Le leggi di Mendel

Le leggi di Mendel


La scienza genetica sperimentale, con il preciso significato che essa ha attualmente, ha avuto inizio alla metà del XIX secolo per opera di Gregor Johann Mendel, monaco boemo. Gli esperimenti di Mendel, eseguiti nell'orto del monastero di Brno, ebbero per oggetto il pisello, pianta a riproduzione sessuata, il cui fiore si riproduce per autofecondazione e sul quale è possibile eseguire incroci controllati. In tal modo Mendel poté lavorare con linee geneticamente pure, scegliendo come progenitori individui che differivano per caratteristiche alternative nettamente contrastanti. Da questi semplici incroci accuratamente programmati e brillantemente interpretati sono derivate le leggi fondamentali della trasmissione dei caratteri.

Tutte le deduzioni di Mendel hanno trovato conferma nelle acquisizioni della moderna Biologia. La scoperta dei cromosomi e della loro organizzazione in coppie di omologhi che segregano alla meiosi ha fornito la dimostrazione della possibile coesistenza a un singolo locus di due varianti alleliche. Oggi sappiamo che gli alleli di un medesimo locus controllano la stessa funzione, ad esempio la visione dei colori, ma possono agire in modo differente determinando una visione dei colori normale (allele D) oppure l'incapacità di distinguere il rosso dal verde (allele d).

Un soggetto che possieda due alleli uguali a un singolo locus viene detto 'omozigote' (DD o dd) per quel determinato carattere, mentre verrà definito 'eterozigote' se gli alleli per quel locus sono differenti (Dd). Ovviamente un individuo può essere omozigote per alcuni loci ed eterozigote per altri.

La condizione di omozigosi ed eterozigosi presuppone la presenza di due alleli; ciò non si può verificare nel maschio per i geni legati all'unico cromosoma X. Tali geni vengono infatti a trovarsi in una condizione definita 'emizigosi'.

Con i suoi esperimenti di ibridazione Mendel osservò che i caratteri trasmessi dai genitori possono non manifestarsi nei discendenti della prima generazione, mentre possono riire praticamente immodificati nella generazione successiva; stabilì che i membri di una coppia di alleli non confluiscono mai nello stesso gamete ma segregano sempre in gameti differenti; dimostrò che i membri di differenti coppie di alleli migrano nei gameti l'uno indipendentemente dall'altro.

Nella prima legge di Mendel sono impliciti i concetti attualmente molto ben conosciuti di dominanza e recessività. Per dominanza si intende la capacità da parte di un determinato allele di rendersi manifesto a livello fenotipico anche quando esso è presente in singola dose, allo stato cioè di eterozigosi. In questi casi è sufficiente che l'allele sia presente in uno solo dei genitori perché in media la metà dei li (siano essi maschi o femmine) ne portino le conseguenze a livello fenotipico.

Tipici esempi di carattere dominante sono la brevità delle dita (brachidattilia), le mani a pinza (ectrodattilia) e la dentinogenesi imperfetta, malattia dovuta a un'alterata formazione della dentina.

Al contrario, un gene recessivo per potersi manifestare deve essere presente in duplice dose, cioè allo stato di omozigosi. In situazioni di questo tipo i genitori, entrambi portatori eterozigoti del gene in questione, non manifestano il carattere. Ne consegue che da matrimoni tra individui con legami di parentela (e quindi con maggiore probabilità di avere alleli in comune) nascono più frequentemente li omozigoti per un determinato gene recessivo, in grado quindi di manifestare il carattere a livello fenotipico. Ciò vale naturalmente sia per i caratteri favorevoli sia per quelli patologici. Tra questi ultimi un esempio classico è costituito dalla fenilchetonuria, malattia caratterizzata da grave ritardo mentale che e in seguito al mancato metabolismo dell'aminoacido fenilalanina. Quando due alleli differenti si manifestano entrambi nel fenotipo vengono definiti 'codominanti'. Tale comportamento, molto raro per i caratteri morfologici, è di comune osservazione nell'ambito dei gruppi sanguigni.

Un cenno a parte meritano i caratteri recessivi legati al cromosoma X, quale ad esempio l'emofilia; essi sono trasmessi da femmine eterozigoti e si manifestano soltanto in soggetti di sesso maschile. Dominanza e recessività non devono essere considerate categorie assolute. In genere i geni vengono etichettati in base all'effetto più appariscente che essi producono, ma sappiamo che la maggior parte di essi induce una catena di espressioni tra loro collegate, analizzabili talora soltanto con raffinate tecniche di laboratorio. Non deve perciò sorprendere se un gene, dominante in una sua determinata manifestazione, possa risultare codominante o addirittura recessivo se esaminato a differenti livelli di espressione. Ad esempio un soggetto eterozigote per il carattere 'anemia a cellule falciformi' non presenta l'anemia emolitica caratteristica dell'omozigote e per questo aspetto della malattia il gene relativo deve considerarsi recessivo. Se tuttavia il sangue di questi soggetti viene trasferito in ambiente povero di O₂ e il tipico aspetto a falce delle emazie; per questo particolare effetto il gene deve considerarsi dominante, in quanto in grado di esprimersi anche in singola dose. In questi soggetti infine sono presenti sia l'emoglobina normale (HbA) prodotta dall'allele normale, sia quella patologica (HbS) prodotta dall'allele patologico. La coesistenza dei prodotti di ambedue gli alleli è un tipico esempio di codominanza.

