Genetica agraria

Genetica

Genetica è il nome dello studio dell’eredità. In base a tale processo tutti gli organismi assomigliano ai propri antenati. Il nome viene coniato dal genetista Battison. Significa “dare origine” (dal greco) il cui termine indica anche:

• Genesi: nascita;
• Genitore: colui che fa nascere;
• Generazione: gruppo di persone nate;
• Gene: unità genetica (“fattore” per Mendel) ereditaria in modo tale che ciascun discendente riceva una copia fisica integra. Il termine gene viene coniato dal genetista agrario Yohenesen. È un elemento discreto avente natura fisica che viene ereditato.

Compiti della genetica

• Stabilire natura chimica e proprietà fisiche del materiale ereditario (l’informazione biologica risiede in una o più molecole di acido nucleico che può essere a DNA o RNA);
• Definire l’ereditarietà dei vari caratteri biologici (studio tutt’ora in corso ed estremamente complesso in quanto i geni sono moltissimi e interagiscono continuamente fra di loro. Caratteri semplici possono nascondere una realtà estremamente complessa).

Storia della genetica

L'anno zero della genetica

Viene fissato al 1866: Mendel pubblica i propri lavori su Pisum sativum (anno più corretto). Nel 1900, tre genetisti pubblicano contemporaneamente lavori con risultati simili a quelli di Mendel.

Il 1866 è una data assai più vicina ad un’altra pubblicazione importante ossia “Sull’origine delle specie” di Darwin (1859) che tratta della selezione naturale. Le specie non sono fisse e immutabili ma si evolvono in forme più adattabili all’ambiente ed è per questo che la selezione è importante in quanto favorisce gli individui che mostrano una somma dei caratteri più favorevoli all’ambiente.

Mendel: “la presenza e l’espressione di un carattere sono determinati da unità elementari trasmesse di generazione in generazione in modo uniforme e dunque prevedibile”. Viene dimostrata quindi l’uniformità del processo e quindi la sua prevedibilità. Le unità elementari vengono trasmesse in maniera integra di generazione in generazione. Darwin e Mendel possono, quindi, essere considerati i padri della genetica.

Per anni l’umanità crede alla teoria della generazione spontanea che viene confutata per la prima volta da Francesco Redi con il libro “Esperienze sulla natura degli insetti”. Con il microscopio la teoria perde sempre più forza anche a causa degli esperimenti di Spalazzani. Con l’invenzione del microscopio si scopre che esisteva un materiale di partenza non classificabile all’interno di spermatozoi e ovuli che con lo sviluppo si sarebbe andato a differenziare (teoria dell’epigenesi).

Teoria della pangenesi

Quello che si può vedere nei gameti sono delle “gemmule” di vario tipo con funzione diversa e da una determinata gemmula può svilupparsi un diverso organo o tessuto. Le gemmule vengono ricevute dal padre e dalla madre e quali gemmule daranno origine ad un determinato organo dipende completamente dal caso. Gli organismi che portano combinazioni migliori sono quelli che sopravviveranno alla selezione naturale. La pangenesi era una teoria seguita da Darwin. Secondo Lamark, invece, le gemmule hanno una proprietà di conoscenza autonoma e quindi possono percepire l’ambiente e adattarsi. Lamark crede nell’eredità dei caratteri acquisiti.

Per Darwin l’estinzione è ammissibile: la selezione naturale può eliminare un’intera specie. Per Lamark l’estinzione è dovuta solamente da condizioni in cui la capacità di adattamento è nulla ossia condizioni estreme (disastri naturali, cambiamenti climatici).

Scoperta dell'informazione genetica

All’interno del nucleo delle cellule si individuano, tramite il microscopio, dei corpiccioli: i cromosomi. In ogni specie esiste un numero di cromosomi caratteristico. Questo non significa che il numero di cromosomi è un tratto distintivo delle specie in quanto diverse specie possono avere lo stesso numero di cromosomi. Esistono specie in cui il numero di cromosomi può essere piccolo e specie in cui il numero è estremamente elevato: il numero di cromosomi non è correlato con il grado evolutivo della specie.

