Genetica (3/8): Mendel e il concetto del gene

Il monaco Gregor Mendel scoprì nel 1857 i principi fondamentali dell'ereditarietà facendo uno studio sperimentale sulle piante di pisello.

Secondo i genetisti, il carattere è l'insieme degli aspetti ereditabili che variano a seconda degli individui, ed ogni variante di un carattere viene definito tratto.
Le linee pure sono quelle generazioni di figli che mantengono i propri caratteri anche nelle generazioni successive.
L'incrocio per ibridazione si ha quando si mescolano 2 linee pure che si distinguono per un solo carattere, e i genitori appartenenti a linee pure vengono definiti generazione parentale, mentre la prole ibrida costituisce la generazione F₁ (prima generazione filiale), e gli individui generati da essi sono detti generazione F₂ (seconda generazione filiale).

Le forme alternative di un gene vengono chiamate alleli, sono le varianti dello stesso gene, ed ogni gene è situato in un particolare locus di un determinato cromosoma, e il DNA di quel locus può presentare qualche variazione a livello di sequenza nucleotidica.
Mendel ipotizzò che:

Versioni alternative di alleli sono responsabili delle diverse versioni di un carattere ereditario.
Per ogni carattere, un organismo eredita 2 alleli, uno proveniente da ciascun genitore.
Se i 2 alleli non sono identici allora uno di questi è l'allele dominante, ovvero esprime pienamente il fenotipo dell'organismo, l'altro invece è l'allele recessivo, e non esercita alcun effetto evidente.
I 2 alleli di ogni carattere si separano nel corso della formazione dei gameti, ed ogni cellula uovo e ogni spermatozoo ricevono solo 1 dei 2 alleli.
Questa segregazione (separazione) corrisponde alla distribuzione dei cromosomi omologhi in gameti differenti durante la meiosi.
La legge della segregazione di Mendel è quando c'è la segregazione degli alleli in gameti differenti.

Il quadrato di Punnett è un metodo pratico per prevedere il risultato di un incrocio genetico tra individui con genotipo noto.
Un individuo che possiede una coppia di alleli identici per un determinato carattere è detto omozigote per il gene che controlla tale carattere.
Individui che presentano diversi alleli per un particolare locus vengono detti eterozigoti per quel gene.
L'aspetto esteriore di un organismo (sia tratti fisiologici che fisici) è detto fenotipo, mentre la sua costituzione genetica è detta genotipo.
Il reincrocio o testcross è l'incrocio ideato da Mendel di un omozigote recessivo con un organismo dal fenotipo dominante, ma dal genotipo ignoto.

Incroci di individui che differiscono di un singolo carattere prodotti nella F₁ sono definiti monoibridi, mentre quando sono eterozigoti per entrambi i caratteri vengono detti diibridi.
La segregazione indipendente di ogni coppia di alleli nel corso della produzione dei gameti è detta legge dell'assortimento indipendente di Mendel.
Le leggi della segregazione e dell'assortimento, spiegano le variazioni ereditarie in termini di forme alternative dei geni, che vengono trasmesse da una generazione ad un'altra in base alle regole di probabilità della somma e del prodotto.

La genetica post-mendeliana

Alcuni geni manifestano una dominanza incompleta, ovvero gli ibridi F₁ manifestano un aspetto fenotipico in qualche modo intermedio rispetto alle 2 varietà parentali.
La dominanza completa si ha quando i fenotipi dell'eterozigote e dell'omozigote dominante risultano indistinguibili.
La codominanza si ha quando 2 alleli agiscono sul fenotipo in modi separati e distinguibili.
Un allele non viene detto dominante perchè è capace di sottomettere l'allele recessivo, i 2 alleli non interagiscono tra di loro, ma la domninanza e la recessività si esprimono piuttosto nella via che porta dal genotipo al fenotipo.
Inoltre il fatto che un allele di un particolare carattere sia dominante non significa necessariamente che esso risulti più comune in una popolazione rispetto al rispettivo allele recessivo.
La maggior parte dei geni è presente nelle popolazioni in più di due formi alleniche, ad esempio, nell'uomo i gruppi sanguini del sistema ABO costituiscono un esempio di alleli multipli.
La pleiotropia è la capacità di un gene di influire sull'organismo in molti modi.
L'epistasi comporta che un gene di un locus alteri l'espressione fenotipica di un gene situato in un secondo locus.
L'eredità multigenica si ha sui caratteri quantitativi (caratteri che variano in modo graduale e continuo) quando c'è un effetto additivo di 2 o più geni su un singolo carattere fenotipico.

Il fenotipo di un individuo dipende sia dalla sua costituzione genetica sia dai fattori ambientali.
Ad esempio, l'alimentazione influisce sull'altezza, l'esposizione al sole sull'abbronzatura.
Il prodotto di un determinato genotipo non costituisce un fenotipo rigidamente definito, ma una gamma di possibilità fenotipiche (detta norma di reazione) sulle quali possono influire fattori ambientali.
Esistono casi in cui la norma di reazione non ha ampiezza e quindi un dato genotipo definisce un fenotipo estremamente specifico.
I caratteri multifattoriali sono l'insieme dei fattori, genetici e ambientali, che influiscono complessivamente sul fenotipo.
Il termine fenotipo viene anche usato per descrivere un organismo nel suo insieme, sia anatomiche, che fisiche, che comportamentali.
Il termine genotipo può essere usato per l'intera costituzione genetica dell'organismo.
Il fenotipo di un organismo riflette sia il genotipo complessivo che la sua storia ambientale.

