Genetica I

Genetica

La genetica si occupa in primo luogo di comprendere le caratteristiche biologiche che vengono trasmesse dai genitori alla propria discendenza. I genetisti adottano un metodo di indagine ipotetico-deduttivo per i loro studi scientifici, che consiste nel fare osservazioni, formulare ipotesi in grado di spiegare tali osservazioni, eseguire esperimenti che consentono di fare previsioni in base alle suddette ipotesi e, infine, saggiare le proprie ipotesi.

Le branche della genetica

I genetisti dividono la genetica in quattro branche:

• Genetica della trasmissione dei caratteri, definita talvolta genetica classica, è la branca che si occupa della trasmissione dei geni e dei caratteri genetici da una generazione a quella successiva e della ricombinazione dei geni (ossia dello scambio di materiale genetico tra i cromosomi).
• Genetica molecolare è la branca che si interessa della struttura e della funzione dei geni a livello molecolare.
• Genetica di popolazione è la branca che studia l’ereditarietà dei caratteri determinati da uno o pochi geni in gruppi di individui.
• Genetica quantitativa considera anch’essa l’ereditarietà dei caratteri in gruppi di individui, ma i caratteri analizzati vengono determinati da parecchi geni contemporaneamente.

Tuttavia, non esistono confini precisi tra le diverse branche.

I cromosomi eucariotici

Il genoma degli eucarioti è suddiviso in più cromosomi lineari; il numero dei cromosomi è caratteristico per ciascuna specie. Molti eucarioti hanno due copie di ciascun tipo di cromosoma presente nel nucleo, e per questo motivo, il loro assetto cromosomico è detto diploide, ovvero 2N. Gli eucarioti diploidi sono prodotti in seguito alla fusione di due gameti aploidi (cellule riproduttive mature che sono specializzate nella fusione sessuale), uno di origine materna e l’altro di origine paterna; questa fusione produce uno zigote diploide, che successivamente va incontro allo sviluppo embrionale. Ciascun gamete possiede soltanto una serie di cromosomi ed è definito aploide (N).

Con il termine genoma si definisce il contenuto completo dell’informazione genetica in un corredo cromosomico aploide.

Ciclo cellulare e mitosi

Sia negli eucarioti unicellulari sia in quelli pluricellulari, la riproduzione cellulare è un processo ciclico di crescita, la mitosi e divisione cellulare (citochinesi). Il ciclo di crescita (interfase), mitosi e citochinesi costituiscono il ciclo cellulare. Il ciclo cellulare consta di due fasi: la fase di mitosi (M) e un’interfase tra una divisione e l’altra. L’interfase è caratterizzata da tre tappe successive: G₁, S e G₂. In G₁ (fase di pre-sintesi), la cellula si prepara alla replicazione del DNA e dei cromosomi, che avviene nella fase S. In G₂ (fase di post-sintesi), la cellula si prepara alla divisione cellulare, o fase M.

Dunque: la replicazione cromosomica avviene nell’interfase, alla quale segue la mitosi, che assicura la distribuzione di un assetto cromosomico completo a ciascuno dei due nuclei figli. Alcune cellule possono uscire dal ciclo cellulare, entrando in uno stato di quiescenza e non-divisione G₀; il rientro della cellula nel ciclo cellulare è generalmente introdotto da stimoli extracellulari (es. fattori di crescita). La mitosi avviene sia nelle cellule diploidi, sia in quelle aploidi. Durante l’interfase, i singoli cromosomi sono despiralizzati; il DNA di ciascun cromosoma si replica nella fase S, dando origine a due copie chiamate cromatidi fratelli identici, uniti tra di loro al livello del centromero. Successivamente, durante la mitosi, i cromatidi fratelli si allontanano l’uno dall’altro e prendono il nome di cromosomi figli.

La fase M può essere suddivisa in cinque tappe: profase, prometafase, metafase, anafase e telofase.

Profase

Nella fase i cromosomi replicati si condensano; ciascuno comprende due cromatidi fratelli strettamente uniti l’uno all’altro. All’esterno del nucleo, si assembla il fuso mitotico nella regione tra i due centrosomi, che hanno incominciato ad allontanarsi. Il fuso mitotico è costituito da microtubuli. Il nucleolo si riduce e in molte specie scompare.

