Genetica generale ed evoluzione

Genetica: aspetti diversi dell'eredità

Genetica classica

La genetica classica studia i processi genetici che riguardano i singoli individui e come i geni vengono trasmessi da una generazione all’altra. Unità di studio: nucleofamigliare.

Genetica molecolare

La genetica molecolare studia la natura molecolare dell’eredità: come viene modificata nel DNA e come i processi biochimici la traducano in un fenotipo. Unità di studio: la cellula.

Genetica di popolazione

La genetica di popolazione studia l’ereditarietà di caratteri determinati da uno o pochi geni in gruppi di individui.

La genetica mendeliana

Johann Mendel fu il primo che studiò scientificamente l’eredità biologica. Formulò l’ipotesi dell’esistenza di qualche <fattore> responsabile della trasmissione dei caratteri. Egli formulò i principi fondamentali dell’eredità grazie al suo approccio metodologico e matematico. Studiò solo differenze ereditarie nette. Basandosi sugli studi del botanico Josef Koelreuter, Mendel decise di effettuare incroci tra particolari tipi di piante. Scelse per i suoi esperimenti un ottimo organismo modello, esaminando caratteri che avevano due “tratti” molto diversi e facilmente riconoscibili.

Organismo modello: le piante di Mendel

Mendel decise di effettuare esperimenti di incroci controllati su piante di pisello ornamentale da giardino (Lathyrus odoratus L.), originario della Sicilia e di pisello comune (Pisum sativum L.), entrambi appartenenti alla famiglia Fabaceae. Nei fiori di queste specie è facile controllare l’impollinazione asportando gli stami prima della maturazione del polline o chiudendo la corolla. Mendel ha costruito per ciascun carattere delle linee pure: cioè piante che se incrociate tra loro producono solo piante con caratteristiche identiche a quelle dei genitori.

Al termine degli esperimenti, Mendel arrivò alle seguenti conclusioni (che gli permisero di enunciare le tre leggi di Mendel che sono alla base della genetica):

• I caratteri non si mescolano negli ibridi ma mantengono la propria identità.
• Ogni carattere è controllato da una coppia di "fattori" ereditari, che vengono trasmessi, uno da ciascun genitore, ai figli attraverso i gameti. Oggi si sa che questi fattori sono i geni, che sono presenti sul cromosoma in una delle due forme alternative, dette alleli, delle quali una (allele dominante) prevale sull'altra (allele recessivo), mascherandone la presenza nella F1.
• Al momento della meiosi, ciascuna coppia di cromosomi (uno di origine materna e uno paterno) si separa in modo che in un gamete vada solo un cromosoma; ogni spermatozoo e ogni cellula uovo possiede quindi un solo allele per ogni carattere.
• Con la fecondazione i gameti si combinano a caso e si riformano le coppie di cromosomi (e quindi di alleli).
• Si definiscono omozigoti gli individui che hanno i due alleli di un carattere uguali (dominanti o recessivi), eterozigoti gli individui che hanno i due alleli diversi (uno dominante e uno recessivo): gli omozigoti possono produrre un solo tipo di gamete, gli eterozigoti due.

Le leggi di Mendel valgono sia per le piante sia per gli animali: anche nell'uomo molti caratteri sono trasmessi secondo queste leggi. Il bruno dei capelli è dominante sul rosso; i capelli crespi dominano su quelli lisci; gli occhi scuri su quelli azzurri; il naso aquilino su ogni altro tipo di naso.

Legge della dominanza dei caratteri

Incrociando tra loro individui che differiscono per un solo carattere, si ottengono alla prima generazione ibridi tutti uguali. Indicando gli alleli con le lettere dell'alfabeto e precisamente con A il carattere dominante e con a il carattere recessivo, nell'incrocio di due linee pure si avrà:

Generazione parentale P AA x aa

Gameti di P A A a a

Prima generazione finale F tutti Aa

Legge della segregazione

Alla seconda generazione, ottenuta incrociando tra loro gli ibridi della prima, gli alleli che controllano un determinato carattere si separano (segregano) e vengono trasmessi a gameti diversi. Si ottengono 1/4 degli individui con il carattere recessivo e 3/4 con il carattere dominante. Di questi ultimi 2/3 sono eterozigoti, 1/3 è omozigote.

