Esame Genetica

Lezione 1

Fino a poco tempo fa, la genetica era un argomento sconosciuto, anche se si cercava già di capire cosa fosse. La genetica, ovvero la scienza dell’ereditarietà, consiste essenzialmente nello studio dell’informazione biologica. Tutti gli organismi viventi, dai batteri e protozoi unicellulari alle piante e animali multicellulari, devono immagazzinare, replicare, trasmettere alla generazione successiva e utilizzare le tante informazioni necessarie per lo sviluppo, la crescita, la riproduzione e la sopravvivenza nei loro ambienti. Il compito dei genetisti è quello di studiare come gli organismi trasmettono l’informazione biologica alla loro progenie e come la utilizzano durante il corso della vita.

In questa immagine possiamo notare una serie di morfologie diverse, in questo caso particolare il colore cambia da un caso ad un altro. Quello che stiamo osservando è il fenotipo di un organismo (in questo caso di un bivaldo). Quindi nei tempi più antichi, anche se la genetica non era ancora nota, gli studi genetici venivano già fatti perché, soprattutto a livello di agricoltura e allevamento, si cercava di capire quali fossero gli incroci migliori per ottenere la frutta, verdura ecc. più vantaggiosa per quell’ambiente. Ci si iniziò a chiedere perché fosse possibile avere un organismo che fosse uguale e ad un certo punto, lo stesso organismo che dava colore identico poteva cambiare e dare un colore differente.

Uno dei primi organismi utilizzati per gli studi di genetica è la pianta di pisello. Hanno fenotipi ben diversi: colori, forme ecc. In conclusione, i primi studi di genetica sono stati condotti proprio sul fenotipo.

Genotipo e allele

Ora parliamo di quello che è associato al fenotipo, ovvero il proprio genotipo. Qui abbiamo due piante, una alta e una bassa, e questo ci fa pensare che ci possa essere a livello ereditario un gene (indicato in verde per la pianta alta A e in giallo per quella bassa a), che in questo caso abbiamo chiamato A e a. In realtà il gene dell’altezza è lo stesso, infatti si chiama “a” in entrambi i casi, tuttavia c’è una differenza tra A e a, oltre al colore sul cromosoma del gene. Lo stesso vale per il colore degli occhi, per esempio una differente colorazione degli occhi. Una differente copia di uno stesso gene la chiamiamo allele. Uno stesso gene può essere presente in forme alleliche diverse (nel caso degli occhi avremo un allele per il colore azzurro e uno per quello marrone, ad esempio). Quindi ricapitolando, il gene del colore degli occhi è identico in ogni individuo, quello che cambia ovviamente saranno delle sequenze di DNA piccole, diciamo variazioni di questo gene che porteranno una forma allelica diversa dello stesso gene.

Il fenotipo rappresenta quindi forme differenti di uno stesso gene. Questo è un organismo modello molto usato in genetica, ovviamente negli anni successivi, e cioè la Drosophila, il moscerino della frutta. Nelle immagini al microscopio possiamo vedere un moscerino normale con le antenne al posto giusto (A) e un moscerino con le zampe al posto delle antenne (B). Quest’ultima è un moscerino mutante. Poi vediamo un’immagine in cui il moscerino è sotto forma di segmenti corporei, dalla testa alla coda, e vediamo che c’è un segmento che presenta il cromosoma, quindi il genoma del moscerino, suddiviso in vari geni. Ogni subunità, ogni gene, che vediamo qui rappresentato da colori diversi rappresenta una porzione differente del corpo del moscerino. Quindi quello che succede passando da un moscerino wild type a uno mutato è che ci siano delle mutazioni significative a livello dei geni di questo organismo; una mutazione può causare purtroppo la formazione delle zampe al posto dell’antenna. Perciò un gene che prima era responsabile della formazione del corpo nella posizione corretta, nel momento in cui viene mutato codificherà per degli enzimi e proteine e per strutture che invece di essere predisposte nel posto giusto si troveranno da un'altra parte; questa è una classica mutazione che si osserva in Drosophila. Ovviamente ci sono molte altre mutazioni che possiamo riscontrare nel moscerino come nell’immagine C in cui abbiamo la mutazione del gene per le ali.

Un altro esempio di mutazione sono le cellule tumorali, cioè cellule normali mutate, e tutto ciò è sempre legato a mutazioni del DNA. Il tumore non viene ereditato, per lo più si può ereditare una forma mutata del gene.

