Principi di Genetica

La riproduzione cellulare

Il cromosoma, il sito dove sono localizzati i geni

Ogni cromosoma è costituito da una molecola di DNA a doppio filamento e da proteine. Le cellule procariotiche contengono tipicamente solo un cromosoma, anche se contengono piccole molecole di DNA dette plasmidi. Le molecole di DNA e i plasmidi delle cellule procariotiche sono circolari. Invece, i cromosomi nucleari delle cellule eucariotiche sono lineari.

Le cellule eucariotiche contengono due copie di ciascun cromosoma, condizione detta diploide, caratteristiche delle cellule somatiche. Le cellule sessuali, o gameti, hanno una condizione aploide. Quando due gameti si uniscono, ristabiliscono lo stato diploide formando uno zigote. Il punto di contatto tra i cromatidi si chiama centromero.

La divisione cellulare

Quando le cellule procariotiche si dividono effettuano il processo di scissione, cioè il contenuto della cellula madre viene quasi egualmente distribuito alle due cellule figlie. La divisione cellulare eucariotica prevede che i cromosomi siano duplicati prima dell'inizio della divisione. Ogni volta che la cellula si divide passa attraverso delle fasi, che insieme costituiscono il ciclo cellulare. La fase S è la fase in cui si duplica il DNA. La fase M è la fase in cui realmente la cellula si divide. La progressione delle cellule eucariotiche attraverso le fasi è controllata da vari tipi di proteine.

Mitosi

Ciascun cromosoma si duplica nella fase S. La rete di sottili filamenti formata da tutti i cromosomi presenti nel nucleo è definita cromatina. Quando comincia la mitosi, i cromosomi sono già duplicati e sono detti cromatidi fratelli che restano strettamente associati tra loro a livello del centromero. La distribuzione dei cromosomi duplicati alla cellule figlie viene organizzata e svolta dai microtubuli. Costituiti da tubuline, si attaccano ai cromosomi e ne rendono possibile il movimento all'interno della cellula.

Durante la mitosi, i microtubuli si assemblano a formare una struttura complessa detta fuso. La formazione del fuso dipende dai centri di organizzazione dei microtubuli che nelle cellule animali si trovano in piccoli organelli chiamati centrosomi. Ogni centrosoma è composto da due centrioli a forma di bastoncello disposti ad angolo retto.

• Profase: inizio della formazione del fuso e condensazione dei cromosomi duplicati.
• Metafase: la membrana nucleare si scompone in numerose vescicole e i microtubuli si attaccano ai cinetocori, strutture proteiche associate ai centromeri dei cromosomi. Durante la metafase i cromosomi raggiungono una posizione a metà strada tra i poli e il fuso. Grazie all'attività del fuso, i cromosomi duplicati si dispongono sulla piastra metafasica.
• Anafase: i cromatidi fratelli si separano l'uno dall'altro per l'accorciamento dei microtubuli attaccati ai cinetocori e la degradazione delle sostanze che tengono uniti i cromatidi fratelli. Mentre i cromosomi separati si orientano verso i poli, i poli stessi iniziano a ruotare.
• Telofase: i cromosomi si decondensano e si riformano gli organelli interni. Ciascun gruppo di cromosomi viene racchiuso in una membrana nucleare.

Quando la mitosi è completata, le cellule vengono separate dalla formazione della membrana cellulare, questa separazione fisica è chiamata citocinesi. Le cellule figlie prodotte dalla divisione cellulare sono genetiche identiche.

La meiosi

È il processo che riduce lo stato diploide a quello aploide, dimezza il numero di cromosomi della cellula. I membri di una coppia di cromosomi sono definiti omologhi, viceversa eterologhi. La riduzione del numero cromosomico avviene in modo tale che ciascuna delle risultanti cellule aploidi riceve esattamente un membro di ciascuna coppia cromosomica.

Meiosi II

I cromosomi duplicati si dividono e costituiscono i cromatidi fratelli. La profase I si divide in cinque stadi:

• Il leptonema: i cromosomi duplicati si condensano a partire dalla rete diffusa di cromatina.
• Lo zigonema: i cromosomi omologhi entrano in stretto contatto, con il processo che viene chiamato sinapsi che è accompagnata dalla formazione di un complesso proteico, chiamato complesso sinaptinemale, tra i due cromosomi.
• Il pachinema: i cromosomi duplicati continuano a condensarsi. Ogni coppia cromosomica è formata da due omologhi duplicati, ciascuno formato da due cromatidi fratelli (bivalente-tetrade). Durante il pachinema i cromosomi appaiati possono fare il crossing over.
• Il diplonema: durante questa fase i cromosomi appaiati si separano ma restano in stretto contatto a livello del chiasmo (punto in cui è avvenuto il crossing over).
• La diacinesi: si forma la struttura del fuso, i microtubuli si attaccano ai cinetocori e infine i cromosomi si dispongono nel piano centrale della cellula.

