Genetica generale

Genetica (6/03/2018)

Scienza che studia la modalità di principi di ereditarietà di caratteri, i quali sono manifestazioni visibili di ciò che è immagazzinato a livello del DNA che, insieme, costituiscono le caratteristiche biologiche di un organismo. L’obiettivo è capire l’espressione di tali caratteristiche biologiche.

Branche della genetica

Vi sono diverse branche della genetica, le quali approfondiscono aspetti diversi:

• Genetica formale: di trasmissione dei caratteri. Si studiano gli incroci tra organismi diversi, al fine di dedurre la modalità di trasmissione, tendendo a utilizzare organismi modello.
• Genetica di popolazione: studia i processi evolutivi che determinano le frequenze di varianti genetiche nelle popolazioni e nelle varie specie.
• Genetica quantitativa: riguarda la trasmissione, più complessa, dei caratteri determinati dall’azione simultanea di più geni (le altre due branche, infatti, si occupano dei caratteri monogenici, per cui, essendo implicato un solo gene nella loro espressione, sarà più semplice lo studio). Per tale motivo, sarà più complesso prevedere la modalità di trasmissione e incrocio.
• La maggior parte delle patologie genetiche dipendono da un solo gene, sono monogeniche, e la loro frequenze varia da 1 su 20mila a 1 su 100mila. Queste sono circa 5000 e sono state quasi interamente identificate, ovvero è stato identificato il gene da cui dipendono. Le malattie più comuni nella popolazione, invece, sono le patologie multigeniche, che, però, sono più difficili da studiare.
• Genetica molecolare: studio del funzionamento dei geni e le tecnologie dal DNA ricombinante.

Metodo ipotetico deduttivo

La genetica si basa sul metodo ipotetico deduttivo, ovvero una metodologia basata sull’osservazione di un evento, sulla formulazione di un’ipotesi che andrà verificata (o confutata) attraverso la costruzione di un disegno sperimentale. Se quest’ultimo combacia con l’ipotesi allora quest’ultima sarà accettata.

Materiale genetico e ciclo cellulare

Il materiale genetico è suddiviso in cromosomi, molecole lineari. Il numero cromosomico è caratteristico di ciascuna specie, così come la morfologia. Gli eucarioti hanno due coppie di ciascun cromosoma, poiché derivano da una riproduzione di tipo sessuato, e il loro assetto cromosomico è definito diploide (2N, in cui “N” è la coppia di cromosomi di origine differente). Gli organismi diploidi derivano dalla fusione di due gameti aploidi, le cellule germinali, preposte alla formazione dello zigote, cellula diploide. La fusione del gamete paterno (N) e del gamete materno (N) porta alla formazione di uno zigote (“N) porta alla conservazione del materiale genetico della specie, attraverso la mitosi. Tutto il contenuto completo dell’informazione genetica di un organismo costituisce il genoma.

Fasi del ciclo cellulare

• Fase G1: intervallo di pre-sintesi, in cui le cellule poco proliferanti si allungano fino alla fase successiva (o si arrestano in G0 nel caso la cellula interrompa il ciclo cellulare). La fase G1 è la discriminante della durata del ciclo cellulare; le altre fasi hanno tutte la stessa durata per le varie cellule di uno stesso organismo, mentre le cellule di tessuti diversi si caratterizzano per una durata differente in fase G1.
• Fase S: duplicazione del DNA
• Fase G2
• Mitosi: durata 1 ora. Unicamente deputata a separare il materiale genetico in modo equo della cellula madre nelle cellule figlie.
• - Interfase
• - Profase: cromatina è sciolta
• - Metafase: condensazione del DNA
• - Anafase
• - Telofase

Nell’assetto aploide avremo un assetto cromosomico N e un contenuto di DNA C. Nell’assetto diploide avremo un assetto cromosomico 2N, poiché per ogni cromosoma N abbiamo due copie. Chiameremo il contenuto di DNA 2C. Per un organismo diploide avremo, in fase S, un contenuto di DNA pari a 4C, poiché si è replicato, ma troveremo comunque un assetto cromosomico diploide 2N. Quando la cellula entra in mitosi, i parametri saranno sempre 2N e 4C, visibile solo in metafase quando si ha la massima condensazione del materiale genetico. Alla fine della mitosi, il contenuto di DNA si è diviso; avremo, quindi, una cellula con assetto 2N e contenuto genetico 2C.

