Alla ricerca del tesoro: mappe cromosomiche

Morgan non fu l'unico che nel suo laboratorio portò avanti i risultati della genetica: Muller, suo assistente scoprì che l'esposizione ai raggi X, come altre forme di radiazioni (agenti mutageni), aumentavano la velocità delle mutazioni della drosophila. Più mutazioni si creavano più era interessante fare nuovi esperimenti incrociando moscerini che si diversificavano per più di una caratteristica. Diversamente da quello che aveva formulato nella legge dell'assortimento indipendente, gli alleli di

due geni differenti possono segregare in maniera indipendente solo se i geni sono posti su cromosomi diversi, poichè se gli alleli di due geni differenti sono sullo stesso cromosoma finiranno entrambi sullo stesso gamete (durate la meiosi). I geni che invece restano insieme perchè sono sullo stesso cromosoma e si dicono quindi associati, in quanto appartengono allo stesso gruppo di associazione. 
Bisogna dire che a quei moscerini ne hanno fatte di tutti i colori ma è grazie a loro che si scoprì il crossing over. Si stavano incrociando un moscerino nero e ali corte ed uno marrone con ali lunghe quando due figli avevano caratteristiche "mescolate": uno nero ad ali lunghe e uno marrone ad ali corte, era il frutto di uno scambio di parte dei cromosomi (crossing over). Con la scoperta di questo processo fu più chiaro che i geni debbano essere localizzati in particolari punti, o loci dei cromosomi. Inoltre si potè comprendere benissimo che  gli alleli di ogni gene devono occupare loci corrispondenti su cromosomi omologhi.
La ''mescolanza'' dei geni che si ha con il crossing over ha a che fare con la distanza fisica dei cromosomi, questo fu il pensiero di Sturtevant, pensiero che portò alla costruzione delle prime mappe cromosomiche che, secondo lo scienziato, dovevano avere questi presupposti:

• i geni devono essere disposti in modo lineare sui cromosomi;
• il crossing over deve avvenire più frequentemente tra cromosomi più lontani;
• poteva essere possibile tracciare la sequenza dei geni lungo i cromosomi e determinare la distanza tra essi.

Passiamo a qualcosa di ''più grande'' ossia i cromosomi giganti, scoperti da E.G. Balbiani, vennero trovati qualche anno più tardi anche nelle ghiandole salivari della drosophila caratterizzati da band chiare e scure (vedi figura sopra). Osservando le diverse configurazioni di queste bande i ricercatori riuscirono a capire e a trovare dei punti in cui la struttura dei cromosomi era variata (tramite delezione, duplicazione e traslocazione). Queste bande furono anche la prova che i geni sono disposti in maniera lineare sui cromosomi.

Gossip d'altri tempi

Esistono varie malattie legate ai cromosomi sessuali, nella specie umana le più frequenti sono quelle legate ad X. Un tipico esempio è il daltonismo, la distrofia muscolare di Duchenne o l'emofilia che afflisse anche alcune famiglie reali europee, come quella inglese della regina Vittoria, probabilmente portatrice sana di questa malattia. Leopoldo, suo figlio, morì a soli 31 anni per l'emofilia ed almeno due delle figli erano portatrici sane. Anche il figlio dell'ultimo zar di Russia, Aleksej Romanov (a sinistra), era emofiliaco pensate che i genitori per evitare che si ferisse avevano imbottito tutta la sua stanza con dei piumini, purtroppo egli morì lo stesso non pr la malattia ma durante la Rivoluzione d'ottobre con tutta la famiglia. Oltre a queste malattie esiste anche il favismo (carenza congenita di un enzima presente nei globuli rossi) e la sindrome dell'X fragile. Quest'ultima dopo la sindrome di Down, è la causa più frequente di ritardo mentale nei maschi.

