Ereditarietà

Ereditarietà

Storia. La genetica è quella scienza che studia i meccanismi di transizione dei caratteri ereditari di generazione in generazione. Nasce con Mendel; infatti nella seconda metà del XIX sec si sospettò che il materiale ereditario fosse localizzato nei cromosomi; attente osservazioni rivelarono che i cromosomi, nonostante fossero invisibili  tra una divisione e l'altra della cellula, quando riapparivano erano inalterati.

All'inizio del XX secolo molti biologi erano ormai convinti del fatto che i cromosomi costituissero le basi fisiche dell'ereditarietà. Verso gli anni '30 ci si rende conto che certi caratteri sono portati da un insieme di geni e non solo da uno. Inoltre si scoprì che un solo gene può determinare più caratteri insieme. Soltanto nel '50 il materiale ereditario venne identificato nelle molecole del DNA (nasce così la genetica molecolare). Negli anni '60 si ragona sui meccanismi di trasmissione genetica dei batteri. Tra il '70 e l'80 si scopre la possibilità di estrarre gli enzimi del DNA e si può parlare di epigenetica, cioè di quello studio per chiarire i meccanismi attraverso i quali il DNA può esprimere certi caratteri o altri fenotip. Tutte queste informazioni possono essere utili per identificare le cause fisiche delle malattie genetiche, per fare una diagnosi e trovare una cura; inoltre si riuscirà a combattere malattie come diabete, ipertensione, allergie e tumori.

Fenotipo e genotipo. L'espressione fisica dei geni su un individuo costituisce il fenotipo. L'insieme dei geni che lo determinano è il genotipo. Quest'ultimo termine può essere usato in riferimento a un particolare gruppo di geni che si manifestano con un certo carattere; per indicare tutti i geni di un individuo si usa il termine genoma.

Oltre che dal genotipo il fenotipo è influenzato anche dalle interazioni tra genotipo e ambiente. L'importanza realtiva a ciascun fattore è visibile nei gemelli identici separati poco dopo la nascita, perchè essi possiedono lo stesso genotipo ma sono cresciuti in ambienti diversi.

Cromosomi e alleli. Un cromosoma è costituito da una lunga molecola di DNA, i cui segmenti sono i geni strutturali, che contengono le istruzioni per la sintesi di un polipeptide. La localizzazione fisica di un gene è chiamata locus.

Ogni cellula possiede due corredi cromosomici, uno ereditato dal padre e l'altro dalla madre. Ognuno di noi possiede due copie di un cromosoma e quindi due copie di un gene che si trovano nello stesso locus sui due cromosomi omologhi.

Le forme alternative di un gene sono chiamate alleli e vengono simboleggiate con la stessa lettera dell'alfabeto, una maiuscola e l'altra minuscola.

Un individuo con una coppia di geni formata da due alleli diversi si dice eterozigote per quel gene. Un individuo con una coppia di geni formata da due alleli identici si dice omozigote per quel gene. Quando un individuo possiede due alleli diversi di un gene, solo uno dei due si manifesta nel fenotipo e viene perciò detto dominante, l'altro è detto recessivo e rimane nascosto. Il fenotipo di un individuo eterozigote è uguale a quello di un omozigote in cui è presente solo l'allele dominante.

Mendel. Le modalità di trasmissione dei geni da genitori a li dipendono da come si distribuiscono i cromosomi nei gameti durante la meiosi. Gregor Mendel effettuò una serie di esperimenti incrociando piantine di pisello; a differenza degli altri scienziati, non si concentrò contemporaneamente su molti caratteri quantitativi ( cioè con vasta varietà di fenotipi) ma piuttosto cu caratteri qualitativi, quindi su uno o 2 caratteri alla volta.

Egli studiò 7 caratteri che presentavano 2 fenotipi contrapposti, per esempio l'altezza della pianta. Le piantine di pisello si prestavano a questi esperimenti perchè si autofecondano e permettono di selezionare facilmente piante di linea pura, cioè piante che danno origine a piante con lo stesso carattere generazione dopo generazione.

Incrocio monobrido. Mendel effettuò incroci monobridi, cioè tra piante di linea pura che differivano per un solo carattere, l'altezza. Procedette alla fecondazione, incrociando piante di linea pura a fusto alto con piante di linea pura a fusto nano (generazione parentale P) e osservo la nascita di piante a fusto alto (prima generazione filiale F₁).

