Genetica (Biologia e genetica)

Biologia e genetica

Divisione cellulare

Deriviamo da una cellula unica => zigote (=> fusione fra ovocita e spermatocita)

• Cellule che sanno dividersi (lo fanno continuamente o talvolta): hanno bisogno di rigenerarsi continuamente (es: cellule epiteliali, cellule germinali, cellule staminali: possono creare tessuti diversi in base a diversi stimoli)
• Cellule che perdono la capacità di dividersi una volta raggiunto il differenziamento/maturazione (es: cellule nervose e globuli rossi)
• Cellule che vengono indotte da interventi esterni a riprodursi (es: cellule epatiche: fegato che si rigenera in parte dopo la rimozione di una parte)

Ciclo cellulare

Ciclo cellulare (=> vita di una cellula)

• Ciclo cellulare diverso per durata: molto brevi o molto lunghi -> tipo le cellule nervose
• Inizia quando si forma la cellula dalla divisione di una cellula precedente
• Termina quando la cellula prodotta si divide nuovamente
• Fasi:
  • Fase G1 => gap 1: la cellula inizia a svolgere le sue funzioni e cresce (neurone rimane solo in questa fase)
  • Fase S => sintesi di DNA: viene duplicato il DNA per potersi poi dividere; durata costante circa per tutte le cellule
  • Fase G2 => gap 2: controllo della salute della cellula e ancora un po’ di crescita
  • Fase M => mitosi o meiosi: divisione cellulare; durata quasi costante per tutte le cellule circa 2 ore
• Ciò che varia a livello temporale è maggiormente la fase G1
• Interfase => fase intermedia fra meiosi/mitosi nella vita di una cellula
• I cromosomi non sono distinti e la cellula ha la propria forma e funzionalità
• Fuori dal nucleo ci sono i centrosomi (MTOC) strutture da cui si formano tutti i microtubuli

Mitosi

• I cromosomi sono già duplicati dalla fase S
• La fanno tutte le cellule: divisione equazionale -> stesso numero di cromosomi e due cellule figlie identiche alla cellula madre
• Divisa in 5 fasi:
  • Profase => ci sono i cromosomi duplicati dove di ha una cellula dove la cromatina inizia ad addensarsi e si iniziano a distinguere i singoli cromosomi -> fatti da due cromatidi gemelli, identici fra loro tenuti insieme dal centromero e dalla coesina -> iniziano a separarsi i due centrosomi andando verso le due estremità -> si crea il fuso mitotico dai microtubuli che partono dalle pareti e vanno verso il centro
  • Prometafase => la cromatina continua ad addensarsi -> viene rotto l’involucro nucleare e questo rimane nel citoplasma poi riutilizzate per creare gli involucri delle cellule figlie -> a livello del centromero si forma un complesso proteico chiamato cinetocore che si attacca a entrambi i lati, a tutti e due i cromatidi, e da questo partono dei microtubuli che saranno il punto di aggancio con i microtubuli del fuso mitotico -> sparisce la coesina quindi i due cromatidi sono tenuti insieme solo nel centromero
  • Metafase => tutti i cromosomi si allineano sull’asse equatoriale della cellula -> massima compattazione della cromatina -> ciascun cromosoma agganciato sul cinetocore ai due poli opposti tramite microtubuli (=> quelli del fuso si accorciano e si allungano, agganciano i microtubuli del cinetocore perché tutti i cromatidi sono agganciati)
  • Anafase => i cromosomi si spezzano in due cromatidi distinti e rimangono agganciati solo su un microtubulo che va verso poli opposti -> movimento catalizzato dalle chinesine e dineine (proteine motrici che spostano i nuovi cromosomi verso i poli)
  • Telofase => riformazione dell’involucro nucleare attorno a ciascun nuovo nucleo di cromosomi -> poi separazione fisica delle due cellule tramite l’anello contrattile fatto di actina che strozza le due cellule
• Si possono dividere solo un numero discreto di volte, se no saremmo immortali; vi è indicatore sui cromosomi per il conteggio dei cicli vitali
• Controllo del ciclo cellulare: se la cellula è anomala viene indotta alla morte
• Vi sono proteine che fungono da controllori nelle fasi del ciclo cellulare => due checkpoint
• Operazione fatta a livello molecolare e in ogni fase vi sono proteine diverse
• Molecole maggiormente coinvolte nel controllo sono le cicline (=> quantità che cambiano in ogni fase) ed enzimi chiamati CDK (chinasi ciclina-dipendente; fosforilano ma attivate solo quando c’è una certa ciclina e in una certa quantità)
• RB (retinoblastoma) inattivo è il segnale che la cellula può passare in fase S se no si rimane in G1
• Meccanismo di protezione per evitare che vengano e proliferare le cellule anomale
• Meccanismi di blocco cellulare: o CDK o bloccaggio del DNA condensando la cromatina in modo che non sia più trascrivibile e inibizione dei geni fondamentali -> vengono fatti contemporaneamente ma talvolta alcune cellule “scappano” da questo ciclo e si forma la massa tumorale

