Genetica

Definizione di genetica

Genetica: è la scienza che studia i geni e l’ereditarietà. Quando si parla di geni, si considerano tutti gli ambiti studiati, a livello di organismo, molecolare ecc. Possiamo anche dire che la genetica si propone di studiare le modalità con cui i geni sono trasmessi da una generazione a quella successiva. I campi e gli ambiti tra cui spazia la genetica sono quelli tipo molecolare (capisce come un particolare gene produce un particolare enzima), cellulare, a livello dell’organismo, e a livello di popolazione.

Genetica di trasmissione

Include i principi fondamentali dell’ereditarietà e il modo in cui i caratteri passano da una generazione all’altra. Si occupa della relazione fra cromosomi e mappatura dei geni, con attenzione rivolta al singolo organismo e a come esso eredita e trasferisce il suo corredo genetico. È la genetica classica, ovvero quella mendeliana o neomendeliana. Questo tipo di genetica si affronta in modo quantitativo. L’approccio della genetica classica è quello dell’incrocio genetico. Il metodo per studiare questo tipo di genetica sono gli alberi genealogici, ovvero i pedigree.

Genetica molecolare

Riguarda la natura chimica del gene, cioè il modo in cui l’informazione genica viene codificata, replicata ed espressa. Il fulcro di questa branca è il gene, la sua struttura, la sua organizzazione e il suo funzionamento. Può avere opzioni in vivo o no, in quanto ha molteplici applicazioni.

Genetica di popolazioni

È essenzialmente lo studio dell’evoluzione, esplora la composizione genetica di gruppi di individui appartenenti alla stessa specie. Studia le frequenze dei geni in una popolazione e come queste determinino l’evoluzione e l’adattamento.

Genetica quantitativa

Studia i caratteri complessi controllati da più geni, ma affronta anche i caratteri multifattoriali ovvero controllati da geni e fattori ambientali.

Organismi modello

Sono organismi con caratteristiche che li rendono particolarmente adatti alla ricerca genetica, un esempio è la Drosophila melanogaster.

Variabilità genetica

È l’insieme di tutte le differenze per un certo carattere presente fra gli individui di una popolazione. Ad esempio, la variabilità genetica del colore dei capelli. In certi casi, la variabilità genetica è così ampia da far sembrare due organismi di specie uguali, diverse.

• Discontinua: se per un certo carattere abbiamo una o più varianti separate (esempio nei piselli di Mendel il colore dei piselli o la grandezza del baccello).
• Continua: quando si ha una gamma ininterrotta di varianti di un certo fenotipo, cioè di un certo carattere, ad esempio il colore della nostra pelle. Le variazioni continue si associano ai caratteri quantitativi. Mentre i caratteri mendeliani a variabilità discontinue.

Gene

Il gene è l’unità strutturale e funzionale fondamentale dell’eredità. Ovviamente la definizione dipende dal contesto. A livello basico si può dire che il gene è l’unità di informazione che controlla la caratteristica biologica. Se ci riferiamo a Mendel, è un'unità ereditaria discreta che controlla un carattere fenotipico. La definizione più moderna dice che il gene è una sequenza di DNA, o di nucleotidi, che viene trascritta in una sequenza di RNA, che a sua volta può essere tradotta in una sequenza polipeptidica. Le forme alternative di un gene si chiamano alleli.

Genotipo e fenotipo

Genotipo: è l’insieme di tutte le informazioni genetiche di un organismo, ovvero l’insieme di tutti i geni.

Fenotipo: è l’insieme di tutti i caratteri manifestati da un organismo.

Geni e cromosomi

I geni a livello macro stanno nella cromatina, che non è sempre presente perché in certi momenti scompare per far comparire i cromosomi. I geni sono localizzati nei cromosomi in un posto fisico chiamato locus. Nelle cellule in interfase è presente la cromatina, ma quando è in riproduzione sono presenti i cromosomi. Tutto il DNA esteso è lungo circa 2m, ma come fa a compattarsi tanto da stare all’interno di una cellula? La prima cosa che è stata fatta è stata guardare all’interno della cromatina dove hanno trovato proteine basiche, istoni, e proteine acide, come ad esempio gli enzimi. Per conoscere la cromatina è utile conoscere gli istoni H2A, H2B, H3, H4.

