Biologia e genetica

Introduzione alla genetica e leggi di Mendel

Obiettivi della genetica: comprendere quali sono le relazioni presenti tra i geni e i caratteri, quindi la relazione tra genotipo e fenotipo.

Tipologie di riproduzione

• Asessuata o agamica: senza la produzione di gameti e senza fecondazione.
• Sessuata o gamica: con produzione di gameti e con fecondazione che porta alla formazione dello zigote; avviene soltanto nelle cellule diploidi e le cellule figlie non sono identiche a quelle parentali a causa di un rimescolamento dei geni durante la meiosi (separazione cromosomi omologhi, separazione cromatidi fratelli, crossing over).

Genetica mendeliana

Mendel utilizzò il Pisum sativum perché facile da controllare nella fecondazione, presenta un ciclo riproduttivo breve con progenie numerose, ha caratteristiche ereditabili evidenti e si possono ottenere linee pure; sono piante che tendono ad autoimpollinarsi.

• Linea pura: popolazione di soggetti che opportunamente incrociati fra loro per autofecondazione mostrano sempre lo stesso carattere.
• Prima legge di Mendel o legge della dominanza: incrociando due linee pure di ciascuna coppia si ottiene una progenie F1 (ibrida perché genotipicamente le piante sono eterozigoti) nella quale tutte le piante mostrano lo stesso carattere (dominante) che corrisponde ad uno di quelli della generazione parentale; il carattere che fenotipicamente non appare in F1 è definito recessivo.
• Seconda legge di Mendel o principio di segregazione: i due alleli di una coppia di geni segregano durante la fecondazione dei gameti. Le piante della F1 per autofecondazione danno una nuova progenie F2 con piante che presentano entrambi i caratteri della generazione parentale (ricompare il carattere recessivo): rapporto fenotipico 3:1.
• Test cross: incrocio degli ibridi di F1 con il parentale recessivo puro per ottenere una progenie con i due fenotipi dominante e recessivo in rapporto 1:1.
• Terza legge di Mendel o principio dell’assortimento indipendente: i geni che controllano caratteri diversi si distribuiscono nei gameti in modo indipendente gli uni dagli altri (solo se i geni sono su cromosomi diversi). Incrocia due linee pure per due caratteri ottenendo una F1 con lo stesso fenotipo dominante. Esegue un test cross tra gli ibridi di F1 e la linea parentale recessiva pura e ottiene 4 fenotipi diversi con rapporto 9:3:3:1.
• Se indichiamo con n il numero di geni segreganti, le classi fenotipiche sono uguali a ²ⁿ, mentre quelle genotipiche risultano uguali a ³ⁿ.
• Conclusioni leggi di Mendel: spiegano ciò che avviene durante la meiosi, dalla diploidia della cellula somatica, alla aploidia dei gameti e come si forma una nuova cellula diploide grazie al rimescolamento dei gameti materni e paterni.

Dominanza incompleta e co-dominanza

Dominanza incompleta: non sempre un gene manifesta pienamente un carattere dominante; studiando l’incrocio di due linee pure si ottiene una F1 con eterozigoti che fenotipicamente sono uguali fra loro ma risultano diversi da entrambi i genitori; quando poi si incrocia la F1 si ottiene una F2 con 3 classi fenotipiche: ¼ dominante, ¼ recessivo e ½ intermedio (le 3 classi fenotipiche coincidono con le 3 classi genotipiche); per avere il fenotipo pieno ho bisogno di entrambi gli alleli, uno solo non è capace di fornire il prodotto.

Esempio: ipercolesterolemia familiare.

Co-dominanza: entrambi gli alleli mostrano il proprio carattere, non rispettando il rapporto visto negli esperimenti mendeliani; entrambi gli alleli vengono trascritti e tradotti ottenendo due varianti entrambe funzionanti.

Esempio: gruppi sanguigni MN; ci sono individui che hanno globuli rossi che vengono agglutinati dall’antisiero M ma non dall’antisiero N, quindi associati al gruppo M; altri individui presentano globuli rossi che vengono agglutinati dall’antisiero N ma non dall’antisiero M, quindi associati al gruppo N; infine individui che presentano globuli rossi che vengono agglutinati da entrambi i sieri e quindi associati al gruppo MN.

