Le caratteristiche di un individuo dipendono dal patrimonio genetico ereditato dai suoi genitori. La trasmissione di questo patrimonio segue precise leggi biologiche, formulate alla fine dell’Ottocento. Queste leggi fondamentali costituiscono il pilastro della genetica e spiegano come i tratti vengono passati di generazione in generazione.
Il Padre della Genetica: Gregor Mendel e i Suoi Esperimenti Rivoluzionari
Gregor Mendel, il padre della genetica, era un monaco con uno spiccato interesse per la scienza. Nato in una cittadina dell’odierna Repubblica Ceca, visse nel monastero di Brno dove creò un orto sperimentale per studiare gli incroci delle piante. L’oggetto dei suoi studi erano le piante di pisello (Pisum sativum), di cui esistevano molte varietà e che erano assai facili da coltivare e incrociare. Mendel utilizzava un pennellino per trasferire il polline da una pianta a un’altra e poi osservava il risultato dell’impollinazione. Egli identificò sette caratteristiche che distinguevano le sue piante, ognuna delle quali presentava due possibili alternative. Esempi di queste caratteristiche includono la forma del baccello (gonfio o sgonfio), il colore del fiore (porpora o bianco), la forma del seme (liscia o rugosa) e il colore del seme (giallo o verde). Le caratteristiche osservabili di una pianta o un animale oggi sono chiamate caratteri, e la forma particolare di un carattere è detta tratto.
Incrociando le piante, Mendel notò che alcuni tratti si ripresentavano nella generazione successiva, mentre altri no, per poi eventualmente ricomparire in generazioni successive. Dopo otto anni di lavoro e centinaia di incroci condotti in modo rigoroso, Mendel analizzò i risultati dei suoi esperimenti ed elaborò i principi dell’ereditarietà che presentò al pubblico nel 1865. Il lavoro di Mendel non fu subito pienamente compreso e apprezzato, ma quando, all’inizio del Novecento, furono scoperti i cromosomi e la meiosi, i genetisti trovarono una spiegazione per le teorie del monaco ceco, confermandone la validità.
Dalle Osservazioni di Mendel alla Biologia Molecolare: Geni, Alleli e Cromosomi
Le caratteristiche dei piselli studiate da Mendel dipendono da geni presenti sui cromosomi. Anche nella pianta del pisello, come nell’uomo, il DNA (acido desossiribonucleico, una grande molecola composta da nucleotidi a cui è affidata la codificazione delle informazioni genetiche; costituisce la sostanza fondamentale del gene ed è responsabile della trasmissione dei caratteri ereditari) è organizzato in coppie di cromosomi omologhi: 7 coppie, 14 cromosomi in tutto (mentre nell’uomo i cromosomi sono 46, 22 cromosomi omologhi più due cromosomi sessuali). Uno stesso gene (porzione di DNA che contiene le informazioni per produrre una o più proteine; è l'unità fisica e funzionale del materiale ereditario che è trasmesso dai genitori ai figli. Nei tumori alcuni geni possono essere mutati, provocando la malattia o predisporre al rischio di malattia) può esistere in più varianti la cui sequenza differisce leggermente; ognuna di queste varianti è chiamata allele. Gli alleli di un gene si trovano in posizioni identiche (loci) sui cromosomi omologhi: ciò vuole dire che in un individuo ogni gene è presente in duplice copia e che queste copie possono essere identiche o diverse.
Per un dato carattere il genotipo è omozigote se gli alleli sono identici ed eterozigote se gli alleli sono diversi. Un allele è definito dominante se il fenotipo corrispondente si manifesta sia se il genotipo è omozigote sia se è eterozigote; è definito recessivo se il fenotipo si manifesta solo se il genotipo è omozigote. Per rappresentare questi concetti si usano le lettere dell’alfabeto: l’allele viene indicato con una lettera, maiuscola se è un allele dominante, minuscola se è un allele recessivo. Per chiarire, con AA si intende che un individuo è omozigote per l’allele dominante; se si scrive aa, è omozigote per l’allele recessivo; se il genotipo è Aa, allora l’individuo è eterozigote.
