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Genetica
La genetica nasce verso la metà dell‟Ottocento con gli esperimenti di Gregor Mendel, un abate austriaco che per primo individuò le leggi dell’ereditarietà che regolano la trasmissione dei caratteri da una generazione all‟altra. La genetica mendeliana è oggi nota come genetica classica o genetica formale. Gli studi sull'eredità compiuti da Mendel furono pubblicati nel 1865 ma rimasero quasi totalmente ignorati fino all'inizio del `900, quando furono riscoperti da tre botanici che stavano lavorando sull'incrocio di alcune varietà vegetali (Hugo de Vries, Karl Correns e Erich Tschermak von Seysenegg).
A partire dagli anni ‟30 e '40 del Novecento alla genetica classica si sono aggiunte la genetica di popolazione e successivamente la genetica molecolare.
La genetica di popolazione nasce dalla fusione dei principi della genetica mendeliana con la teoria dell‟evoluzione (teoria sintetica dell‟evoluzione). Negli anni ‟30 vennero messi a punto modelli matematici e statistici in grado di simulare l‟effetto dell‟eredità mendeliana sulla
dinamica evolutiva delle popolazioni. La genetica di popolazione studia la struttura genetica
delle popolazioni (distribuzione dei caratteri all‟interno di un gruppo di individui) ed i processi evolutivi ai quali essa è sottoposta. (dinamica delle variazioni di frequenza dei caratteri e cause che le provocano). La genetica molecolare nasce in seguito alla scoperta che la base chimica e molecolare dell'eredità è costituita dagli acidi nucleici, principalmente il DNA. La genetica molecolare studia la struttura biochimica del gene e la relazione esistente tra geni e caratteri osservabili. A partire dagli anni `70, con l'impiego delle tecniche della biologia molecolare, si è aperta la strada alla manipolazione del materiale genetico e quindi allo sviluppo dell' ingegneria genetica.
1.38 Genetica classica
Alla base della genetica formale c'è il concetto di gene , fattore ereditario legato ad una particolare caratteristica morfologica o fisiologica dell‟individuo, detta carattere. Da un punto di vista molecolare il gene è il tratto di DNA che controlla la manifestazione di un carattere, in genere codificando per una particolare proteina. I geni sono contenuti nei cromosomi. Un
cromosoma può essere visto come un‟ordinata successione di geni. A causa di mutazioni avvenute durante il processo evolutivo di una specie, un gene può presentarsi con delle forme varianti, dette forme alleliche o alleli (dal greco allelos = l‟uno o l‟altro. alternativo). Ad esempio il gene che controlla la comparsa sui globuli rossi umani del marcatore per il sistema AB0 esiste in tre varianti alleliche ( IA , IB , i ). IA^ che codifica per il marcatore A, IB^ che codifica per il marcatore B, i che non codifica per alcun marcatore (0, zero).
Negli organismi diploidi, le cui cellule contengono due serie di cromosomi omologhi (2n), ciascun gene è portato sia dall‟omologo materno che dall‟omologo paterno. In altre parole, anche se in natura un carattere presenta più di due forme alleliche (come accade per i 3 alleli del sistema AB0) in un particolare individuo diploide il carattere si presenta sempre con due alleli che occupano la medesima posizione ( locus ) nei due cromosomi omologhi. Ovviamente i due alleli che controllano un particolare carattere in un individuo potranno essere uguali o diversi. Ad esempio per il carattere AB0 un individuo potrà presentare le seguenti combinazioni alleliche IAIA, IBIB, ii, IAIB, IAi, IBi.
Un individuo i cui due alleli per la determinazione di un carattere sono uguali si dice omozigote per quel carattere. Un individuo i cui due alleli per la determinazione di un carattere sono diversi si dice eterozigote per quel carattere.
La particolare combinazione di alleli che controlla un carattere si definisce genotipo. Ogni genotipo genera una manifestazione osservabile di un carattere che si definisce fenotipo.