Cromosomi omologhi

Nella nostra specie i cromosomi sono in coppia. Un cromosoma ha origine paterna, uno origine materna. I due cromosomi di una coppia vengono chiamati omologhi; per definizione sono cromosomi identici relativamente a struttura, forma, e posizione dei centromeri, inoltre hanno la stessa disposizione di locus genici. I cromosomi omologhi si appaiano durante la meiosi. Le nostre cellule hanno 46 cromosomi. Una cellula che contiene coppie di cromosomi omologhi è detta cellula diploide, e il numero di cromosomi viene anch’esso chiamato diploide ed indicato con 2n. Nella nostra specie n è 23. I gameti, le cellule germinali, invece di contenere cromosomi omologhi, contengono ciascuno 23 cromosomi, sono dette cellule aploidi e vengono indicate con n. “C” indica la quantità di DNA presente dentro una cellula. Una cellula diploide ha un contenuto di DNA di 2C, mentre una aploide contiene C, la metà.

Cariotipo

È la descrizione grafica dei cromosomi. Costituito da coppie di cromosomi omologhi. La nostra specie ha un numero diploide di 46 cromosomi e sono quasi tutte coppie di cromosomi omologhi tranne una, perciò abbiamo 22 coppie di cromosomi omologhi, detti autosomi, e una coppia di cromosomi sessuali, che non sono omologhi, e sono anche chiamati eterocromosomi (uomo XY, donna XX). Nella stessa posizione i cromosomi omologhi hanno lo stesso gene che può essere in due varianti diverse ad esempio A e a.

Classificazione dei cromosomi

La classificazione dei cromosomi viene fatta in base alla posizione del centromero, posizione in cui si uniscono i due cromatidi. Si parla quindi di cromosoma nell’uomo:

• Metacentrico: il centromero è in posizione mediana, le due braccia sono lunghe uguali. P=q.
• Submetacentrici: un braccio, p, è molto più corto di q.
• Acrocentrici: nell’uomo sono il 21, il 22 o 13, 18. In questo caso, il centromero è terminale, abbiamo un lungo braccio e dei satelliti.
• Telocentrici: centromero in posizione terminale. Il centromero coincide con il telomero.

In funzione della dimensione e in funzione della posizione del centromero, vengono disposti i cromosomi sul cariotipo. Un cromosoma più lungo avrà più geni.

Il ciclo cellulare

Ogni cellula può essere in uno stato di quiescenza o in uno stato di divisione. La definizione di ciclo cellulare è la sequenza di eventi che si realizza fra una divisione e la successiva, in soldoni una cellula che esce da una divisione cresce, si irrobustisce e poi si prepara alla divisione successiva, ma ciò non accade sempre. Il ciclo cellulare viene essenzialmente distinto in interfase e mitosi. L’interfase è la parte del ciclo che prepara la cellula alla divisione ed è costituita dalle fasi: G1, S, G2.

• G1: è una fase di sintesi, proteica, di organuli. La cellula in pratica cresce e si prepara alla fase S. In questa fase la cellula è diploide, 2n e 2C.
• S: è la fase di sintesi ed è importantissima. È la fase dove si ha la re duplicazione semi-conservativa del DNA, ogni molecola di DNA si duplica. Ogni cromosoma si è duplicato e risulta composto da due cromatidi, uniti nel centromero. Se una cellula che entra in fase G1 è diploide, avrà 2n, una volta che avviene la fase S, la cellula avrà un 2n duplicato. Il numero è sempre 46 ma ogni cromosoma è duplicato, cioè formato da due cromatidi. Per una coppia di omologhi si hanno 4 cromatidi. Finita la fase S, la quantità di DNA passa da 2C a 4C.
• G2: è la fase che prepara alla mitosi, quindi in quel momento la cellula inizia a produrre le cose che gli servono in mitosi, microtubuli e organelli vari, proteine del fuso, duplicati i mitocondri. Una volta pronta la cellula entra in mitosi.

Mitosi

Avviene in tutte le cellule dell’organismo (la meiosi avviene SOLO nelle gonadi). Alcune cellule entrano in una fase G0 dove sono in quiescenza fino a determinate condizioni ambientali che fanno iniziare la mitosi. La mitosi è divisa in 4 fasi: profase, metafase, anafase, telofase.