Tornando agli esperimenti di Mendel, il fiore della pianta di pisello può essere porpora (P) o bianco (p). Poiché il colore bianco è un carattere recessivo, la pianta avrà fiori bianchi solo se avrà genotipo pp; negli altri casi (genotipo PP o Pp) i fiori saranno viola. Fiori porpora e fiori bianchi sono due diversi fenotipi che risultano da tre possibili genotipi (PP, Pp e pp).
La Riproduzione Sessuata e la Meiosi: Fondamenti della Variazione Ereditaria
Nella riproduzione sessuata, il nuovo individuo ha origine dalla fusione di due gameti, uno maschile e uno femminile. I gameti vengono generati mediante un processo di divisione cellulare chiamato meiosi e sono cellule aploidi, cioè contengono soltanto una copia di ogni cromosoma omologo. Quando si fondono i gameti (fecondazione) si ripristina il numero completo di cromosomi.
Durante la meiosi avviene un evento importante: la ricombinazione genetica. Con la ricombinazione, porzioni di cromosomi omologhi vengono scambiate tra loro (crossing-over), perciò ogni gamete presenta un assortimento di alleli diverso da quello dei cromosomi parentali. Questo processo è cruciale per la variabilità genetica all'interno di una specie.
La Meiosi
Le Leggi di Mendel: Dominanza, Segregazione e Assortimento Indipendente
Mendel enunciò tre leggi fondamentali che regolano l'ereditarietà dei caratteri, sebbene non le abbia formalmente chiamate "leggi" con la stessa denominazione che usiamo oggi.
La Prima Legge di Mendel: La Legge della Dominanza dei Caratteri (o dell'Uniformità degli Ibridi)
Mendel notò che quando incrociava due varietà di piselli che differivano per un carattere, per esempio una con semi lisci e l’altra con semi rugosi, gli ibridi della prima generazione (F1) avevano tutti i semi lisci. La “Legge della dominanza dei caratteri” dice che incrociando tra loro individui che differiscono per un solo carattere, si ottengono alla prima generazione individui che manifestano tutti lo stesso tratto.
Mendel prese due piante di piselli (che chiamò capostipiti) entrambe di razza pura, l'una a semi gialli, l'altra verdi e utilizzò il polline dell'una per fecondare l'altra. Da questo incrocio derivò una prima generazione di piselli di piante ibride, cioè non più di razza pura; tutte le piante produssero piselli a seme giallo, nessuna mostrò il carattere seme verde. Il carattere giallo, in altre parole, dominava il verde; il giallo risultava cioè dominante, il verde, mascherato, recessivo.
Vi è anche un caso particolare, quando si ha una dominanza incompleta e la prima generazione mostra un carattere intermedio tra quello paterno e quello materno; ma anche in questo caso gli ibridi saranno uguali tra loro. Un esempio è il fiore della bella di notte (Mirabilis jalapa) che mostra un fenotipo a dominanza incompleta, dove incrociando un fiore rosso con uno bianco si ottengono fiori rosa nella F1.
La Seconda Legge di Mendel: La Legge della Segregazione
Mendel osservò poi che quando incrociava tra loro gli ibridi della generazione F1, ricomparivano i tratti scomparsi: le piante della generazione F2 presentavano semi lisci e semi rugosi in proporzione prossima al rapporto 3:1. La “Legge della segregazione” dice che, alla seconda generazione, ottenuta incrociando tra loro gli ibridi della prima, si ottengono 3/4 degli individui con un tratto e 1/4 con l’altro tratto. Ciò dipende dal fatto che gli alleli che controllano un determinato carattere si separano (segregano) e vengono trasmessi a gameti diversi.
