GENETICA

L’ereditarietà dei caratteri

Tanti “perché”

• Perché organismi di una specie producono esseri della stessa specie?

• Perché i fratelli, pur nati dagli stessi genitori , sono diversi tra loro?

Dove sono localizzati i caratteri ereditari?Con quale modalità si trasmettono?Cos’è il codice genetico?Le malattie geneticheL’ingegneria genetica

Dove sono i caratteri ereditari

I caratteri di un individuo sono determinati da istruzioni poste all’interno di ogni cellula (nucleo), sui cromosomi, e precisamente su un loro componente, il DNA

Dinosauri, ambra e DNA

In Jurassic Park il DNA di un dinosauro, vissuto 60 milioni di anni fa, veniva innestato in embrioni, da cui nascevano piccoli di dinosauro

I cromosomi

• Cromosomi umani (maschio)• Walther Flemming (1843-1905)• 46: uomo, cervo abbaiante• 48: gorilla, formica dei boschi• 38: gatto• I cromosomi sono raggruppabili

a due a due, detti omologhi (23 coppie nell’uomo)

I cromatidi

I cromosomi appaiono spesso costituiti da due cromatidi uniti in corrrispondenza del centromero.

I cromatidi sono assolutamente identici fra loro

rappresentano ciascuno una doppia elica di DNA

GENI

Nel cromosoma si riconoscono tante porzioni, i geni.

L’insieme dei geni di un individuo è detto genotipo

Cromosomi omologhi

I geni, situati allo stesso livello su cromosomi omologhi, agiscono sullo stesso carattere

Alcuni caratteri dell’uomo

carattereallele

dominanteallele

recessivo

Capelli (colore) neri biondi

Capelli (forma) ricci lisci

Occhi (colore) scuro azzurro

Orecchio (lobo) staccato attaccato

Mano (uso) destra sinistra

Gruppo sanguigno

A, B 0

Caratteri dominanti e recessivi

Omozigoti ed eterozigoti

• Individui che presentano per un certo carattere gli stessi alleli sono detto omozigoti (puri), altrimenti eterozigoti (ibridi)

• L’insieme delle caratteristiche visibili viene definito fenotipo

Es.: individui che hanno, per il carattere gruppo sanguigno, genotipo A0 (A su un cromosoma, 0 sull’omologo) e AA presentano lo stesso fenotipo (gruppo A)

23 cromosomi dal padre23 cromosomi dalla madre

Nella meiosi i cromosomi omologhi si separano, per cui i gameti contengono solo 23 cromosomi.

Nello zigote si ricompone il numero dei cromosomi caratteristico della specie

Maschio o femmina(Morgan 1926)

22 coppie di autosomi1 coppia di cromosomi sessuali (XX femmina, XY maschio)

La trasmissione dei caratteri ereditari (Mendel)

Prima legge: i figli di genitori di due diverse linee pure sono tutti ibridi con carattere dominante

Seconda legge: il carattere recessivo ricompare nella seconda generazione nel rapporto 1 . 3

Un esempio applicato all’uomoi gruppi sanguigni

• Il gruppo sanguigno (A, B, AB, 0) viene ereditato dai genitori

• Gli alleli in gioco sono tre A, B, 0

• Gli alleli A e B sono codominanti, 0 è recessivo

genotipo fenotipo %

AA

A0A 42%

BB

B0B 9%

00 0 46%

AB AB 3%

Madre AB, padre 0

• I gameti materni possono avere l’allele A o B

• I gameti paterni possono avere solo l’allele A

• Possono nascere figli A o B con uguale probabilità

gameti 0 0

A A0 A0

B B0 B0

• La struttura molecolare del DNA fu scoperta da James Watson e Francis Crick nel 1953

• Struttura a doppia elica: due filamenti collegati da basi azotate accoppiate tra loro

• Le basi si legano secondo una regola precisa:– Adenina – Tinina (A-T)– Citosina – Guanina (C-G)

La struttura del DNA

La replicazione del DNA

La replicazione del DNA ha inizio con la separazione delle due eliche.

Ciascuna elica dirige quindi la sintesi di un’elica complementare (secondo i legami obbligati)

Il gene si esprime attraverso la sintesi delle proteine

• Noi siamo fatti di proteine• Sono proteine: l’emoglobina, i pigmenti, gli ormoni, gli

enzimi, …• Un gene esercita la sua influenza sul fenotipo perché è

preposto alla produzione di una proteina• Un gene – una proteina

Il codice genetico

Le proteine sono una sequenza di amminoacidi (20 tipi)Ogni amminoacido è riconosciuto da un gruppo di tre

basi (tripletta o codone)Il codice è universale

Le mutazioni: piccoli cambiamenti del DNA

• Anomalie cromosomiche• Mutazioni geniche:

l’alterazione di una singola tripletta (amminoacido) comporta una proteina alterata

• Mutageni– Sostanze chimiche– Radiazioni– elettromagnetismo

• Somatiche - germinali

Il genoma umano• 3 miliardi di caratteri (basi)

suddivisi in 46 volumi (cromosomi)

