Il DNA e il codice genetico

Il DNA e il codice genetico

Il genoma umano è formato da 46 molecole a doppia elica di DNA (6 pg), ogni molecola in media è formata da 130 milioni di pb lineari, ognuna supportata da uno zucchero (desossiribosio) e da un fosfato. Ciascuna si avvolge attorno agli istoni a formare il cromosoma. Nell'insieme il genoma contiene 6 x 10⁹ pb. La molecola di DNA è un polimero i cui monomeri sono i nucleotidi. Un nucleotide è formato da un gruppo fosfato che lega uno zucchero pentoso (ribosio o desossiribosio), il quale a sua volta lega una base azotata. Lo zucchero si lega col C1 alla base azotata, col C3 al fosfato sotto e col C5 al fosfato sopra.

Le due catene sono tenute assieme da ponti-H, per certe restrizioni spaziali imposte dalla struttura a doppia elica, sono possibili solo due tipi di associazioni complementari tramite ponte-H: tra Adenina e Timina (A-T) con 2 ponti, o tra Citosina e Guanina (C-G) con 3 ponti. A e G sono purine (2 anelli), C, T e U sono pirimidine (1 anello). I nucleotidi in una molecola seguono una sequenza rigorosa: quelli dell'elica sorella sono complementari.

Il programma per sintetizzare le proteine è codificato nella sequenza nucleotidica del DNA. Visto che i nucleotidi sono 4 (A, T, C, G), mentre gli aa 20, un nucleotide non basta per identificare un aa (4 comb. possibili), e nemmeno 2 (16 comb.). Il minimo è di 3 nucleotidi per 1 aa. A ogni tripletta di nucleotidi corrisponde un aa: essa costituisce un'unità di codice o codone. Il codice viene detto degenerato, poiché più codoni identificano lo stesso aa (principio della ridondanza). Ci sono 3 codoni di non senso (UAA, UAG, UGA), che non identificano nessun aa, ma rappresentano un segnale di termine della catena polipeptidica.

Caratteristiche del codice:    - arbitrarietà (nessuna somiglianza tra aa e basi)

- universalità (uguale per tutti gli organismi)

I geni: natura, trascrizione e traduzione

Il gene è un tratto di DNA che specifica una determinata proteina. Il DNA possiede sempre la stessa struttura in ogni essere, cioè 2 filamenti a doppia elica costituiti da sequenze di nucleotidi. Nei virus il DNA è racchiuso in una capside proteica, nei procarioti forma un unico cromosoma (nei batteri sono frequenti piccoli tratti circolari di DNA), invece negli eucarioti è associato a istoni, sono presenti a doppia coppia e si trovano nel nucleo.

Nel DNA può variare il no di giri che un filamento compie attorno all'altro, i DNA che si differenziano per questo vengono detti topoisomeri. Inoltre l'asse della doppia elica può arrotolarsi su sé stesso, formando una superelica (supercoiling), positiva se il no. di avvolgimenti cresce nello stesso senso (destrorso Þ DNA B, la forma principale), e negativa se esso diminuisce, determinando uno srotolamento (sinistrorso Þ DNA Z). Per tensione molecolare lo stato di superelica produce un inanellamento che rende l'insieme più compatto, ma anche più accessibile.

Il DNA è una struttura dinamica. Vi sono infatti presenti informazioni codificanti, strutturali e regolatrici, oltre che a sequenze mobili e tratti non codificanti.

1) Sequenze uniche mobili: Transposoni Þ sono in grado di spostarsi da un punto all'altro della molecola di DNA. Alle loro estremità viene ripetuta una breve barra invertita (ATGCA, TACGT). Possono inserirsi in un gene inattivandolo. Essi possono pure passare da un cromosoma all'altro. Retroposoni Þ inserzioni mobili di DNA (di origine retrovirale), la cui trasposizione passa attraverso una forma di RNA. Dissociano i geni quando vi entrano Þ probabilmente hanno avuto un importante ruolo nell'evoluzione.

2) Sequenze ripetitive: Nel genoma appaiono numerose sequenze ripetute molte volte. Alle estremità ci sono i telomeri, indispensabili per evitare la degradazione del cromosoma. Lungo il genoma ci sono sequenze a elevata ripetitività (5000-7000 pb) Þ LINE, e altre a bassa (alcune decine) Þ SINE.

