Appunti di genetica umana e medica

Genetica

Genetica è la scienza che studia l'ereditarietà dei caratteri: meccanismi di trasmissione delle caratteristiche biologiche.

Branche della genetica

• Genetica formale (classica): Studio della trasmissione dei caratteri mediante incroci tra organismi. Mendeliana monogenica. Risale al periodo antecedente alla scoperta della struttura del DNA. I geni sono identificati attraverso lo studio dell'ereditarietà di differenze nei caratteri nella progenie degli incroci.
• Genetica di popolazione: Studio dei processi evolutivi che determinano le frequenze di varianti genetiche nelle popolazioni. Gli individui all'interno di una popolazione possono portare differenti alleli di molti geni, quindi i membri di una popolazione variano nella loro composizione genetica. I genetisti cercano di determinare le frequenze di specifici alleli in una popolazione e accertare se cambino nel tempo.
• Genetica quantitativa: Studio della trasmissione dei caratteri determinata dall'azione simultanea di più geni. Multigenica.
• Genetica molecolare: Studio del funzionamento dei geni, successiva alla scoperta della struttura del DNA. Tecnologia del DNA ricombinante per inserire geni o pezzi di geni di un DNA in un'altra molecola.
• Genetica medica

Flusso dell'informazione genetica

Trascrizione e traduzione:

DNA → RNA → Proteine

Contiene, conserva e trasmette l'informazione genetica, guida la produzione delle proteine (espressione genica) quando necessario. La copia e il trasporto dell'informazione contenuta nei geni avvengono in compartimenti adibiti alla sintesi proteica quando è richiesto.

La struttura del DNA riflette la sua funzione: i due filamenti complementari che si dividono per generare nuove molecole di DNA in modo semiconservativo permettono di ottenere nelle due cellule figlie due molecole, ognuna delle quali ha un filamento stampo e uno di nuova sintesi. Questo permette di introdurre casualmente nell'elica di nuova sintesi delle mutazioni che permettono alla specie di evolvere.

Mutazioni geniche

Causate da:

• Errori nella replicazione: sono spontanee, non tutte vengono riparate.
• Cambiamenti chimici spontanei: variazione di una base.
• Cambiamenti chimici causati da sostanze chimiche o agenti fisici.

Possono essere controllate attraverso meccanismi di riparazione che riconoscono i cambiamenti come errori e li riparano. Tuttavia, alcuni errori sfuggono. Nell'uomo/eucarioti il tasso di mutazione spontanea di un gene è 10^-4 – 10^-6 per gene per generazione. Nei batteri/fagi il tasso è 10^-5 – 10^-7. Il tasso di mutazione è influenzato dalla costituzione genetica dell'organismo. Il tasso di mutazione è riferito alle mutazioni non corrette dai sistemi di riparo del DNA.

Mutazioni a livello di sequenze non codificanti o in regioni prive di geni → non hanno effetto fenotipico → mutazioni silenti. Statisticamente la maggior parte delle mutazioni sono di questo tipo. Vengono trasmesse e non c'è selezione contro (non hanno vantaggi o svantaggi per la sopravvivenza) → polimorfismi neutri.

Mutazioni che avvengono nei geni → mutazioni geniche, spesso alterano la funzionalità proteica. Vengono trasmesse ma agisce la selezione.

Mutazioni che alterano una singola base → mutazioni puntiformi:

• Sostituzione: può essere silente o provocare un cambiamento del codone.
• Transizione (63% delle sostituzioni): purina → purina / pirimidina → pirimidina. La sostituzione offre un'unica possibilità. La maggior parte delle transizioni si hanno a livello dei promotori dei geni, ricchi in GC (con citosine che vengono metilate). Spontaneamente le citosine con gruppo amminico possono deaminare → se sono metilate e perdono il gruppo amminico diventano timine, non vengono riconosciute come estranee e rimangono.
• Transversione (37% delle sostituzioni): purina → pirimidina / pirimidina → purina. La sostituzione offre due possibilità.

Effetto delle mutazioni per sostituzione:

• Missenso: Sostituzione di un amminoacido in un altro. Cambia il senso della traduzione.
• Non senso: Sostituzione di un codone per un aminoacido in un codone di stop. C'è la tronca zione della sintesi proteica, sono mutazioni solitamente deleterie.
• Neutra: Sostituzione di un aminoacido con un altro con proprietà chimiche simili. Solitamente il ripiegamento della proteina non cambia, quindi mantiene la sua funzione.
• Silente: Cambiamento nel codone che non comporta un cambiamento dell'aminoacido (3^a base).
• Inserzione/delezione: Cambiamento dei codoni a valle della mutazione.