• Malattie legate a co-dominanza o dominanza incompleta:
  • Malattia di Tay Sachs determinata da un accumulo lisosomiale con incapacità di metabolizzare gangliosidi determinando deficienza mentale e morte; nella forma dominante viene prodotto l’enzima attivo capace di metabolizzare i gangliosidi, nella forma recessiva viene prodotto l’enzima difettoso o senza attività di metabolizzazione; genotipicamente si parla di co-dominanza in quanto verranno prodotti entrambi gli enzimi ma solamente il 50% risulta attivo.
  • Fibrosi cistica caratterizzata dalla mutazione di entrambi gli alleli che codificano per la proteina CFTR (soggetti omozigoti recessivi); i soggetti sani sono omozigoti dominanti capaci di produrre solamente la proteina sana; gli individui eterozigoti fenotipicamente sono sani ma genotipicamente presentano sia la proteina wild type (sana) sia quella mutata; il locus appare co-dominante ma la proteina prodotta dal locus recessivo risulta non funzionante.

Rapporti mendeliani atipici

Quando non vengono rispettati i rapporti mendeliani 3:1 o 9:3:3:1.

• Interazione o interferenza di geni (9:7): tipica delle catene metaboliche; i prodotti dei due geni A e B sono in realtà diversi ma interagendo tra loro danno il fenotipo finale (servono entrambi gli enzimi attivi affinché da un precursore si possa giungere al prodotto finale).
• Epistasi: il gene che condiziona l’espressione è epistatico, quello che viene regolato è detto ipostatico.
  • Epistasi dominante (12:3:1): l’espressione del gene A interferisce sull’espressione del gene B, quindi il gene A domina sul gene B impedendone l’espressione; si dice che A è il gene epistatico, mentre b è ipostatico 1.
  • Epistasi recessiva (9:3:4): il gene B risulta epistatico sul gene A che sarà ipostatico; per determinare il colore del pelo del topo è necessario che sia presente almeno un allele B dominante, altrimenti è albino (se anche A è dominante allora il pelo sarà aguto, se A è recessivo il pelo sarà nero).
• Geni doppi con effetto cumulativo (9:6:1): geni che codificano per lo stesso prodotto ma non sono allelici; se nel genotipo sono presenti entrambi gli alleli dominanti si otterrà la massima espressione fenotipica; se sarà presente solo un allele dominante il fenotipo apparirà meno intenso; se il genotipo è recessivo per entrambi gli alleli il fenotipo non mostra colorazione.
• Geni doppi dominanti (15:1): il gene A risulta epistatico sia su B che su b; basta che sia presente solo uno degli alleli dominanti tra A e B per determinare il fenotipo dominante.

Allei multipli e gruppi sanguigni

Qualsiasi sistema genico e qualsiasi locus genico non sono limitati a due alleli o addirittura ad uno solo, si parla per questo di serie allelica multipla.

Sistema AB0

Caso di allelia multipla nel quale i globuli rossi presentano un altro polimorfismo antigenico rispetto a due antisieri anti-A e anti-B (oltre al sistema MN); nell’uomo sono definiti 4 gruppi sanguigni A, B, 0, AB.

• I globuli rossi di individui che vengono agglutinati dall’antisierio A ma non dall’antisiero B appartengono al gruppo A; genotipicamente possono essere omozigoti fenotipicamente sulla superficie gli eritrociti presentano antigeni di tipo A e vengono prodotti anticorpi anti-B.
• I globuli rossi di individui che vengono agglutinati dall’antisiero B ma non dall’antisiero A appartengono al gruppo B; genotipicamente possono essere omozigoti fenotipicamente sulla superficie gli eritrociti presentano antigeni di tipo B e vengono prodotti anticorpi anti-A.
• I globuli rossi di individui che vengono agglutinati sia dall’antisiero A che dall’antisiero B appartengono al gruppo AB; genotipicamente sono eterozigoti fenotipicamente sulla superficie gli eritrociti presentano antigeni di tipo A e B, e non verrà prodotto alcun tipo di anticorpo; riceventi universali.
• I globuli rossi di individui che non vengono agglutinati da alcun antisiero appartengono al gruppo 0; genotipicamente sono omozigoti recessivi ii; fenotipicamente sulla superficie gli eritrociti non presentano antigeni di tipo A o B, ma vengono prodotti anticorpi anti-A e anti-B; donatori universali.

Il sistema AB0 è l’unico sistema in cui anche in assenza degli antigeni ci sono gli anticorpi corrispondenti.

Organizzazione del locus AB0

Il locus genetico si localizza sul cromosoma 9; ha diversi alleli nella popolazione umana A BI (produce una glicosil transferasi per N-acetilgalattosamina), I (produce una glicosil transferasi per il galattosio), e i (i sta per isoagglutinina).