Nella genetica formale l' espressione di un gene è il modo in cui il genotipo si traduce nel fenotipo, determinando un carattere. Nel caso di omozigosi (due alleli uguali) il fenotipo non può che riflettere l‟unica informazione esistente nel genotipo. Nel caso di eterozigosi invece il genotipo può manifestarsi con fenotipi differenti a seconda del tipo di interazione che si produce tra i due alleli diversi. In particolare si possono presentare tre tipi di relazione: dominanza completa , dominanza incompleta e codominanza.
Si ha dominanza completa (o semplicemente dominanza ) quando uno dei due alleli prevale sull‟altro ed è l‟unico a manifestarsi, determinando il fenotipo. L‟allele che si manifesta è detto dominante. L‟allele che rimane latente è detto recessivo. Per convenzione l‟allele dominante viene indicato con una lettera maiuscola (ad esempio A ) e l‟allele recessivo con la corrispondente minuscola (ad esempio a ). Dal punto di vista molecolare l'allele recessivo non viene utilizzato o non codifica un prodotto funzionale. L 'unico prodotto che viene a formarsi è quello codificato dall'allele dominante. L'allele dominante si esprime sempre. Ciò comporta che gli eterozigoti (genotipo = Aa) siano indistinguibili dagli omozigoti dominanti (genotipo = AA), avendo lo stesso fenotipo, detto fenotipo completamente dominante. La comparsa del fenotipo recessivo, invece, identifica senza ambiguità un omozigote recessivo (genotipo = aa). Gli eterozigoti (Aa) e gli omozigoti dominanti (AA) per un determinato gene mostrano l'effetto dell'allele dominante, mentre gli omozigoti recessivi (aa) mostrano l'effetto dell'allele recessivo. Così se il gene che determina il colore di un fiore presenta un allele dominante rosso (R) ed un allele recessivo bianco (r), in natura avremo che gli individui con genotipo omozigote dominante (RR) e gli individui con genotipo eterozigote (Rr) si presenteranno entrambi con i fiori rossi (presentano il medesimo fenotipo). Mentre gli individui con genotipo omozigote recessivo (rr) si presenteranno con i fiori bianchi.
Si parla invece di dominanza incompleta (detta anche intermedia) quando il fenotipo dell'eterozigote è una mescolanza tra il fenotipo dell'omozigote dominante e quello dell'omozigote recessivo. In questo caso dal fenotipo si può sempre risalire al genotipo. Ad esempio il colore del fiore della bocca di leone può essere rosso (omozigote dominante RR), rosa (eterozigote Rr) o bianco (omozigote recessivo rr). La spiegazione in termini molecolari è che in un eterozigote è presente il prodotto funzionale solo di un allele. Vi è quindi una sola dose del prodotto genico e ne deriva un fenotipo intermedio
La maggior parte dei caratteri sono infatti caratteri a variabilità continua , come l‟altezza di un individuo, il colore della pelle etc.
La pianta di pisello ( Pisum sativum ), su cui lavorò Mendel, risultò particolarmente adatta per questo tipo di esperimenti. È infatti di facile coltivazione, può dare più di una generazione all‟anno, presenta parecchi caratteri a variabilità discontinua, ma soprattutto si riproduce per autofecondazione. Il fiore infatti non si schiude finché i gameti maschili (polline) non abbiano fecondato gli ovuli femminili dello stesso fiore (ricordiamo che anche la pianta di pisello, come la maggior parte dei vegetali, è ermafrodita , presenta cioè sia l‟apparato riproduttore maschile che quello femminile riuniti in una medesimo individuo).
Non potendo dunque ricevere polline da altre piante (fecondazione incrociata), la pianta di pisello non riceverà neppure caratteri diversi da quelli propri. In queste condizioni si osserva che i discendenti di un certo individuo presenteranno sempre i medesimi caratteri, identici a quelli dei genitori. Gli individui di questo tipo costituiscono una linea pura. Per Mendel fu dunque relativamente semplice isolare linee pure che differivano per un carattere ed incrociarle, praticando su di esse la fecondazione artificiale. L‟operazione richiede che il fiore venga aperto e ne vengano recisi gli stami contenenti il polline per evitare l‟autofecondazione. Successivamente l‟organo femminile viene fecondato con il polline proveniente da un‟altra pianta. Se si incrociano due linee pure che differiscono per un carattere gli individui che si ottengono non appartengono ovviamente più ad una linea pura e vengono definiti ibridi (monoibridi). Le ricerche sui piselli impegnarono MENDEL dal 1854 al 1864. In questo periodo egli coltivò e analizzò almeno 28.000 piante della specie Pisum Sativum , prendendo in considerazione sette coppie di caratteri del seme e della pianta quali l‟ altezza, la posizione dei fiori, la forma e il colore dei semi.