3)Sequenze regolatrici: Costituite da 6-8 nucleotidi. Sono regolatori proteici, capaci di adeguare l'intensità di trascrizione alle necessità cellulari Þ attivatori o rafforzatori (enhancers) e inibitori (silencers). La regione di controllo in vicinanza del sito d'iniziazione della trascrizione viene detta promotore, ed è dotata di una sequenza di 6 nucleotidi ricca di A e T Þ TATA-box. Mutazioni a livello dei TATA-box portano a un'inibizione del 50-70 % della trascrizione. Oltre ai TATA-box, vi sono poi delle sequenze ricettrici di ormoni, che formando un complesso ormone-ricettore si fissa sul DNA, scatenando o bloccando la trascrizione.

L'RNA

L'RNA è costituito da nucleotidi, in cui lo zucchero è il ribosio, e la Timina è sostituita dall'Uracile. Esso è costituito da un solo filamento. Gli RNA sono prodotti sempre in rapporto al DNA, tramite l' RNA-polimerasi, che lega i vari nucleotidi in una sequenza complementare a quella del DNA. Ci sono 3 tipi di RNA: r-RNA (ribosomale Þ partecipa alla biosintesi), m-RNA (messaggero Þ trascrizione del DNA) e t-RNA (di trasferimento Þ lega gli aa). Questi ultimi sono costituiti da circa 80 nucleotidi; la catena ha una caratteristica forma a trifoglio, alla cui estremità emerge una tripletta spaiata (CCA), con cui termina la catena.

La trasmissione dei caratteri ereditari

I geni, o determinanti ereditari, sono le unità di informazione ereditaria che vengono trasmesse da una generazione alla successiva. Essi sono frazioni di DNA presenti nei cromosomi. Il gene può presentarsi in 2 o più forme alternative, chiamate alleli (allele Þ conurazione di un certo gene). Se un gene presenta almeno 2 diversi alleli si parla di polimorfismo. Il genotipo è l'insieme dei geni posseduti da un individuo per un carattere. Il fenotipo è la manifestazione esterna di un carattere. Il locus genico è la posizione specifica che un gene occupa nel cromosoma, quindi tutte le forme alleliche di un gene si trovano in posizioni corrispondenti su cromosomi geneticamente simili (i cromosomi omologhi). Tutti i geni di un cromosoma sono legati tra loro, si dice che appartengono allo stesso gruppo di associazione (linkage). Il genoma degli eucarioti ha due caratteristiche:

Ci sono troppi geni (genoma umano Þ 8 milioni di geni). Si è ipotizzato che gran parte siano geni duplicati, regolatori, di riserva o residui evolutivi.

C'è una grande ripetitività. Si è teorizzato che queste sequenze abbiano un ruolo cruciale nella regolazione dell'espressione genica (Þ amplificazione Þ controllo sul differenziamento cellulare). Meno del 10 % dell'informazione genomica viene trascritta.

Le leggi di Mendel

Mendel impollinava fiori di pisello, castrati dell'apparato maschile, appartenenti a una linea pura, con componenti di un'altra linea pura, che però differivano per un solo carattere. Per spiegare con maggiore chiarezza gli esperimenti viene utilizzata la griglia di Punnet. Mendel si accorse che, se si incrociano individui omozigoti che differiscono per una sola coppia di alleli, uno dei due alleli dominava sull'altro (era l'unico a manifestarsi nel fenotipo), e fu quindi chiamato dominante, l'altro invece recessivo. Il carattere dominante si manifesta sia allo stato omozigote che eterozigote, quello recessivo solo allo stato omozigote. Altri esperimenti (es. bocca di leone), hanno mostrato che nella F1 si manifestavano entrambi i caratteri degli ascendenti (da fiori rossi e bianchi ne risultavano rosa): quindi il fenotipo dei discendenti è una via di mezzo (eredità intermedia), e questi alleli vennero perciò detti codominanti.

1^a legge di Mendel (della dominanza o dell'uniformità dei caratteri):

incrociando individui omozigoti che differiscono per una sola coppia di alleli, tutti i discendenti della 1^a generazione filiale (F1) presenteranno uguale genotipo e uguale fenotipo, e vengono chiamati ibridi o eterozigoti.

Mendel proseguì reincrociando tra loro gli ibridi della F1, e osservò nella F2 il riapparire dei fenotipi della generazione parentale (P) e della F1.

2^a legge di Mendel (della disgiunzione o della segregazione dei caratteri):

Incrociando tra loro gli ibridi della FI, nella seconda generazione filiale F2 ricompaiono i fenotipi portati dalla generazione parentale P e dalla F1. Le proporzioni fenotipiche sono di 3: 1, nel caso di discendenti dominanti o recessivi, e di 1:2:1, nel caso di codominanza.

Il riemergere nella F2 di caratteri della P dimostra che nella F1 i caratteri non si mescolano, ma conservano la loro individualità, e perciò si separano intatti nella F2.

