Appunti esame genetica

Branche della genetica

Distinguiamo tre principali branche della genetica: la genetica formale o plastica, la genetica molecolare e la genetica di popolazione. La genetica formale indaga i principi dell’ereditarietà senza interessarsi del gene. La genetica molecolare riguarda il gene e i processi cellulari che ne portano al trasferimento e all’espressione. La genetica di popolazione studia la composizione genetica delle popolazioni.

Genetica mendeliana

Gregor Johann Mendel

Gregor Johann Mendel (1822-1844) fu un biologo e matematico ceco universalmente considerato il padre della genetica. Nacque in una famiglia di piccoli proprietari terrieri della Slesia. Dopo essersi trasferito a Brünn, fece il suo ingresso in un monastero che aveva un orto. Qui si poté dedicare ai suoi esperimenti sulle piante del pisello. All’epoca c’era ben poco di noto. Era chiaro il meccanismo della fecondazione basato sull’unione del gamete maschile e del gamete femminile, ma non si conoscevano i cromosomi, i geni, il DNA e i meccanismi di meiosi e mitosi.

Per i suoi studi Mendel scelse come modello il Pisum sativum. La pianta del pisello è infatti facilmente reperibile e coltivabile, cresce e si riproduce velocemente. Data la sua particolare struttura con entrambe le strutture sessuali racchiuse da petali, il fiore normalmente si autoimpollina. È disponibile in varietà diverse dotate di caratteri somatici presenti in alternative ben definite e contrastanti. Tutte queste caratteristiche rendono quindi la pianta del pisello un ottimo modello di studio. Mendel ebbe quindi il merito di essere riuscito a individuare un organismo modello. Le scoperte effettuate su organismi modello sono poi applicabili agli altri organismi.

Mendel raccolse dunque un gran numero di dati e ciò gli permise di fare analisi quantitative, di organizzare i risultati in modo sistematico e di poter ripetere e verificare i suoi esperimenti. Pubblicò i suoi studi nel 1866. Per la prima volta in biologia un esperimento venne portato avanti con una procedura così rigorosa e basata su strumenti matematici e statistici. La sua teoria dell’ereditarietà dei caratteri venne tuttavia ignorata dalla comunità scientifica fino ai primi del Novecento.

Elementi del fiore e esperimenti di Mendel

Sul ricettacolo sono inseriti dall’esterno verso l’interno gli elementi fiorali, disposti in quattro verticilli: il calice, formato da sepali; la corolla, formata da petali; l’androceo, formato da stami; il gineceo, formato da pistilli. Sepali e petali sono gli elementi sterili. Stami e pistilli sono gli elementi fertili. Mendel rimosse gli stami da un fiore prima che questi producessero il polline e raccolse il polline da un altro fiore. Successivamente trasferì questo polline al pistillo del fiore di partenza. Lasciò quindi che si sviluppassero i piselli nel baccello e in seguito, dopo aver piantato i semi, osservò i fenotipi della progenie.

Linee pure e caratteri studiati

Una linea pura è data da piante che generazione dopo generazione mantengono sempre costante la forma di un carattere (es. fiore bianco). Queste piante sono ottenute o mediante autofecondazione o mediante incroci ripetuti tra individui identici per il carattere scelto. In particolare, nei suoi esperimenti di incrocio, Mendel studiò 7 paia di caratteri della pianta del pisello e questi erano: il colore dell’involucro del seme associato al colore del fiore, il colore del seme, il colore del baccello, la forma del baccello, la lunghezza dello stelo e la posizione dei fiori.

Primo esperimento: incrocio monoibrido

Nel suo primo esperimento Mendel effettuò un incrocio monoibrido. Un incrocio monoibrido è l’incrocio tra individui provenienti da una linea pura per un dato carattere e che ne esprimono le due forme alternative (es. aspetto del seme: liscio e rugoso). L’incrocio è ottenuto rimuovendo gli organi maschili di un fiore e fecondandolo con il polline di un altro fiore con forma del carattere alternativa. Nella generazione parentale (P) egli incrociò dunque una linea pura di pisello che produceva semi lisci con una linea pura di pisello che produceva semi rugosi. Tutti i semi della progenie filiale (F₁) erano lisci. Sembra che l’aspetto rugoso sia scomparso. Lo stesso vale per gli altri 6 caratteri.

