Appunti completi di genetica, genetica molecolare e genetica di popolazione

Corso di genetica

Classificazione della materia di studio

La genetica si divide in genetica formale (o citogenetica), genetica molecolare (o epigenetica), genetica di popolazione (o genetica evoluzionistica).

• Genetica formale: la genetica formale studia i processi di divisione cellulare: la mitosi e la meiosi, la genetica mendeliana e le sue estensioni, le basi cromosomiche dell’eredità, la costruzione di alberi genealogici e dei modelli di eredità mendeliana, la struttura dei cromosomi e le mutazioni cromosomiche ed eredità non mendeliana.
• Genetica molecolare: la genetica molecolare si occupa di studiare il DNA, la sua struttura e la replicazione, l’RNA e i processi di trascrizione e traduzione, le mutazioni genetiche e i meccanismi epigenetici.
• Genetica di popolazione: la genetica di popolazione studia le forze evolutive e le teorie evoluzionistiche.

Introduzione al corso

All’interno di una cellula sono presenti tre strutture principali importantissime per noi:

• I centrioli, importantissimi per la formazione dei microtubuli che formano il fuso mitotico;
• Il nucleo, che contiene il materiale genetico sotto forma di cromosomi;
• I mitocondri, importanti in quanto contengono DNA extranucleare.

In ogni organismo le cellule si distinguono in somatiche e germinali detti anche gameti; tutti gli animali sono organismi diploidi ossia possiedono all’interno di ogni cellula somatica che li costituisce, due corredi cromosomici, uno ereditato dal padre e uno dalla madre; nelle cellule germinali o gameti non è così in quanto i gameti si fondono con il gamete dell’altro genitore, si dice infatti che sono aploidi. Normalmente quasi tutti gli animali sono diploidi, cioè possiedono due copie di ogni cromosoma, esistono comunque delle eccezioni; le cellule aploidi sono i gameti animali che appunto presentano una copia e non due di ogni cromosoma. Alcune piante invece sono addirittura poliploidi ossia possiedono più copie per ciascun cromosoma.

Parole chiave: cellule somatiche, cellule germinali o gameti, organismi diploidi, organismi aploidi, organismi poliploidi, cromosoma

Il numero cromosomico è costante in ogni specie, la numerosità del numero cromosomico non è legato alla complessità dell’organismo. La complessità di un organismo è data invece dal grado di complessità che un organismo possiede nel regolare la propria espressione dei geni. Homo sapiens possiede 46 cromosomi: 23 coppie. (Da ricordare che i nomi latini scientifici sono come nome proprio: non ci vuole l’articolo davanti, è determinante la maniera in cui ci si esprime). In natura i cromosomi sono autosomici e sessuali, il sesso di un organismo è determinato dai suoi cromosomi sessuali, per alcuni rettili invece, il sesso viene determinato sulla base della temperatura in cui si trovano le uova (le uova dei coccodrilli sopra i 30 gradi produrranno tutti esemplari maschi). Nelle api il sesso è determinato per aplodiploidia, ossia gli embrioni diploidi che si sviluppano da uova fecondate diventano femmine, quelle aploidi che si sviluppano da uova non fecondate diventano maschi.

Il sesso di un individuo può essere:

• Omogamico: la femmina Homo sapiens ha due cromosomi X nella coppia di cromosomi sessuali XX;
• Eterogamico: l’uomo Homo sapiens ha la coppia di cromosomi sessuali XY.

Parole chiave: numero cromosomico, cromosomi autosomici, cromosomi sessuali, sesso omogamico, sesso eterogamico, aplodiploidia

Il DNA contiene l’informazione genetica, è una struttura a doppia elica composta da 4 basi azotate. Dentro il nucleo di una cellula esistono dei complessi proteici chiamati istoni in cui il DNA si trova super avvolto, formando delle strutture condensate dette cromosomi, questo perché nella sua struttura a doppia elica sarebbe troppo lungo, quindi si avvolge diventando così cromatina, che si avvolge agli istoni andando a creare quella struttura che conosciamo come nucleosoma e la catena super avvolta agli istoni prende il nome di collana di perle.

Il locus genico è il luogo fisico sul cromosoma dove si trova un gene (unità di base dell’informazione), ogni gene deve avere un alloggiamento fisico sul cromosoma, e in ogni cromosoma ci sono numerosi loci (spesso i termini gene e locus vengono usati come sinonimi). La genetica è lo studio delle trasmissioni dei caratteri genici, i caratteri sono determinati dall’espressione dei geni. Le varianti di ogni gene si chiamano alleli e ognuno di noi possiede due varianti alleliche per ogni gene.

