Totale Genetica

Lo studio di Mendel dell'ereditarietà

G.J. Mendel, all'età di 21 anni, lasciò la fattoria dei genitori ed entrò nel monastero cattolico di Brünn; qui effettuò esperimenti su una serie di piante da orto e li tentò anche sulle api, ma il successo maggiore fu ottenuto con le piante di pisello. Mendel completò i suoi esperimenti nel 1864 e nel 1865 presentò i suoi dati alla Società di Storia Naturale locale; l'anno dopo pubblicò un dettagliato articolo negli atti della Società stessa, ma sfortunatamente il suo lavoro rimase nell'oscurità fino al 1900. Le teorie di Mendel acquisirono popolarità, soprattutto grazie a un biologo inglese, William Bateson, che coniò il termine genetica, dalla parola greca il cui significato è generare.

Il pisello da orto

Il pisello da orto, Pisum sativum, è una dicotiledone, un tipo di pianta che, dalla germinazione del seme, dà origine a due foglie, dette cotiledoni; i piselli possono essere coltivati facilmente sia in orto che in serra. Una peculiarità della riproduzione del pisello è che i petali dei fiori si chiudono strettamente, riuscendo a impedire la fuoriuscita e l'entrata dei granuli pollinici: ciò rafforza il sistema di auto-fecondazione, attraverso cui i gameti maschili e femminili di uno stesso fiore si uniscono per produrre semi. È possibile, quindi, ottenere singoli ceppi di pisello auto-fecondati che presentano un livello bassissimo, se non addirittura nullo, di variabilità genetica da una generazione all'altra; questa uniformità permette di definire i seguenti ceppi come linee pure.

Mendel riuscì ad ottenere numerose linee pure differenti di pisello, ciascuna distinguibile per un particolare carattere:

• Altezza della pianta
• Forma del seme
• Colore del seme
• Forma della baccello
• Colore del baccello
• Colore del fiore
• Posizione del fiore

Incroci tra monoibridi

In un esperimento, Mendel incrociò piante di pisello alte e nane per comprendere la modalità attraverso cui veniva ereditata l'altezza: prelevò con cura le antere da una linea pura prima che il suo polline fosse maturo e applicò sullo stigma il polline di una linea differente; i semi ottenuti furono seminati l'anno seguente e produssero progenie uniformemente alta. Mendel ottenne piante alte indipendentemente dal tipo di incrocio effettuato (maschio alto con femmina nana o femmina alta con maschio nano): i due incroci reciproci fornivano lo stesso risultato. L'osservazione più significativa fu che il carattere altezza ridotta scompariva nella progenie ibrida ottenuta dall'incrocio, che risultava tutta alta.

Per riuscire a caratterizzare la costituzione ereditaria di questa progenie alta, Mendel lasciò che le piante si auto-impollinassero, favorendo il corso naturale degli eventi riproduttivi del pisello. Quando esaminò la progenie, egli riscontrò sia piante alte che nane, in un rapporto approssimativamente di 3:1. La progenie ottenuta dagli incroci tra linee di piante alte e nane era in grado di produrre progenie nana, sebbene fosse alta.

Mendel ipotizzò che queste piante contenessero latente un fattore genetico per l'altezza ridotta, che veniva mascherato dall'espressione dell'altro fattore; egli definì il fattore latente recessivo e quello espresso dominante. Ipotizzò anche che questi fattori recessivi e dominanti si separassero nel momento in cui la progenie ottenuta dal primo incrocio si riproduceva.

Mendel condusse esperimenti simili per studiare la modalità di trasmissione degli altri 6 caratteri sopracitati; in ciascun esperimento, definito incrocio tra monoibridi, osservò che soltanto uno dei due caratteri alternativi compariva nella progenie ibrida e che, quando questa veniva auto-fecondata, era in grado di produrre piante di due tipi che corrispondevano alle caratteristiche delle due linee di partenza, in un rapporto approssimativo di 3:1. Ciascun carattere analizzato sembrava essere sotto il controllo di un fattore ereditabile in grado di esistere in due forme, una dominante e l'altra recessiva; questi fattori oggi vengono definiti geni e le loro forme dominanti e recessive vengono chiamate alleli.

