Le leggi della Genetica

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1 Le leggi della Genetica La genetica studia le caratteristiche ereditarie e come esse si trasmettono attraverso le generazioni. Si tratta di un campo di indagine scientifica vastissimo che, sulla base di studi fondamentali eseguiti da Gregor Mendel negli anni cinquanta e sessanta del secolo XIX, ha avuto un grandissimo sviluppo nel nostro secolo. Mendel crebbe in una piccola fattoria, dove imparò le tecniche della riproduzione controllata delle piante per migliorarne la qualità. Inoltre studiò scienze naturali e matematica per due anni all università di Vienna. Mendel fu monaco e visse in un monastero, dove insegnava matematica e dove si occupava dei suoi studi di genetica. Qui accoppiò sperimentalmente le piante di pisello con caratteristiche diverse (usò le piante di pisello perché erano facilmente controllabili). Mendel scelse sette caratteri nei piselli facilmente identificabili, ognuno dei quali poteva presentarsi in due diverse forme (dominante e recessiva). Selezionò le linee pure per un certo tratto genetico. Egli incrocio due individui di due linee pure aventi caratteristiche opposte (per esempio semi lisci una e semi corrugati l altra), cioè un incrocio monoibrido. Tramite questi esperimenti Mendel dedusse le Leggi di Mendel : I legge di Mendel (o legge della dominanza): dice che incrociando due individui di linea pura (o omozigoti = hanno due fattori uguali per un dato carattere) che differiscono per un carattere, tutti i figli presentano nel fenotipo (= stesso aspetto fisico) la forma dominante di quel carattere, mentre la forma recessiva resta nascosta (è presente solo nel genotipo = diversa combinazione di alleli; alleli = due forme alternative di uno stesso gene). I figli di omozigoti sono eterozigoti, cioè hanno alleli diversi per un dato carattere. Non tutti i caratteri si comportano in modo così netto da poter individuare un fattore recessivo e uno dominante. Infatti molti caratteri sono tali che i figli manifestano un carattere intermedio. Per esempio: se si incrocia un fiore con corolla rossa (carattere puro) con uno con corolla bianca (carattere puro), la prima generazione avrà una pigmentazione intermedia, cioè rosa. II legge di Mendel (o della segregazione dei caratteri): afferma che nell incrocio della prima generazione i fattori che determinano un carattere si separano nella formazione dei gameti. Nella seconda generazione compare così di nuovo il fattore recessivo, nella percentuale del 25%. Perciò la seconda generazione avrà il 25% di fattore dominante, il 50% di eterozigoti e il 25% di fattore recessivo. III legge di Mendel (o dell indipendenza dei caratteri): consiste nell incrociare due individui di linea pura che differiscono fra loro per più di un carattere, le coppie di fattori che determinano i vari caratteri si comportano indipendentemente le une dalle altre. La legge dell indipendenza dei caratteri è valida solo quando i geni in esame si trovano su cromosomi diversi. Se fossero sullo stesso cromosoma non sarebbero mai trasmissibili l uno dall altro. Gli incroci monoibridi (incrocio di due linee pure aventi caratteristiche opposte): Mendel fece degli incroci in cui seguiva l eredità di un singolo carattere in due generazioni successive. Nell esperimento qui rappresentato tutte le piante della generazione F 1 formano semi lisci, mentre le piante della generazione F 2 hanno semi sia lisci sia corrugati nel rapporto 3:1. Mendel concluse che vi sono coppie di fattori genetici, uno per ognuna delle due forme alternative in cui un carattere si presenta (per esempio L e l).

