Riassunto esame Ecologia dello sviluppo, Prof. Varin e Bulf, libro consigliato Genetica del comportamento

Genetica del comportamento

Introduzione

La genetica del comportamento indaga l'interazione tra fattori genetici e ambientali che agiscono sulle differenze nello sviluppo (definizione Plomin).

Uno dei precursori degli studi nell'ambito della genetica del comportamento è stato Mendel, il quale studiava l'ereditarietà dei caratteri nelle piante di pisello, giungendo alla scoperta di concetti fondamentali:

• Due elementi di ereditarietà per ogni carattere di ogni individuo
• Le forme alternative di un gene venivano definite come alleli
• La combinazione di tutti gli alleli di un individuo costituisce il genotipo
• L'insieme dei caratteri osservabili, ovvero il fenotipo

Mendel aveva indagato diversi caratteri delle piante di pisello (es: liscio e rugoso), permettendo di approfondire gli studi sulle malattie dovute all'azione di un singolo gene (come la fenilchetonuria, Corea di Huntington).

I caratteri complessi sono influenzati dall'ereditarietà ma non da un singolo gene. Per studiare gli effetti genetici sui tratti comportamentali complessi si ricorre alla genetica quantitativa, la scienza che studia quanto le differenze osservate tra singoli individui siano dovute a differenze genetiche e quanto a differenze ambientali, essa non indaga quali specifici geni o fattori ambientali siano coinvolti. I geni specifici vengono studiati dalla genetica molecolare. I fattori ambientali vengono studiati dagli effetti ambientali.

Modelli animali nella genetica del comportamento

La ricerca nel campo della genetica del comportamento include anche lo studio del ruolo dei geni e degli ambienti nel comportamento animale. Questo è importante da un lato per identificare i geni alla base di un determinato tratto, dall'altro lato per comprendere gli effetti.

I cani forniscono un ottimo esempio di variabilità genetica all'interno di una specie. Probabilmente questa variabilità è dovuta ai ripetuti incroci con i lupi, da cui hanno avuto origine 30.000 anni fa. Al di là delle chiare differenze di carattere estetico, nelle varie razze canine si manifestano anche gli effetti genetici sul comportamento. Per secoli i cani sono stati selezionati sia per il loro comportamento, sia per il loro aspetto: questa selezione intenzionale ha portato ad accentuare le differenze di comportamento.

Se un tratto è ereditabile è possibile selezionare in modo mirato, proprio come avviene per i cani. Alcuni autori come Fuller hanno esaminato lo sviluppo di linee pure e incroci di 5 razze di cani che si distinguono soprattutto per il comportamento. Dai risultati è emerso che:

• Le razze presentano caratteristiche comportamentali medie che riflettono la storia della loro selezione
• Vi è l'esistenza di interazioni fra razza e addestramento

Studi di selezione

Gli esperimenti di laboratorio condotti selezionando in base a caratteristiche comportamentali forniscono la prova più evidente delle influenze genetiche sul comportamento: se un tratto è ereditabile è possibile selezionarlo in modo mirato.

Uno degli studi più ampi e lunghi (De Fries e colleghi) ha previsto la selezione di linee di topi selezionate in base al grado di attività manifestato dagli animali nel ''campo aperto''. Quando sono posti in questo campo aperto alcuni topi esplorano il nuovo ambiente (topi ad alta attività) mentre altri restano paralizzati (topi a bassa attività). I topi più attivi sono stati selezionati ed accoppiati con altri topi altamente attivi, nello stesso modo sono stati accoppiati fra loro i topi meno attivi.

Nella prole generata sono stati ulteriormente selezionati e accoppiati gli animali con livelli di attività più alta e più bassa, in un processo di selezione che è stato ripetuto per 30 generazioni. I risultati riportano che nel corso delle generazioni i topi delle linee ad alta attività sono diventati sempre più attivi e quelli delle linee a bassa attività sono risultati sempre meno attivi. Dopo trenta generazioni si è ottenuta una differenza di circa 30 volte nel livello medio di attività. Fra le linee ad alta e bassa attività non c'è sovrapposizione ma la differenza che le separa aumenta in modo costante ad ogni generazione.

Questo studio che è stato dimostrato è un tipico esito degli studi di selezione sui tratti comportamentali ed indica il coinvolgimento di più geni, poiché la distanza tra le due linee è continuata ad incrementare.

