La genetica (dal greco antico γενετικός, ghenetikós, «relativo alla nascita», da γένεσις ghénesis, «genesi, origine») è la branca della biologia che studia i geni, l'ereditarietà e la variabilità genetica negli organismi viventi. Il campo di studio della genetica si focalizza dunque sulla comprensione dei meccanismi alla base di questi fenomeni, noti sin dall'antichità, assieme all'embriologia, ma non spiegati fino al XIX secolo, grazie ai lavori pionieristici di Gregor Mendel, considerato per questo il padre della genetica.
Genetica
Appunti di Simone Pisu
Università: Università degli Studi di Cagliari
Facoltà: Biologia
Corso di Laurea Magistrale in Biologia Cellulare e Molecolare
Esame: Genetica
Docente: Prof. Marchi
Anno Accademico 2011/2012Grazie a Mendel sono state fatte le prime scoperte sulla eriditarietà dei geni; queste
scoperte sono valide tuttora e si possono applicare ad animali e piante. Le ricerche
sull ’eridaterietà dei geni vengono anche impiegate nel campo della produzione, per
selezionare piante di un determinato tipo; tale selezione è il risultato della modalità
con cui i geni vengono ereditati. Oggi poi ci sono addirittura i prodotti transgenici .
Le tecniche di ingeneria genetica oggi vengono usate per modificare prodotti di
interesse alimentare (Es: o per avere una maggiore resa produttiva o per avere
prodotti più resistenti ai parassiti), per creare farmaci etc; ma per fare questo alla base
c’è la conoscenza di come i geni vengono trasmetti da una generazione all ’altra.
La genetica ormai trova impiego nel campo: della agricoltura, della zootecnia
(disciplina che si occupa della produzione, dell'allevamento e dello sfruttamento degli
animali domestici), medicina legale e della ricerca di geni che causano patologie.
Concetti:
Fenotipo: ciò che appare
Genotipo: base genetica che determina un certo carattere. Due persone che
hanno lo stesso genotipo non è detto che abbiamo lo stesso fenotipo (esempio
due gemelli omozigoti, non sono mai esattamente identici); questo perché
l ’individuo interagisce con l ’ambiente, con altri geni etc. Ad esempio anche la
posizione che due gemelli assumono all ’interno dell ’utero, può influenzare
l ’espressione del fenotipo.
Genetica mendeliana: leggi sull ’eriditarietà dei caratteri per organismi che si
riproducono sessualmente; ossia dove la formazione dei gameti avviene
secondo un processo di meiosi
Variabilità genetica: diversità che osserviamo all ’interno di una specie. Noi
se ci guariamo siamo tutti diversi, perché esistono forme alternative di uno
stesso gene. Ciò è dovuto alla capacità del DNA di mutare, e poi alla selezione
naturale; ciò ha permesso l ’evoluzione.
Gene: unità ereditaria funzionale costituita da una sequenza di DNA (RNA per
alcuni virus)
Gene strutturale: gene che trascritto e tradotto darà una proteina
Genoma: insieme dei geni che costituisco il patrimonio ereditario di una
specie.
Scoperta del materiale genetico
Mendel si può definire il padre della genetica e ciò che stupisce è la genialità di
quest ’uomo; infatti lui fece importanti ipotesi sulla genetica (che poi si sono rivelate
vere) senza sapere nulla di: gameti, meiosi, cromosomi, geni, DNA etc.
Oggi noi sappiamo bene che il DNA è il materiale genetico, però questa convinzione
è scaturita solo verso il 1920/1930.
Griffith:
La prima scoperta che è effettivamente il DNA il depositario dell ’info genetica e stata
fatta grazie a Griffith
Griffith non stava cercando di scoprire se il DNA fosse il responsabile
dell ’eridaterietà dei caratteri ma, come spesso accade, fu una scoperta casuale.