2 Il metodo del quadrato di Punnet: è un facile modo per fare previsioni sui possibili genotipi e fenotipi (e sul loro rapporto quantitativo) in un incrocio in cui tutti gli alleli abbiano la stessa probabilità di essere ereditati. Nel quadrato di Punnet si riportano in alto tutti i possibili tipi di gameti maschili e sul lato tutti i possibili gameti femminili. Nei riquadri si scrivono le possibili combinazioni prodotte dalla fecondazione; ogni riquadro contiene perciò un genotipo formato dalla combinazione di due alleli. Generazione F 2 : L l Gameti maschili L LL Ll l Ll ll Gameti femminili I rapporti tra genotipi sono 1:2:1 (LL:Ll:ll). I rapporti tra fenotipi saranno invece di 3:1, cioè il carattere recessivo ricompare in un quarto della generazione F 2 degli incroci di Mendel, dopo essere scomparso nella generazione F 1. I principi della predominanza e della segregazione degli alleli non valgono soltanto per le piante di pisello, ma anche per tutti gli organismi diploidi che si riproducono sessualmente, le scoperte di Mendel possono aiutarci a spiegare l eredità dei caratteri negli esseri umani. Gli incroci diibridi: quando si incrocia una pianta di linea pura per i caratteri seme liscio e seme giallo (LLGG) con una pianta di linea pura per i caratteri seme corrugato e seme verde (llgg), i discendenti della generazione F 1 sono tutti eterozigoti (= alleli diversi per un dato carattere) (LlGg) per entrambi i caratteri. L autofecondazione di una pianta F 1 produce, nella generazione F 2, nove genotipi e quattro fenotipi. Mendel ottene il rapporto 9:3:3:1. Trovò anche che la generazione F 2 era formata da piante con i nove possibili genotipi, approssimativamente nei rapporti previsti di 1:2:1:2:4:2:1:2:1. I cromosomi: I caratteri ereditari sono portati dai cromosomi, contenuti nel nucleo delle cellule che costituiscono gli organismi viventi. Ogni organismo appartiene a una determinata specie e porta in ciascuna sua cellula lo stesso numero di cromosomi, ossia il medesimo corredo cromosomico o cariotipo. I cromosomi sono associati in coppia: i cromosomi di una singola coppia, detti omologhi, derivano uno dal padre e uno dalla madre. Una situazione di questo tipo viene detta diploide e simboleggiata con 2n. Ogni umano a 23 coppie di cromosomi: 22 coppie sono formate da cromosomi a due a due identici per forma, mentre la 23 coppia è formata: nella donna da due cromosomi uguali a forma di X, mentre nell uomo da un cromosoma a forma di X e da uno a forma di Y, detti appunto cromosomi X e Y. Però le cellule sessuali hanno solo 23 cromosomi (perciò non sono diploidi) e sono dette aploidi. Le istruzioni relative ai caratteri ereditari sono trasmesse da una generazione alla successiva proprio per mezzo dei cromosomi, o meglio, attraverso la lunga molecola di DNA in essi contenuta: a ogni carattere corrisponde un tratto di DNA caratterizzato da una precisa sequenza di nucleotidi. Nelle cellule che non sono impegnate nella divisione i cromosomi sono dispersi nel nucleo, formando nell insieme la cromatina, ma, con l inizio della divisione, queste lunghissime fibre di DNA e proteine si avvolgono, assumendo una forma compatta, quella dei cromosomi mitotici, strutture adatte al processo di separazione. La formazione del cromosoma facilita in modo notevole la divisione cellulare. Quando la condensazione della cromatina è quasi completa, appare evidente che ogni cromosoma è formato da due porzioni identiche, dette cromatidi, unite tra loro nel centromero. I due cromatidi che formano un cromosoma

