Genetica, prof Giovannoni

Genetica

La genetica è la scienza dell'ereditarietà, studia la struttura e le funzioni dei geni e il modo in cui essi vengono trasmessi di generazione in generazione. Ereditarietà significa come viene trasmessa da un individuo all'altro e studia struttura e funzione dei geni, tra i quali c'è il concetto di trasmissione.

Principi fondamentali

L'informazione genetica risiede nel nucleo del DNA e viene trasmessa in maniera accurata, anche se con un certo tasso di errore, alle generazioni. Qualsiasi deviazione da questo concetto può portare a una patologia a variabilità. Il materiale genetico deve essere trasmesso alle generazioni successive. L'organizzazione del genoma determina la funzionalità e le modalità con cui il genoma viene trasmesso alla progenie (organismi pluricellulari).

La genetica si occupa di:

• Determinazione ed espressione dei caratteri fisici: programma genetico della cellula si traduce nel metabolismo della cellula tramite proteine.
• Modalità di trasmissione (ereditarietà).
• Cambiamenti genetici e diversità biologica: osservazione della diversità biologica, comprensione e descrizione dei meccanismi genetici che la generano e dei meccanismi che la preservano.

Tratti semplici e complessi: un tratto complesso è una manifestazione esteriore specifica di quell'organismo, determinato dall'azione combinata di più geni (colore degli occhi, dei capelli, altezza).

Le analisi genetiche e la manipolazione del DNA (tecniche del DNA ricombinante) consentono di comprendere il meccanismo molecolare alla base del funzionamento degli organismi viventi, di studiarne le patologie (associazione anomalia genetica-patologia), identificare terapie, migliorare e preservare la diversità.

Per anni, l'uomo ha selezionato caratteri specifici, soprattutto con l'avvento dell'agricoltura nella società umana e con l'allevamento di animali a fini alimentari. Oggi sappiamo che quei caratteri sono codificati dai geni. Le tecnologie moderne (CRISPR) consentono ulteriore e più sicuro miglioramento.

Biologia

La biologia è la scienza che studia gli esseri viventi (organismi), dai procarioti agli organismi eucarioti multicellulari più complessi. Gli organismi sono costituiti di 4 tipi di carboidrati, acidi grassi e lipidi, aminoacidi e acidi nucleici.

Le cellule sono le unità costitutive degli organismi. Sono strutture delimitate da membrana plasmatica che trasformano le molecole ottenute dall'ambiente in nuove molecole biologiche. Esse estraggono dall'ambiente l'energia necessaria ai processi vitali. Contribuiscono al dinamismo dell'ambiente e determinano anche se le condizioni ambientali rimarranno favorevoli oppure no.

Gli organismi hanno un codice genetico che determina l'assemblaggio delle proteine. Tutti gli organismi hanno somiglianze nei principali geni e replicano questa informazione genetica durante la riproduzione, in modo tale da perpetuarla nelle generazioni successive.

Popolazioni ed evoluzione

Gli organismi formano le popolazioni che si evolvono nel tempo mediante cambiamenti di frequenza delle varianti genetiche. Gli organismi viventi autoregolano il proprio ambiente interno. Le popolazioni sono entità dinamiche che si evolvono nel tempo mediante mutazioni dette varianti genetiche.

Tutte le forme di vita hanno un antenato comune:

• La vita è comparsa dalla materia inanimata attraverso l'evoluzione chimica.
• L'ambiente della Terra primordiale ha portato ad associazione fisica casuale dei componenti chimici.
• Passaggio cruciale: comparsa di acidi nucleici e proteine. Gli acidi nucleici possono riprodursi e le proteine sono strutture complesse, stabili e molto variabili.
• La varietà ha consentito reazioni chimiche diverse con altre molecole.

Struttura cellulare

La struttura cellulare si è evoluta:

• Proteine complesse e altre molecole racchiuse da membrana hanno avuto un ruolo chiave: acidi grassi insolubili in acqua, l'aggregazione in pellicole membranose, agglomerati di molecole biologiche e una favorita organizzazione cellulare.

Ipotesi: la creazione di un ambiente separato, cioè isolato dall'ambiente esterno mediante la membrana, dove si concentravano reagenti e prodotti delle reazioni chimiche ha reso possibile alla cellula di organizzarsi fino a riprodursi.

Procarioti ed Eucarioti

Gli organismi che per primi hanno popolato la Terra sono stati i Procarioti, organismi unicellulari racchiusi da una membrana esterna. I Bacteria e gli Archea furono i primi. L'interazione stretta, detta interdipendenza, tra i procarioti ha portato allo sviluppo di Eucarioti, organismi le cui cellule hanno membrane esterna ed interna che racchiudono organuli specializzati. Il nucleo contiene il materiale genetico e il mitocondrio fornisce energia alla cellula eucariotica.