Genotipo e fenotipo: il genotipo è l’insieme dei geni che possiede un individuo oppure può riferirsi ad un solo gene e quindi allo status allelico di quel gene; il fenotipo è invece la manifestazione fisica del corredo genico. Noi intendiamo con genotipo, lo status allelico di un gene: il genotipo del gene occhi ci dice come sono le due forme alleliche che quell’individuo ha ereditato dai genitori, quando i due alleli sono uguali (i genitori hanno lo stesso colore degli occhi), il gene occhi si dice che è omozigote e quindi lo status genico di questo gene si dice che è appunto omozigote, mentre quando i due alleli sono diversi (i genitori hanno il colore degli occhi diverso) si dice che il gene occhi di quell’individuo è eterozigote poiché possiede due alleli differenti quindi lo status allelico si dice che è eterozigote. Con fenotipo non si indica solo l’aspetto fisico ma anche la concentrazione di colesterolo nelle arterie, la pressione arteriosa o l’intelligenza e esso dipende dall’interazione con l’ambiente. Il carattere genetico indica tutte le caratteristiche di un organismo, visibili o non, e rilevabili o misurabili con qualsiasi mezzo d’indagine.

Parole chiave: DNA, cromatina, istoni, nucleosoma e cromosomi, locus genico, alleli, gene, caratteri, status allelico, gene omozigote, gene eterozigote, genotipo e fenotipo.

La genetica formale

Il ciclo cellulare, mitosi e meiosi

Mitosi

La mitosi (detta anche cariocinesi) è un processo di riproduzione asessuata delle cellule eucarioti grazie al quale da una singola cellula si formano 2 cellule figlie geneticamente identiche alla progenitrice e fra loro. Il termine mitosi deriva dal greco mίtos, "filo": nome dovuto all'aspetto filiforme dei cromosomi durante la profase. La mitosi è molto simile alla meiosi, ma si distingue da essa poiché:

• Nella mitosi formano 2 cellule figlie con lo stesso numero di cromosomi (46 nel caso di cellula di H. sapiens) della cellula madre.
• Nella meiosi si formano 4 cellule figlie con il corredo cromosomico dimezzato (23, sempre nel caso dell'essere umano).

La mitosi riguarda le cellule somatiche dell'organismo (ossia tutte le cellule fuorché quelle che hanno funzione riproduttiva: i gametociti primari, i quali utilizzano la meiosi) e le cellule germinali ancora indifferenziate.

Ciclo cellulare

Il ciclo cellulare si suddivide in tre fasi:

• L'interfase, in cui la cellula svolge le sue funzioni vitali e si prepara alla divisione;
• La mitosi, periodo di gran lunga più breve, in cui la cellula si divide;
• La citocinesi (citodieresi), cioè la divisione del citoplasma della cellula per formare due cellule figlie identiche tra loro.

La mitosi vera e propria è molto piccola rispetto all'intero processo del ciclo cellulare, infatti la maggior parte del processo del ciclo cellulare che si divide in 4 fasi è formato da tre fasi che fanno parte dell'interfase e da una fase che è la mitosi vera e propria. Tra i fattori proteici importanti per la mitosi, citiamo le chinasi Aurora: esse giocano un ruolo critico nella divisione cellulare, poiché controllano la segregazione cromatidica.

Interfase

Durante l'interfase la cellula svolge le sue specifiche funzioni e si accresce; gli organuli della cellula aumentano e ne permettono la duplicazione. L'interfase si suddivide in tre sottofasi: due fasi di controllo, durante le quali la cellula verifica che il DNA non abbia subito mutazioni gravi (GAP1 e 2), ed una fase di sintesi.

• Nella fase G₁ avviene la sintesi di molecole specifiche della cellula (metabolismo specifico) ed è la fase della vita stessa della cellula;
• Nella fase S la cellula duplica il suo DNA tramite un processo definito duplicazione del DNA, in cui i cromosomi ottengono, per ciascuno, due cromatidi fratelli identici, che nella fase di massima condensazione sono associati tra loro al livello del centromero.
• Nella fase G₂ avviene la polimerizzazione ed organizzazione per gli organuli e si svolgono gli ultimi controlli dell'integrità del DNA. Se non vi sono mutazioni o alterazioni gravi si procede con la mitosi vera e propria.