Cromatidi fratelli

I cromatidi fratelli sono la visualizzazione citologica della replicazione del DNA avvenuta. L’unione di questi due cromatidi fratelli avviene grazie al centromero, il quale li mantiene uniti fino a quando, dopo la metafase (in anafase), avviene la divisione equazionale con la migrazione dei cromatidi fratelli verso i poli opposti. È fondamentale che tutti i cromosomi inizino la divisione insieme, affinché non vi siano anomalie cromosomiche, gravi se coinvolgono le cellule sessuali. Dal punto di vista molecolare i due cromatidi fratelli sono identici tra di loro.

Organismi e riproduzione

Se considero un organismo unicellulare la divisione del materiale genetico coincide con il completamento della mitosi. In un organismo complesso, riprodotto sessualmente, la mitosi si completa con la fusione di gameti, con la meiosi. Il ciclo biologico di un organismo riprodotto con riproduzione sessuata passa attraverso una fase diploide.

Meiosi

Nella meiosi I si ha:

• - La profase I: nella fase mediana della profase I (pachitene) avviene il crossing-over, scambio di materiale genetico e ricombinazione meiotica, in cui si genera variabilità. Questo consiste nella rottura e riunione di materiali diversi, ma anche nel mantenimento delle tetradi (4 cromatidi fratelli), le quali si allineano lungo la piastra metafasica. Questo chiasma (visualizzazione citologica del crossing-over) ha una funzione simile a quella del centromero, ovvero tiene uniti i cromatidi fratelli, fino a quando questi migrano ai poli della cellula. Perché la meiosi vada a buon fine è necessario che tra due cromosomi omologhi avvenga almeno un crossing-over. Questo perché se non ci fosse un sistema per mantenere unite le coppie di cromosomi non avremo una divisione bilanciata.
• - La metafase I: disposizione dei cromosomi lungo la piastra metafasica. Grazie a questo processo le cellule figlie avranno un genoma bilanciato.
• - L’anafase I
• - La telofase I
• - Citodieresi

L’assetto aploide si stabilisce subito dopo la prima divisione meiotica, la quale è una divisione riduzionale. La seconda divisione, invece, è equazionale, simile alla mitosi. Alla fine della meiosi II si otterrà un assetto cromosomico N e contenuto di DNA C. il vantaggio della riproduzione sessuata è generare genomi con nuove combinazioni genetiche. I gameti aploidi unendosi formano una cellula diploide e l’organismo pluricellulare. Questo vale anche per i funghi, organismi pluricellulari più semplici, costituiti da cellule aploidi. Questi producono spore, aploidi, che si uniscono in un’unica cellula che permette il mescolamento del materiale genetico con una mitosi. Negli animali soltanto i gameti presentano un assetto diploide, mentre nelle piante l’assetto diploide non è confinato solo alla cellula uovo e al polline, ma anche a delle strutture che contengono i due gameti. La aploidia è confinata soltanto ai gameti.

Genomi derivanti da riproduzione sessuata

I genomi degli organismi che derivano da riproduzione sessuata sono diversi geneticamente, c’è solo una condivisione del 50% del materiale genetico. La variabilità è importante in una specie, poiché consente di rispondere a cambiamenti ambientali, conservando la vitalità della specie. Tale sistema è vantaggioso per l’evoluzione. I cromosomi omologhi sono identici dal punto di vista morfologico, per la posizione dei geni, la disposizione della cromatina, ma dal punto di vista della sequenza nucleotidica no. I cromatidi fratelli, invece, sono identici tra loro. Un crossing-over genera, alla fine, quattro cellule di cui 2 ricombinanti e 2 non ricombinanti (50%). Per ogni gamete abbiamo moltissime ricombinazioni.

A prescindere dal crossing-over abbiamo la variabilità per segregazione. La possibilità di segregazione è pari a: n-1² con n, nella specie umana, pari a 23. Queste sono le combinazioni possibili durante la meiosi, senza contare le ricombinazioni per crossing-over. I cromosomi omologhi di derivazione mista paterna e materna hanno assortimento indipendente e questo genera variabilità genetica.

Ciclo cellulare negli organismi eucariotici

In un organismo che si riproduce per riproduzione sessuata, il ciclo cellulare è costituito da:

• Fase diploide: derivata dallo zigote.
• Fase aploide: produzione dei gameti per la trasmissione del materiale genetico alla progenie. Riguarda le cellule somatiche che, attraverso mitosi successive, costituiscono il corpo.