Effetto delle mutazioni per delezione:

• Frameshift: Cambia la cornice di lettura.

DNA e cromosomi

Procarioti: Hanno un unico cromosoma circolare, senza telomeri, molto semplice. La replicazione parte da un unico punto detto origine di replicazione, è bidirezionale. A volte contengono altre numerose piccole molecole di DNA dette plasmidi.

Eucarioti: Hanno cromosomi lineari, con estremità dette telomeri che devono essere stabilizzate. Sono catene estremamente lunghe, quindi ci sono più origini di replicazione con più bolle replicative bidirezionali che si fondono. Alla fine della duplicazione si ottengono i cromatidi fratelli: sono identici dal punto di vista molecolare, rimangono uniti fino alla mitosi. Il numero cromosomico è caratteristico di ciascuna specie. Negli eucarioti diploidi i cromosomi omologhi hanno derivazione diversa, sono le due copie dello stesso cromosoma. Lo stato di diploidia è indicato con 2N. La cellula diploide si duplica per mitosi, l'organismo diploide di riproduce per riproduzione sessuata. In un organismo complesso le cellule che hanno assetto diploide sono dette cellule somatiche (2N). I gameti prodotti dalle cellule germinali hanno assetto cromosomico aploide (N).

I due cromatidi fratelli diventano i cromosomi delle cellule figlie sono molecolarmente identici. I cromosomi omologhi invece sono di origine paterna e materna e non sono quindi identici dal punto di vista molecolare. Il singolo filamento di DNA non costituisce il cromatide fratello, che è costituito da una doppia elica.

Ciclo cellulare

L'intervallo di tempo che intercorre tra due divisioni cellulari successive.

• Interfase: Singoli cromosomi non distinguibili, cromatina 2N
• G1
• S: Sintesi, il DNA si duplica
• G2
• Fase M: Cromosomi si accorciano e si ispessiscono, diventano riconoscibili 2N
• Mitosi 4C
• Citocinesi

La lunghezza della fase G1 influenza la durata del ciclo intero, perché le altre fasi sono fisse. È più lunga nelle cellule poco proliferanti fino all'arresto della proliferazione in fase G0. Il contenuto di DNA di un genoma è indicato con C.

• Assetto diploide: 2N, 2C
• Assetto aploide: N, C

Mitosi

L'aspetto fondamentale è la distribuzione ordinata dei cromosomi duplicati da una cellula madre alle sue cellule figlie. Ciascun cromosoma della cellula madre si duplica nella fase S, quindi all'inizio della mitosi ogni cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli uniti a livello del centromero. (2N, 2C)

È fondamentale costruire l'apparato del fuso, avere il massimo compattamento della cromatina prima della divisione così si minimizzano i punti di rottura di ciascun cromosoma. Nella metafase c'è allineamento di tutti i cromosomi: poi iniziano a migrare i cromatidi fratelli ai poli opposti. Se la migrazione non fosse sincrona, si potrebbero avere cromosomi sfalsati e casualmente un cromatico fratello potrebbe trovarsi nella parte sbagliata della cellula. La divisione del centromero sincronizzata con la piastra equatoriale garantisce alla fine della telofase un genoma bilanciato fra le due cellule figlie.

La formazione del fuso dipende dai centri di organizzazione dei microtubuli (MTOC) posti nel citoplasma e, negli animali, differenziati in piccoli organelli detti centrosomi. Ogni centrosoma contiene due centrioli ad angolo retto circondata da una matrice detta materiale pericentriolare. Appena la cellula entra in mitosi, i microtubuli si avvolgono intorno ad ogni centrosoma figlio formando una struttura a raggiera detta aster.

La formazione del fuso è accompagnata dalla frammentazione di altri organelli cellulari e alla scomparsa del nucleolo. La divisione è definita equazionale perché si parte da una cellula diploide e si ottengono cellule figlie diploidi. Il centromero è una costruzione primaria del cromosoma e intorno c'è il cinetocore con proteine che prendono contatto con il centromero e con le fibre del fuso mitotico.