Tumori

• Benigni => masse limitate ad un solo tessuto e facilmente amovibili con operazioni chirurgiche
• Maligni => invadono più tessuti e portati anche a notevole distanza (=> metastasi); si muovono tramite il circolo sanguigno e vanno ad intaccare tutti i tessuti
• Agiscono moltissime mutazioni e anomalie
• Cause: tanti fattori che compartecipano => fattori di rischio
• Composti chimici, radiazioni ionizzanti e UV: agenti esterni cancerogeni
• Virus -> provocano rotture del DNA, delle proteine o dei geni fondamentali
• Solo una minima quota è ereditaria, sono per lo più somatici -> dovuti a danni a livello dei geni
• Ereditario: rischio maggiore perché vi è già una mutazione
• RB e P53 sono oncosoppressori perché se funzionano impediscono la proliferazione incontrollata

Riproduzioni e meiosi

Meiosi: serve per la formazione di uno zigote con patrimonio genetico misto

• Mai identiche alla cellula originaria -> bimbo mai identico né alla mamma né al papà: ruolo importante nell’evoluzione
• Unica duplicazione del DNA in fase S -> meiosi 1 (=> divisione riduzionale: dimezzo il numero di cromosomi): dalla cellula che ha finito la fase di interfase si dividono i cromosomi omologhi creando due cellule figlie diverse fra loro -> meiosi 2 (=> equazionale): si parte con 23 cromosomi e si arriva con 23 cromosomi non con doppio patrimonio di DNA ma singoli cromosomi
• La prima divisione meiotica la rende diversa dalla mitosi
• Stesse fasi solo divisi per meiosi 1 e meiosi 2
• Meiosi 1 fasi:
  • Profase 1 => fase dal punto di vista dell’evoluzione importante: avvengono quei processi per l’introduzione di variabilità genetica; primo step dopo interfase, stesso della mitosi ma si forma la sinapsi => complesso proteico che lega i due cromosomi omologhi diversi fra loro, legati i due cromatidi più vicini fra loro, si garantisce la possibilità di fare scambio di materiale cromosomico => crossingover, si creano cromosomi ricombinanti
  • Poi stesse fasi con la sola differenza che il cinetocore si crea su i due cromosomi omologhi quindi si hanno sempre coppie non cromatidi singoli

Gametogenesi

• Gametogenesi => formazione dei gameti:
• Spermatogenesi => fa meiosi classica, avviene dalla pubertà e continua nel tempo ininterrottamente ma cambia la qualità
• Oogenesi => le due cellule che si formano hanno lo stesso DNA ma cambia la concentrazione di citoplasma, quello con di più è l’oocita secondario e l’altro è un corpo polare -> il corpo polare da origine a due corpi polari uguali mentre l’oocita si divide ancora con citoplasma diverso quindi di produce una sola cellula uovo più tre corpi polari che verranno degradati => questo serve perché il citoplasma deriva tutto dalla cellula uovo; prima della nascita ci sono già tutte le cellule uovo in meiosi ma stoppate e riprendono dopo lo sviluppo quando iniziano le mestruazioni, se ne espelle una al mese e quando finisce il numero a nostra disposizione si entra in menopausa; le cellule uovo invecchiano con noi

Conseguenze e significato genetico della meiosi

• Ogni gamete deve ereditare una copia di ogni paio di cromosomi
• Nuove combinazioni di cromosomi nei gameti => nelle varie separazioni delle cellule (meiosi 1) la combinazione con cui i cromosomi si distribuiscono è casuale -> 4 combinazioni se 2 cromosomi -> assortimento indipendente dei cromosomi omologhi:
  • Tutti e due paterni => combinazione 1
  • Tutti e due materni => combinazione 2
  • Uno paterno e uno materno => combinazione 3
  • Uno materno e uno paterno => combinazione 4
• Per n coppie di cromosomi il numero di combinazioni è 2 elevato alla n (non tenendo conto del crossingover) -> negli uomini 8388608

