Riassunto esame Genetica, prof. Tanzarella, libro consigliato Genetica di Russell

Introduzione alla genetica

I genetisti, coloro che studiano i processi genici, sono soliti suddividere la genetica in tre branche:

• Genetica della trasmissione dei caratteri (la genetica classica).
• Genetica molecolare, studia la struttura ed il funzionamento dei geni a livello molecolare.
• Genetica di popolazione, studia la distribuzione ed il comportamento dei geni nelle popolazioni (es. la frequenza di un allele – vedi avanti - che causa una certa malattia).

Per far sì che uno studio, che sia di genetica o di qualsiasi altra materia, sia accettato dalla comunità scientifica, è necessario seguire un metodo di indagine ipotetico-deduttivo: a partire dall’osservazione del fatto, si formula l’ipotesi, si conducono degli esperimenti in base all’ipotesi fatta, quindi si verifica attraverso un saggio se la legge possa essere universalmente riconosciuta.

La ricerca: di base o applicata

La ricerca, in generale, può essere di base o applicata:

• Ricerca di base: gli esperimenti sono condotti allo scopo di aumentare le conoscenze su fenomeni fondamentali.
• Ricerca applicata: gli esperimenti hanno lo scopo di far superare problemi o sfruttare delle scoperte.

Le caratteristiche degli organismi usati per la ricerca genetica

Per poter eseguire uno studio di genetica, è necessario che l’organismo al quale si fa riferimento mostri delle specifiche caratteristiche:

• Deve esistere variabilità genetica tra gli individui della popolazione considerata, altrimenti sarebbe impossibile studiarne l’ereditarietà dei caratteri.
• Bisogna conoscerne la storia genetica, ossia i progenitori e la loro origine.
• Deve avere ciclo vitale breve, per ottenere numerose generazioni in un tempo breve (es. Drosophila melanogaster ha un ciclo di 10-14 giorni).
• La progenie deve essere numerosa, perché molte indagini necessitano un ampio numero di individui.
• L’organismo deve essere facile da manipolare e gestire sperimentalmente.

Sono stati utilizzati, per gli studi di genetica, eucarioti, procarioti e virus. Innanzitutto, è bene sottolineare le principali differenze fra procarioti ed eucarioti:

Gran parte della ricerca che si basa sugli eucarioti utilizza i sei seguenti organismi: il lievito di birra (Saccharomyces cerevisiae), il moscerino della frutta (Drosophila melanogaster), il nematode Caenorhabditis elegans, la brassicacea Arabidoptis thaliana, il topo (Mus musculus) e l’uomo (Homo sapiens).

Storicamente, altri sette organismi hanno fatto la storia della genetica: la muffa rosa del pane (Neurospora crassa), i protozoi Tetrahymena e Paramecium, l’alga azzurra Chlamydomonas reinhardtii, il pisello (Pisum sativum), il mais (Zea mays) ed il pollo (Gallus).

L’uomo non soddisfa le tipiche caratteristiche di un organismo adatto a studi di genetica, ma ovviamente siamo interessati al suo studio e quindi viene usato spesso.

Per quanto riguarda invece i procarioti, essi si dividono in batteri (che si trovano comunemente al seguito degli organismi viventi) ed archeobatteri (che vivono in condizioni di vita molto particolari). I procarioti studiati dai genetisti appartengono al gruppo dei batteri, in particolare viene osservato Escherichia coli, un batterio a forma di bastoncello che si trova comunemente nell’intestino umano.

Introduzione alla storia della genetica

Il DNA (acido desossiribonucleico) è il materiale genetico di tutti gli organismi viventi: eucarioti, procarioti e virus. Alcuni virus utilizzano l’RNA (acido ribonucleico).

Negli eucarioti il DNA è contenuto nel nucleo, complessato con proteine in modo da organizzarsi in cromosomi (dal greco corpo colorato, perché sono visibili al microscopio ottico solo dopo essere stati colorati). Ogni cromosoma contiene parte di un’intera molecola di DNA e, nel nucleo, ci sono due copie di ogni cromosoma. Nei procarioti, invece, il DNA è organizzato in un unico cromosoma circolare. Anche i mitocondri ed i cloroplasti contengono un proprio DNA, organizzato allo stesso modo che nei procarioti. Questo materiale genetico deve essere trasmesso da una generazione a quella successiva. Gregorio Mendel, il padre della genetica moderna, fu il primo ad averne l’intuizione.