L'aggregazione permanente di cellule eucariotiche ha portato alla specializzazione cellulare. Questo fenomeno consentì lo sviluppo di eucarioti pluricellulari anche molto grandi ed efficienti nel raccogliere energia ed adattarsi.

Energia e metabolismo

Le cellule viventi trasformano l'energia che ricavano dall'ambiente per far funzionare la biochimica dei loro processi fondamentali (metabolismo). Inizialmente i procarioti primordiali inglobavano molecole dall'ambiente esterno e le scomponevano in atomi, liberando l'energia contenuta dei legami chimici.

2,5 miliardi di anni fa è comparsa sulla Terra la fotosintesi, che consente di trasformare l'energia solare in energia biologica che alimenta la sintesi di grandi molecole (scisse a loro volta per ottenere energia metabolica). La fotosintesi è la base di molte forme di vita odierne. Le prime cellule fotosintetiche furono simili ai procarioti attuali chiamati cianobatteri.

I procarioti fotosintetici, che avevano un metabolismo anaerobico, erano così abbondanti da produrre e rilasciare molto ossigeno gassoso. Si sono così sviluppati organismi che non solo tollerano ossigeno, ma che erano in grado di usarlo per estrarre energia dalle molecole nutritive: metabolismo aerobico. L'aumento drammatico di ossigeno nell'atmosfera, causato dall'azione dei procarioti fotosintetici, ha contribuito a formare lo strato di ozono e favorito la vita anche sulla terraferma.

Informazione biologica e genoma

L'informazione biologica è contenuta in un linguaggio genetico comune a tutti gli organismi: il genoma. È l'insieme di tutte le molecole di DNA contenute in ognuna delle cellule di un organismo. L'informazione che specifica lo schema progettuale di un organismo, che ne determina aspetto e funzionamento, è codificata dal suo genoma. Le molecole di DNA sono lunghe sequenze di 4 subunità differenti, i nucleotidi. L'ordine in cui i nucleotidi sono disposti nella molecola di DNA determina l'informazione genetica e con lo stesso ordine viene trasmesso alle generazioni successive.

I geni sono specifici segmenti di DNA che codificano l'informazione che la cellula utilizza per associare e assemblare specifici aminoacidi in una proteina. Le proteine sono tra i principali costituenti molecolari della cellula, ne regolano le reazioni chimiche e ne compongono buona parte della struttura.

Genetica e evoluzione

I nucleotidi possono essere considerati le lettere dell'alfabeto, mentre le proteine sono le frasi che compongono il testo. Le combinazioni di proteine sono i paragrafi, le reazioni e i processi i capitoli del libro ''organismo''. Tutte le cellule di un organismo pluricellulare contengono lo stesso genoma, ma ogni cellula può specializzarsi in maniera molto differente rispetto alle altre. Ogni cellula può esprimere parti diverse del proprio genoma. Il genoma di un organismo è costituito da migliaia di geni e viene replicato prima di ogni divisione cellulare. Ad ogni divisione ci possono essere errori: le mutazioni. Le mutazioni possono essere spontanee o indotte da fattori esterni. Le mutazioni sono di solito dannose, più raramente conferiscono vantaggi evolutivi all'organismo.

Popolazioni e selezione naturale

Una popolazione è un gruppo di individui dello stesso tipo di organismo (specie). L'evoluzione è il cambiamento nel corredo genetico delle popolazioni biologiche nel corso del tempo. Il fenomeno della selezione naturale risiede nelle differenze in termini di sopravvivenza e riproduzione che avvantaggiano alcuni individui rispetto ad altri (Charles Darwin). Poiché gli organismi con certi tratti sopravvivono e si riproducono al meglio in determinate condizioni, la selezione naturale porta al fenomeno dell'adattamento.

Divisione e ciclo cellulare

Per comprendere il meccanismo mediante il quale i processi genetici regolano il metabolismo cellulare e dell'intero organismo, è importante comprendere come le cellule replicano e tramandano il proprio genoma. Il ciclo e la divisione cellulare sono alla base della crescita, dello sviluppo e della riproduzione di ogni organismo.

Riproduzione sessuata e asessuata: la riproduzione asessuata si basa sulla divisione mitotica. La riproduzione sessuata si basa sulla fusione di due cellule aploidi (cellule sessuali o gameti) che produce una singola cellula diploide, lo zigote. La riproduzione sessuata produce organismi che non sono geneticamente identici ai genitori. I gameti contengono un solo set di cromosomi e il numero di cromosomi di un gamete è indicato con n. La cellula con corredo cromosomico n è detta aploide.

