Genetica classica

Mendel riferì i suoi studi sul pisello odoroso nel 1865 nell'opera " Esperimenti sugli ibridi delle piante". Negli anni che seguirono molte piante ed animali diversi furono studiati in incroci sperimentali. I biologi tentarono, senza successo, di dare una spiegazione logica ai risultati ottenuti, e gli allevatori di piante ed animali dell'epoca non sembra si siano accorti dell'esistenza del lavoro di Mendel che avrebbe potuto risolvere molti dei loro problemi. I pochi biologi che ne erano a conoscenza non erano ancora pronti ad ammettere che la matematica fosse in relazione con gli incroci eseguiti. Fu solo nel 1900 cioè 35 anni dopo che Mendel ebbe presentato i suoi risultati, e qualche anno dopo la sua morte, che il lavoro fu "scoperto" da tre biologi. Karl Correns in Germania, Hugo de Vries in Olanda ed Ereich Tschrmak von Seysenegg in Australia, si accorsero delle importanti scoperte di Mendel mentre scrivevano un articolo scientifico per esporre i propri risultati sperimentali.

Di questi il ricercatore più attivo e del quale si sanno più informazioni grazie ai numerosi esperimenti che fece fu Hugo de Vries (1848-1935) botanico olandese che riscoprì le leggi dell'ereditarietà sviluppate dal monaco austriaco Gregor Mendel, e portò a termine il concetto di mutazione. La moderna scienza della genetica nacque dunque quando questi tre uomini riconobbero che il lavoro di Mendel aveva gettato le basi su cui poggiare le ricerche future sull'eredità.

Successore di Mendel e grande scienziato fu Sutton che teorizzò che i caratteri ereditari si trovano sui cromosomi. Ma gli spunti per dimostrare la sua tesi provengono in massima parte dallo studio di un singolo organismo, il moscerino dell'aceto o della frutta; il suo nome scientifico è Drosophila Melanogaster o "amante della rugiada dal ventre scuro". La Drosophila è stata studiata per la prima volta nei laboratori della Columbia University nella città di New York, dover già Walter Sutton aveva lavorato come giovane laureato. Qui Morgan, biologo e genetista statunitense, scoprì che i geni sono disposti linearmente sui cromosomi e confermò sperimentalmente l'attendibilità delle leggi di Mendel, gettando così le basi della moderna genetica sperimentale. Egli riuscì a dimostrare che cromosomi e geni vengono trasmessi in modo conforme a quanto previsto nelle leggi di Mendel effettuando esperimenti sulla Drosophila. Morgan e i suoi collaboratori realizzarono, inoltre, una serie di mappe cromosomiche, in cui a ciascun gene veniva assegnata una posizione precisa su un cromosoma. Per questi studi, nel 1933 gli fu conferito il premio Nobel per la medicina.

Alcune importanti scoperte dopo Mendel:

CARATTERI LEGATI AL SESSO

CARATTERI LEGATI AL SESSO

I moscerini che si trovano in natura hanno occhi color rosso scuro, ma esaminando le sue colture di moscerini, Morgan trovò un moscerino maschio che aveva occhi bianchi invece che rossi. Egli accoppiò questo moscerino con occhi bianchi con una femmina con occhi rossi. La generazione F1 era formata interamente da moscerini dagli occhi rossi. Questo risultato non sorprese Morgan, se si ammette sulla base delle scoperte di Mendel che il gene per gli occhi bianchi sia recessivo rispetto al gene per gli occhi rossi; i moscerini della generazione F1 furono poi incrociati per produrre una generazione F2; fra questi discendenti si ottenne un rapporto di 3/4 di moscerini dagli occhi rossi e 1/4 di moscerini dagli occhi bianchi. Di nuovo, questo coincideva con le previsioni di Morgan; a questo punto però Morgan notò che tutti i moscerini con gli occhi bianchi erano maschi! Questo carattere, a differenza di altri, sembrava essere in qualche modo collegato al sesso dell'individuo. Il carattere occhi bianchi fu quindi definito carattere "legato al sesso".