Griffith stava infatti cercando un vaccino per la polmonite e stava utilizzando come
cavie dei topolini, aveva isolato il batterio della polmonite e di questo aveva isolato
ceppi virulenti (in grado di causare la malattia) e non virulenti (non in grado di
causare la malattia). I ceppi virulenti furono indicati con S perché quando i batteri
vengono coltivati formano colonie lisce. I batteri non virulenti non hanno una capsula
polisaccaridica; questi non sono virulenti quindi se iniettati in un topo non causano la
malattia; possono poi essere isolati dal sangue di quel topo ed essere coltivati; queste
colonie hanno margini non lisci, quindi vengono indicati con R. Per dar vita ad un
vaccino Griffith uccise i batteri virulenti con il calore, gli iniettò nel topo e vide che
non causavano la malattia. Se poi venivano messi in un terreno di coltura questi
essendo morti non replicavano.
Un ulteriore esperimento lo fece usando batteri virulenti uccisi e non virulenti vivi;
iniettando questo mix nel topo si vide che manifestava la malattia, e da esso prelevò
dei batteri che stranamente erano virulenti. Griffith ipotizzò che il fattore virulenza
fosse passati dai morti virulenti hai vivi non virulenti. Lui però non sapeva quale
fosse questo fattore.
Altri ricercatori successivamente fecero degli esperimenti per capire quali fossero le
molecole responsabili di questa trasformazione. Prepararono delle provette con
colture di ceppi non virulenti e vi aggiunsero estratti (detti anche omogenati) di ceppo
virulento. Si vide che l ’omogenato era in grado di trasformare le cell non virulente e
quindi nel terreno di coltura era possibile vedere cell virulente; ma l ’omogenato è
composto da proteine acidi nucleici etc, quindi per capire quale fosse la molecola
responsabile hanno trattato l ’omogenato con enzimi: facendo varie prove videro che
se degradavano proteine e RNA, il fattore riusciva a passare ai virus non virulenti, ma
se degradavano invece il DNA lasciando o proteine o RNA, questo non era possibile.
Questa era la prova che era proprio il DNA che aveva il materiale genetico
contenente l ’info virulenta.
Watson e Crick:
Altri studi vennero fatti da altri due premi nobel Watson e crick. Il modello ideato da
W.e C. riusciva a spiegare una serie di dati sperimentali sulla costituzione del DNA
ed era in grado di spiegare come il DNA si può duplicare producendo copie fedeli di
se stesso.
DNA e proteine:
Un ’altra scoperta fondamentale fu: l ’interazione del DNA con proteine (sappiamo
che il DNA interagisce con proteine) è stata fatta alla fine dell ’800 da un medico che
studiava una malattia (alcaptonuria) caratterizzata da urine scure, perché durante la
degradazione degli aminoacidi, in particolare fenilalanina, si ha un blocco metabolico
e quindi l ’acido omogentisico (HGA) non viene trasformato in maleilacetoacetato e si
accumula nelle urine, si ossida e quindi determina queste urine scure. Inoltre
l ’alcaptonuria determina una forma di atrosi.
Questo medico aveva capito che la alcaptonuria veniva ereditata e aveva anche capito
il perché avveniva questo problema (già descritto come avviene).
La neurosporacrassa e i mutanti:
Nel secolo scorso a partire da una serie di esperimenti si è scoperto che il DNA viene
replicato, si ottiene l ’RNA e questo viene tradotto in proteine. L ’esperimento fu fatto
usando un organismo sperimentale che si chiama neurospora crassa (fungo detto
“muffa del pane ”). La neurospora è autotrofa quindi è capace di produrre da se tutto
ciò che gli serve per costruire le macromolecole, partendo da sostanze semplici:
carbonio, zuccheri, sali minerali e una vitamina che è la biotina.
Le neurospore sono organismi che possono riprodursi per via assessuata. Quindi se
mettiamo la spora in un terreno con carbonio, zucchero, sali minerali e biotina è in
grado di formare un intero organismo. I ricercatori hanno preso le spore e le hanno
irraggiate con radiazioni X. I raggi x determinano mutazioni. Poi venne messo il tutto
in una provetta. I ricercatori volevano capire se alterando il DNA si otteneva un
qualche risultato. Alcuni mutanti furono messi in terreni in cui avevano tutto e altri
invece in terreni in cui mancava qualcosa che però un non mutande avrebbe potuto
sintetizzare. Notarono però che i mutanti non riuscivano a fare ciò, mentre in un
terreno in cui tutto era pronto riuscivano a crescere. Quindi voleva dire che
quell ’alterazione del DNA aveva determinato nella neurospora la incapacità di
produrre un amminoacido. Usando una batteria di provette con un terreno minimo in
cui c ’era l ’aggiunta di un solo amminoacido; videro che solo aggiungendo arginina la
neurospora cresceva. Quindi l ’amminoacido in questione era l ’arginina. Questo
voleva dire che c ’era stato un blocco metabolico, ossia era stato alterato qualche
gene.
Riuscirono questi ricercatori a scoprire che ci sono dei geni che trascritti e tradotti
danno degli enzimi che catalizzano la reazione per ottenere arginina; alterazioni in
questi geni impediscono la sintesi di un enzima funzionante e quindi viene bloccato il
processo metabolico.
Tipi di genoma
Non tutti gli organismi hanno lo stesso genoma. Vediamone alcuni:
Virus: possono infettare sia cell procariotiche e eucaristiche. Tra questi troviamo i
batteriofagi sono quei virus che infettano batteri e si replicano al loro interno usando
l ’apparato metabolico della cell; questo succede anche in cell eucaritiche. I virus sono
molto piccoli, le loro grandezze possono essere espresse in nanometri e anche il loro
genoma è poco complesso e molto piccolo e varia da 1,5 kb a 280 Kb (un kilobase =
1000 basi). Il loro genoma può essere a DNA o RNA, lineare o circolare, a singola o
a doppia elica. Avendo un genoma così piccolo anche i geni strutturali saranno molto
pochi; ovviamente usando l ’apparato metabolico della cell, non hanno bisogno di
tanti geni come i geni ribosomiali; però devono sintetizzare anche molecole che
serviranno per costruire il loro involucro ed essendoci poco spazio, spesso questi geni
sono sovrapposti, ossia la parte terminale di un gene strutturale e l ’inizio di quello
successivo.
C’è anche un problema di spazio in quanto il genoma, se lo stendiamo, è molto più
lungo del capside. (ne riparliamo dopo)
Batteri: Sono grandi qualche micron. Il loro genoma è di un solo tipo: DNA
circolare a doppia elica. Loro contengono un info genetica maggiore anche perché
devono sintetizzare anche tutte le molecole necessarie per la sintesi proteica; la
grandezza di questo genoma và da 760 a 4000 Kb. Non hanno geni sovrapposti come
i virus e neanche introni (sequenze che non vengono tradotte) come gli eucarioti;
inoltre a differenza degli eucarioti, il loro genoma non è contenuto in un nucleo.
Troviamo geni strutturali, quindi quei geni che vengono tradotti in sequenze
amminoacidiche, poi abbiamo anche geni ribosomiali, e questi avvolte sono ripetuti
in diverse copie, e infine i geni per l ’mRNA.
Anche qui abbiamo un problema di spazio perché se sdrotoliamo il DNA, può
arrivare anche ad 1 cm che ci deve stare in cell dell ’ordine di pochi micron.
Eucarioti: è un genoma a DNA, a doppia elica, lineare; molto più grande di quello
batterico, sia per gli essere unicell che pluricell. Varia da 13.500 Kb a 102.000.000 di
Kb; il nostro genoma non è così esteso infatti è solo di 3.000.000 di Kb, quindi
nonostante siamo l ’organismo più complesso ci sono piante o rettili o anfibi come gli
urodeli etc che possono avere un genoma più grande. Questo si spiega dicendo che il
genoma di questi animali contiene più sequenze non codificanti rispetto a quello
umano; ma anche quello umano ha molte sequenze non codificanti.
