Genetica medica

Genetica

La genetica è la scienza che studia le modalità di trasmissione dei caratteri ereditari e la loro variabilità.

Mendel, il padre della genetica

Gregor Johann Mendel (Hynčice, 22 luglio 1822 - Brno, 6 gennaio 1884) fu un monaco agostiniano presso il monastero di Brno, nell’odierna Repubblica Ceca, studioso di scienze naturali, biologia, matematica e fisica. Egli comprese i principi che regolano la trasmissione dei caratteri ereditari prima che fossero noti sia i cromosomi che il meccanismo della meiosi. Nel 1866 pubblicò i risultati dei suoi studi, che furono però ignorati. Nel 1900 i suoi studi furono poi riscoperti e accettati.

Ipotesi sull'ereditarietà ai tempi di Mendel

• Teoria della pangenesi: le informazioni genetiche sarebbero passate dalle diverse parti del corpo attraverso particelle minutissime, le gemmule, fino agli organi riproduttivi, dove vengono trasferite ai gameti. Dalla fusione delle gemmule convogliate nei gameti avrebbe originato un nuovo individuo.
• Teoria dell'ereditarietà per mescolamento: i caratteri ereditati si sarebbero mescolati in maniera indissolubile nei figli (sarebbero state le gemmule a mescolarsi), così come unendo il giallo e il blu si ottiene il verde, senza più poter tornare ai colori di partenza.

Mendel e il P. Sativum

Mendel nei suoi studi utilizzò il P. Sativum poiché:

• Era facile da coltivare
• Aveva una crescita rapida
• Dava origine a una progenie numerosa
• Aveva caratteri facilmente distinguibili

Egli pianificò accuratamente gli incroci ed analizzò i risultati con un approccio matematico-statistico.

Riproduzione del P. Sativum

Il P. Sativum contiene sia le strutture riproduttrici maschili sia quelle femminili. Nel P. Sativum la forma chiusa del fiore favorisce l’autofecondazione. È possibile condurre e controllare gli incroci tramite la “fecondazione incrociata”.

Fecondazione incrociata

Si rimuovono le antere da un fiore (che sarà quindi formalmente femmina) e si preleva il polline dall’altro fiore mettendolo nella stigma del fiore precedente.

I sette caratteri studiati da Mendel

Abbiamo sempre 2 tratti alternativi, e per ciascuno isola delle linee pure tramite ripetuti cicli di autofecondazione.

Trasmissione di un singolo carattere (incrocio monoibrido)

• Fecondazione crociata di piante appartenenti a due linee pure (parentali, P) diverse per un carattere (forma del seme, liscio o rugoso)
• La prima generazione filiale (generazione F1) presenta tutti semi lisci, uguali sono a uno dei parentali.
• Si ha l’autofecondazione
• La seconda generazione filiale (generazione F2) è costituita da semi lisci e rugosi in rapporto 3:1  non c’era stato un mescolamento dei caratteri. Ricompariva il tratto rugoso che sembrava perso in F1.

Conclusioni da “unità particolate” che Mendel chiamò “fattori”

• I caratteri ereditari sono controllati da “unità particolate” che Mendel chiamò “fattori”, trasmessi inalterati dai genitori ai figli tramite i gameti.
• In un individuo un carattere è controllato da due copie di fattori, ciascuna ricevuta da un genitore.
• I fattori per un carattere possono esistere in due versioni diverse (es. liscio e rugoso). Quando in un individuo sono presenti 2 fattori diversi, uno si comporta come dominante (liscio), mascherando l’altro, che è quello recessivo (rugoso).
• Durante la formazione dei gameti i due fattori si separano e ogni gamete ne riceve uno solo. Alla fecondazione un gamete prodotto dal genitore si unisce in maniera causale con un gamete prodotto dall’altro genitore, generando uno zigote in cui torna ad essere presente una copia di fattori.

Mendel in termini moderni

Fattori = geni. Le due copie di fattori per un carattere = le due copie di geni presenti allo stesso locus (locus = porzione occupata da un gene sul cromosoma) sui cromosomi omologhi. Fattori diversi = versioni alternative di un gene = alleli.

Terminologia genetica

• Genotipo: costituzione allelica di un individuo.
• Genotipo omozigote: i due alleli ad un certo locus sono identici (AA o aa).
• Genotipo eterozigote: i due alleli ad un certo locus sono diversi (Aa).
• Allele dominante: il carattere controllato dall’allele si manifesta sia in omozigosi che in eterozigosi (AA o Aa).
• Allele recessivo: il carattere si manifesta solo in omozigosi (aa).
• Fenotipo: manifestazione osservabile di un carattere determinato dal genotipo e dalla sua interazione con l’ambiente.