Nella seconda generazione filiale F₂ il carattere fusto nano era riso; ottenne però anche piante a fusto alto, presenti in un rapporto 3:1. Mendel ripetè gli incroci anche per gli altri 6 caratteri contrapposti e osservò sempre lo stesso rapporto numerico.

Ipotesi. I caratteri quindi non si mescolavano mai e il carattere sso nella F₁ riiva nella F₂. Mendel ipotizzò quindi le leggi di dominanza e recessività quindi che:

i singoli caratteri dipendessero da entità chiamate fattori (cioè i geni);

ogni fattore mantenesse la sua integrità anche in presenza di altri fattori;

i fattori si trasmettessero ai discendenti attraverso i gameti;

ogni individuo possedesse due copie di ogni fattore, uno da un genitore, uno dall'altro;

quando i 2 fattori erano diversi solo uno, il dominante, si manifestava e l'altro, recessivo, rimaneva nascosto;

le due copie di ogni fattore si separassero durante la formazione dei gameti distribuendoi casualmente in modo che ogni gamete contenesse solo una copia di ogni fattore.

Segregazione degli alleli. Mendel ipotizzò che una pianta di F₁ dovesse ricevere dal gamete di una delle due piante genitrici un fattore per il carattere fusto alto e dal gamete dell'altra quello per il carattere fusto nano che però rimaneva nascosto. Oggi sappiamo che questi fattori sono gli alleli; considerando A e a i due tipi di alleli che determinano l'altezza, durante l'anafase sappiamo che i due cromosomi omologhi si separano, ossia si segregano, finendo in 2 cellule diverse. Dopo la meiosi II le cellule lie diventano gameti maschili o femminili. Con la fecondazione i gameti si uniscono formando uno zigote.

Mendel descrive quindi la legge della segregazione: quando i cromosomi omologhi si separano durante la meiosi, ogni gamete riceve uno solo dei due alleli di ciascun gene.

Quindi le piante di linea pura a fusto alto erano omozigoti dominanti con genotipo AA e quelle a fusto basso erano omozigoti recessivi di tipo aa. Tutti i gameti prodotti dalle prime contenevano un cromosoma con l'allele A e tutti quelli prodotti dalle seconde un allele a. Tutti gli individui nella generazione F₁ ereditavano gli alleli A e a ed erano eterozigoti con genotipo Aa.

Secondo Mendel i due alleli si distribuiscono casualmente ma in modo che il 50% dei gameti contenga l'allele A e l'altro 50% l'allele a. Questa combinazione nella F₂ dava origine a 3 diversi genotipi, AA, Aa e aa, anche se in realtà sarebbero solo 2 perchè AA e Aa appartengono allo stesso genotipo.

I genotipi degli individui della generazione F₂ e i rapporti numerici con cui essi compaiono possono essere calcolati attraverso il quadrato di Punnett, tabella a due entrate in cui vengono riportati in alto e a sinistra gli alleli presenti nei gameti degli organismi genitori e negli incroci matrici le possibili combinazioni.

Test-Cross. Serva a verificare i risultati di un incrocio fatto attraverso il quadrato di Punnett. Determina se il fenotipo dominante è eterozigote o omozigote. Se l' individuo ignoto è omozigote, tutta la discendenza del test cross avrà il fenotipo dominante; se l' individuo ignoto è eterozigote, metà della discendenza avrà il fenotipo recessivo.

Calcolo delle probabilità. Gli stessi rapporti numerici possono essere calcolati applicando le regole di calcolo delle probabilità, indicata con una percentuale, una frazione o un numero decimale ed è uguale al rapporto tra il numero dei casi favorevoli a un dato evento e il numero totale dei casi possibili. Per il calcolo bisogna ricorrere alla legge del prodotto, secondo la quale tale probabilità è pari al prodotto delle singole probabilità con cui un evento può verificarsi. Quindi la probabilità di ottenere la combinazione AA oppure la Aa è pari a 2/4. La probabilità complessiva è pari a 2/4 perchè la combinazione Aa si può formare sia quando l'allele A deriva dal gamete maschile, sia quando deriva dal gamete femminile.

Inoltre, in una data generazione le probabilità di ereditare uno o l'altro carattere sono sempre le stesse a ogni incrocio: ci sono sempre 3 possibilità su 4 che il lio presenti il fenotipo dominante, e una possibilità su 4 che presenti un fenotipo recessivo.

