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Genetica

Cos’è un gene

Un gene è l'unità fisica e funzionale dell'eredità, che trasporta l'informazione da una generazione alla successiva. In termini "molecolari" è l'intera sequenza di DNA (inclusi esoni, introni e regioni di controllo trascrizionale non codificanti) necessaria alla produzione di una proteina funzionante o di RNA.

Le sequenze codificanti della maggior parte dei geni dei vertebrati sono suddivise in segmenti (esoni) che sono separati da sequenze non codificanti interposte (introni). La trascrizione consiste nella produzione di una sequenza di RNA complementare all'intero gene, comprendente sia gli esoni che gli introni. Solitamente però il trascritto di RNA va incontro allo splicing, una serie di reazioni maturative in seguito alle quali i segmenti di RNA intronico vengono ritagliati ed eliminati, e i segmenti di RNA esonico vengno saldati tra loro, dando origine ad un prodotto di RNA più corto.

Lo splicing alternativo

Molti geni umani vengono sottoposti a splicing alternativo, mediante il quale durante la maturazione dell’mRNA si creano differenti combinazioni di esoni, che danno luogo a prodotti diversi dello stesso gene. Tale splicing può alterare le proprietà funzionali di una proteina (creare isoforme tessuto-specifiche, isoforme solubili e legate alla membrana, creare una collocazione intracellulare alternativa o creare alterazioni funzionali).

Sono generalmente riconosciute cinque modalità di splicing alternativo.

• Salto dell'esone: in questo caso un esone può essere eliminato dal trascritto primario. Questa è la modalità più comune di splicing nel pre-mRNA dei mammiferi.
• Esone mutuamente esclusivo: solo uno di due esoni viene mantenuto nell'mRNA maturo, non entrambi.
• Sito di taglio alternativo 5': viene usato un sito di taglio al 5' alternativo, cambiando l'estremità 3' dell'esone a monte.
• Sito di taglio alternativo 3': viene usato un sito di taglio al 3' alternativo, cambiando l'estremità 5' dell'esone a valle.
• Introne trattenuto: i siti di taglio di un introne possono non essere riconosciuti. In questo caso l'introne non viene eliminato dal trascritto di mRNA. La differenza con il salto dell'esone sta nel fatto che la sequenza trattenuta non è fiancheggiata da introni. Se l'introne trattenuto si trova nella regione codificante, esso non deve alterare la cornice di lettura degli esoni. Se avviene il cambiamento di quest'ultima, esso potrebbe generare una proteina tronca o non funzionale.

La ploidia ed il contenuto genetico delle cellule

La maggior parte delle cellule di un essere umano è diploide. Esse contengono cioè due copie del genoma umano. Il contenuto del DNA delle cellule diploidi è pari a 46 cromosomi. Le cellule diploidi del nostro corpo derivano, in seguito a cicli ripetuti di divisioni mitotiche, da un singolo ovulo fecondato. Un gruppo di cellule diploidi costituisce la linea germinale da cui derivano cellule diploidi specializzate dell’ovaio e del testicolo che possono dividersi tramite meiosi, producendo gameti aploidi (cellule uovo e spermatozoi).

Nell’uomo ciascun gamete contiene 22 autosomi più un cromosoma sessuale. Nelle cellule uovo il cromosoma sessuale è sempre un X, mentre negli spermatozoi può essere un X o un Y. Dopo fecondazione, lo zigote è diploide (2n) con assetto cromosomico 46,XX o 46,XY. Le altre cellule del corpo, ad esclusione di quelle della linea germinale, vengono chiamate cellule somatiche (non tramandano le informazioni alla progenie) che sono per lo più diploidi; esistono tuttavia cellule nulliploidi: eritrociti, piastine per es (privi di nucleo) o poliploidi (v. megacariociti giganti del midollo osseo).

Inattivazione dell’X e il corpo di Barr

Nelle fasi precoci dello zigote femminile, entrambi i cromosomi X sono attivi, ma nel periodo in cui inizia lo sviluppo embrionale in ciascuna cellula viene fatta una scelta casuale che inattiva il cromosoma X di origine materna o quello di origine paterna. Il cromosoma Y infatti, contiene pochissimi geni, per lo più che intervengono nello sviluppo sessuale maschile, mentre il cromosoma X contiene molti geni che svolgono ruoli vitali in entrambi i sessi. Perciò interviene un meccanismo di compensazione di dose che assicura il normale funzionamento delle cellule sia con uno che con due cromosomi X.

I mammiferi ottengono la compensazione di dose per il cromosoma X attraverso il meccanismo di inattivazione dell’X (olyonizzazione). In questo modo, indipendentemente dal numero di cromosomi X presenti nel cariotipo, in ogni cellula ci sarà soltanto un unico gruppo attivo di geni localizzati sul cromosoma X. I maschi sono costituzionalmente emizigoti per i geni sul cromosoma X (hanno cioè una sola copia di ciascun gene), mentre le femmine diventano funzionalmente emizigoti: per ciascun gene esse posseggono una sola copia funzionante.

