Genetica

Genetica A.A. 2019-2020

Prof. Martinelli Federico

Genetica

Introduzione alla genetica

La genetica è la scienza dell’eredità che si occupa di capire come le caratteristiche biologiche di un individuo sono trasmesse alla sua discendenza. Cerca di capire l’ordine della discendenza dei caratteri, ma cerca anche di capire quale è la motivazione molecolare, cosa sono i geni, la loro attività, come si strutturano, come si trasmettono e come controllano le funzioni della vita. La genetica è fondamentale per tutte le scienze della vita.

La genetica è quindi quella scienza che studia la trasmissione dei caratteri in più livelli di organizzazione, dalle molecole, alle cellule, dagli organismi alle popolazioni. Le applicazioni sono numerose, in diversi campi, in campo agricolo, industriale, medico, forense e tanto altro.

La genetica quindi si espande su tutto il sapere biologico, e tutte le discipline di questo settore si basano sul linguaggio della genetica e tutti quei processi che ne fanno parte.

Storia della genetica

La storia della genetica permette di poter indicare due genetiche, la genetica classica e la genetica moderna. Tutto si basa sugli studi di Mendel che dalla metà del diciannovesimo secolo, con gli studi fatti sulla pianta di pisello, permisero di porre le basi della genetica. Originariamente il suo lavoro non venne ben accolto con numerose incomprensioni da parte del mondo scientifico. L’altro grande protagonista fu Paul Berg che fu il primo a trovare la molecola di DNA in vitro, per cui fu il primo a riuscire a sintetizzare una molecola di DNA, e quindi il primo che permise di intravedere la possibilità di generare organismi transgenici. Tutto questo agli inizi degli anni settanta con uso di strumenti come gli enzimi di restrizione. Dopodiché l’altra pietra miliare della genetica è la scoperta della PCR nella metà degli anni ‘80 con Kary Müllis, per l’amplificazione genica, altro grande protagonista di questa scienza.

Metodo di indagine

I genetisti usano un metodo di indagine che viene detto metodo di Sibasa sul fare osservazioni iniziali che possono portare a formare ipotesi che il ricercatore mette a punto. Questa deve essere testata da esperimenti che cerchino di testare che queste ipotesi siano corrette. Gli esperimenti danno risultati, permettendo di fare ipotesi, e quindi permettendo di saggiare e validare queste ipotesi. Questo è un metodo usato in tante scienze, compresa la genetica.

Branche della genetica

La genetica è una scienza vasta in cui possiamo vedere quattro branche principali:

• Genetica classica (genetica della trasmissione dei caratteri), che si basa sullo studio della trasmissione dei geni, dei caratteri codificati da una generazione all’altra e si occupa anche della ricombinazione dei geni.
• Genetica molecolare, studia la funzione molecolare dei geni e possiamo considerare alcuni esempi il sequenziamento del genoma, la comprensione di come esso si organizza in geni e sequenze che regolano i geni.
• Genetica delle popolazioni, è una branca che studia l’ereditarietà di caratteri in gruppi di individui, per esempio studiando la frequenza di comparsa di una malattia, come è presente e come diventa più o meno presente nel corso delle generazioni.
• Genetica quantitativa, studia tutti i caratteri detti “quantitativi” e come vengono ereditati.

Ricerca

Così come in altre discipline, anche in genetica possiamo dividere gli argomenti in due classi, quelli detti di ricerca di base e quelli invece che rientrano tra gli argomenti della ricerca applicata. La ricerca di base si tratta di quella ricerca che ha come obiettivo la conoscenza di fenomeni fondamentali a prescindere che questa possa essere applicata. Per esempio lo studio di funzioni di alcuni geni su organismi modello. Mentre la ricerca applicata si occupa di trovare le soluzioni a specifici problemi della società, e quindi sfruttare queste conoscenze ottenute per migliorare la società (esempio è l’insulina per la somministrazione esogena per pazienti diabetici).

Strumenti della genetica

Tutte queste ricerche fanno capo a strumenti della genetica. Ci focalizziamo su due risorse: banche dati e mappe genetiche. Questi sono due dei tanti strumenti per studiare i geni, la struttura e l’organizzazione del materiale genetico. Le banche dei dati genetici fanno capo al fatto che negli anni le informazioni genetiche che sono ricavate nel mondo scientifico si ampliano sempre di più, per cui è essenziale raccogliere queste informazioni e metterle a disposizione di tutti i ricercatori. I computer e internet hanno permesso di evolvere queste banche, permettendo di catalogare queste risorse in delle banche di informazioni. Si è visto fiorire un elevato numero di banche dati, tutte specifiche per i diversi settori e argomenti della materia, permettendo a ricercatori di fare studi di caratterizzazione confrontando i risultati con dati già ottenuti da altri laboratori e conservati in queste banche. Una delle banche dati più importanti è la National Center of Biotechnology Information (NCBI), una banca americana che è diventata una risorsa importante per ottenere informazioni in ambito genetico.