Studi sulle linee consanguinee

Un altro metodo utilizzato nelle ricerche di genetica quantitativa sul comportamento animale si basa sul confronto tra linee consanguinee, in cui i fratelli e le sorelle sono stati accoppiati per almeno venti generazioni. Questo fa sì che tutti gli animali appartenenti a una linea siano praticamente cloni con lo stesso patrimonio genetico, le differenze, quindi, che si vedono in una data linea sono dovute ad influenze ambientali:

• I caratteri influenzati dai geni mostreranno delle differenze medie fra le linee allevate nello stesso ambiente di laboratorio
• Le differenze all'interno di una linea sono dovute alle influenze ambientali: ambiente crescita prenatale e ambiente di crescita postnatale

Per quanto riguarda gli studi sui topi, le notevoli differenze che si sono rilevate all'interno delle varie linee consanguinee sottolineano l'importanza dell'ambiente di crescita pre e post natale oltre che i geni. Le linee consanguinee possono essere utilizzate per studiare gli effetti delle cure materne: quando i cuccioli nati da una madre di una linea vengono allevati dalla madre di un'altra linea. Infine, gli ambienti in cui vengono allevate le linee consanguinee possono essere manipolati per investigare le interazioni fra genotipo ed ambiente. Tutti questi studi hanno avuto un ruolo centrale nel dimostrare che componenti genetiche sono implicate in molti tratti comportamentali.

Studio di selezione e linea consanguinea

Incroci protratti per diverse generazioni volti a selezionare un fenotipo specifico, mediante la scelta di genitori con alti punteggi per tale fenotipo, il loro accoppiamento e la valutazione della progenie per verificare la risposta alla selezione.

Linea consanguinea: Ceppo di animali geneticamente quasi identici che deriva dall'accoppiamento tra fratelli e sorelle per almeno 20 generazioni.

Identificazione dei geni nei modelli animali

Le ricerche di genetica quantitativa sul comportamento umano si basano su due approcci meno diretti: gli studi sui gemelli e gli studi sulle adozioni. Rispetto alle indagini sulla nostra specie, i modelli animali, in cui è possibile modificare sperimentalmente geni e genotipi, permettono di utilizzare dei sistemi più efficaci per identificare i geni implicati nel comportamento.

Henry Sturtevant, l'inventore del metodo per mappare i geni sui cromosomi, ha trovato che nel moscerino della frutta (Drosophila) una mutazione di un gene che altera il colore degli occhi influenza anche il comportamento riproduttivo. Queste relazioni sono esempi di associazione allelica, ovvero l'associazione tra un particolare allele ed un fenotipo.

Mutazioni indotte

Oltre a studiare le variazioni genetiche spontanee, per identificare i geni che influenzano i tratti complessi, inclusi quelli comportamentali, i genetisti hanno indotto mutazioni usando sostanze chimiche o raggi X. Sono stati così generati e selezionati mutanti comportamentali in organismi diversi, quali batteri, vermi, moscerini, pesci e topi. Risultati di tali indagini mostrano come i tratti comportamentali siano spesso influenzati da più geni: un ''guasto'' associato ad un unico gene può avere conseguenze che si ripercuotono su diversi aspetti del comportamento.

Si tratta del principio fondamentale della pleiotropia, il fenomeno per cui un gene può avere effetti su differenti caratteri fenotipici; il corollario è che i tratti complessi sono tendenzialmente poligenici, cioè sotto il controllo di numerosi geni.

Mutagenesi mirata

È un processo in cui un gene viene modificato in modo da alterare la funzione. I geni vengono solitamente disattivati mediante la delezione di sequenze chiave di DNA, col risultato di impedire al gene di essere trascritto (knock-out). Una volta mutato il gene viene trasferito nell'embrione di topo; dopo la selezione e l'incrocio di topi eterozigoti per la mutazione, gli effetti del knock out vengono poi studiati negli animali omozigoti per il gene mutato.

Tale strategia, tuttavia, presenta un limite: dato che il gene mutato rimane inattivo per tutta la vita, durante lo sviluppo l'organismo tende a compensare la perdita delle funzioni del gene. Per questo motivo i risultati degli esperimenti di knock-out devono essere interpretati con cautela.

Silencing genico

Tale metodo si basa sull'uso di piccoli RNA a doppio filamento che inibiscono l'espressione dei geni che contengono la loro stessa sequenza: ciò non comporta variazioni nella sequenza del DNA.