Le relazioni numeriche e la genetica

Le relazioni numeriche che Mendel osservava sistematicamente in questi incroci lo condussero alla conclusione che i geni fossero presenti in coppie: egli propose che ciascuna delle linee parentali utilizzate nei suoi esperimenti portasse due copie identiche di un gene, in termini moderni che fosse diploide e omozigote. Ipotizzò, d'altra parte, che durante la produzione dei gameti queste due copie si riducesse a una; quindi, i gameti ottenuti da una meiosi portano una singola copia di un gene o, più correttamente, sono aploidi. Concluse correttamente che il numero diploide di geni si ristabilisce quando spermatozoo e uovo si uniscono per formare uno zigote.

Inoltre, egli comprese che, se spermatozoo e uovo provengono da piante geneticamente differenti, lo zigote eredita due alleli differenti, uno dalla madre e uno dal padre; una progenie simile viene definita eterozigote. Gli alleli presenti in un eterozigote devono coesistere, anche se uno è dominante e l'altro recessivo, e che ciascuno di essi deve avere una uguale probabilità di entrare in un gamete quando l'eterozigote si riproduce; inoltre, intuì che incroci casuali in una popolazione mista di gameti dovrebbero produrre alcuni zigoti con entrambi gli alleli recessivi. In questo modo riuscì a spiegare la ricomparsa dei caratteri recessivi nella progenie degli individui ottenuti dagli incroci iniziali.

Le linee pure e il genotipo

Le due linee pure, quella alta e quella nana, sono omozigoti per alleli differenti di un gene che controlla l'altezza delle piante. Poiché l'allele per l'altezza ridotta è recessivo, viene rappresentato da una lettera minuscola, d, mentre l'allele dominante era presentato da una lettera maiuscola, D; quindi le linee pure di pisello alte e nane sono rappresentate rispettivamente da DD e dd. La costituzione allelica di ciascuna linea viene definita genotipo; al contrario, l'aspetto di ciascuna linea, cioè la forma, alta o nana, viene definita fenotipo.

Le piante di pisello alte e nane, che rappresentano le linee parentali, costituiscono la generazione P, mentre la loro progenie viene definita prima generazione filiale, o F1. Poiché ciascun genitore fornisce un uguale contributo alla progenie, il genotipo delle piante F1 deve essere Dd; ciò significa che questi individui sono eterozigote per gli alleli che controllano l'altezza delle piante. Tuttavia, il loro fenotipo è identico a quello della linea parentale DD, in quanto D è dominante rispetto a d.

Durante la meiosi, queste piante F1 producono due tipi di gameti, D e d, in proporzioni uguali; nel genotipo eterozigote nessuno dei due alleli viene modificato dalla coesistenza con l'altro, ma ciascuno si separa dall'altro, o segrega, durante la formazione dei gameti. Durante l’auto-fecondazione, i due tipi di gameti prodotti possono unirsi in tutti i modi possibili, producendo potenzialmente quattro tipi di zigoti: DD, Dd, dD e dd; a causa della dominanza, tre di questi genotipi avranno lo stesso fenotipo. Quindi, nella generazione seguente, chiamata F2, le piante saranno sia alte che nane, in un rapporto di 3:1.

Le leggi di Mendel

L'analisi di questo e altri incroci tra monoibridi, permisero a Mendel di formulare due leggi fondamentali:

• Legge della dominanza: in un eterozigote, un allele può mascherare la presenza dell'altro.
• Legge della segregazione: in un eterozigote, due alleli differenti segregano durante la formazione dei gameti.

Incroci tra diibridi

Mendel effettuò anche esperimenti con piante che differivano per due caratteri; egli incrociò piante di pisello che producevano semi gialli e lisci con piante che producevano semi verdi e rugosi, allo scopo di capire se due caratteri del seme venivano ereditati in maniera indipendente. Poiché i semi della F1 erano tutti gialli e lisci, gli alleli che determinano questi due caratteri devono essere dominanti.

Mendel fece crescere le piante da questi semi e lasciò che si auto-fecondassero; riuscì poi a contare i semi della F2 e a classificarli in base al fenotipo: le quattro classi fenotipiche ottenute rappresentavano tutte le possibili combinazioni dei caratteri colore e forma del seme. Due classi (semi gialli lisci / semi verdi rugosi) erano identiche alle linee parentali, mentre le altre due (semi verdi lisci / semi gialli rugosi) mostravano una combinazione nuova dei caratteri; le quattro classi avevano un rapporto approssimativo di 9:3:3:1. I dati numerici della F2 suggerivano una spiegazione semplice: ciascun carattere veniva controllato da un gene differente, con due alleli che segregavano, e i due geni erano ereditati indipendentemente.