Quello che si nota è che nei gameti il numero di cromosomi è ridotto della metà. Con la fecondazione si rigenera il numero di cromosomi originale. Considerando questi fattori si pensò che fossero i cromosomi i messaggeri del materiale ereditario (anche se all’esaminazione citologica si evidenzia come cromosomi di diversi individui siano identici). Oggi si sa che l’informazione genetica è contenuta nel DNA che è a sua volta contenuto nei cromosomi.

Storia moderna della genetica

Nel 1943 Vavilov inventa il moderno concetto di biodiversità (differenziazione biologica tra gli individui di una stessa specie, in relazione alle condizioni ambientali) costituendo una banca di germoplasma enorme che è tutt’ora una delle più grandi nel pianeta. Viene nominato a membro onorario della Royal Society. Nel 1983 Mullis sviluppa la tecnica della PCR (Polymerase chain reaction). 1984 Cavalli-Sforza inizia una versione del Human Genome Diversity Project.

Divisione cellulare

Attraverso la formazione di nuove cellule c’è il passaggio dell’informazione biologica. In assenza di divisione cellulare una cellula si può accrescere solo aumentando il proprio volume ma la superficie cellulare diventa progressivamente insufficiente per assumere anaboliti ed espellere cataboliti (svolgerebbe meno efficientemente le proprie funzioni metaboliche). Una soluzione può essere la presenza di estroflessioni in modo da aumentare la superficie cellulare ma comportano un rischio in quanto è più facile che la membrana si rompa.

La soluzione a questo problema di accrescimento può essere quindi la divisione cellulare. Una cellula raggiunto un determinato volume si dividerà in cellule figlie. Il processo di divisione cellulare deve garantire che il materiale indispensabile della cellula venga diviso equamente alle cellule figlie. La divisione cellulare avviene in maniera diversa nei diversi organismi e abbiamo una distinzione fra organismi nucleati e non:

• Organismi privi di nucleo: prenucleari o procarioti (batteri) dove si notano condizioni di procarion.
• Organismi con il nucleo che porta la maggioranza del materiale ereditario: eucarioti.

Negli eucarioti si è evoluto un processo di divisione equazionale del materiale ereditario: la mitosi. Questo processo è comune a tutti gli organismi dotati di nucleo. In una cellula non in fase di divisione il nucleo appare come un organello (facilmente visibile che può essere colorato con coloranti specifici e assume la colorazione di Feulgen ossia rosa) dotato di una membrana ossia la membrana nucleare. Al microscopio elettronico appare che questa membrana presenta dei pori nucleari in elevato numero che assicurano una qualche intensità di scambi di composti chimici da e per il nucleo. La membrana nucleare appare in contatto con il reticolo endoplasmico di tipo rugoso al quale sono associati i ribosomi (dove avviene la produzione di catene polipeptidiche). All’interno del nucleo osserviamo una matrice distinta di natura filamentosa non uniformemente colorata e notiamo delle zone dette nucleoli (uno o più di uno a seconda della specie) con diversa apparenza al microscopio elettronico.

Tra una divisione cellulare e un’altra la matrice nucleare appare in forma indistinta (la matrice cellulare è detta cromatina) e sembra andare incontro in una serie di mutamenti. Le zone che risultano più colorate sono dette eterocromatina mentre le zone meno colorate sono dette eucromatina: la diversa colorazione dipende da un diverso stato di condensazione della cromatina. All’atto della divisione cellulare la cromatina tende a condensarsi sempre di più in corpi detti cromosomi.

Mitosi e meiosi

Esistono due meccanismi di divisione cellulare: mitosi e meiosi. La mitosi è una divisione equazionale (le cellule ricevono la stessa quantità e qualità di informazione biologica) che porta alla formazione di cellule figlie uguali alla cellula madre (escludendo possibili mutazioni). Nella meiosi il numero di cromosomi viene ridotto di metà a seguito di 2 cicli mitotici.