Legge dell'assortimento indipendente. Mendel passò poi a effettuare incroci diibridi, tra piante di

linea pura che differivano contemporaneamente per due caratteri. Incrociando una pianta con fusto alto e fiori rossi (AARR) e una pianta con fusto nano e fiori bianchi (aarr) ottenne solo piante a fusto alto e fiori rossi (AaRr). Nella F₂ ottenne 4 fenotipi diversi. Ne dedusse che ogni allele si trasmetteva alle generazione successiva in modo indipendente dall'altro e che il carattere fusto alto non era legato al carattere fiore rosso; il rapporto numerico invece era 9:3:3:1.

In base alla legge del prodotto, tenedo conto che ogni carattere dominante si manifesta in ¾ degli individui e il recessivo in ¼, la probabilità di ottenere ogni combinazione fenotipica si ricava moltiplicando la probabilità di sa nel fenotipo di un carattere per la probabilità di sa dell'altro carattere. Tutto ciò può essere riassunto nella legge del'assortimento indipendente: durante la meiosi, i due alleli di un gene si distribuiscono nei gameti in modo indipendente dagli alleli di un altro gene. Questo comporta maggiore variabilità nei gameti e nella prole.

Geni concatenati. Essi sono geni che si muovono insieme durante la meiosi e sui quali non si può applicare la legge dell'assortimento.

Crossing-over. I geni concatenati restano sempre uniti ma possono essere trasmessi indipendentemente se tra di essi avviene un crossing-over durante la profase della meiosi I.

Durante il crossing-over i cromosomi omologhi di ogni coppia si allineano con tale precisione che i due loci vengono a trovarsi l'uno vicino all'altro così i 2 segmenti, cosicchè due geni possano scambiarsi di posto. Quando le coppie sono formate da alleli diversi il crossing-over permette di ottenere nei cromosomi nuove combinazioni di alleli.

Se si trovano sulla stessa coppia di cromosomi omologhi e tra di esse non avviene il crossing-over le due coppie vengono trasmesse insieme; se tra di esse avviene i due geni non risultano più concatenati e si formano due cromatidi con due nuove combinazioni di alleli.

Il crossing-over aumenta il numero di combinazioni possibili degli alleli e quindi la variabilità genetica dei gameti.

Variabilità genetica. Per variabilità genetica ci si riferisce ai diversi genotipi presenti in una popolazione. Le differenze sono generate dalla presenza di forme diverse degli stessi geni e da ricombinazioni degli alleli. I fenomeni alla base delle differenze sono le mutazioni e la ricombinazione genetica.

Mutazioni. È un cambiamento nella struttura del DNA dovuto a un errore verificatosi durante la duplicazione oppure da fattori ambientali. Esse interessano tutte le cellule dell'organismo ma solo i gameti trasmettono il nuovo allele ai discendenti.

Ricombinazione genetica. È il fenomeno nel quale si formano combinazioni di alleli diversi rispetto a quelle presenti nei genitori a causa dell'assortimento indipendente dei cromosomi durante la meiosi che produce diverse combinazioni di cromosomi, del crossing-over che produce nuove combinazioni di alleli e della fusione di gameti che combinano tra loro gli alleli.

Entità della variabilità genetica. Il numero di possibili combinazioni, dato che vi sono due alternative per ogni cromosoma e che l'assortimento è indipendente,è pari a 2ⁿ dove n indica il numero delle coppie di cromosomi omologhi considerati. In realtà la varietà è ancora amggiore a causa del crossing-over.

Ereditarieta cromosomica. Alcuni aspetti dell'ereditarietà dipendono da interi cromosomi, ad esempio l'essere femmina o maschio dipende da quale dei due cromosomi sessuali viene trasmesso dal padre. Inoltre le malattie genetiche dipendono dalla trasmissione maggiore o minore di cromosomi.

Determinazione del sesso. Lo sviluppo degli organi riproduttori maschili o femminili è controllata dai cromosomi sessuali. Ogni cellula somatica contiene 22 autosomi più una coppia di cromosomi sessuali (o eterocromosomi).