Negli organismi pluricellulari, le cellule somatiche non sono specializzate per la riproduzione e contengono due set di cromosomi, associati in coppie (cromosomi omologhi) e con corredo 2n. Le cellule con corredo cromosomico 2n sono definite diploidi. Alcuni organismi possono avere cellule con un numero n maggiore di due e in questo caso si parla di poliploidia. Ognuno dei livelli di poliploidia rappresenta un aumento nel numero del set di cromosomi. Organismi tetraploidi (4n) possono andare incontro a meiosi corretta, mentre individui triploidi (3n). Le cellule poliploidi tendono ad avere dimensioni più grandi. Gameti aploidi di due specie (A, B) formano uno zigote diploide:

Divisione cellulare

La divisione cellulare è un processo ciclico di crescita alla base della riproduzione asessuata. È costituita da mitosi (divisione del nucleo) e citodieresi (divisione del citoplasma). Gli organismi a riproduzione sessuale utilizzano la mitosi per accrescere/riparare i tessuti e la meiosi per produrre i gameti. La meiosi indica due divisioni in successione di un nucleo diploide che seguono ad un'unica duplicazione del DNA. La divisione cellulare è fondamentale per la riproduzione, l'accrescimento e la rigenerazione in tutti gli organismi.

La divisione cellulare dipende da quattro eventi:

• Segnale riproduttivo, interno o esterno, che dà inizio al processo di divisione cellulare.
• Replicazione del DNA.
• Segregazione del DNA con distribuzione ordinata del materiale genetico.
• Citodieresi.

Divisione cellulare procarioti

Rappresenta il meccanismo riproduttivo per i procarioti: scissione binaria.

• Segnale riproduttivo: fattori esterni (nutrienti).
• Replicazione DNA.
• Segregazione DNA: processo replicativo inizia dal centro e procede verso la periferia (processo attivo).
• Citodieresi: invaginazione membrana mediante anello di fibre.

Tipicamente il DNA batterico è costituito da una molecola di DNA circolare. Per la replicazione e segregazione del DNA batterico sono importanti le sequenze:

• Ori: sito di inizio della duplicazione della molecola di DNA e guida per la segregazione.
• Ter: sito di terminazione della duplicazione della molecola di DNA.

Divisione cellulare eucarioti

La cellula eucariotica si divide per mitosi o meiosi.

• Segnale riproduttivo: fattori interni o esterni.
• Replicazione DNA.
• Segregazione DNA, processo complesso (mitosi).
• Citodieresi: differente tra cellule vegetali (con parete cellulare) e cellule animali (no parete).

La divisione cellulare delle cellule eucariotiche è un processo complesso e rappresenta solo una parte del ciclo vitale della cellula. Il ciclo cellulare è il periodo tra una divisione cellulare e l'altra. È diviso in 2 fasi: mitosi/citodieresi e interfase. Durante quest'ultima il nucleo è ben visibile e la cellula svolge le sue funzioni metaboliche.

L'interfase è divisa in 3 sotto-fasi:

• Fase G1: ogni cromosoma è una singola molecola con proteine associate.
• Transizione G1-S: la cellula si prepara alla replicazione del DNA e alla divisione.
• Fase S: la cellula replica il proprio DNA; ogni cromosoma è formato da 2 cromatidi fratelli.
• Fase G2: la cellula si prepara alla mitosi, sintesi e assemblaggio delle strutture per mitosi.

La progressione del ciclo cellulare ed ogni singolo passaggio da una fase a quella successiva è regolato da proteine chinasi ciclina-dipendenti (CDK). Ci sono diversi complessi ciclina/CDK che agiscono come punti di controllo del ciclo cellulare (checkpoint).

Mitosi

Il cromosoma delle cellule eucariotiche è costituito da 2 lunghe molecole di DNA a doppia elica legate a proteine (DNA+proteine: cromatina). Il DNA eucariotico è impacchettato da proteine cariche positivamente, dette istoni (DNA+istoni: nucleosoma).

Interfase: DNA meno compatto (singola molecola accessibile).

Profase: la cromatina si condensa, i cromatidi sono visibili al microscopio ottico.

Prometafase: la membrana nucleare si dissolve e i cromatidi si legano al fuso.

Metafase: i cromosomi sono allineati al centro della cellula.

Anafase: i cromatidi si allontanano verso i poli opposti della cellula.

Telofase: nuova membrana nucleare, nucleoli, cromosomi meno compatti.