Mitosi

A seconda del comportamento della cromatina o dei cromosomi troviamo diverse fasi del ciclo cellulare (interfase) e della conseguente divisione mitotica (profase, metafase, anafase, telofase):

• Interfase: è la fase precedente alla mitosi ed è composta a sua volta da tre periodi. Il periodo G¹ (presintesi) contiene la fase di sintesi di proteine e RNA con crescita in volume della cellula. Fase S (Sintesi) di replicazione del DNA e azione della coesina. Periodo G (post-sintesi) dove si osserva una sintesi di fattori e proteine in grado di regolare la divisione cellulare, che predispongono la cellula alla divisione vera e propria. Esistenza di una fase G⁰: alcune cellule hanno la possibilità di entrare in uno stato di quiescenza perdendo la propria capacità di dividersi. Queste cellule acquistano funzioni particolari e si potranno accrescere solo per aumento della distensione cellulare. Talvolta questa fase G⁰ è permanente. Questa distinzione deriva dal fatto che alcune cellule delle piante in fase G^T in determinate condizioni possono tornare in fase G¹. È possibile clonare le piante attraverso la formazione del callo: massa cellulare informe che si viene a formare per mitosi da una cellula differenziata. È possibile utilizzare ormoni come auxine artificiali piuttosto forti: 2,4-D e NAA per indurre la differenziazione delle cellule e la formazione del callo stesso. Da questo è possibile rigenerare piante attraverso un processo di organogenesi (creazione di organi differenziati come per esempio un germoglio) o di embriogenesi (creazione di embrioni somatici). Questo processo viene molto utilizzato per la micropropagazione. Le cellule animali, diversamente dalle cellule vegetali, difficilmente cadono in G^T. Esistono cellule multipotenti nelle cellule animali: cellule staminali (queste cellule vengono studiate in quanto potrebbero essere utilizzate per riparare danni nell’organismo). Nelle cellule tumorali, a differenza di normali cellule, l’interfase è piuttosto ridotta e abbiamo indici mitotici (durata dell’interfase) elevati e il rapporto interfase/mitosi è ridotto.
• Profase: fase mitotica avente una durata maggiore. In profase la cromatina (che prima appare dispersa nel nucleo) inizia a condensarsi e, man mano che procede la condensazione, si iniziano ad osservare i cromosomi. Ciascun cromosoma appare costituito da 2 cromatidi fratelli uniti per una regione particolare detta centromero (questi cromatidi sono il risultato della fase S dell’interfase). Il centromero è una regione del cromosoma localizzata in corrispondenza della costrizione primaria dove i cromatidi hanno un restringimento. Esistono anche costrizioni meno pronunciate che sono dette secondarie. In profase, inoltre, avviene la duplicazione di una struttura detta centrosoma: non è delimitata da membrana (non è un organello), è facilmente visibile al microscopio ed è situata in posizione perinucleare: i centrosomi figli migreranno agli antipodi del nucleo. Ciascun centrosoma è formato da centrioli: cilindri disposti a T e ciascuno è formato da 9 fasci formati a loro volta da 3 microtuboli cavi. A partire da questa coppia di centrioli si irradiano delle fibre formate da alfa e beta tuboline che danno origine al fuso mitotico. Perché le fibre del fuso possano reclutare i cromatidi è necessaria la formazione del cinetocoro (parte in cui le fibre del fuso si attaccano al centromero). Al termine della profase la membrana nucleare si dissolve. Inoltre, abbiamo la scomparsa del o dei nucleoli (la loro scomparsa impedisce la sintesi proteica in quanto non possono esserci “distrazioni” o eventuali errori).
• Metafase: è una fase mitotica relativamente veloce. È necessario che i cromosomi si dispongano sul piano equatoriale della cellula e ciò avviene attraverso l’allungamento e l’accorciamento delle fibre. Attraverso meccanismi di controllo i cromatidi devono essere presi da cinetocori che fanno riferimento ad aster opposti in modo che ci sia una divisione regolare dei cromatidi fratelli (in modo che ogni cellula figlia possa averne uno e che non accada due cellule figlie siano sbilanciate geneticamente). Lo stato di condensazione della cromatina è massimo ed è quindi lo stadio migliore per osservare i cromosomi (esame del cariotipo: conta del numero e analisi dei cromosomi).
• Anafase: è la fase mitotica più veloce. Si ha una depolimerizzazione delle fibre del fuso (la fibra si accorcia e accorciandosi tira i cromatidi verso l’aster). Le anse dei centrosomi (grovigli) vengono eliminate dalla separasi e i due cromatidi vengono separati. Quando è avvenuta questa separazione termina l’anafase.
• Telofase: la durata dipende dall’organismo e dal tipo cellulare. I cromatidi possono essere chiamati ora cromosomi figli ed iniziano ad assottigliarsi e allungarsi, si ricostituisce la membrana nucleare e abbiamo la citocinesi: la formazione delle due cellule figlie. Negli animali questa avviene con una strozzatura nella cellula madre che dall’esterno prosegue verso l’interno mentre nelle cellule vegetali si formano i due nuclei e all’interno di questa cellula bi-nucleata si forma una membrana nucleare (processo di riciclo della membrana e biosintesi di componenti necessari anche per la formazione della parete cellulare) che separa le due cellule figlie.

