Riassunto Genetica (con esercizi di ricapitolazione)

Genetica formale

La genetica è la scienza che studia l'ereditarietà dei caratteri.

Introduzione storica della genetica

Il concetto di genetica per come è inteso nel senso odierno è stato introdotto nel 1905 da William Bateson. Sin dall'antichità però l'uomo ha cercato somiglianze fra gli avi e le generazioni future (come ad esempio nell'agricoltura), pur basandosi su conoscenze non ancora ben ordinate.

Tappe della genetica

I primi studi sperimentali di genetica furono effettuati da Gregor Mendel nel 1866. I suoi studi si riferivano in particolare all'ereditarietà dei caratteri nel pisello odoroso. Questi studi si basavano oltre che sul metodo sperimentale anche su relazioni matematiche. Mendel introdusse i cosiddetti "fattori" o "entità" indivisibili che sarebbero i geni presenti nei gameti. Solo nel 1902 questi "fattori" li si individuarono nei cromosomi e solo nei primi decenni del '900 li si osservarono sperimentalmente nei cromosomi. Nel 1953 Watson e Crick determinarono la struttura del DNA.

Le malattie genetiche si cominciarono a studiare agli inizi del novecento attraverso gli studi di Garrod sulle alterazioni metaboliche. Nel 1941 fu introdotto il concetto di "un gene-un enzima" che tuttavia oggi è superato. Dagli anni '50 la genetica si trasforma da scienza descrittiva a scienza molecolare. Gli studi molecolari si applicarono inizialmente soprattutto ai microorganismi. Da questi studi si ricavarono la decodifica del codice genetico universale e lo studio sulla regolazione.

Organizzazione cellulare

Cellula procariotica

Le cellule procariotiche come ad esempio l'Escherichia coli sono cellule batteriche allungate che presentano sulla loro superficie una doppia membrana con all'interno una parete cellulare. Sulla membrana esterna può essere presente una capsula con dei pili e dei flagelli. Nel citoplasma sono presenti il materiale genetico e i ribosomi in cui avviene la sintesi proteica (o traduzione del DNA).

Cellula eucariotica

Questa cellula presenta una membrana citoplasmatica con all'interno: i mitocondri (con un proprio DNA mitocondriale); i ribosomi presenti attorno al reticolo endoplasmatico (rugoso); l'apparato di Golgi; i lisosomi; i centrioli; i perossisomi e il DNA che si trova nel nucleo. La cellula eucariotica vegetale si distingue da quella animale perché oltre alle strutture appena elencate possiede anche uno o più vacuoli, i cloroplasti e la parete cellulare.

Gli studi delle cellule procariotiche ed eucariotiche sono stati possibili grazie alle tecniche di colorazione artificiale associate a quelle di microscopia a scansione e a fluorescenza. Maggiore è la superficie cellulare maggiore è la sua capacità di assorbimento e di effettuare scambi con l'ambiente esterno.

Riproduzione cellulare

Le cellule procariotiche si riproducono in maniera identica rispetto alla cellula madre attraverso la scissione binaria. Il ciclo di vita delle cellule eucariotiche è contraddistinto da distinte fasi cellulari: la fase G₁ (crescita della cellula e replicazione del DNA); in certi casi può essere presente la fase G₀ (contraddistinta dallo stato di quiescenza); la fase S (in cui avviene la duplicazione del DNA); e la fase G₂ (in cui si ha la preparazione alla divisione cellulare). La maggior parte del ciclo di vita cellulare (interfase) comprende le fasi sopradescritte e si conclude con la fase M in cui si ha la mitosi seguita dalla citocinesi.

Cromosomi

I cromosomi si trovano nel nucleo e sono costituiti da DNA e proteine condensati. Hanno una forma a croce e un centromero che unisce i due cromatidi di cui sono costituiti. I cromatidi hanno ognuno due bracci, uno più lungo dell'altro, all'estremità di questi sono presenti delle strutture chiamate telomeri. I cromosomi si dicono metafasici dal momento che si formano durante la metafase. Durante la mitosi o meiosi la cromatina presente nel nucleo comincia a condensarsi per formare i cromosomi, in particolare il DNA si aggrega grazie a delle strutture proteiche chiamate istoni (condensazione di primo grado). Queste strutture sono formate a loro volta da cromatina condensata. In particolare i filamenti di DNA sono avvolti attorno ad una struttura sferoidale costituita da quattro subunità di istoni formate ognuna da due sottounità uguali. Per mantenere fissato il DNA alla struttura sferoidale viene impiegato un ulteriore istone (H1).

