Fondamenti di genetica

      Il DNA è la base molecolare dell'ereditarietà. Ogni molecola di DNA è un doppio filamento di nucleotidi (polinucleotide) uniti al centro per formare una doppia elica.

       La genetica (dal greco antico γενετικός genetikos - dare origine e γένεσις genesis - originare) è una branca della biologia; la scienza dei geni, dell'ereditarietà e della variazione negli organismi. Il fatto che gli esseri viventi ereditino i tratti dei loro genitori è stato utilizzato fin dalla preistoria per migliorare la produttività delle colture di cereali e degli animali attraverso l'allevamento selettivo. Tuttavia, la genetica moderna, che cerca di comprendere il processo di ereditarietà, è iniziata solo con il lavoro di Gregor Mendel a metà del XIX secolo. Pur non conoscendo le basi fisiche dell'ereditarietà, Mendel osservò che gli organismi ereditano i tratti attraverso speciali unità discrete di ereditarietà, che oggi chiamiamo geni.

      I geni sono tratti di DNA - una molecola costituita da una catena di quattro diversi tipi di nucleotidi - la cui sequenza costituisce l'informazione genetica che gli organismi ereditano. Nella stragrande maggioranza dei casi, il DNA è presente sotto forma di doppie basi, con i nucleotidi di ogni base che si completano a vicenda. Ogni base funge da modello per la creazione di una nuova base partner - un metodo fisico per copiare i geni che possono essere ereditati.

       Le sequenze di nucleotidi nei geni vengono tradotte dalle cellule per creare una catena di amminoacidi e sintetizzare le proteine - l'ordine degli amminoacidi nella proteina corrisponde all'ordine dei nucleotidi nel gene. Questa relazione tra la sequenza dei nucleotidi e quella degli aminoacidi è chiamata codice genetico. Gli aminoacidi di una proteina determinano il modo in cui vengono ripiegati in una forma tridimensionale; questa struttura, a sua volta, è responsabile della funzione della proteina. Le proteine svolgono praticamente tutte le funzioni necessarie alla vita cellulare. I cambiamenti nella sequenza delle basi nella parte della molecola di DNA che trasporta le informazioni genetiche (geni) possono alterare la sequenza degli amminoacidi in una proteina, modificandone la forma e la funzione, con un impatto spesso negativo sul funzionamento della cellula e dell'organismo nel suo complesso. Nella maggior parte dei casi, viene modificato un solo nucleotide (polimorfismo a singolo nucleotide). Ciò spesso causa una specifica malattia genetica che può essere ereditata.

      Sebbene le caratteristiche genetiche svolgano un ruolo estremamente importante nella nascita, nello sviluppo, nel funzionamento e nel comportamento degli organismi, il risultato finale (l'insieme dei tratti e delle proprietà speciali di un organismo) è una combinazione di fattori genetici e delle condizioni in cui l'organismo si sviluppa. Ad esempio, l'ereditarietà gioca un ruolo importante nella formazione di un tratto come l'altezza, ma l'alimentazione e altre condizioni (ad esempio attività fisica, esercizi specifici, ecc.) possono modulare in modo significativo questo tratto a seconda delle condizioni.

Il lavoro di Gregor Mendel e la genetica classica

      Le basi della genetica moderna furono gettate da Gregor Johann Mendel, monaco agostiniano e scienziato tedesco-ceco che studiò la natura dell'ereditarietà dei caratteri nelle piante. Nel suo saggio Versuche über Pflanzenhybriden ("Esperimenti sull'ibridazione delle piante") del 1865, pubblicato dalla Naturforschender Verein (Società per lo studio della natura) di Brno (moderna Repubblica Ceca, allora parte dell'Impero austriaco), Mendel tracciò l'ereditarietà di alcuni caratteri nei piselli e li descrisse correttamente dal punto di vista matematico. Sebbene il tipo di eredità descritto possa essere osservato solo per alcuni tratti, il lavoro di Mendel suggerisce che l'ereditarietà è discreta e permanente, non acquisita, e che l'ereditarietà di molti tratti può essere spiegata e descritta utilizzando semplici regole matematiche e proporzioni.