In questo incrocio tra diibridi, i due alleli del gene per il colore del seme sono g e G, mentre per il gene della forma sono w e W; le linee pure parentali devono essere doppi omozigoti: le piante con semi gialli lisci sono GGWW (con gameti GW) e quelle con semi verdi rugosi ggww (con gameti gw). La fecondazione incrociata tra questi loro gameti produce piante F1 doppie eterozigoti, GgWw, e il loro fenotipo a semi gialli e lisci indica che gli alleli dominanti sono G e W.

La legge della segregazione prevede che la progenie F1 produca quattro differenti genotipi gametici: GW, Gw, gW e gw; se gli alleli di ciascun gene segregano indipendentemente, le quattro classi avranno frequenza uguale, cioè ciascuna sarà il 25% del totale. Su questa base, auto-fecondando gli individui F1, si potranno ottenere 16 genotipi zigotici ugualmente frequenti; la struttura genetica dello zigote sarà determinata dalla combinazione dei gameti che lo costituiscono. Sono distinguibili quattro fenotipi nella F2:

• Giallo liscio 9/16
• Giallo rugoso 3/16
• Verde liscio 3/16
• Verde rugoso 1/16

Questa analisi si basa su due assunzioni: (1) che gli alleli di ciascun gene segreghino e (2) che ogni segregazione sia indipendente; la seconda assunzione implica che non esista alcuna relazione tra la segregazione dei due geni. Ad esempio, un gamete che riceve W in seguito alla segregazione del gene per la forma del seme può ricevere con uguale probabilità sia l'allele G che quello g.

Mendel effettuò esperimenti simili anche con altre combinazioni di caratteri e, in ogni caso, osservò la segregazione indipendente dei geni. I risultati di questi esperimenti lo portarono a denunciare un terzo principio:

• Legge dell'assortimento indipendente: gli alleli di geni differenti segregano, o si distribuiscono, indipendentemente tra loro.

Applicazioni delle leggi di Mendel

Quadrato di Punnet: rappresentazione semplificata delle possibili combinazioni gametiche che possono verificarsi durante la fecondazione (massimo due geni).

Schema Ramificato: procedura che consente di prevedere il risultato di un incrocio che coinvolge due o più geni; utilizzando questo metodo la progenie viene collocata in uno schema a linee ramificate. Ad esempio, in un incrocio tra due piante di pisello eterozigote per tre geni (DdGgWw) che si distribuiscono indipendentemente, uno che controlla l'altezza della pianta, uno il colore del seme e uno la forma del seme, ogni incrocio può essere visto come un incrocio tra monoibridi; i fenotipi attesi per ciascun gene dovrebbero comparire in un rapporto di 3:1.

Questo metodo può essere utilizzato anche per analizzare i risultati di incroci tra individui eterozigoti per molti caratteri e i relativi omozigoti; questo tipo di incrocio è definito reincrocio, o testcross. Per esempio, se una pianta di pisello eterozigote (DdGgWw) viene incrociata con una pianta omozigote recessiva per i tre caratteri (ddggww), si potrà predire il fenotipo della progenie considerando che nel genitore eterozigote ciascuno dei tre geni segrega gli alleli recessivi e dominanti in un rapporto di 1:1 e che il genitore omozigote trasmette solo gli alleli recessivi di questi geni.

Verifica delle ipotesi genetiche

In genetica si è generalmente interessati a decidere se i risultati di un incrocio sono compatibili con una data ipotesi oppure no. Ad esempio, consideriamo i dati ottenuti da Mendel dall’incrocio tra diibridi relativo al colore e alla forma dei semi di pisello; nella F2 furono esaminati 556 semi e suddivisi in quattro classi fenotipiche. In base ai dati, egli ipotizzò che il colore e la forma dei piselli fossero controllati da geni diversi, che ciascuno di questi geni segregasse due alleli e che i due geni assortissero indipendentemente. Confrontando i dati osservati dall'esperimento e quelli attesi, si è potuto notare che le differenze tra di essi sono così piccole da poterle attribuire al caso.

