genetica

1. La Genetica 27/02/2013 La genetica è la scienza che studia i geni, l’ereditarietà e la variabilità genetica degli organismi. Il gene è un tratto di DNA che viene trascritto in RNA, questo è il concetto più moderno di gene, sui testi invece troviamo scritto che il gene è un tratto di DNA che codifica per una proteina, un esempio che dimostra la prima definizione di gene (cioè che è un tratto di DNA che viene trascritto in RNA) è che un gene per gli RNA ribosomiali è un gene e non diventerà mai una proteina, ma diventerà un tratto di rRNA. L’ereditarietà consiste nella trasmissione dai parentali ai discendenti dei caratteri originati dall’assetto genico, in genetica trasmettere significa comunicare delle informazioni, queste informazioni vengono trasmesse dai genitori ai figli e vengono originate dall’assetto genico che è specifico per ciascun individuo ed è qui che si inserisce il termine variabilità . La variabilità è facile da osservare, tutti noi abbiamo un concetto di variabilità e rappresenta “ciò che è diverso”; abbiamo la variabilità macroscopica che è quella tra le diverse specie, da un punto di vista biologico non esiste variabilità maggiore di quella tra un vegetale ed un animale, eppure se andiamo a livello di cellula probabilmente non troveremo più tutta questa diversità. Le piante hanno organelli cellulari che gli animali non hanno, ma le caratteristiche delle due cellule cominciano a diventare più simili, se poi ci trasferiamo nel nucleo ci accorgeremo che la diversità diminuisce sempre più ed a livello cromosomico non riusciremo a distinguere un cromosoma umano dal cromosoma di una fava perché sono fatti esattamente allo stesso modo, al loro interno infatti trovo DNA, RNA, istoni, proteine e non esiste una grande differenza. La differenza la trovo nella sequenza in cui sono disposti i nucleotidi del cromosoma della fava ed i nucleotidi del cromosoma umano. L’altro tipo di variabilità è quella intra-specie che ci dice che esistono diversità tra gli umani. Il concetto di variabilità ci porta a dire che è variabile tutto ciò che non è identico; l’unico elemento che permette di distinguere la variabilità è il suo contrario. Il genetista ha a che fare con la trasmissione di qualcosa che viene trasferito dai parentali alla discendenza, questo meccanismo di trasmissione è l’oggetto di cui si occupa la genetica. NON-ACTIVATEDVERSION www.avs4you.com Un albero genealogico è certamente qualcosa molto familiare a chi si occupa di genetica. Alla simbologia dell’albero genealogico si associa una variabilità (qualcosa che è diverso tra individui della stessa specie). In questo albero genealogico abbiamo a che fare con una famiglia ed esiste quindi una relazione tra questi individui, questa relazione è portata dalle linee mentre i quadratini ed i cerchietti indicano gli elementi dell’albero. Vediamo che ci sono dei numeri diversi al di sotto dei quadratini e dei cerchietti e delle lettere uguali per tutti e questa è una caratteristica di uniformità. Cerchiamo di tradurre queste cose in conoscenze genetiche: i quadratini ed i cerchietti rappresentano la differenza di sesso e quindi variabilità sessuale tra individui appartenenti alla famiglia; la presenza di una colorazione chiara o scura indica la presenza o l’assenza della patologia ossia di un elemento che crea diversità. Stiamo quindi osservando la trasmissione di un carattere genetico. I numeri accanto alla lettera A rappresentano degli alleli e ad essi è dovuta la diversità. Il genetista è interessato alla variabilità dei geni ed al modo in cui questa variabilità viene trasmessa. Questo è il modo con cui degli alleli vengono trasmessi all’interno di un albero genealogico.

