Elementi di genetica

ELEMENTI DI GENETICA

VARIABILITA' INDIVIDUALE: CARATTERI QUALITATIVI E QUANTITATIVI

La variabilità individuale è determinata sia da caratteri di tipo qualitativo che da caratteri di tipo quantitativo. I caratteri qualitativi sono, di solito, differenze di tipo alternativo che causano una variabilità di tipo discontinuo (il colore nero o rosso del mantello di certe razze di bovini, l'uniformità o la pezzatura del mantello, la presenza o l'assenza di corna, ecc.). I caratteri qualitativi, pur non avendo per lo più interesse pratico sono più facili da studiare, perché dipendono esclusivamente dal patrimonio ereditario non essendo influenzabili da fattori ambientali. I caratteri quantitativi sono invece differenze misurabili (la statura, il peso, la quantità di latte prodotta), sono più importanti da un punto di vista economico e sono fortemente influenzati dai fattori ambientali.

LEGGI DI MENDEL

Gregorio Mendel eseguì le sue osservazioni sui piselli odorosi, piante annuali ermafrodite che possono essere sia autofecondate che incrociate fra loro. Ne studiò i caratteri qualitativi (colore e forma dei semi, baccelli, colore dei fiori, ecc.). Selezionò delle linee pure, il colore dei semi si può presentare sotto due alternative: o giallo o verde, per ottenere una linea pura di piante a semi gialli, incrociò piante a semi gialli tra loro e tra i figli fece riprodurre solo quelli a semi gialli fino ad avere la certezza di avere ottenute piante pure per il carattere giallo; egualmente fece per il carattere colore verde dei semi.

Incrociò le due linee pure:

F1 = prima generazione filiale 100% semi gialli -carattere dominante-

F2 = seconda generazione filiale ¾ semi gialli e ¼ semi verdi -carattere recessivo-

Ogni carattere è determinato da un fattore ereditario (=gene) che può presentarsi sotto due forme differenti, dette alleli. I fattori ereditari si trasmettono da una generazione all'altra per mezzo dei gameti. L'individuo che ha due alleli uguali si dice omozigote, mentre eterozigote se ha due alleli diversi.

Le piante di partenza sono omozigote, ognuna per il suo carattere. Il fenotipo colore giallo del seme può essere determinato da un genotipo sia omozigote (GG) sia eterozigote (Gg), mentre il fenotipo colore verde dei semi è determinato solo dal genotipo omozigote gg.

La prima legge di Mendel, detta legge della dominanza, afferma che dei caratteri costituenti una coppia d'alleli l'uno, detto dominante, prevale sull'altro, detto recessivo.

La seconda legge, detta legge della segregazione o della purezza dei gameti, afferma che i due alleli si disgiungono alla formazione dei gameti, i quali quindi presentano uno solo degli alleli per ciascun carattere. Questa seconda legge è sempre valida. (Mitosi = dimezzamento dei cromosomi e quindi dei geni)

Le prime due leggi di Mendel si riferiscono a monoibridi, cioè ad incroci tra organismi diversi per una coppia d'alleli. Ci possono essere anche d'ibridi e poliibridi, cioè incroci interessanti due o più coppie d'alleli.

QUADRATO DI PUNNETT: G= giallo g= verde L= liscio l= rugoso

Gameti maschili

GL            Gl gL gl

GL GGLL GGLl GgLL GgLl 100%

Gameti femminili                 

Gl     GGLl GGll GgLl Ggll G = 75% L=50%

gL GgLL GgLl ggLL ggLl G = 75% L = 100%

gl GgLl Ggll ggLl ggll G = 50% L= 50%

La terza legge di Mendel, detta anche legge dell'indipendenza, afferma che negli incroci riguardanti più di una coppia d'alleli, ogni coppia d'alleli si comporta indipendentemente dalle altre, ricombinandosi nelle generazioni successive secondo le leggi della probabilità. Questa legge è valida solo se le coppie d'alleli sono portate da coppie diverse di cromosomi.

BASI CITOLOGICHE DELL'EREDITARIETA'

I geni sono posti nei cromosomi e gli alleli si trovano in coppia perché i cromosomi sono a coppie. Ogni individuo riceve un allele dal padre e l'altro dalla madre, la separazione d'ogni coppia di cromosomi omologhi è indipendente da quella delle altre coppie.