     La straordinaria importanza del lavoro di Mendel non fu ampiamente compresa fino agli anni Novanta del XIX secolo, quando, dopo la sua morte, altri scienziati che lavoravano su problemi simili prestarono nuovamente attenzione alle sue ricerche. Nel 1905, William Batson, un sostenitore del lavoro di Mendel, propose il nome di una nuova disciplina scientifica: Genetica (l'aggettivo genetica, derivato dalla parola greca genesis-γένεσις, origine, e quest'ultima dalla parola gennō-γενώ, "dare vita, partorire", precede il sostantivo e fu usato per la prima volta in biologia nel 1860). Batson rese popolare l'uso della parola genetica per descrivere la scienza dell'ereditarietà nel suo discorso di apertura della Terza Conferenza Internazionale sull'Ibridazione delle Piante a Londra, in Inghilterra, nel 1906.

     Dopo aver ripreso le ricerche di Mendel, gli scienziati cercarono di determinare quali molecole della cellula fossero responsabili dell'ereditarietà. Nel 1910, Thomas Gantt Morgan sostenne che i geni sono localizzati sui cromosomi, basandosi sull'osservazione dell'ereditarietà per linkage nella Drosophila. Nel 1913, il suo studente Alfred Sturtevant utilizzò il fenomeno del legame genetico per dimostrare che i geni sono disposti linearmente su un cromosoma.

Caratteristiche dell'eredità

Eredità discreta e leggi di Mendel

      A livello fondamentale, l'ereditarietà negli organismi si realizza attraverso alcuni tratti discreti che sono determinati in modo univoco dai geni. Questa proprietà fu scoperta per la prima volta da Gregor Mendel, che studiò la segregazione dei caratteri ereditari utilizzando come esempio i piselli. Nei suoi esperimenti, in cui studiava il colore dei fiori, Mendel notò che i fiori di ogni pisello erano o viola o bianchi - e non c'era mai un colore intermedio. Questa differenza, la presenza di diverse varianti dello stesso gene, è chiamata alleli.

     Nel caso dei piselli, che sono una specie diploide, ogni pianta ha due alleli di un dato gene, dove un allele è ereditato da ciascun genitore. Molte specie, compreso l'uomo, presentano questo modello di ereditarietà. Gli organismi diploidi con due copie dello stesso allele di un particolare gene sono detti omozigoti, mentre gli organismi con due alleli diversi di un particolare gene sono detti eterozigoti.

     L'insieme degli alleli di un dato organismo è chiamato genotipo e la caratteristica o tratto osservato dell'organismo è chiamato fenotipo. Quando un dato organismo è detto eterozigote per un gene, un allele è spesso definito dominante perché i suoi tratti dominano il fenotipo dell'organismo, mentre altri alleli sono detti recessivi perché i loro tratti possono essere assenti e non osservati. Alcuni alleli non hanno una dominanza completa, ma hanno invece una dominanza parziale di un fenotipo intermedio, la cosiddetta codominanza: entrambi i tratti sono dominanti allo stesso tempo ed entrambi i tratti sono presenti nel fenotipo.

     Quando una coppia di organismi si riproduce per via sessuale, la prole eredita casualmente uno dei due alleli di ciascun genitore. L'osservazione dell'eredità discreta e della segregazione degli alleli è comunemente nota come prima legge di Mendel o legge della segregazione.

Interazione di più geni

    L'altezza umana è un tratto genetico complesso. I risultati di uno studio condotto da Francis Galton nel 1889 mostrano una correlazione tra l'altezza della prole e l'altezza media dei genitori. Tuttavia, la correlazione non è assoluta e ci sono deviazioni significative dalla variazione genetica nell'altezza della prole, indicando che anche l'ambiente è un fattore importante in questo tratto. 