Gli stadi della condensazione della cromatina si susseguono partendo dalla semplice doppia elica del DNA spessa 2 nm; questa subisce poi la condensazione di primo grado andando a formare una "collana di perle" spessa 11 nm; grazie all'introduzione di proteine dell'impalcatura si viene a formare una fibra di nucleosoma spessa circa 30 nm; con l'introduzione di ulteriori proteine dell'impalcatura si hanno dei ripiegamenti della struttura che vanno a formare delle anse, queste sono seguite da super avvolgimenti fino a formare il cromosoma spesso circa 1400 nm.

Il telomero è costituito da sequenze di basi caratteristiche per ogni specie. Ad esempio, l'uomo ha la sequenza TTAGGG. Anche il centromero è costituito da sequenze basiche caratteristiche per specie, in questo caso però si parla di sequenze molto più numerose. Inoltre, il centromero legandosi a delle proteine specifiche permette la formazione del cinetocore, struttura funzionale al legame con i microtubuli del fuso. L'assetto cromosomico degli animali comprende in genere l'aploidia n e la diploidia 2n, quello di piante e funghi può comprendere anche la poliploidia.

La fase S serve a replicare il DNA in modo che sia redistribuito in porzioni uguali dalla cellula madre alle cellule figlie. Quindi una quantità in picogrammi precedente alla fase S dal valore (per esempio) 2C, viene trasferita alle cellule figlie in porzione uguale quindi 2C (nel caso di mitosi) per un totale di 4C replicato. In caso di meiosi passando dall'assetto cromosomico 2n a quello n si passa da una quantità 2C ad una C per ogni cellula formata per un totale di 4C. Ogni specie ha un proprio specifico corredo cromosomico: l'uomo ad esempio ha un corredo 2n formato da 46 cromosomi, di cui 23 n provenienti da padre e gli altri dalla madre.

Mitosi

La mitosi è il processo attraverso il quale da una cellula si formano due cellule identiche alla cellula madre. Questo processo si caratterizza per la presenza di quattro fasi:

• Profase in cui si ha la dissoluzione del nucleo della cellula, la cromatina comincia a condensarsi, i centrioli all'interno dei centrosomi cominciano a spostarsi verso i poli del piano di divisione.
• Metafase in cui i cromosomi sono formati e allineati sul piano di divisione; dai centrioli si dipartono dei microtubuli che sono fissati in corrispondenza del cinetocore dei cromosomi e la membrana nucleare è completamente dissolta.
• Anafase in cui si ha la scissione dei cromatidi fratelli omologhi che erano uniti in corrispondenza del cinetocore ed emigrano verso i centrosomi.
• Telofase in cui i cromatidi segregati nei rispettivi poli cominciano a decondensarsi e comincia a riformarsi il nucleo; Questa fase è associata al processo di citocinesi alla fine del quale si formano due cellule identiche alla cellula madre.

Meiosi

La meiosi è il processo attraverso il quale a partire da una cellula 2n (4C) si arriva a quattro cellule n ognuna C. Questo processo comprende due divisioni cellulari caratterizzate dalla meiosi I e la meiosi II.

Meiosi I

• Profase I che comprende anche convenzionalmente altre 5 sottofasi (leptotene, zygotene, pachytene, diplotene e diachinesis). In questa fase si ha la condensazione del DNA, la disgregazione del nucleo, l'orientamento dei centrosomi ai poli del piano di divisione e l'appaiamento dei cromosomi non omologhi con il crossing-over grazie al complesso proteico sinaptonemale.
• Metafase I si ha l'allineamento dei cromosomi ricombinati al centro della piastra metafasica e il legame di questi con i microtubuli dei centrosomi, i cromosomi però a differenza della mitosi sono legati ad un solo lato del cinetocore.
• Anafase I cromosomi non fratelli ricombinati vengono divisi e fatti migrare verso i poli.
• Telofase I i cromosomi si decondensano, si riforma il nucleo e avviene la citocinesi.

Una volta formate le due cellule figlie queste subiscono la meiosi II portando alla formazione di 4 cellule aploidi tutte diverse tra loro. La meiosi II comporta due divisioni cellulari associate allo stesso processo che avvengono contemporaneamente.

