Genetica del comportamento (3/10): L'identificazione dei geni

La genetica quantitativa e la genetica molecolare stanno cercando di identificare i geni responsabili di tratti quantitativi complessi nei sistemi multigenici, detti locus per un carattere quantitativo (QTL).
I QTL contribuiscono in maniera additiva e sostituibile come fattori di rischio probabilistici, e vengono ereditati in maniera mendeliana.
Studiare i singoli QTL è difficile perchè, se ci sono molti geni che influenzano un tratto, allora ogni singolo gene probabilmente avrà un effetto relativamente piccolo.
Una volta individuato un gene è però possibile determinare quale proteina viene prodotta e studiare come essa influenza il comportamento per via del cervello.

Il comportamento animale

Nel 1915, Sturtevant, l'inventore della mappa cromosomica, trovò che una mutazione di un singolo gene che altera il colore degli occhi nei moscerini della frutta (Drosophila), influenza anche il suo comportamento riproduttivo.
Un'altra scoperta importante è quella fatta sui topi albini, i quali sono meno attivi in un campo aperto, ma se vengono sottoposti ad una forte luce rossa che riduce la stimolazione visiva del campo, essi risultano più attivi.
Questi sono esempi di associazione allelica, cioè l'associazione tra un particolare allele ed un fenotipo.

Singoli geni possono influenzare radicalmente un comportamento che normalmente è influnezato da molti geni.
Per identificare i geni che influenzano il comportamento, si usa lo screening mutazionale.
Sono stati presi in esame diversi organismi:

Batteri: nella rotazione del flagello e nel controllo della durata di questa rotazione sono coinvolti molti geni.
Vermi cilindrici (Caenorhabditis elegants): è il primo animale di cui è stato sequenziato l'intero genoma, circa 100 milioni di paia di basi, dove circa la metà dei suoi geni corrispondono a geni umani, e per studiarli si è usata l'inibizione mediata da RNA (RNAi), che consiste in un'iniezione di RNA a doppia elica nelle gonadi con una sequenza corrispondente a quella del gene da sopprimere.
Moscerini della frutta (Drosophila): Normalmente si muove verso la luce (fototassi positiva) e si allontana dal centro di gravità (geotassi negativa).
La Drosophila offre la possibilità di creare mosaici genetici, cioè individui in cui l'allele mutante è presente in alcune cellule dell'organismo, ma non in altre, dove, quando gli individui si sviluppano, la distribuzione e la proporzione delle cellule col gene mutante variano da individuo ad individuo, e confrontando gli individui che hanno il gene mutante in particolari parti dell'organismo è possibile localizzare il sito in cui il gene mutante esplica il suo effetto sul comportamento.
Zebrafish: molto studiato nelle prime fasi dello sviluppo.
Topi: dopo l'uomo è il primo mammifero per il quale è stato affrontato il sequenziamento dell'intero genoma della linea consanguinea C57BL/6, i topi vengono anche usati per la produzione di mutagenesi mirate che sopprimono l'espressione di uno specifico gene.

Il linkage può essere identificato usando gli incroci mendeliani, esso è probabile quando i risultati violano la seconda legge di Mendel sull'assortimento indipendente.
Se tanti geni contribuiscono alla determinazione del comportamento, i tratti comportamentali saranno distribuiti quantitivamente, e la maggior parte delle analisi di QTL nei modelli animali usa il metodo dell'associazione.
L'associazione allelica è la correlazione (o associazione) tra un allele e un determinato carattere.
Ad esempio, la frequenza allelica dei marcatori del DNA può essere paragonata in gruppi di animali con bassa o alta espressione di un carattere quantitativo.
Il metodo dell'associazione possiede un basso potere risolutivo nel localizzare un linkage con un punto specifico di un cromosoma, ma ha una buona capacità di identificare il cromosoma sul quale si trova il QTL.
La regione su cui può trovarsi il QTL è di solito molto ampia, da 10 a 20 milioni di paia di basi di DNA, ed un modo per aumentare la risoluzione è quello di utilizzare animali i cui cromosomi han subito un maggior numero di ricombinazioni.
Sono stati mappati almeno 24 QTL che condizionano diverse risposte a sostanze stupefacenti, come il bere l'alcool, la sindrome di astinenza da alcool, la dipendenza da cocaina, ed in alcuni casi la localizzazione del QTL può essere vicina ad un gene già mappato con funzione nota, ed in questi casi si posson fare studi sulle caratteristiche di quel gene.
Un altro metodo usato per identificare QTL è quello di usare particolari linee consanguinee chiamate linee consanguinee ricombinanti (RI).
Le RI derivano da un incrocio F₂ tra 2 linee consanguinee, processo che porta ad una ricombinazione di parte dei cromosomi delle linee parentali.
Questo metodo consente a tutti i ricercatori di lavorare praticamente sugli stessi animali, perchè le linee RI hanno un elevato livello d'inincrocio, ed è un metodo che confronta la media di linee consanguinee ricombinanti.

