Introduzione alla genetica: ereditarietà, DNA e leggi di Mendel

Introduzione alla Genetica

L'EREDITARIETA' è quella tendenza che gli organismi hanno a possedere caratteristiche ("caratteri") simili a quelle dei loro genitori. Questa è una proprietà condivisa da tutti gli organismi viventi. La GENETICA è la scienza che studia le leggi dell'ereditarietà. La maggior parte della massa del pianeta è formata da materia non vivente (rocce, acqua, ecc.). Una delle proprietà fondamentali che distingue un non vivente da un vivente è la capacità di riprodursi: un vivente può dare origine ad una entità simile a se stesso, e questo vale per batteri, piante e animali, fino all'uomo, il quale si trova al vertice della scala evolutiva. La capacità di dare origine a nuovi individui della stessa specie attraverso la riproduzione ha da sempre colpito l'uomo, che però prima dello sviluppo della biologia moderna non era in grado di spiegarne il meccanismo. Va osservato che un individuo è sempre simile, ma non è mai esattamente identico al genitore (o ai due genitori, nel caso della riproduzione sessuata). Coesistono quindi, nella trasmissione dei caratteri lungo generazioni successive, due fondamentali proprietà: STABILITA' e VARIABILITA'. La stabilità rende conto della conservazione delle caratteristiche fondamentali della specie (Homo sapiens è riconoscibile come tale, dal punto di vista strettamente biologico, per la sua anatomia, fisiologia ecc.), mentre la variabilità si evidenzia come una serie di differenze, più o meno accentuate, presentate dai vari caratteri e che permettono di distinguere tra loro singoli individui della stessa specie; si considerino, ad esempio, variazioni nel colore dei capelli e degli occhi, nella statura, ecc. Anche i gemelli monozigoti (i cui embrioni derivano dallo stesso ovocita fecondato per separazione delle cellule embrionali iniziali) non sono mai realmente "identici". Presentano una somiglianza molto accentuata, ma i caratteri osservabili, così come alcune regioni del loro DNA, non sono mai uguali al 100%. La genetica si propone precisamente di descrivere i fenomeni relativi alla trasmissione dei caratteri e cerca di spiegare i meccanismi che sono alla base della loro stabilità e variabilità. Il gene è l'unità fondamentale della trasmissione dei caratteri, e chimicamente è costituto da DNA (acido desossiribonucleico). Tuttavia, la sua azione è modificata dall'ambiente, per cui il fenotipo (l'insieme dei caratteri osservabili) deriva sempre dall'interazione tra il genotipo (il patrimonio ereditario dell'individuo) e l'ambiente. Negli ultimi 30 anni sono stati fatti continui progressi nella Genetica Molecolare, una disciplina che ha come fine la comprensione dei meccanismi molecolari alla base delle leggi dell'ereditarietà. La sequenza ordinata con cui sono disposti i 4 componenti elementari della molecola di DNA (nucleotidi con le basi A, C, G o T) costituisce a tutti gli effetti un messaggio, una informazione, che contiene istruzioni dettagliate per il montaggio dei più importanti costituenti delle cellule, le proteine. L'informazione è, in generale, una diminuzione di incertezza che si ottiene con l'invio o il ricevimento di un messaggio; il messaggio del DNA è scritto con 4 tipi di "lettere" molecolari (le basi azotate dei nucleotidi), così come le parole di un messaggio umano sono combinazioni di circa 20 possibili lettere. Ogni volta che aggiungiamo una lettera scrivendo un testo, il nostro pensiero si precisa sempre di più, e l'incertezza massima iniziale su quello che potevamo dire (il foglio bianco), si riduce via via; allo stesso modo, ogni volta cheaggiungiamo una certa base alle precedenti sulla molecola di DNA, si specifica con sempre maggiore completezza l'istruzione per la formazione di una certa proteina, diversa dalle altre. Il codice genetico è l'insieme di regole, stabilite in natura, che sono seguite per interpretare le informazioni contenute nel DNA, che consistono nell'indicare l'ordine di montaggio appropriato, per ciascuna proteina, dei 20 tipi di molecole (amminoacidi) che si combinano in sequenza per formare la proteina stessa. Il funzionamento delle proteine determinerà poi le caratteristiche delle cellule che le producono e le contengono, e, alla fine, dell'organismo costituito da queste cellule. Queste informazioni, proprio come una serie di istruzioni scritte da un ingegnere per fabbricare un componente, possono essere ricopiate, lette e trascritte, e interpretate in modo appropriato, così come possono anche contenere errori. Il gene è oggi considerato una delle tante istruzioni contenute in ogni cellula, in forma di una certa regione, sulla molecola di DNA, che contiene le informazioni necessarie alla sintesi di una determinata catena di amminoacidi (catena polipeptidica); il gene rappresenta quindi una determinata porzione del patrimonio genetico complessivo, il genoma, che nell'uomo comprende circa 25.000 geni. La trasmissione dei caratteri riguarda per quanto detto la fisiologia normale dei viventi; tuttavia, si osserva anche in natura la possibilità che alcuni caratteri siano patologici, ovvero siano manifestazione di una alterazione della funzione di un organismo (malattia). Questi caratteri, se ereditari, vengono trasmessi con le stesse leggi identificate per i caratteri normali. La parte della Genetica che si occupa più specificamente delle malattie umane che presentino una componente ereditaria esclusiva o prevalente è la Genetica Medica.