• Il DNA è un filamento lungo 2 metri

• 30.000-40.000 geni• Solo il 3-5% del genoma è formato

da geni (sequenze che codificano proteine)

• Il progetto genoma si prefigge la conoscenza completa del DNA dell’uomo

L’impronta geneticaIl DNA di ciascun individuo è unico

Il DNA può essere ottenuto da fonti diverse (sangue, capelli, saliva,…)

Se ne ricava un profilo unico (tranne che per i gemelli omozigoti)

Tale profilo è riscontrabile, sempre uguale in tutte le cellule di un uomo

Geni e malattie

Aberrazioni cromosomiche

Malattie legate al cromosoma sessuale X

Malattie recessive legate agli autosomi

Anomalie cromosomiche

– Sindrome di Down (trisomia 21)– Sindrome di Turner (mancanza di uno dei due

cromosomi X, cioè X0)– Sindrome di Klinefelter (i maschi hanno due

cromosomi X e uno Y, cioè XXY)

Sindrome di Down

• Trisomia cromosoma 21• 47 cromosomi anziché 46• Non disgiunzione nel corso

della meiosi• Il rischio della trisomia

aumenta con l’aumentare dell’età della madre

• Cure: diagnosi prenatale mediante amniocentesi

Malattie legate al cromosoma sessuale X (recessive)

o Emofilia

o Daltonismo

o Distrofia muscolare di Duchenne

EmofiliaForte ritardo nella coagulazione del sangue, dovuta

all’assenza o alla presenza in quantità insufficiente di una proteina ematica

Cure: trasfusioni di concentrato della proteina mancante

DaltonismoIncapacità di percepire distintamente i colori rosso e verde (John Dalton (1766-1844))Non esistono cure

Distrofia muscolare di Duchenne

La DMD colpisce uno su 3000 maschi (manca la distrofina)

Precoce generazione muscolare (su una sedia a rotelle già a 12 anni)

Il gene è localizzato in Xp21 (2,3 Mb)

Malattie recessive legate agli autosomi

AlbinismoFenilchetonuriaSCIDAnemia falciformeTalassemiaFibrosi cistica

Albinismo

• Mancanza di un enzima per la produzione di melanina

• La pelle color rosa pallido, iridi rossastre e capelli giallo paglierino

• Vulnerabili all’esposizione solare

SCID

• Severe combined immunodeficiency

• Malattia del bambino nella bolla

• Deficit dell’enzima ADA

• Cure: trasfusioni, trapianto di midollo osseo

Fenilchetonuria

Carenza o assenza di un enzima che trasforma la fenilalanina in tirosina

L’accumulo di fenilalanina danneggia gravemente le cellule nervose (ritardo mentale)

Cure: diagnosi prenatale e dieta a basso contenuto di fenilalanina

Anemia falciforme

• È dovuta ad una mutazione puntiforme dell’emoglobina

• Nell’omozigote è assai grave

• Cure: trasfusioni

È la più grave delle malattie anemiche

I globuli rossi hanno una forma a falce e possono ostruire i capillari sanguigni

Talassemia

• Talassemia minor• Morbo di Cooley• Cure: trasfusioni,

trapianto di midollo• Diagnosi prenatale

L’anemia mediterranea è presente nelle aree che sono o sono state interessate dalla malaria

I globuli rossi sono in numero inferiore e più piccoli

Fibrosi cistica

• Disturbi polmonari• Il muco, più vischioso,

invade i bronchi• Il gene responsabile è

sul cromosoma 7• Cure: antibiotico e

drenaggio bronchiale

Malattie autosomiche dominanti

Progressiva degenerazione delle cellule nervose

Presente fin dalla nascita, esplode a 35-45 anni

Corea di Huntington

Terapia genica

• Sostituire i geni malati con quelli sani• Terapia somatica – germinale• Ex vivo: le cellule bersaglio vengono

prelevate dall’organismo, trattate e reintrodotte

• In vivo: si introduce il gene direttamente nelle cellule bersaglio dell’organismo

• Tecniche sperimentali

I successi della terapia genicail caso della SCID

• Prelievo di sangue periferico (linfociti; a vita limitata) e dal midollo osseo (cellule staminali amatopoietiche)

• Coltivazione in vitro assieme a un vettore contenente il gene ADA

• Reinfusione nel paziente

L’ingegneria geneticamodificare il patrimonio genetico di batteri per

produrre proteine umane importanti per la cura di malattie

• Isolamento del gene umano• Costruzione del DNA

ricombinante• Introduzione del DNA

ricombinante nella cellula ospite• Clonazione del gene e

produzione della proteina• Recupero della proteina

I batteri come fabbrica di proteine

La biotecnologia (DNA ricombinante)

Batteri che degradano il petrolio (brevettati)

•Cura della salute: diagnosi e terapia

•Zootecnia e agricoltura: organismi transgenici (qualità, resistenza, …)

•Industria chimica: batteri utili nell’estrazione di metalli

Problemi etici e normativi

• Introduzione di organismi modificati nell’ambiente esterno

• Brevettare la vita (controllo brevettuale della progenie)

• Manipolazione del genoma umano (non a fini esclusivamente terapeutici)