Prima generazione finale F Aa x Aa

Gameti di F A a A a

Seconda generazione finale F AA Aa aA aa

Si definisce fenotipo il complesso dei caratteri visibili di un individuo; genotipo la combinazione di alleli posseduta da un individuo. Da questi incroci si osserva che il fenotipo dominante è espresso sia dagli omozigoti dominanti sia dagli eterozigoti. Per determinare il genotipo dell'individuo con fenotipo dominante si ricorre al test-cross (o incrocio di controllo) che utilizza l'omozigote recessivo. Se il genitore con fenotipo dominante è eterozigote, i discendenti avranno per metà il fenotipo dominante e per metà quello recessivo. Se invece il genitore con fenotipo dominante è omozigote, i discendenti avranno tutti il fenotipo dominante.

Legge dell’assortimento indipendente

Incrociando individui che differiscono tra loro per due o più caratteri, ogni coppia di alleli per ciascun carattere viene ereditata in maniera del tutto indipendente dall'altra. Si hanno così tutte le possibili combinazioni degli alleli di ciascuna coppia e la comparsa di individui con caratteri nuovi. Incrociando tra loro 2 diibridi RrGg, ogni individuo dà origine a 4 tipi di gameti (RG, Rg, rG e rg) che possono combinarsi in 16 modi diversi.

Punti fondamentali

• Gregor Johann Mendel e i suoi esperimenti
• La prima legge di Mendel: la segregazione degli alleli Al rapporto fenotipico di 3:1 osservato alla F2 sottende un rapporto genotipico 1:2:1
• La seconda legge di Mendel: l’assortimento indipendente Nella F2 si osserva un rapporto fenotipico pari a: 9:3:3:1

Ciclo cellulare

Il ciclo cellulare, o ciclo di divisione cellulare (CDC), è la serie di eventi che avvengono in una cellula eucariotica tra una divisione cellulare e quella successiva. La durata del ciclo cellulare varia col variare della specie, del tipo di cellula e delle condizioni di crescita. Negli organismi pluricellulari alcune cellule una volta raggiunta la maturità perdono la capacità di dividersi.

Interfase e mitosi

L'interfase è il periodo di tempo del ciclo di divisione cellulare delle cellule eucariotiche che intercorre tra una mitosi e quella successiva. In tale periodo avviene il processo di duplicazione del materiale genetico (DNA), e di alcuni organelli cellulari, quali i centrioli ed i mitocondri, ed in generale l'aumento di massa e di dimensioni della cellula, in modo tale da permettere la formazione di due cellule figlie a partire dalla cellula madre. L'interfase si suddivide in tre fasi che, a seconda dell'organismo e del tipo di cellula, possono essere più o meno facilmente distinte. Queste fasi sono:

• (G gap, fase G1 come in inglese "intervallo", G1 = intervallo 1): nella quale la cellula produce gli organelli e le proteine necessari per l'accrescimento della massa cellulare e prepara i complessi enzimatici necessari per la fase successiva. Negli organismi pluricellulari, in questo periodo di tempo vengono svolte delle attività specifiche a seconda del tipo cellulare.
• (S sintesi, fase come sintesi del materiale genetico): in questa fase avviene la duplicazione del materiale genetico. A livello delle origini di replicazione, i due filamenti nucleotidici che costituiscono il DNA vengono separati grazie all'azione di un complesso multiproteico chiamato pre-Loading Complex. In seguito, con il reclutamento di DNA polimerasi specifiche per la replicazione si forma il vero e proprio Replisome Progression Complex (RPC) che è responsabile della sintesi dei due nuovi filamenti, utilizzando come templato il DNA esistente.
• (G gap, fase G2 come in inglese "intervallo", G2 = intervallo 2): nella quale la cellula continua l'accrescimento della massa ed inizia a prepararsi alla successiva mitosi allestendo altre strutture indispensabili per la divisione. Durante l'interfase, all'interno del nucleo, è impossibile osservare i cromosomi perché sotto forma di cromatina ancora non condensata; possono essere però distinti uno o più nucleoli, le regioni dove si trovano i geni codificanti per l'RNA ribosomiale, che durante le fasi G1 e G2 sono altamente trascritti per permettere la produzione di ribosomi.