Costituzione degli antigeni

A partire da una molecola di base detta precursore che si lega alla superficie del globulo rosso, mediante A BI e I poi l’aggiunta del glucosio si ottiene l’antigene H; i geni codificano rispettivamente per due enzimi che aggiungono a questo antigene H due zuccheri diversi che renderanno gli antigeni A e B immunodominanti rispetto ad H; se un individuo è omozigote per l’allele recessivo non avrà né l’enzima A né l’enzima B, avrà solo l’antigene H.

Fenotipo Bombay

Fa parte del locus H e non del locus AB0; gli individui recessivi hh hanno globuli rossi privi dell’antigene H, quello su cui poi viene costruito l’antigene A o l’antigene B, c’è soltanto il precursore. A Bo I e Iindividui che presentano alleli di tipo e quindi dovrebbero essere di gruppo A o B in realtà sono fenotipicamente uguali al gruppo 0: ciò accade perché nonostante l’individuo produca l’enzima corrispondente è privo di sostanza H che costituisce il substrato e quindi l’enzima non può aggiungere lo zucchero.

Il locus H si definisce epistatico rispetto al locus I.

Sistema Rh

Si tratta di un locus multiallelico, la presenza o l’assenza del fattore Rh è ereditaria, la popolazione è suddivisa nei gruppi Rh+ e Rh- in base alla presenza o meno dell’antigene D formato da una molecola proteica (l’antigene D si trasmette in senso autosomico dominante); gli antigeni Rh sono espressi in modo completo alla nascita e sono presenti solamente sui globuli rossi; differentemente dal sistema AB0 non si ha una produzione di anticorpi anti-D nel caso di individui Rh-.

Sul braccio corto del cromosoma 1 sono situati due geni altamente omologhi che derivano probabilmente da un evento di duplicazione, sono RhD (può essere soltanto in forma dominante o recessiva e produce una proteina) e RhCE (determina antigenicità diverse per la presenza di amminoacidi diversi sulla superficie della proteina).

La maggior parte degli individui caucasici Rh- ha una delezione completa del gene RhD.

Malattia emolitica del neonato: una madre Rh- in attesa di un figlio Rh+ sviluppa anticorpi capaci di agglutinare le emazie Rh+ del feto e ciò avviene quando la madre viene a contatto co il sangue fetale, come durante il parto; questa situazione non è un fattore di rischio per la prima gravidanza ma per la seconda dato che la madre ha già sviluppati gli anticorpi generando il fenomeno di incompatibilità materno-fetale.

Alleli letali

Alleli la cui manifestazione fenotipica determina la morte dell’individuo anteriormente alla maturità sessuale, impedendo quindi all’individuo di riprodursi; questi alleli non possono essere trasmessi alla progenie ma possono insorgere casualmente per mutazioni di un allele wild type.

Teoria cromosomica dell'ereditarietà

Sutton e Boveri nel 1903: i gameti ereditano un solo cromosoma di ogni tipo, avranno assetto aploide; la segregazione dei cromosomi mostra una similitudine con il principio di segregazione indipendente proposto da Mendel.

Enunciato teoria: i geni occupano loci specifici sui cromosomi e sono i cromosomi durante la meiosi ad andare incontro alla segregazione e all’assortimento indipendente, descritti da Mendel.

Esperimenti di Morgan

Utilizzando Drosophila e incrociando individui maschi con occhi bianchi con individui femmine con occhi rossi e viceversa; il locus genico per questo carattere è localizzato sul cromosoma X.

1. Incrocio A: maschio con occhi bianchi (carattere recessivo) e femmina con occhi rossi (carattere dominante wild type)
   • F1: i maschi non ereditano dal padre il cromosoma X mutato ma il cromosoma Y ed ereditano uno dei due cromosomi X con alleli dominanti dalla madre – hanno tutti gli occhi rossi e saranno forzatamente emizigoti; le femmine prenderanno tutte il cromosoma X con allele mutato dal padre e uno dei due cromosomi con allele wild type dalla madre – hanno tutte gli occhi rossi e saranno eterozigoti.
   • F2: la femmina produrrà al 50% gameti con cromosoma X e alleli wild type (white+) e al 50% gameti con cromosoma X e allele recessivo (white-), i maschi produrranno al 50% gameti con cromosoma X wild type (white+) e al 50% gameti con cromosoma Y privi di alleli.
     • Il gamete white+ della madre si incontra con il gamete white+ del padre e produce ¼ di progenie di femmine con occhi rossi.
     • Il gamete white+ della madre si incontra con il cromosoma Y del padre producendo ¼ di progenie di maschi con occhi rossi.
     • Il gamete white- della madre si incontra con il cromosoma Y del padre producendo ¼ di progenie di maschi con occhi bianchi.
     • Il gamete white- della madre si incontra con il gamete white+ del padre producendo ¼ di progenie di femmine con occhi rossi eterozigoti.

