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martedì 24 agosto 2010

Biologia applicata: da Mendel alla genetica moderna

Gregor Mendel ha condotto i suoi esperimenti tra il 1850 e 1865. Si riteneva che i caratteri fossero trasmessi alla prole e che si mescolassero nel figlio. Mendel smentì la seconda credenza ma servirono 40 anni prima che il suo lavoro venisse compreso.
Il successo della ricerca di Mendel si deve ad un disegno sperimentale rigoroso e l'uso delle leggi della probabilità.
La scelta dell'organismo di studio venne assegnata al pisello odoroso: ha una progenie numerosa, è facile manipolare la riproduzione in quanto può essere impollinato o autoimpollinarsi; i 7 caratteri scelti avevano una dominanza completa e venivano eriditati indipendentemente gli uni dagli altri.
Un carattere è una caratteristica osservabile dell'organismo, un tratto la forma con cui si presenta.
L'incrocio avviene recidendo le antere, per evitare l'autoimpollinazione, e trasportando il polline da una pianta all'altra. Mendel aveva a disposizione delle linee pure, cioè che davano autoimpollinandosi sempre lo stesso carattere.
Incrociando due linee pure (generazione parentale P) con caratteri a tratti opposti e otteneva una prima generazione filiale F1. In questa non vi era mescolanza, ma un unico tratto. Scoprì così che un tratto è dominante e uno recessivo (principio di dominanza). Nella generazione ottenuta per autoimpollinazione F2 il tratto si ripresentava.
Per spiegare questo Mendel capì che entrambi i tratti erano rimasti nella progenie, a livello di genotipo i tratti sono definiti alleli. Quindi se un individuo ha due alleli per tratti diversi nel fenotipo si manifesterà quello dominante.
Un individuo si dice omozigote, omozigote recessivo se gli alleli sono recessivi o omozigote dominante se dominanti e se ha alleli identici per il carattere; e eterozigote se ha alleli diversi.

La prima legge di Mendel detta legge della segregazione dei caratteri dice che durante la formazione dei gameti i due alleli segregano (separano) finendo su gameti diversi.
Oggi sappiamo che i due alleli si trovano sue dei cromosomi omologhi e che la segregrazione degli alleli avviene durante la meiosi.

Mendel usava il quadrato di Punett per determinare la quantià di alleli trasmessi, però non riusciva a capire la presenza quali fossero gli eterozigoti perché il fenotipo era identico. L'unico modo che gli permetteva di capire era un incrocio di controllo con l'omozigote recessivo (incrocio diibrido).

La seconda legge di Mendel si rifersice al modo in cui gli alleli di tratti diversi si assortiscono negli incroci:
la legge dell'assortimento indipendente dice che gli alleli appartenenti a geni differenti segregano indipendentemente al momento della formazione dei gameti e sono ereditati indipendentemente l'uno dall'altro.
Però oggi si sa che non è universalmente vera, infatti quando i geni che controllano due caratteri si trovano vicini nello stesso gene essi tenderanno ad essere associati alla progenie.

Un allele è una sequenza di un gene. Alleli diversi per un gene esistono poiché sono soggetti a mutazioni, un processo raro e casuale che modifa il materiale genetico. I genetisti chiamano un gene wild-type se l'allele in natura è presente nella maggior parte degli individui.
Non sempre la dominanza è completa perché alcuni geni sono soggetti da allelia multipla (più di due alleli).
Quando un soggeto eterozigota manifesta un fenotipo intermedio rispetto alla generazione partentale si dice che il gene è soggetto a dominanza incompleta. In alcuni casi entrambi gli alleli sono dominanti e si ha la codominanza (tipo il gruppo sanguigno AB).
Altri alleli hanno effetti fenotipici multipli e viene chiamato pleiotropico.

Come interagiscono i geni?
Un locus genico è la posizione nel cromosoma di un gene e viene definito polimorfico se può presentare un gene mutante.
L'epistasi è l'influenza tra geni nell'espressione fenotipica. In alcune espressione fenotipiche (statura, colore della pelle) il carattere è poligenico, cioè più geni diversi collaborano al risultato finale.

I geni associati risiedono nello stesso cromosoma e tendono ad essere distribuiti contemporanenamente, ad eccezione del crossing over, incidendo sulla seconda legge di Mendel, in quanto i caratteri osservati si trovavano su cromosomi diversi. La probabilitàù con cui due geni presenti sullo stesso cromosoma si ricombinino è legata alla loro distanza: se sono vicine è bassa, se sono lontani avverrà quasi certamente.