Fasi della mitosi

La mitosi si divide in cinque fasi più una, chiamate:

• Profase
• Prometafase
• Metafase
• Anafase
• Telofase
• Citodieresi (che è diversa dalle precedenti perché non interessa il nucleo, come quelle sopraindicate, ma interessa l'intera cellula)

Profase

In questa fase vi è la condensazione della cromatina, che avviene grazie alla presenza di proteine istoniche che fungono da centri primari di organizzazione del riavvolgimento del DNA (primo ordine di spiralizzazione) e della topoisomerasi II, che, oltre alla sua funzione catalitica, agisce come centro di organizzazione del secondo ordine di spiralizzazione. Segue un terzo ordine di cui non si conoscono le proteine implicate; forse è conseguenza della tensione accumulata dalle precedenti spiralizzazioni. Questo grosso superfilamento viene impaccato formando delle anse che si riuniscono formando il cromosoma visibile. Ogni cromosoma visibile (che negli esseri umani ha la tipica forma a X ad eccezione del piccolo cromosoma sessuale Y) è composto in realtà da due cromatidi fratelli identici, i quali possono essere considerati a loro volta un cromosoma. Intanto il centrosoma si duplica ed entrambi cominciano a dirigersi ai poli opposti della cellula. Da essi si originano i microtubuli (filamenti formati da dimeri di sub-unità proteiche tubulina alfa e beta) che andranno a formare il fuso mitotico, la struttura che dirigerà tutti i successivi movimenti dei cromosomi. La durata media di questo meccanismo di riproduzione cellulare varia in media, negli organismi superiori, dalle 15 alle 30 ore.

Prometafase

• I microtubuli cromosomici si collegano al centromero del cromosoma.
• I cromosomi si muovono verso l'equatore del fuso.

Metafase

Questa fase inizia attraverso una sub-fase (chiamata prometafase) in cui avviene "l'improvvisa" dissoluzione della membrana nucleare, che si frammenta in tante vescicolette. Questo processo viene innescato dalla fosforilazione, attraverso delle chinasi, delle proteine delle lamine (filamenti intermedi) che costituiscono la lamina nucleare; in conseguenza della fosforilazione i filamenti si dissociano negli elementi costitutivi. I due centrosomi, giunti ai poli opposti della cellula, agiscono come centri di organizzazione microtubulare, catalizzando l'allungamento ed assicurando il corretto orientamento dei microtubuli che andranno a legarsi ai cromosomi in una regione chiamata centromero. Ogni centrosoma si lega ad uno dei due cromatidi fratelli per ogni cromosoma. In questa fase si possono verificare degli errori e due microtubuli si possono agganciare allo stesso cromatidio dando poi origine ad una cellula figlia con un diverso numero di cromosomi che in genere è mutilata e non vitale. Le coppie di cromatidi vengono portate nella parte mediana della cellula dove si allineano formando la piastra equatoriale, in cui un piano immaginario, passante per i centromeri, divide le coppie di DNA. È questo il momento più favorevole per lo studio dei cromosomi, che sono ora al massimo della loro spiralizzazione (condensazione) ed affiancati ordinatamente lungo la piastra equatoriale posta al centro della cellula.

Anafase

Durante l'anafase, i cromatidi fratelli si separano tra loro e migrano verso i due centrosomi ai poli opposti della cellula. Si riconoscono due momenti, chiamati anafase A e anafase B. Nella prima si assiste alla separazione dei due cromatidi fratelli ad opera di un enzima, chiamato separasi, con relativa migrazione degli stessi grazie a proteine motorie (tipo dineine citoplasmatiche) presenti al livello del cinetocore. Nell'anafase B si assiste al reciproco scorrimento dei microtubuli polari del fuso mitotico con conseguente allontanamento dei due centrosomi verso direzioni opposte. Pertanto si ottiene il ripristino, per ogni polo, del numero originario di cromosomi.

Telofase

In quest'ultima fase della mitosi, i cromosomi si despiralizzano (decondensano). Intorno ai due nuovi complessi cromosomici ricompaiono le membrane nucleari e gli organuli si ricompongono. La telofase si conclude con una sottofase: la citodieresi, in cui si separa il citoplasma in modo equivalente in entrambe le nuove cellule. La cellula si divide al centro formando due cellule figlie, esattamente identiche alla cellula madre ma più piccole. Questo avviene grazie ad un anello di actina creatosi al centro della cellula madre che, contraendosi, stringe la cellula al centro. A tal punto le proteine specializzate operano la fusione e la separazione della membrana in punti specifici e le due cellule si separano. In alcune cellule si verifica una mitosi mutilata: la telofase non avviene e si accumulano all'interno di uno stesso nucleo di una stessa cellula da due ad alcune decine di corredi cromosomici. Questo tipo di cellule si chiama plasmodio. L'esempio principale sono i protozoi del genere Plasmodium come il P. malariae. Anche cellule umane vanno incontro a questo processo o patologicamente, come le cellule tumorali, o fisiologicamente come nel megacariocita.