Nell ’uomo c’è una forte discrepanza tra la grandezza del genoma e la quantità di
geni strutturali; infatti solo il 10% codifica per proteine.
Nel genoma eucariotico abbiamo:
introni (sequenze non codificanti) ed esoni (sequenze codificanti); infatti
all ’interno di un medesimo gene sono presenti sequenze chiamate esoni, che
verranno conservati nell ’mRNA maturo, ed introni che verranno eliminati
prima della traduzione, con un processo denominato splicing. Spesso negli
introni troviamo promotori, sequenze leader etc.
ci sono geni ripetuti più volte. DNA non codificante per proteine.
ci sono altre sequenze che fungono semplicemente da sequenze di spaziatura;
si trovano tra un gene strutturale e l ’altro.
Sequenze ripetute: possono essere intersperse (sparse qua e là nel DNA) o
ripetute in tandem (ripetute uno di seguito all ’altro). Possono essere altamente
ripetute o mediamente ripetute.
Sequenze altamente ripetute:
Possono essere:
satellite: 4-7 mucleotidi ripetuti migliaia di volte
minisatelliti: 10-100 bp ripetute per un max di 40 kb
microsatelliti: circa 3-4 nucleotidi ripetuti per 20-30 volte
Il loro compito è quello di formare l ’rRNA il tRNA; le troviamo in particolare nelle
regioni centromeriche e telomeriche dei cromosomi e quindi si pensa che
costituiscano regioni vitali per i cromosomi; infatti se ad esempio la regione
centromerica subisce dei danni, il DNA non può più migrare ai poli del fuso durante
la divisione mitotica e meiotica; inoltre se un cromosoma non ha le estremità
telomeriche, tende a perdere DNA durante la duplicazione.
Sequenze mediamente ripetute: le principali sono
Sequenze corte: che sono intersperse nel genoma (le troviamo intersperse sia
in geni strutturali che in geni non strutturali), sono sequenze di 150-300 paia di
basi e vegono dette Sines; un esempio di queste sequenze sines nell ’uomo sono
le sequenza ALU
Sequenze lunghe: dette Lines, arrivano a 5kb, un esempio sono gli elementi
copia in drosophila.
DNA organelli: Nelle cell eucaritiche esiste anche un genoma mitocondriale e uno
cloplastico; qui troviamo geni strutturali e geni codificanti per rRNA e tRNA, in
quanto questi organelli sono dotati di un certo metabolismo.
DNA ripiegato
Abbiamo detto che il genoma del batterio ha difficoltà a starci dentro la cell, e così
anche quello virale ha difficoltà a stare dentro il capside; come hanno fatto a risolvere
il problema? .
Nei virus vediamo un DNA tutto ripiegato, in questo modo può compattarsi; il modo
con cui si compatta cambia in base al virus.
I batteri invece risolvono il problema con un DNA superavvolto intorno a proteine
basiche. Prima si pensava che il DNA procariotico fosse nudo, invece ora ormai si sa
che questo DNA presenta proteine simili a quelle istoniche eucariotiche; inoltre si
formano delle anse tenute assieme da molecole di RNA o proteiche.
Anche negli eucarioti abbiamo un problema di spazio; infatti abbiamo DNA anche di
un metro che deve starci in strutture nell ’ordine dei micron. Il problema è risolto con
la formazione di una sostanza (cromatina) formata da DNA, proteine istoniche (gli
istoni sono: H2A, H2B, H3 e H4) e proteine non istoniche.
Primo grado di impacchettamento: Le proteine istoniche formano un ottamero; il
DNA si avvolge attorno agli ottameri istonici formando così i nucleosomi e l ’istone
H1 forma una specie di cerniera che rende più compatti i nucleosomi; si forma così
una struttura a collana di perle
Secondo grado di compattazione: si raggiunge con la formazione di solenoidi, ossia
la collana di perle forma delle spirali.
