Appunti/riassunto genetica agraria

Divisioni cellulari e genetica mendeliana

Principi mendeliani e teoria cromosomica dell'eredità

Le piante possono essere autogame o allogame (cioè possono incrociarsi). La maggior parte dei semi venduti sono ibridi F1. Gli ibridi F1 hanno creato dipendenza nei confronti delle aziende sementiere nei confronti dell'agricoltore. Sono molto vigorosi e produttivi (fenomeno dell'eterosi).

Qualche definizione

• Genoma: insieme di geni di una determinata specie.
• Gene: porzione di DNA entro un cromosoma che porta l'informazione per un carattere.

Per sequenziare il DNA molto velocemente vengono utilizzate delle tecniche, chiamate Next Generation Sequencing. Ogni cromosoma ha un cromosoma omologo, o più di uno. Lungo i 2 cromosomi, uno di origine materna ed uno paterna, si trovano i geni (loci genici). Nel locus genico si può avere una situazione di:

• Omozigosi AA
• Eterozigosi Aa

Ciclo cellulare

G1 e G2: fasi in cui c'è una preparazione della cellula per sintetizzare il DNA e poi una preparazione per andare incontro ad una divisione cellulare. S: sintesi del DNA. In G1 c'è un assetto cromosomico 2C, in G2 l'assetto cromosomico è 4C. Una pianta diploide ha 2 assetti cromosomici (2C). 1C: contenuto di DNA in un assetto cromosomico.

Quando le cellule vanno in divisione hanno già replicato il loro DNA, questo fa sì che ci sia un determinato comportamento quando ci sono le divisioni cellulari, in quanto le cellule vanno incontro a un ciclo cellulare, nel quale si identificano in successione delle fasi diverse. Una fase G1 seguita da S, da una fase G2 e poi da una fase di divisione cellulare che può essere mitosi o meiosi.

Mitosi e meiosi

Segregazione cromosomica: fenomeno in base al quale di ogni coppia cromosomica, un cromosoma va ad un polo e l'altro all'altro, mescolandosi casualmente. Ricombinazione cromosomica: risultato del crossing-over che mescola tra i cromatidi informazioni di origine materna e paterna. La meiosi dà luogo a tre effetti che sono di estrema importanza per la comprensione dei fenomeni genetici e che la rendono diversa dalla mitosi:

• Il dimezzamento del numero dei cromosomi.
• Il riassortimento dei cromosomi materni e paterni.
• La ricombinazione dei cromosomi.

Un individuo eredita metà dell'informazione genetica dal padre e metà dalla madre. C'è una mescolanza del materiale cromosomico dei genitori. Ogni generazione comporta un rimescolamento del materiale ereditario e ciò permette di ottenere molte combinazioni nuove. Importante: durante la prima divisione meiotica si verifica la separazione dei 2 cromosomi omologhi, ognuno costituito da 2 cromatidi.

Principi di Mendel

Le piante con fiori possono riprodurli mediante impollinazione crociata o autofecondazione. Per effettuare incroci controllati si rimuovono gli stami prima che producano il polline e si trasferisce nel pistillo il polline di un'altra pianta. Il pistillo è formato da ovario, stilo e stigma ed è la parte femminile, definita portaseme. Lo stame è formato dal filamento e dalle antere contenenti il polline ed è la parte maschile, definito impollinante.

Caratteri mendeliani

Nella prima generazione aveva sempre un carattere dei due parentali, indipendentemente dal sesso.

Terminologia mendeliana

• P: parentali, piante utilizzate come genitori.
• Ibrido F1: progenie di prima generazione da incrocio o prima generazione filiale.
• F2: seconda generazione (F1 x F1 = F2).
• BC1 (back-cross): incrocio tra un ibrido F1 e un parentale.

N.B. Una pianta che si autofeconda è altamente omozigote.

Dominanza e recessività

I legge di Mendel: principio della dominanza. Esistono due forme alternative che vennero denominate rispettivamente: dominante e recessiva.

Segregazione dei caratteri

II legge di Mendel: principio della segregazione. Mendel osservò che nella F2, i fenotipi dominanti e recessivi compaiono in un rapporto 3:1, ovvero un 25%. I due membri di una coppia di geni (alleli) segregano (cioè si separano) durante la formazione dei gameti.

Test cross

Rivela il genotipo di un individuo. Incrociando un soggetto F1 con il genitore recessivo, ci si aspetta di ottenere una progenie con fenotipi dominante e recessivo con un rapporto 1:1.