La mitosi segrega copie di DNA:

• Fuso mitotico costituito da microtubuli, si forma durante la profase.
• Centrosoma costituito da centrioli e determina, con la posizione, il piano di divisione cellulare.
• Cinetocore, struttura centromerico, si forma durante la profase e guida il movimento dei cromosomi.

La separazione dei cromatidi è un processo che avviene durante l'anafase ed è regolato dal complesso ''ciclina fase M/CDK'' o complesso promotore dell'anafase. I cromatidi hanno un centromero in comune. I cromosomi invece hanno il proprio centromero.

Meiosi

È il processo di divisione cellulare fondamentale per la riproduzione sessuata di molti eucarioti.

• Gameti: la meiosi produce gameti, cellule aploidi che, dopo fecondazione, producono cellule ed organismi diploidi.
• Variabilità genetica: durante la meiosi vengono accoppiati casualmente cromosomi dei gameti femminili e maschili producendo un rimescolamento genetico.
• Avvengono 2 divisioni cellulari e 1 replicazione del DNA.

Durante la meiosi, la cellula divide una volta il DNA e due volte il citoplasma: 1 cellula diploide (2n) → 4 cellule aploidi (n).

Durante la meiosi 1 i cromosomi omologhi migrano verso i due poli della cellula. Durante la meiosi 1 i cromosomi si scambiano materiale genetico:

• Aderiscono tra loro (sinapsi) formando una tetrade.
• Si formano giunzioni di coesina. In profase si formano strutture a X chiamate chiasmi (scambio di materiale genetico tra cromatidi non fratelli).
• I cromosomi cominciano a scambiarsi materiale genetico dopo la sinapsi.
• Il crossing over produce cromatidi ricombinati e aumenta la variabilità genetica dei prodotti della meiosi.

Meccanismi di variabilità genetica

Il crossing over non è l'unico meccanismo di variabilità genetica.

• I cromosomi, durante la Metafase 1 e l'Anafase 1, si appaiano (tetrade+chiasma+crossing over) e si dividono casualmente tra le due cellule figlie (assortimento indipendente).
• Più è alto il numero dei cromosomi di una cellula, meno sarà probabile che la combinazione iniziale di un genitore venga ristabilita.

Errori nella meiosi

Errori nella meiosi portano a patologie genetiche:

• Quando nella meiosi 1 una coppia di cromosomi, o nella meiosi 2 una coppia di cromatidi, non si separano o migrano allo stesso polo si ha una non disgiunzione.
• Si formano cellule aneuploidi (mancanza o eccesso di uno o più cromosomi). L'aneuploidia è spesso letale, solo in pochi casi compatibile con la vita.
• Trisomie e monodosie (deficit di un cromosoma) sono molto frequenti (fino al 30% dei concepimenti) ma letali nella maggior parte dei casi.
• Sindrome di Down: trisomia del cromosoma 21 (una copia in più). Può anche essere causata da traslocazione: frammento di cromosoma che si stacca dal cromosoma originale e si inserisce su un altro cromosoma.

Caratterizzazione dei cromosomi

Quando le cellule sono in metafase mitotica, si può contare e caratterizzare il numero dei cromosomi. Il numero, la forma e le dimensioni dei cromosomi di una cellula costituiscono il cariotipo.

Ereditarietà mendeliana

Il concetto di trasmissione dei caratteri ereditari cominciò ad essere formulato nel XIX secolo:

• Ereditarietà per rimescolamento: determinanti ereditari (geni) si rimescolano durante la fecondazione dei gameti perdendo la loro individualità.
• Ereditarietà particellare: ogni determinante ereditario ha una natura fisicamente distinta da ogni altro che rimane intatta durante la fecondazione dei gameti.

Gregor Mendel

Gregor Mendel: monaco e scienziato austriaco, applicò il metodo scientifico per confutare le due teorie. Modello sperimentale semplice e misurabile:

• Identificazione del carattere, forma del seme, colore del seme, del fiore e del baccello.
• Coltivazione: semplice e ciclo vitale rapido, facile misura della frequenza del carattere.
• Riproduzione: manipolabile, incroci controllati.

Generazione parentale (P): piante donatrici e ricettrici del polline.

Prima generazione filiale (F1): progenie dell'incrocio di piante P.

Seconda generazione filiale (F2): progenie dell'incrocia di piante F1.

Incrocio monoibrido: ''ibrido'' fa riferimento alla progenie di incroci tra organismi che differiscono per uno o più caratteri.

Carattere dominante: sempre visibile in ogni generazione successiva.

Carattere recessivo: visibile solo in 1/4 della progenie e non in tutte le generazioni.

Analisi incroci monoibridi

Mendel osserva che da questi incroci vi sono... (continua)