Mendel parlò dunque del principio dell’uniformità della F₁ proprio perché tutti i semi della prima generazione filiale avevano la stessa caratteristica: seme liscio. Osservò lo stesso risultato in seguito a incrocio reciproco. L’incrocio reciproco è ottenuto scambiando i due genitori. Se all’inizio si era partiti da un genitore femminile con semi lisci e da un genitore maschile con i semi rugosi ora si ripeterà l’esperimento utilizzando un genitore femminile con semi rugosi e un genitore maschile con semi lisci. Il risultato ottenuto in seguito a questo scambio è lo stesso. Di conseguenza si tratta di una caratteristica (seme liscio o rugoso) che non dipende dal sesso. In realtà vedremo più avanti che in altre caratteristiche c’è la dipendenza dal sesso. Mendel chiama dominanti le forme che compaiono nella F₁ e recessive quelle che apparentemente sono scomparse. Il seme liscio è la caratteristica dominante mentre il seme rugoso, che non compare nella F₁, è la caratteristica recessiva.

Il secondo principio di Mendel è il principio della dominanza secondo cui gli individui ibridi della generazione F₁ manifestano solo uno dei tratti presenti nella generazione parentale ossia il tratto dominante seme liscio. Il principio dell’uniformità della F₁ e il principio della dominanza sono racchiusi nella prima legge di Mendel.

Secondo esperimento: autoimpollinazione della F₁

Passiamo dunque al secondo esperimento di Mendel consistente nell’autoimpollinazione della F₁. La primavera successiva i semi della F₁ vengono ripiantati e le piante derivanti lasciate autoimpollinarsi. La seconda generazione così ottenuta (F₂) risulta composta da individui portatori di entrambe le forme del carattere. Ricompare il carattere scomparso nella F₁ ossia il seme rugoso.

Uno dei meriti di Mendel è stato quello di compiere un’analisi matematica. Contò 5474 semi lisci e 1850 semi rugosi. Calcolò quindi il rapporto di 2,96:1 che possiamo semplificare in un rapporto di 3:1. Per ogni seme rugoso c’erano quindi 3 semi lisci. Vi era un seme liscio 1 su 4 semi. I caratteri recessivi quindi non sono scomparsi, ma sono rimasti nascosti nella F₁. Le piante della F₁ non costituivano quindi una linea pura perché se fosse stato così avrebbero dovuto dare esclusivamente semi lisci.

La pianta del pisello è diploide. Ciò significa che il corredo cromosomico è presente in duplice copia. Nel cromosoma è localizzato il gene. Il cromosoma è presente in doppia copia, quindi anche il gene sarà presente in duplice copia. In una linea pura le due copie del gene sono tra loro identiche o comunque possono manifestare la stessa caratteristica. Nelle linee non pure ci possono essere degli individui in cui le due copie del gene presentano due forme diverse. Queste due forme alternative del gene prendono il nome di alleli.

Mendel, non conoscendo i geni, ipotizzò la presenza di fattori particellari che potevano essere trasmessi e che erano in grado di portare l’informazione. Secondo Mendel esistevano dunque 2 fattori particellari i quali potevano portare la stessa identica informazione o informazioni alternative. Mendel aveva quindi già individuato il concetto di gene. Un allele è dominante sull’altro. Quindi la forma liscia è dominante sulla forma rugosa. Parliamo quindi di carattere dominante e di allele dominante e allo stesso modo parliamo di allele recessivo e carattere recessivo.

Omozigoti ed eterozigoti

Omozigoti sono individui che per un dato carattere possiedono una coppia di alleli identici (SS o ss). Eterozigoti sono individui che per un dato carattere possiedono una coppia di alleli alternativi (Ss). Negli omozigoti (SS o ss), entrambi gli alleli esprimono lo stesso carattere. Negli eterozigoti (Ss), il carattere espresso è solo quello dominante (S).

Il fenotipo è il complesso dei caratteri visibili di un individuo. Il genotipo è il complesso dei caratteri genetici ereditari di un individuo.

Quadrato di Punnett

I genotipi e i fenotipi risultanti dalla ricombinazione dei gameti durante la fecondazione possono essere visualizzati facilmente costruendo un quadrato di Punnett. Ciascuno dei gameti possibili viene assegnato a una colonna o a una riga, con le colonne verticali che rappresentano quelli prodotti dalla madre e le righe orizzontali quelli prodotti dal padre. I gameti quindi si incrociano e si osserva cosa viene fuori. Qui osserviamo il quadrato di Punnett nella sua forma più semplice. Se prendo due linee pure la progenie sarà dunque Ss (non c’è bisogno di fare il quadrato di Punnett). Genotipi diversi possono avere lo stesso fenotipo.