Assortimento indipendente

Incrociando due linee pure che differiscono per due caratteri si genera un di-ibrido. Dall' F1, attraverso l'autofecondazione si generano nuove combinazioni di caratteri con un rapporto approssimativo di 9:3:3:1.

AA : Aa : aA : aa

III legge di Mendel: principio dell'assortimento indipendente. I geni che controllano caratteri diversi si distribuiscono nei gameti in modo indipendente gli uni dagli altri.

Estensioni all'eredità mendeliana: interazioni geniche e modelli di segregazione atipici

• Dominanza completa o incompleta (interazione di un allele su un altro allele allo stesso locus). Comparsa di un fenotipo diverso (rosa) dai parentali (rosso e bianco) in F1 secondo il principio dell'uniformità degli ibridi F1 di Mendel. Segregazione in F2: 1 rosso: 2 rosa (eterozigote): 1 bianco.
• Allelismo multiplo (più alleli alternativi in un locus genico). Per esempio nei gruppi sanguigni ci sono più alleli che determinano il sangue.
• Caratteri legati al sesso. I geni localizzati sul cromosoma X sono presenti in doppia copia nelle femmine e in singola copia nei maschi. Il fenotipo della progenie è diverso a seconda che il carattere sia espresso nel genitore di sesso maschile o in quello femminile. Esempi: il daltonismo è determinato da un locus situato sul cromosoma X, ed è un carattere recessivo (d). I maschi possono essere daltonici o con vista normale, mentre le femmine possono essere portatrici o con vista normale. L'emofilia è sempre un carattere legato al cromosoma X. Un carattere portato dal cromosoma Y è detto cromosoma oloandrico e può essere presente solo nei maschi.
• Interazioni tra geni (interazione di un allele su un altro allele ad un locus diverso). Vedi da pag. 34 a 37 per esempi.

III legge di Mendel: 2 geni segregano in modo indipendente. I meccanismi di trascrizione dei caratteri non sono così semplici. A volte un carattere non è controllato da un singolo gene. L'influenza di un gene sull'espressione di un altro gene altera i principi di Mendel (9:3:3:1 in cui 2 geni influiscono su caratteri diversi). In questo caso 2 geni influiscono sullo stesso carattere. Si osservano in F2 rapporti:

• 12:3:1 o 9:3:4 Epistasia. Si verifica quando un solo carattere è sotto il controllo di due geni che interagiscono tra loro. Il gene che maschera l'espressione di un altro gene si chiama epistatico, il gene la cui espressione è mascherata si chiama ipostatico. Vi è l'epistasia dominante, in cui l'allele dominante in un locus maschera l'espressione di un altro locus e l'epistasia recessiva in cui è l'allele recessivo che maschera.
• 13:3 Inibizione. Un allele in un certo locus inibisce l'espressione di un altro locus genico.
• 9:7 o 15:1 Complementarietà. Interazione di due alleli nella manifestazione fenotipica.
• 9:6:1 Interazione duplicata. Determina la formazione di nuovi fenotipi. Per esempio gli alleli A o B danno lo stesso fenotipo, la loro interazione comporta un nuovo fenotipo (disco) e la condizione omozigote recessiva per entrambi comporta un fenotipo allungato.

Penetranza ed espressività

Non tutti i caratteri sono espressi al 100% anche se un allele è presente. Penetranza: frequenza di espressione di un allele quando è presente nel genotipo di un individuo. Se 9/10 degli individui che possiedono l'allele lo esprimono, la penetranza è del 90%. Espressività: variazione nell'espressione allelica quando l'allele è penetrante (esprime il grado di espressione fenotipica).

Struttura e replicazione del DNA

Il DNA è una molecola ereditaria. Le caratteristiche del materiale genetico sono:

• Capacità di replicarsi accuratamente.
• Avere una struttura stabile.
• Portare tutta l'informazione biologica.
• Possibilità di trasferire l'informazione biologica a tutte le cellule.
• Possibilità di andare incontro a cambiamenti ereditabili (mutazioni), ciò può essere un vantaggio selettivo.

La natura favorisce chi si adatta di più all'ambiente. Esiste un "principio trasformante", dove grazie ad un esperimento si dimostrò che il DNA è il fattore capace di trasformare un batterio dalla sua forma non patogena a quella patogena. Solo la Dnasi, che degrada il DNA, sopprimeva anche la capacità degli estratti di trasformare batteri non patogeni nella corrispondente forma patogena.

R: non virulento S: letali. Levene nel 1931 dimostrò che gli acidi nucleici sono composti da grosse molecole che per idrolisi totale producono unità più semplici chiamate nucleotidi, formati dalla base (guanina, adenina, citosina, timina o uracile) + zucchero pentoso (desossiribosio) + un gruppo fosfato. N.B. Nell' RNA, al posto della timina c'è l'uracile. I nucleotidi sono uniti da un legame fosfodiestere fra gli atomi di C 5' e 3' formando acidi nucleici. Il DNA è una molecola a doppia elica scoperta da Watson e Crick nel 1953. Vi sono 2 catene antiparallele che vanno in direzioni opposte, legate da legami idrogeno. Le catene pentoso-fosfato, fortemente anioniche, si trovano all'esterno della molecola a contatto con l'acqua, mentre le coppie di vasi, idrofobiche, si impaccano le une sulle altre al centro della molecola escludendo l'acqua.

Le coppie di basi adenina-timina hanno un doppio legame idrogeno. Le coppie guanina-citosina hanno un triplo legame idrogeno e sono più stabili. L'informazione genetica è riconducibile solo alla sequenza delle basi azotate, in quanto lo scheletro di ogni catena polinucleotidica è formato sempre dagli stessi componenti chimici.

Proprietà termiche

• Se il DNA è portato ad alte T, i legami H diventano instabili e le due catene si separano: denaturazione termica (la doppia elica viene separata nelle due singole eliche. Vengono rotti i ponti idrogeno. Questo processo è alla base della tecnica PCR che amplifica porzioni di DNA).
• Le sequenze A-T si denaturano più facilmente rispetto a G-C.
• La T alla quale il 50% del DNA è denaturato è detta Tm (melting temperature). Dipende dalla sequenza e dalla frequenza delle coppie A-T e G-C.
• Dopo il raffreddamento le basi si riappaiano: rinaturazione, ibridizzazione o annealing.

Il modello della replicazione del DNA proposto da W & C è semiconservativo. Ogni filamento funge da stampo per la costruzione di una nuova catena di DNA. La complementarietà delle basi garantisce la fedeltà della trasmissione dell'informazione genetica. La sintesi del DNA avviene nella fase S. Per far avvenire la sintesi, interviene un enzima che si chiama DNA polimerasi che funziona solo in direzione 5' → 3'. Lungo il DNA ci sono più origini di replicazione (si formano delle bolle) e ciò rende più celere la sintesi del DNA.

Sintesi delle proteine

Esiste una gamma molto ampia di proteine:

• Enzimi: catalizzatori che accelerano la velocità delle reazioni chimiche.
• Proteine strutturali: proteine del citoscheletro, collagene, elastine, cheratina, ecc.
• Proteine canale: proteine inserite nelle membrane citoplasmatiche che consentono il passaggio di molecole e ioni dall'interno all'esterno della cellula e viceversa.
• Proteine contrattili: assicurano la motilità delle cellule e degli organismi.
• Ormoni proteici.
• Proteine di trasporto: es. emoglobina del sangue.
• Anticorpi.
• Proteine di deposito.
• Tossine.

Le fasi della sintesi proteica sono 2:

• La trascrizione, che negli eucarioti avviene nel nucleo. La RNA polimerasi usa uno dei 2 filamenti di DNA come stampo per sintesi di m-RNA.
• La traduzione, che avviene nei ribosomi nel citoplasma. La sequenza di m-RNA viene decodificata o "tradotta". Ogni tripletta di nucleotidi (codone) è riconosciuta da un t-RNA che possiede una tripletta complementare (anticodone) ed un amminoacido (AA). La concatenazione di AA dà origine ad una catena polipeptidica. Il codice genetico è letto a triplette e codifica per un amminoacido.

Trascrizione e traduzione del DNA

Poiché negli eucarioti l'informazione genetica è contenuta nel DNA (come successioni di basi azotate) che si trova nei cromosomi inclusi nel nucleo, mentre la sintesi delle proteine avviene nel citoplasma in corrispondenza dei ribosomi. Questo processo dev'essere legato alla presenza di molecole capaci di veicolare l'informazione genetica dal nucleo al citoplasma, cioè l'RNA.

• L'RNA ha una struttura a filamento singolo.
• Solo uno dei due filamenti di DNA viene trascritto in RNA ad opera della RNA polimerasi che sintetizza in direzione 5' → 3'.
• Il filamento di DNA trascritto è detto filamento stampo.

Esistono tre principali tipi di RNA che svolgono un ruolo importante non solo nel veicolare l'informazione, ma anche nel consentire che l'informazione venga tradotta e regolata:

• RNA messaggero (m-RNA): porta l'informazione copiata dal DNA sotto forma di una serie di "parole" di tre basi dette codone.
• RNA di trasporto (t-RNA): decifra il codice, mediante uno specifico anticodone, al quale è associato un particolare amminoacido. È costituito da circa 80 nucleotidi.
• RNA ribosomiale (r-RNA): si associa con una serie di proteine per formare i ribosomi, per sintetizzare le proteine.

La trascrizione

Promotore: sequenza di DNA necessaria per la trascrizione del gene. Può essere costitutivo o inducibile. Terminatore: sequenza che controlla la fine della trascrizione. Il processo può essere suddiviso in tre fasi:

1. Fase iniziale: richiede il riconoscimento e il legame dell'RNA polimerasi a una regione del DNA verso l'estremità 5', corrispondente al promotore.
2. Fase di allungamento: l'RNA polimerasi catalizza l'estensione delle catene ribonucleotidiche mediante la formazione di legami covalenti.
3. Fase finale: terminazione della trascrizione e richiede il riconoscimento di una regione del DNA verso l'estremità 3', corrispondente al terminatore, affinché il complesso dell'RNA polimerasi possa dissociarsi dal DNA rilasciando l'RNA sintetizzato.

La trascrizione mostra numerose differenze dovute soprattutto alla natura dell'enzima che opera la trascrizione (RNA polimerasi) e a seconda che siano procarioti o eucarioti.

La traduzione

Avviene nel nucleo. Una singola elica fa da stampo. L'm-RNA migra a livello dei ribosomi nel citoplasma per la sintesi del DNA. La traduzione è lo stadio della sintesi proteica in cui le istruzioni portate dall'm-RNA vengono tradotte nella sequenza corretta di amminoacidi per formare una proteina. La traduzione ha luogo nel ribosoma (formato da r-RNA e proteine), composto da due subunità: quella piccola contiene un sito di legame per l'm-RNA; quella grande ha due siti di legame per due molecole di t-RNA e un sito che catalizza la formazione del legame peptidico tra due amminoacidi adiacenti.

Ogni molecola di t-RNA è specifica per un unico amminoacido ed è in grado di riconoscere sia l'amminoacido che deve trasportare, sia il codone complementare di m-RNA associato al ribosoma. La traduzione ha inizio quando due codoni del filamento di m-RNA si legano alla subunità piccola di un ribosoma. Il primo codone è la tripletta di "inizio lettura" AUG, alla quale corrisponde l'amminoacido metionina; il secondo codifica il primo vero amminoacido della proteina. I due t-RNA, che hanno rispettivamente l'anticodone di inizio e l'anticodone complementare al secondo codone, si legano alla subunità grande e si forma un legame peptidico (cioè il legame tra amminoacidi che forma le proteine) tra i due amminoacidi trasportati.

Il t-RNA di inizio si stacca dal ribosoma mentre il dipeptide (i due amminoacidi uniti dal legame peptidico) rimane legato al secondo t-RNA. Il ribosoma si sposta sopra un altro codone dell'm-RNA e una nuova molecola di t-RNA con il proprio amminoacido si dispone nel sito di legame vuoto del ribosoma. Si crea un nuovo legame peptidico e il tripeptide si salda all'ultimo t-RNA. Il processo di allungamento della catena polipeptidica prosegue in questo modo finché tutte le triplette sono state tradotte e viene raggiunto il codone di "fine lettura". La proteina completa si stacca dal ribosoma e specifici enzimi scindono il legame con la metionina.

Struttura degli amminoacidi

A pH fisiologico, sia il gruppo amminico che carbossilico sono ionizzati. Il gruppo carbossilico si lega al gruppo amminico di un secondo amminoacido.

Il codice genetico

La tripletta AUG inizia la sintesi e codifica per la metionina. UAA, UAG e UGA interrompono la sintesi. Sono possibili 64 combinazioni di basi e 20 amminoacidi, ciò significa che ci sono più triplette che codificano per lo stesso amminoacido (il DNA si definisce quindi ridondante). Il codice genetico è definito anche degenerato perché più codoni possono codificare per un dato amminoacido.