Tutti gli organismi contengono il DNA, partendo dagli organismi più semplici unicellulari come i virus, batteri, lievito, fino ad arrivare agli organismi multicellulari complessi come le piante, il topo, l’uomo, lo spermatozoo, l’embrione ecc. Il gene è quello che costituisce il codice per avere poi la manifestazione del fenotipo, cioè la caratteristica fisica. Questo può essere influenzato sia dall’azione di altri geni, e dei loro prodotti, sia dall’ambiente. Quindi questo corso di genetica lo possiamo suddividere in tre parti essenzialmente: la genetica classica, la genetica molecolare e la genetica di popolazione. La genetica classica o di trasmissione o formale include i principi dell’ereditarietà e come i caratteri che si possono trasmettere da una generazione all’altra; la genetica molecolare riguarda la natura chimica del gene cioè in che modo l’informazione viene codificata, replicata ed espressa, quindi dal genotipo al fenotipo; infine la genetica di popolazione esplora la composizione genetica di un gruppo di individui che appartengono alla stessa specie e come queste caratteristiche variano nello spazio e nel tempo cioè come vengono ereditate.

In campo evolutivo, essendo il genoma quindi costituito da DNA e comune a tutti gli organismi, abbiamo un organismo comune da cui abbiamo avuto origine guardando dal punto di vista genetico, del DNA. Durante l’evoluzione siamo passati quindi da semplici organismi procariotici agli organismi multicellulari eucariotici. Tra i rompicapi dell’ereditarietà: com’è possibile che un simile non generi sempre lo stesso simile? Sono state queste le prime domande a spingere allo studio della genetica. Tutto ciò ovviamente è sempre legato al DNA, che porta l’informazione biologica che attraverso il trasferimento della propria informazione al RNA, che porterà questa informazione ai ribosomi per la traduzione in proteine. Il linguaggio genetico di base è uguale per tutti, le differenze risiedono nel contenuto e nella quantità dell’informazione espressa, che risiede nell’RNA e nelle proteine. Tutti gli organismi viventi sono quindi correlati a livello molecolare. Nella cellula il DNA, quindi i geni, sono assemblati in cromosomi: organelli che impacchettano e controllano l’immagazzinamento, la duplicazione, l’espressione e l’evoluzione del DNA. Quindi durante l’evoluzione siamo passati da uno studio di osservazione fenotipica degli organismi allo studio della genetica.

Lezione 2

Trasmissione dell'informazione genetica

Come viene trasmessa l’informazione genetica da una cellula all’altra e da un individuo all’altro? La riproduzione, quindi la trasmissione dei caratteri ereditari, può essere di due tipi: sessuale, quindi attraverso i gameti (meiosi), oppure asessuale (mitosi). Per lo studio della genetica sono adoperati diversi organismi modello come: Batteriofagi, lieviti (Neurospora Crassa, Saccharomyces Cerevisiae), Caenorhabditis Elegans. Come abbiamo già detto, il DNA è responsabile della trasmissione dell’informazione, e costituisce i cromosomi che sono differenti; se parliamo di eucarioti sono lineari mentre se parliamo di procarioti sono circolari. Ovviamente negli eucarioti le divisioni cellulari sono sia per mitosi che meiosi (l’informazione genetica è conservata nel nucleo), mentre nei procarioti sono per mitosi (nei pluricellulari la mitosi serve all’accrescimento e alla rigenerazione dei tessuti).

• Lo scopo dei cromosomi è immagazzinare, replicare e trasmettere alle generazioni successive le informazioni
• Utilizzare tutte le informazioni per lo sviluppo, la crescita, la riproduzione e la sopravvivenza

Dalla fusione di una cellula uovo e uno spermatozoo si ottiene lo zigote. Questa fusione rappresenta il punto di partenza per lo sviluppo. Lo zigote contiene l’informazione proveniente da entrambi i genitori e possiede un corredo cromosomico diploide, diversamente dai gameti che sono invece aploidi. Il corredo cromosomico può essere conservato o ridotto grazie a due modalità di riproduzione cellulare: la mitosi e la meiosi. Il numero di cromosomi è fisso ed è tipico di ciascuna specie. La lettera n è il numero di cromosomi legato ai gameti, mentre 2n è quello delle cellule somatiche. Ovviamente i cromosomi hanno tutte le informazioni per lo sviluppo dell’individuo e attraverso mappature genetiche è stato individuato il genoma umano:

• 23 coppie di cromosomi umani contengono 3 x 10⁹ coppie di basi.
• Corrispondenti a 25.000 geni, quindi circa 1000 geni su ogni cromosoma.

