Genetica - Appunti Completi

Genetica clinica: introduzione e applicazioni

La genetica clinica o medica si occupa dello studio e della diagnosi delle malattie genetiche. Tutte le patologie hanno una base genetica (anche le infezioni). Il DNA interferisce per più del 70% nella predisposizione ad alcune malattie, nella immunità ad altre, ma contribuisce anche alla personalità dell'individuo. La vitalità e, quindi, la varietà al DNA lo dà l'evoluzione, lo scambio genetico, le mutazioni. La genetica, quindi, studia la fisiopatologia della malattia: rispetto ai nostri cambiamenti genetici, si verifica o meno la malattia (vale anche per le malattie cardiovascolari e per i tumori).

La genetica, dunque, accoglie tante applicazioni della medicina e della clinica: molte malattie hanno causa ereditaria o familiare; altre volte, alcune malattie presentano cause genetiche, ma che da sole non possono determinare la patologia. Tradizionalmente, la genetica era vista come una disciplina che studia "malattie rare". Oggi, invece, viene considerata come parte integrante di diverse condizioni patologiche.

Genetica e oncologia

Prendiamo, per esempio, l'oncologia: lo studio e l'identificazione di alcuni geni è diventato fondamentale nel riconoscimento dei soggetti a rischio, nel monitoraggio della risposta del tumore alla terapia, nella delucidazione della patogenesi e nell'allestimento di nuovi trattamenti.

Struttura e funzione dei geni

I geni rappresentano l'unità strutturale e funzionale della genetica. Noi possediamo un numero ben definito di geni (li conosciamo quasi tutti). Un gene è una successione lineare di 4 unità chimiche semplici (A, T, G, C) in una molecola di DNA. Queste 4 unità chimiche si chiamano basi azotate e compongono i 4 differenti nucleotidi, che compongono informazioni attraverso il codice genetico. L'informazione passa prima dal DNA all'RNA e, da questo, alla proteina.

Il gene è un'unità ereditaria, che occupa sempre la stessa posizione (locus) nel DNA ed è il responsabile della manifestazione dei caratteri fenotipici specifici e capace di mutazioni. I geni sono, dunque, le unità contenute in ciascun cromosoma, che controllano i diversi caratteri ereditari.

DNA e struttura dei cromosomi

I cromosomi non sono altro che il DNA, in una particolare fase della divisione cellulare: è DNA compattato. Ogni cromosoma è costituito da una successione lineare di geni e loci. Ogni paio di cromosomi contiene gli stessi geni nello stesso ordine, ma non necessariamente nella stessa forma.

Composizione di DNA e RNA

• Basi azotate (purine, ossia guanina e adenina, e pirimidine, ossia citosina e timina o uracile)
• Zuccheri
• Gruppo fosfato

Se abbiamo un legame fra una base e uno zucchero, abbiamo un nucleoside. Se a questo aggiungiamo un gruppo fosfato, abbiamo invece un nucleotide. Il DNA è costituito da 4 nucleotidi.

Legami e struttura del DNA e RNA

I legami che costituiscono il DNA e l'RNA sono fosfodiesterici e l'informazione viene trasmessa secondo l'appaiamento delle basi, sempre A-T o A-U e G-C. Il legame fosfodiesterico si forma sempre fra il gruppo OH, in posizione 3' dello zucchero del nucleotide che precede ed il gruppo fosfato, in posizione 5' del nucleotide che segue. Il DNA è una doppia elica, con i 2 filamenti posti in modo antiparallelo. Lo scheletro è formato da zucchero-fosfato, mentre le basi si trovano all'interno della molecola e sono perpendicolari rispetto allo scheletro.

Il dogma centrale della biologia

Il DNA deve potersi replicare, senza perdere informazioni (molto importante: bastano pochissime informazioni in meno, per sviluppare malattie e patologie che non permettono la vita). Il dogma centrale della biologia dichiara che “il DNA, portatore di informazioni genetiche, deve essere in grado di trascriversi, sotto forma di RNA e, in seguito, di tradursi in proteine”.

Replicazione del DNA

Il DNA si replica in modo semi conservativo: ma perché? Perché il materiale genetico che si viene a formare necessita di uno stampo da copiare. Ciascun filamento parentale, infatti, funge da stampo per la sintesi del nuovo filamento che viene sintetizzato, ad opera dell'enzima DNA polimerasi (rispettando, ovviamente, la complementarità delle basi). Si viene, così, a formare un filamento complementare al filamento stampo. Al termine avremo, quindi, due molecole identiche.