Mendel incrociò fra loro a due a due linee pure che differivano per un carattere (pianta alta x pianta bassa, pianta con semi verdi x pianta con semi gialli, etc.), classificando e contando gli esemplari ottenuti in ciascuna generazione e cercando di individuare l‟ esistenza di precisi rapporti matematici tra i diversi individui presenti ad ogni generazione.
I risultati di questi incroci portarono Mendel a conclusioni in netto contrasto con il modello generalmente accettato allora dell‟ eredità per rimescolamento , secondo il quale “essenze” di ciascuno dei due genitori, trasmesse attraverso liquidi simili al sangue, contribuivano “mescolandosi” alla formazione dei figli. Mendel avanzò invece l‟ipotesi che l‟ eredità fosse “particolata” , cioè che i diversi caratteri ereditari fossero portati da strutture biologiche discrete e distinte, unità di eredità (o fattori unitari), anche se a quel tempo non vi erano prove dirette per dimostrarne l‟ esistenza, e che noi oggi chiamiamo geni ed alleli.
Egli aveva infatti notato che, incrociando piante di piselli che si differenziavano per singoli caratteri facilmente individuabili, non si ottenevano ibridi con caratteri mescolati, ma la generazione F 1 era formata da individui che presentavano sempre il carattere di uno solo dei due genitori. In termini moderni diremo che il carattere che si manifesta è dominante , quello che rimane nascosto è recessivo.
1.39.1 Legge della dominanza
In uno dei suoi esperimenti, Mendel incrociò piante di pisello che da molte generazioni producevano solo fiori violetti con piante che da molte generazioni producevano solo fiori bianchi. Egli usò il polline prodotto da piante a fiori violetti per fecondare piante a fiori bianchi. Fece anche l'operazione inversa, cioè fecondò con polline proveniente da piante a fiori bianchi piante a fiori violetti. Il risultato era sempre il medesimo: in F1 gli ibridi presentavano sempre fiori violetti.
I risultati di questi incroci possono essere riassunti in termini moderni nella legge della dominanza o legge dell’uniformità degli ibridi F 1 : l’incrocio tra un omozigote dominante (linea pura dominante) ed un omozigote recessivo (linea pura recessiva) genera una generazione F 1 di eterozigoti (ibridi) fenotipicamente uguali al genitore dominante.
P Linea pura dominante x Linea pura recessiva
F 1 Ibrido dominante
Si tenga presente che una linea pura, presentando un solo tipo di carattere, corrisponde ad un omozigote, mentre un ibrido, in cui si sono uniti i caratteri provenienti da due linee pure, corrisponde ad un eterozigote.
probabile che la frequenza con cui esce „testa‟ si avvicini al 50% se effettuo 1000 lanci piuttosto che se ne effettuo 10). Da questa ultima osservazione scaturisce un‟altra definizione di probabilità: la probabilità di un evento è il valore al quale tende la frequenza quando il numero degli eventi osservati tende ad infinito.
Questo in definitiva è anche il motivo per il quale, per stimare la probabilità che da un incrocio si generi un particolare carattere piuttosto che un altro, dobbiamo incrociare un numero molto elevato di individui.
È allora ovvio che quando Mendel lasciò che i monoibridi F 1 si incrociassero non ottenne mai esattamente il 75% di individui dominanti ed il 25% di individui recessivi, ma misurò frequenze che oscillavano intorno a questi valori e ne desunse che le probabilità dovevano essere del 75% e del 25%.