Terzo grado: i solenoidi formano anse che si attaccano allo scheletro di proteine
istoniche, arrivando a fibre di 300nm; queste sono le dimensioni della massa di
cromatidi quando la cell è in interfase.
Quarto grado: quando la cell entra in meiosi o mitosi, e quindi si deve dividere,
avviene un ulteriore compattazione grazie alla formazione di anse, perché in questa
fase è necessario che le fibre raggiungano il max grado di compatezza (formazione
del cromosoma), necessaria per la divisione dei cromatidi fratelli.
Se parliamo di cell che vanno in continua replicazione, vedremo che questi
cromosomi verranno despiralizzati e poi torneranno a formarsi. (Dobbiamo sapere
bene la meiosi).
Ciclo cellulare
Alla fine della mitosi ciascun cromosoma è formato da un cromatide perché quei
cromatidi si sono separati. Perché la cell possa andare incontro ad un nuovo ciclo di
divisione è necessario che quel materiale genetico venga di nuovo duplicato e questo
avviene nella fase S (sintesi) dell ’interfase. Il cromosoma duplicandosi crea due
cromatidi fratelli identici; questo farà in modo che si creino due cell figlie identiche.
Le cell adulte che non si dividono, sono in uno stato perenne di interfase dove i
cromosomi hanno un unico cromatidio perché non dovendosi dividere non duplicano
il loro contenuto.
Nelle cell dell ’uomo è di tutti gli altri animali diploidi, ogni cromosoma è presente in
due coppie (uno proviene dal padre una dalla madre), sono detti cromosomi omologhi
e sono uguali: a questa regola differiscono i cromosomi sex del maschio che sono
diversi l ’uno dall ’altro (X e Y)
Citogenetica
I cromosomi nel loro max stadio di condensazione, ossia in metafase, vengono molto
studiati da una branca della genetica detta citogenetica.
La citogenetica studia:
comportamento dei cromosomi durante le divisioni meiotiche e mitotiche
variabilità a livello dei cromosomi e quindi anomalie che possono verificarsi a
livello della struttura e del numero di cromosomi (vedremo più avanti)
crossing-over
posizione dei vari geni
numero dei cromosomi di varie specie.
Morfologia dei cromosomi; si è così scoperto che abbiamo cromosomi con il
centromero in posizione centrale, in posizione decentrata (submetacentrici) o in
posizione terminale. Al centromero si attaccano le fibre del fuso durante le
divisioni meiotiche e mitotiche.
Analisi citogenetica: per analizzare i cromosomi vengono presi dei leucociti (gli
eritrociti no perché sono senza nucleo), vengono stimolati a divedersi e bloccati in
mitosi con una sostanza detta colticina (veleno mitotico che non permette la
formazione del fuso) così i cromosomi restano in piastra equatoriale. Queste cell
vengono poi fissate usando un fissativo (alcool e acido acetico), vengono poi trattate
con soluzione ipotonica per fa gonfiare le cell e poi distese con una pipetta sul vetrino
e osservate con il microscopio. Un altro modo per ottenere piastre metafisiche
(cromosomi in metafase), sono le culture cell. Una volta ottenuti i vetrini si usano
coloranti basici per colorare queste cell; oppure vengono trattate in modo da ottenere
dei bandeggi: Questo bandeggi sono serviti a caratterizzare ogni cromosoma in modo
da distinguerlo nel cariotipo (ogni cromosoma ha un suo caratteristico bandeggio); se
nel cariotipo ci sono alterazioni nel numero di struttura lo si può vedere subito dal
bandeggio. Grazie al bandeggio è stato istituito un sistema di nomenclatura
particolare dando un codice a ciascuna banda che permette di indicare una regione in
maniera precisa con una sigla.