Egli studiò, fra il 1856 ed il 1863, il sistema di trasmissione dei caratteri di alcune piante di pisello. Osservando la progenie di queste piante per varie generazioni, fu in grado di descrivere le leggi della trasmissione genetica che sono usate ancora oggi. I risultati dei suoi studi furono riconosciuti solo nel 1884, due decenni dopo la sua morte. All’inizio del 1900, Walter Sutton e Theodor Boveri proposero la teoria cromosomica dell’ereditarietà, per cui i geni sono localizzati sui cromosomi, responsabili della loro segregazione.

A partire dall’elaborazione della teoria, gli studiosi si sono sforzati di costruire quante più possibili mappe geniche dei cromosomi: esse indicano la posizione esatta di certi geni sul cromosoma.

La scoperta del passaggio genotipo fenotipo

Il genotipo di un organismo indica la sua costituzione genetica completa. Il fenotipo è invece costituito da tutti gli attributi misurabili (o visibili) di un organismo. Si può usare questo termine anche per indicare gli attributi di un singolo carattere. Il fenotipo non dipende esclusivamente dal genotipo, come possiamo vedere in due gemelli non perfettamente identici, ma dipende dalla regolazione dell’attività genica anche in funzione dell’ambiente esterno.

La via che porta dal genotipo al fenotipo è molto complessa. La sua scoperta è stata lenta e caratterizzata da numerose tappe. Nel 1941, George Beadle e Edward Tatum, lavorando su Neurospora crassa, osservarono che esisteva una stretta correlazione fra geni ed enzimi. Essi dimostrarono che ogni passaggio delle vie biochimiche che necessitava un enzima che era codificato da geni, per cui proposero l’ipotesi un gene un enzima, che fu successivamente modificata in un gene un polipeptide (una proteina).

Nel 1953, James Watson e Francis Crick proposero il modello a doppia elica del DNA, descrivendolo come formato da due catene che si avvolgono ad elica una sull’altra. A partire da questa scoperta, numerose altre seguirono a ruota: il meccanismo di replicazione del DNA, i geni coinvolti nel processo, la struttura molecolare dei geni (sequenze di nucleotidi appaiati del DNA).

Per diventare proteine, tutti i geni vengono trascritti in molecole di RNA: durante questa fase, i due filamenti si separano localmente e l’RNA polimerasi sintetizza una molecola di RNA usando come stampo il DNA aperto. Mentre il processo di scrittura del nuovo RNA viene chiamato trascrizione, il passaggio dall’RNA alla proteina viene chiamato traduzione ed avviene sui ribosomi, complessi formati da specifici RNA e proteine.

DNA ricombinante

Tutto il sistema della ricerca genetica ha subito un fortissimo sviluppo nel 1972, quando Paul Berg costruì in vitro la prima molecola di DNA ricombinante, cioè un DNA che, in seguito a manipolazione, risulta avere una composizione genica differente da quella di partenza.

La costruzione di un tale tipo di DNA è possibile grazie all’uso di enzimi di restrizione e vettori di clonazione. Un enzima di restrizione agisce tagliando i due filamenti di DNA in corrispondenza di coppie nucleotidiche specifiche. A scelta, il taglio può avvenire verticalmente o diagonalmente, in modo simmetrico. In quest’ultimo caso, i frammenti di DNA vengono anche detti sticky ends, estremità adesive, perché possono aderire con altri frammenti tagliati dal medesimo enzima di restrizione, grazie all’appaiamento tra di specifici filamenti a singola elica che sporgono alle estremità. Quando si uniscono con questo sistema dei frammenti provenienti da molecola di DNA differenti, si forma un DNA ricombinante.

Un vettore di clonazione è una molecola di DNA circolare capace di replicarsi in un organismo ospite e nel quale il frammento di DNA da studiare può essere inserito in una posizione nota. Ovviamente, la molecola in cui viene inserito il DNA deve avere tutte le caratteristiche tipiche di un organismo che può essere usato per studi genetici, soprattutto la velocità di riproduzione: tanto più velocemente si riproduce, tante più copie del frammento di DNA in questione si hanno a disposizione.