È tuttavia possibile, dato un certo incrocio, calcolare le probabilità dei genotipi risultanti senza dover materialmente effettuare l‟incrocio. Per farlo dobbiamo conoscere i genotipi degli individui che si incrociano e simulare gli eventi che portano alla formazione dei nuovi individui: gametogenesi e fecondazione. Si calcolano quindi le probabilità che durante la gametogenesi gli alleli del carattere in questione si trovino su di un determinato gamete e successivamente si calcolano le probabilità, attraverso un quadrato di Punnett, che i gameti femminili si „incontrino‟ con i gameti maschili. Il quadrato di Punnett è una tabella a doppia entrata che serve a simulare tutte le possibili combinazioni dei gameti maschili con quelli femminili (fecondazione) e a calcolare la probabilità dei genotipi che si generano come conseguenza dell‟unione dei gameti. I gameti maschili (con le loro probabilità) vengono posti ad un lato del quadrato ed i gameti femminili (con le loro probabilità) vengono posti su di un lato adiacente al precedente. All‟interno del quadrato vengono poi effettuate (come nel gioco della battaglia navale) tutte le combinazioni tra le righe e le colonne. Le probabilità dei genotipi che si realizzano non sono altro che la probabilità di un evento composto, cioè la probabilità che due eventi semplici (il gamete maschile e quello femminile) si verifichino contemporaneamente. La probabilità di un evento composto si calcola come il prodotto delle probabilità degli eventi semplici che concorrono alla sua uscita. Così le probabilità dei genotipi che si formano all‟interno del quadrato di Punnett si calcola come prodotto delle probabilità dei singoli gameti che devono combinarsi per dare quel determinato genotipo.
Ad esempio la probabilità che lanciando contemporaneamente un dado ed una moneta esca il numero 5 sul dado e „testa‟ sulla moneta è pari a 1/6 x 1/2 = 1/12. La probabilità che esca il 6 è infatti 1/6, la probabilità che esca „testa‟ è 1/2, la probabilità che escano contemporaneamente (evento composto) è 1/12.
Proviamo allora a simulare l‟incrocio tra due ibridi F1 a fiori violetti. Si tratta di due eterozigoti con genotipo Pp, (con P = purple, violetto = allele dominante e p = bianco = allele recessivo)
Per prima cosa dobbiamo simulare la gametogenesi (meiosi). Tenendo presente che l‟allele dominante P si trova su di un cromosoma e l‟allele recessivo p sul suo omologo e che durante la meiosi gli omologhi si separano ordinatamente a metà, avremo metà gameti che contengono l‟allele dominanti e metà l‟allele recessivo. In termini di probabilità potremo dire che ogni individuo eterozigote che partecipa all‟incrocio ha una probabilità del 50% (0,5) di produrre gameti con l‟allele dominante e del 50% (0,5) di produrre gameti con l‟allele recessivo (si ricordi che la probabilità è teorica. Le frequenze con cui si generano realmente i gameti possono essere diverse, ad esempio per problemi di sopravvivenza degli stessi). Una volta creati i gameti, li sistemiamo ai due lati del quadrato di Punnett con le loro probabilità. Da un lato i gameti maschili (♂) e dall‟altro i gameti femminili (♀). Ora costruiamo all‟interno del quadrato tutte le 4 possibili combinazioni di gameti maschili e femminili. Questi sono i 4 genotipi che possono prodursi dall‟incrocio. Ognuno di essi avrà una probabilità di formarsi del 25% (0,5 x 0,5 = 0,25)
Dall‟incrocio di due ibridi si possono formare dunque un 25% di omozigoti dominanti (PP), un 50% di eterozigoti (Pp) ed un 25 % di omozigoti recessivi (pp). Si noti come, essendo gli omozigoti dominanti e gli eterozigoti fenotipicamente uguali, l‟incrocio produce un 75% di individui fenotipicamente dominanti ed un 25% di individui recessivi. Lo stesso risultato ottenuto sperimentalmente da Mendel. I risultati di questa seconda serie di incroci possono dunque essere riassunti in termini moderni nella legge della segregazione o legge della disgiunzione : l’incrocio tra due eterozigoti (ibridi) genera una generazione F 2 costituita da un 25% di omozigoti recessivi, da un 50% di eterozigoti e da un 25% di omozigoti dominanti. Il rapporto fenotipico dominanti/recessivi è 3: F 1 Ibrido x Ibrido
F 2 75% dominanti 25% recessivi
Il reincrocio fu utilizzato da Mendel per determinare la percentuale di omozigoti dominanti e di eterozigoti che costituivano il 75% di individui fenotipicamente dominanti che si presentavano in F 2 dall‟incrocio di due ibridi. Se, ad esempio, effettuiamo un reincrocio del 75% di individui dominanti a fiori violetti (una popolazione che sappiamo formata per 2/3 (il 50% di 75%) da eterozigoti Pp ed 1/3 (il 25% di 75%) da omozigoti dominanti PP) con una popolazione recessiva a fiori bianchi, otteniamo tipicamente 1/3 di individui a fiori bianchi (la metà degli eterozigoti presenti nella popolazione da testare).