Quel "moscerino" di Morgan

Prima di passare ai fantastici insettini della frutta facciamo un resoconto della situazione.. Gli studi di Mendel furono presi in considerazione solo nel 20° secolo, per primo lo statunitense Sutton che, dai risultati ottenuti sullo studio delle cavallette, scoprì che i cromosomi fossero i portatori fisici dei caratteri genetici di Mendel. 

Alcuni anni dopo la pubblicazione dei risultati di Sutton (a destra), si cambiò insetto prediletto, la drosophila melanogaster (il moscerino della frutta per intenderci) per dimostrare la locazione nei geni sui cromosomi. I cromosomi, negli organismi diploidi sono presenti in coppie e in queste coppie, tranne che in una, sono uguali in entrambi i sessi e sono detti autosomi. Quelli diversi sono i cromosomi sessuali (in molti mammiferi la femmina ha XX e il maschio XY).

Ma passiamo a Morgan (qui sopra a sinistra).. I geni legati ai cromosomi sessuali non sembrano seguire le leggi di Mendel ad accorgersene fu proprio Thomas Hunt Morgan. Anch'egli scelse la mitica drosophila per i suoi studi (perchè si riproduceva più velocemente e perchè ha solo 4 cromosomi), li incrociò similmente a come aveva fatto Mendel con i piselli. Inizialmente i piccoli insetti presentavano i classici occhi rossi, ma un giorno nacque un "piccolo drosophilo" con gli occhi bianchi, incrociandolo con una femmina non malata si potè osservare che la malattia era recessiva e che si presentava solo nei maschi. In seguito ne incrociò un altro (di per certo eterozigote) e ottenne circa una parità di malati tra maschi e femmine. Da questi risultati egli potè capire che la colorazione degli occhi è legata al cromosoma X e doveva essere recessivo.

These's a classic!

Anche se non abbiamo detto tutto, anzi molto poco, su quello che è il mondo microscopico del DNA ed RNA passiamo ad altro, a qualcosa di più classico!..

Chi è lui?! è Gregor Mendel, il padre della genetica, un monaco che si divertì a scoprire qualcosa di assolutamente fantastico grazie ai piselli! .. vediamo un po' più in dettaglio i suoi studi che egli eseguì con rigoroso metodo scientifico...

I suoi esperimenti li fece sulle piante di pisello incrociando per prime due linee pure, cioè piante che conservano da una generazione all'altra sempre gli stessi caratteri, senza che ne compaiano di nuovi. Così ottenne che nella prima generazione F1 i discendenti mostravano un carattere appartenente ad uno solo dei genitori, questo lo chiamò dominante mentre quello non visibile recessivo. Così formulò la prima delle così dette leggi di Mendel:
 "dall'incrocio di due individui che differiscono solo per una coppia di caratteri si ottengono solo individui che mostrano solo il carattere dominante". Successivamente il simpatico monaco incrociò questi organismi. Nella seconda generazione (F2) i caratteri dominanti e recessivi compaiono secondo il rapporto 3:1. Da qui la seconda legge, della segregazione: "ogni individuo ha coppia di fattori per ogni unità ereditaria e i membri di una coppia segregano, si separano, nella formazione dei gameti". Non soddisfatto delle sue scoperte Gregor prese in considerazione incroci con più di un carattere diverso (eterozigoti o dizigoti, cioè 2 alleli diversi) i risultati erano in un rapporto 9:3:3:1. Così Mendel formulò la sua ultima legge, dell'assortimento indipendente: "dall'incrocio di due eterozigoti della generazione F1 si ottiene una F2 in cui i caratteri segregano in maniera del tutto indipendente dando origine a nuove combinazioni in proporzioni definite. 