I cromatidi fratelli dei cromosomi duplicati si separano durante l'anafase, grazie all'accorciamento dei microtubuli attaccati ai cinetocori e alla degradazione delle sostanze che tengono uniti i cromatidi fratelli. I microtubuli sono fatti da tubuline α e β che vengono aggiunte da una parte e tolte dall'altra. La depolimerizzazione dei microtubuli avvicina i cromosomi ai poli della cellula. I cromatidi separati vengono ora definiti cromosomi, si decondensano e si riformano gli organelli. Ciascun gruppo di cromosomi viene racchiuso in una membrana nucleare → telofase.

Differenza cellule animali e vegetali: nelle animali c'è citodieresi, nelle vegetali all'esterno c'è fuori dalla membrana una parete cellulare → si forma un setto che divide le due cellule.

Fasi della mitosi

• Profase: All'inizio i cromatidi sono molto allungati e non visibili al microscopio ottico, poi cominciano ad avvolgersi divenendo corti e spessi. Ciascun cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli. Si costituisce al di fuori del nucleo il fuso mitotico. Verso la fine della profase, la membrana nucleare si dissolve e scompare il nucleolo, quindi il fuso penetra nel nucleo. Su ogni lato del centromero di ciascun cromosoma si formano i cinetocori, a cui si attaccano i microtubuli dei cinetocori che si irradiano in direzioni opposte interagendo con il fuso.
• Metafase: Incomincia quando la membrana nucleare si è completamente dissolta. I centromeri sono allineati su un piano detto piastra metafasica.
• Anafase: Inizia quando i cromatidi fratelli si separano in corrispondenza del centromero, dividendo in due il cromosoma, e migrano verso poli opposti.
• Telofase: Si completa la migrazione dei cromosomi fratelli ai due poli, dove si riuniscono. I cromosomi cominciano a svolgersi e ad assumere la forma allungata. Attorno a ciascun gruppo di cromosomi si forma una membrana nucleare, i microtubuli del fuso scompaiono e il nucleolo si riforma.

Riproduzione sessuata

Negli organismi che si riproducono per riproduzione sessuata il ciclo biologico passa attraverso due fasi:

• Diploide: Inizia con la vita dello zigote, riguarda quasi tutte le cellule dell'organismo (somatiche).
• Aploide: Quando deve avvenire la trasmissione dei caratteri, è confinata ai gameti. Permette la variabilità genetica.

Mentre negli animali la fase aploide (necessaria per riportare nello zigote la stessa quantità di genoma presente nei progenitori) è confinata alla cellula, al gamete che trasmette il materiale genetico per produrre un nuovo individuo, nelle piante la fase aploide riguarda anche alcune componenti che contengono i gameti: la meiosi riguarda non solo le cellule deputate a portare il materiale genetico nella generazione successiva ma anche cellule che vanno a costituire gli organi che contengono questi gameti. I funghi, che sono eucarioti, sono aploidi: contengono un solo set cromosomico e quando occorre produrre variabilità genetica alcune cellule di funghi diversi si fondono a produrre nuclei diploidi che con la meiosi danno altre cellule aploidi che daranno origine a nuovi funghi. Questo permette di rispondere a nuove esigenze ambientali → il patrimonio può variare rapidamente.

Gli organismi unicellulari possono variare il proprio patrimonio genetico solo tramite mutazioni casuali. Il vantaggio della riproduzione sessuale è creare variabilità.

Meiosi

Non è solo finalizzata a creare gameti aploidi, ma anche a creare cellule con assetti cromosomici diversi dai genitori. In questo modo le specie evolvono velocemente. C'è il rischio anche di avere gameti anomali con patologie.

Inizio della profase I → 2N, 4C

Alla fine della prima divisione meiotica → N, 2C. I cromosomi omologhi vengono spostati ai poli della cellula e quindi alla fine c'è metà assetto cromosomico.

La seconda divisione meiotica è simile a una mitosi, i cromosomi si dividono nei cromatidi fratelli. → N, C

La prima divisione è definita riduzionale, la seconda equazionale.