1.39.5 Segregazione ed assortimento indipendente (legge dell’indipendenza)
Quando ebbe chiarito come avveniva la trasmissione di un singolo carattere, Mendel studiò la trasmissione di due caratteri alla volta, sempre effettuando incroci controllati e registrando tutti i risultati ottenuti. Mendel eseguì un incrocio tra piante di linee pure che differivano contemporaneamente per due caratteri, per esempio forma e colore del seme (una linea pura a seme giallo e liscio ed una linea pura a seme verde e rugoso). Si trattava di capire se i due caratteri venivano sempre ereditati insieme o se potevano essere trasmessi indipendentemente uno dall‟altro. In altre parole, una pianta che presenta i semi gialli dovrà necessariamente ereditare anche il carattere „seme liscio‟ o potrà presentare anche il carattere „seme rugoso‟?
La generazione F 1 risultò costituita esclusivamente da individui ibridi ( diibridi ) sia per la forma che per il colore del seme, con semi gialli e lisci. Questo risultato permetteva solo di affermare che la forma liscia è dominante sulla forma rugosa così come il colore giallo è dominante sul colore verde. Effettuata l'autofecondazione di questi ibridi Mendel ottenne una generazione F 2 in cui erano presenti quattro tipi di semi nel rapporto di 9:3:3:1 e precisamente: semi gialli e lisci (9), semi verdi e lisci (3), semi gialli e rugosi (3), semi verdi e rugosi (1).
La comparsa di combinazioni fenotipiche nuove (ricombinanti), non presenti nella generazione parentale (verdi-lisci e gialli-rugosi), con caratteri scambiati, permise a Mendel di affermare che le coppie di caratteri sono indipendenti e la trasmissione ad un discendente di uno o l'altro degli alleli di un carattere non influenza la probabilità di trasmettergli uno o l'altro degli alleli per l'altro carattere.
I risultati di questi incroci vengono solitamente sintetizzati nella legge dell’indipendenza dei caratteri o legge dell’assortimento indipendente : L’incrocio tra due linee pure che differiscono per due caratteri produce una generazione F1 di ibridi per entrambi i caratteri che, incrociati danno una generazione F2 in cui sono presenti tutte le combinazioni fenotipiche nella proporzione 9 D/D : 3 D/R : 3 R/D : 1 R/R (D = fenotipo dominante; R = fenotipo recessivo).
In effetti i due caratteri vengono trasmessi come fossero due cararatteri singoli e obbediscono pertanto alla seconda legge di Mendel (legge della segregazione). Per ognuno di essi ritroviamo infatti una distribuzione 3:1 (75% di dominanti e 25% di recessivi) tipica dell‟incrocio di un monoibridi. La distribuzione 9:3:3:1 di un di ibrido nasconde due distribuzioni 3:1 di due monoibridi. Infatti se prendiamo in considerazione il primo carattere (colore del seme), su 16 individui, 12 sono dominanti (gialli) e 4 sono recessivi (verdi), con un rapporto fenotipico di 12:4 = 3:1. Se invece prendiamo in considerazione il secondo carattere (forma del seme), su 16 individui, 12 sono dominanti (lisci) e 4 sono recessivi (rugosi), con un rapporto fenotipico di 12:4 = 3:
Vediamo ora cosa ci saremmo dovuti attendere se i due caratteri fossero stati associati, se fossero stati cioè ospitati sulla medesima coppia di omologhi. In questo caso, per un generico diibrido AaBb, si sarebbero potuti formare solo due tipi di gameti (e non 4 come nel caso di caratteri indipendenti). I due caratteri si sarebbero comportati come un unico carattere, generando una distribuizione 3:1, con il 75% di individui dominanti (di cui il 50% di eterozigoti
AaBb per entrambi i caratteri ed il 25% di omozigoti dominanti AABB per entrambi i caratteri) ed il 25% recessivi. Non sarebbero ovviamente comparsi i fenotipi con i caratteri scambiati (D/R e R/D) tipici dei caratteri indipendenti.
