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 genetiche L’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 Caratteri dominanti e recessivi Alcuni caratteri dell’uomo carattere allele dominante Capelli (colore) neri Capelli (forma) Occhi (colore) Orecchio (lobo) Mano (uso) Gruppo sanguigno allele recessivo biondi ricci scuro staccato destra lisci azzurro attaccato sinistra A, B 0 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 padre 23 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 autosomi 1 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’uomo i 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 A0 BB B0 % A 42% B 9% 00 0 46% AB AB 3% Madre AB, padre 0 • I gameti materni possono avere l’allele AoB • 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 del DNA • 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 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 genetica Il 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 Emofilia Forte 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 Daltonismo Incapacità 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 Albinismo Fenilchetonuria SCID Anemia falciforme Talassemia Fibrosi 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 la più grave delle malattie anemiche I globuli rossi hanno una forma a falce e possono ostruire i capillari sanguigni • È dovuta ad una mutazione puntiforme dell’emoglobina • Nell’omozigote è assai grave • Cure: trasfusioni Talassemia 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 • Talassemia minor • Morbo di Cooley • Cure: trasfusioni, trapianto di midollo • Diagnosi prenatale 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 Corea di Huntington Progressiva degenerazione delle cellule nervose Presente fin dalla nascita, esplode a 3545 anni 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 genica il 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 genetica modificare 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)