Fasi della meiosi

• Profase I:
  • Leptotene: I cromosomi cominciano ad avvolgersi diventando visibili.
  • Zigotene: I cromosomi omologhi incominciano ad appaiarsi in modo altamente specifico (sinapsi). Ciascuna serie di cromosomi sinaptici è costituita da quattro cromatidi → tetrade.
  • Pachitene: I cromosomi sono molto più corti e spessi e sono visibili come strutture a quattro filamenti intimamente appaiati. Avviene il crossing over, cioè lo scambio reciproco di segmenti cromosomici localizzati nella stessa posizione lungo il cromosoma tra omologhi. È facilitato dall'unione sinaptica stretta dei quattro cromatidi. Il cromosoma che esce dalla meiosi con una combinazione di geni differente da quella di partenza è detto cromosoma ricombinante.
  • Diplotene: I cromosomi incominciano a separarsi, il crossing over diventa visibile con formazione di strutture cruciformi dette chiasmi.
  • Diacinesi: I quattro cromosomi di ciascuna tetrade sono ancora più condensati e i chiasmi si terminalizzano: i cromosomi scivolano l'uno sull'altro in modo che i chiasmi rallentino la separazione dei cromatidi. Scompare il nucleolo e inizia il dissolvimento della membrana nucleare.
• Metafase I: La membrana nucleare è completamente dissolta, le tetradi incominciano ad allinearsi sul piano equatoriale della cellula. L'apparato del fuso è completamente formato e i microtubuli sono attaccati ai centromeri dei cromosomi omologhi. Nella meiosi i centromeri fratelli rimangono uniti, mentre nella mitosi si separano.
• Anafase I: I cromosomi di ciascuna tetrade si separano e migrano ai poli opposti (ciascuna coppia è detta diade). Gli omologhi di derivazione materna e paterna si separano in modo casuale a ciascun polo. A ciascun polo si trova un complemento aploide per ciascun cromosoma replicato, poiché le coppie di cromatidi fratelli che hanno segregato rimangono attaccate tra loro attraverso i rispettivi centromeri.
• Telofase I: Le diadi completano la loro migrazione ai poli opposti della cellula, si formano nuove membrane nucleari attorno a ciascun raggruppamento aploide.
• Profase II: Contrazione cromosomica.
• Metafase II: Ognuna delle due cellule figlie organizza un apparato del fuso al quale si attaccano i centromeri, che si allineano sul piano equatoriale.
• Anafase II: I cromatidi vengono trascinati ai poli opposti del fuso. Il cromatico fratello di ciascuna coppia muove ad un polo, l'altro al polo opposto. Divengono quindi cromosomi a tutti gli effetti.
• Telofase II: Si riforma la membrana nucleare attorno a ciascuna serie di cromosomi e avviene la citochinesi.

Poiché non avviene nessuna duplicazione cromosomica tra la meiosi I e la meiosi II, da un'unica cellula diploide di partenza hanno origine quattro cellule aploidi, ognuna delle quali possiede un cromosoma per ciascun paio di omologhi.

Elementi che creano variabilità

• Crossing over → Nel pachitene della profase I della meiosi. Richiede l'appaiamento dei cromosomi omologhi e lo scambio di regioni omologhe (stesso segmento cromosomico) tra cromatidi di cromosomi omologhi. Non c'è perdita di materiale genetico ma uno scambio tra cromatidi di cromosomi omologhi. I cromatidi sono diversi: uno è di derivazione paterna e uno di derivazione materna. Questo crea cromatidi ricombinanti con segmenti paterni frammisti a quelli materni. Il crossing over ha anche un'altra funzione; se non avviene le meiosi non vanno a buon fine perché la sinapsi (stretta vicinanza) tra due cromosomi omologhi è consentita da crossing over finché i cromosomi omologhi si dispongono lungo la piastra equatoriale. La tetrade tra cromosomi omologhi appaiati (ciascuno con 2 cromatidi fratelli) rimane unita attraverso il chiasma finché si dispongono sulla piastra equatoriale. Quando sono allineati parte la divisione: se non ci fosse l'unione fisica attraverso il crossing over si rischierebbe l'inizio separato della migrazione prima della metafase. Se avvenissero sbilanciamenti cromosomici i gameti sarebbero non vitali.

Funzioni del crossing over

• Variabilità nei cromatidi
• Mantenere fisicamente uniti i cromosomi omologhi finché sono allineati

Il cinetocore prende contatto solo con una parte delle fibre del fuso: quelle relative al polo che ha di fronte.

Segregazione: Ogni cromosoma omologo è diverso, nella determinazione di nuovi assetti può succedere che alla prima divisione meiotica ci possono essere diverse combinazioni di appaiamento. Quindi dati n cromosomi ci sono 2ⁿ possibilità di appaiamenti. Questo avviene perché la disposizione lungo la piastra equatoriale è casuale. Rimescola in un unico set cromosomi paterni e materni. Nella produzione di gameti se n=2 si hanno 2 migrazioni possibili e 4 possibili assetti nei gameti dopo la meiosi II. Alla fine si hanno 2 assetti nei gameti.