• Profase: scompare il nucleolo e la cromatina inizia a condensarsi trasformandosi lentamente in cromosomi, scompare l’involucro nucleare e inizia a comparire il fuso mitotico.
• Metafase: il fuso mitotico è pienamente formato costituito dal polo e dai microtubuli e tutti i cromosomi che hanno raggiunto la massima condensazione (chi vuole studiare i cromosomi si blocca il ciclo cellulare in metafase) sono localizzati sulla piastra equatoriale, o piastra mediana, e ciascun cromosoma è unito tramite il cinetocore ad una fibra del fuso (fibra proteica), o meglio detta microtubulo del cinetocore.
• Anafase: i centromeri si separano e i microtubuli iniziano ad accorciarsi trascinando i cromatidi uniti dal cinetocore al polo della cellula. Ora i cromatidi sono da considerarsi veri e propri cromosomi.
• Telofase: i cromosomi iniziano a decompattarsi, ovvero si forma la cromatina, iniziano a scomparire le fibre del fuso mitotico, comincia a riformarsi l’involucro nucleare.
• Citocinesi, o citodieresi, o citochinesi: dove vi era la piastra equatoriale si inizia a formare una strozzatura che inizia a separare quelle che saranno le due cellule figlie, ciascuna con i suoi cromosomi.

La mitosi è una divisione cellulare che porta alla comparsa di due cellule figlie geneticamente identiche alla cellula madre. Ha il compito di trasferire in maniera invariabile, immutata, il contenuto genetico alle cellule figlie.

Sindrome di Roberts

È una sindrome dove si ha una problematica a livello di anafase e metafase della mitosi. C’è una mutazione in un gene Esco2, che produce aborto e un malfunzionamento del centromero durante la mitosi. Se il bambino dovesse riuscire a nascere, a gravi disturbi mentali, labbro leporino e un’anon crescita degli arti.

Numero di cicli cellulari

Il numero di cicli cellulari è variabile in base alla differenziazione delle cellule, ad esempio le cellule del tessuto osseo si duplicano in continuazione, le cellule nervose non si duplicano mai. Il limite di Hayflich dà un’idea del numero di divisioni a cui può andare incontro una cellula. Una cellula embrionale può andare incontro da 70 fino a 90 divisioni. Una cellula dell’epidermide va incontro da 10 a 30 divisioni. Questo numero è regolato.

Progeria

Progerie: è l’invecchiamento precoce. HGPS è la più grave delle due. Individui dell’età di 7-8 anni assomigliano fenotipicamente a individui di 80 anni e muoiono in genere intorno ai 13 anni. È una patologia legata a un gene chiamato LMNA che codifica per una proteina importante per la cellula lamina, ha un ruolo importante nella stabilità del nucleo, nell’espressione genetica, e nella stabilità dei cromatidi. Sindrome di Werner: si presenta fra i 15-20 anni di età, è meno grave ma gli individui muoiono a 45-50 anni. È coinvolta un’elicasi, l’enzima RECQL2 codifica appunto per l’elicasi.

Regolazione del ciclo cellulare

La regolazione passa attraverso i check-point. Nel ciclo cellulare sono 3 e sono localizzati:

• Nella fase G1, punto di restrizione, che stabilisce se la cellula può procedere e dare inizio alla duplicazione del DNA e quindi alla fase S.
• Nella fase G2, punto di controllo G2, la cellula decide se andare in mitosi.
• Nella fase di mitosi, fra la metafase e l’anafase. Se non funziona la dislocazione delle parti cellulari in modo preciso, le cellule figlie non avranno uno stesso corredo genetico.

I meccanismi di regolazione avvengono tramite due classi di proteine: cicline, o CDK (proteine chinasi cicline dipendenti) funzionano che le cicline la cui concentrazione fluttua durante il ciclo cellulare quindi raggiunge un massimo e raggiunge un minimo, hanno una funzione regolatrice perché regola l’attività delle CDK ovverosia la concentrazione delle cicline influenza l’attività delle CDK. Le CDK sono enzimi che promuovono la fosforilazione di altre proteine, quindi promuovere il passaggio da un passaggio della mitosi a un’altra. Il numero di CDK è costante al contrario di quello delle cicline. Altri fattori sono fattori endogeni e fattori esogeni.

• I fattori endogeni sono i messaggi dai cinetocori, sono dei segnali chimici che produce il cinetocore e che hanno lo scopo di impedire l’avanzamento dalla metafase all’anafase fino a che tutti i cromosomi non sono stati portati bene sulla piastra equatoriale, bloccando l’APC, il complesso che porta i cromatidi sulla piastra equatoriale.
• I fattori esogeni sono prodotti da un’altra cellula che ha effetto sulla cellula in divisione. Sono i fattori di crescita che stimolano la proliferazione di altre cellule. I fattori di crescita sono associati con l’inibizione densità dipendente o inibizione da contatto, cioè la cellula cresce finché non incontra altre cellule diversamente differenziate. Nei tumori questo tipo di inibizione non funziona più. La dipendenza dal substrato, cioè le cellule proliferano ma devono essere a contatto con un tessuto che gli funga da base.

