Genetica: fondamenti, storia e applicazioni

Gli esseri viventi sono fatti di milioni di minuscoli componenti autonomi chiamati cellule. All'interno di ogni cellula ci sono lunghe e complesse molecole chiamate acido desossiribonucleico. Il DNA immagazzina informazioni che dicono alle cellule come creare quell'essere vivente. Le parti di queste informazioni che dicono come creare una piccola parte o caratteristica dell'essere vivente - capelli rossi, o occhi blu, o la tendenza ad essere alto - sono conosciute come geni.

Ogni cellula dello stesso essere vivente ha lo stesso DNA, ma solo una parte di esso viene usata in ogni cellula. Per esempio, alcuni geni che dicono come fare parti del fegato sono spenti nel cervello. I geni utilizzati possono anche cambiare nel tempo. Per esempio, molti geni sono usati da un bambino all'inizio della gravidanza e non sono usati in seguito.

Una persona ha due copie di ogni gene, una dalla madre e una dal padre. Ci possono essere diversi tipi di un singolo gene, che danno istruzioni diverse: una versione potrebbe causare una persona ad avere gli occhi blu, un'altra potrebbe causarli marroni. Queste diverse versioni sono note come alleli del gene.

Poiché un essere vivente ha due copie di ogni gene, può avere due diversi alleli di esso allo stesso tempo. Spesso, un allele sarà dominante, il che significa che l'essere vivente appare e si comporta come se avesse solo quell'allele. L'allele non espresso è chiamato recessivo. In altri casi, si finisce con qualcosa tra le due possibilità. In questo caso, i due alleli sono chiamati co-dominanti.

La maggior parte delle caratteristiche che si possono vedere in un essere vivente hanno più geni che le influenzano. E molti geni hanno effetti multipli sul corpo, perché la loro funzione non avrà lo stesso effetto in ogni tessuto. Gli effetti multipli di un singolo gene sono chiamati pleiotropismo. L'insieme dei geni è chiamato genotipo, e l'effetto totale dei geni sul corpo è chiamato fenotipo. Questi sono termini chiave in genetica.

Idee pre-mendeliane

Sappiamo che l'uomo ha iniziato ad allevare animali domestici fin dai primi tempi, probabilmente prima dell'invenzione dell'agricoltura. Non sappiamo quando l'ereditarietà fu apprezzata per la prima volta come problema scientifico. I greci, e ovviamente Aristotele, studiarono gli esseri viventi e proposero idee sulla riproduzione e l'ereditarietà.

Probabilmente l'idea più importante prima di Mendel fu quella di Charles Darwin, la cui idea di pangenesi aveva due parti. La prima, che le unità ereditarie persistenti venivano trasmesse da una generazione all'altra, era abbastanza giusta. La seconda era la sua idea che esse fossero reintegrate da "gemme" provenienti dai tessuti somatici (del corpo). Questo era completamente sbagliato, e non ha alcun ruolo nella scienza di oggi. Darwin aveva ragione su una cosa: qualsiasi cosa accada nell'evoluzione deve avvenire per mezzo dell'ereditarietà, e quindi una scienza accurata della genetica è fondamentale per la teoria dell'evoluzione. Questo "accoppiamento" tra genetica ed evoluzione ha richiesto molti anni per essere organizzato. Ha portato alla moderna sintesi evolutiva.

Genetica mendeliana

Le regole di base della genetica furono scoperte per la prima volta da un monaco di nome Gregor Mendel intorno al 1865. Per migliaia di anni, le persone avevano già studiato come i tratti vengono ereditati dai genitori ai loro figli. Tuttavia, il lavoro di Mendel era diverso perché progettava i suoi esperimenti con molta attenzione.

Nei suoi esperimenti, Mendel studiò come si trasmettevano i tratti nelle piante di piselli. Iniziò i suoi incroci con piante che si riproducevano in modo vero, e contò i caratteri che erano o/o in natura (o alti o bassi). Allevò un gran numero di piante ed espresse i suoi risultati numericamente. Usò incroci di prova per rivelare la presenza e la proporzione dei caratteri recessivi.