REINCROCIO

Il reincrocio è un test mediante il quale s'individua il genotipo sconosciuto di un fenotipo noto

? X omozigote recessivo

DOMINANZA INCOMPLETA O EREDITARIETA' INTERMEDIA

Non sempre la prima legge della dominanza appare valida. Per molte coppie d'alleli può non sussistere la dominanza di un allele rispetto all'altro e si manifesta un fenotipo intermedio (Es: mantello in una razza di bovini, mantello bianco + mantello rosso = mantello di colore roano, una colorazione intermedia fra il bianco e il rosso dei genitori). Dalla seconda generazione si può notare che non vi è mescolanza di fenotipo. La prima legge di Mendel viene quindi rinominata legge dell'uniformità degli ibridi di prima generazione.

EREDITA' INFLUENZATA DAL SESSO

In molti casi la dominanza o la recessività sono influenzati sia da fattori esterni (la temperatura) sia da fattori interni all'individuo (influenze ormonali). L'ereditarietà influenzata dal sesso si verifica quando l'espressione di un allele è condizionata dalla presenza nell'individuo di un ormone sessuale. La presenza di corna in alcune razze di pecore è influenzata dalla presenza di testosterone, negli omozigoti per la presenza di corna entrambi i sessi hanno questo carattere, mentre negli omozigoti per l'assenza di corna, le corna mancano in entrambi i sessi; negli ibridi eterozigoti l'allele presenza di corna domina sull'allele assenza di corna solo negli individui maschi in quanto evidentemente l'ormone maschile prodotto dal testicolo (testosterone) condiziona questa dominanza.

L'ereditarietà influenzata dal sesso o più precisamente la dominanza condizionata da ormoni sessuali è un'eccezione alla prima legge di Mendel, in quanto gli ibridi non sono uniformi.

Un altro esempio può essere anche la calvizie precoce nell'uomo, più che nella donna.

ALLELI LETALI

La presenza d'alleli allo stadio omozigote può risultare letale per l'organismo; la morte può avvenire molto precocemente, oppure può avvenire più tardivamente, ma sempre prima del raggiungimento della maturità sessuale e quindi prima della capacità procreativa. (Es: razza di topini a pelo giallo)

ALLELIA MULTIPLA

Un gene di solito si presenta sotto due forme all'eliche, ma in certi casi può avere più di due alleli; si parla allora di allelia multipla. Un esempio è dato dai principali gruppi sanguigni, infatti, abbiamo quattro fenotipi che determinati da un unico gene, che si presenta con tre alleli: La, Lb, Lo; vi è normale dominanza di La su Lo e di Lb su Lo, mentre tra La e Lb non vi è né dominanza, né recessività, né una condizione di dominanza incompleta, bensì entrambi gli alleli si esprimono.

PLEIOTROPIA

S'intende quel fenomeno genetico nel quale un solo gene influenza più caratteri diversi. Nel moscerino della frutta un allele che determina, allo stato recessivo, ali di dimensioni ridotte, influenza anche la forma dei bilancieri, la struttura degli organi genitali e la durata della vita del moscerino. Un altro esempio può essere l'albinismo nei topi.

EREDITA' DEI CARATTERI QUANTITATIVI: POLIMERIA O EREDITA' POLIGENICA

I caratteri più importanti da un punto di vista economico sono i caratteri quantitativi, cioè quelle caratteristiche dell'organismo che si possono misurare e che si manifestano secondo una variabilità continua.

Con il termine polimeria s'intendono quei casi di eredità nei quali un carattere quantitativo è determinato dalla somma dell'azione di più coppie di alleli, che si ereditano indipendentemente l'una dall'altra e fra i quali non vi è' dominanza e recessività.

Per esempio la lunghezza delle orecchie di un coniglio, incrociando una razza con orecchie molto lunghe ad una che le ha corte, nella prima generazione si ottiene una lunghezza intermedia, mentre nella seconda generazione si osserva una variabilità  continua. Quindi s'ipotizza che il carattere sia determinato da tre coppie di alleli. Un altro esempio può essere il colore della pelle umana, anch'esso è determinato da tre coppie di alleli.

Altri caratteri quantitativi sono comandati da decine di geni e sono inoltre fortemente influenzati dall'ambiente.

DETERMINAZIONE DEL SESSO

Le differenze fra maschio e femmina sono causate da un corredo cromosomico diverso.