La genetica mendeliana nella specie umana

Le moderne tecniche nell'ambito della biologia molecolare hanno permesso di fare numerose importanti scoperte, tuttavia, la genetica mendeliana rimane tuttora il fondamento della genetica umana.
L'albero genealogico è un albero di discendenza che descrive i rapporti tra i genitori e i figli nel corso delle generazioni.
Ricordiamo inoltre che nelle varie rappresentazioni, con la lettera minuscola (ad esempio f) vengono rappresentati gli alleli recessivi, con la maiuscola quelli dominanti (es F).
Molte delle malattie genetiche seguono le leggi mendeliane dell'ereditarietà, e gli alberi genealogici sono molto utili per il loro studio e la loro prevenzione.

Migliaia di malattie genetiche vengono ereditate come semplici caratteri recessivi.
Nei disordini recessivi, gli eterozigoti presentano un fenotipo normale, perchè anche una sola copia dell'allele normale produce quantità sufficiente della proteina in questione, quindi un disordine ereditario recessivo si manifesta solo negli individui omozigoti che ereditano un allele recessivo da ciascun genitore.
Se indichiamo il genotipo di questi individui come aa, mentre le persone che non manifestano la malattia possiedono genotipo AA o Aa, gli eterozigoti Aa che risultano fenotipicamente normali vengono definiti portatori della malattia.
La maggior parte degli individui affetti da disordini recessivi hanno genitori di fenotipo normale, ma entrambi portatori della malattia (un accoppiamento tra portatori corrisponde ad un incrocio mendeliano F₁ AaxAa dove lo zigote ha una probabilità di 1/4 di ricevere entrambi gli alleli recessivi).
La fibrosi cistica è una malattia genetica molto pericolosa che colpisce negli USA 1 bambino bianco su 25.
La malattia di Tay-Sachs è provocata dal disordine di un allele recessivo, un enzima difettoso che non è in grado di degradare una particolare classe di lipidi.
La malattia genetica più comune tra le persone di colore è l'anemia falciforme, che è provocata dalla sostituzione di un singolo aminoacido della proteina emoglobina dei globuli rossi, e ciò comporta una diminuzione di ossigeno nel sangue.
Le persone che hanno in comune un antenato recente possiedono una probabilità maggiore di portare gli stessi alleli recessivi rispetto alle persone che non presentano vincoli di parentela, perciò, è più probabile che un accopiamento tra parenti produca una progenie omozigota per un tratto recessivo, magari dannoso (per questo motivo in diversi paesi è vietato sposarsi tra parenti).

Molti disordini sono anche provocati da alleli dominanti, come ad esempio l'acondroplasia, una forma di nanismo.
Purtroppo, quando si manifestano i sintomi degli alleli dominanti letali, può essere già troppo tardi, e possono esser già stati trasmessi alla progenie.
La corea di Huntington è una malattia degenerativa del sistema nervoso che non manifesta nessun effetto fenotipico evidente prima dei 35-45 anni, ma una volta che è iniziata la degenerazione del sistema nervoso, questa è irreversibile e provoca la morte.

Ci sono anche malattie che possiedono una base multifattoriale, caratterizzate da una componente genetica e da una componente ambientale.
In molti casi la componente ereditaria è multigenica, ovvero molti geni possono influire sulla salute, inoltre anche lo stile di vita può influire sul corso della malattia (ad esempio chi fuma può avere maggiori problemi cardiovascolari, non solo perchè predisposto).

A volte si possono prevedere le malattie genetiche, stimando il rischio che si possa verificare una certa malattia prima del concepimento o nelle prime fasi della gravidanza.
Sono disponibili diversi test per verificare se i genitori sono portatori degli alleli di diverse malattie.
Quando però si prevedono malattie che potrebbero verificarsi, i portatori sani possono essere discriminati da assicurazioni sulla vita, datori di lavoro ecc...

L'amniocentesi è una tecnica di analisi che può determinare a partire dalla 14°-16° settimana di gravidanza, se il feto è affetto dalla malattia di Tay-Sachs.
Questa tecnica prevede l'inserimento di un ago nell'utero materno e l'estrazione di liquido amniotico dal feto, e ciò consente di individuare la presenza di determinate sostanze.
La tecnica dell'analisi dei villi coriali prevede invece l'inserimento di una sottile cannula attraverso la cervice fino all'utero e l'aspirazione di un piccolo campione di tessuto fetale dalla placenta.
Quest'ultima analisi è più efficiente della precedente perchè si possono avere i risultati in 24 ore, a differenza delle diverse settimane necessarie per l'amniocentesi, ed inoltre l'analisi dei villi può essere effettuata già dall'ottava settimana di gravidanza.
Come contro l'analisi dei villi non permette di individuare le malattie che richiedono l'analisi del liquido amniotico, e non tutti gli ospedali sono attrezzati per poterla fare.
Il metodo dell'ecografia consente di esaminare il feto tramite onde sonore.
La fetoscopia invece, prevede l'introduzione nell'utero di una sottile sonda contenente un obiettivo a fibre ottiche.
L'amniocentesi e la fetoscopia sono cmq rischiose per il feto e possono ucciderlo (accade nell'1% dei casi), e per questo motivo vengono utilizzate solo quando il rischio di malattia è davvero elevato.

Lo screening sui neonati si usa per individuare la malattia ereditaria della fenilchetonuria (PKU).
Questa malattia non consente la giusta degradazione dell'aminoacido fenilalanina, che può accumularsi nel sangue fino a raggiungere livelli tossici.
Se il difetto viene individuato nel neonato si può evitare che questo causi un ritardo mentale, tramite un'alimentazione speciale.