Analizzando il genotipo si osserva che gli individui con il carattere dominante hanno per 1/3 genotipo omozigote e per 2/3 un genotipo eterozigote. Detto con altre parole, se i genitori hanno entrambi il genotipo Aa, il 25% dei figli ha genotipo AA, il 25% genotipo Aa, il 25% genotipo aA (i due genotipi Aa e aA sono identici) e il 25% genotipo aa. Il quadrato di Punnett è uno strumento utile per visualizzare queste probabilità.
I due alleli di ogni caratteristica si separano durante la riproduzione dei gameti. Questo significa che ogni gamete contiene un solo allele per ciascun gene. Se si incrociano nuovamente due individui della prima generazione, detti anche generazione parentale o genitori (che ora sappiamo essere eterozigoti), il monaco notò che si presentava nuovamente il carattere recessivo (nell'esempio il colore dei fiori bianco), in rapporto 3:1.
Mendel diede una spiegazione dei fenomeni brillante e geniale; egli presuppose che unitamente ai gameti venissero trasmessi dei fattori, preposti allo sviluppo dei caratteri; pensò che in ogni organismo un dato carattere sia regolato da due fattori, uno trasmesso dalla madre e uno dal padre, e che questi due fattori siano uguali negli individui di razza pura, diversi negli ibridi e che infine nei gameti sia contenuto sempre un solo fattore. Mendel indicò i due fattori dei caratteri antagonisti con lettere dell'alfabeto, maiuscole per il dominante, minuscole per il recessivo; e poiché ogni genitore ha una coppia di fattori indicò per es. con AA il pisello che porta il carattere dominante giallo, con aa quello che porta il carattere recessivo verde. L'ibrido, che riceve A da un genitore e a dall'altro sarà Aa.
Si può qui far notare che dall'aspetto di un individuo non si può sempre sapere se esso appartiene a razza pura o se sia ibrido; occorre invece l'esame del suo comportamento negli incroci e reincroci. Apparentemente infatti i piselli gialli di razza pura e quelli ibridi sono identici; si sa però che è diversa la loro composizione genetica, l'uno essendo AA e l'altro Aa. Mentre incrociando tra loro piselli gialli di razza pura (AA) si avranno sempre e solo piselli a semi gialli, incrociando tra loro piselli gialli o semigialli ma ibridi (Aa) si vedranno apparire nella loro discendenza anche piante a semi verdi. I piselli gialli Aa, pur essendo identici, sono differenti genotipicamente, cioè nella loro composizione genetica.
Se pensiamo (per semplificazione provvisoria) che un certo fattore sia localizzato su una singola coppia di cromosomi, vediamo che nell'organismo eucariote (diploide) i fattori sono presenti in coppie, e solo nei gameti (aploidi) si ha un fattore singolo. I fattori alternativi che determinano il carattere nell'individuo si chiamano alleli. Gli alleli per un certo carattere possono essere anche più di due.
Nell'incrocio mendeliano, giallo X verde dà tutti gialli; due qualsiasi di questi ultimi, incrociati fra loro, danno un verde ogni tre gialli. I gialli e i verdi della generazione P sono tutti omozigoti (come accertato con una lunga selezione). Ognuno di essi dà gameti sempre uguali, per cui altrettanto eguali sono i loro figli, tutti eterozigoti. Poiché giallo è dominante su verde, gli eterozigoti sono tutti gialli (F1). Incrociando però fra loro due di questi eterozigoti, vediamo che ognuno può dare l'uno o l'altro tipo di gameti con eguale probabilità. Anche l'unione dei gameti negli zigoti ha la stessa probabilità (salvo casi particolari), per cui si formano con eguale probabilità, nella F2, zigoti dei quattro tipi possibili: GG = omozigote, giallo; Gg = eterozigote, giallo; gG = eterozigote, giallo; gg = omozigote, verde. Gialli e verdi sono dunque in un rapporto di 3:1 nella F2, in quanto il giallo si manifesta comunque purché sia presente, mentre il verde si manifesta solo in assenza di giallo.