2. Perché siamo interessati alla variabilità? Intanto perché è alla base di differenze fenotipiche, da un punto di vista antropologico invece la diversità ci permette di tracciare la storia evolutiva dell’uomo, noi non siamo quello che siamo da un punto di vista biologico ma siamo il prodotto dell’evoluzione; questo non vuol dire che siamo migliori dei nostri antenati e poiché il concetto di evoluzione viene da un concetto di sintesi, noi siamo la sintesi di adattabilità migliore per questa situazione, non la migliore in assoluto ma la migliore per quella determinata situazione. La variabilità si analizza attraverso l’osservazione,la classificazione e la misurazione di grandezze confrontabili. Queste grandezze confrontabili prendono il nome di variabili. Una variabile è l’oggetto di analisi della genetica, la statura, la frequenza cardiaca, il peso corporeo … sono degli esempi di variabili. Queste variabili acquisiscono un significato genetico se dipendono dai geni, e da come questi si trasmettono da una generazione all’altra. Le variabile genetiche possono essere divise in due categorie: abbiamo le variabili continue che sono quelle variabili che all’interno di una popolazione possono acquisire valori infiniti. Vengono rappresentate da una curva gaussiana. NON-ACTIVATEDVERSION www.avs4you.com U Questa curva è continua in ogni punto e ciò significa che i suoi valori crescono in maniera non discontinua ed esistono individui che appartengono ai punti intermedi e questo si può ottenere solo se si rappresenta questa curva da un campionamento vasto di individui. L’alternativa alla variabile continua è la variabile dicotomica; le malattie genetiche, la presenza o l’assenza di una malattia genetica è un modo di rappresentare le variabili dicotomiche. Sono variabili discontinue perché non esiste una continuità o una progressione dei valori che possono assumere e sono considerate quelle variabili legate ai caratteri mendeliani semplici. La distribuzione dei genotipi, la classificazione in categorie sono variabili dicotomiche e l’analisi genetica si occupa di queste variabili. Non tutta la variabilità è dovuta alla genetica, ma il genetista si occupa e studia solo questo tipo di variabilità. La variabilità se non è dovuta alla genetica è dovuta all’ambiente e non esistono altre possibilità oltre a queste; se un carattere è controllato al cento per cento dalla genetica non avrà nulla a che fare con l’ambiente e viceversa se un carattere è controllato al cento per cento dall’ambiente non avrà nulla a che fare con la genetica. Un modo per capire cosa fa la genetica è l’osservazione dei gemelli monozigotici.

3. Queste sono due gemelle che, essendo monozigotiche, sono geneticamente identiche tra loro, se queste ragazze avessero vissuto in ambienti diversi potrebbero presentare piccole differenze, per esempio dovute al diverso tipo di alimentazione e quindi avere peso differente … ma anche se venissero separate, le differenze che acquisirebbero sarebbero comunque minime. I gemelli sono dunque un ottimo meccanismo per capire la genetica perché ci permettono di fare analisi sulle differenze esistenti tra loro. NON-ACTIVATEDVERSION www.avs4you.com Durante la meiosi avvengono i fenomeni fondamentali per la produzione di variabilità genetica. Un primo elemento di variabilità genetica, che ci rende diversi gli uni dagli altri, la andiamo a cercare nel meccanismo di segregazione indipendente tra le coppie di cromosomi omologhi ( indipendenza tra le diverse coppie, ogni coppia è costituita da un cromosoma materno e da uno paterno). Questo è il meccanismo con cui si genererà il primo tipo di variabilità; questa variabilità è finita, lo è perché un figlio ha una variabilità che è data dalla somma della variabilità paterna e materna, per cui non esiste la variabilità infinita ma esiste la variabilità contenuta nel genoma dei genitori. Se per caso i due genitori fossero cugini la variabilità sarebbe più bassa rispetto a quella tra due genitori che provengono da due popolazioni diverse. Per cui è una variabilità finita perché viene determinata esclusivamente dalla quantità di variabilità che hanno i due genitori (variabilità chiusa). Come si può evolvere in questo sistema chiuso? Si può evolvere attraverso errori che in genetica vengono rappresentati dalle mutazioni. Il meccanismo della segregazione indipendente tra coppie di cromosomi omologhi non produce nuova variabilità ma rimescola quella già esistente. La nuova variabilità è prodotta dalle mutazioni e dal crossing-over (ricombinazione), questi sono i meccanismi che inseriscono nuova variabilità ogni volta che si verificano. Quando si producono le mutazioni? Le pre-mutazioni sono le condizioni che generano le mutazioni e che vengono acquisite dalla cellula in interfase. La mutazione è sempre il prodotto di una duplicazione del DNA, che ha senso perché questa duplicazione deve permettere anche la duplicazione della cellula e la divisione cellulare, è da quel momento in poi che può verificarsi un mutamento e questo meccanismo vale per tutte le cellule che si duplicano. La mutazione è un’alterazione ereditabile della sequenza di DNA che può per esempio avvenire a livello delle cellule dell’epidermide, a livello dei gameti … Di fatto qualsiasi mutazione che può riguardare una singola cellula dell’epidermide o una cellula del fegato è ereditabile, bisogna però capire chi eredita tale mutazione. Ereditano tale mutazione le cellule che discendono dalla cellula originaria che è mutata, ma tale mutazione non verrà trasmessa alla prole, quindi noi potremo anche essere pieni di mutazioni in tutte le cellule ed avere una trasmissione corretta del patrimonio genetico di cui disponiamo a patto che queste mutazioni non coinvolgano le cellule germinali. In tutti i casi il concetto di mutazione si basa sul fatto che si hanno mutazioni casuali, cioè avvengono casualmente in cellule che si stanno dividendo; le mutazioni possono anche essere favorite da agenti fisici o chimici che possono in qualche condizione aumentare la variabilità. Da un punto di vista genetico sono trasmissibili solo le mutazioni che si verificano nelle cellule germinali.