Mendel spiegò i risultati del suo esperimento usando due leggi scientifiche:

• 1. I fattori, in seguito chiamati geni, si presentano normalmente in coppia nelle cellule del corpo ordinario, ma si separano durante la formazione delle cellule sessuali. Questi fattori determinano i tratti dell'organismo e sono ereditati dai genitori. Quando i gameti sono prodotti dalla meiosi, i due fattori si separano. Un gamete riceve solo uno o l'altro. Questo Mendel ha chiamato la legge della segregazione.
• 2. Gli alleli di geni diversi si separano indipendentemente l'uno dall'altro quando si formano i gameti. Questo è stato chiamato la legge dell'assortimento indipendente. Quindi Mendel pensava che i diversi tratti fossero ereditati indipendentemente l'uno dall'altro. Ora sappiamo che questo è vero solo se i geni non sono sullo stesso cromosoma, nel qual caso non sono collegati tra loro.

Le leggi di Mendel aiutavano a spiegare i risultati che osservava nelle sue piante di piselli. Più tardi, i genetisti scoprirono che le sue leggi erano vere anche per altri esseri viventi, persino per gli esseri umani. Le scoperte di Mendel dal suo lavoro sulle piante di piselli da giardino hanno aiutato a stabilire il campo della genetica. I suoi contributi non si limitavano alle regole di base che aveva scoperto. La cura di Mendel nel controllare le condizioni dell'esperimento e la sua attenzione ai risultati numerici stabilirono uno standard per gli esperimenti futuri. Nel corso degli anni, gli scienziati hanno cambiato e migliorato le idee di Mendel. Tuttavia, la scienza della genetica non sarebbe possibile oggi senza il lavoro iniziale di Gregor Mendel.

Tra Mendel e la genetica moderna

Negli anni tra il lavoro di Mendel e il 1900 si svilupparono le basi della citologia, lo studio delle cellule. I fatti scoperti sul nucleo e la divisione cellulare erano essenziali per comprendere correttamente il lavoro di Mendel.

1832: Barthélémy Dumortier, il primo ad osservare la divisione cellulare in un organismo multicellulare.

1841, 1852: Robert Remak (1815-1865), un fisiologo ebreo polacco-tedesco, fu la prima persona a dichiarare il fondamento della biologia cellulare: che le cellule derivano solo da altre cellule. Questo fu poi reso popolare dal medico tedesco Rudolf Virchow (1821-1902), che usò la famosa frase omnis cellula e cellula, che significa, tutte le cellule da altre cellule.

1865: Viene pubblicato il documento di Gregor Mendel, Esperimenti sull'ibridazione delle piante.

1876: La meiosi fu scoperta e descritta per la prima volta nelle uova di riccio di mare, dal biologo tedesco Oscar Hertwig (1849-1922).

1878–1888: Walther Flemming e Eduard Strasburger descrivono il comportamento dei cromosomi durante la mitosi.

1883: La meiosi fu descritta a livello dei cromosomi, dallo zoologo belga Edouard van Beneden (1846-1910), nelle uova di Ascaris (verme rotondo).

1883: Lo zoologo tedesco Wilhelm Roux (1850-1924) capì il significato della struttura lineare dei cromosomi. La loro divisione in due metà longitudinali uguali assicurava che ogni cellula figlia avesse lo stesso complemento cromosomico. Pertanto, i cromosomi erano i portatori dell'ereditarietà.

1889: Il botanico olandese Hugo de Vries suggerisce che "l'eredità di tratti specifici negli organismi avviene in particelle", chiamando tali particelle (pan)geni.

1890: L'importanza della meiosi per la riproduzione e l'eredità fu descritta solo nel 1890 dal biologo tedesco August Weismann (1834-1914), che notò che due divisioni cellulari erano necessarie per trasformare una cellula diploide in quattro cellule aploidi se il numero di cromosomi doveva essere mantenuto.

1902–1904: Theodor Boveri (1862-1915), un biologo tedesco, in una serie di articoli, richiamò l'attenzione sulla corrispondenza tra il comportamento dei cromosomi e i risultati ottenuti da Mendel. Disse che i cromosomi erano "entità indipendenti che conservano la loro indipendenza anche nel nucleo a riposo... Ciò che esce dal nucleo è ciò che vi entra".