Un lavoro accurato sulle cellule di Drosophila rivelò che c'è una differenza fra i cromosomi dei maschi e quelli delle femmine. In entrambi i sessi tre delle quattro coppie di cromosomi hanno membri simili, ma la quarta coppia è costituita anch'essa da due cromosomi simili nelle femmine, ma da due cromosomi diversi nei maschi. I cromosomi delle prime tre coppie si chiamano autosomi, quelli dell'altra coppia cromosomi sessuali (o eterocromosomi). Queste osservazioni sui cromosomi della Drosophila e la conoscenza della meiosi portano Morgan alla conclusione che i maschi devono produrre due diversi tipi di spermatozoi nei confronti dei cromosomi sessuali metà spermatozoi dovrebbero portare un cromosoma X e l'altra metà un cromosoma Y. Nelle femmine, invece, ogni uovo porta un cromosoma X. I cromosomi intervengono nella determinazione del sesso: i moscerini femmine possiedono sempre due cromosomi X e quelli maschi un cromosoma X e uno Y; il sesso di un moscerino sarebbe quindi dipeso dal tipo di spermatozoo che feconda l'uovo: se da uno spermatozoo portatore di un cromosoma X oppure da uno con cromosoma Y. Metà spermatozoi prodotti nei moscerini maschi mediante meiosi portano un cromosoma X e l'altra metà un cromosoma Y; quando gli spermatozoi si combinano a caso con le uova, ognuna delle quali ha un cromosoma X, si producono maschi e femmine in quantità pressoché uguali.

Questo meccanismo della determinazione del sesso è operante anche nell'uomo. Egli possiede 23 coppie di cromosomi: 22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali (nell'uomo il cromosoma Y è molto più piccolo del cromosoma X). Evidentemente, i cromosomi sessuali non solo determinano il sesso, ma sono anche portatori di geni per i caratteri ereditari. L'eredità dei caratteri dipendenti dai geni che sono localizzati sui cromosomi sessuali dovrebbe essere diversa da quella dei caratteri dipendenti da geni situati sugli autosomi. In effetti, si poteva spiegare molto facilmente il caso dell'eredità degli occhi bianchi trovato da Morgan nella Drosophila, supponendo che il gene per occhi bianchi fosse trasportato sul cromosoma X, ma che il cromosoma Y invece non contenesse questo gene.

Si dedusse che il cromosoma Y fosse inattivo riguardo all'eredità negli occhi bianchi. Se questa ipotesi era giusta, un singolo gene, anche se recessivo purché situato sul cromosoma X poteva essere individuato nel moscerino maschio, perché non c'erano alleli dominanti corrispondenti sul cromosoma Y per mascherare il suo effetto (dato che il maschio ha un solo cromosoma X c'è un solo allele per ogni carattere). Per applicare la teoria cromosomica dell'eredità a questo nuovo caso d'eredità legata al sesso, schematizziamo le due generazioni dell'incrocio di Morgan col maschio con occhi bianchi (bY x BB) e otterremo nella prima filiale tutti moscerini con gli occhi rossi, e nella seconda filiale un moscerino maschio con gli occhi bianchi. Si può spiegare l'eredità occhi bianchi nella Drosophila supponendo che il gene sia localizzato sul cromosoma X e non sul cromosoma Y. Morgan aveva quindi dimostrato che c'era un rapporto diretto fra un particolare carattere ereditario (in questo caso gli occhi bianchi) e un particolare cromosoma (in questo caso quello X).

CODOMINANZA

Si manifesta quando nessuno dei due membri di una coppia di alleli è dominante sull'altro. Nei bovini "short horn", ad esempio, quando un toro rosso (CR CR) è incrociato con una vacca bianca (CB CB), i discendenti che costituiscono la F1 pur essendo eterozigoti, (CR CB), non sono né rossi né bianchi, come avverrebbe se uno dei due alleli fosse dominante sull'altro, ma roani, una combinazione di rosso e bianco. Se un toro roano (CR CB) è incrociato ad una vacca roana (CR CB), il vitello ha una probabilità su quattro di essere bianco (CB CB), due probabilità su quattro di essere roano (CR CB) e una probabilità su quattro di essere rosso (CR CR). In un incrocio come questo, in cui non c'è dominanza, si vede un nuovo rapporto genetico nella generazione F2: 1/4 a 1/2 a 1/4.

ALLELI MULTIPLI

All'inizio del nostro secolo si è scoperto che per trasfondere il sangue da una persona ad un'altra occorre fare delle prove preliminari per accertare che la trasfusione possa avvenire senza gravi incidenti per il ricevente.