Reincrocio (Testcross): serve a determinare il genotipo di un individuo con fenotipo dominante: si incrocia questo individuo con uno dal fenotipo recessivo (sicuramente omozigote): se nella discendenza il 50% ha fenotipo dominante e il 50% recessivo, il genitore è eterozigote. Se invece tutti i discendenti presentano carattere dominante, il genitore è omozigote.

Alleli letali: sono geni la cui manifestazione fenotipica è la morte dell'individuo (possono insorgere per mutazione di un allele normale).Se è dominante, i portatori muoiono prima di riprodursi Þ rimosso. Se invece l'allele è recessivo può essere letale allo stato omozigote, ma non a quello eterozigote.

Differenze delle condizioni ambientali possono far sì che individui geneticamente identici mostrino fenotipi differenti. La percentuale di individui con una particolare combinazione di geni che mostra in qualsiasi grado il carattere corrispondente a quella combinazione rappresenta la penetranza. Poiché un carattere può variare nella sua espressione (manifestazione evidente), il grado d'effetto prodotto da un genotipo penetrante viene detto espressività. Ad esempio nell'uomo il numero di dita soprannumerario è prodotto dall'allele dominante P. Invece le 5 dita sono date dall'omozigote recessivo pp. Però alcuni individui Pp non sono polidattili, quindi l'allele P ha una penetranza inferiore al 100%. Un allele letale recessivo che manca di penetranza e espressività complete sarà letale per meno del 100% degli omozigoti, e per questo viene detto semiletale o subvitale.

Mendel incrociò anche soggetti che differivano per 2 caratteri (es. piselli Þ colore, liscio/rugoso). Questi caratteri sembravano essere trasmissibili indipendentemente l'uno dall'altro.

3^a Legge (dell'indipendenza dei caratteri) :

Incrociando individui che differiscono per 2 o più caratteri (diibridi o poliibridi), questi appaiono trasmissibili in modo indipendente, e seguono indipendentemente le prime due leggi. Le proporzioni numeriche sono di 9:3:3:1 (es. VVLL x vvll).

L'esperimento venne ripetuto da Morgan sul moscerino della frutta, con risultati molto vicini ai rapporti mendeliani. Prove di reincrocio effettuati su altri ceppi permettono di concludere che la trasmissione indipendente degli alleli avviene poiché essi sono localizzati su cromosomi diversi (quindi non sono geni associati).

Geni associati (linked genes)

Sono geni che non rispettano la 3° Legge di Mendel, perché trovandosi sullo stesso cromosoma non sono trasmissibili indipendentemente l'uno dall'altro. Le principali ricerche sui geni associati ebbero come soggetto la drosofila. Quindi tutti i geni dello stesso cromosoma sono associati. Questo insetto ha sessi separati e un no cromosomico di 2n=8. Incrociando un ceppo di drosofila con caratteri selvatici (dominanti) con un ceppo dotato di ali atrofiche (vg) ed occhi color marrone (bw), generati da alleli recessivi, si formano 4 categorie di individui, dove le frequenze non seguono più i rapporti mendeliani (per 2 categorie si rivela una minoranza). Le frequenze osservate permettono di riconoscere la frequenza di ricombinazione dei gameti (nei gameti maschili non avviene mai il crossing over). Notando che il 30% dei gameti sono ricombinati, si dice che la distanza tra vg e bw è di 30 cM (centiMorgan). 1 cM corrisponde alla distanza su cui c'è l'1% di possibilità di crossing-over. In questo modo la frequenza di crossing-over può venir presa a indice della distanza lineare tra i geni su un cromosoma. In questo modo possono venir compilate mappe genetiche, riportando le posizioni relative di vari geni associati su un determinato cromosoma in base al crossing-over. Un tempo erano basate sul fenotipo, oggi direttamente sul DNA.

METODO SPERIMENTALE DI G. MENDEL

I caratteri ereditari sono trasmessi come unità (geni)che vengono distribuite singolarmente in ogni generazione.

Peri suoi esperimenti Mendel scelse la comune pianta di pisello, le differenti varietà avevano caratteristiche nettamente diverse che rimanevano inalterate endo ad ogni raccolto.

Egli verificò un modello molto specifico in una serie di esperimenti logici:

scelse di studiare le differenze ereditarie nettamente misurabili

studiò i discendenti non solo della prima,ma anche della seconda generazione e di quelle successive

contò il numero dei discendenti e analizzò matematicamente i risultati ottenuti

organizzo i suoi dati in modo tale da rendere la loro valutazione semplice e oggettiva

Mendel cominciò con 32 tipi differenti di piante di pisello, che continuò a studiare per parecchi anni.