L'omologia di sintenia si ha quando alcune parti dei cromosomi murini (topi) presentano gli stessi geni nello stesso ordine rispetto ad alcune parti dei cromosomi umani, e questo può essere utile per studiare anche il comportamento umano.

Il comportamento umano

Nella specie umana non si può manipolare il genotipo, nè controllare l'ambiente, bisogna aspettare che la natura faccia il suo corso, e per identificare i geni legati al comportamento si usa sia il linkage che l'associazione.

Il linkage può essere identificato usando grossi alberi genealogici, nei quali può essere seguita la contrasmissione di un allele di un marcatore genetico e di una malattia.
Questi alleli verrano ereditati insieme all'interno di una famiglia.
Il primo linkage con un marcatore del DNA è stato identificato per la corea di Huntington nel 1983, e si è scoperto che è necessario e sufficiente un singolo gene perchè questa malattia insorga.
In generale, più lontano è il marcatore del gene per la malattia, più ricombinazioni si troveranno all'interno di una famiglia.
Un altro tipo di approccio di linkage è la condivisione degli alleli tra coppie di parenti affetti, il metodo più usato per studiare i caratteri complessi come il comportamento.
Affetti significa che entrambi i fratelli rispondono ai criteri di una diagnosi o che entrambi hanno valori estremi per una misura di un carattere quantitativo.
Questo studio è basato sulla condivisione degli alleli e valuta se i fratelli affetti condividono 0,1, o 2 alleli per il marcatore di DNA, e nel caso ideale, usando marcatori con più di un allele, tutti e 4 gli alleli dei genitori possono essere distinti.
Le probabilità di condivisione sono: 25% che i fratelli non condividano nessun allele, 50% che ne condividano solo 1, e 25% che ne condividano 2, e quindi, deviazioni da questo schema di probabilità indicano la presenza di linkage.
Se ad esempio un marcatore è in linkage con un gene che influenza una malattia, più del 25% delle coppie di fratelli affetti condividerà 2 alleli del marcatore.
Un marcatore in linkage con il carattere quantitativo mostrerà una condivisione degli alleli del marcatore maggiore di quella attesa per i fratelli che risultano più simili per quel carattere.

L'associazione allelica ha il potere statistico di individuare i QTL con effetti di piccole dimensioni, il linkage è un metodo sistematico dove poche centinaia di marcatori di DNA possono essere usati per analizzare il genoma, mentre con l'associazione si dovran genotipizzare decine di migliaia di marcatori del DNA per analizzare in maniera completa il genoma, quindi l'associazione allelica viene usata per studiare associazioni con geni candidati.
Il problema è che non si sa quale possa essere il gene candidato, oltre al fatto che può essere difficile fare i confronti, per questo motivo questo metodo viene usato all'interno di famiglie.
Si usano studi all'interno di famiglie in modo da togliere la possibilità che le associazioni identificate tra famiglie diverse (usando metodi di controllo affetti-non affetti), siano dovute a differenze etniche tra famiglie.
L'associazione allelica è quindi uno strumento potente ma non sistematico, e per poter diventare più sistematico, questo metodo deve prevedere l'uso di una mappa di marcatori densa, anche se ciò richiede un grande numero di genotipizzazioni.
Il metodo del DNA pooling consiste nel mischiare i DNA di molti individui e fornisce un'alternativa a basso costo e flessibile per poter analizzare il genoma per le associazioni, ma purtroppo questo metodo non consente di individuare tutti i QTL.

L'etica ed il futuro

La consulenza genetica punta ad informare piuttosto che a fornire consigli, essa viene sempre più coinvolta in problemi legati alla diagnosi prenatale, alla previsione e all'intervento.
In ogni caso, è sempre necessario il consenso informato per effettuare i test genetici.
In linea teorica i DNA chip potrebbero essere usati per progettare bambini selezionando gli embrioni per la fecondazione in vitro, ma questo per motivi etici non avverà probabilmente mai.
Trovare un'ereditabilità o specifici geni associati ad un comportamento non significa che questo comportamento sia immutabile, infatti molte ricerche genetiche provano l'importanza dei fattori non genetici, come nel caso della PKU, dove il singolo gene che causa il ritardo mentale può essere controllato modificando l'ambiente.