4. Qua abbiamo una schematizzazione: la prima cellula che sta in alto, che chiamiamo zigote, è la cellula staminale per eccellenza ed è una cellula staminale che si dice essere totipotente, cioè in grado di originare ogni tipo di cellula. Dalle prime divisioni si verifica una suddivisione tra due gruppi di cellule: le cellule somatiche e quelle germinali; è evidente che le cellule somatiche daranno origine sempre con meccanismi di differenziamento da cellule staminali, a cellule totipotenti, a cellule multipotenti, a cellule differenziate, ai vari organi che costituiscono l’individuo. Solo i gameti ossia gli spermatozoi e le cellule uovo trasmettono le mutazioni, per cui noi possiamo dire che le mutazioni che compaiono nelle cellule somatiche sono si mutazioni in senso generale perché producono alterazioni genetiche a livello di funzione cellulare, ma non sono ereditabili e non passano alle progenie. Se vogliamo considerare gli effetti di queste mutazioni possiamo inserire l’invecchiamento, per esempio il diabete senile è un logoramento cellulare delle cellule beta delle isole di Langerhans del pancreas (mutazione a livello delle cellule somatiche). Le mutazioni della linea germinale invece possono (ma non obbligatoriamente) essere trasmesse, ciò avviene perché evidentemente queste cellule partecipano alla fecondazione e quindi alla generazione del nuovo individuo. Sindrome di Down, talassemie, distrofie muscolari … hanno origine dalle alterazioni genetiche delle cellule germinali. Facciamo una piccola sintesi di quello che può succedere per comprendere le differenze tra le mutazioni germinali e quelle somatiche: le mutazioni somatiche muoiono con l’individuo che le porta, muoiono vuol dire che quella variante particolare di quel tratto di DNA riguarderà le cellule figlie di questa cellula ma si estinguerà con la fine dell’individuo. Le mutazioni a livello delle cellule germinali sono potenzialmente immortali, questo ci deve portare ad un concetto che è complesso ma fondamentale per comprendere i meccanismi biologici, cioè quello di un mantenimento di un filo conduttore tra noi ed il pianeta. Tutti gli esseri viventi partecipano alla costruzione del materiale biologico, in altri termini ciascuno di noi presenta sequenze di DNA che nascono e originano da alterazioni che non sono neanche umane, ma che sono alterazioni originate in organismi che probabilmente non avevano ancora raggiunto quel determinato stato di evoluzione. Se consideriamo la struttura dei nostri istoni è particolare perché questi nascono dai primi vertebrati, nascono dai primi organismi eucarioti, nascono da quella situazione e noi ci portiamo appresso quella variante degli istoni che è nata con gli individui che l’ hanno portata per la prima volta. NON-ACTIVATEDVERSION www.avs4you.com Quando abbiamo fatto la tracciabilità della genetica le mutazioni ci hanno permesso di tracciare un filo comune. Quando tratteremo delle mutazioni analizzeremo le loro origini ( questo prende il nome di effetto fondatore) e capiremo come esiste una relazione tra gli individui che portano una determinata variante, non una relazione diretta ma una relazione indiretta legata al genoma. Quindi che le mutazioni che avvengono nelle cellule germinali sono potenzialmente immortali, ciò vuol dire che: una mutazione in un particolare gene che è noto in un individuo,che poi si è diffuso e ha dato origine ad una serie di specie che sono andate avanti e che hanno in comune tra loro quella mutazione che si è mantenuta invariata nel tempo è stata trasmessa e conservata nelle generazioni successive. Le mutazioni nascono e la possibilità che queste si conservino e che si mantengano trasmesse in maniera corretta durante le generazioni , dipende dal fatto che siano vantaggiose o meno, sarà l’ambiente che verificherà se la mutazione produce un vantaggio o no.