Selezionò 7 caratteri che mostravano due forme nettamente differenti nelle diverse varietà di piante (una varietà semi gialli, un'altra semi verdi)

Mendel eseguì gli incroci sperimentali asportando le antere di un fiore e cospargendo gli stigmi con polline del fiore di un'altra varietà.

Trovò che nella prima generazione (F₁) uno dei due caratteri antagonisti siva.

Tutte le piante prodotte in seguito all'incrocio tra linee pure di piante con semi gialli e linee pure di piante di semi verdi avevano semi gialli.

Le caratteristiche che apparivano nella generazione F₁ furono chiamate dominanti.

Da questi risultati formulò la legge della dominanza

Incrociando fra loro individui omozigoti per un carattere ma con alleli diversi (dominante in uno e recessivo nell'altro) si ottiene una prima generazione di individui tutti eterozigoti che presentano il carattere dominante.

La  fase successiva dell'esperimento consisteva nel lasciare che le piante della F₁ si autoimpollinassero.

Le caratteristiche che erano sse nella prima generazione riapparivano nella seconda generazione (F₂).

Queste caratteristiche, presenti nella generazione parentale e rise nella F₂, dovevano essere presenti in qualche modo anche nella generazione F₁, sebbene non evidenti.

Mendel chiamò questi caratteri recessivi.

I caratteri dominanti e recessivi ivano nella F₂ nel rapporto di 3:1

Mendel intuì che ogni individuo ha coppie di fattori per ogni carattere e i membri di una coppia si separano durante la formazione dei gameti legge delle segregazione

Dall'incrocio di 2 individui eterozigoti per un carattere si ottiene una generazione nella quale i caratteri si separano in percentuale ben precisa 50% eterozigote presenterà il carattere dominante 25% omozigoti con un carattere dominante 25% con un carattere recessivo.

Ogni gene può esistere in forme diverse (alleli). [Y = giallo, y = verde]

Il modo in cui un dato carattere e in un organismo è determinato dalla particolare combinazione dei due alleli per quel carattere.

Se i due alleli sono uguali(YY o yy) allora l'organismo è detto omozigote

Se i due alleli sono diversi tra loro (Yy) l'organismo è detto eterozigote

Quando si formano i gameti, gli alleli sono trasmessi in essi, ma ogni gamete contiene soltanto uno degli alleli possibili per ogni dato carattere.

Quando i due gameti si combinano nell'uovo fecondato, gli alleli si vengono a trovare di nuovo in coppie corrispondenti.

Se i due alleli di una certa coppia sono uguali (condizione omozigote), la caratteristica che essi determinano sarà espressa. Se gli alleli sono diversi (condizione eterozigote), uno può essere dominante rispetto all'altro e l'organismo apparirà come se avesse soltanto l'allele dominante.

L'aspetto esteriore di un carattere è detto fenotipo.

Nell'assetto genetico (genotipo) di un organismo ogni allele esiste sempre anche se non può essere espresso nel fenotipo.

L'allele recessivo si separerà dal suo pater dominante quando si formano di nuovo i gameti.

Per verificare l'ipotesi secondo cui gli alleli si trovano in coppie e i due alleli di una coppia si separano durante la formazione dei gameti è necessario eseguire un ulteriore esperimento nel quale si incrociano piante F₁ con fiori di porpora (derivate dall'incrocio tra piante con fiori di porpora e piante con fiori bianchi) e piante con fiori bianchi.

Il modo più facile per analizzare i possibili risultati di tale incrocio è quello di fare un quadrato di Punnett.

Questo esperimento che rivela il genotipo del genitore con il fenotipo dominante è il testcross.

Esso è un incrocio sperimentale tra un individuo con il fenotipo dominante per un dato carattere e un altro individuo che sia omozigote recessivo per lo stesso carattere.

Il rapporto con cui compaiono i discendenti sta ad indicare se l'individuo con il fenotipo dominante è omozigote o eterozigote per il carattere in questione.

Legge dell'assortimento indipendente

Mendel studiò degli incroci tra piante di pisello che differivano per due caratteri [seme liscio e giallo(dominanti), seme rugoso e verde(recessivo)].

I semi prodotti da un incrocio da linee pure erano gialli e lisci.

Quando i fiori dei semi F₁ si autoimpollinarono si produssero 556 semi. Di questi 315 con caratteri dominanti liscio e giallo ma solo 32 recessivi verde rugoso.

Tutti gli altri semi differivano da entrambi i genitori: 101 gialli e rugosi e 108 lisci e verdi.

In base a questi risultati Mendel formulò la legge dell'assortimento indipendente

Incrociando individui con più caratteri distinti si ottiene una generazione di individui nei quali i caratteri si trasformano in modo indipendente l'uno dall'altro.