Quindi, la procedura per clonare un gene è questa: si taglia il DNA dell’organismo da studiare e quello del vettore (in genere un batterio) con uno stesso enzima di restrizione, si uniscono i frammenti che quindi si appaiano, si fa riprodurre l’individuo. Questa tecnica viene effettuata per studiare quei geni di cui abbiamo scarsa disponibilità, per cui studiarli al naturale sarebbe un’impresa impossibile.

L’uso del DNA ricombinante può essere esteso all’ingegneria genetica: si può infatti inserire un gene proveniente da un organismo in un altro, in modo che diventi, ad esempio, resistente agli insetti.

Meccanismi di segregazione e analisi genetica

La genetica mendeliana

Le caratteristiche di un individuo trasmesse da una generazione all’altra sono definite caratteristiche ereditarie, o caratteri nei termini di Mendel, e sono sotto il controllo di parti di DNA dette geni (o fattori di Mendel). La costituzione genetica di un individuo ne rappresenta il genotipo, mentre le sue caratteristiche misurabili, determinate dal genotipo in relazione all’ambiente, rappresentano il fenotipo. In particolare, influenzano il fenotipo l’alimentazione e gli ormoni. Comunque, individui appartenenti a specie con genotipo differente possono mostrare un fenotipo estremamente simile e viceversa.

Il piano sperimentale di Mendel

Gregor Johann Mendel nacque nel 1822 in Moravia. Divenne prete presso il Monastero Agostiniano di Brunn, in Austria. Studiò varie scienze e la matematica, che insegnò poi nel monastero. Nel 1856 iniziò i suoi esperimenti utilizzando il pisello da orto (Pisum sativum), le cui piante mostravano spesso fenotipi palesemente differenti. Nel 1863 pubblicò i suoi studi, ma non ebbe successo. La sua genialità fu riconosciuta solo nel 1884, parecchi anni dopo la sua morte. Il pisello è una pianta autofecondante, gli stami (organi maschili) producono del polline che va a fecondare il pistillo (organo femminile) della stessa pianta.

Evitare l’autofecondazione è facile, perché basta rimuovere gli stami in una pianta, lasciando solo le strutture femminili, mentre nell’altra si raccoglie il polline e, con questo, si feconda la prima. Il termine fecondazione incrociata o più semplicemente incrocio indica proprio la fusione dei gameti maschili di una pianta con quelli femminili di un’altra. Dopo la fecondazione crescono i semi (piselli), che vengono piantati ed osservati. Mendel utilizzò 34 piante di pisello che differivano per vari caratteri e le lasciò autofecondare per varie generazioni in modo da ottenere delle piante con progenitori noti, ossia delle linee pure. Quindi, scelse sette caratteri da osservare, tali che le due varietà fossero ben distinguibili:

• Colore del fiore (porpora o bianco) e del rivestimento del seme (grigio o bianco), entrambi regolati da un unico gene.
• Colore del seme (giallo o verde).
• Forma del seme (liscio o rugoso).
• Colore del baccello (verde o giallo).
• Forma del baccello (pieno o irregolare).
• Lunghezza dello stelo (lungo o corto).
• Posizione del fiore (assiale o terminale).

Incroci di monoibridi e il principio mendeliano della segregazione

Per rendere più chiare le cose, negli esperimenti di incrocio viene utilizzata una terminologia specifica. La generazione parentale è detta generazione P e la sua progenie diretta è la prima generazione filiale o F₁. La successiva generazione, prodotta dall’incrocio di individui F₁, è definita generazione F₂, e via con F₃, F₄...

Per prima cosa, Mendel effettuò degli incroci fra monoibridi, incroci tra linee pure che differivano per un solo carattere. Incrociando una femmina a semi lisci ed un maschio a semi rugosi, si otteneva una F₁ tutta a semi lisci: fenomeni di questo tipo vengono spiegati secondo il principio dell’uniformità dell’F₁. Stesso risultato si ottenne quando i genitori furono scambiati, per cui era il maschio ad avere i semi lisci. Incroci in cui si scambiano i genitori vengono detti incroci reciproci. Mendel piantò i semi ottenuti e lasciò autofecondare le piante, producendo semi F₂. In questa seconda generazione comparvero semi sia lisci che rugosi, con un rapporto 3:1.