3 mitotico generalmente sono identici nel loro contenuto genetico e sono una testimonianza visibile della replicazione dei cromosomi avvenuta in una fase che precede l inizio della mitosi. L esatta separazione dei due cromosomi richiede l intervento di un apparato cellulare chiamato apparato del fuso, costituito principalmente da fibre formate da fascetti di microtuboli. Queste fibre del fuso si estendono tra due poli, formando un canestro che costituisce un impalcatura di sostegno dei cromosomi e agisce anche come una macchina in grado di spostarli. Mitosi Profase: è la prima fase della mitosi, è la più lunga e comprende una serie di attività, tra cui la condensazione dei cromosomi, la formazione del fuso mitotico e il doppiaggio di tutte gli organelli presenti nella cellula. Metafase: durante la metafase i cromosomi della cellula in divisione si trovano allineati su un piano a metà strada tra i due poli del fuso che corrisponde all equatore della cellula. I cromosomi sono tenuti in questa posizione dalle fibre del fuso che si estendono dal loro sito di adesione sui centromeri dei cromosomi ad uno dei due poli. Anafase: l anafase comincia con la separazione dei due cromatidi di ogni cromosoma. I due cromatidi (che una volta avvenuta la separazione vengono chiamati cromosomi) si allontanano in direzione opposte, ognuno verso un polo. In questo modo ogni cellula figlia riceverà una copia di tutti i cromosomi e sarà quindi geneticamente identica all altra, nonché alla cellula madre. Telofase: comicia quando i cromosomi raggiungono i rispettivi poli del fuso. Praticamente nella telofase avviene l inverso di quanto visto nella profase: i cromosomi si decondensano, l apparato del fuso viene dissemblato, ricompaiono i nucleoli e attorno ad ogni gruppo di cromosomi, si forma un involucro nucleare. Nella telofase avviene anche la citocinesi, cioè la separazione dei due nuovi nuclei e del citoplasma in due cellule figlie uguali identiche tra loro e alla cellula madre. Anemia mediterranea (malattia genetica): L anemia mediterranea (o talassemia) è una grave malattia che prende il nome dall essere molto diffusa nel bacino del Mediterraneo, principalmente causata dalla dieta; nelle persone colpite i globuli rossi hanno una forma alterata e trasportano male l ossigeno. I malati necessitano così di continue trasfusioni di sangue per avere dei globuli rossi normali. Questa anemia dei globuli rossi è dovuta a una alterazione nella sequenza degli amminoacidi che formano la parte proteica dell emoglobina (a cui è affidato il compito di approvvigionare i tessuti di ossigeno), sequenza che è determinata da un gene. L allele che serve a formare l emoglobina sana è dominante, e si può simboleggiare con E. L allele dell anemia è recessivo e si può simboleggiare con e. Perciò un individuo è malato se è omozigote ee, mentre è sano se è EE. Se è eterozigote Ee, è sano, ma portatore dell allele e; i suoi globuli rossi sono un po più piccoli del normale. La possibilità di riconoscere le situazioni eterozigote, di portatore sano, attraverso esami del sangue, permette di valutare il rischio di avere figli malati: da due individui Ee, cioè portatori sani, c è il 25% di probabilità che nasca un figlio. Tramite il reincrocio si può svelare la presenza di alleli recessivi negli eterozigoti. Questo reincrocio (o incrocio di prova o test-cross) permette di rivelare la presenza di un allele nascosto negli individui eterozigoti. Questo perché l aspetto esteriore (il fenotipo) non rivela se un individuo è eterozigote o omozigote per il carattere considerato. Questa prova si effettua incrociando l individuo sotto esame con un partner con il fenotipo recessivo (però deve essere omozigote). Dopo alcuni test se si nota che il nuovo individuo presenta il carattere recessivo si deve ritenere che l individuo in esame è eterozigote. Meiosi: La riproduzione sessuale richiede la formazione di gameti. Queste cellule riproduttive sono destinate alla fecondazione, un processo in cui un gamete maschile mobile, lo spermatozoo, si fonde con un gamete femminile immobile, l uovo, formando uno zigote, che si divide più e più volte per mitosi, sviluppandosi in un nuovo individuo. La formazione dei gameti, che hanno un contenuto cromosomico diverso dalle altre cellule, richiede un particolare tipo di divisione, la meiosi.