Per comprendere meglio il fenomeno dal punto di vista della biologia molecolare, basti ipotizzare che una determinata sostanza di base, verde, non viene modificata dall'enzima prodotto dall'allele g, mentre l'allele G produce un enzima che converte il pigmento verde in pigmento giallo. Se non è presente l'allele G su nessuno dei due cromosomi omologhi che portano quel gene, i piselli rimangono verdi.
Il fatto che i piselli gialli possano essere caratterizzati da due diverse strutture genetiche, l'omozigote GG e l'eterozigote Gg, ci dà l'occasione per definire il fenotipo e il genotipo. Si chiama fenotipo la manifestazione esterna dell'organismo dei caratteri genetici (ciò che vediamo), più o meno modificati dalle influenze ambientali. Si chiama invece genotipo l'insieme dei soli caratteri genetici, che possono essere manifestati o no nel fenotipo. I piselli gialli della F2 hanno eguale fenotipo ma genotipo variabile. Invece, ad esempio, nei piselli verdi il genotipo ed il fenotipo sono reciprocamente invariabili. Come vedremo, la comparsa di uno solo dei caratteri parentali nella F1, e la comparsa di entrambi i caratteri in un rapporto 3: 1 nella F2, sono fenomeni di carattere generale che fanno oggetto rispettivamente della 1a e della 2a legge di Mendel. Se si effettua un qualsiasi altro incrocio del genere, lo schema mendeliano si ripete; ad esempio, incrociando piselli a seme rugoso e a seme liscio, in cui l'allele liscio è dominante, avremo LL X ll nella P, tutti Ll (eterozigoti, lisci) nella F1, e tre lisci per ogni rugoso nella F2 (25 % LL, 50 % Ll, 25 % ll).
La Terza Legge di Mendel: La Legge dell'Assortimento Indipendente
Mendel prese poi in considerazione una situazione più complessa, in cui erano implicati due caratteri diversi, come poteva essere l’incrocio dei piselli gialli a semi lisci con i piselli verdi a semi rugosi. Dalle sue osservazioni Mendel concluse che incrociando individui che differiscono tra loro per due o più caratteri, i caratteri possono combinarsi indipendentemente l’uno dall’altro in tutti i modi possibili. Questa legge è detta “Legge dell’assortimento indipendente”. La spiegazione sta nel fatto che ogni coppia di alleli viene ereditata in maniera del tutto indipendente dall’altra, si hanno così tutte le possibili combinazioni degli alleli. È evidente che due caratteri che erano insieme nella prima generazione segregano indipendentemente l'uno dall'altro nella terza. Ogni coppia di cromosomi omologhi segrega, indipendentemente dall'altra, nella meiosi. Ed è questo ciò che stabilisce la 3a legge di Mendel.
La Meiosi
Queste tre leggi, anche se non furono propriamente formulate come tali da Mendel, sono riconosciute come il fondamento della genetica degli eucarioti. La variazione dei caratteri ereditari è dovuta alla presenza di versioni alternative di un gene. Per ogni caratteristica un organismo eredita due alleli, uno da ogni genitore, attraverso i gameti. Se i due alleli differiscono, allora uno, quello che esprime il carattere dominante, è espresso pienamente nell'aspetto dell'organismo (detto fenotipo), mentre l'altro, l'allele che codifica il carattere recessivo, non ha effetti rilevabili sull'aspetto dell'organismo (legge della dominanza). In altre parole, il fenotipo dell'organismo mostra solo il tratto dominante. Questo porta i tratti recessivi ad essere trasmessi alle generazioni discendenti anche se non espressi. Non tutti i tratti hanno una relazione dominante-recessivo, come visto nel caso della dominanza incompleta.