Fasi della mitosi

La mitosi si divide in cinque fasi più una, chiamate:

• Profase
• Prometafase
• Metafase
• Anafase
• Telofase

La profase

In questa fase avviene la condensazione della cromatina, che avviene grazie alla presenza di proteine istoniche che fungono da centri primari di organizzazione del riavvolgimento del DNA (primo ordine di spiralizzazione) e della topoisomerasi II, che, oltre alla sua funzione catalitica, agisce come centro di organizzazione del secondo ordine di spiralizzazione. Segue un terzo ordine di cui non si conoscono le proteine implicate; forse è conseguenza della tensione accumulata dalle precedenti spiralizzazioni. Questo grosso superfilamento viene impacchettato formando delle anse che si riuniscono formando il cromosoma visibile. Ogni cromosoma visibile (che negli esseri umani ha la tipica forma a X ad eccezione del piccolo cromosoma sessuale y) è composto in realtà da due cromatidi fratelli identici, i quali possono essere considerati a loro volta un cromosoma. Intanto il centrosoma si duplica ed entrambi i centrosomi cominciano a dirigersi ai poli opposti della cellula. Da essi si originano i microtubuli (filamenti formati da dimeri di sub-unità proteiche tubulina alfa e beta) che andranno a formare il fuso mitotico, la struttura che dirigerà tutti i successivi movimenti dei cromosomi. La durata media di questo meccanismo di riproduzione cellulare varia in media, negli organismi superiori, dalle 15 alle 25 ore.

Prometafase

• I microtubuli cromosomici si collegano al centromero del cromosoma;
• I cromosomi si muovono verso l'equatore del fuso.

Metafase

Questa fase inizia attraverso una sub-fase detta prometafase in cui avviene "l'improvvisa" dissoluzione della membrana nucleare, che si frammenta in tante vescicolette. Questo processo viene innescato dalla fosforilazione, attraverso delle chinasi, delle proteine delle lamine (filamenti intermedi) che costituiscono la lamina nucleare; in conseguenza della fosforilazione i filamenti si dissociano negli elementi costitutivi.

I due centrosomi, giunti ai poli opposti della cellula, agiscono come centri di organizzazione microtubulare (MTOC), catalizzando l'allungamento ed assicurando il corretto orientamento dei microtubuli che andranno a legarsi ai cromosomi in una regione chiamata centromero. Ogni centrosoma si lega ad uno dei due cromatidi gemelli per ogni cromosoma. In questa fase si possono verificare degli errori e due microtubuli si possono agganciare allo stesso cromatidio dando poi origine ad una cellula figlia con un diverso numero di cromosomi che in genere è mutilata e non vitale. Le coppie di cromatidi vengono portate nella parte mediana della cellula dove si allineano formando la piastra equatoriale, in cui un piano immaginario, passante per i centromeri, divide le coppie di DNA. È questo il momento più favorevole per lo studio dei cromosomi, che sono ora al massimo della loro spiralizzazione (condensazione) ed affiancati ordinatamente lungo la piastra equatoriale posta al centro della cellula.

Anafase

Durante l'anafase, i cromatidi fratelli si separano tra loro e migrano verso i due centrosomi ai poli opposti della cellula. Si riconoscono due momenti, chiamati anafase A e anafase B. Nella prima si assiste alla separazione dei due cromatidi fratelli ad opera di un enzima, chiamato separasi, con relativa migrazione degli stessi grazie a proteine motorie (tipo dineine citoplasmatiche) presenti al livello del cinetocore. Nell'anafase B si assiste al reciproco scorrimento dei microtubuli polari del fuso mitotico con conseguente allontanamento dei due centrosomi verso direzioni opposte. Pertanto si ottiene il ripristino, per ogni polo, del numero originario di cromosomi.

Telofase

In quest'ultima fase della mitosi, i cromosomi si despiralizzano (decondensano). Intorno ai due nuovi complessi cromosomici ricompaiono le membrane nucleari e gli organuli si ricompongono. La telofase si conclude con una sottofase: la citodieresi, in cui si separa il citoplasma in modo equivalente in entrambe le nuove cellule. La cellula si divide al centro formando due cellule figlie, esattamente identiche alla cellula madre ma più piccole. Questo avviene grazie a un anello di actina creatosi al centro della cellula madre che, contraendosi, stringe la cellula al centro. A tal punto le proteine specializzate operano la fusione e la separazione della membrana in punti specifici e le due cellule si separano.

In alcune cellule si verifica una mitosi mutilata: la telofase non avviene e si accumulano all'interno di uno stesso nucleo di una stessa cellula da due ad alcune decine di corredi cromosomici. Questo tipo di cellule si chiama plasmodio. L'esempio principale sono i protozoi del genere Plasmodium come il P. malariae. Anche cellule umane vanno incontro a questo processo o patologicamente, come le cellule tumorali, o fisiologicamente come nel megacariocita.