Questo fatto ha portato a classificare il sangue umano in quattro gruppi chiamati A, B, AB e 0 (zero); l'ereditarietà dei gruppi sanguigni si è però rivelata più complicata di quella di altri caratteri ma si è supposto che i gruppi sanguigni siano determinati non da due, ma da tre alleli diversi, detti alleli multipli: A, B e 0.

Gli alleli A e B sono codominanti ossia vengono entrambi espressi nel fenotipo AB; entrambi però dominano su 0.

Se una persona ha sangue di gruppo A, B, AB o 0, dipende dalla presenza di specifici antigeni ossia proteine (A e B) sulla membrana dei globuli rossi. Così si afferma che se un individuo possiede l'antigene A appartiene a gruppo A, se possiede l'antigene B appartiene a gruppo B, mentre quello che non possiede nessun antigene è di gruppo 0; è interessante ed importante sapere che il gruppo sanguigno di ogni persona è controllato geneticamente.

Una persona può avere due di questi alleli, ma non più di due. Quando gli alleli A e B si trovano nello stesso individuo, non c'è dominanza: entrambi gli alleli sono espressi e la persona appartiene a gruppo AB.

D'altre parte, sia A sia B sono dominanti su 0, quindi solo se entrambi gli alleli A e B sono assenti un individuo è di gruppo 0; queste relazioni sono riassunte nella tabella seguente.

GENETICA DEI GRUPPI SANGUIGNI A-B-0

FENOTIPO	GENOTIPO	ANTIGENE NELLE CELLULE
GRUPPO A	AA o A0	A
GRUPPO B	BB o B0	B
GRUPPO AB	AB	A e B
GRUPPO 0	00	nessuna

Un individuo con gruppo sanguigno AB o 0 può avere un solo genotipo; le persone di gruppo A e B viceversa, possono avere uno dei due possibili genotipi; a volte è possibile determinare il loro genotipo conoscendo i gruppi sanguigni dei loro genitori o dei loro discendenti.

TEST CROSS

In altri casi, come ad esempio nell'eredità del colore bianco o nero della pelliccia, nelle cavie l'osservazione che una cavia è nera non basta per stabilire se essa è omozigote o eterozigote per l'allele del colore nero del pelo. I genetisti possono risolvere questo problema con un test-cross. Il "test-cross" consiste nell'incrociare l'organismo di cui si vuole determinare il genotipo con un omozigote recessivo per il carattere in esame; ogni discendente di quest'incrocio riceve un gene recessivo dal genitore omozigote recessivo, ma, per presentare un fenotipo recessivo, è necessario che abbia ricevuto l'allele recessivo anche dall'altro genitore. Quindi, per determinare il genotipo di una cavia nera, la si accoppia con una cavia bianca (omozigote recessivo), è allora sufficiente che esista tra i discendenti di quest'incrocio anche una sola cavia bianca per concludere che la cavia nera era portatrice di un allele recessivo cioè era eterozigote. Invece per affermare che la cavia nera era omozigote non sempre è sufficiente non aver trovato nella discendenza del " test-cross" nemmeno una cavia bianca; è necessario anche che il numero dei discendenti sia abbastanza grande da poter escludere con ragionevole certezza che l'assenza di cavie bianche sia casuale (se la cavia nera è eterozigote ci si attende che il 50% delle cavie figlie siano nere e che il 50 % siano bianche).

MUTAZIONI

Dall'inizio del nostro secolo, i genetisti incominciarono ad accorgersi che l'eredità dei caratteri, nell'uomo come in altri organismi, non sempre si verifica in modo normale, secondo le regole fin qui descritte. Ad ogni divisione cellulare ogni molecola di DNA fabbrica una coppia esatta di se stesso; poiché i nucleotidi si appaiano solo in dati modi, secondo le basi azotate, è facile immaginare come un gene possa fabbricare una coppia esatta di se stesso. Questo meccanismo funziona in modo quasi infallibile e infatti i geni possono riprodursi milioni di volte senza errori; a volte però si verifica un errore e, per motivi che non sono ancora del tutto chiari, a volte in una molecola di DNA viene messo un nucleotide diverso da quello normale oppure uno in meno o uno in più.

Questo mutamento modifica lievemente la molecola di acido nucleico, che non è più la copia esatta dell'originale. Anche il messaggio genetico scritto nell'alfabeto nucleotidico è diverso e il nuovo messaggio genetico può provocare nella cellula la sintesi di una proteina di tipo diverso. QUESTA MODIFICAZIONE DEL MESSAGGIO GENETICO SI CHIAMA MUTAZIONE .