Eterogametia maschile di tipo XY

In molti gruppi animali le cellule somatiche e gli spermatogoni dei maschi presentano nel corredo cromosomico una coppia di cromosomi costituita da un grosso cromosoma X e da uno più piccolo Y; chiamati cromosomi sessuali o eterocromosomi e fanno sì che il maschio produca metà degli spermatozoi col cromosoma sessuale X e metà Y. Nella femmina la coppia di cromosomi sessuali è composta da due cromosomi X. I cromosomi apolidi eguali nei due sessi sono chiamati autonomi e indicati con la lettera A. La specie umana per esempio presenta tutte le cellule con 23 coppie di cromosomi delle quali 22 coppie sono autonomi, mentre la coppia di cromosomi sessuali è XY nel maschio e XX nella femmina, quindi AA + XY e AA + XX.

Il sesso del futuro bambino viene quindi stabilito all'atto della fecondazione.

Il sesso eterogametico è quello del maschio in quanto è il maschio che produce gameti diversi; questa determinazione è detta singamica poiché è all'atto della fecondazione che viene stabilito geneticamente il sesso dell'individuo.

Eterogonia maschile di tipo X0

E' un tipo di determinazione cromosomico del sesso che deriva da quello di tipo XY, solo che i maschi sono privi del cromosoma Y e hanno quindi un cromosoma sessuale in meno rispetto alle femmine; questa determinazione del sesso viene detta di tipo X0. I maschi sono AA + X e producono spermatozoi o A+ Y o A, le femmine sono AA + XX e fanno uova tutte A+ X.

Eterogametia femminile di tipo ZW

In questo tipo di determinazione del sesso le femmine hanno una coppia di cromosomi sessuali diversi tra loro (ZW), mentre il maschio ha i cromosomi sessuali uguali (ZZ); la femmina AA + ZW è eterogamica e produce uova A + Z o A + W, mentre il maschio omogametico AA + ZZ produce spermatozoi sempre A + Z.

Questa determinazione del sesso è progamica in quanto il sesso del futuro nascituro è già stabilito prima della fecondazione.

Tipo apolide-diploide

Un altro particolare tipo di determinazione cromosomica del sesso è di tipo apolide-diploide che è presente nella maggioranza degli Imenotteri (api). Le femmine sono diploidi, mentre i maschi sono aploidi. Le uova prodotte dalla femmina possono svilupparsi sia se fecondate sia se non fecondate: nel primo caso si svilupperanno delle femmine, nel secondo caso si svilupperanno per partenogenesi dei maschi, i quali essendo apolidi, avranno una spermatogenesi senza meiosi.

NATURA QUANTITATIVA DELLA DETERMINAZIONE CROMOSOMICA DEL SESSO

Si cercò di stabilire quanti geni fossero implicati nella determinazione del sesso e su quali cromosomi questi geni fossero collocati.

Dal moscerino della frutta si osservò che i maschi erano AA + XY e le femmine AA + XX, ma si riscontravano talvolta degli individui con corredo cromosomico anormale che presentavano diverse anomalie nella sessualità. Triplodia degli autonomi e un unico cromosoma sessuale X, AAA + X sono maschi sterili che presentano l'apparato genitale molto sviluppato. I geni che comandano la sessualità quindi non sono sul cromosoma Y, questi geni di mascolinità sono collocati sugli autonomi, poiché la triplicazione di questi aumenta l'espressione dei caratteri maschili. Altri individui anormali avevano triplodia del cromosoma sessuale X, AA + XXX, sono femmine sterili che presentano l'apparato riproduttore molto sviluppato, quindi i geni della femminilità sono posti sul cromosoma X, dato che con una sua triplicazione aumenta l'espressione dei caratteri femminili.

In un maschio normale del moscerino AA + XY i geni di mascolinità posti sugli autonomi sono più numerosi o sono più forti dei geni della femminilità posti su un unico cromosoma X, e viceversa, quelli di una femmina normale AA + XX sono più forti di quelli di un maschio anormale.

Esistono infine individui anormali con triplodia degli autonomi e normale coppia di cromosomi sessuali X. Questi individui AAA + XX sono sterili e con caratteri sessuali intermedi ai due sessi. In questi intersessi i geni della mascolinità sono in ugual numero hanno forza uguale a quelli della femminilità.

L'essere maschio o l'essere femmina è quindi una questione di carattere quantitativo, dato che ogni maschio porta anche una minoranza di geni di femminilità e ogni femmina una minoranza di geni di mascolinità. Questa situazione di tipo quantitativo è valida per quasi tutti gli animali a sessi separati.