Le leggi della genetica mendialiana e post-medeliana possono essere utilizzate per prevedere la trasmissione di malattie genetiche nell'uomo. La maggioranza delle malattie genetiche sono determinate da un allele recessivo.
Generalmente le malattie genetiche sono dovute alla produzione di un enzima difettoso che interrompe la via metabolica, nel caso però degli eterozigoti l'allele dominante riesce a supplire.
Una proteina enzimatica può facilmente subire mutazioni che ne compromettono la funzionalità, se la posizione dell'amminoacido è sbagliata o l'amminoacido ha una carica diversa dal previsto si possono creare dei danni allosterici impossibilitando il legame del substrato col sito attivo.
Malattie genetiche autosomiche recessive: fibrosi cistica, fenilchetonuria, alcune forme di diabete, galattosemia.
Generalmente malattie dovute ad un allele dominante vengono rimosse velocemente dalla popolazione se l'individuo non riesce a riprodursi. La malattia di Huntington (HD) è una malattia neurodegenerativa progressiva che subentra nell'età adulta dopo i 30 anni e sfocia nella demenza, purtroppo la progenie porta un 50% di alleli malati.
Altre malattie genetiche autosomiche dominanti sono il nanismo acondroplasico, polidattilia, neurofibtomatosi, galucoma cronico.
Nell'anemia falciforme gli individui eterozigoti presentano entrambi i globuli rossi poiché l'allele è codominante.
Questa mutazione è sopravvisuta perché i globuli rossi falciformi resistono all'infezione della malaria. Il costo è che un individuo della progenie su 4 presenterà l'omozigosi per l'allele dell'anemia falciforme e non soppravviverà.

44/46 cromosomi umani costituiscono gli autosomi, cioè contengono la stessa sequenza di geni,ma non esatta sequenza di DNA perché possono essere portatori di alleli diversi.
I rimanenti due sono cromosomi sessuali o eterocromosomi. e vengono designati con X e Y, nella porzione non omologa vi sono i geni che permettono la differenziazione sessuale.
Nell'uomo XX è un individuo femmina (sesso omogametico), e XY è un individuo maschio (sesso eterogametico).
I gameti femminili sono sempre X e gli spermatozoi possono essere X e Y ed hanno una resistenza diversa.
Alcuni geni che si trovano nella porzione non omologa del cromosoma X, che quindi non ha un omologo in Y, dà degli effetti nei maschi che non hanno un allele dominante. Il daltonismo, e l'emofilia sono malattie prevalentemente maschili prodotte dall'eterocromosoma X materno.

Le mutazioni possono essere geniche o cromosomiche.
Le mutazioni geniche o puntiformi sono dovute alla sostituzione, delezione, inserzione di basi nucleotidiche nel DNA.
Le mutazione geniche dovute a sostituzioni producono proteine alterate e le conseguenze sono di 3 tipi:
- mutazione silente → riguardano alla terza base del codone di mRNA che spesso è ininfluente per l'amminoacido.
- mutazione di senso → una base del codone altera l'amminoacido codificato (variazione genetica su cui lavora la Selezione Naturale).
- mutazione non senso → il codone rappresenta un amminoacido invece del codone di inizio o di stop, o viceversa.

Nella delezione e inserzione tutto il codice genetico seguente viene traslato e quindi completamente alterato. Potrebbe essere dovuto ad un errore di replicazione del DNA o da agenti fisici (X o UV) o agenti mutageni chimici.

Le mutazioni nella struttura dei cromosomi sono 4:
- delezione → parte del cromosoma viene perduta (sindrome du cri du chat).
- duplicazione → parte del cromosoma viene duplicato provocando danni nella regolazione dell'espressione.
- inversione → in seguito ad una rottura il cromosoma viene riunito in posizione invertita, non dà conseguenze gravi eccetto che non avverrà il crossing over.
- traslocazione → in seguito ad una rottura una parte del cromosoma si stacca e viene inserito in un cromosoma diverso, rendondo complicato l'appaiamento durante la meiosi.

Nella mutazione del numero dei cromosomi (aneuploidia) se durante la meiosi una coppia di cromosomi non si separa (non disgiunzione) avremo una cellula con un cromosoma in meno (monosomia) e una con un cromosoma in più (trisomia). Nessuna monosomia permette lo sviluppo dell'embrione, mentre per la trisomia del cromosoma 21 si ha la sindrome di Down. L'aneuploidia colpisce 2/10 delle gravidanze. La sindrome di Down 1/700 e l'età della madre è direttamente proporzionale con la probabilità di nascita di un figlio Down.
Aneuploidia agli eterocromosomi causa minor perturbamento dell'equilibrio genico: X0 sindrome di Turner, XXX metafemmina, XXY sindrome di Klinefelter, XYY maschio normale.

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