Scopi del NCBI

Si è proposta degli scopi specifici che compongono un obiettivo finale. Questi scopi della banca NCBI è innanzitutto di creare una banca dati pubblica, accessibile a tutti in modo gratuito, poi di condurre ricerche bio-informatiche e produrre programmi bio-informatici, ma anche di rendere disponibili informazioni di biologia e biologia molecolare. L’obiettivo finale quindi di questa banca è il miglioramento della comprensione dei processi molecolari relativi alla salute e alle malattie dell’uomo. I principali strumenti usati dalla NCBI sono:

• PubMed, banca dati che permette di fare ricerche bibliografiche con riassunti di pubblicazioni di riviste scientifiche più o meno importanti. Si tratta di una risorsa in genere gratuita.
• OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man), un database online che riguarda l’ereditarietà mendeliana dell’uomo di geni e malattie genetiche riguardanti l’uomo. Possiamo fare qua ricerche per scoprire il ruolo di determinati geni per l’espressione di particolari malattie.
• GenBank, banca dati che contiene diverse sequenze genetiche.
• BLAST, è uno strumento informatico che permette di confrontare sequenze nucleotidiche o proteiche con una vasta banca dati conservata nella NCBI. È fondamentale nel momento in cui il ricercatore isola una sequenza e vuole conoscere le funzioni, ricercando sequenze simili, e quindi si dice omologhe, confrontandone la funzionalità. Permette anche di identificare quanto sequenze sono simili e fare studi di filogenesi.
• Entrez, è un motore di ricerca che permette di navigare in queste diverse banche dati sopra citate, permettendo di cercare dati per esempio in PubMed, in OMIM, GenBank, BLAST e altri database.
• Books, permette di dare la possibilità mediante NCBI di navigare all’interno di raccolte di libri di interesse biomedico su cui possiamo fare ricerca e che riguardano argomenti di genetica, biologia, biologia molecolare e quant’altro.

Mappe genetiche

Un altro importante strumento sono le mappe genetiche. Sono delle vere mappe, così come le mappe geografiche danno idea delle distanze tra luoghi, ugualmente le mappe genetiche ci forniscono un'idea di quanto geni sono distanti e lontani in un cromosoma. Ci permettono di capire quanto è la ricombinazione di due geni che sono sullo stesso cromosoma. Si parla della ricerca del locus genico o sono calcolate sulla base della percentuale di ricombinazione, sono mappe che sono ottenute mediante il sequenziamento completo dei genomi.

Obiettivo della genetica

L’obiettivo della genetica è di capire la struttura, natura e funzione dei geni. Talvolta abbiamo a che fare con studio di queste cose in organismi complessi, in cui è difficile fare scoperte perché è difficile proprio lavorarci. Gli scienziati hanno però compreso che data l’alta conservazione delle funzioni dei geni durante l’evoluzione, lo studio di alcuni fenomeni di organismi complessi possono essere traslati su studi della stessa funzione però su altri organismi più semplici da usare e da lavorare. Si sono sviluppati quindi dei modelli di studio e abbiamo cercato organismi che funzionassero come modelli di studio per interpretare modelli di studio di organismi più complessi.

Caratteristiche degli organismi modello

Per far sì che un organismo relativamente semplice da studiare sia effettivamente un modello di studio per altri organismi deve avere delle caratteristiche ben definite:

• Deve avere un ciclo di vita breve, perché deve essere possibile farne numerose generazioni in tempi rapidi, potendo vedere in un tempo piuttosto limitato come i geni vengono trasmessi.
• Devono generare una numerosa progenie, permettendo di avere tanti individui frutto di incrocio, permettendo di avere una numerosa mole di dati permettendo di applicare la statistica a questi dati.
• Devono essere facilmente gestibili dal punto di vista sperimentale.
• Infine devono avere una relativa alta variabilità genetica, aspetto fondamentale soprattutto nella genetica di popolazione.