Genetica formale

Genetica classica, strettamente legata alle molecole ma inizialmente usata e studiata solo con esperimenti di osservazione

Tappe principali

• 1865 => leggi di Mendel -> studio osservativo
• 1869 => isolamento del DNA (Miescher)
• 1890 => studio dei cromosomi
• 1909 => coniazione termine gene
• 1911 => teoria cromosomica dell’ereditarietà (Morgan)

Le leggi di Mendel

Mendel era un monaco di origine tedesca-austriaca che importa la capacità di studiare a livello empirico l’ereditarietà dei caratteri

• Fortuna perché i suoi superiori lo mandano in un ambiente universitario dove vi erano scienziati di elevatissimo livello (tanti premi nobel) -> impara ad osservare la realtà e contarla
• Prima di lui qualcuno osserva i caratteri ereditari ma nessuno riuscì a elaborare una legge come lui
• Carattere => proprietà dell’organismo determinata geneticamente e che può essere ereditata
• Tratti => forma del carattere (es: colore di capelli -> carattere; biondo -> tratto)
• Studia sulle piante di piselli odorosi:
  • Facili e veloci da coltivare -> studio tante generazioni
  • Controllo dell’impollinazione -> decidere che tipi di incroci fare con i vari ceppi
  • Caratteri facilmente osservabili: 1) colore del fiore -> viola o bianco; 2) colore del seme -> verde o giallo; 3) forma del seme -> liscio o rugoso; 4) colore del baccello -> verde o giallo; 5) forma del baccello -> pieno o irregolare; 6) lunghezza dello stelo -> lungo o corto; 7) posizione dei fiori -> assiale o terminale
• Identifica le linee pure -> lascia autoimpollinare le presunte linee pure -> se si hanno sempre tratti della linea pura quella è una linea pura: nel suo caso 14
• Incrocia le linee pure -> osserva solo un carattere per volta ed evita l’autoimpollinazione
• Es: crossimpollina una pianta con fiore bianco e una con fiore viola -> per evitare l’autoimpollinazione elimina l’organo maschile (toglie gli stami: dove sta il polline) nella pianta a fiori viola si ha solo il carpello (organo femminile) -> tocca gli stami con un pennellino della pianta bianca e prende il polline -> feconda il carpello della pianta viola -> osserva cosa si genera nella prima generazione F1: sono tutti a fiori viola
• Fa la stessa cosa per tutti i caratteri e tratti -> si accorge sempre che in F1 c’è sempre un solo tratto

Osservazioni sulla generazione successiva

• Osserva la generazione successiva -> prende pianta F1 e la lascia autoimpollinare -> nella generazione F2 si ottiene che per ogni carattere riappaiono tutti e due i tratti e il rapporto è costante: 3 a 1 -> 3 del carattere in F1 e 1 del carattere sparito in F1
• 1. Legge dell’uniformità della prima generazione ibrida: dall’incrocio di linee pure che differiscono per un solo carattere ho una generazione F1 che presenta solo un carattere
• 2. Legge della segregazione dei caratteri: nella F2 ho i tratti con rapporto 3 a 1
• I geni sono posizionati sul cromosoma sul locus => uguale e stessa posizione per ogni cromosoma, può cambiare la sequenza del DNA
• Allele => variante alternativa di uno stesso gene
• Omozigoti => due alleli identici: si esprime un solo tratto; AA o aa
• La generazione F1 ha entrambi gli alleli ma uno è dominante (=> quello che si manifesta; lettera maiuscola) e uno è recessivo (lettera minuscola) => eterozigote (=> due alleli diversi; Aa)
• Es: colore pelo topi (B: black; b: brown) -> la lettera deriva dal tratto dominante in inglese

B Bb Bb
B Bb Bb

Genotipo => composizione genetica di un organismo

Fenotipo => carattere osservabile

Inoltre ha fortuna perché quei caratteri non erano influenzati dall’ambiente => caratteri monogenici semplici

Caratteri poligenici multifattoriali => maggior parte e sono influenzati dall’ambiente, sono i più presenti