5. Nessuna mutazione che avviene nelle cellule somatiche viene ereditata dalla progenia, le mutazioni che avvengono nelle cellule germinali se trasmesse possono condizionare la vita degli individui che discendono da quella coppia di genitori. Un individuo maschio che genera miliardi di spermatozoi nella sua vita ma che se ha un solo figlio in tutta la sua esistenza, può generare mutazioni di tutti i tipi ma quelle che poi contano sono sole quelle che vengono trasmesse al figlio. Per cui esiste una potenzialità enorme nella capacità di generare mutazioni. Probabilmente ogni nostro nucleotide, nel genoma umano sono 6miliardi e 400mila, è stato oggetto di una mutazione; le mutazioni che contano però sono solo quelle che verranno a trovarsi negli individui che nascono da quei gameti. Un individuo potenzialmente produce migliaia di mutazioni differenti ma la loro trasmissione dipende dal numero di figli che avrà. Il genere umano è noto per produrre pochi individui e quindi è in grado di trasmettere poca variabilità alle generazioni successive. Tutti questi concetti che esamineremo sono basati sul calcolo. Quante possibilità ha una mutazione che compare nella linea germinale di un individuo di essere trasmessa alla progenia? Dipende da quanti individui vengono generati e da quanto è grande un genoma. Il 2% dei 6miliardi e 400mila nucleotidi presenti nel genoma umano può condizionare molto la nostra vita, questo perché le alterazioni del 2% del nostro genoma sono effettivamente quelle che vanno a finire nei geni che poi condizionano la nostra sopravvivenza e sono quelle che determinano le malattie. Ciò significa che il 98% delle alterazioni genetiche che noi abbiamo ereditato è andata a finire in tratti di DNA che non finiscono per codificare dei geni (questa non è esattamente la verità, ma la accettiamo per quella che è la conoscenza di genetica formale che noi abbiamo). Dopodiché sarà l’ambiente a verificare ,se questa mutazione potrà diventare immortale, in funzione del fatto che possa produrre un vantaggio o uno svantaggio o come nella maggior parte dei casi non avere effetti sul fenotipo (mutazione neutra). E’ importante sapere che le mutazioni hanno a che fare con la variabilità perché generano nuovi alleli; il termine allele viene associato con il termine polimorfismo, fondamentalmente il polimorfismo è l’alternativa ad una situazione monomorfica. Un tratto di DNA identico in tutti gli individui di una popolazione è un tratto di DNA monomorfico, diventa polimorfico se si verifica una mutazione che rimane nella popolazione. Inizialmente abbiamo un locus monomorfico, se si verifica una mutazione che ha le potenzialità di poter restare nel genoma (vuol dire che ho una mutazione che garantisce la sopravvivenza dell’individuo) ha la possibilità di determinare il nuovo allele. Se questo allele è fortunato da un punto di vista casuale oppure è un allele che porta un vantaggio da un punto di vista fenotipico, si può creare una condizione in cui si generano individui omozigoti per quell’allele, eterozigoti oppure ci saranno anche gli omozigoti selvatici ( quelli della condizione precedente). Si è creata una nuova variabilità genetica e con le nuove mutazioni ciò che era monomorfico è diventato polimorfico. Attraverso questo meccanismo si generano nuove mutazioni e quindi nuova variabilità genetica che viene vagliata attraverso il fenotipo. www.avs4you.com NON-ACTIVATEDVERSION Nella pratica è nota l’abitudine di chiamare mutazione la presenza di alleli che in origine non erano presenti, cioè la tendenza è quella di parlare di allele mutante. E’ un errore perché la mutazione dovrebbe intendere quel meccanismo che genera variabilità e che si esaurisce nel momento in cui questa variabilità è stata prodotta; una mutazione è tale nel momento in cui si genera una nuova variante, ma non nel momento in cui questa variante viene trasmessa. Questa è una sequenza di DNA: 5’P- ATGGAT-3’OH Se questo tratto di DNA acquista una variante, ciò accadrà quando questo DNA di duplica; a questo punto viene inserita una nuova base che va a sostituire una base già esistente nella sequenza. 