Meiosi II

• Profase II si condensa la cromatina, si disgrega il nucleo e i cromosomi cominciano ad allinearsi sul piano di divisione.
• Metafase II i cromosomi sono allineati sulla piastra metafasica e collegati ai microtubuli provenienti dai centrosomi presenti ai poli.
• Anafase II comporta la divisione dei cromatidi fratelli e la loro migrazione verso i poli a cui sono più vicini.
• Telofase II comporta la decondensazione dei cromatidi, la formazione del nucleo e la citocinesi.

Variabilità genetica

La variabilità genetica senza crossing-over comporta un assortimento di tipo casuale. In questo caso se si parte dai cromosomi del padre e della madre che non si combinano tra loro alla fine del processo meiotico possono esserci due tipi di combinazioni:

• I cromosomi del padre non si sovrappongono a quelli della madre e alla fine del processo si hanno due tipi di cellule aploidi che formano ognuna due copie identiche aploidi con un solo tipo di cromatide ognuna, paterno o materno.
• Se i cromosomi si sovrappongono alla fine del processo si hanno due cellule contenti entrambi i cromosomi materni e paterni, queste in seguito si dividono e formano due tipi di cellule aploidi ognuna, con la differenza rispetto all'altra cellula che ha compiuto la divisione che variano le dimensioni dei cromatidi presenti nella cellule finali.

È possibile calcolare l'assortimento casuale del corredo aploide di una specie facendo 2ⁿ dove n è il numero del corredo cromosomico di una specie considerata. Nel caso di variabilità con crossing-over le combinazioni possibili per formare cellule aploidi diverse alla fine della meiosi II sono molto più elevate perché ogni cellula formata a seguito di tale processo ha una combinazione unica di alleli.

Spermatogenesi e oogenesi

La spermatogenesi avviene a partire da uno spermatogonio che subisce varie divisioni mitotiche rimanendo con l'assetto cromosomico 2n e partendo con il valore 4C a seguito della fase S. In seguito uno spermatogonio subisce la meiosi I diventando spermatocita primario con assetto n e valore 2C. Lo spermatocita primario subisce la meiosi II e diventa spermatocita secondario con assetto n e valore C. Il materiale genetico di quest'ultimo viene trasferito attraverso dei ponti citoplasmatici negli spermatidi.

L'oogenesi avviene a partire dall'oogonio che in seguito alla fase S acquisisce il valore 4C rimanendo con assetto 2n. Dopo la prima meiosi diventa oocita primario con assetto n e valore 2C insieme ad un altro globulo polare. L'oocita primario subisce la seconda meiosi e si formano due cellule di cui una che diventa globulo polare e l'altra diventa cellula uovo, entrambe con assetto n e valore C.

Problemi di genetica

1. Il corredo aploide n del topo domestico (Mus musculus) è pari a 20.

   • Quanti cromosomi e quanti cromatidi sono presenti in una cellula somatica in fase G₀ o G₁?
   • Quanti cromosomi e cromatidi sono presenti in un oocita primario?
   • Quanti cromosomi e quanti cromatidi sono presenti in un embrione a 4 cellule, tutte in fase G₁?

2. Data una serie di organismi diversi, determinare i rispettivi numeri di cromosomi in un corredo diploide in base alle seguenti osservazioni citologiche:

   • 16 tetradi (associazione di omologhi) alla metafase I della meiosi
   • 12 centromeri all'anafase II della meiosi

Gli studi di Mendel

Mendel è considerato il padre della genetica per i suoi primi studi sui caratteri monogenici del pisello ornamentale.

Metodologia sperimentale

Per effettuare i suoi studi Mendel scelse come organismo sperimentale il pisello odoroso. Fece uno studio dei caratteri, una attenta e meticolosa analisi dei dati raccolti e un'analisi matematica dei risultati. Si osservò che di 7 caratteri osservati della pianta ognuno esisteva in due forme alternative. Mendel chiamò queste forme alternative dei caratteri del pisello "fattori" che in seguito verranno chiamate alleli. Combinando per etero-fecondazione due piante riferite ognuna ai caratteri che esistono in forma alternativa, si osservò che l'espressione genica, cioè il fenotipo dei discendenti, era uguale al cento per cento di uno dei due genitori. Vennero quindi chiamati caratteri dominanti i caratteri espressi dai discendenti ereditati direttamente dal genitore che li esprimeva e caratteri recessivi i caratteri non espressi dai discendenti riferiti al genitore che li esprimeva.