Questo è il frutto degli esperimenti di Mendel, altri scienziati hanno continuato i suoi studi (anche se solo nel '900 vengono presi in considerazione), e altri ancora hanno scoperto alcune eccezioni alle leggi proposte dal monaco:

• Hugo de Vries, ricondusse gli esperimenti di Mendel utilizzano la rapunzia, ma potè osservare che a volte nei figli comparivano caratteri non presenti nei genitori. Egli ipotizzò che fossero delle mutazioni avvenute a livello dei geni. Un'esempio a una lontana mutazione è la tolleranza al lattosio, poiché questa ha portato a dei vantaggi (come digerire i latticini) si è diffusa e oggigiorno solo pochi non lo digeriscono. 
• A volte le caratteristiche dominanti e recessive non sono così nette come nei caratteri di Mendel.Talvolta infatti alcune caratteristiche sembrano mescolarsi (un fiore rosa dall'incrocio di uno rosso e uno bianco). Questo fenomenno è detto dominanza incompleta. In altri casi si mantengono entrambi i fenotipi ('ciò che si manifesta', è visibile) dei genitori, codominanza (ad esempio il sangue umano di tipo AB).
•  l'eredità poligenica avviene quando sono alleli di diversi geni che insieme influenzano un determinato fenotipo come il colore dell' iride, dei capelli o la statura. Molto più frequentemente si verifica l'esatto opposto, cioè un unico gene influenza più di un fenotipo, in questo caso parliamo di pleiotropia (ad esempio l'anemia falciforme, malattia causata da un allele difettoso incapace di sintetizzare l'emoglobina).
• Per ultima abbiamo l'epistasi, cioè quando un gene, interagendo con un altro, ne"nasconde" gli effetti.

Controlliamo i geni! (procarioti)

Ed ora parliamo di quello che avviene nei procarioti!
Nei procarioti il controllo del processo della sintesi proteica avviene prevalentemente durante la trascrizione. Vediamo come funziona (ovviamente in modo semplificato!): 

• I geni regolatori (fattori di regolazione della trascrizione) si attaccano vicino al promotore (che divide i filamenti a doppia elica) e possono agire in modo positivo (attivatori), permettendo la trascrizione o negativo (repressione), bloccandola. Queste sono regolate a loro volta da  delle molecole effettrici, chiamate corepressori se li attivano o induttori se li trasformano in repressori; 
• i fattori di regolazione hanno due domini (regioni funzionali). Nel primo si lega al DNA,
  mentre nel secondo si attacca la molecola effettrice;
• nei cromosomi dei batteri i geni strutturali compiono un ''lavoro di squadra'', cioè lavorano insieme su un singolo filamento di mRNA. Ognuno ha i propri codoni di avvio e di arresto e ognuno codifica un diverso polipeptide.

''hai sentito della malattia della mucca pazza?'' ''nessun problema, sono un cavallo!''

encefalopatia spungiforme

L'altro giorno in classe abbiamo parlato della malattia di Creutzfeldt-Jacob (MCJ), ovvero il morbo della mucca pazza o encefalopatia spongiforme, e così mi sono incuriosita... La MCJ è una malattia neuro degenerativa che conduce ad una forma di demenza progressiva fatale, è causata (come le altre malattie neuro degenerative di questo ceppo) dal malfunzionamento di una proteina di membrana (il prione) che comporta la progressiva perdita di neuroni. Il cervello si presenta con dei fori, come bucherellato (per questo spongiforme). 
La sindrome clinica è caratterizzata da perdita di memoria, cambiamenti di personalità, allucinazioni, disartria, mioclono, rigidità posturale e convulsioni ed infine causano sempre la morte del malato.

Purtroppo non si sa molto della modalità del contagio. Negli anni '50 si scoprì e si studiò una malattia simile alla MCJ, chiamata kuru. Questa era presente in alcune popolazioni aborigene della Nuova Guinea con.. strani gusti alimentari: era normale mangiare carne umana (di cadaveri), alle donne e i bambini era destinato il cervello mentre agli uomini venivano riservati i muscoli. Gli studiosi ipotizzano che ci sia un collegamento tra il nutrirsi di cervello e il kuru, presente nel 60% di donne e in circa un terzo dei bambini. Vincent Zigas e Carleton Gajdusek (i due principali studiosi della mlattia) presumono che l'origine del kuru sia collegata ad una mutazione della MCJ. Nonostante ciò niente è ancora sicuro..