Durante la metafase I i cromosomi appaiati si orientano verso i poli opposti del fuso. Durante l'anafase I i cromosomi appaiati si separano l'uno dall'altro, disgiunzione cromosomica. Nella telofase I il fuso si disassembla, le cellule figlie vengono separate tra di loro da membrane, i cromosomi si decondensano e si forma il nucleo intorno ai cromosomi in ciascuna delle cellule figlie. Le cellule prodotte dalla meiosi I contengono un numero aploide di cromosomi.

Meiosi II

È lo stesso processo della mitosi. I suoi prodotti sono aploidi e le cellule non sono geneticamente identiche.

Mendelismo

Mendel terminò i suoi esperimenti nel 1864. Il pisello da orto è una pianta dicotiledone (da origine a due foglie, cotiledoni). Questa pianta ha un forte sistema di autofecondazione quindi è improbabile che ci sia della variabilità genetica da una generazione all'altra. Per questa uniformità, questi ceppi vengono chiamati linee pure. Mendel riuscì a produrre parecchie linee pure differenti, ciascuna distinguibili per una particolare caratteristica fenotipica (altezza, colore). Utilizzò l'esistenza di questi caratteri differenti per determinare le modalità in cui questi caratteri vengono ereditati, concentrando l'attenzione su un carattere alla volta.

Incroci tra monoibridi: legge della dominanza e della segregazione

Mendel incrociò pianta alte e basse per comprendere in che modo veniva ereditata l'altezza. La progenie (F1) risultò essere tutta alta. Mendel lasciò che la progenie ibrida si autofecondasse naturalmente. Quando esaminò la seconda progenie ibrida (F2) riscontrò sia piante alte che basse, con un rapporto approssimativo di 3:1. La prima progenie ibrida era in grado di produrre piante nane sebbene fosse alta. Mendel ipotizzò che ci fosse un fattore genetico (quello dell'altezza bassa) che veniva coperto da un altro fattore (altezza alta). I due fattori sono stati chiamati rispettivamente fattore recessivo e fattore dominante. Mendel condusse questo esperimento, incrocio tra monoibridi (un solo carattere analizzato), con altri caratteri e davano tutti lo stesso risultato.

Ciascun carattere analizzato da Mendel era sotto il controllo di un fattore ereditabile in grado di esistere in due forme. Questi fattori oggi vengono chiamati geni e le varie forme alleli. Egli propose inoltre che ogni linea parentale avesse due copie identiche di un gene, che siano diploidi ed omozigoti. Inoltre, comprese che se un uovo e uno spermatozoo provengono da due piante geneticamente differenti, lo zigote eredita due alleli differenti. Una progenie simile viene chiamata eterozigote. Nel genotipo eterozigote nessuno dei due alleli viene modificato dalla coesistenza dell'altro, ma ciascuno si separa dall'altro, o segrega, durante la formazione dei gameti. L'analisi di tutti questi incroci tra monoibridi può essere riassunta in due leggi fondamentali:

• Legge della dominanza.
• Legge della segregazione.

Incroci tra diibridi: la legge dell'assortimento indipendente

Mendel effettuò incroci con piante di pisello che differivano per due caratteri: una pianta produceva semi gialli e lisci (GG WW), mentre l'altra produceva semi verdi e rugosi (gg ww). La progenie ibrida F1 (Gg Ww) aveva tutti i semi gialli e lisci, quindi gli alleli del genotipo GG WW erano dominanti. Mendel lasciò che le piante si autofecondassero, il risultato della progenie F2 era di 4 tipi fenotipici: due classi identiche alle linee parentali, le altre due mostravano una combinazione nuova di caratteri. I dati numerici stabilirono che ciascun carattere veniva controllato da un gene con due alleli differenti che segregavano, e i due geni venivano ereditati indipendentemente.

La legge della segregazione prevede che la progenie F1 produca 4 tipi differenti di genotipi gametici: GW, gw, Gw, gW. Su questa base, autofecondando la F1, si potranno ottenere 16 diversi genotipi zigotici egualmente differenti. Gli incroci tra diibridi portarono ad enunciare un terzo principio:

• Legge dell'assortimento indipendente.