Quindi mentre il genotipo sono i fattori responsabili dell'ereditarietà dei caratteri, il fenotipo sono l'espressione di questi da parte dei discendenti. Ulteriori esperimenti in seguito hanno dimostrato che:

A partire da due linee pure DD e dd, dove DD sono entrambi i caratteri dominanti degli alleli, e dd sono i caratteri recessivi di un altro cromosoma, si osserva che i discendenti diretti per etero-fecondazione delle linee pure sono al 100% Dd. Per autofecondazione i discendenti della generazione F1 Dd danno un fenotipo di ¾ del carattere dominante e di ¼ recessivo. Dei ¾ del fenotipo dominante 2/3 hanno i caratteri Dd e 1/3 DD. Mentre l'¼ che esprime il fenotipo recessivo hanno i caratteri dd.

Legge di segregazione di Mendel

• In un individuo eterozigote due alleli segregano formando due gameti.
• I gameti si ricombinano casualmente producendo diverse combinazioni alleliche.

Nel caso in cui gli individui della generazione F1 portano alleli diversi si utilizza il test cross: Utilizzando il quadrato di Punnet si ha che, se si incrociano un individuo eterozigote con uno omozigote recessivo si ottiene una progenie al 50% con fenotipo dei caratteri dominanti Dd e Dd, e al 50% recessivi dd e dd. Se si incrociano un individuo eterozigote con uno omozigote dominante si ottiene il 100% del fenotipo dominante di cui ½ DD e ½ Dd.

3. Il colore viola del fiore (B) è dominante sul colore bianco (b). Sulla base delle osservazioni di Mendel fare previsioni dei risultati dei seguenti incroci di piante di pisello:

   • Progenie di F1 autoimpollinata
   • La progenie di F1 x genitore a fiori bianchi

4. Parentali a fenotipo noto ma con genotipo ignoto hanno prodotto la progenie indicata:

   • "Genitori" 'Progenie' "viola x bianco" '82 viola 78 bianchi'
   • "bianco x bianco" '0 viola 50 bianchi'

5. Due linee di topi frequentemente inincrociate, una con pelliccia nera e l'altra con pelliccia grigia, sono state incrociate tra loro e tutta la progenie aveva pelliccia nera. Qual è il risultato atteso dall'inincrocio di questa progenie?

6. Due coppie di topi in cui la femmina ha il pelo di colore nero e il maschio ha pelo marrone sono state incrociate. Dalla prima coppia sono nati 26 topi, tutti a pelo nero, dalla seconda 10 topi a pelo nero e 12 a pelo marrone. Stabilire come viene determinato geneticamente il colore del pelo e assegnare un genotipo ai topi incrociati.

Analisi di due caratteri

Nel casi sopra riportati si fa riferimento ad incroci monoibridi in cui si ha la combinazione di un solo carattere che può essere dominante o recessivo. Nel caso di incrocio riferito a due caratteri ci si riferisce ai diibridi. L'analisi in generale comunque può riguardare l'incrocio di due o più caratteri. Se si incrociano due caratteri omozigoti dominanti con due caratteri omozigoti recessivi si ottiene una progenie F1 con genotipo completamente eterozigote RRYY x rryy → RrYy. Per autofecondazione in F2 gli eterozigoti producono 4 genotipi differenti (RY, Ry, rY, ry) che se fecondati tra loro producono 16 genotipi differenti che stanno in un rapporto di differenze fenotipiche del tipo 9:3:3:1.

La terza legge di Mendel o principio dell'assortimento indipendente afferma che: alleli di geni differenti segregano fra loro in maniera indipendente. Gli eterozigoti della F1 degli incroci diibridi di linea pura possono essere incrociati per inincrocio (test cross) con degli omozigoti recessivi a formare 4 fenotipi associati a 4 genotipi individuabili attraverso il quadrato di Punnet.

Procedure metodologiche

Per ottenere gli stessi risultati negli incroci è possibile utilizzare tre metodi.

• Il quadrato di Punnet permette di determinare i genotipi e i rispettivi fenotipi a partire da uno o più caratteri di incrocio. Tuttavia è conveniente utilizzarlo quando si tratta di determinare i risultati a partire da uno o due caratteri.
• Il metodo del diagramma ramificato (o della biforcazione) permette di fare una classificazione dei fenotipi derivanti dagli incroci di 1 o più caratteri e determinare il rapporti in cui si trovano i fenotipi individuati. A questo scopo è utile considerare i rapporti numerici delle progenie derivanti dagli incroci di eterozigoti monoibridi e fare il prodotto con gli altri caratteri il cui rapporto si trova ancora nello stesso modo appena descritto.
• Il metodo della probabilità permette di determinare come il diagramma ramificato le varie classi dei fenotipi e il