4 La meiosi e la fecondazione sono due processi che rimescolano i caratteri ereditari negli individui e nelle popolazioni, per cui i discendenti generati per via sessuale non sono identici ai genitori. La diversità prodotta dalla riproduzione sessuale permette la sopravvivenza e l evoluzione delle specie viventi. La meiosi è una divisione cellulare che riduce il numero di cromosomi generando quattro cellule aploidi. La meiosi può aver luogo solo in cellule diploidi e genera quattro nuclei figli, ognuno contenente un numero aploide di cromosomi. Questa riduzione del corredo cromosomico è possibile perché una cellula che effettua la meiosi duplica i propri cromosomi e poi va incontro a due successive divisioni cellulari: la meiosi I e la meiosi II. Entrambe le divisioni del nucleo sono accompagnate dalla divisione del citoplasma e formano quindi quattro cellule apolidi che possono maturare trasformandosi in gameti (spermatozoi o uova). Quando due gameti apolidi si uniscono nella fecondazione, si forma un uovo fecondato (zigote), in cui si ripristina il numero diploide di cromosomi. Quindi come detto sopra la meiosi comporta due successive fasi di divisione cellulare. Nella prima divisione della cellula diploide se ne originano due aploidi: questa prima parte della meiosi si chiama riduzionale (poiché il nucleo di ogni cellula figlia contiene la metà del numero dei cromosomi del numero della cellula madre). La corretta separazione dei due omologhi di ogni coppia, che garantisce che ogni cellula figlia abbia una copia di ogni cromosoma, è dovuta a un elaborato processo di appaiamento dei cromosomi tipico della meiosi. Durante il periodo in cui i cromosomi omologhi restano appaiati si verificano importanti riarrangiamenti dei cromosomi che incrementano la variabilità genetica. Profase I: i membri di ogni coppia di cromosomi (non ancora con il processo di condensazione completato) omologhi si riconoscono e si allineano per tutta la loro lunghezza, in un processo chiamato sinapsi. I complessi formati tramite la sinapsi sono detti tetradi (perché composti da quattro cromatidi). Durante questa interazione avviene uno scambio di pezzi tra i cromatidi della tetrade: questo scambio è chiamato crossing over. I cromosomi omologhi sono caratterizzati dalla medesima successione di geni, anche se i geni corrispondenti sui due cromosomi omologhi possono determinare aspetti diversi di uno stesso carattere. Lo scambio di segmenti corrispondenti dei cromosomi omologhi può produrre quindi nuove combinazioni di geni, differenti da quelle inizialmente presenti sui due cromatidi che si scambiano. Lo scambio di parti di cromatidi omologhi riassorbe i geni producendo una ricombinazione genetica. Questa ricombinazione genetica aumenta notevolmente la variabilità della discendenza e concorre quindi alla diversità delle forme di vita che abitano il nostro pianeta. Spiegazione del crossing over: immaginiamo i cromatidi come delle collane di perline di diversa forma e diverso colore. Le perline sono i geni, cioè le parti che determinano un certo carattere. Perline in uguale posizione determinano lo stesso carattere, ma in modo diverso se sono di diverso colore. Immaginiamo che la sesta perlina di una collana sia responsabile del gruppo sanguigno e che il diverso colore della perlina determini il gruppo A o B o 0. Nel crossing over, le due collane (cromatidi) omologhe si possono scambiare delle perline (i geni): ogni collana manterrà lo stesso aspetto generale, con lo stesso numero di perline della stessa forma e nella stessa successione, ma il colore delle perline può risultare assortito in modo nuovo. Per esempio un cromatidio che prima era portatore del gene per il carattere gruppo sanguigno B dopo il crossing over può essere portatore del gene per il carattere gruppo sanguigno A. Alla fine della prima divisione meiotica i due cromosomi omologhi, ciascuno costituito da due cromatidi, si separano (=segregazione), migrando ai poli opposti della cellula, che infine si divide nelle due cellule figlie, aploidi. Avviene un assortimento indipendente dei cromosomi (materni e paterni) che genera gameti con nuove combinazioni di cromosomi; la varietà di gameti possibili è considerevole e dipende, comunque, dal numero di cromosomi che formano il corredo. I 23 cromosomi di una cellula germinale umana possono dar luogo a più di 8 milioni di gameti diversi (= 2 23 tipi possibili di uova, per la donna, o spermatozoi, per l uomo). La seconda divisione meiotica produce, in modo molto simile alla mitosi, quattro cellule aploidi, i cui cromosomi contengono un solo cromatidio e che diventeranno nell uomo spermatozoi e nella donna cellule