Prometafase

Incomincia con la disgregazione dell’involucro nucleare. I microtubuli del fuso, che sono rimasti in attesa fuori dal nucleo, hanno ora accesso ai cromosomi duplicati e li catturano. I microtubuli del fuso si attaccano ai cromosomi tramite complessi proteici detti cinetocori, che si assemblano sui cromosomi condensati nella tarda profase. Ogni cromosoma duplicato ha due cinetocori, uno su ogni cromatidio fratello, che si affacciano in direzione opposta. I cromosomi, ora uniti al fuso mitotico, cominciano a spostarsi in qua e in là.

Metafase

I cromosomi si trovano schierati all’equatore del fuso, a metà strada tra i due poli, formando così una piastra metafasica.

Anafase

I cromatidi fratelli di tutti i cromosomi si separano in modo sincrono: ciascuno di essi viene tirato verso il polo del fuso al quale è collegato. Alla fine dell’anafase, i cromatidi fratelli di tutti i cromosomi si sono separati così da formare due gruppi uguali, uno a ciascun polo del fuso. I cromatidi fratelli ora sono considerati cromosomi figli.

Telofase

All’inizio della telofase i cromosomi incominciano a distendersi e ad assumere la forma allungata. Attorno a ciascun gruppo di cromosomi si forma una membrana nucleare, i microtubuli del fuso scompaiono e il nucleolo si riforma. A questo punto la divisione nucleare è completata e la cellula possiede ora due nuclei.

Citochinesi

È la divisione del citoplasma. Con la citochinesi si realizza la separazione dei due nuovi nuclei in cellule figlie distinte, completando la mitosi e il processo di divisione cellulare. Nelle cellule animali, la citodieresi procede con la formazione di un anello al centro della cellula, che si contrae fino alla produzione di cellule figlie. Nelle cellule vegetali, la costituzione di una nuova membrana e di una nuova parete cellulare tra i due nuclei forma una piastra cellulare. Il materiale della parete cellulare riveste la piastra cellulare da entrambi i lati, dando origine alle due cellule figlie.

In una cellula aploide (N), la mitosi ha come risultato la produzione di due cellule figlie aploidi, ciascuna con una serie completa di cromosomi. In una cellula diploide (2N), la mitosi ha come risultato la produzione di due cellule figlie diploidi geneticamente identiche, ciascuna con due serie di cromosomi.

Meiosi

La meiosi è costituita da due divisioni in successione di un nucleo diploide dopo un unico ciclo di replicazione del DNA. Il nucleo diploide di partenza contiene un assetto cromosomico aploide di origine materna e un assetto aploide di origine paterna. La meiosi avviene solo in un momento specifico del ciclo vitale dell’organismo. Prima della meiosi, il DNA che costituisce i cromosomi omologhi si replica, e durante la meiosi queste coppie di cromosomi si appaiano e subiscono due divisioni (meiosi I e meiosi II), ciascuna delle quali comprende una serie di fasi. La meiosi I porta alla riduzione del numero cromosomico in ciascuna cellula da un assetto diploide ad uno aploide (divisione riduzionale), mentre la meiosi II determina la separazione dei cromatidi fratelli (divisione equazionale). La meiosi produce da una singola cellula diploide quattro cellule aploidi. Il numero di cromosomi che si ottengono in meiosi si calcola 2ⁿ.

Negli animali, la meiosi porta alla formazione di gameti aploidi (cellula uovo e spermatozoi) mediante la gametogenesi; nelle piante, la meiosi porta alla formazione di meiospore aploidi nella sporogenesi. La meiosi femminile incomincia subito dopo la nascita, mentre quella maschile solo dopo la pubertà.

Meiosi I: La prima divisione meiotica

La meiosi I, durante la quale il numero cromosomico è ridotto da diploide ad aploide, comprende cinque stadi: profase I, prometafase I, metafase I, anafase I e telofase I.

Profase I

Quando la profase I ha inizio, i cromosomi si sono già replicati, e ciascuno di essi consiste in due cromatidi fratelli uniti da un centromero. La profase I è suddivisa in numerosi sottofasi.