Concetto di Gene

I geni sono le unità responsabili delle caratteristiche ereditarie. Un carattere è in generale un aspetto dell'oggetto che osserviamo. I caratteri che mostrano una tendenza a mantenersi lungo le generazioni sono i caratteri ereditari (ad esempio l'avere due braccia, un certo colore della pelle, ecc.). Come avviene la trasmissione dei caratteri ereditari? La genetica come la conosciamo oggi deriva dalla fusione di tre branche di ricerca fondamentale iniziate per coincidenza dopo la metà dell'800, ma il cui nesso sarebbe emerso chiaramente solo dopo 50 anni di studi.

1. L'Abate Gregorio Mendel si è chiesto quali leggi regolassero la trasmissione dei caratteri. Ha cominciato il suo studio dalle piante di pisello, organismi semplici e facilmente coltivabili. Prese in considerazione un carattere per volta (come il colore del seme, la lunghezza della pianta, ecc.) e scoprì che un carattere viene trasmesso seguendo leggi determinate, che permettono di prevedere statisticamente la sua comparsa lungo le generazioni. Se il carattere viene conservato, ci deve essere qualcosa che lo mantiene.Questo "qualcosa" che determina il carattere ("determinante") è il gene, e le conclusioni statistiche indicavano che due versioni del gene dovevano essere compresenti nell'organismo studiato per controllare un certo carattere. Tuttavia rimaneva sconosciuta la natura chimica del gene.
2. Nel 1869 un giovane studente di Chimica a Zurigo, Friedrich Miescher, studiando il pus, per caso separa da questo ammasso di globuli bianchi in disfacimento un "fiocchettino" viscoso e biancastro. Scopre che in soluzione si comporta come un acido,cioè libera ioni H+. Questa sostanza cellulare era in particolare presente nel nucleo, da cui il nome ACIDO NUCLEICO.
3. Nel 1902, Walter Sutton, studiando le cellule al microscopio, durante quella fase della vita cellulare in cui la cellula si divide (mitosi), si accorse che il nucleo cambiava aspetto:

• comparivano molte strutture a forma di bastoncello
• quando la cellula si divideva, questi corpuscoli si distribuivano equamente tra le due cellule figlie

Dovevano passare decenni perché altre scoperte permettessero di interpretare la relazione tra questi fatti. Avery, Macleod e MacCarty nel 1944 scoprirono che l'introduzione di DNA poteva "trasformare" le caratteristiche di un organismo (nel caso specifico, un batterio), mentre Watson e Crick nel 1953 chiarirono la struttura molecolare del DNA (una doppia elica formata da catene di polinucleotidi con una sequenza variabile di 4 tipi di basi azotate), e diversi gruppi di ricercatori stabilirono la corrispondenza tra sequenza nucleotidica del DNA e sequenza amminoacidica delle proteine (codice genetico, decifrato nel 1966). Da allora, le osservazioni compiute alla fine del secolo scorso possono essere spiegate in modo unitario. I "bastoncini" osservati, essendo dei corpuscoli (dal greco "soma", corpo) molto colorabili con determinate sostanze (dal greco "croma", colore), sono stati chiamati cromosomi. La loro ripartizione eguale durante la duplicazione della cellula risponde alla logica che ci si attende dal patrimonio ereditario. Chimicamente il cromosoma è costituito essenzialmente da DNA, la cui struttura (un polimero a doppia elica) è adatta alla conservazione e trasmissione della informazione con un meccanismo di replicazione "a stampo". Quindi, i geni sono tratti di DNA situati in particolari posizioni (loci) del cromosoma, capaci di originare dei prodotti (RNA o proteine) responsabili del fenotipo (l'insieme dei caratteri osservabili dell'organismo).

Informazione Genetica

All'interno di ogni cellula, il genoma funziona come un "manuale di istruzioni" che ne specifica le caratteristiche. Questo a partire dalla prima cellula da cui l'organismo deriva, lo zigote (formatosi alla fecondazione per l'unione di uno spermatozoo e di un ovulo), che contiene il "piano" per realizzare l'intera architettura dell'individuo. Una singola cellula umana è molto complessa, è composta da milioni di componenti, e le informazioni per fabbricare ciascun componente sono contenute nel genoma. Queste informazioni devono essere gestite a tre livelli: conservazione, replicazione ed espressione.

Conservazione dell'Informazione

L'informazione è conservata sotto forma di una determinata sequenza lineare dei 4 tipi di nucleotidi possibili del DNA. Nella metafora del manuale di istruzioni, questo livello è il testo scritto che contiene informazioni conservate sotto forma di una sequenza di lettere, le quali formano determinate parole.

Replicazione dell'Informazione

Per poter trasmettere l'informazione a nuove cellule dello stesso individuo o a nuovi individui, occorre replicarla, cioè effettuarne una copia. Ciò equivale a fotocopiare il manuale di istruzioni per poterne disporre di un'altra copia in una nuova stanza.