Formazione dei gameti

Spermatogenesi: spermatogonio, dopo che si è trasformato in spermatocita, entra in meiosi (spermatociti primari e secondari) fino a diventare spermatidi e, attraverso differenziazione spermatozoi. Da uno spermatocita primario si generano 4 spermatozoi.

Ovogenesi: oogonio quando diventa oocita, entra in meiosi, diventa oocita secondario e globulo polare. Dal punto di vista genetico queste due cellule sono identiche, ma dal punto di vista cellulare c’è uno sbilanciamento citoplasmatico. Da un oocita primario si genererà solo una cellula uovo.

Genetica (7/03/2018)

Ciclo aploide e diploide nelle piante

Il ciclo aploide e diploide avviene anche nelle piante. Abbiamo cellule diploidi in alcune cellule che non c’entrano con la differenziazione in gameti. Il granulo pollinico costituisce il gamete maschile. Il ciclo biologico di un organismo dipende dal fatto che questo sia unicellulare o pluricellulare che si riproduce per riproduzione sessuata.

In un organismo eucariotico unicellulare il ciclo biologico corrisponde alla duplicazione (scissione binaria). In un organismo eucariotico pluricellulare il ciclo biologico prevede la mitosi (e meiosi per le cellule sessuale). La riproduzione sessuale implica l’unione di un assetto aploide del genoma a partire da due gameti aploidi. Un organismo che si riproduce sessualmente ha una fase aploide, che prevede la trasmissione dei caratteri e il mantenimento della quantità di patrimonio genetico costante, e una diploide. Con la mitosi si ottengono due cellule figlie identiche, due cloni, e questo coinvolge solamente le cellule somatiche in una fase diploide.

La riproduzione sessuata sta alla base della variabilità genetica e ha avuto un contributo enorme nel mantenimento della specie. Il genoma derivante da riproduzione sessuata è un genoma ricombinato di quello paterno e materno e, quindi, diverso. La variabilità di una specie permette un maggiore adattamento ai cambiamenti e, quindi, una maggiore conservazione di quella specie.

Principi della trasmissione dei caratteri

Capire qual è il meccanismo di trasmissione dei caratteri sta alla base della possibilità di elaborare delle predizioni. Prima di Mendel si applicava empiricamente una selezione di incroci programmati, a partire da un’osservazione. Questo vuol dire che, per esempio, in una certa specie, si selezionava chi fosse più produttivo per un certo lavoro, arrivando così a incrociarli tra loro per ottenere una “razza pura” con precise caratteristiche. Queste ultime dipendono dalla presenza di un genoma con sequenze di DNA che permettono la trasmissione dei caratteri.

Gregor Johann Mendel

Gregor Johann Mendel (1822-1884) identificò le modalità di trasmissione delle caratteristiche fisiche dai genitori ai figli, arrivando a capire, senza conoscere la meiosi, l’aploidia dei gameti, solamente empiricamente e matematicamente. La trasmissione dei caratteri è direttamente correlata alla modalità di trasmissione dei cromosomi.

Mendel chiama caratteri tutte le caratteristiche visibili di un organismo preso come oggetto di studio. Egli intuì che ci fosse un fattore da cui tali caratteristiche fenotipiche dipendevano. Tali fattori sono i geni, sequenze di DNA. L’insieme dei geni di un organismo è chiamato genotipo; l’insieme delle caratteristiche fisiche di un organismo è detto fenotipo, il quale dipende dall’espressione dei geni di un individuo, a cui si aggiunge l’influenza ambientale che può far variare l’espressione di un genotipo. Un carattere è un prodotto dell’interazione tra geni e prodotti proteici che vengano in comunicazione con i prodotti proteici del gene.

Nelle malattie multigeniche, per esempio, non si ha la mutazione di un solo gene, ma è la concomitanza di mutazioni su più geni correlati a far insorgere la patologia (questo è diverso per le malattie monogeniche!). Mendel partì da un sistema biologico noto, con fenotipo noto, per arrivare a prevedere il fenotipo della progenie. Ottenne un fenotipo 1 noto e un fenotipo 2 noto a partire da un fenotipo noto, i quali danno informazioni sull’ereditarietà.