• Profase I precoce (leptotene), i cromosomi decondensati incominciano ad avvolgersi e diventano visibili come fili lunghi e sottili.
• Fase precoce/mediana della profase I (zigotene), i cromosomi continuano a condensarsi. I due omologhi di ogni coppia si cercano attivamente l’un l’altro e si allineano per tutta la loro lunghezza. Ogni coppia di omologhi va incontro a sinapsi, che consiste nella formazione lungo i cromatidi di una struttura chiamata complesso sinaptinemale, che allinea in modo preciso, base per base, i due omologhi. I telomeri dei cromosomi svolgono un ruolo importante nel dare l’avvio alla sinapsi.
• Fase mediana della profase I (pachitene), incomincia quando la sinapsi è stata completata. Poiché la replicazione è già avvenuta, ciascun insieme di cromosomi omologhi in sinapsi è costituito da quattro cromatidi ed è indicato con il termine di tetrade. In questa fase avviene il fenomeno del crossing-over, ovvero lo scambio fisico reciproco tra la coppia di omologhi. Il punto nel quale avviene il crossing-over lungo il cromosoma è casuale e varia da una meiosi all’altra. Durante il crossing-over non si ha né perdita né acquisizione di materiale genetico perché avviene uno scambio reciproco.
• Fase mediana/terminale della profase I (diplotene), il complesso sinaptinemale si disgrega e i cromosomi omologhi incominciano a separarsi. L’esito del processo di crossing-over diventa visibile con la formazione di chiasmi (strutture cruciformi). In corrispondenza di ciascun chiasma i cromosomi omologhi sono associati tra loro molto strettamente. Nella maggior parte degli organismi il diplonema è seguito rapidamente dalle altre fasi della meiosi. Tuttavia, gli oociti (cellule uovo) di numero di animali possono rimanere nella fase di diplonema per parecchio tempo.
• Fase terminale della profase I (diacinesi), i cromosomi si condensano ancora, rendendo ora visibili i quattro bracci delle tetradi. In questo stadio si vede in modo chiaro il chiasma.

I fenomeni di sinapsi e crossing-over che avvengono nella profase I riguardano i cromosomi omologhi, più precisamente gli autosomi.

Prometafase I

Nella prometafase I, i nucleoli scompaiono, la membrana nucleare si dissolve e il fuso meiotico che si è formato tra le coppie di centrioli che si sono separate occupa l’area nucleare. I microtubuli associati al cinetocore si attaccano ai cromosomi; ovvero i microtubuli provenienti da un polo prendono contatto con entrambi i cinetocori fratelli di un cromosoma duplicato e quelli provenienti dall’altro polo lo fanno con entrambi i cromatidi fratelli dell’altro cromosoma duplicato nella tetrade.

Metafase I

Nella metafase I, i microtubuli associati al cinetocore allineano le tetradi sulla piastra metafasica. Sulla piastra metafasica si trovano le coppie di omologhi (le tetradi).

Anafase I

Nell’anafase I, i cromosomi di ciascuna tetrade si separano, in modo tale che i cromosomi di ciascuna coppia di omologhi si distacchino e migrino ai poli opposti, dove si formeranno i nuovi nuclei. In questo stadio ciascuno dei cromosomi separati costituisce una diade. È possibile avere da uno stesso lato sia cromosomi paterni sia materni; questo meccanismo inserisce un ulteriore grado di variabilità, definito variabilità per segregazione.

Telofase I

Nella telofase I, le diadi completano la loro migrazione ai poli opposti della cellula e il fuso si disassembla. In alcune specie, ma non in tutte, una nuova membrana nucleare si forma intorno ad ogni nucleo aploide. Nella maggior parte delle specie si ha la citochinesi e vengono prodotte due cellule aploidi.

Meiosi II: La seconda divisione meiotica

Tra la meiosi I e la meiosi II non avviene la duplicazione del DNA. La meiosi II è molto simile alla divisione mitotica. Anche questa meiosi presenta cinque stadi: profase II, prometafase II, metafase II, anafase II e telofase II.

Profase II

I cromosomi si condensano e si forma il fuso.

Prometafase II

La membrana nucleare (se si è formata nella telofase I) si rompe e il fuso si organizza nella cellula. I microtubuli associati al cinetocore provenienti dai poli opposti prendono contatto con i cinetocori di ogni cromosoma.

Metafase II

Il movimento dei microtubuli associati al cinetocore allinea i cromosomi sulla piastra metafasica.

Anafase II

I centromeri si separano e i nuovi cromosomi figli sono trascinati ai poli opposti del fuso. Un cromatidio fratello di ciascun paio muove verso un polo, l’altro al polo opposto; i cromatidi ormai separati sono considerati ora cromosomi a tutti gli effetti.

Telofase II

Ultimo stadio, i cromosomi cominciano a decondensarsi, la membrana nucleare si forma attorno ad ogni serie di cromosomi e avviene la citodieresi. Il prodotto finale delle due divisioni meiotiche, da un’unica cellula diploide di partenza, è costituito da quattro cellule aploidi (negli animali i gameti).