Una mutazione talora produce nella cellula solo effetti secondari, in realtà l'effetto può causare addirittura la morte della cellula, mutazione letale, come accade quando essa influisce sulla produzione di un enzima molto importante.

Quasi ogni aspetto della vita dell'organismo può essere modificata dalle mutazioni genetiche, che possono influire sulla grandezza e la forma di un individuo, sulla sua struttura interna, sull'efficienza delle sue attività cellulari, sulla capacità di funzionamento del suo sistema nervoso e sul suo comportamento. In questo modo le mutazioni dei geni forniscono un'infinita varietà di nuovi tipi di molecole di DNA; questi nuovi tipi di geni conferiscono all'organismo strutture, capacità e aspetti del tutto nuovi; alcune mutazioni rappresentano un miglioramento rispetto ai caratteri primitivi, ma, nella quasi totalità dei casi determinano la comparsa di caratteri qualitativamente inferiori a quelli della generazione precedente.

Le mutazioni possono avvenire o per cause naturali come nel caso del crossing-over o per l'influenza di fattori esterni (agenti mutageni): il crossing-over avviene appena dopo la duplicazione del DNA e prima della duplicazione della cellula; nel momento di tale duplicazione può capitare che i cromosomi si sovrappongano e si scambino alcuni geni. In questo modo le cellule si trovano ad avere cromosomi differenti da quelli di prima e cambia l'informazione genetica contenuta in essi; perché questo avvenga basta solo uno scambio di nucleotidi o che alcuni di questi prendano posizioni sbagliate.

Le cause di gran parte delle mutazioni genetiche sono sconosciute e i biologi non sanno neppure perché un gene muti proprio in un determinato momento; per approfondire questi problemi i biologi hanno concentrato la loro attenzione sulle mutazioni genetiche nelle cellule sessuali. Le mutazioni di spermatozoi e uova possono essere identificate nelle generazioni successive, le mutazioni delle cellule somatiche devono invece essere individuate nella stessa generazione e nello stesso organismo in cui hanno avuto luogo e questo può presentare notevolissime difficoltà. Attualmente sono nate tecniche in grado di aumentare artificialmente la frequenza di mutazioni; il mezzo più diretto consiste nel trattare le cellule sessuali con vari agenti esterni chiamati agenti mutageni che generano le così dette mutazioni artificiali, tali fenomeni sono:

- la temperatura, se la cellula viene sottoposta a temperature elevate

- le sostanze chimiche, se la cellula viene a contatto con sostanze nocive

- le radiazioni, se al cellula riceve una gran quantità di radiazioni

La radiazione ha una duplice influenza sulla vita; in primo luogo colpisce le cellule somatiche dell'individuo (le dosi massicce di radiazioni assorbite da chi si trovava in prossimità di esplosioni atomiche in Giappone durante l'ultima guerra, ad esempio, provocarono gravi tipi di malattie "da radiazioni" che colpiscono la pelle e i rivestimenti degli organismi interni). Ne risentono anche gli organi in via di sviluppo, come ad esempio gli organi emopoietici, con conseguente anemia; fra gli effetti a lungo termine bisogna considerare il cancro, le cataratte agli occhi e un accorciamento della vita. Il secondo meccanismo attraverso il quale le radiazioni possono influenzare la vita è rappresentato dalla loro capacità di indurre mutazioni anche nelle cellule sessuali; dai punti di vista genetico ed evolutivo sono questi gli effetti più importanti nelle radiazioni perché, attraverso le mutazioni così indotte, possono venire influenzate tutte le successive generazioni. Le mutazioni provocate dalle radiazioni nelle molecole di DNA delle cellule sessuali si trasmettono alla generazione successiva; poiché queste mutazioni sono di carattere permanente, esse entrano a far parte della variabilità genetica della specie. In quasi tutte le specie, la maggior parte delle mutazioni sono recessive; ma sfortunatamente molte di queste sono anche dannose quando si trovano in entrambi i cromosomi di una coppia; possono influire sui processi vitali dello sviluppo o della vita degli individui. E' difficile misurare molti effetti genetici delle radiazioni perché le mutazioni recessive possono anche non rendersi manifeste per molte generazioni.