Modelli principali nei eucarioti

Andiamo a vedere i modelli principali focalizzandoci sugli eucarioti. Sono organismi che si differenziano per le cellule dai procarioti per avere una cellula molto più complessa e completa. Gran parte degli studi di genetica avvengono sul Saccharomyces cerevisiae, il moscerino della frutta, la Caenorhabditis elegans, la pianta Arabidopsis thaliana, il Mus musculus (topo) e l’Homo sapiens. Recentemente sono stati osservate delle ricerche anche su tanti altri organismi diventati modelli fondamentali in genetica. Sono 7 organismi, come la muffa rosa del pane, due protozoi (il Tetrahymena e il Paramecium), l’alga verde Chlamydomonas reinhardtii, Pisum sativum (pisello odoroso), la Zea mays (mais) e il Danio rerio (pesce zebra).

Caratteristiche delle cellule eucariote

Vediamo ora le caratteristiche fondamentali delle cellule eucariote. È una cellula fatta da membrana e talvolta può esserci anche una parete cellulare (cellule vegetali) per dare rigidità alle cellule. La caratteristica delle cellule eucariote è di avere un nucleo, comparto a sé stante che contiene il DNA organizzato in cromosomi. Ci sono anche strutture complesse come i centrioli, il RE, i mitocondri, i ribosomi, lisosomi, cloroplasti ecc. Ogni organulo ha una sua funzione per la cellula, per la sintesi proteica, per la replicazione cellulare, per il traffico vescicolare, per lo svolgimento di tutte le attività biochimiche e metaboliche ecc.

Caratteristiche delle cellule procariote

Vedendo invece le cellule procariote, le cellule sono molto semplici, c’è una parete che delimita l’ambiente intracellulare dall’esterno e dentro al lume cellulare c’è il materiale genetico, senza l’organizzazione in nucleo, tanto che si parla di nucleoide. Sono in genere batteri con forme diverse, sferiche, bastoncello e spirali. Si dividono i batteri e gli archea. I batteri sono in organismi viventi, sia come commensali che patogeni, mentre gli archea vivono in condizioni estreme. Uno dei procarioti più usato è E. coli.

Funzione del gene

Vediamo alcuni degli esperimenti fondamentali della genetica che hanno scoperto come i geni non sono isolati tra loro, ma cooperano al fine di un buon funzionamento cellulare nella produzione proteica e nella regolazione generale dell’emivita cellulare. Il primo scienziato che si occupò di questi studi fu Garrod, medico inglese che studiò l’alcaptonuria che genera artrite in tarda età e che si manifesta con urine scure. Vide che i pazienti mostravano queste sintomatologie causate da accumulo di acido omogentisico, che non si verificava in pazienti sani, per cui infatti l’urina non è scura ma chiara. Quindi ipotizzò che questa malattia fosse data da un errore congenito del metabolismo di questi acido. Successivamente gli esperimenti che vennero condotti dimostrarono che questa era una delle tante malattie causate da errori di geni codificanti per enzimi. La possiamo codificare come una malattia recessiva, causata dalla presenza di un allele recessivo che si manifesta soltanto in casi di alleli omozigoti.

Via metabolica della fenilalanina-tirosina

Vediamo ora la via metabolica della fenilalanina-tirosina. Si tratta di una via metabolica in cui difetti enzimatici possono causare diverse patologie. Abbiamo visto come Garrod riconobbe individui affetti da alcaptonuria, perché erano individui con particolari sintomi, tra cui accumulo di acido omogentisico nelle urine. E infatti l’alcaptonuria è dovuta a un errore nell’enzima che converte acido omogentisico in acido meleilacetoacetico, che a sua volta verrà trasformato in anidride carbonica e acqua. Ma ci sono tante altre malattie date da errori genetici che codificano per proteine, tra cui la fenilchetonuria, causata dall’errore nell’enzima che trasforma la fenilalanina in tirosina. Anche l’albinismo è un errore di questa via metabolica, dell’enzima che trasforma tirosina in dopa, convertito ulteriormente poi in melanina.