E‟ possibile verificare se due caratteri sono indipendenti o associati anche reincrociando i diibridi F 1 con individui omozigoti recessivi per entrambi i caratteri.
se i caratteri sono indipendenti il diibrido genera 4 tipi di gameti con egual probabilità (1/4) e dal reincrocio si ottengono sia le combinazioni fenotipiche parentali (D/D e R/R) che quelle ricombinanti (D/R e R/D) con egual probabilità (25% ciascuna)
se i caratteri sono associati il diibrido genera solo 2 tipi di gameti con egual probabilità (1/2) e dal reincrocio si ottengono solo le combinazioni fenotipiche parentali (50% D/D e 50% R/R)
solo se i geni sono posti su coppie differenti di cromosomi omologhi. Se i due geni si trovano invece sulla stessa coppia di omologhi i loro alleli, in prima approssimazione, non possono segregare in modo indipendente. I geni che tendono a rimanere insieme, perché posti sulla stessa coppia di omologhi, si dicono appartenenti allo stesso gruppo di associazione. Il numero dei gruppi di associazione corrisponde al numero delle coppie di cromosomi omologhi. Morgan e il suo gruppo scoprirono tuttavia che tale associazione è raramente assoluta. Le combinazioni di caratteri presenti nei genitori possono, infatti, rimescolarsi nella discendenza.
In uno dei suoi esperimenti Morgan incrociò una linea pura selvatica a Corpo grigio ed ali normali con una linea pura mutante a corpo nero ed ali atrofiche (o vestigiali). In F 1 ottenne tutti ibridi a corpo grigio ed ali normali. Il colore grigio (allele G) è dominante sul colore nero (allele g) , le ali normali (allele N) sono dominanti sulle ali atrofiche (allele n). Successivamente Morgan reincrociò i diibridi F 1 con individui recessivi a corpo nero ed ali atrofiche. Ricordiamo che in questo caso i due caratteri sono associati se si ottiene una progenie con solo i fenotipi parentali (D/D e R/R) in egual proporzione, mentre i due caratteri sono indipendenti se oltre ai fenotipi parentali si ottengono in egual proporzione anche i fenotipi ricombinanti (D/R e R/D).
In F 2 Morgan ottenne invece una situazione intermedia rispetto a quelle attese. Ottenne infatti tutte le combinazioni fenotipiche (D/D, D/R, R/D, R/R), ma non nella proporzione 1:1:1: tipica dei caratteri indipendenti. Ottenne infatti l‟80% circa di individui con fenotipo parentale (D/D e R/R) ed il 20% circa di individui con fenotipo ricombinante (D/R e R/D).
Morgan ipotizzò correttamente che i due caratteri fossero associati, ma che durante la meiosi avvenisse uno scambio fisico di materiale genetico tra le coppie di cromosomi omologhi, chiamato crossing-over (quando avviene, il crossing-over può essere osservato al microscopio, perché i cromosomi omologhi appaiati sono congiunti e assumono una struttura a X con formazione di chiasmi).
1.40.1 Mappe cromosomiche
Morgan notò infine che prendendo in considerazione diverse coppie di caratteri associati, la percentuale di individui ricombinanti è diversa per ogni coppia di caratteri, ma caratteristica e costante per ciascuna coppia. Egli giustificò il fenomeno ipotizzando che il crossing-over sia un evento casuale che può avvenire con la stessa probabilità in un punto qualsiasi, lungo tutta la lunghezza del cromosoma. Di conseguenza la frequenza della ricombinazione tra due geni dipende dalla loro distanza sul cromosoma. Se i geni sono relativamente lontani vi è una maggior probabilità che il crossing-over interessi il tratto di cromosoma che li separa ed i gameti ricombinanti saranno di conseguenza frequenti, mentre se i geni sono più vicini è meno probabile che il crossing-over interessi il breve tratto di cromosoma che li separa ed i gameti ricombinanti saranno rari.