La maggiorparte dei geni presenti nel cromosoma X porta informazioni per caratteri che non hanno niente che riguarda la femminilità; il cromosoma Y contiene invece pochi geni strutturali (tipo quello che controlla la formazione di testicoli) che regolano lo sviluppo sessuale maschile.

Infatti, gli embrioni maschile e femminile si sviluppano allo stesso modo per sei settimane, poi se è presente il gene Y per la formazione dei testicoli, l'embrione assume caratteri maschili, se è assente sviluppa caratteri femminili. I geni presenti nel cromosoma Y sono trasmessi insieme perchè tra X e Y, non omologhi, non può avvenire il crossing-over.

Segregazione dei cromosomi. In un uomo la meiosi avviene nelle cellule dei testicoli, iniziando il ciclo in una cellula diploide che possiede i cromosomi X e Y oltre alle 22 coppie di auosomi. I 2 cromosomi si separano e si spostano nelle cellule lie, che diventano gameti maschili (spermatozoi) metà dei quali contengono il cromosoma X e l'altra metà quello Y.

Nella donna la meiosi avviene nelle ovaie da una cellula con 22 coppie di autosomi e due cromosomi X. Ognuna delle cellule lie contiene quindi 22 autosomi e uno dei cromosomi X. Delle 4 cellule che si formano solo una diventa matura.

Combinazione dei cromosomi. Una cellula uovo può essere fecondata da uno spermatozoo. Se quest'ultimo reca il cromosoma X ci sarà una femmina, se reca l'Y un maschio.

Ci si aspetterebbe un'uguale probabilità di concepimento in quanto il numero di cromosomi X è pari al numero di Y nell'uomo; in realtà il gamete col cromosoma Y è più piccolo e veloce di quello con l'X, tuttavia, durante lo sviluppo embrionale la mortalità di embrioni maschili è maggiore.

Anomalie  numeriche nei cromosomi. La presenza di un cromosoma in più o in meno è la conseguenza di una non-disgiunzione dei cromosomi durante la meiosi. Questo può verificarsi quando due cromosomi di una coppia di omologhi non si separano durante la meiosi I, quindi 2 dei gameti avranno un cromosoma in più e gli altri 2 ne difetteranno, oppure quando i cromatidi di un cromosoma non si separano nella meiosi II, quindi uno ne sarà privo, l'altro ne avrà uno in più e gli altri 2 saranno normali.

Il 13, il 15, il 19 e il 21 possono essere oggetto di patologie genetiche.

La Fenilchetonuria (PKU) deriva da danni dovuti all'accumulo del sangue e causa gravi ritardi mentali. Con una dieta dove viene inserita poca Fenipalamina si può curare il disturbo.

Il Morbo di Tay-Sachs causa un'apatia verso gli 8 mesi e verso un anno può causare cecità irreversibile, in quanto manca un enzima nelle cellule cerebrali. Non esiste rimedio.

L'Anemia falciforme è provocata dai globuli rossi che assumono la forma di una falce a causa di un'emoglobina anormale. Ciò rallenta la circolazione del sangue e provoca occlusioni.

L'Anemia mediterranea o Talassemia si manifesta nei primi 6 mesi di vita ed è caratterizzata da un difetto nella sintesi dell'emoglobina: i globuli rossi non riescono a ricevere abbastanza ossigeno e nel soggetto si manifestano pallore, stanchezza, febbre, ritardo nello sviluppo. Può essere risolta attraverso forti e frequenti trasfusioni.

La Fibrosi cistica è causata da un eccesso di muco nelle vie respiratorie (che di solito serve per tenere lontani i batteri) occludendoli.

Nei cromosomi sessuali. Un numero errato di cromosomi sessuali è causa di anomalie mentali e sessuali. Quando uno dei gameti anormali si unisce a un gamete sano lo zigote si troverà ad avere solo uno oppure 3 cromosomi sessuali. Le persone con un solo cromosoma possono sopravvivere solo se si tratta del cromosoma X che porta i geni della sopravvivenza.

Negli autosomi. Un feto con un autosoma mancante muore prima di nascere. Un feto con un auotosoma in più (situazione di trisomia) può vivere ma non sarà normale. La trisomia più comune si ha con la sindrome di Down o trisomia 21 (perchè ha 3 copie del cromosoma 21): la meiosi responsabile della malattia è più frequente durante la formazione delle cellule uovo e le prbabilità del suo sviluppo aumentano con l'età della madre.