I caratteri che Mendel considerò erano monogenici, con una trasmissione molto semplice poiché dipendeva dall’espressione di un solo gene. Mendel nacque nel 1822 e la sua formazione avvenne presso il monastero Agostiniano a Brunn (Repubblica Ceca), per poi studiare Scienze Naturali, Fisica e Matematica all’Università di Vienna (1851-1853). Nel 1854 effettuò gli esperimenti incrociando per 8 incroci piante di pisello da orto (Pisum Sativum), il quale possedeva sia gameti maschili sia femminili, e applicando il metodo ipotetico deduttivo. Quest’ultimo prevedeva:

• Considerare separatamente l’ereditarietà di ciascun carattere seguendo la comparsa del fenotipo, facendo incroci programmati
• Utilizzare linee pure, ovvero piante che riproducendosi per autofecondazione presentavano il medesimo fenotipo per il carattere considerato

Egli scelse il Pisum Sativum perché:

• Il suo ciclo riproduttivo era molto breve e poteva, così, analizzare subito i risultati
• Progenie numerosa, utile per elaborare dati statistici
• Facile da coltivare
• Si riproduceva per autofecondazione e per fecondazione incrociata
• Caratterizzato da variabilità fenotipica

I caratteri che prese in considerazione erano:

• Colore del baccello
• Forma del baccello
• Colore del seme
• Forma del seme
• Colore del fiore
• Lunghezza dello stelo
• Posizione dei fiori

Osservò la progenie, la quale si divideva in classe e mostrava dei rapporti fenotipici costanti. Interpretò, quindi, i rapporti numerici dei fenotipi della progenie e pianificò, dopo aver formulato un’ipotesi, degli esperimenti per poter saggiare quest’ultima. Considerando la forma del seme, incrociò due linee pure di semi lisci e semi rugosi (generazione P - parentale) e notò che tutti i semi della generazione F1 (filiale) erano lisci. La F1 non è, però, una linea pura perché non deriva da autofecondazione di semi lisci, ma da incrocio tra semi lisci e semi rugosi. Nonostante la F1 avesse un fenotipo liscio, il genotipo non era puro. Mendel cercò anche di capire se il fatto che la F1 presentasse un fenotipo liscio dipendesse dalla trasmissione del seme liscio con il gamete femminile, ciò cercò di capire se questo carattere dipendesse dal sesso. Dagli incroci reciproci di semi rugosi maschili e semi lisci femminili notò lo stesso risultato, concludendo che il carattere non dipendeva dal sesso.

Dall’autofecondazione delle piante F1 si rese conto che persisteva un rapporto costante di circa 3:1 tra semi lisci e rugosi. Tutta la F1 presentava una certa variante, ovvero semi con lo stesso fenotipo, ma con genotipo diverso dalla generazione P. Mendel chiamò monoibridi (perché prendeva in considerazione un solo carattere) le piante F1 con semi di stesso fenotipo o carattere. In F2, invece, compariva il carattere scomparso in F1 di uno dei due genitori. Mendel cercò di interpretare i suoi esperimenti al fine di chiarire il motivo per cui il carattere scomparso in F1 ricomparisse in F2. La F1 doveva contenere dei fattori potenziali che potessero generare in F2 la ricomparsa del carattere rugoso. Questi fattori particellari dovevano portare un’informazione genetica, che lui chiamava ereditaria, alla base dell’espressione dei caratteri fenotipici.

Mendel definì inoltre come alleli le forme alternative di un gene, ovvero i caratteri fenotipici alternativi (es. forma del seme liscia o rugosa) che dipendono da fattori particellari i quali portano l’informazione ereditaria. Ogni fattore esiste in forma alternative, in coppie di alleli, le quali, nella linea pura, sono identici. Un gamete ha solo una copia dell’allele e questo dovrebbe spiegare il motivo per cui in F2 ricompare il carattere determinato dall’allele apparentemente scomparso: la F1 ha alleli diversi, poiché non deriva da autofecondazione ma da incrocio tra linee pure, però mostra un solo carattere. Pur avendo due fattori diversi, la pianta mostra solo una delle due varianti: questo significa che i due fattori sono legati da un rapporto di dominanza e recessività. Il carattere mancante è definito recessivo (forma rugosa) ed è mascherato in F1 dal carattere visibile, detto dominante (forma liscia). A partire dal genotipo, Mendel affermò che ogni individuo presentasse due coppie alleliche, identiche nelle due linee pure omozigote (SS, ss), ma, diverse nella progenie (Ss). Questo perché ciascun genitore contribuirà alla formazione della progenie e i due alleli si uniranno in un gene eterozigote (Ss) con alleli diversi. Quando Ss, basta 1 allele S per mostrare un fenotipo parentale.

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