I genitori sono quindi linee pure. Nella generazione F₁ non si hanno linee pure. Nella generazione F₂ la metà sono eterozigoti e l’altra metà sono omozigoti o linee pure. I risultati degli incroci reciproci erano sempre gli stessi. Tutta la progenie F₁ era simile a una delle due linee, dimostrando la dominanza di un allele sull’altro. Nella generazione F₂ ricompare il carattere parentale scomparso nella generazione F₁. Inoltre, il carattere manifestato nella F₁ (carattere dominante) compare sempre nella F₂ con una frequenza di circa tre volte rispetto a quella dell’altro carattere (carattere recessivo).

Prima legge di Mendel: legge della segregazione

I primi risultati di Mendel vengono espressi formalmente nella prima legge di Mendel detta legge della segregazione. I caratteri recessivi, mascherati alla F₁ di un incrocio tra due linee pure, ricompaiono alla F₂ in proporzioni definite. I due membri di una coppia genica (alleli) segregano (si separano) l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti; metà dei gameti contiene un allele, l’altra metà l’altro allele.

Relazione tra genotipo e fenotipo

Il genotipo di un organismo è la costituzione genetica che ha ereditato. Il fenotipo di un organismo è quello che appare, la sua morfologia, fisiologia, comportamento. Il genotipo determina il fenotipo. In realtà, ci sono anche influenze ambientali ed eventi casuali durante lo sviluppo. Le relazioni tra genotipo e fenotipo non sono fisse perché il fenotipo è il risultato di complesse interazioni sia tra i geni che tra questi e l’ambiente esterno (esempio di una Achillea borealis che varia le sue dimensioni a seconda della località geografica). Nel caso degli esperimenti di Mendel il fenotipo dipende solo dal genotipo.

Schema ramificato

Oltre al quadrato di Punnett esiste anche un altro metodo per visualizzare il risultato degli incroci: si tratta dello schema ramificato. Lo schema ramificato ci permette di arrivare agli stessi risultati del quadrato di Punnett. In realtà sotto certi aspetti è preferibile lo schema ramificato soprattutto quando vengono presi in considerazione numerosi geni in contemporanea. Analizziamo l’incrocio della F₂. I gameti prodotti sono metà S e metà s. Quindi, scriviamo sulla colonna di sinistra ½ S e ½ s. Questi sono i gameti prodotti da uno dei genitori. Questi gameti si devono incrociare con i gameti prodotti dall’altro genitore, che saranno anch’essi ½ S e ½ s. A questo punto si effettua la moltiplicazione tra i gameti e si riporta il risultato: ad esempio, ¼ SS e così via. ¼ Ss e ¼ Ss vengono sommati e si ottiene ½ Ss. Sono esattamente gli stessi rapporti che abbiamo visto nel quadrato di Punnett. ¾ sono semi lisci e ¼ sono semi rugosi. Per dire che il fenotipo è seme liscio è possibile utilizzare l’abbreviazione “S-” dove “-” indica un allele S o s. Questa dicitura viene utilizzata anche quando non sappiamo qual è il genotipo (es. una pianta che produce semi lisci è omozigote o eterozigote? Potrebbe essere sia omozigote sia eterozigote quindi utilizziamo il simbolo S-).

Gli individui che hanno il fenotipo seme liscio possono essere sia omozigoti SS sia eterozigoti Ss. Per capire qual è il genotipo si fanno degli esperimenti di autofecondazione della F₂. Se autofecondiamo un omozigote dominante dobbiamo ottenere tutti semi lisci. Mentre, se autofecondiamo un eterozigote dobbiamo ottenere anche semi rugosi in rapporto 3:1.

Quando invece non è possibile effettuare un’autofecondazione è possibile incrociare l’organismo di cui non conosciamo il genotipo S- con un organismo omozigote recessivo ss. Se dall’incrocio si ottengono tutti semi lisci allora il genitore iniziale S- avrà un genotipo SS. Se invece compaiono anche semi rugosi allora il genitore iniziale S- avrà un genotipo Ss. Questi tipi di incroci sono chiamati reincrocio di prova o test-cross. Un reincrocio viene condotto tra un individuo di genotipo ignoto, che manifesta generalmente il fenotipo dominante, e un individuo omozigote recessivo noto, allo scopo di determinare il genotipo sconosciuto. I fenotipi della progenie del reincrocio rivelano il genotipo dell’individuo in esame. Oggi si fanno analisi genetiche molecolari.