Applicazioni delle leggi di Mendel

Metodo del quadrato di Punnett: nel caso in cui siano coinvolti uno o più geni, è possibile scrivere tutti i gameti e incrociarli sistematicamente per generare tutti i possibili genotipi zigotici. Una volta ottenuti, si possono determinare i fenotipi possibili usando la legge della dominanza.

Metodo della biforcazione: incrocio che prevede due o più geni. La progenie viene inserita in uno schema a linee ramificate.

Metodo della probabilità: si basa sul principio della probabilità. La probabilità che un particolare gamete contenga un allele dominante è ½, come la probabilità che contenga un allele recessivo. Queste probabilità costituiscono le frequenze dei due tipi di gameti prodotti dall'eterozigote. Considerando l'incrocio Aa x Aa, la probabilità che lo zigote sia AA è semplicemente la probabilità che ciascuno dei gameti che si sono uniti contenga A, cioè (1/2) x (1/2) = (1/4), in quanto i due gameti vengono prodotti indipendentemente. Anche la probabilità che sia aa è ¼ mentre Aa è ½. Quindi dall'incrocio di partenza si ha la seguente distribuzione di probabilità: AA ¼ • Aa ½ • aa ¼ •. Applicando la legge della dominanza si può concludere che ¼ + ½ = ¾ della progenie avrà il fenotipo dominante mentre ¼ avrà il fenotipo recessivo.

Il test de chi-quadro

Il test del chi-quadro è un modo semplice per valutare se le previsioni di un'ipotesi genetica, un'idea scientifica ben formulata, siano in accordo con i dati ottenuti da un esperimento. X² = (Osservato - Atteso)² / Atteso. Se i dati non sono in accordo con quelli attesi, il X² supererà il valore critico. Al contrario, i risultati dell'esperimento sono in accordo con le previsioni formulate in base all'ipotesi. Il valore critico è il punto al quale le differenze tra i numeri osservati e quelli attesi non sono probabilmente dovute al caso. Gli statistici hanno riportato in tabella i valori critici in base al numero di gradi di libertà associati al X² statistico. I gradi di libertà vengono calcolati sottraendo 1 al numero di classi fenotipiche che analizziamo.

Alberi genealogici

Sono diagrammi che illustrano le relazioni intercorrenti tra i membri di una famiglia. Di solito, tutti gli individui che portano l'allele manifestano il carattere fenotipico, rendendo possibile l'identificazione della trasmissione di questo all'interno dell'albero. Ogni individuo che manifesta il carattere deve avere almeno un genitore affetto, tranne in alcuni casi di mutazione.

Segregazione mendeliana nelle famiglie umane

Si consideri una copia di eterozigoti per un allele recessivo che, in condizioni di omozigosi, determina la fibrosi cistica. Se una coppia avesse quattro figli:

• Quattro figli normali, nessuno malato
• Tre figli normali e uno malato
• Due figli normali e due malati
• Un figlio normale e tre malati
• Nessun figlio normale, quattro malati

La probabilità che il bambino sia normale per qualsiasi nascita è 3/4; quindi, quella che tutti siano normali: (3/4)⁴ = 81/256. Allo stesso modo, la probabilità che un figlio nasca malato è 1/4: (1/4)⁴ = 1/256. La probabilità di ottenere tre figli normali e uno malato comprende quattro eventi distinti: NNNM, NNMN, NMNN, MNNN. Per ognuno di questi eventi ha probabilità (3/4)³ x (1/4), la probabilità totale di avere tre figli sani e uno malato è 4 x (3/4)³ x (1/4). Il coefficiente 4 è il numero di eventi distinti. Allo stesso modo la probabilità di avere due figli sani e due malati, in una progenie di quattro figli: NNMM, MMNN, NMNM, MNMN, NMMN, MNNM, quindi 6 x (3/4)² x (1/4)². La probabilità di avere un figlio normale e tre malati: 4 x (3/4) x (1/4)³.

Consulenza genetica

Si può considerare un albero genealogico che mostra l'ereditarietà del cancro colonrettale non poliposico. Nella figura si può notare che il cancro si manifesta almeno in un individuo per generazione e che ha un genitore malato. Sono in accordo con le modalità di trasmissione dominante. La consulenza genica sorge alla V generazione che ogni individuo ha un genitore eterozigote malato. I sette individui affetti potrebbero essere portatori della malattia e quindi rischiare di manifestarla in una fase successiva della vita. Il rischio dipende da parametri fisiologici, quindi bisogna dedurlo empiricamente. Sta a loro decidere se avere figli che possono contrarre la malattia.