Incuriosito, tentò con le altre sei paia di caratteri, ottenendo grossomodo le stesse proporzioni di risultati. In pratica, un carattere scompariva nella F₁ e ricompariva nella F₂ con una proporzionalità fissa. Mendel concluse che la generazione F₁ non era più una linea pura e dedusse che i caratteri alternativi (liscio o rugoso) erano determinati da fattori particellari (i nostri geni). Pensò che ogni fattore esistesse in due forme alternative (gli alleli), ma che una linea pura dovesse contenere una coppia di fattori con identiche forme alternative (par cui è omozigote per quel gene).

Invece, una linea non pura come la generazione F₁ doveva contenere una coppia di fattori con forme alternative differenti (è eterozigote per quel gene), anche se una di queste veniva mascherata nel fenotipo. L’allele che maschera l’altro viene detto dominante, mentre quello che viene mascherato è recessivo. Per convenzione, un allele dominante si indica con la lettera maiuscola, mentre quello recessivo con la minuscola. In questo caso, usiamo la lettera S per indicare il seme liscio, ed s per indicare quello rugoso.

A questo punto, è possibile rianalizzare il procedimento in modo più analitico: dato che ogni genitore appartiene ad una linea pura ed è diploide, avrà due copie dello stesso allele, ovviamente poste su cromosomi diversi in uno specifico locus genico (un sito specifico nel cromosoma). Di conseguenza, ha un genotipo omozigote SS oppure ss. La meiosi produce dei gameti che contengono una sola copia di ogni gene, in quanto ogni gamete possiede un cromosoma di ogni tipo quindi una copia di ogni allele: la linea pura a semi lisci produrrà gameti S e viceversa quella a semi rugosi li produrrà s.

Per dar vita alla generazione F₁, Mendel ha incrociato il genotipo SS con quello ss, ottenendo un genotipo Ss (eterozigote). Il fenotipo mostrerà tutti semi lisci (carattere dominante). I gameti prodotti dalla generazione F₁ mostrano, in uguale proporzione, la presenza di alleli S ed s, ossia due gameti S e due s. La determinazione del genotipo della generazione F₂ è data incrociando i gameti nel quadrato di Punnett. Si ottengono tre tipi di genotipi: SS, Ss ed ss, in proporzione relativa 1:2:1. Nei primi due casi, però, il fenotipo mostrerà semi lisci: la proporzione tra semi lisci e rugosi nel fenotipo è 3:1.

Il principio della segregazione: prima legge di Mendel

La prima legge di Mendel è il principio della segregazione, che stabilisce che i due membri di una coppia genica (alleli) segregano (si separano) uno dall’altro durante la formazione dei gameti. Come risultato, metà dei gameti porta un allele e metà porta l’altro, per cui ogni gamete porta un solo allele di ogni gene. In pratica, Mendel aveva anticipato senza saperlo la scoperta della separazione dei cromosomi omologhi durante l’anafase I della meiosi.

Lo schema ramificato per prevedere gli incroci

Sebbene il quadrato di Punnett sembri un sistema molto semplice per prevedere il genotipo delle varie generazioni, delle volte risulta difficile determinarlo con precisione. Per questo si usa lo schema ramificato. Per riuscire a comprenderlo, è necessario introdurre alcuni principi del calcolo delle probabilità.

La probabilità è il rapporto fra il numero di volte in cui ci si aspetta che si verifichi un dato evento, e il numero di eventi possibili. Ad esempio, la probabilità di pescare una carta di cuori in un mazzo di 52 carte è 13/52 = 1/4, ossia una volta su quattro. Le regole più importanti per calcolare le probabilità sono due:

• Regola del prodotto: la probabilità di due eventi indipendenti che si verificano contemporaneamente è il prodotto delle singole probabilità. Ad esempio, la probabilità che entrambi i figli di una famiglia con due figli siano femmine è 1/4. Infatti, la probabilità che un individuo nasca maschio o femmina è 1/2 ed il sesso di un figlio è indipendente dal sesso dell'altro.