Secondo esperimento: incrocio di diibridi

Successivamente, Mendel prese in considerazione sistemi genetici in cui fossero implicate due coppie di geni, cioè due coppie di caratteri alternativi dei piselli (liscio-rugoso e giallo-verde). Quando consideriamo 2 caratteristiche in contemporanea le lettere devono essere 4. L’organismo femminile è una linea pura per i caratteri dominanti sia per quanto riguarda la forma del seme sia per quanto riguarda il colore del seme; si tratta quindi di un genotipo SSYY. L’organismo maschile è una linea pura per i caratteri recessivi sia per quanto riguarda la forma del seme sia per quanto riguarda il colore del seme; si tratta di un genotipo ssyy. L’organismo femminile produce gameti SY mentre l’organismo maschile produce gameti sy. Incrociando i gameti dei due genitori si ottiene una generazione F₁ SsYy e quindi una generazione eterozigote per due coppie di alleli in due loci diversi. La F₁ presenta tutte e due le caratteristiche dominanti: seme giallo e liscio. Tali individui sono detti diibridi e un incrocio tra due diibridi uguali è detto incrocio di diibridi.

Generazione F₂ e assortimento indipendente

Nella generazione F₂ la situazione si complica. Incrociamo gli individui della F₁ e quindi un individuo SsYy con un individuo SsYy. Ogni genitore produce i seguenti gameti: SY, Sy, sY, sy. Ogni individuo produce quindi 4 gameti. Ogni gamete è presente al 25%. A questo punto si osserva il quadrato di Punnett. Gli incroci che si ottengono sono 16. I fenotipi possibili sono 4: 9/16 individui hanno il fenotipo seme liscio e giallo, 3/16 individui hanno il fenotipo seme liscio e verde, 3/16 individui hanno il fenotipo seme rugoso e giallo, 1/16 individui ha il fenotipo seme rugoso e verde. I genotipi possibili sono 9 e sono: SSYY, SsYY, SSYy, SsYy, SSyy, Ssyy, ssYY, ssYy, ssyy.

I fattori che controllano diverse coppie di caratteri si distribuiscono in modo indipendente gli uni dagli altri. Se gli alleli per le due coppie di caratteri vengono ereditati in modo indipendente in un incrocio di diibridi, allora la F₂ ottenuta da un incrocio F₁ x F₁ mostrerà un rapporto fenotipico 9:3:3:1 tra le 4 possibili classi fenotipiche. Tale rapporto può essere considerato come la moltiplicazione implicata dalla regola del prodotto per eventi indipendenti (3:1) x (3:1). I caratteri delle due coppie possono quindi combinarsi indipendentemente l’uno dall’altro, in tutti i modi possibili. È questa la seconda legge di Mendel o legge dell’assortimento indipendente. La seconda legge di Mendel, detta legge dell’assortimento indipendente, stabilisce che i fattori che controllano diverse coppie di caratteri si distribuiscono in modo indipendente gli uni dagli altri. Due coppie di alleli per geni su cromosomi diversi segregano in modo indipendente nella formazione dei gameti. Assortimento indipendente nel nostro esperimento significa che, sebbene entrambe le coppie di caratteri coinvolgano i semi, forma e colore del seme sono indipendenti l’uno dall’altro sia in termini di geni coinvolti che per come essi funzionano nella generazione di fenotipi.

Applicazione dello schema ramificato

Applichiamo lo schema ramificato. Questo schema ramificato è basato sul fenotipo. Nella F₂, Ss incrociato con Ss produce ¾ semi lisci (che indichiamo con S-) e ¼ seme rugoso. Per il colore si ha la stessa cosa e quindi ¾ Y- e ¼ yy. Ora andiamo a fare i prodotti e otteniamo: 9/16 liscio e giallo, 3/16 liscio e verde, 3/16 rugoso e giallo, 1/16 rugoso e verde.

Se avessimo voluto fare il ramificato per determinare i genotipi lo schema si complicava. E se i caratteri invece di essere 2 sono 3? Le frequenze fenotipiche e genotipiche nella F₂ vengono previste con la stessa logica usata precedentemente, analizzando ogni carattere in modo indipendente. Il carattere che viene aggiunto è il colore del fiore: in CC il colore è porpora, in cc il colore è bianco. Incrociando un individuo SSYYCC e un individuo ssyycc si ottiene una generazione F₁ SsYyCc e quindi una generazione eterozigote per tre coppie di alleli in tre loci diversi. La F₁ presenta tutte e tre le caratteristiche dominanti: seme giallo e liscio e colore del fiore porpora. La F₂ è ottenuta incrociando individui della F₁. Per semplicità non si fa il quadrato di Punnett infatti le combinazioni possibili dei gameti diventerebbero 64. Quindi, viene preso in considerazione direttamente lo schema ramificato.

Lo schema ramificato è identico a quello che abbiamo visto prima ma vengono aggiunti dei passaggi in più. Quindi si hanno 64 combinazioni degli 8 gameti materni con gli 8 gameti