Un altro esempio è raffigurato nella figura. La madre S è affetta da albinismo mentre il padre R ha due fratelli affetti. I genitori chiedono quale sia la probabilità di avere un figlio T affetto da albinismo. Il rischio dipende da due fattori:

• La probabilità che R sia eterozigote, quindi portare l'allele dell'albinismo a.
• La probabilità di trasmettere realmente l'allele al figlio T se è realmente portatore.

Se S è omozigote, lo trasmetterà sicuro al figlio per il cromosoma X. Per determinare la prima possibilità è necessario considerare i genotipi possibili di R, uno di essi è aa (albinismo), che può essere escluso in partenza perché non è albino. Rimangono probabilità distinte che sono AA e Aa. Si deve considerare che anche i genitore di R siano eterozigoti, quindi l'incrocio è stato Aa x Aa. Da questo tipo di incrocio, ci si aspetta che 2/3 della progenie non sia albina, e 1/3 AA. Quindi la probabilità che R sia eterozigote per l'allele è 2/3.

Per determinare la probabilità che trasmetta l'allele al figlio, è necessario ricordare semplicemente che l'allele a sarà presente nella metà dei suoi geni. Rischio che T sia aa: (probabilità che R sia Aa) x (probabilità che R trasmetta a) = (2/3) x (1/2) = (1/3).

Estensione del mendelismo

Dominanza incompleta e codominanza

Un allele è dominante se ha lo stesso effetto fenotipico sia nell'eterozigote che nell'omozigote, in pratica se Aa e AA hanno lo stesso fenotipo. A volte l'eterozigote ha un fenotipo diverso dai suoi omozigoti corrispondenti, come succede ad esempio con i fiori a bocca di leone. Varietà bianche (ww) e rosse (WW) sono omozigoti per alleli differenti di un gene che determina il colore; quando sono incrociate, producono eterozigoti con fiori rosa. L'allele per il colore rosso (W) è quindi detto parzialmente dominante rispetto a quello per il colore rosa. L'allele parzialmente dominante è anche detto semidominante se il fenotipo è intermedio fra il fenotipo dei due omozigoti.

Un'altra eccezione al principio della dominanza semplice si presenta quando un eterozigote mostra caratteristiche osservabili in ognuno degli omozigoti. Un esempio è il rilevamento degli antigeni M e N sulle cellule del sangue. La capacità di produrre sia antigeni M che N è determinato da un gene con due alleli, gli eterozigoti per questi due alleli riescono a produrli entrambi. Dato che gli alleli sembrano contribuire equamente al fenotipo degli eterozigoti, essi sono detti codominanti, cioè che nessuno degli alleli è dominante o parzialmente dominante sugli altri.

Alleli multipli

Esistono geni con 3, 4 o più geni. Un classico esempio di alleli multipli è quello che controlla il colore del pelo del coniglio. Il gene che determina il colore, indicato con la lettera c, ha 4 alleli: c (albino), c^h (himalayano), c^ch (chinchilla), c⁺ (selvatico). Dato che la maggior parte dei conigli delle popolazioni selvatiche è omozigote per l'allele c⁺, questo allele è chiamato selvatico. Gli altri alleli del gene sono detti mutanti, forme alterate dell'allele selvatico che devono essersi originate in qualche momento durante l'evoluzione del coniglio. La maggior parte degli alleli mutanti è recessiva. Gli alleli multipli sono anche detti polimorfico.

Serie alleliche

Le serie alleliche sono combinazioni di eterozigoti mediante incroci di omozigoti. Per esempio, i quattro alleli del gene c del coniglio possono essere combinati tra loro, ottenendo sei diversi tipi di eterozigoti: c^hc^ch, c^hc⁺, c^chc⁺, c^chc^h, c^hc⁺ e c^chc⁺. Questi eterozigoti permettono di studiare le relazioni di dominanza tra i diversi alleli. Gli alleli chinchilla e himalayano sono parzialmente funzionanti, in quanto producono solo alcuni peli colorati; sono detti ipomorfi in quanto sono recessivi rispetto ad alleli più forti. Invece l'allele albino è descritto come nullo o amorfo in quanto non producono alcun colore del pelo, sono di solito recessivi rispetto a tutti.

L'allelismo delle mutazioni geniche

Un allele mutante si forma quando un allele esistente è modificato un nuovo stato genetico, una mutazione. Al fine di determinare l'identità allelica di una nuova mutazione, si può...