Alleli dominanti e recessivi per la forma

Incrocio monoibrido 3 lisci e 1 rugoso.

Verifiche di Mendel

La classe di piante con fenotipo dominante è effettivamente costituita da piante eterozigote e omozigote? Un tipo di verifica fu il “Test cross” (o incrocio di prova), che consiste nell’incrocio di un individuo a genotipo ignoto con un individuo omozigote recessivo. Esso permette di scoprire il genotipo di un individuo con fenotipo dominante (omozigote o eterozigote?).

• Se tutta la progenie ha fenotipo dominante, l’individuo è omozigote.
• Se il 50% della progenie ha fenotipo dominante e 50% fenotipo recessivo, l’individuo è eterozigote.

Prima legge di Mendel

Durante la formazione dei gameti, i due alleli di un gene segregano in gameti separati: metà dei gameti contiene un allele, l’altra metà l’altro allele. La segregazione degli alleli è una conseguenza della segregazione dei cromosomi omologhi alla meiosi I.

Cenni sulla probabilità

I risultati degli incroci genetici sono eventi probabilistici. La probabilità esprime la possibilità che un determinato evento si verifichi. L’accuratezza delle previsioni probabilistiche dipende dal numero delle prove.

Regola del prodotto

La probabilità che due o più eventi indipendenti si verifichino contemporaneamente è uguale al prodotto delle probabilità di ciascuno di essi.

Qual è la probabilità di ottenere due volte testa in due lanci di una moneta?

• 1° lancio T, 2° lancio T: Probabilità = ½ * ½ = ¼
• 1° lancio T, 2° lancio C: Probabilità = ½ * ½ = ¼
• 1° lancio C, 2° lancio T: Probabilità = ½ * ½ = ¼
• 1° lancio C, 2° lancio C: Probabilità = ½ * ½ = ¼

P (T e T) = ½ * ½ = ¼.

Regola della somma

La probabilità che si verifichino due o più eventi mutualmente esclusivi è uguale alla somma delle probabilità di ciascuno di essi.

Es. Qual è la probabilità di ottenere testa o croce?

P (T o C) = ½ + ½ = 1.

Regola della somma e del prodotto insieme

Es. Qual è la probabilità di ottenere testa e croce in due lanci di una moneta?

• 1° lancio T, 2° lancio T: Probabilità = ½ * ½ = ¼
• 1° lancio T, 2° lancio C: Probabilità = ½ * ½ = ¼
• 1° lancio C, 2° lancio T: Probabilità = ½ * ½ = ¼
• 1° lancio C, 2° lancio C: Probabilità = ½ * ½ = ¼

P (T e C o C e T) = (½ * ½) + (½ * ½) = ½.

Applicazione delle probabilità al quadro di Punnett

La corea di Huntington

La corea di Huntington è una grave malattia neurologica caratterizzata da tremori e demenza precoce. Essa, che insorge dopo i 40 anni, è causata da un allele dominante, che nei malati è presente in singola dose.

Qual è la probabilità che un uomo con la corea di Huntington e una donna sana abbiano un figlio affetto dalla corea di Huntington?

• C = allele corea, c = allele normale
• Genotipo uomo affetto = Cc
• Genotipo moglie sana = cc

Trasmissione di due caratteri (incrocio diibrido)

Mendel considerò piante che differiscono per due caratteri, come per esempio:

• La forma del seme: liscio (dominante) e rugoso (recessivo)
• Colore del seme: giallo (dominante) e verde (recessivo)

La spiegazione data da Mendel fu l’assortimento indipendente dei caratteri. Esso è una conseguenza dell’assortimento indipendente dei cromosomi alla meiosi I.

Seconda legge o legge dell'assortimento indipendente

Nella formazione dei gameti gli alleli di un gene segregano indipendentemente dagli alleli di un altro gene, portando alla formazione di gameti che contengono tutte le possibili combinazioni alleliche.

Estensione dell'analisi mendeliana

Per Mendel: 1 carattere, 1 gene, 2 alleli, dominanza/recessività. Dopo Mendel si scoprì che:

• Non esiste solo la dominanza/recessività
• Per un gene possono esserci più alleli
• Un carattere può essere determinato da più geni
• Il fenotipo può essere influenzato dall’ambiente

Interazione tra alleli (ad un locus)

• Dominanza completa: l’eterozigote manifesta lo stesso fenotipo dell’omozigote dominante.
• Dominanza incompleta: l’eterozigote manifesta un fenotipo intermedio rispetto ai due omozigoti.
• Codominanza: l’eterozigote manifesta i fenotipi di entrambi gli omozigoti (gli alleli si esprimono in egual misura).