Meiosi

La meiosi è un processo mediante il quale una cellula eucariote, con corredo cromosomico diploide, dà origine a quattro cellule figlie con corredo cromosomico aploide. Da una cellula madre si formano quattro cellule figlie, tutte diverse fra loro. Tale processo potrebbe sembrare molto simile alla mitosi ma, al contrario di questa, si ha la riduzione del corredo cromosomico in doppia copia a corredo a singola copia. Tramite poi il cosiddetto crossing-over (incrocio esterno), si ha lo scambio e la ricombinazione genetica dei cromosomi, uno dei principali eventi alla base dell'evoluzione degli organismi eucarioti.

La meiosi è fondamentale nella riproduzione sessuale, la ricombinazione dell'informazione genetica proveniente dalle cellule di due individui differenti (maschio e femmina) della stessa specie, produce risultati ogni volta differenti, e naturalmente differenti anche dai due genitori. Ogni genitore fornisce un corredo cromosomico "semplice" aploide (detto anche "dimezzato"), cellula ovulo nella femmina e spermatozoo nel maschio; la fusione (fecondazione) dei due corredi dimezzati (materno e paterno) e "rimescolati" ricostituisce il corredo intero e dà origine ad una singola nuova cellula, detta zigote, che diverrà il nuovo individuo.

Ad una duplicazione del materiale genetico nelle cellule germinali, che avviene nella fase pre-meiotica S, corrispondono due divisioni nucleari:

1. Fase riduzionale: prima divisione meiotica o meiosi I
2. Fase equazionale: seconda divisione meiotica o meiosi II

Fase meiotica S o interfase I: avviene la duplicazione del materiale genetico: da ogni cromosoma risultano due cromatidi fratelli identici, attaccati in corrispondenza dei centromeri mediante molecole di coesina. Si ha quindi una duplicazione del materiale genetico seguita da due divisioni.

Meiosi I

La prima divisione meiotica o meiosi I è chiamata riduzionale poiché da una cellula (2n) si generano due cellule aploidi (dal punto di vista informazionale), ma ancora formate da cromosomi costituiti da due cromatidi.

Profase I

La meiosi I si apre con la profase I, il processo più lungo e complicato della divisione meiotica. Si suddivide in 5 stadi:

• Leptotene: in cui il materiale genetico si condensa a formare strutture bastoncellari in forma di filamenti sottili, allungati, non scissi longitudinalmente. Durante questa fase avvengono i DSB (Double Strand Breaks), punti di rottura controllata della doppia elica che corrispondono alle zone dove si potrà andare incontro al crossing-over nelle fasi successive;
• Zigotene: durante il quale avviene la sinapsi dei cromosomi omologhi a formare una struttura denominata bivalente (o tetrade o duplex). L'appaiamento dei cromosomi omologhi avviene grazie ad una struttura submicroscopica proteica, il complesso sinaptinemale;
• Pachitene: "precoce" in cui si completa l'appaiamento degli omologhi o "avanzato" in cui i cromosomi si accorciano, si inspessiscono e avviene il crossing-over, che però ancora non è visibile in quanto i cromosomi sono ancora in stretto contatto fra loro;
• Diplotene: in questo stadio i cromosomi omologhi di ciascun bivalente cominciano a separarsi (desinapsi), soprattutto a livello del centromero, per la progressiva scomparsa del complesso sinaptinemale. Tuttavia i due cromatidi di ciascuna coppia di omologhi restano in contatto grazie a connessioni chiamate chiasmi, segni visibili dell'avvenuto crossing-over. È bene notare che negli umani in ogni coppia di omologhi debba, in condizioni normali, avvenire per forza almeno un chiasmo, che ha un importante ruolo strutturale;
• Diacinesi: nel corso del quale i cromosomi completano la loro condensazione e sono chiaramente visibili. Ormai è ben formata la tetrade o bivalente e avviene la dissoluzione della membrana nucleare e del nucleolo.

Durante la profase I, inoltre, si sviluppa il fuso, costituito da due coppie di centrioli, situate ai poli opposti della cellula, da cui fuoriescono fibre di microtubuli. Tali fibre agganciano i cromosomi mediante il cinetocore, una piastra proteica situata a livello del centromero. La profase I può durare per giorni o anche più a lungo e occupa il 90% del tempo richiesto per quasi tutta la divisione meiotica.

Consiglio: studia i processi di divisione cellulare attraverso i video, leggendo dagli appunti i passaggi e cercando di comprendere quale sia l'importanza della struttura e funzione di ciascuna fase.