Quindi il genoma umano è stato del tutto sequenziato. Il numero di cromosomi non è legato alla complessità dell’organismo e sono tutti pari perché devono essere suddivisi a metà nelle cellule gametiche per essere poi ereditati dallo zigote. Quindi gli eucarioti hanno due corredi: uno aploide e uno diploide. Cromosomi omologhi: membri di ogni coppia di cromosomi identici per morfologia ed ordine dei geni (nell’immagine di sopra il numero 3 è stato scelto a caso).

Qui abbiamo la Drosophila che ha un assetto cromosomico molto semplice, infatti ha 8 cromosomi, quindi 4 paia di cromosomi. Ha anche una coppia di cromosomi sessuali (ricorda che nel moscerino chi determina il sesso non è il cromosoma Y). I cromosomi si classificano in base al centromero e la sua posizione a livello del cromosoma: metacentrico, submetacentrico, acrocentrico e telocentrico. A sinistra la struttura del cromosoma e a destra abbiamo una schematizzazione dei classici cromosomi che rivedremo nel crossing-over, fondamentale nella genetica.

Questa è la divisione cellulare nell’uomo: abbiamo la replicazione del DNA che avviene nel testicolo o ovario e una divisione cellulare di tipo meiotica, che porterà alla formazione di cellule aploidi, in particolare lo spermatozoo e l’uovo; la fusione di spermatozoo e uovo dà origine allo zigote. Dopodiché lo zigote effettua una serie di replicazioni cellulari mitotiche, finché poi nell’organismo che inizierà a crescere si formerà la parte gametica che darà origine nuovamente alle cellule aploidi.

I cicli vitali sono differenti da organismo a organismo, ed è importante per la trasmissione dei caratteri. Abbiamo la mitosi che assicura che ciascuna cellula di un organismo porti gli stessi cromosomi, la meiosi invece conserva le informazioni genetiche, creando variabilità, ma riduce il corredo cromosomico da diploide ad aploide. Quindi la mitosi è conservativa e la meiosi non lo è. La riproduzione asessuale la ritroviamo nei batteri, mentre quella sessuale la possiamo vedere in vari organismi, anche se effettivamente alcune scopre di sessuale hanno ben poco, però il fatto stesso che due spore aploidi si possano fondere è rappresentato da una riproduzione sessuale (es. lieviti). I cicli vitali degli organismi quindi possono essere differenti, dal tipo di organismo adulto: Aplonte, Diplonte e Aplo-Diplonte.

Cicli vitali

Per aplonti, questo è il tipico ciclo vitale di alcuni lieviti e funghi. Questi presentano un organismo diploide che è temporaneo e la meiosi è definita zigotica. Quindi partiamo da un organismo che è aploide, generalmente una spora (organismi unicellulari), e quando sono in situazioni di stress tendono ad unirsi e fondersi, come per creare uno zigote, e daranno così origine a una cellula diploide temporanea. La cellula diploide va subito incontro a meiosi, permettendo così che il diploide si trasformi in quattro cellule aploidi, dopodiché faranno diverse mitosi e si manterrà sotto forma di spora aploide.

Il ciclo vitale diplonte, cioè quello dei vertebrati superiori (mammiferi, uomo) che trascorrono la loro fase vitale essenzialmente in una condizione di diploidia ed i gameti sono le uniche cellule aploidi prodotte dall’organismo. Soltanto queste cellule gametiche producono queste cellule aploidi che andranno a fondersi per formare lo zigote. Quindi abbiamo la meiosi zigotica, di cui abbiamo appena parlato per il ciclo aploide, e la meiosi gametica (è quella che riguarda le cellule sessuali) ed è effettuata dagli organismi superiori.

Il ciclo aplo-diplonte, è svolto da alcuni organismi ermafroditi, gametofiti, piante acquatiche o terrestri, a volte alghe. In questo caso lo sporofito adulto è diploide e va incontro a meiosi, produce quattro spore aploidi (gametofiti adulti) che andranno incontro a mitosi. Ad un certo punto queste cellule aploidi si possono fondere tra loro, in questo caso sono chiamate gameti, formeranno lo zigote e, in seguito a diverse divisioni mitotiche, formeranno nuovamente lo sporofito adulto. La differenza tra aploide-diploide e aplonte risiede nell’organismo adulto di partenza che è diploide nel primo e aploide nel secondo.