Citodieresi o chitochinesi

In genere, la mitosi è seguita dalla citodieresi, un processo che divide il citoplasma ripartendolo in due nuove cellule, ciascuna contenente non solo un nucleo completo di tutti i cromosomi, ma anche metà circa del citosol e degli organuli della cellula madre ottenuti grazie alla fase G2 dell'interfase.

Meiosi

Fasi della divisione cellulare meiotica

Ad una duplicazione del materiale genetico nelle cellule germinali, che avviene nella fase pre-meiotica S, corrispondono due divisioni nucleari:

• Fase riduzionale: prima divisione meiotica o meiosi I
• Fase equazionale: seconda divisione meiotica o meiosi II

Fase meiotica S o interfase I

Avviene la duplicazione del materiale genetico: da ogni cromosoma risultano due cromatidi fratelli identici, attaccati in corrispondenza dei centromeri mediante molecole di coesina. Quindi, in totale avremmo una duplicazione del corredo genetico. Avremmo quindi un organismo con il doppio dell'usuale corredo genetico.

Meiosi I

La prima divisione meiotica o meiosi I è chiamata riduzionale poiché da una cellula (4n) si generano due cellule aploidi (dal punto di vista informazionale), ma ancora formate da cromosomi costituiti da due cromatidi (quindi con una quantità di cromosomi pari a 2n).

Profase I

La meiosi I si apre con la profase, il processo più lungo e complicato della profase mitotica. Si suddivide in 5 stadi:

• Leptotene: in cui il materiale genetico si condensa a formare strutture bastoncellari in forma di filamenti sottili, allungati, non scissi longitudinalmente. Durante questa fase avvengono i DSB (Double Strand Breaks), punti di rottura controllata della doppia elica che corrispondono alle zone dove si potrà andare incontro al crossing-over nelle fasi successive.
• Zigotene: durante il quale avviene la sinapsi dei cromosomi omologhi a formare una struttura denominata bivalente (o tetrade o duplex). L'appaiamento dei cromosomi omologhi avviene grazie ad una struttura submicroscopica proteica, il complesso sinaptinemale.
• Pachitene: "precoce" in cui si completa l'appaiamento degli omologhi o "avanzato" in cui i cromosomi si accorciano, si inspessiscono e avviene il crossing-over, che però ancora non è visibile in quanto i cromosomi sono ancora in stretto contatto fra loro.
• Diplotene: in questo stadio i cromosomi omologhi di ciascun bivalente cominciano a separarsi (desinapsi), soprattutto a livello del centromero, per la progressiva scomparsa del complesso sinaptinemale. Tuttavia i due cromatidi di ciascuna coppia di omologhi restano in contatto grazie a connessioni chiamate chiasmi, segni visibili dell'avvenuto crossing-over. È bene notare che negli umani in ogni coppia di omologhi debba, in condizioni normali, avvenire per forza almeno un chiasmo, che ha un importante ruolo strutturale.
• Diacinesi: nel corso del quale i cromosomi completano la loro condensazione e sono chiaramente visibili. Ormai è ben formata la tetrade o bivalente e avviene la dissoluzione della membrana nucleare e del nucleolo. Durante la profase I, inoltre, si sviluppa il fuso, costituito da due coppie di centrioli, situate ai poli opposti della cellula, da cui fuoriescono fibre di microtubuli. Tali fibre agganciano i cromosomi mediante il cinetocore, una piastra proteica situata a livello del centromero.

Metafase I

Le fibre del fuso si collegano ai cromosomi: ogni cromosoma, diviso in 2 cromatidi tenuti insieme dal centromero, è legato tramite gli asteridi alle fibre del fuso. Le fibre allineano tutti i cromosomi lungo la piastra equatoriale (linea immaginaria al centro della cellula).

Anafase I

A differenza dell'anafase mitotica, durante questa fase i cromatidi fratelli restano attaccati per mezzo dei centromeri, mentre i cromosomi omologhi si staccano e migrano ai poli opposti della cellula. In questo modo si ha un corredo cromosomico aploide proprio perché sono gli omologhi parentali a separarsi.

Telofase I

La telofase I può variare a seconda della specie e del tipo di cellula, ma in generale comporta la formazione di due nuclei aploidi. Durante questo processo, i cromosomi possono despiralizzarsi parzialmente e può formarsi temporaneamente una membrana nucleare. Successivamente, le cellule entrano nella fase di meiosi II, con la divisione equazionale che non prevede la duplicazione del DNA.