Loci per caratteri quantitativi

Il fatto che una mutazione indotta abbia effetti rilevanti su un comportamento non significa che il gene implicato sia specificatamente responsabile di tale comportamento. Inoltre, i geni modificati da mutazioni create artificialmente non sono necessariamente coinvolti nelle variazioni che avvengono in natura e che sono studiate nelle ricerche di genetica quantitativa. L'identificazione dei geni responsabili delle variazioni genetiche naturali che influenzano il comportamento è diventata possibile solo di recente; la difficoltà sta nel fatto che nel caso dei tratti comportamentali non si cercano singoli geni ma molti geni, ognuno dei quali ha un effetto relativamente piccolo: i loci quantitativi o QTL per caratteri.

Se molti geni contribuiscono a determinare dei tratti/comportamenti, questi saranno distribuiti quantitativamente: l'obiettivo è individuare almeno alcuni QTL coinvolti.

Incroci F2

Nei modelli animali viene usato maggiormente il metodo dell'associazione allelica (la correlazione o associazione tra un allele e un carattere), efficace per rilevare gli effetti di piccole dimensioni che ci si attende per i QTL. (Vedi studio sui topi in campo aperto)

Ceppei eterogenei

Per individuare in maniera più precisa le regioni cromosomiche su cui si trova un QTL si possono utilizzare animali con cromosomi in cui si è verificato un maggior numero di eventi di ricombinazione, allevando per molte generazioni topi derivati dagli incroci tra 2 o più linee consanguinee (ceppei eterogenei).

Linee consanguinee ricombinanti

Si tratta di un altro metodo usato per identificare QTL legati a comportamenti. Queste linee consanguinee ricombinate derivano da un incrocio F2 tra due linee consanguinee, portando alla ricombinazione di parti dei cromosomi delle linee parentali. Questo metodo consente ai ricercatori di lavorare sugli stessi animali perché le linee RI hanno un alto livello di incrocio.

L'analisi dei QTL è simile a quella per gli incroci F2, ma invece di confrontare individui con genotipi ricombinanti si confrontano medie di linee ricombinanti.

Omologia di sintenia

Regioni cromosomiche che nel topo sono associate a tratti comportamentali possono essere utilizzate come regioni candidate negli studi sull'uomo perché alcune parti dei cromosomi murini contengono gli stessi geni, distribuiti nello stesso ordine, rispetto a parti di cromosomi umani, secondo una correlazione chiamata omologia di sintenia. Omologia tra geni topo e geni uomo.

Il comportamento umano: natura e cultura

Per stimare e distinguere gli effetti dei geni e degli ambienti sui tratti comportamentali complessi, nella specie umana vengono utilizzati studi sui gemelli e sulle adozioni, che rientrano nella genetica quantitativa.

Studi sulle adozioni

Le somiglianze tra i membri di una famiglia possono essere legate a influenze genetiche, ad influenze ambientali o a varie combinazioni di entrambe: per distinguere le origini di tali somiglianze si utilizzano gli studi sulle adozioni.

Le adozioni creano coppie di individui geneticamente correlate che non condividono l'ambiente familiare, dall'altro individui che condividono lo stesso ambiente familiare ma non sono geneticamente correlati. Le somiglianze tra questi individui forniscono una stima del contributo genetico e di quello ambientale alle somiglianze fra i membri di una famiglia (senza identificare specifici geni o ambienti).

Genitori genetici: sono coloro che danno in adozione il figlio poco dopo la sua nascita, esistono somiglianze fra genitori biologici e bambini dati in adozione che forniscono un indice diretto delle somiglianze genetiche.

Genitori ambientali: sono genitori che poco dopo la sua nascita adottano un bambino a cui non sono geneticamente legati/correlati. Le somiglianze sono indice diretto dei contributi dell'ambiente di crescita postnatale.

Potrebbe succedere che le influenze genetiche possano essere stimate anche confrontando famiglie ''genetiche e ambientali'' con famiglie adottive, in cui le influenze sono soltanto ambientali. Anche i fratelli genetici o ambientali possono essere esaminati: i primi sono i figli degli stessi genitori biologici adottati in età precoce da famiglie diverse; i secondi, invece, sono coppie di bambini non geneticamente correlati, cresciuti nel medesimo ambiente familiare. Questi studi vengono utilizzati nelle analisi di model fitting (adattamento al modello) per valutare l'adattabilità del modello e per stimare influenze genetiche e ambientali.