Esperimento di Beadle e Tatum

I risultati dell’esperimento di Garrod non vennero compresi dalla comunità scientifica, occorsero 40 anni affinché si potesse sviluppare la genetica biochimica, grazie a Beadle e Tatum. Lavorarono su un fungo Neurospora crassa, detto muffa del pane. Furono in grado di formulare l’ipotesi “un gene una proteina”. Questo fungo è un fungo miceliare che si diffonde in terreno di coltura formando una massa di filamenti intrecciati ed è un organismo interamente aploide. Queste cellule aploidi derivano da spore aploidi, che sono di due tipi, dette “spore A” e “spore a”, a grande e a piccolo. Quindi i miceli possono essere un tipo sessuale A e un tipo sessuale a. Questi miceli producono spore che possono fondersi tra loro per generare un asco e fare la riproduzione sessuale. Questo è una cellula diploide che va incontro a meiosi producendo 4 cellule aploidi che a loro volta produrranno, per via mitotica, 8 cellule aploidi, 4 A e 4 a. Queste cellule saranno liberate nell’ambiente e dove ci sono le condizioni favorevoli produrranno questi miceli aploidi.

Questo organismo non ha solo la caratteristica di essere aploide, perfetto per l’esperimento di Beadle e Tatum, ma ha anche la caratteristica di avere esigenze nutrizionali molto semplici. Infatti il ceppo selvatico è capace di vivere in terreno minimo, fatto di sali inorganici, una fonte di carbonio organico e la vitamina B8, la biotina. Quindi, per questa capacità, si parla di ceppi prototrofi. Si ha manifestò anche la capacità di generare dei mutanti nutrizionali (o auxotrof) che non potevano crescere in questo terreno minimo, perché era necessario ad esempio aggiungere nutrienti, come amminoacidi. E furono ottenuti con mutageni, in particolare mediante i raggi X. L’esperimento quindi permise di finalizzare l’ipotesi un gene un enzima. Venne preso il ceppo selvatico di Neurospora crassa, e lo trattarono con raggi X, ottenendo dei conidi mutagenizzati. Questi furono incrociati con il ceppo selvatico del sesso opposto, generando così migliaia di astrospore. Successivamente isolarono ogni singola astrospora e inoculata in una provetta con il terreno completo. Vennero ottenute centinaia di provette e in ognuna fu inoculata una sola astrospora. Ognuna mostrò la crescita dei miceli. Vennero quindi presi tutti i miceli trasferendoli in una provetta contenente il terreno minimo. In alcune videro assenza di crescita, manifestando sicuramente un mutante nutrizionale, ma non si fermarono e cercarono di capire quale tipo di mutante fosse, se fosse nutrizionale per aa o per vitamine. Quindi fecero crescere il mutante nutrizionale in 4 tipi di terreno, un terreno minimo (il controllo) in cui la crescita non avverrà perché non contiene i componenti essenziali alla crescita, un terreno minimo con amminoacidi, un terreno minimo con vitamine, e infine un terreno completo che è sempre una forma di controllo. Immaginiamo di voler trovare il tipo di mutante nutrizionale specifico per un amminoacido singolo. Allestiamo quindi 20 provette, ognuna contenente nel terreno uno dei 20 aminoacidi essenziali, e vediamo in quale si verifica la crescita, dimostrando che quei mutanti fossero mutanti per quell’amminoacido in terreno. Nel caso in foto i miceli mutanti crescono soltanto quando nel terreno c’è il triptofano, dimostrando che sono mutanti per la biosintesi del triptofano.

Una volta che Beadle e Tatum isolarono, identificando i mutanti cercarono una caratterizzazione genetica di una serie di catene biochimiche. Ipotizzarono che le neurospore funzionassero grazie a reazioni metaboliche a catena da diversi step e ognuno catalizzato da un enzima diverso. Come esempio di approccio possiamo analizzare la via biosintetica della metionina: La metionina si sintetizza dalla omoserina con 4 passaggi, ognuno catalizzato da un enzima specifico, ognuno codificato da un diverso gene. Possiamo avere un totale di 4 ceppi mutati. È importante capire che più a valle è un ceppo mutante, nella catena biochimica, minore sarà il numero di composti intermedi necessari per permetterne la crescita. Ad esempio il ceppo mutato met-8 avrà solo bisogno di metionina perché codifica l’ultimo step della via biosintetica, per cui, anche in presenza degli altri substrati, non sarà comunque in grado di ultimare la biosintesi di metionina, per cui necessita di metionina esogena aggiunta in coltura. Al contrario, per esempio il mutante met-5 che trasforma l’omoserina in O-acetilomoserina, può crescere se gli si forniscono i composti che stanno a valle di questo passaggio. Quindi, con esperimenti di questo tipo, testando quale tipo di substrato permette la crescita o meno di un ceppo mutante, Beadle e Tatum fecero un'ipotesi per spiegare il legame gene-enzima. Venne ipotizzato il concetto di un gene un enzima.