5 uovo. Queste nuove cellule presentano un numero di cromosomi dimezzato confronto alla cellula entrata in meiosi, ma presentano una composizione di geni modificata a causa della ricombinazione. Nelle piante avviene una meiosi e in seguito una mitosi. Infatti le cellule aploidi che derivano dalla meiosi non si trasformano in gameti, ma in spore che, tramite successive mitosi, danno origine a un organismo pluricellulare aploide (nelle piante superiori un granulo di polline e un sacco embrionale) in cui si formano i gameti maschili maschili e femminili. Lo zigote generato dalla fecondazione dei gameti si sviluppa in una pianta pluricellulare diploide nei cui tessuti germinali la meiosi delle cellule genera le spore, completando il ciclo. Mutazioni genetiche: mutazione significa che il DNA contenuto in un cromosoma ha subito una trasformazione, cioè uno o più caratteri risultano alterati. Le mutazioni (che avvengono in tutte le cellule del corpo, ma solo se la cellula è un gamete il nuovo carattere verrà trasmesso ai figli), essendo casuali, possono risultare incompatibili con la vita, negative, indifferenti, o talvolta positive. Le mutazioni, per quanto rare, sono fondamentali per l evoluzione dei viventi e per la formazione di nuove specie. Queste possono avvenire spontaneamente, per errori di duplicazione del DNA, o indotte da agenti fisici e chimici, che vengono perciò chiamati mutageni. Una delle conseguenze della radioattività è quella di indurre mutazioni nelle cellule. Se si tratta di cellule somatiche possono portare alla formazione di tumori; mentre se sono colpite le cellule sessuali esse possono portare alla nascita di figli con malformazioni o patologie anche gravissime (vedi Cernobill). Altre mutazioni interessano l intero cromosoma e vengono chiamate aberrazioni cromosomiche: vi possono essere trasferimenti errati o perdite di frammenti di cromosoma durante il crossing-over; moltiplicazioni eccessive dei cromosomi; migrazione anomala dei cromosomi omologhi durante la meiosi, così una cellula si trova priva di un intero cromosoma. Questo può provocare corredi cromosomici con 24 o 22 cromosomi; questi fecondati con corredi normali daranno vita a corredi diploidi anomali. Per esempio si può dare vita a un corredo con 47 cromosomi, in cui un certo cromosoma è presente in triplice copia (trisomia) anziché in doppio. Malattie genetiche: - Alterazioni genetiche: Alcune malattie sono trasmesse attraverso i cromosomi sessuali. Poiché i cromosomi X e Y sono morfologicamente e strutturalmente diversi, in essi molti alleli non corrispondono, essendo presenti solo in uno o solo nell altro, con particolari conseguenze sulla discendenza dei caratteri che essi determinano. Una malattia del genere è il daltonismo. È una malattia che provoca l incapacità di distinguere il rosso e il verde (colori visti come grigi). Nelle donne è raro, ma molto frequente negli uomini. Il gene del daltonismo è recessivo. Esso si trova sul cromosoma X: una donna quindi è daltonica solo se omozigote, cioè se ha l allele del daltonismo su entrambi i cromosomi X. Se è eterozigote non è daltonica. Nel caso dei maschi, invece, poiché non è presente l allele responsabile di questo aspetto della visione nel cromosoma Y, è sufficiente che venga ereditato il cromosoma X con il gene recessivo del daltonismo, perché si manifesti questa anomalia della vista. Un comportamento ereditario simile è quello dell emofilia, malattia molto grave che provoca l impossibilità del sangue a coagulare. Il gene dell emofilia si trova sul cromosoma X. Le donne quindi possono trasmetterlo come portatrici sane (eterozigote) ai figli maschi. Un altro esempio di malattia genetica è l albinismo (mancanza di pigmentazione). - Alterazione cromosomiche: Queste malattie sono collegate ad anomalie di numero dei cromosomi. Piuttosto diffusa (1 persona su 700) è una grave malattia, che colpisce in egual misura maschi e femmine, chiamata sindrome di Dawn (o mongolismo o trisomia 21, perché troviamo 3 cromosomi invece di 2 nella copia 21). Questi individui hanno uno sviluppo mentale ritardato, sviluppo osseo e muscolare debole e in genere muoiono giovani. Tutto ciò è causato dal fatto che essi hanno 47 cromosomi: infatti nella copia 21 invece di avere due cromosomi ne hanno tre: perciò si parla di trisomia 21. Il rischio di avere figli affetti dalla sindrome di Dawn è molto più frequente nelle donne che partoriscono in età avanzata, ed è tanto più alto quanto maggiore è l età.