Prima dei due anni vi sono pochi effetti genetici importanti, essi diventano più rilevanti quando bambini adottati da più grandi vengono esaminati per tratti come la capacità cognitiva (vedi tabella libro). Inoltre, nell'area della personalità e della psicopatologia la somiglianza tra parenti è riconducibile più alla condivisione del patrimonio genetico che alla condivisione dell'ambiente di nascita. Per questi tratti psicologici la condivisione dell'ambiente familiare non determina le somiglianze tra i membri di una famiglia. Per i parenti di primo grado di probandi (primo individuo) schizofrenici (che hanno in comune il 50% del patrimonio genetico) il rischio di schizofrenia è del 10% e non del 50%. Anche se per molti tratti l'ambiente familiare non contribuisce alla somiglianza tra i membri di una famiglia, fattori ambientali possono contribuire a determinare differenze tra i familiari.

Esperimento di Heston:

• 47 adulti figli di madri schizofreniche dati in adozione
• 47 adulti figli di madri non schizofreniche dati in adozione
• 5 adulti sono stati ospedalizzati per schizofrenia (10% del totale)

I risultati dello studio, oltre a mostrare che la schizofrenia ha una forte base genetica, indicano che l'ambiente di crescita ha un ruolo minore nella sua insorgenza: per i figli biologici il rischio è analogo se vengono allevati da genitori naturali o affidati ad una famiglia adottiva. Quindi si denota l'importanza sia dei fattori genetici che dei fattori ambientali.

Studi sui gemelli

Gemelli monozigoti: geneticamente identici, condividono il 100% del patrimonio genetico;

Gemelli dizigoti: condividono il 50% del patrimonio genetico;

Fratelli: condividono il 50% del patrimonio genetico.

Per un carattere influenzato geneticamente la somiglianza fra gemelli monozigoti deve essere più marcata di quella che si riscontra fra gemelli dizigoti. È possibile che questa maggiore somiglianza non sia dovuta a componenti genetiche ma ambientali.

Ipotesi degli ambienti equivalenti

Presuppone che le somiglianze causate dall'ambiente siano uguali per entrambi i tipi di gemelli cresciuti nella stessa famiglia. Se per i gemelli monozigoti gli ambienti fossero più simili, le influenze genetiche verrebbero sovrastate. Al contrario se i gemelli monozigoti si sviluppano in ambienti meno simili, si potrebbe sottostimare l'ereditabilità.

Esempi:

1. Durante la gravidanza la diversità dell'ambiente prenatale a cui sono esposti due gemelli monozigoti può essere maggiore. I gemelli monozigoti presentano ampie differenze di peso alla nascita, che possono essere legate ad una maggiore competizione prenatale.
2. Nelle coppie di gemelli considerati ''dizigoti'' dai genitori ma che sono biologicamente monozigoti, le somiglianze in termini di tratti comportamentali sono risultate sovrapponibili a quelle rilevate per le coppie di gemelli monozigoti identificate in maniera corretta.

Esiste però un problema: i gemelli monozigoti possono avere esperienze più simili proprio perché sono più simili geneticamente, le differenze fra gemelli monozigoti e dizigoti rispetto alle esperienze non sono però una violazione all'ipotesi degli ambienti equivalenti poiché le esperienze non sono causate dall'ambiente.

Un'ulteriore questione è quella legata alla generalizzabilità: i gemelli sono rappresentativi della popolazione generale? Essi sono diversi per due motivi principali:

• Spesso nascono prematuri e l'ambiente intrauterino può diventare avverso quando deve essere spartito. Alla nascita i gemelli hanno un peso inferiore di circa il 30% rispetto ai neonati non gemelli;
• Lo sviluppo del cervello nei primi mesi di vita risulta diverso e la capacità di parlare si sviluppa più tardivamente nei gemelli.

Non vengono riscontrate differenze rispetto ai non gemelli in termini di personalità, psicopatologia e sviluppo motorio. Quindi lo studio sui gemelli è un metodo efficace per identificare le influenze genetiche sui caratteri e i disturbi comportamentali.

Nonostante le premesse siano diverse rispetto agli studi sulle adozioni, i due metodi convergono nel concludere che fattori genetici hanno un ruolo significativo nel comportamento umano.