Quello fatto da Mendel è un incrocio monoibrido:

P: AA x aa -> F1: Aa x Aa -> F2: AA, Aa, Aa, aa (genotipo: rapporto 1-2-1; fenotipo 3-1)

Quadrato di Punnett -> vedi tabella

Es: del topo con due caratteri -> F2 (black and short)

BS Bs bS bs
BS BBSS BBSs BbSS BbSs
Bs BBSs BBss BbSs Bbss
bS BbSS BbSs bbSS bbSs
bs BbSs Bbss bbSs bbss
Fenotipo: 9/16 -> nero-corto ; 3/16 nero-lungo -> ; 3/16 -> marrone-corto; 1/16-> marrone-lungo

Localizzazione dei geni sui cromosomi => ogni cromosoma è fatto da tantissimi geni che si comportano in modo indipendente -> mix fra omozigoti ed eterozigoti -> genotipi diversi ed indipendenti

Per fare il fenotipo nel quadrato di Punnett metto solo o il carattere dominante o quello recessivo (-> non doppie lettere come per genotipo)

Numero di classi Numero di classi
Numero di geni Tipi di gameti fenotipiche genotipiche
n n2 3 alla n 2n

Il metodo degli schemi ramificati o branching system

VEDI SLIDE PER ESEMPI

Metodo alternativo al quadrato di Punnett -> si basa sulla probabilità perché si è visto che alla segregazione degli alleli si può applicare il metodo della probabilità perché sono eventi casuali

Probabilità -> casi favorevoli diviso casi possibili

• Moltiplico perché applico regole:
  • Regola del prodotto => la probabilità di due eventi indipendenti ma che devono avvenire contemporaneamente è dato dal prodotto delle singole probabilità
  • Es: un ragazzo cerca una moglie bella ricca -> devo trovare l’intersezione e quindi fare il prodotto -> probabilità di trovare donna bella x probabilità di trovare donna ricca
  • Regola della somma => quando due eventi sono mutuamente esclusivi si fa la somma delle singole probabilità
  • Es: moglie bella ricca -> sommo le probabilità

Test cross o reincrocio

Incrocio -> fra fenotipo dominante e l’omozigote recessivo

• S- x ss => - perché non so il secondo allele
• Se il genotipo è omozigote si ha la progenie tutta con il fenotipo dominante
• Se il genotipo è eterozigote si ha la progenie con entrambi i fenotipi
• Si usa l’omozigote recessivo perché è ininfluente sul risultato: è il dominante che influenza il fenotipo
• Il fenotipo della progenie corrisponde con i gameti del genitore
• Si può fare anche con più ibridi -> prestare attenzione agli incroci e considerare tutte le probabilità

Crossing-over e ricombinazione

• I geni possono essere indipendenti o associati fra loro: concatenati => posti sullo stesso cromosoma e vicini fra loro -> non vale più il rapporto numerico individuato da Mendel
• Essendo sullo stesso cromosoma tendono ad andare dalla stessa parte nella meiosi
• Geni associati in cis => alleli dominanti sullo stesso cromosoma, tutti i dominanti da una parte e tutti i recessivi dall’altra
• Geni associati in trans => alleli dominanti ciascuno su uno dei due omologhi
• Se geni associati può capitare:
  • Associazione completa => se sono molto vicini fra loro e tendono ad andare insieme nella segregazione meiotica -> no crossing-over (=> no cromatidi ricombinanti) -> due combinazioni
  • Associazione parziale => se i geni sono un pelo distanti è probabile che in profase 1 avvenga il crossing-over (=> ho due cromatidi ricombinanti trans se ho la situazione cis e viceversa e due no che rimangono uguali ai parentali) -> quattro tipi di gameti ma non equi frequenti
• Ci si concentra solo sui due geni -> non sul resto del cromosoma (sotto possono avvenire altri crossing-over)
• Per stabilire che i due geni sono associati si fa il reincrocio con l’omozigote recessivo perché non influenza:
  • Reincrocio indipendenti -> è quello fatto prima con rapporto 1:1:1:1
  • Se associazione completa -> solo due classi fenotipiche con rapporto 1:1; capisco anche come erano dislocati i geni (cis o trans)
  • Se associazione parziale -> due classi più frequenti (parentali) e due meno frequenti (ricombinanti)