6 Un altra malattia provocata dall avere 47 cromosomi è la sindrome di Klinefelter: in essa si hanno due cromosomi X e uno Y. Gli individui con cariotipo 44A+XXY sono maschi, con scarso sviluppo degli organismi sessuali, sterili, alti, magri, spesso con ritardi mentali. Hanno invece un cromosoma sessuale in meno le persone affette dalla sindrome di Turner, con cariotipo 44A+X. Sono tutte femmine, di bassa statura, collo corto e tozzo, con organi riproduttivi poco sviluppati, sterili e con un intelligenza poco sviluppata. Tutte queste gravi malattie portate da anomalie del cariotipo sono individuabili già al quarto mese di gravidanza, mediante prelievo di liquido amniotico (amniocentesi) o dei villi coriali della placenta, e successiva analisi dei cromosomi delle cellule fetali in essi contenute. Tale diagnosi precoce consente di valutare l opportunità di portare a termine una gravidanza, quando lo studio del cariotipo dia per certa la presenza di una anomalia che comporterebbe un sicuro e grave handicap nel figlio. I cromosomi possono avere anche delle aberrazioni. Queste sono modificazioni grosse subite durante la divisione cellulare. Pezzi di cromosomi possono andar persi o essere scambiati tra cromosomi non omologhi, oppure possono comparire parti aggiuntive. Molte aberrazioni avvengono durante la meiosi, specialmente come un crossing-over anomalo, e vengono quindi trasmesse alla generazioni successive dove, possono comportare delle malformazioni o un carattere vantaggioso. Queste modificazioni possono far fare all evoluzione passi da giganti. Nella seguente tabella vediamo le possibili aberrazioni cromosomiche: Deriva genetica: la deriva genetica acquista particolare importanza nelle popolazioni numericamente ridotte, in ci gli eventi fortuiti possono turbare maggiormente la composizione dell insieme genetico; è il caso dei piccoli gruppi di individui che vanno a colonizzare un nuovo habitat. Nelle piccole popolazioni, i fondatori non possiedono tutti gli alleli presenti nella popolazione d origine, per cui la popolazione nuova sarà soggetta a una forte deriva genetica, fenomeno noto come effetto del fondatore. L effetto del fondatore è stato osservato frequentemente in luoghi isolati dal resto del mondo. Come per esempio (nel 1770) un esiguo numero di svizzeri appartenenti alla setta religiosa Amish emigrarono negli stati uniti e da allora rimasero separati sposandosi fra di loro. Pare che uno dei membri fosse portatore di un allele recessivo per una rara forma di nanismo associato a polidattilia (aumento del numero di dita nelle mani e nei piedi). Uno studio dimostrò che molti anni dopo in quella popolazione si trovavano 43 individui omozigoti recessivi per questo allele, quindi malati. La forte incidenza di una malattia altrimenti rarissima dimostra quanto possa essere importante l effetto del fondatore.