Sfortunatamente, i risultati di un esperimento genetico non sempre sono in accordo con le previsioni formulate in base a un'ipotesi. Si consideri, ad esempio, i dati ottenuti da Hugo De Vries, uno degli scopritori del lavoro di Mendel; egli incrociò diverse varietà di silene bianca: una varietà aveva fiori rossi e foglie pelose, l'altra fiori bianchi e foglie lisce. Le piante della F1 avevano tutte fiori rossi e foglie pelose e, incrociate tra loro, producevano piante F2 suddivisibili in quattro classi fenotipiche. De Vries propose che il colore del fiore e il tipo di foglie fossero controllati da due geni diversi, che ogni gene segregasse due alleli, uno dominante e uno recessivo, e che i due geni assortissero in modo indipendente; applicò quindi l'ipotesi di Mendel. Tuttavia, confrontando i dati osservati e quelli attesi, rilevò delle discrepanze preoccupanti.

L'analisi dei dati deve avvenire tramite delle procedure statistiche per misurare le discrepanze; il test più utilizzato in genetica è detto test del chi-quadro (χ²), che consente il confronto tra i dati reali ottenuti da un incrocio e quelli attesi; se i dati reali non sono in accordo con quelli attesi, il χ² supererà il valore critico e si dovrà decidere o di riconsiderare l'esperimento o di respingere l'ipotesi iniziale. Se invece il χ² è inferiore a quel valore, si può concludere provvisoriamente che i risultati dell'esperimento sono in accordo con le previsioni formulate in base all'ipotesi.

I dati della F2 di De Vries mostravano alcune discrepanze: Per ogni classe fenotipica della F2, si calcola la differenza fra il numero dei figli osservati e attesi e si eleva al quadrato questa differenza, poi si divide ogni differenza al quadrato per il numero di progenie attesa corrispondente; infine, si sommano tutti i termini per ottenere il χ² statistico:

χ² = Σ (O-E)² / E

Per i dati di Mendel, il χ² è 0,51 e per i dati di De Vries è 22,94.

Se i numeri osservati e quelli attesi sono in accordo tra loro, il χ² sarà piccolo, come si verifica con i dati di Mendel; se sono in forte disaccordo, esso sarà grande, come succede per i dati di De Vries. Confrontando il valore di χ² ottenuto e delle tavole di valori critici di χ², in base al numero di gradi di libertà, possiamo determinare quanto la nostra ipotesi sia attendibile.

Il valore critico è il punto al quale le differenze tra i numeri osservati e quelli attesi non sono probabilmente dovute al caso; mentre, i gradi di libertà sono calcolati sottraendo uno al numero di classi fenotipiche considerate.

Principi mendeliani in genetica umana

L'applicazione delle leggi di Mendel alla genetica umana cominciò subito dopo la riscoperta del suo lavoro, nel 1900. L'analisi dell'ereditarietà nell'uomo dipende dai ricordi di famiglia, che spesso sono incompleti; inoltre, gli uomini non generano solitamente una progenie numerosa né vivono in un ambiente controllato, e ciò rende complicato il riscontro dei tipici rapporti mendeliani.

Gli alberi genealogici sono diagrammi che illustrano le relazioni intercorrenti tra i membri di una famiglia. I maschi vengono rappresentati convenzionalmente da un quadrato e le femmine da un cerchio; il matrimonio è raffigurato con una linea orizzontale che congiunge un maschio e una femmina. La progenie viene disegnata al di sotto della coppia parentale e il primogenito è il primo rappresentato, partendo da sinistra. Gli individui che presentano un determinato carattere genetico vengono rappresentati colorando o ombreggiando il simbolo corrispondente. Le generazioni vengono indicate generalmente con numeri romani e gli individui all'interno di una generazione con numeri arabi.

I caratteri determinati da alleli dominanti sono i più facili da identificare: 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 genealogico. Ogni individuo che manifesta il carattere deve avere almeno un genitore affetto tranne che nel caso in cui, ovviamente, l'allele dominante sia comparso in una famiglia in seguito a una mutazione.

L'identificazione dei caratteri recessivi non è così facile, perché possono comparire in individui i cui genitori non li presentino; in alcuni casi, per individuare la trasmissione di un allele recessivo in un albero genealogico sono necessarie informazioni su numerose generazioni. Quando i genitori sono legati da vincoli di parentela, ad esempio sono cugini, i caratteri recessivi rari hanno maggiore probabilità di comparire nella progenie, perché i consanguinei condividono gli alleli ereditati dal progenitore comune; quando s'incrociano consanguinei, dunque, aumenta la probabilità che essi generino un figlio omozigote per un particolare allele recessivo rispetto a coppie che non hanno.