Meiosi

Ha un ruolo importante dal punto di vista evolutivo, per la specie, perché è il modo in cui noi passiamo i nostri geni ai figli. La meiosi ha il compito di produrre gameti, spermatozoi nell’uomo e cellule uovo nella donna. Non si limita solo a trasmettere le informazioni genetiche, ma nel mentre le rimescola in due momenti chiave che sono il crossing-over e la ricombinazione casuale di cromosomi omologhi nei gameti. Vi è poi un terzo momento che arriva dopo che è la fecondazione, dove si crea uno zigote che ha una variabilità data dalle due meiosi avvenuta una nel padre e una nella madre e appunto dalla fecondazione stessa. Questa variabilità si chiama lotteria mendeliana.

La meiosi è costituita da due divisioni successive non intercalate da una interfase intermedia, si hanno due meiosi in successione, poiché noi dobbiamo produrre una serie di gameti aploidi con un corredo n. Una cellula che inizia la meiosi deve avere un corredo 2n duplicato.

Meiosi I

Si divide in profase, metafase, anafase, telofase.

• Profase I: siamo all’inizio della meiosi, viene sotto classificata in leptotene, zigotene, pachitene, diplotene e diacinesi. In profase sostanzialmente l’involucro nucleare scompare e la cromatina inizia a condensarsi nei cromosomi, qui però di cromosomi omologhi si appaiano in questo modo si formano dei punti di contatto fra i cromatidi non fratelli dei cromosomi omologhi appaiati, perché in queste regioni avviene il crossing over ovvero lo scambio di materiale genetico fra i cromatidi non fratelli dei cromosomi omologhi. Il crossing over è solo di uno dei due cromatidi.
• Metafase I: avviene che i cromosomi si posizionano tutti sulla piastra equatoriale. I cromosomi omologhi si dispongono sulla piastra ma in modo tale che uno sia rivolto verso un polo mentre l’altro cromosoma verso l’altro polo. La posizione verso un polo o l’altro è casuale quindi c’è una duplice possibilità che introduce un altro tipo di variabilità. Si separano i cromosomi non i cromatidi, riassortimento casuale dei cromosomi.
• Anafase I
• Telofase I: cellule aploidi con un corredo n duplicato.

Le cellule figlie che si originano dalla meiosi I hanno un corredo n duplicato e una quantità di DNA 2C.

Meiosi II

Non ha eventi particolari, ma la cosa che ci interessa è l’anafase II dove si separano i centromeri e di conseguenza i cromatidi e si crea quindi il corredo aploide ovvero n cioè 23 cromosomi. È una divisione equazionale.

Gametogenesi

Spermatogenesi nel maschio e ovogenesi nella femmina.

• Spermatogenesi: gonade maschile, testicolo. La cellula deputata ad entrare in meiosi, prende il nome di spermatogonio o spermatogone (2n), questa cellula va incontro a molte mitosi per accrescersi in numero, poi entra in meiosi I, in questo momento si chiama spermatocita di I ordine (2n duplicato, 4C). Lo spermatocita primario fa la prima meiosi e si producono due spermatociti secondari (n duplicato, 23 cromosomi, ma ciascun cromosoma formato da due cromatidi). Ciascun spermatocita secondario entra in meiosi II e produce per ciascun spermatocita 2 spermatidi, in tutto 4 spermatici (n, C). Gli spermatidi a questo punto vanno incontro a maturazione: perdita del citoplasma, aggiunta di un flagello. Nell’uomo la spermatogenesi inizia nella pubertà e va avanti per tutta la vita. In tutto un ciclo avviene in 16 gg per ogni stadio. Ogni eiaculato produce 200/300 milioni di spermatozoi.
• Ovogenesi: gonade femminile, ovaio. La cellula germinale si chiama ovogonio o oogonio. L’ovogonio è la cellula che prolifera per mitosi che però sono mitosi che terminano intorno al terzo mese di vita fetale. Poi l’ovogonio entra in meiosi I e prende il nome di ovocita I (4C, 2n duplicato). L’ovocita I entra in meiosi I, e produce 2 cellule non identiche: un ovocita II e un corpo polare, quest’ultimo va incontro a duplicazione oppure può anche non dividersi; l’ovocita II entra in meiosi II e si ottengono 2 cellule non equivalenti: l’ootide e un altro corpo polare. La meiosi nella donna si completa solo se vi è fecondazione. La cellula uovo matura si forma solo se vi è l’ingresso di uno spermatozoo con