A divisione cellulare ultimata di una cellula femminile, l’X inattivo rimane condensato, mentre gli altri cromosomi de condensano e riacquistano attività trascrizionale. In alcune cellule l’X inattivo è visibile come corpo di Barr vicino alla membrana del nucleo interfasico. Il cromosoma X inattivo viene riattivato negli oociti poco prima della mitosi.

I cromosomi: struttura e funzione

Nella cellula, la struttura di ciascun cromosoma è accuratamente regolata. Anche nel nucleo interfasico, la doppia elica di DNA larga 2 nm è soggetta ad almeno due livelli di avvolgimento:

• La prima unità di impaccamento è il nucleosoma, che consiste in un complesso centrale di 8 istoni, piccole proteine basiche, molto conservate. Ogni complesso è costituito da due molecole di ciascuno degli istoni H2A, H2B, H3 e H4, attorno ai quali si avvolge un DNA a doppio filamento. I nucleosomi adiacenti sono connessi da un corto segmento di DNA spaziatore. Più nucleosomi formano un “filo di perle” di ca 10 nm.
• I nucleosomi si avvolgono in una fibra cromatinica di diametro 30 nm. Il cromosoma interfasico è costituito da queste fibre cromatiniche organizzate in lunghe anse.

Le anse della fibra di cromatina sono attaccate ad un’impalcatura centrale. Questa è formata da proteine acide non istoniche, in particolare la topo isomerasi II, enzima in grado di permettere lo srotolamento dei due filamenti di ciascuna doppia elica di DNA. Il complesso di anse e impalcatura del cromatidio viene poi ulteriormente compattato determinando la struttura del cromosoma metafasico.

Ciascun cromosoma normale possiede:

• Un centromero: regione in cui i due cromatidi fratelli risultano associati tra loro. Il centromero è essenziale per la segregazione durante la divisione cellulare. La loro funzione è quella infatti di essere un sito di aggancio dei microtubuli del fuso che si forma durante la divisione cellulare.
• Origine di replicazione: particolare sequenza di DNA presso cui viene iniziata la replicazione del DNA.
• I telomeri: strutture specializzate costituite da DNA e proteine che racchiudono i cromosomi eucariotici. Hanno diverse funzioni: mantengono l’integrità strutturale del cromosoma, assicurano la replicazione completa delle porzioni terminali delle estremità cromosomiche e contribuiscono alla collocazione dei cromosomi nel nucleo. I telomeri consistono in una lunga sequenza di unità ripetute in tandem, sequenza altamente conservata durante l’evoluzione.

Nel nucleo interfasico, la più parte della cromatina (eucromatina) si trova in uno stato non condensato, è distribuita in quasi tutto il nucleo. Una parte della cromatina però rimane molto condensata per tutto il ciclo cellulare ed questo tipo di cromatina è chiamata eterocromatina. I geni localizzati nell’eterocromatina non vengono mai espressi. Esistono due classi di eterocromatina: quella costitutiva (si trova sempre in uno stato inattivo ed è costituita da sequenze di DNA ripetitivo localizzate dentro e intorno ai centromeri e in altre particolari regioni) e quella facoltativa (può trovarsi in una forma geneticamente attiva –decondensata- o in forma inattiva e condensata).

Anomalie cromosomiche

Un’anomalia cromosomica può riscontrarsi in tutte le cellule del corpo (anomalia costituzionale) o solo in certe cellule o tessuti (anomalie somatiche o acquisite). Le prime sono presenti fin dalle primissime fasi dello sviluppo e probabilmente derivano da uno spermatozoo o da una cellula uovo anomali oppure da una fecondazione anomala. Al contrario, un individuo con un’anomalia somatica è un mosaico (costituito cioè dalla coesistenza di due o più linee cellulari geneticamente distinte nello stesso individuo).

Le anomalie cromosomiche rientrano in due grandi categorie:

• Anomalie numeriche:
  • Poliploidia: può verificarsi in seguito alla fecondazione di un uovo da parte di due spermatozoi (triploidia), al non completamento della I divisione zigotica (tetraploidia) etc.
  • Aneuploida: presenza di uno o più cromosomi in eccesso o in difetto rispetto ad un assetto cromosomico normale. Può essere una trisomia (3 copie di un particolare cromosoma), monosomia, nullisomia. Le cellule aneuploidi sono prodotte principalmente da due meccanismi: la non-disgiunzione (l’incapacità dei cromosomi appaiati di separarsi durante l’anafase delle meiosi I, o dei cromatidi fratelli durante la mitosi o la meiosi II) e il ritardo anafasico (mancata incorporazione di un cromosoma o di un cromatidio in uno dei nuclei delle cellule figlie dopo la divisione cellulare a causa della ritardata migrazione del cromosoma durante l’anafase).
  • Mixoploidia: si verifica come risultato del mosaicismo o del chimerismo (risultato della fusione di due zigoti in un unico embrione o della colonizzazione limitata di un gemello da parte di cellule di un altro gemello non identico).
• Anomalie strutturali, le principali sono:
  • Delezione: perdita di una parte terminale (più frequente) o interstiziale del cromosoma. Per la prima è necessaria infatti una sola mutazione, per la delezione interstiziale invece più di uno. La delezione comporta sempre anomalie del fenotipo.
  • Duplicazione di un segmento: può essere dovuto ad un crossing-over ineguale tra due cromosomi omologhi, ad un’inserzione intercromatidica di un segmento tra due cromatidi fratelli. La duplicazione di un segmento di un autosoma comporta trisomia parziale per quel cromosoma a cui conseguono sempre anomalie del fenotipo.
  • Inversione: è la rottura di una parte di cromosoma con rotazione di 180° del segmento compreso tra i punti di rottura e ricongiungimento dei suoi estremi al resto del cromosoma. Può essere pericentrica (quando si hanno due rotture e successiva rotazione di 180°, una sul braccio corto e l’altra sul braccio lungo di uno stesso cromosoma) o paracentrica (quando si hanno due rotture e successiva rotazione di 180° di un tratto di cromosoma compreso su un solo braccio e quindi il centromero non è pertanto mai compreso nel tratto invertito).
  • Inserzione: inserimento di un segmento di cromosoma, terminale o interstiziale, nel contesto dello stesso o di un altro cromosoma. Può essere diretta o inversa a seconda che il segmento inserito conservi o meno, rispetto al centromero, l’orientamento originale.
  • Traslocazione: si differenziano dalle inserzioni perché il frammento si trasferisce da un cromosoma alla estremità terminale dell’altro. La traslocazione può essere reciproca: questa consiste nel riarrangiamento strutturale di sue cromosomi della stessa coppia o di coppie diverse, con trasferimento reciproco di una parte dell’uno sull’altro cromosoma. Quando il riarrangiamento coinvolge due acrocentrici con fusione dei centromeri, la traslocazione viene definita robertsoniana.
  • Fissione centrica: origina quando in anafase la separazione dei cromatidi avviene su un piano trasversale anziché longitudinale.

Altre anomalie strutturali sono i cromosomi dicentrici, pseudocentrici, l’isocromosoma ed il cromosoma ad anello.

Genetica mendeliana

I caratteri genetici più semplici sono quelli la cui presenza o assenza dipende dal genotipo (all'insieme di tutti i geni che compongono il DNA, diverso da fenotipo che è invece l'insieme dei caratteri osservabili) di un singolo locus (che designa la posizione di un gene o di un'altra sequenza significativa all'interno di un cromosoma). I caratteri genetici più semplici la cui presenza o assenza dipende dal genotipo di un singolo locus sono detti mendeliani e dipendono dalla forma allelica in cui si trova il gene a essi associato; questi hanno fenotipi ben distinguibili e seguono una relazione di dominanza o recessività. La loro trasmissione attraverso le generazioni può essere descritta dallo schema ereditario formulato dalle leggi di Mendel.

Un carattere è detto dominante se si manifesta in eterozigosi e recessivo se ciò non succede. I caratteri mendeliani possono essere ereditati nelle famiglie secondo 5 schemi tipici:

• Eredità autosomica dominante,
• Eredità autosomica recessiva,
• Eredità recessiva legata all’X,
• Eredità dominante legata all’X,
• Eredità legata all’Y.

Con i caratteri dominanti il difetto di penetranza è una complicanza frequente. La penetranza di un carattere, per un dato genotipo, è la probabilità che una persona con quel genotipo manifesti il carattere. Per definizione, un carattere dominante si manifesta nell’eterozigote e ha perciò una penetranza del 100%. Ciò nonostante molti caratteri umani, anche se generalmente mostrano un’ereditarietà dominante, occasionalmente saltano una generazione (questo è un difetto di penetranza). Molto spesso la presenza o l’assenza di un carattere dipendono principalmente dal genotipo di un locus, ma anche da un particolare contesto genetico, abitudini di vita (epigenetica).

Imprinting

Certi caratteri umani autosomici dominanti vengono veicolati da entrambi i genitori, ma si manifestano solo quando sono trasmessi dal genitore di un particolare sesso. Questi effetti associati al sesso del genitore che trasmette il carattere sono la prova dell’imprinting, fenomeno mediante il quale l’espressione di alcuni geni dipende da un tratto di genoma che proviene solo dal genitore maschio o solo dal genitore femmina.

Perché un gene possa esprimere correttamente un fenotipo normale, è necessario che le due copie del gene (alleli) siano una di origine paterna e una materna.