5’P-ATGGAT-3’OH T Nel momento in cui questa guanina diventa una timina noi parliamo di mutazione ma questa timina modificherà così la sequenza: 5’P-ATGTAT-3’OH Questa trasmissione non è una mutazione perché per mutazione intendiamo un evento che modifica la sequenza del DNA. Si è finito per parlare di mutazione quando è rappresentato un allele raro e si parla di polimorfismo “SNP” quando un allele è frequente , questa differenza è deduttiva del fatto che un allele raro è un allele che hanno pochi individui perché probabilmente produce un carattere che viene selezionato negativamente; è molto più probabile però che un polimorfismo, che è molto più frequente, produca una malattia. Si tende ad utilizzare il termine mutazione per gli alleli che sono rari, ed erroneamente si pensa che essendo rari devono avere a che fare con malattie mentre gli alleli

6. che sono più frequenti sono alleli che per tale motivo non hanno niente a che fare con le malattie. Questa è la spiegazione del perché si tende ad usare il termine mutazione in maniera errata. Il termine mutazione dovrebbe essere utilizzato solo per identificare quell’evento che genera nuove varianti, quelle che in altri termini si chiamano mutazioni de-novo. Si tende invece ad usare il termine polimorfismo quando la frequenza di un allele è superiore ad 1 su 100 nella popolazione mentre quando l’allele è più raro dell’1% si usa il termine mutazione. Mutazioni Geniche: non si tratta di mutazioni che riguardano specificamente i geni, ma mutazioni che stanno all’interno del gene; quando si parla di mutazioni geniche si intendono quelle mutazioni in cui un gene è duplicato o deleto o parti di gene sono duplicate o delete. Le Mutazioni Puntiformi sono mutazioni che possono essere geniche o non geniche a seconda che finiscano o non finiscano in un gene; sono mutazioni da sostituzione, cioè mutazioni in cui un nucleotide viene sostituito da un altro nucleotide. Si tende a non chiamare mutazioni puntiformi le mutazioni da inserzione o delezione; fondamentalmente le mutazioni puntiformi si usano per indicare solo sostituzione. Le mutazioni sono tutte totalmente casuali, in altri termini: una citosina ha molte più probabilità di diventare una timina invece che una guanina, questo perché innanzitutto dovrebbe modificare la propria classe di appartenenza biochimica e soprattutto perché mi interessa sapere che le transizioni ( che non modificano la classe biochimica) sono più frequenti delle trasversioni . Questo viene definito un tentativo di produrre una relazione tra la presenza di una mutazione e una struttura genica.u Le mutazioni da sostituzione hanno un effetto da un punto di vista genetico e cioè si osservano nel fenotipo quando queste mutazioni sostituiscono parti di un gene. Poiché stiamo parlando di geni dobbiamo aver chiaro come sono costituiti questi geni, un gene presenta porzioni diverse di DNA che sono note come promotore (ha un 5’ non tradotto), esone, introne (l’ultimo esone del gene ha un 3’ non tradotto). Le mutazioni che intervengono in queste parti di gene hanno effetti diversi a seconda che avvengano in un promotore, in un esone o in un introne. NON-ACTIVATEDVERSION www.avs4you.com Ci sono mutazioni che sono qualitative e mutazioni che sono quantitative. Cosa intendiamo per quantitativo e qualitativo? Una mutazione che ha effetto sulla quantità del trascritto è una mutazione quantitativa; per effetto qualitativo invece si intende il tipo di sequenza di RNA che è a valle di una possibile mutazione di un esone. Il puto di giunzione tra i due fenomeni è quella mutazione , che è una mutazione non-senso, che ha lo stesso effetto; in altri termini una mutazione non-senso che si verifica a livello del primo esone ha lo stesso effetto di una mutazione del promotore ed in entrambi i casi impedisce la trascrizione. Poiché in entrambi i casi non c’è trascrizione alla fine la proteina manca. In un meccanismo manca perché il promotore non ha prodotto una trascrizione, nell’altro perché all’interno del primo amminoacido inserito, o meglio nel secondo, non si è verificato nessun inserimento del codone di stop. Le alterazioni del promotore hanno alterato la quantità di trascritto mentre le mutazioni che riguardano gli esoni hanno effetto solo sulla qualità del trascritto ma bisogna tener presente che in entrambi i casi non ho la proteina.