La meiosi negli animali

Gli animali pluricellulari sono generalmente diploidi per la maggior parte del ciclo vitale. In essi la meiosi produce gameti aploidi; la fusione di due gameti aploidi produce uno zigote diploide (i loro nuclei si fondono durante la fecondazione). Lo zigote si divide mitoticamente per produrre un nuovo organismo diploide. Questa serie di eventi, che coinvolge l’alternanza di fasi diploidi e aploidi, è la riproduzione sessuata. Nei maschi il gamete è lo spermatozoo, prodotto attraverso il processo di spermatogenesi. Il gamete femminile è la cellula uovo, prodotta per oogenesi.

Negli animali maschi gli spermatozoi sono prodotti nei testicoli che contengono le cellule germinali progenitrici (spermatogoni primari). Attraverso la mitosi, le cellule germinali progenitrici producono gli spermatogoni secondari, che si trasformano in spermatociti primari, ognuno dei quali subisce una meiosi I dando origine a due spermatociti secondari. Ogni spermatocita secondario va incontro alla meiosi II e il risultato di queste due divisioni sono quattro spermatidi aploidi che si differenziano successivamente nei gameti maturi, gli spermatozoi.

Nelle femmine delle specie animali, le ovaie contengono le cellule germinali progenitrici (oogoni primari), che per mitosi danno origine agli oogoni secondari. Queste cellule si trasformano in oociti primari, che si accrescono fino alla fine dell’oogenesi. L’oocita primario diploide va incontro a meiosi I e a una citodieresi ineguale, che dà origine a due cellule: quella più grande è l’oocita secondario, mentre quella più piccola è il primo corpo polare. Nella meiosi II, l’oocita secondario produce due cellule aploidi. Una di esse è molto piccola e prende il nome di secondo corpo polare; l’altra, più grande, si differenzia rapidamente in cellula uovo matura, o uovo. Il primo corpo polare può dividersi o meno durante la meiosi II. I corpi polari non svolgono alcuna funzione nella maggior parte delle specie e degenerano. Solo la cellula uovo è un gamete vitale.

La meiosi nelle piante

Il ciclo vitale delle piante che si riproducono sessualmente ha due fasi: il gametofito, o stadio aploide, durante il quale sono prodotti i gameti, e lo sporofito, o stadio diploide, durante il quale sono prodotte per meiosi le spore. Nelle piante si distinguono due fasi riproduttive distinte, che danno luogo ad un’alternanza di generazione. La meiosi e la fecondazione sono i momenti di transizione tra le due fasi. La generazione gametofica aploide incomincia dopo che le spore sono state prodotte per meiosi. Con la fecondazione incomincia la generazione sporofitica diploide, che produce le cellule aploidi specializzate, chiamate spore, completando in questo modo il ciclo.

La genetica mendeliana

La genetica è lo studio della struttura, dell’organizzazione dell’ereditarietà e della funzione dei geni. Le caratteristiche ereditarie (denominate da Mendel: caratteri) sono le caratteristiche fisiche di un individuo trasmesse da una generazione all’altra; l’espressione delle caratteristiche ereditarie è controllata da sequenze di DNA definite geni (denominate da Mendel: fattori). L’insieme dei geni di un organismo (la costituzione genica) è definita genotipo e le caratteristiche visibili (strutturali e funzionali) di un organismo sono chiamate fenotipo. Un fenotipo può essere visibile (es. colore occhi) oppure non immediatamente visibile ma misurabile (es. gruppo sanguigno).

Il fenotipo è determinato dai geni ed è influenzato dall’ambiente interno e/o esterno. I geni determinano soltanto la possibilità che una particolare caratteristica si realizzi. Il grado che questa capacità potenziale venga sviluppata dipende in molti casi da influenze ambientali e da eventi che si verificano casualmente durante lo sviluppo.

Il piano sperimentale di Mendel

Mendel nasce in Moravia nel 1822. Nel 1843 egli venne ammesso al monastero agostiniano di Brunn (Repubblica Ceca). Nel 1854 cominciò una serie di incroci sperimentali con i piselli odorosi Pisum Sativum, per comprendere i meccanismi dell’ereditarietà. In base ai risultati ottenuti dagli incroci tra piante di piselli che manifestavano caratteri differenti (forma e colore del seme e colore dei fiori), Mendel sviluppò una teoria per spiegare la trasmissione dei caratteri ereditari da una generazione all’altra. Nei suoi primi esperimenti di incrocio considerò separatamente l’ereditarietà di ciascun carattere seguendo la comparsa del fenotipo. Eseguì incroci rigorosamente controllati tra linee di piselli che manifestavano differenze visibili nei caratteri ereditari e prese accuratamente nota dei risultati degli incroci. Mendel scelse i piselli odorosi poiché sono facili da coltivare.