Dalla frequenza di ricombinazione tra due o più geni diversi, misurata in esperimenti di incrocio opportunamente progettati, è possibile dedurre quindi la distanza che intercorre tra loro su ciascun cromosoma e costruire così delle mappe cromosomiche o mappe genetiche. Il posto di un carattere nella mappa genetica si chiama locus (plur. loci).
La distanza tra due geni associati si misura in Unità di mappa o centimorgan (cM). Per definizione due geni associati distano 1 cM quando si genera 1 gamete ricombinante ogni 100 gameti (1 ogni 25 meiosi). Normalmente si usa far coincidere la distanza in centimorgan con la percentuale di ricombinazione (1 cM = 1% di ricombinazione). La distanza di mappa è quindi uguale alla frequenza di ricombinazione scritta come percentuale. Le percentuali di ricombinazione possono essere utilizzate per individuare le posizioni relative dei geni all‟interno dei cromosomi. Così se il gene A e B presentano una frequenza di ricombinazione del 5% (5 unità di mappa), il gene B e C del 3% (3 unità di mappa) ed il gene A e C dell‟8% (8 unità di mappa), è evidente che il gene B si trova tra A e C.
1.41 Determinazione genetica del sesso
Nella specie umana esistono 23 coppie di cromosomi. 22 sono formate da cromosomi uguali ( autosomi ) e una coppia dai cromosomi sessuali. Le femmine possiedono due cromosomi sessuali uguali (due cromosomi X), mentre i maschi hanno due cromosomi sessuali diversi (un cromosoma X ed un cromosoma Y). Possiamo dunque indicare i due sessi come XX (femmina) e XY (maschio). Nella cavalletta e in altri insetti non c‟è il cromosoma Y. In questo caso le femmine sono XX e i maschi X0 dove 0 indica l‟assenza di un cromosoma. Nelle specie in cui il maschio è XY o X0 il sesso maschile è detto eterogametico mentre il sesso femminile è detto omogametico. Non in tutte le specie, tuttavia, il sesso maschile è eterogametico e il femminile omogametico. Negli uccelli e nelle farfalle il sesso eterogametico è quello femminile.
Al momento della formazione dei gameti la coppia di cromosomi sessuali si separa e in ciascun gamete va un solo cromosoma.
Nella specie umana, le femmine producono solo gameti contenenti un cromosoma X, mentre i maschi producono il 50% di gameti con il cromosoma X ed il 50% con il cromosoma Y. Il sesso viene determinato dai gameti maschili, in quanto solo questi hanno i due cromosomi sessuali diversi ( X e Y ) Il sesso di un individuo dipenderà allora da quale dei due cromosomi sessuali è contenuto nello spermatozoo al momento della fecondazione. L‟unione di un uovo, che contiene sempre un cromosoma X con uno spermatozoo con cromosoma X produrrà uno zigote dal quale si svilupperà un individuo di sesso femminile. L‟unione di un uovo con no spermatozoo con cromosoma Y produrrà uno zigote XY dal quale si svilupperà un individuo di sesso maschile. L‟ eredità del sesso, nell‟ uomo, si comporta, quindi, come un classico carattere mendeliano, per cui la probabilità di ottenere maschi o femmine si può calcolare con un quadrato di Punnett ed è del 50%.