     Tutte le femmine della F2 hanno gli occhi rossi mentre i maschi sono al 50% con gli occhi rossi e al 50% con gli occhi bianchi.

2. Incrocio B: femmina con occhi bianchi e maschio con occhi rossi
   • F1: il 50% del genere maschile che avrà preso il cromosoma Y dal padre e uno dei due cromosomi X con allele recessivo dalla madre avrà fenotipo recessivo (tutti i maschi sono white-); al 50% del genere femminile che prenderanno dalla madre uno qualsiasi dei cromosomi X con allele recessivo e il cromosoma X dal padre con allele dominante avrà fenotipo dominante ma genotipo eterozigote (white+).
   • F2: le femmine producono al 50% gameti con allele dominante white+ e al 50% gameti con allele recessivo white-, i maschi producono al 50% gameti con allele recessivo white- e al 50% gameti con cromosoma Y privi di allele.
     • Il 50% della progenie che eredita il cromosoma Y sarà di genere maschile al 50% con occhi bianchi e al 50% con occhi rossi.
     • Il 50% della progenie che eredita dal padre il cromosoma X sarà di genere femminile al 50% con gli occhi rossi e al 50% con gli occhi bianchi.

Determinazione del sesso

Per le specie l’importante è aver sviluppato un meccanismo tale da mantenere costante il rapporto dei sessi 1:1 di generazione in generazione.

• Sistema X0: chiamando con X il numero aploide di cromosomi, la femmina è XX mentre il maschio è X0 perché mancante di un cromosoma (cavallette e scarafaggi); la femmina è il sesso omogametico e il maschio è il sesso eterogametico.
• Sistema XY: la femmina è XX mentre il maschio è XY (mammiferi); la femmina è il sesso omogametico e il maschio è il sesso eterogametico.
• Sistema Z0 e ZZ: opposto al sistema X0 dove il sesso eterogametico è quello femminile e quello omogametico è quello maschile (insetti).
• Sistema ZZ e ZW: opposto al sistema XY dove il sesso eterogametico è quello femminile e quello omogametico è quello maschile (pesci e uccelli).

Cromosoma X e Y

Nei mammiferi i cromosomi X e Y sono completamente diversi; hanno entrambi due piccole regioni omologhe chiamate pseudoautosomiche PAR che permettono l’appaiamento dei due cromosomi in meiosi per assicurare una corretta segregazione.

Cromosoma X: è submetacentrico cioè che il centromero non è al centro del cromosoma ma è spostato in modo che si possano distinguere un braccio lungo e uno corto; è grosso e corrisponde al 6% del genoma; sono note 100 patologie X-linked; ha come peculiare caratteristica l’inattivazione casuale di uno dei due cromosomi nelle femmine.

Cromosoma Y: è di piccole dimensioni; il braccio corto è molto più corto del braccio lungo; ha una grossa regione eterocromatica a livello del braccio lungo.

Cromosomi sessuali e inattivazione di X

Evoluzione: i due cromosomi sessuali si sono originati da una coppia di cromosomi omologhi che si sono progressivamente differenziati portando uno dei due cromosomi ad accumulare mutazioni e perdendo regioni portando alla formazione finale di Y; vicino a PAR1 (regione pseudoautosomica) è localizzato un locus genico complesso composto da più geni definito TDF dove sono contenuti geni per la determinazione del sesso maschile tra i quali SRY; su un altro cromosoma qualsiasi è presente il gene che codifica per un recettore del testosterone (presente anche nelle femmine).

Sindrome del maschio XX: è possibile che un individuo genotipicamente con cariotipo XX manifesti fenotipicamente i caratteri maschili, in quanto è avvenuto uno scambio del gene SRY dal cromosoma Y al cromosoma X durante il crossing over.

Inattivazione del cromosoma X

Per un suo corretto funzionamento nel genere femminile è essenziale l’inattivazione di uno dei due omologhi.

Compensazione del dosaggio: insieme di meccanismi atti alla regolazione dell’attività dei geni X-linked che permettono di non avere una espressione completamente sbilanciata nei due sessi; si tratta di meccanismi specie-specifici.

• In Drosophila il maschio compensa il dosaggio attraverso una ipertrascrizione dell’unico cromosoma X.
• Nell’uomo il meccanismo è opposto in quanto le femmine riducono l’attività di uno dei due cromosomi.

Casualità dell’inattivazione: l’inattivazione avviene attorno al 15° giorno di sviluppo embrionale e viene poi mantenuta clonalmente; l’inattivazione non avviene in tutti i tessuti.