell’antigene A con l’aggiunta di α-N-acetilgalattosammina sull’antigene H, mentre I^B determina la formazione dell’antigene B con l’aggiunta sull’antigene H di galattosio, invece i non determina nessuna variazione nell’antigene H. Ciò vuol dire che se sono presenti sia I^A che I^B i globuli rossi avranno entrambi gli antigeni mentre se sono presenti due i globuli non hanno antigeni. Quindi questo è anche un caso di codominanza, in quanto sia I^A che I^B sono due alleli dominanti e vengono entrambi espressi (nel gruppo AB) mentre i è l’allele recessivo. Gli antigeni sono inoltre alla base delle trasfusioni, infatti la mancanza di un antigene fa sì che l’organismo produca anticorpi per i globuli con l’antigene mancante (per esempio il gruppo A produce anticorpi per il gruppo B poiché nei globuli di A manca l’antigene B), di conseguenza il gruppo 0 ha anticorpi per A e B, il gruppo A ha anticorpi per B, il gruppo B ha anticorpi per A e il gruppo AB non ha anticorpi. Ciò vuol dire che nelle trasfusioni il gruppo 0 può donare a tutti ma ricevere solo da 0, il gruppo A può ricevere solo da A e 0, il gruppo B riceve solo da B e 0 e il gruppo AB può ricevere da tutti ma non può donare a nessuno se non ad AB.

Genetica mendeliana nell’uomo

Nell’uomo i caratteri si distinguono in caratteri a base mendeliana semplice (a variazione discontinua per cui esistono solo due forme alternative) e caratteri quantitativi (a variazione continua per cui vengono espressi con numeri o percentuali e sono per esempio la predisposizione ad una certa patologia o il peso alla nascita). Alcuni tipi di malattie genetiche sono a base mendeliana semplice, come l’anemia falciforme o l’emofilia, pertanto vengono usati alberi genealogici per predire la trasmissione del gene che porta quella malattia. Gli alberi genealogici studiano infatti l’ereditarietà di un solo gene nell’uomo andando a stabilire se il carattere è dominante, recessivo, autosomico o legato al sesso. Per la costruzione di un albero genealogico si sfruttano incroci già esistenti in cui si riconosce subito il fenotipo cercato e dopodiché si procede a ritroso per capire quale sia il fenotipo di ogni individuo.

I simboli usati in un albero genealogico sono:

Regola molto importante: siccome i caratteri studiati negli alberi genealogici sono considerati come rari allora ogni individuo proveniente dall’esterno dell’albero è considerato come sano e non portatore del carattere studiato (a meno che non sia appurato al 100% che esso manifesti o sia portatore del carattere).

Caratteri recessivi

Sono caratteri come albinismo, anemia falciforme, alcaptonuria, fenilchetonuria, fibrosi cistica e distrofia muscolare. Le malattie a carattere recessivo implicano sempre la perdita di una funzione; per esempio nell’albinismo vi è la mancanza di un pigmento a causa di un difetto nella sintesi della melanina. Per questo tipo di caratteri l’individuo affetto è per forza omozigote recessivo (pp) mentre vi è la possibilità che un individuo sia portatore sano e quindi eterozigote (Pp).

Caratteri dominanti

I caratteri dominanti comportano l’acquisizione di una nuova caratteristica da parte del gene mutato. Tra le malattie dominanti ci sono brachidattilia, Polidattilia, acondroplasia, Corea di Huntington e neurofibromatosi. Poiché il carattere mutato è un carattere dominante basta un solo allele mutato affinché si manifesti il carattere e di conseguenza non esistono portatori poiché gli eterozigoti sono malati.

Teoria cromosomica dell’ereditarietà

Questa teoria studia la relazione tra la trasmissione di determinati geni e la trasmissione del sesso.