Il ciclo cellulare, come sappiamo, passa da una fase G1, S, G2, M, cioè tutte le fasi che preparano la cellula ad andare in mitosi, cioè la fase conclusiva del ciclo. Le fasi fondamentali del ciclo sono G1 e G2, cioè i checkpoint del ciclo, che regolano il ciclo cellulare. Quindi ci si rende conto se la cellula è pronta per dividere il proprio materiale genetico (G1) e se ha raggiunto le dimensioni tali per andare in mitosi (G2). Se ci fossero dei problemi durante queste fasi, la cellula può bloccare il ciclo e portare la cellula in apoptosi. L’interfase, che sta prima della mitosi, comprende la G1, S e G2, quindi è una fase abbastanza lunga ma è essenziale affinché la cellula cresca e il DNA si replichi ed assuma le dimensioni tali da permetterle di andare incontro a mitosi. Nella fase G1 i cromosomi sono a singolo bastoncello (un cromatidio) e la cellula deve duplicare il suo materiale genetico prima di andare in mitosi, e questo avviene nella fase S. Quindi nella fase G2 abbiamo i cromosomi con i doppi bastoncelli (ciascun cromosoma risulterà alla fine costituito da due cromatidi).

Mitosi

• Interfase, in cui il nucleo è ancora presente, la cromatina è del tutto despiralizzata.
• Profase, i cromosomi cominciano a condensarsi/spiralizzarsi e abbiamo già avuto la duplicazione del DNA. Inoltre inizia già la migrazione dei centrioli ai poli opposti della cellula.
• Prometafase, si inizia a formare il fuso mitotico, si ha la scomparsa della membrana nucleare, e le fibre del fuso iniziano ad attaccarsi ai cromosomi, in particolare a delle strutture proteiche (cinetocori) che sono legate al centromero.
• Metafase, i cromosomi si allineano lungo il piano equatoriale della cellula e i cinetocori dei cromatidi fratelli di ciascun cromosoma sono attaccati ai microtubuli che provengono dai poli opposti della cellula.
• Anafase, separazione dei cromatidi fratelli ai due poli opposti della cellula.
• Telofase, si ha la decondensazione dei cromosomi e ricompare la membrana nucleare.
• Citodieresi, scissione in due cellule figlie identiche (a meno che non ci siano mutazioni).

La cosa interessante del processo mitotico è che grazie alla congiunzione del centromero ai cromosomi e alla giunzione di tutto il fuso mitotico, che si aggancia al centro di questi cromosomi, ci permette di dividere perfettamente un cromatidio dall’altro in modo tale che si abbiano due cellule figlie con la stessa quantità di materiale genetico. Quindi questa struttura permette la perfetta separazione dei cromosomi.

Riproduzione asessuata e sessuata

Riproduzione asessuata negli eucarioti: avviene per gemmazione, e un esempio è l’idra, che è in grado di riprodursi anche sessualmente grazie alla presenza di un uovo. I vantaggi della riproduzione asessuata sono: non è necessaria la ricerca di un partner compatibile; ogni individuo che si riproduce trasferisce alla progenie il 100% dei suoi geni; garantisce una velocità di espansione della popolazione molto maggiore di quella sessuata.

Riproduzione sessuata: riguarda la maggior parte degli eucarioti, richiede la partecipazione di due individui di sesso diverso che contribuiscono entrambi al patrimonio genetico dei discendenti. Gli individui neoformati non sono mai identici ai genitori: ricombinazione (crossing-over) e riassortimento indipendente dei cromosomi creano variabilità genetica. I vantaggi della riproduzione sessuata è che gli individui neoformati sono tutti diversi tra di loro e diversi dai loro genitori. Questo crea variabilità nelle popolazioni aumentando il potenziale adattativo (in caso di cambiamento delle condizioni ambientali è probabile che siano presenti individui adatti alle nuove condizioni).

Meiosi

Meiosi: una sola duplicazione del DNA seguita da due successive divisioni cellulari. Le due divisioni cellulari vengono indicate come prima e seconda divisione meiotica (meiosi I, meiosi II), ciascuna suddivisa in profase, metafase, anafase, telofase. Da una cellula diploide si originano quattro cellule aploidi, ciascuna provvista di un corredo genetico dimezzato rispetto a quello della cellula madre. Con questo processo si formano i gameti. La meiosi è caratterizzata dall’appaiamento degli omologhi. Si parte da una cellula 2n con cromosomi dicromatidici per arrivare a quattro cellule n con cromosomi monocromatidici.

Lezione 3

L’uomo ha iniziato ad occuparsi di genetica circa 10.000 anni fa, all’epoca dell’invenzione dell’agricoltura e della domesticazione degli animali. Da allora ha continuato a selezionare intuitivamente varietà animali e vegetali più produttive e resistenti, modificandone profondamente le caratteristiche. Per molti millenni tuttavia le leggi secondo le quali si trasmettono i caratteri ereditari sono rimaste sconosciute. Ancora a metà ‘800 la maggior parte degli studiosi credevano...