Per saperne di più qui.
 Informazioni prese anche da un post di Pert.

Altri geni! (strutturali e regolatori)

Nel DNA non esistono solo i geni di cui si è parlato fino ad ora, ovvero quelli codificanti per le proteine. Questi infatti ne costituiscono una parte e sono definiti geni strutturali. 
Altri geni sono i regolatori, questi svolgono un'azione di controllo sui vari processi della cellula in particolar modo la regolazione genica, ovvero permettono una corretta esecuzione del compito dei geni strutturali. In sostanza l'operato di questi geni sempre attivi regola anche lo svolgimento dell'attività di sintesi proteica in tutte le sue fasi, ma in particolar modo durante la trascrizione.
Prima di tutto bisogna chiarire cosa significa regolazione genica. Per regolazione genica si intende la capacità da parte delle cellule di controllare l'espressione dei propri geni e questo consente di regolare il processo di sintesi delle proteine. Ma quale necessità c'è nel ''accendere'' o ''spegnere'' molti dei propri geni?? Innanzitutto per un maggior risparmio di energia: se, ad esempio, il compito di un enzima è la demolizione di uno zucchero che però non è presente, almeno temporaneamente, nella cellula, perchè sprecare energia per proderre tale enzima?
Nei batteri, a volte, sono presenti dei geni strutturali che codificano proteine talmente importanti per tutto l'arco di vita della cellula che quasi non subiscono controlli: sono i cosiddetti geni costitutivi; tranne queste eccezioni, negli organismi non viene mai utilizzato completamente il DNA.

esperimento di Gurdon

Con l'esperimento di J.B. Gurdon si è dimostrato che nelle cellule mature di un individuo mantiene ancora tutto il corredo genico (genoma) che erano presenti nello zigote, ma produce diverse proteine (proteoma). Riassuntivamente, Gordon riusci a clonare una rana impiantando un nucleo prelevato da una cellula intestinale di un girino in una cellula uovo enucleata (priva di nucleo).

Non siamo tutti uguali: mutazioni!

Una mutazione genica è un cambiamento della sequenza o del numero di nucleotidi in un segmento di acido nucleico. Queste avvengono nei gameti, o nelle cellule che li producono, e sono per questo trasmesse alla generazione successiva. Molte mutazioni, tuttavia, coinvolgono un solo nucleotide che può essere aggiunto, tolto o sostituito, sono dette mutazioni puntiformi:

• una mutazione che determina l'inserimento di un amminoacido diverso è detto mutazione  di senso (o missenso, dall'inglese missense);
  
• la mutazione non senso si verifica quando il risultato della sostituzione di un nucleotide è un codone d'arresto. Si provoca così la fine della sintesi della proteina prima che sia stato tradotto l'intero polipeptide;
• un altro tipo di mutazione è la mutazione silente, in tal caso il risultato è il cambiamento di un nucleotide che però non comporta anche il cambiamento dell'amminoacido corrispondente, non si hanno quindi conseguenze per l'individuo;
• altri cambiamenti della proteinapossono derivare dalla perdita (delezione) o dall'aggiunta (inserimento) di nucleotidi in un gene.

Le mutazioni possono essere spontanee (che possono essere corrette dal processo di proofreading) o indotte. Quelle spontanee possono essere causate da:

• errori nella duplicazione del DNA, può causare una mutazione puntiforme;
• prodotti metabolici tossici (ad esempio i radicali liberi) possono alterare la struttura del DNA;
• cambiamenti nella struttura nucleotidica, causando a volte il diverso appaiamento delle basi azotate durante la duplicazione;
• trasposoni, ovvero brevi frammenti di DNA che si possono inserire in diversi punti del genoma.

Quelle indotte possono essere, invece, causate da agenti detti mutageni che possono cambiare o danneggiare la struttura del DNA.