Come abbiamo già visto, un gene è dominante in quanto si esprime nel fenotipo anche in condizioni di eterozigosi. Talvolta tuttavia tale capacità viene meno e può darsi il caso che un soggetto portatore di un allele dominante non manifesti il relativo carattere. Un gene che può indurre o meno la sa del carattere viene definito 'incompletamente penetrante'. Una penetranza del 100% significa che tutti gli individui portatori del gene manifestano il carattere; quando ciò si verifica solo nella metà dei soggetti, la penetranza è del 50% e così via.

Un gene dominante può possedere una penetranza del 100% ma non produrre un ugual fenotipo in tutti gli individui. Si parla in questo caso di gene con 'espressività variabile'. La penetranza si riferisce quindi alla capacità o meno del gene di manifestarsi (presenza o assenza del carattere), mentre l'espressività riguarda il diverso modo con cui tale manifestazione può aver luogo.

Eredità multifattoriale. Dai suoi esperimenti Mendel aveva tratto la conclusione che un carattere era determinato da un solo gene. Alcuni caratteri quali ad esempio la statura, il peso, l'intelligenza, sono in realtà determinati dall'azione additiva o cumulativa di parecchi geni (sistema poligenico) che segregano indipendentemente; ciascuno di questi geni produce una piccola porzione dell'effetto totale. L'eredità di tipo poligenico differisce quindi dal modello di eredità di tipo mendeliano in quanto il carattere, anziché presentarsi in modo discontinuo, varia in modo continuo da un estremo parentale all'altro. Più è elevato il numero di geni che controlla il carattere e più la variazione fenotipica presenta i caratteri di continuità. La maggior parte delle differenze fra i soggetti normali presenta le caratteristiche di una variazione continua. Ad esempio, prendendo a caso una popolazione di maschi adulti e ordinandoli a seconda della loro altezza si può facilmente osservare come ciascun individuo differisca di poco rispetto a chi lo precede e a chi lo segue. Con questo tipo di confronto molti altri caratteri poligenici potrebbero essere identificati. Bisogna tuttavia considerare che per la maggior parte di questi caratteri solo una parte della variabilità è ereditaria, essendo la rimanente influenzata da fattori ambientali. Per questo motivo al termine 'eredità poligenica' si sostituisce spesso quello di 'eredità multifattoriale'. Per il carattere statura, esclusa una situazione di malnutrizione o di altre gravi influenze ambientali, circa il 90% della variabilità è ereditabile; altri caratteri come la pressione arteriosa o la frequenza del polso mostrano invece una minor componente genetica.

Poiché attualmente è impossibile identificare interi sistemi poligenici o definire dettagliatamente le loro proprietà, il problema può essere affrontato soltanto in termini statistici. Nella selezione naturale l'equilibrio tra sistemi poligenici è molto più importante rispetto a quello tra singoli geni.

L'eredità poligenica si inserisce perfettamente nel modello darwiniano di modificazioni graduali e continue che sono offerte alla selezione naturale.

Nell'ambito dell'eredità multifattoriale si inquadrano molto bene i processi di sviluppo. Tali processi si attuano con ritmi determinati da numerosi fattori, alcuni genetici e altri ambientali, e sono visualizzabili come una distribuzione continua. Se un processo non riesce a raggiungere un certo stadio nel periodo giusto, può risultarne una malformazione; in questo caso la variabile continua è ora costituita da una classe normale e una anormale, separate da una soglia. Varie malformazioni congenite umane mostrano distribuzioni familiari corrispondenti a quanto ci si attende per un carattere multifattoriale con effetto soglia; tra queste ricordiamo la labioschisi, la palatoschisi, la lussazione congenita dell'anca, la stenosi ipertrofica del piloro. Per queste malformazioni il metodo di analisi consiste nel raccogliere informazioni sulla loro frequenza nella popolazione generale e in differenti categorie di consanguinei. Su questi dati si può valutare il cosiddetto 'rischio empirico' della malformazione. Tale stima è basata unicamente sull'osservazione della frequenza del carattere dal momento che non disponiamo di conoscenze sulla natura dei fattori genetici e ambientali che contribuiscono alla malformazione.