La replicazione del DNA avviene grazie ad alcune importanti proteine. Esiste una regione del DNA, che si chiama origine della replicazione, nella quale è presente una proteina, che regola sia la duplicazione che la direzione della duplicazione. La zona di attiva sintesi del DNA si chiama forca di replicazione. La sintesi procede in direzione 5'-->3'. Su un filamento, la replicazione avviene linearmente (filamento leading), mentre sull'altro filamento, detto filamento lagging, avviene a pezzi (frammenti di Okazaki), questo perché i due filamenti sono opposti. Alla fine i due legamenti vengono legati tramite gli enzimi ligasi. Al termine della replicazione si ottengono due doppie eliche figlie, ciascuna delle quali è formata da un filamento parentale e uno di nuova sintesi (ex novo).

Trascrizione e sintesi dell'RNA

A questo punto, l'informazione deve passare nell'RNA. Questo è un acido nucleico molto simile al DNA, le cui caratteristiche specifiche sono:

• Lo zucchero è il ribosio
• La base azotata timina è sostituita dall'uracile (pirimidina)
• La molecola dell'RNA è, di solito, a singolo filamento

La sintesi di RNA avviene tramite trascrizione, in cui viene copiato solo il filamento codificante. L'RNA è importante anche perché, nel nostro organismo, sono presenti pezzetti di RNA che non trasferiscono informazioni genetiche, ma che servono per ordinare ai geni se devono esprimersi o non esprimersi. Esistono, poi, delle regioni di DNA che codificano per RNA non codificante, il quale ha la funzione di silenziare particolari geni: in questo modo, questi geni non vengono espressi (alcuni geni, infatti, devono funzionare solo in precisi periodi, come nella fase embrionale, e devono, quindi, essere bloccati nel periodo maturo della vita).

Traduzione e sintesi proteica

L'ultimo passo è la traduzione, ossia la sintesi proteica a partire da uno stampo di RNA. Il processo di sintesi proteica necessita di:

• RNA messaggero (mRNA)
• Ribosomi
• Amminoacidi
• RNA transfer (tRNA)

Il t-RNA porta gli amminoacidi che servono per sintetizzare la proteina. Due regioni del t-RNA sono importanti:

1. La zona legante l’amminoacido
2. Una tripletta di basi, detta anticodone

Avendo 4 possibili basi differenti (A, C, T, G), è possibile costituire 4³ (64) possibili parole. Tuttavia, gli amminoacidi sono solamente 20. Questo significa che molti amminoacidi sono codificati da più di una tripletta di basi; inoltre, è stato scoperto che alcune triplette non codificano per un amminoacido, ma fungono da “punteggiatura”, ossia inviano comandi per la regolazione della traduzione.

Codice genetico

Ogni tripletta di basi sull'RNA è anche detta codone. Importante ricordare poi come il codice genetico sia ridondante o degenerato, ma non ambiguo: un amminoacido può essere codificato da più triplette diverse, ma ogni tripletta codifica per uno e un solo amminoacido!

Ci sono anche le triplette di inizio (AUG) e di stop (UAA, UAG e UGA) che determinano l’inizio e la fine di una sequenza polipeptidica. Il codice genetico è universale: praticamente tutti gli organismi viventi utilizzano questo stesso codice per tradurre una sequenza di basi azotate (il DNA e poi l’RNA) in una sequenza di amminoacidi (la proteina).

Durante la sintesi proteica, soprattutto durante la trascrizione possono verificarsi degli errori. Anche un solo gene difettoso può causare problemi poiché una cellula, possedendo una o due copie di quel determinato gene, creerà proteine difettose. Le modificazioni del materiale genetico vengono dette mutazioni.

Patologia molecolare e mutazioni

La patologia molecolare è l'applicazione a fini diagnostici di tecniche di biologia molecolare. Cerca di spiegare perché un dato cambiamento genetico dia luogo ad un particolare fenotipo clinico.

Tra le principali mutazioni troviamo:

• Delezioni, da 1 nucleotide a più megabasi
• Inserzione, da 1 nucleotide a più megabasi
• Mutazione dinamiche (unità ripetute in tandem che cambiano dimensione quando trasmesse alla prole)
• Slittamenti del modulo di lettura
• Sostituzione di singole basi
• Mutazioni sinonime (silenti)
• Mutazioni di senso errato: nel prodotto genico sostituzioni di un aa con un altro
• Mutazioni nonsense: sostituiscono codone di un aa con codone di stop
• Mutazioni nei siti di splicing

Nomenclatura per descrivere l’effetto di un allele mutato

Un allele può essere:

• Allele Nullo o amorfo: un allele che non produce nulla
• Ipomorfo: un allele che produce una quantità ridotta di prodotto, o un prodotto con una attività ridotta
• Ipermorfo: un allele che produce una quantità maggiore di prodotto, o un prodotto con una attività aumentata
• Neomorfo: un allele con un prodotto o con un'attività nuovi
• Antimorfo: un allele la cui attività o il cui prodotto sono antagonisti dell'attività del prodotto normale

La mutazione di un gene potrebbe causare un cambiamento fenotipico in due modi:

1. Il prodotto potrebbe essere ridotto o non avere funzione (amorfo o ipomorfo)
2. Il prodotto potrebbe agire positivamente in modo anomalo (ipermorfo o neomorfo)

Il ciclo cellulare

Il ciclo cellulare si divide in:

• G₁ (Gap 1). Qui la cellula, che esce dalla mitosi, cresce.
• S (Sintesi). È la fase della replicazione del DNA: si duplicano i cromosomi.
• G₂ (Gap 2). La cellula si prepara alla mitosi.
• M (Mitosi). Si divide in profase, prometafase, metafase, anafase, telofase, citocinesi.

Le prime 3 fasi fanno parte della cosiddetta interfase. Esiste, poi, per alcune cellule (per esempio, per le cellule del fegato, gli epatociti) una fase detta G₀, in cui le cellule vivono in uno stato di quiescenza. Queste, però, possono essere stimolate e proliferare in qualunque momento e rientrare, così, nel ciclo cellulare.

Durante la riproduzione cellulare, la corretta progressione del ciclo è indispensabile affinché la divisione abbia come risultato cellule figlie con genoma intatto. I sistemi di controllo del ciclo sono chiamati checkpoint. Ne troviamo uno in G₁, detto restriction point, che permette solo ad alcune cellule di andare in S. Poi ce n’è uno alla fine della G₂ prima dell’entrata in M. Infine, alla fine della fase M troviamo un ultimo checkpoint.

Mitosi: fasi e caratteristiche

La mitosi è la fase in cui la cellula si divide ed è esclusiva delle cellule eucariotiche. Il fuso mitotico è un insieme di filamenti proteici che permettono la corretta ripartizione dei cromosomi nelle 2 cellule figlie. Durante la divisione cellulare, in ogni polo si evidenzia una regione, i centrosomi, da cui si originano i microtubuli che formano il fuso mitotico.

Le fasi della mitosi sono:

• Profase. Qui il materiale genetico, la cromatina, si condensa e si formano i cromosomi. Al livello del citoplasma si forma il fuso mitotico: i microtubuli si accrescono dai centrosomi, che si allontanano, migrando verso i poli opposti.
• Metafase. I cromosomi sono condensati e il fuso è completo. I cromosomi sono riuniti a livello dell’equatore. I microtubuli attaccati ai due cromatici fratelli, li tirano verso i poli opposti, dividendo il cromosoma in 2.
• Anafase. I cromatidi fratelli di ogni cromosoma si allontanano in direzioni opposte.
• Telofase. I cromatidi sono ormai raggruppati ai poli opposti della cellula. Questi poli diventeranno i 2 nuclei delle 2 cellule figlie. Il fuso viene degradato. Le cellule figlie si separano mediante la citodieresi o citocinesi.

Meiosi: un processo distintivo

La meiosi riguarda le cellule sessuali (gameti) maschili e femminili. Rispetto alla mitosi, la meiosi si articola in 2 fasi contraddistinte (Meiosi I e Meiosi II), ma il genoma viene duplicato soltanto una volta, durante l’interfase che precede la prima divisione meiotica. Quindi, duplicando una sola volta, e dividendo 2 volte, i gameti finali avranno genoma aploide (n). Ogni cellula aploide prodotta possiede, infatti, una combinazione genetica potenzialmente unica, questo perché, durante la meiosi, c’è un processo di rimescolamento, che avviene durante la profase della prima divisione meiotica; c’è un vero e proprio scambio di segmenti cromosomici tra cromatici di cromosomi non fratelli (crossing over).

Meiosi I: le fasi

• Profase I: Appaiamento dei cromosomi omologhi, ognuno dei quali costituito da due cromatidi fratelli: prendono il nome di tetradi. È qui che abbiamo il crossing over.
• Metafase I: Le tetradi si allineano al piano equatoriale della cellula.
• Anafase I: C’è la separazione degli omologhi, senza che si separino i cromatidi fratelli.
• Telofase I: Si formano due cellule aploidi, con i cromosomi costituiti ancora da due cromatidi fratelli.

Meiosi II: una divisione mitotica

Questa meiosi è praticamente una divisione mitotica. Come nella prima meiosi, si ha di nuovo l’allineamento dei cromosomi e la separazione, questa volta, dei cromatidi fratelli, con la formazione, di 4 cellule aploidi.