La mitosi è un processo altamente regolato in tutti gli organismi ed esistono almeno 3 punti di controllo (è altamente probabile che esistano numerosi altri check-point):

• G¹: controlla se esistono le condizioni per entrare in fase di replicazione del DNA. La cellula deve essere in buone condizioni metaboliche. Se queste condizioni vengono soddisfatte si entra in fase S.
• G²: viene verificato se tutto il DNA è stato replicato. Questo check-point dà avvio alla mitosi.
• Mitotico: è in metafase e verifica che ogni cromatidio fratello sia stato preso da fibre facenti parte di aster diversi e solo grazie a questo controllo abbiamo una divisione equazionale.

Per lo studio dei punti di controllo e della mitosi viene utilizzato il nematode “Caenorhabditis elegans” (viene utilizzata anche come pianta modello Arabidopsis thaliana) che viene utilizzato come organismo modello in quanto il numero di cellule che compone un organismo adulto è fisso (959 per gli ermafroditi e 1031 per i maschi). È stato notato che per la regolazione esistono numerose proteine fra cui le cicline che aumentano e diminuiscono a seconda della fase di controllo e le chinasi-chinasi-cicline-dipendenti (CDK) che aumentano e diminuiscono a seconda della fase.

In seguito ad una serie mitotica si forma una forma cellulare clonare: formazione di cellule tutte geneticamente uguali da una cellula madre. Se interviene una mutazione (accidente durante la replicazione) questa verrà ereditata per mitosi e queste cellule mutate daranno origine ad una seconda linea clonare. Quando un individuo, organo o tessuto è formato da più linee clonali viene chiamato “chimera” (il termine chimera è poi stato esteso ad individui formati dall’unione di due o più specie). La mutazione, sia essa favorevole o sfavorevole, rimane confinata nella chimera e sopravvive solo se quest’ultima sopravvive. La mitosi si applica sia alle cellule diploidi che alle cellule aploidi.

Riproduzione sessuale

La riproduzione sessuale consente lo scambio genetico fra individui e consente un ampliamento della variabilità genetica con un mutuoscambio delle varianti genetiche. Questo è il presupposto per una qualsiasi selezione e di conseguenza dell’evoluzione. In molte specie riproduzione sessuale significa distinguere i due sessi e porta ad una conseguente ricerca del partner sessuale. Quando i due sessi sono separati si parla di “dioicia”. Se i due sessi non sono separati si parla di ermafroditismo (molto comune nelle piante anche se esistono piante dioiche) e questo per le piante è un punto di maggiore evoluzione in quanto non hanno la possibilità di andare alla ricerca del partner. Inoltre, con l’ermafroditismo, tutte le piante possono dare origine a progenie. Le piante ermafrodite se si basano sulla autoimpollinazione e autofecondazione sono dette autogame, mentre le piante dove l’autofecondazione è sfavorita e che si basano sull’esoincrocio (incrocio fra piante diverse) sono dette allogame (l’ermafroditismo è solo apparente).

Nelle specie dioiche a volte si ottengono gli stessi risultati dell’autofecondazione: l’unione di fratello e sorella dà origine a progenie con caratteristiche simili ad una progenie generata per autogamia. Esistono, in natura, però dei processi che sfavoriscono l’unione fra consanguinei: per esempio, esistono geni letali che si manifestano soprattutto con la progenie derivante fra l’unione fra consanguinei portando a diversi effetti negativi (per esempio, nell’uomo statura e vitalità possono essere minori o può esserci una maggior incidenza di malattie come quella di Gaucher). Questo si manifesta soprattutto in zone isolate (isole o tribù) e la conseguenza può essere una deriva genetica.