Nell'uomo e in altri mammiferi i geni della femminilità sono portati dai cromosomi sessuali X, mentre i geni della mascolinità sono portati in massima parte dal cromosoma sessuale Y.

Nella specie umana ci sono talvolta individui con situazioni patologiche dovute a corredo cromosomico anormale di tipo AA + XXY; questi individui sono maschi sterili con testicoli poco sviluppati; possono presentarsi anche individui di tipo AA + X che sono femmine sterili con ovari iposviluppati.

Negli animali a sessi separati vi è prevalenza dei geni di un sesso rispetto all'altro, mentre negli animali ermafroditi i geni di mascolinità e quelli di femminilità sono in equilibrio.

Vi sono però anche delle specie animali che non hanno una determinazione del sesso genotipicamente stabile e nelle quali il sesso viene determinato dopo la fecondazione da fattori esterni come la temperatura o l'alimentazione, questo tipo di determinazione del sesso viene detto metagamico. Questo spiega anche come sia possibile un'inversione di sesso spontanea. Non bisogna confondere queste inversioni sessuali spontanee e fisiologiche da quelle provocate da malattie.

Un altro esempio di inversione sessuale causata da influenze ormonali esterne è dato dai così detti free-martins, che sono bovini sterili. Quando tra due feti gemelli di bovini di sessi geneticamente diversi si stabiliscono delle connessioni vascolari tra le placente, il feto di sesso femminile, a causa dell'ormone maschile che riceve dal gemello, inverte il sesso e diventa un maschio che però è sterile.

EREDITA' LEGATA AL SESSO

Si tratta di quei caratteri determinanti da geni situati sui cromosomi sessuali e che si trasmettono in modo differente a seconda se provengono dal padre o dalla madre. Un esempio di eredità legata al sesso è come si eredita nell'uomo il daltonismo; il carattere per il daltonismo e quello per la visione normale sono comandati da un gene posto sul cromosoma sessuale X del maschio. Risulta chiaro che il daltonismo è più frequente nel sesso maschile dato che femmine daltoniche possono nascere solo da matrimoni nei quali o entrambi i genitori sono daltonici oppure il padre è daltonico e la madre portatrice sana.

ASSOCIAZIONE E SCAMBIO

Tutti i geni che si trovano su uno stesso cromosoma si dicono associati e vengono ereditati insieme; questo fenomeno, denominato associazione genica, rappresenta una significativa eccezione alla terza legge di Mendel, poiché si possono ereditare in modo indipendente solo quei geni che sono posti su cromosomi diversi. Il crossing over, cioè lo scambio di alleli tra cromosomi omologhi avviene durante la profase della prima divisione meiotica.

L'associazione genica provoca il fatto che i geni si ereditino in prevalenza a gruppi, mentre il crossing over o scambio rompe quest'associazione e ripristina parzialmente l'indipendenza delle coppie d'alleli, con il vantaggio evolutivo di creare una maggiore variabilità.

MUTAZIONI

Il patrimonio ereditario di un organismo è generalmente molto stabile, la molecola di DNA tende sempre a duplicarsi in modo conservativo. Talvolta però può accadere che il DNA duplicandosi non faccia una copia esatta di se stesso o che un singolo cromosoma cambi forma o che si modifichi il numero cromosomico; in tutti questi casi si parla di mutazioni, cambiamenti del patrimonio ereditario. Improvvisi cambiamenti del patrimonio ereditario che possono essere trasmessi alla discendenza solo se interessano le cellule germinali.

Esistono tre principali mutazioni: gnomiche, cromosomiche e geniche.

Mutazioni gnomiche

Sono cambiamenti nel numero dei cromosomi di una determinata specie e causano quindi imponenti variazioni nel numero dei geni. Queste mutazioni possono consistere nella presenza tripla di un singolo cromosoma oppure nella perdita di un cromosoma.

Mutazioni cromosomiche

Sono cambiamenti nella struttura di un cromosoma che causano quindi variazione nel numero e nell'ordinamento dei geni posti in quel cromosoma. Spesso producono sterilità.

Mutazioni geniche

Sono cambiamenti nella struttura chimica del gene e consistono in variazioni nella sequenza delle basi azotate della molecola di DNA. Si possono considerare come errori di copiatura durante la duplicazione del DNA.

Le mutazioni sono uno dei mezzi più importanti per lo studio della genetica in quanto la conoscenza della struttura e funzione dei geni è possibile solo col confronto tra le forme alternative dei geni.