Codominanza: gruppo sanguigno MN nell’uomo

Questo gruppo è controllato da un gene (L) con due alleli codominanti: L^M e L^N. Nella popolazione gli individui possono essere di gruppo M, MN e N.

Alleli multipli

Per molti geni esistono più di due alleli. Un esempio è il gruppo sanguigno ABO. Il gruppo sanguigno è specificato dal gene I al locus AB0 sul cromosoma 9. A e B sono codominanti tra loro e dominanti su “i”.

• Il gene I ha tre alleli: I^A, I^B e i (o i^o).

Sistema di gruppo sanguigno AB0

Gli antigeni A e B sono costituiti da zuccheri terminali di una breve catena oligosaccaridica legata ad una proteina da un lipide sulla membrana dei globuli rossi.

• Nel caso dell’antigene A lo zucchero è l’N-acetilgalattosamina.
• Nel caso dell’antigene B lo zucchero è il galattosio.

Il gene I al locus AB0 codifica per una transferasi che aggiunge uno zucchero terminale ad un precursore comune, detto sostanza H.

• Alleli I^A: codifica per la variante dell’enzima che aggiunge la N-acetilgalattosamina.
• Allele I^B: codifica per l’aggiunta di galattosio.
• Allele i: codifica una dilezione che non aggiunge alcun zucchero.

Immunogenetica del gruppo AB0

Per il gruppo AB0 l’assenza di un antigene è associato alla presenza nel sangue di anticorpi verso quello stesso antigene (es. gruppo A ha anti-B). Questi anticorpi sono detti naturali perché presenti senza che ci sia stato un evidente episodio di immunizzazione. La loro presenza sembra dovuta a reazioni di cross-reattività con antigeni ambientali (es. ceppi di E.Coli di ampia diffusione).

Reazione immune in seguito ad incompatibilità tra donatore e ricevente.

Influenza dell'ambiente

Un gene funziona in un contesto ambientale, sia interno che esterno all’organismo. I fattori ambientali quindi possono influenzare l’espressione genica.

Esempi di influenza sono l’alimentazione, la temperatura e il sesso.

Temperatura (PKU)

La fenilchetonuria (PKU) è una malattia autosomica recessiva (con frequenza ≈ 1/12.000) causata da mutazioni nel gene per la fenilalanina idrossilasi, che converte la fenilalanina in tirosina (precursore della melanina). L’enzima difettoso fa sì che la fenilalanina non venga convertita in tirosina, che quindi si accumula, venendo convertita in acido fenilpiruvico, tossico per il Sistema Nervoso Centrale, provocando poi ritardi mentali.

• Per prevenire la malattia è consigliata una dieta povera di fenilalanina, e nei bambini fare uno screening neonatale (togliendo una piccola quantità di sangue dal tallone).

Temperatura

Colore del pelo del coniglio himalayano. A temperatura di 25° il fenotipo himalayano è normale, bianco con estremità nere. A una temperatura maggiore di 25° esso è bianco. Se allevato a temperatura di 25° ma con attaccato su un fianco un pezzo di ghiaccio (temperatura minore di 25°), esso sarà bianco con le estremità e il fianco nero.

Il coniglio dell’Himalaya è omozigote c^hc^h. L’allele c codifica per una variante termosensibile dell’enzima tirosinasi (pathway produzione pigmento): la tirosina è il precursore della melanina che dà il colore. Anche i gatti siamesi presentano una variabile simile.

Sesso

Calvizie: un carattere autosomico dominante nei maschi e recessivo nelle donne.

• C₁ = allele non calvizia
• C₂ = allele calvizia
• C₁C₁ (omozigosi), C₁C₂ (eterozigosi), C₂C₂ (omozigosi)
• Femmine: C₂C₂ - Calve
• Maschi: C₂C₁ - Calvi, C₂C₂ - Calvi

L’espressione diversa nei due sessi è dovuta ai diversi livelli di testosterone.

Pleiotropia

La pleiotropia è la manifestazione fenotipica multipla di un gene. È osservabile in molti geni. Es. PKU: dovuta a mutazioni del gene per la fenilalanina idrossilasi che comporta ritardi mentali. I soggetti affetti presentano una carnagione e gli occhi molto chiari a causa del deficit di melanina.

Interazioni geniche

La manifestazione di un singolo carattere può dipendere dall’interazione tra due o più geni, generalmente coinvolti nella stessa via metabolica o nello stesso progetto biologico.

Espistasi: l’effetto di un gene maschera l’effetto di un altro gene. Il gene che opera la copertura è...