Determinazione del sesso

Drosophila Melanogaster: in drosophila vi sono 4 coppie di cromosomi di cui tre coppie di autosomi e la coppia XX nelle femmine o XY nei maschi. Il sesso femminile viene detto omogametico in quanto produce solo gameti X mentre quello maschile viene detto eterogametico poiché produce sia gameti X sia gameti Y. In drosophila il cromosoma Y non ha effetto sulla determinazione del sesso, ma ha effetto solo sulla fertilità maschile; infatti un individuo X0 è un maschio sterile mentre un individuo XXY è una femmina. In drosophila il sesso è determinato dal rapporto tra il numero dei cromosomi X e il numero delle serie di autosomi (una serie di autosomi è composta da un membro per ogni coppia di omologhi, quindi qualsiasi organismo “normale” presenta due serie di autosomi), i casi possibili sono quindi:

Dove A rappresenta una serie di autosomi. Il rapporto “numero di X / Numero serie di autosomi” è detto rapporto della bilancia, se esso è maggiore di 1 si ha una femmina, se minore di 0,5 si ha un maschio e se compreso tra 0,5 e 1 si hanno casi di intersesso.

Teoria cromosomica dell’ereditarietà

Teoria elaborata da Hunt Morgan nel 1910. Morgan studia particolari caratteri in drosophila come il colore degli occhi e arriva ad associarli al cromosoma X. I fenotipi studiati nel colore degli occhi sono il rosso dato dal gene wild type w⁺ dominante e il bianco dato dal gene w recessivo. Morgan effettua il primo incrocio tra una femmina ad occhi rossi ed un maschio ad occhi bianchi ottenendo sia maschi che femmine solo ad occhi rossi. Dopodiché, reincrocia gli individui della F1 ed ottiene sia individui ad occhi rossi che individui ad occhi bianchi con un rapporto di 3:1. Tuttavia, nella F2 gli individui ad occhi rossi sono sia maschi che femmine mentre gli individui ad occhi bianchi sono solo maschi.

Per spiegare questi dati Morgan ipotizza che il gene w sia sul cromosoma X. In tal modo nella generazione parentale la femmina ad occhi rossi avrebbe genotipo w⁺w⁺ mentre il maschio ad occhi bianchi avrebbe genotipo wY (sul cromosoma Y non è infatti presente il gene w quindi è solo una cromosoma a determinare il colore degli occhi). Dall’incrocio di questi due in F1 si ottengono quindi femmine a genotipo w⁺w e maschi a genotipo w⁺Y (poiché i maschi ereditano il cromosoma X solo dalla madre e quindi posso solo ereditare il gene w⁺). Incrociando due individui di F1 si ottengono invece le seguenti combinazioni:

In tal modo si ottiene infatti un rapporto rossi : bianchi di 3:1 con soli individui maschi ad occhi bianchi. Questa “sequenza ereditaria” (maschio-femmina-maschio) dell’allele w è detta eredità criss-cross.

Per verificare ulteriormente la posizione del gene w sul cromosoma X Morgan effettua l’incrocio reciproco al primo: femmine ad occhi bianchi con maschi ad occhi rossi. Così facendo in F1 si ottengono ½ femmine con occhi rossi w⁺w e ½ maschi ad occhi bianchi wY; invece in F2 si ottengono ¼ femmine ad occhi rossi, ¼ maschi ad occhi rossi, ¼ femmine ad occhi bianchi e ¼ maschi ad occhi bianchi secondo il seguente schema:

Questo incrocio diete ulteriore conferma a Morgan della localizzazione del gene w sul cromosoma X. Inoltre, Morgan e i suoi allievi individuarono numerosi geni oltre a w posizionati sul cromosoma X e ciò pose le basi per la teoria cromosomica dell’ereditarietà: la segregazione dei geni va di pari passo con la separazione delle paia di cromosomi omologhi alla meiosi. Oggi i geni presenti sul cromosoma X si dicono concatenati o legati al sesso.

La dimostrazione di questa teoria viene però fatta dall’allievo di Morgan, Calvin Bridges. Esso ripete gli incroci di Morgan e nell’incrocio tra femmina ad occhi bianchi e maschio con occhi rossi ottiene delle eccezioni: oltre ai maschi ad occhi bianchi e alle femmine ad occhi rossi della F1 sono presenti (1 caso su 2000) femmine ad occhi bianchi e maschi ad occhi rossi. Calvin ipotizza allora una mancata disgiunzione nella meiosi:

Con una mancata disgiunzione dei cromosomi femminili il risultato dell’incrocio sarebbe il seguente:

In tal modo Calvin dimostra la correlazione tra segregazione dei geni e divisione dei cromosomi alla meiosi, e così dimostra le teorie di Morgan.

Determinazione del sesso nell’uomo

L’uomo possiede 22 autosomi più due cromosomi X nella donna o un X e un Y nel maschio.