    Gli organismi hanno migliaia di geni e, durante la riproduzione sessuata, la gamma di questi geni è in gran parte indipendente, il che significa che vengono ereditati in modo casuale senza alcun collegamento tra loro. Ciò significa che l'eredità degli alleli per il colore giallo o verde dei piselli non ha nulla a che vedere con l'eredità degli alleli per il colore bianco o viola dei fiori. Questo fenomeno, noto come Seconda Legge di Mendel o Legge dell'Ereditarietà Indipendente (legge della scissione dei caratteri), significa che gli alleli di geni diversi si mescolano tra i genitori per formare figli con combinazioni diverse. Alcuni geni non possono essere ereditati separatamente perché è stato dimostrato che hanno un legame genetico specifico, come discusso più avanti nell'articolo.

    Spesso, geni diversi possono interagire in modo tale da influenzare lo stesso tratto caratteristico. Per esempio, nell'ombelico di primavera (Omphalodes verna), c'è un gene con alleli che determinano il colore del fiore: blu o viola. Tuttavia, un altro gene controlla se il fiore ha un colore qualsiasi o è bianco. Quando una pianta possiede due copie di questo allele bianco, i suoi fiori sono bianchi, indipendentemente dal fatto che il primo gene avesse un allele blu o viola. Questa interazione tra geni è chiamata epistasi: l'attività di un gene è influenzata dalle variazioni di altri geni.

     Molti tratti non sono discreti (ad esempio, fiori bianchi o viola), ma sono invece continui (ad esempio, altezza e colore della pelle). Questo insieme di tratti è il risultato di molti geni. L'influenza di questi geni è il legame tra i diversi gradi di influenza ambientale sugli organismi. L'ereditabilità è il grado in cui i geni di un organismo contribuiscono a un insieme di tratti caratteristici. La misura dell'ereditabilità dei tratti è relativa: in un ambiente più variabile, ha un impatto maggiore sulla variazione complessiva dei tratti. Ad esempio, negli Stati Uniti l'altezza umana è un tratto complesso con una probabilità di ereditarietà dell'89%. Tuttavia, in Nigeria, dove le persone hanno maggiori disparità nell'accesso a una buona alimentazione e all'assistenza sanitaria, la probabilità di ereditare un tratto come l'altezza è solo del 62%.

Riproduzione

     Quando le cellule si dividono, il loro genoma viene completamente copiato e ogni cellula figlia eredita un set completo di geni. Questo processo è chiamato mitosi, la forma più semplice di riproduzione e la base della riproduzione vegetativa (asessuata). La riproduzione vegetativa può avvenire anche negli organismi multicellulari, creando una progenie che eredita il genoma da un unico genitore. I figli geneticamente identici ai genitori sono chiamati cloni.

     Gli organismi eucarioti ricorrono spesso alla riproduzione sessuata per produrre una prole con materiale genetico misto ereditato da due genitori diversi. Il processo di riproduzione sessuale varia (si alterna) a seconda del tipo, che contiene una copia del genoma (aploide) e una doppia copia (diploide). Le cellule aploidi si formano in seguito alla meiosi e quando il materiale genetico si fonde con un'altra cellula aploide per creare una cellula diploide con cromosomi appaiati (ad esempio, la fusione di un ovulo (cellula aploide) e di uno spermatozoo (cellula aploide)), si ottiene uno zigote. Le cellule diploidi si dividono per formare cellule aploidi, senza riprodurre il loro DNA, per creare cellule figlie che ereditano casualmente una coppia di cromosomi. La maggior parte degli animali e molte piante sono organismi diploidi per la maggior parte della loro vita, mentre la forma aploide è caratteristica di una sola cellula, il gamete.

      Nonostante non utilizzino la riproduzione sessuale aploide/diploide, i batteri hanno molti modi per acquisire nuove informazioni genetiche (cioè per la variabilità). Alcuni batteri possono subire una coniugazione trasferendo un piccolo frammento circolare di DNA a un altro batterio. I batteri possono anche prendere frammenti di DNA estranei dall'ambiente e integrarli nel loro genoma, un fenomeno noto come trasformazione. Questo processo è noto anche come trasferimento genico orizzontale, ovvero il trasferimento di frammenti di informazione genetica tra organismi non imparentati.