1903: Walter Sutton suggerì che i cromosomi, che segregano in modo mendeliano, sono unità ereditarie. Edmund B. Wilson (1856-1939), insegnante di Sutton e autore di uno dei più famosi libri di testo in biologia, chiamò questa ipotesi Sutton-Boveri.

A questo punto, le scoperte in citologia si fusero con le idee riscoperte di Mendel per fare una fusione chiamata citogenetica, (cito = cellula; genetica = ereditarietà) che ha continuato fino ad oggi.

Riscoperta del lavoro di Mendel

Durante gli anni 1890 diversi biologi iniziarono a fare esperimenti sull'allevamento e presto i risultati di Mendel furono duplicati, anche prima che i suoi articoli fossero letti. Carl Correns e Hugo de Vries furono i principali riscopritori degli scritti e delle leggi di Mendel. Entrambi hanno riconosciuto la priorità di Mendel, anche se è probabile che de Vries non abbia capito i propri risultati fino a dopo aver letto Mendel. Anche se Erich von Tschermak è stato originariamente accreditato con la riscoperta, questo non è più accettato perché non ha capito le leggi di Mendel. Anche se de Vries più tardi perse interesse nel mendelismo, altri biologi costruirono la genetica in una scienza.

I risultati di Mendel furono replicati e il linkage genetico fu presto risolto. William Bateson ha forse fatto di più nei primi tempi per pubblicizzare la teoria di Mendel. La parola genetica, e altra terminologia, è nata con Bateson.

I risultati sperimentali di Mendel sono stati in seguito oggetto di qualche dibattito. Fisher analizzò i risultati del rapporto F2 (seconda filiazione) e li trovò poco plausibilmente vicini al rapporto esatto di 3 a 1. A volte si suggerisce che Mendel possa aver censurato i suoi risultati, e che i suoi sette tratti si presentino ciascuno su una coppia di cromosomi separata, un evento estremamente improbabile se fossero stati scelti a caso. Infatti, i geni studiati da Mendel si sono verificati solo in quattro gruppi di collegamento, e solo una coppia di geni (su 21 possibili) è abbastanza vicina da mostrare una deviazione dall'assortimento indipendente; questa non è una coppia studiata da Mendel.

Mutazioni

Durante il processo di replicazione del DNA, a volte si verificano degli errori. Questi errori, chiamati mutazioni, possono avere un effetto sul fenotipo di un organismo. A sua volta, questo di solito ha un effetto sulla fitness dell'organismo, la sua capacità di vivere e riprodursi con successo.

I tassi di errore sono di solito molto bassi - un errore ogni 10-100 milioni di basi - grazie alla capacità di "correzione" delle DNA polimerasi. I tassi di errore sono mille volte più alti in molti virus. Poiché si basano su DNA e RNA polimerasi che non hanno la capacità di correzione, hanno tassi di mutazione più elevati.

I processi che aumentano il tasso di cambiamenti nel DNA sono chiamati mutageni. Le sostanze chimiche mutagene aumentano gli errori nella replicazione del DNA, spesso interferendo con la struttura di accoppiamento delle basi, mentre le radiazioni UV inducono mutazioni causando danni alla struttura del DNA. I danni chimici al DNA si verificano anche naturalmente, e le cellule usano meccanismi di riparazione del DNA per riparare i mismatch e le rotture nel DNA - tuttavia, la riparazione a volte non riesce a riportare il DNA alla sua sequenza originale.

Negli organismi che usano il crossover cromosomico per scambiare il DNA e ricombinare i geni, gli errori di allineamento durante la meiosi possono anche causare mutazioni. Gli errori di crossover sono particolarmente probabili quando sequenze simili fanno sì che i cromosomi partner adottino un allineamento errato; ciò rende alcune regioni dei genomi più inclini a mutare in questo modo. Questi errori creano grandi cambiamenti strutturali nella sequenza del DNA - duplicazioni, inversioni o delezioni di intere regioni, o lo scambio accidentale di intere parti tra diversi cromosomi (chiamato traslocazione).

I quadrati di Punnett

Sviluppato da Reginald Punnett, i quadrati di Punnett sono usati dai biologi per determinare la probabilità che la prole abbia un particolare genotipo.

Se B rappresenta l'allele per avere i capelli neri e b rappresenta l'allele per avere i capelli bianchi, la prole di due genitori Bb avrebbe il 25% di probabilità di avere due alleli per i capelli bianchi (bb), il 50% di avere uno di ciascuno (Bb), e il 25% di avere solo alleli per i capelli neri (BB).

Grafico del pedigree

I genetisti (biologi che studiano la genetica) usano le tabelle dei pedigree per registrare i tratti delle persone in una famiglia. Usando queste tabelle, i genetisti possono studiare come un tratto viene ereditato da persona a persona.

I genetisti possono anche usare i grafici del pedigree per prevedere come i tratti saranno trasmessi ai futuri figli di una famiglia. Per esempio, i consulenti genetici sono professionisti che lavorano con le famiglie che potrebbero essere colpite da malattie genetiche. Come parte del loro lavoro, creano diagrammi genealogici per la famiglia, che possono essere utilizzati per studiare come la malattia potrebbe essere ereditata.

Studi sui gemelli

Poiché gli esseri umani non possono essere allevati sperimentalmente, la genetica umana deve essere studiata con altri mezzi. Un modo recente è lo studio del genoma umano. Un altro modo, più vecchio di molti anni, è studiare i gemelli. I gemelli identici sono cloni naturali. Portano gli stessi geni, possono essere usati per investigare quanto l'ereditarietà contribuisca alle singole persone. Gli studi con i gemelli sono stati molto interessanti. Se facciamo una lista di tratti caratteristici, troviamo che variano in quanto devono all'ereditarietà. Per esempio:

• Colore degli occhi: interamente ereditato
• Peso, altezza: in parte ereditario, in parte ambientale
• Quale lingua parla una persona: del tutto ambientale.

Il modo in cui vengono fatti gli studi è questo. Prendete un gruppo di gemelli identici e un gruppo di gemelli fraterni. Misurateli per vari tratti. Fate un'analisi statistica (come l'analisi della varianza). Questo vi dice in che misura il tratto è ereditato. I tratti che sono parzialmente ereditati saranno significativamente più simili nei gemelli identici. Studi come questo possono essere portati avanti confrontando gemelli identici cresciuti insieme con gemelli identici cresciuti in circostanze diverse. Questo dà un'idea di quanto le circostanze possano alterare i risultati di persone geneticamente identiche.

La persona che per prima fece studi sui gemelli fu Francis Galton, mezzo cugino di Darwin, che fu un fondatore della statistica. Il suo metodo consisteva nel tracciare i gemelli attraverso la loro storia di vita, facendo molti tipi di misurazione. Purtroppo, anche se conosceva i gemelli mono e dizigoti, non apprezzava la reale differenza genetica. Gli studi sui gemelli di tipo moderno non apparvero fino agli anni '20.

La genetica di batteri, archei e virus è un campo di ricerca importante. I batteri si dividono per lo più per divisione cellulare asessuata, ma hanno una sorta di sesso per trasferimento genico orizzontale. La coniugazione batterica, la trasduzione e la trasformazione sono i loro metodi. Inoltre, la sequenza completa del DNA di molti batteri, archei e virus è ormai nota.

Anche se a molti batteri sono stati dati nomi generici e specifici, come Staphylococcus aureus, l'intera idea di una specie è piuttosto priva di significato per un organismo che non ha sessi e incroci di cromosomi. Invece, questi organismi hanno dei ceppi, ed è così che vengono identificati in laboratorio.

Espressione genica

L'espressione genica è il processo attraverso il quale l'informazione ereditabile in un gene, la sequenza di coppie di basi del DNA, viene trasformata in un prodotto genico funzionale, come una proteina o un RNA. L'idea di base è che il DNA viene trascritto in RNA, che viene poi tradotto in proteine. Le proteine costituiscono molte delle strutture e tutti gli enzimi di una cellula o di un organismo.

Diverse fasi del processo di espressione genica possono essere modulate (sintonizzate). Questo include sia la trascrizione che le traduzioni , e lo stato finale ripiegato di una proteina. La regolazione genica accende e spegne i geni, e quindi controlla la differenziazione cellulare e la morfogenesi. La regolazione genica può anche servire come base per il cambiamento evolutivo: il controllo dei tempi, della posizione e della quantità dell'espressione genica può avere un effetto profondo sullo sviluppo dell'organismo. L'espressione di un gene può variare molto in diversi tessuti. Questo è chiamato pleiotropismo, un fenomeno molto diffuso in genetica.

Lo splicing alternativo è una scoperta moderna di grande importanza. È un processo in cui da un singolo gene può essere assemblato un gran numero di proteine varianti. Un particolare gene della Drosophila (DSCAM) può essere splicato alternativamente in 38.000 diversi mRNA.

Epigenetica e controllo dello sviluppo

L'epigenetica è lo studio dei cambiamenti nell'attività dei geni che non sono causati da cambiamenti nella sequenza del DNA. È lo studio dell'espressione genica, il modo in cui i geni producono i loro effetti fenotipici.

Questi cambiamenti nell'attività genica possono rimanere per il resto della vita della cellula e possono anche durare per molte generazioni di cellule, attraverso le divisioni cellulari. Tuttavia, non c'è alcun cambiamento nella sequenza di DNA sottostante dell'organismo. Invece, i fattori non ereditari fanno sì che i geni dell'organismo si comportino (si esprimano) in modo diverso.

I geni Hox sono un complesso di geni le cui proteine si legano alle regioni di regolazione dei geni bersaglio. I geni bersaglio attivano o reprimono i processi cellulari per dirigere lo sviluppo finale dell'organismo.

Eredità extranucleare

Ci sono alcuni tipi di eredità che avvengono al di fuori del nucleo della cellula. L'eredità normale avviene da entrambi i genitori attraverso i cromosomi nel nucleo di una cellula uovo fecondata. Ci sono alcuni tipi di eredità diversi da questo.

Ereditarietà degli organelli

I mitocondri e i cloroplasti hanno del DNA proprio. La loro composizione è decisa dai geni nei cromosomi e dai geni nell'organello. Carl Correns ne scoprì un esempio nel 1908. La pianta delle quattro, Mirabilis jalapa, ha foglie che possono essere bianche, verdi o variegate. Correns ha scoperto che il polline non ha alcuna influenza su questa eredità. Il colore è deciso dai geni nei cloroplasti.

Ereditarietà infettiva

Questo è causato da una relazione simbiotica o parassitaria con un microrganismo.

Effetto materno

In questo caso vengono trascritti i geni nucleari del gamete femminile. I prodotti si accumulano nel citoplasma dell'uovo e hanno un effetto sul primo sviluppo dell'uovo fecondato. L'avvolgimento di una lumaca, Limnaea peregra, è determinato in questo modo. I gusci destri sono i genotipi Dd o dd, mentre quelli sinistri sono dd.

L'esempio più importante di effetto materno è in Drosophila melanogaster. Il prodotto proteico dei geni dell'effetto materno attiva altri geni, che a loro volta attivano ancora più geni. Questo lavoro ha vinto il premio Nobel in fisiologia o medicina nel 1995.

Molte ricerche moderne utilizzano una miscela di genetica, biologia cellulare e biologia molecolare. Gli argomenti che sono stati oggetto di premi Nobel in chimica o fisiologia includono:

• Splicing alternativo, dove un gene codifica per una varietà di prodotti proteici correlati.
• Genomica, la sequenza e l'analisi della funzione e della struttura dei genomi.
• L'ingegneria genetica, la modifica del genoma di un organismo tramite la biotecnologia.
• Elementi genetici mobili, tipi di DNA che possono cambiare posizione nel genoma.
• Trasferimento genico orizzontale, in cui un organismo riceve materiale genetico da un altro organismo senza essere la progenie di quell'organismo.

Genetica del comportamento umano

Molti noti disturbi del comportamento umano hanno una componente genetica. Questo significa che la loro eredità causa in parte il comportamento, o rende più probabile il verificarsi del problema. Gli esempi includono:

• Autismo
• ADHD (disturbo da deficit di attenzione)
• Uso e abuso di droghe
• Assunzione del rischio
• Schizofrenia

Inoltre, il comportamento normale è anche fortemente influenzato dall'ereditarietà:

• Apprendimento e capacità cognitive
• Personalità

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• ENCODE: l'analisi completa del genoma umano
• Terapia genica