In realtà le cose vanno un po‟ diversamente. Analisi condotte su alcune popolazioni umane hanno rivelato che alla nascita è presente una eccedenza di maschi (105/106 maschi ogni 100 femmine). L‟ origine di tale sproporzione non è nota, tuttavia questo “vantaggio” viene poi riassorbito per la più alta mortalità che colpisce il sesso maschile. Il primo punto critico per i maschi è tra i 15 e i 25 anni, quando lavoro, sport e spostamenti sulle strade provocano numerosi incidenti mortali che riducono il vantaggio iniziale. Un secondo punto critico si ha tra i 50 e i 60 anni perché sia i tumori, sia le malattie dell‟ apparato cardiovascolare sono più frequenti nei maschi che nelle femmine. Di fatto, il traguardo dei 60 anni viene raggiunto dall‟ 82,9% dei maschi contro il 91,5% delle femmine.
1.42 Eredità legata al sesso
Nell‟uomo molti caratteri non sessuali (che non determinano il sesso dell‟individuo e le sue caratteristiche sessuali) sono controllati da geni localizzati sui cromosomi sessuali. Tali caratteri si dicono caratteri legati al sesso (sex linked). Il cromosoma Y è approssimativamente lungo un terzo del cromosoma X quindi la maggior parte dei geni del cromosoma X non hanno il loro corrispondente nel cromosoma Y. Si stima che il cromosoma Y contenga una trentina di geni contro i 1000-1500 del cromosoma X. Le estremità di entrambi i cromosomi sono le uniche che si appaiano durante la meiosi e che possono ricombinarsi subendo il crossing-over. Tali brevi tratti sono detti regioni pseudoautosomiche o PAR (pseudoautosomal region). La regione mediana del cromosoma X è detta porzione non-pseudoautosomica X (NPX non-pseudoautosomal portion X), mentre la porzione intermedia del cromosoma Y è detta porzione maschiospecifica Y (MSY malespecific portion Y).
Queste due porzioni non subiscono ricombinazioni durante la meiosi e contengono alcuni alleli che non hanno il loro corrispondente nell‟altro cromosoma. I caratteri portati nel cromosoma X che non trovano l‟equivalente nel cromosoma Y sono detti X-linked. I caratteri portati nel cromosoma Y che non trovano l‟equivalente nel cromosoma X sono detti Y-linked. Si tratta in entrambi i casi di caratteri non sessuali, noti come caratteri legati al sesso o sex-linked, portati in forma aploide e per questo detti anche caratteri emizigoti. I caratteri Y-linked sono molto rari (il cromosoma Y è piccolo e porta pochi caratteri). Più importante è l‟eredità X-linked, anche perché tra i caratteri X-linked ve ne sono alcuni responsabili di importanti malattie ereditarie. Nella specie umana si conoscono, attualmente, circa 20 geni posti sul cromosoma X ed assenti nel cromosoma Y, responsabili di alterazioni legate al sesso, tra cui le più note sono il daltonismo e l‟ emofilia.
Il daltonismo consiste nell‟ incapacità di distinguere alcuni colori (tipicamente rosso e verde). Il termine daltonismo deriva dal nome del chimico e fisico inglese John Dalton, che studiò su se stesso questo difetto. L‟ emofilia è un insieme di gravi anomalie responsabili di un forte ritardo nella coagulazione del sangue che provocano una relativa facilità alle emorragie, spesso inarrestabili. Anche una lieve ferita cutanea può così risultare fatale all‟emofiliaco. Entrambi questi difetti genetici sono portati da un allele recessivo che si trova solo sul cromosoma X. Nelle femmine l'effetto recessivo di un allele X-linked portatore di difetti genetici può essere mascherato dall'allele dominante sano situato sull'altro cromosoma X. Nei maschi, invece, gli alleli X-linked recessivi possono manifestare i loro effetti perché non è presente un altro cromosoma X con geni dominanti che li mascherino e sul cromosoma Y manca l‟allele.
Queste malattie si manifestano quindi quasi esclusivamente nei maschi, mentre le femmine sono in genere portatrici sane (eterozigoti). Vedremo che la tipica trasmissione ereditaria di queste malattie genetiche è per via materna, da madre portatrice sana a figlio maschio. I maschi malati generano invece femmine portatrici sane che a loro volta possono generare maschi malati con una trasmissione a “zigzag” tipica dei caratteri X-linked.
Prendiamo ad esempio l‟emofilia causata da un gene recessivo (e) legato al sesso e portato dal cromosoma X (con E allele dominante sano). Una femmina può presentare tre genotipi:
