Cosa induce la variabilità?

Come spesso ho già detto le mutazioni geniche sono la principale causa di variazione nei pool genici e sono considerate la materia prima dei cambiamenti su cui operano tutte le forze! 

Ricapitolando! 
Una mutazione può avvenire a carico della struttura cromosomica, oppure di uno o più nucleotidi della molecola stessa (mutazione genica o puntiforme). 

Le mutazioni non avvengono solo nei geni che portano informazioni strutturali, ma anche nei geni di regolazione, (come quelli responsabili dell'attivazione e della disattivazione di altri geni). 
Le mutazioni possono essere provocate da diversi agenti come i raggi X, i raggi ultravioletti, i composti radioattivi e certe sostanze chimiche inquinanti, ma molto spesso esse si verificano spontaneamente, "per caso". Sebbene i fattori ambientali e gli agenti mutageni in particolare possono influenzare il tasso di mutazioni; le singole mutazioni sono indipendenti dall'ambiente e dal potenziale vantaggio o svantaggio che possono conferire all'individuo e ai suoi discendenti. 
Per esempio, la capacità di mimetizzarsi nell'ambiente può essere il risultato di una serie di mutazioni che hanno portato un vantaggio alla specie.

La riproduzione sessuata incrementa 

la variabilità dei discendenti 

La riproduzione sessuata dà luogo a  nuove combinazioni genetiche grazie a tre diversi processi:
# la distribuzione casuale dei cromosomi omologhi al momento della meiosi;
# il crossing-over e la ricombinazione;
# la formazione di due differenti genomi parentali (a ogni generazione gli alleli vengono distribuiti formando nuove combinazioni). 

FONTI- Libro di testo

L'EQUILIBRIO DI HARDY-WEINBERG

I genetisti hanno sempre cercato le cause dell'origine

 e del mantenimento della variabilità genetica. 

Gli scienziati si chiedevano in che modo sia gli alleli dominati sia quelli recessivi possono rimanere all'interno delle popolazioni. 

G.H. Hardy e W. Weinberg lavorando indipendentemente, dimostrarono come la ricombinazione genetica che si verifica negli organismi diploidi a ogni generazione non modifica di per sé la composizione globale del pool genico!

MA PER DIMOSTRARE TALE AFFERMAZIONE ESAMINARONO IL COMPORTAMENTO DEGLI ALLEI IN UNA POPOLAZIONE IDEALE, CARATTERIZZATA DALLE SEGUENTI CONDIZIONI: 

# non devono verificarsi mutazioni significative;

# non deve esserci una migrazione netta di alleli verso l'interno della popolazione (immigrazione) o verso l'esterno (emigrazione);

# la popolazione deve essere ampia (teoricamente infinita);

# l'accoppiamento tra individui di sesso diverso è casuale; 

# non si deve verificare selezione naturale, cioè tutti i genotipi devono possedere le stesse capacità adattative e riproduttive.

Dimostrando che le cinque condizioni siano soddisfatte, consideriamo che un singolo gene abbia due alleli, A e a. Le frequenze, o proporzioni relative, di questi alleli nella popolazione non si modificano da una generazione all'altra, così come non si modificano le frequenze genotipiche delle tre possibili combinazioni di questi alleli; AA, aa, Aa.  

Il pool genico si troverà in una stato di stabilità, di equilibrio, rispetto a questi alleli.

TALE EQUILIBRIO E' ESPRESSO DALLA SEQUENTE EQUAZIONE: 

p+q=1

(p+q)²= 1

p²+2pq+q²= 1

In questa equazione la lettera p indica la frequenza di un allele, la lettera q indica la frequenza dell'altro allele. P più q deve sempre essere uguale a 1 (cioè, il 100% degli alleli di quel particolare gene nel pool genico). 

L'espressione p² indica la frequenza di individui omozigoti per un allele, q² la frequenza di individui omozigoti, per l'altro allele e 2pq la frequenza degli eterozigoti.

FONTI- Libro di testo e questo sito 

VARIABILITA' GENETICA

Aallora.. se tutti gli individui di una popolazione fossero geneticamente identici potrebbero non riuscire ad adattarsi ad un eventuale improvviso cambiamento dell'ambiente in cui vivono; e in tal caso quella determinata popolazione scomparirebbe del tutto!
La presenza di una variabilità genetica risulta vantaggiosa per quegli individui che sono portatori di particolari caratteri che favoriscono il loro adattamento al nuovo ambiente, anche se con pool genico molto diverso dall'originale, e potrebbe sopravvivere! 

Genetica di popolazione

Popolazione di elefanti- 

Per poter studiare meglio i processi evolutivi su basi genetiche si è ritenuto opportuno non considerare più solo l'evoluzione dei singoli individui ma spostare le ricerche a un livello di organizzazione superiore, cioè a quello di una popolazione. 
Per avere tutto più chiaro cerco di spiegare il significato di popolazione; 
è un gruppo di individui delle stessa specie che si riproducono tra loro. 

Tutti gli alleli di tutti i geni presenti nei vari individui di una popolazioni nel loro insieme formano il pool genico! 
Gli scienziati che studiano l'evoluzione della popolazione tendono a non esaminare il patrimonio genetico di un singolo individuo, ma ad analizzare il pool genico nel suo complesso, i suoi cambiamenti nel tempo e da cosa sono provocati. 

GENETICA DI POPOLAZIONE 
La genetica di popolazione ha come argomento centrale lo studiò della variabilità genetica. 
Questo nuovo ramo della biologia è nato dalla teoria di Darwin e dalle tre leggi di Mendel. 
Gli scienziati che si occupano di ciò studiano quante differenti forme alleliche sono presenti all'interno di una popolazione e in che modo di originano e si modificano. 

Troviamo un nuovo concetto, fitness darwiniana nel contesto di genetica di popolazioni non è sinonimo di benessere fisico né di adattamento all'ambiente, ma il successo riproduttivo. 
Maggiore è il successo, (maggior numero discendenti che sopravvivono), più numerosi sono gli alleli del genotipo di un individuo che possono essere presenti nelle generazioni successive. 

Fonti-Libro di testo

MAPPE CROMOSOMICHE

Un passo in avanti nello studio della localizzazione dei geni venne compiuto grazie agli esperimenti di Morgan aiutato da Muller. 


Quest'ultimo scoprì che l'esposizione ai raggi X aumentava notevolmente la velocità con cui avvenivano le mutazioni nel moscerino della frutta. 

Anche altre forme di radiazioni come la luce ultravioletta agivano da mutageni (cioè da agenti in grado di produrre mutazioni), e ne veniva prodotto un numero sempre più alto.


I geni che tendono a rimanere inseme perché sono sullo stesso cromosoma si dicono associati (o concatenati), in quanto appartengono allo stesso gruppo di associazione. A mano a mano che procedevano gli esperimenti di incroci con il moscerino della frutta, le mutazioni cominciarono a essere suddivise in quattro gruppi di associazioni in relazione alle quattro coppie di cromosomi visibili alle cellule; infatti in tutti gli organismi il numero dei gruppi di associazione e le coppie di cromosomi risulterà coincidere. Ciò fu un'ipotesi sostenuta da Sutton, secondo la quale i geni si trovano sui cromosomi. 


Morgan notò che prendendo in considerazione diverse coppie di caratteri associati la percentuale di individui combinati è diversa per ogni coppia di caratteri, ed egli giustificò questo fenomeno ipotizzando che il crossing-over si un evento casuale che può avvenire con la stessa probabilità in un punto qualsiasi, lungo tutta la lunghezza del cromosoma. Di conseguenza la frequenza della ricombinazione tra due geni dipende dalla loro distanza sul cromosoma; se i geni sono relativamente lontani vi è una maggiore probabilità che il crossing-over interessi il tratto di cromosoma che li separa e i gameti ricombinanti saranno di conseguenza frequenti, mentre se i geni sono più vicini è meno probabile che il crossing-over interessi il breve tratto di cromosoma che li separa e i gameti ricombinanti saranno rari.

Dalla frequenza di ricombinazione tra due o più geni diversi, misurata in esperimenti di incrocio, è possibile dedurre quindi la distanza che intercorre tra loro su ciascun cromosoma e costruire così delle mappe cromosomiche (o mappe genetiche).

Fonti- Libro di testo e questo sito

MALATTIE LEGATE AI CROMOSOMI/ MORGAN

Morgan Thoman Hunt e Oswald Avery

Nel novecento diversi ricercatori iniziarono a sospettare che i cromosomi, 'pacchetti' che contengono DNA e proteine, fossero una causa nella trasmissione dei caratteri ereditari nelle varie generazioni.
Ciò fu dimostrato da Thomas Hunt Morgan grazie alle sue ricerche sui moscerini della frutta, drosophila melanogaster. Ma non tutti gli scienziati erano convinti che esistessero davvero i geni, cioè le porzioni di codice genetico che servono per produrre una specifica proteina. Solo dopo grazie agli studi di Oswald Avery, fu possibile dire con certezza che i geni esistono e che sono fatti di DNA.

LEGGI DI MENDEL

Gregor Mendel (1822-1884) è stato riconosciuto come il fondatore della genetica.
La genetica è la scienza che studia i meccanismi dell'eredità attraverso i quali avviene la trasmissione dei caratteri da una generazione a quella successiva nelle varie specie animali e vegetali.
La genetica classica è quel ramo della biologia che si è occupata prevalentemente di ampliare i concetti sviluppati dalle teorie di Mendel. 


Qui avevo già parlato dell'esperimento fatto da Mendel, ora analizzerò le sue tre leggi!
Chiarisco prima la differenza fra genotipo e fenotipo:
#genotipo= combinazione di alleli posseduta da un individuo
#fenotipo= complesso dei caratteri visibili di un individuo 

Se il fenotipo dell'eterozigote mostra caratteristiche intermedie tra quelle dei due omozigoti, ciò è detto denominazione incompleta ed è il risulto degli effetti combinati dei prodotti genici. 
Mentre, viceversa, gli alleli possono manifestare il fenomeno della codominanza, con organismi eterozigoti che non mostrano fenotipi intermedi, ma esprimono contemporaneamente entrambi i fenotipi omozigoti.

Prima legge o legge della dominanza; 
dall'incrocio tra due individui che differiscono per un solo carattere, si alla prima generazione ibridi tutti uguali.


Seconda legge o legge della segregazione;
nella seconda generazione incrociò gli individui ottenuti dal primo incrocio e affermò che nella F2 i caratteri dominanti e recessivi appaiono nel rapporto 3:1.
Ogni individuo ha coppie di fattori per ogni unità ereditaria e i membri di ogni coppia segregano (=separano) nella formazione dei gameti.


Terza legge o legge dell'assortimento indipendente;Incrociando due individui eterozigoti della generazione F1, ogni coppia di alleli per ciascun carattere viene ereditata in maniera indipendente dall'altra. Così di hanno tutte le possibili combinazioni degli alleli di ciascuna coppia e la comparsa di individui con caratteri nuovi. 

                                                                         FONTI- Libro di testo e questo sito

PROTEOMICA

Dopo lo studio dei genomi vengono analizzati i proteomi = l'insieme delle proteine  che vengono espresse nelle cellule di un dato organismo. I proteomi di cellule dello stesso individuo, ma di due tessuti diversi saranno differnti, mentre i proteomi di due diversi individui appartenenti alla stessa specie saranno più i meno uguali se prelevati dalla stesso tessuto. 
La disciplina che studia e mette a confronto gli assetti proteici presenti nelle varie cellule è chiamata proteomica.
Lo studio delle proteine fornisce a individuare il gene che in quel momento è attivo e codificante. 
Se viene prodotta una determinata proteina vuol dire che esiste in circolazione nel citoplasma l'mRNA corrispondente, la cui presenza è legata all'attività del gene da cui è stato trascritto. Spesso è sufficiente analizzare l'insieme degli RNA messaggeri, trascrittoma, di una cellulare per ottenere importanti informazioni sull'espressione genica e sui geni stessi. 

Per identificare i vari tipi di proteine presenti in una cellula bisogna tener conto delle migliaia di proteine, che si possono suddividere: 
 - proteine strutturali 
 - proteine motrici
 - proteine di difesa
 - proteine di trasporto
 - proteine enzimatiche 
 - proteine di regolazione


Per sapere quali e quante proteine ci sono in una cellula, in molti casi si utilizza una tecnica di laboratorio, la quale comprende due passaggi: l'elettroforesi bidimensionale su gel, (o elettroforesi 2D), nella quale le proteine, inserite in un tubo di gel, si separano a seconda della loro carica netta a un determinato pH, e separate ulteriormente su una lastra a carica negativa in base alla propria massa. 

Infine, la seconda fase l'abbiamo con la spettrometria di massa, le catene polipeptidiche vengono scisse dall'enzima proteasi, ricavando catene amminoacidiche.

FONTI- Libro di testo

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LA GENETICA DELLO SVILUPPO

I pluricellulari durante il loro sviluppo vanno incontro a importanti cambiamenti che danno vita alle forme adulte, lo studio si questi cambiamenti è chiamato genetica dello sviluppo: comprende tutti i cambiamenti che si verificano a livello cellulare, tessuti e organi che determinano la struttura o la forma.
Ogni individuo pluricellulare si sviluppa da una prima cellulare, lo zigote, grazie ai processi di mitosi e citodieresi le cellule aumentano di numero e ognuna assume una morfologia e una funzione specializzata. 
Le fasi dello sviluppo animale sono controllate da specifici fattori di regolazione che inducono i geni ad accendersi o spegnersi in base a una precisa scansione temporale e questo processo è detto regolazione genica differenziale.






Le quattro fasi dello sviluppo embrionale, del moscerino della frutta.







Prima fase- Alcune cellule specializzate possiedono un gene, bicoide, che trascrivono un RNA messaggero che si dirige verso la cellula uovo, la quale orienta i microtubuli del suo citoscheletro, formando due poli che costituiranno l'asse antero-posteriore, il quale dirige la formazione di altri assi, come dorso-ventrale e sinistro-destro che consentono alle varie parti del corpo di occupare la proprio posizione.




Seconda fase- Vengono attivati alcuni geni che inducono la segmentazione.

Nel moscerino della frutta sie l'embrione sia l'adulto possiedono 
15 segmenti: 3 cefalici, 3 toracici, 9 addominali.






Terza fase- Vengono attivati i geni omeotici, i quali stabiliscono quali parti del corpo si svilupperanno da ogni segmento. 
Finora in tutti gli eucarioti analizzati, sono state analizzate delle sequenze formate da 180 nucleotidi all'interno di questi geni che vengono definite homeobox, le quali codificano proteine omeotiche che si attaccano a specifici enhancer (consentono di attivare/disattivare determinati gruppi di geni. 

Quarta fase- Avviene il differenziamento cellulare, cioè la morfologia e le funzioni di ogni cellula. Tutto inizia da una cellula staminale totipotente, cellula che è in grado di originare qualsiasi tipo di cellula che formerà l'individuo. Nel corso dello sviluppo le cellule perdono questa capacità, si specializzeranno nella formazione di cellule dello stesso tipo, staminali unipotenti. 

FONTI- Libro di testo

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Sequenze ripetitive in cromosomi anomali

Approfondimento

Alcuni biologi molecolari, nel 1991, scoprirono una certa forma di instabilità nei geni eucarioti. Essi si ingrandivano, spesso in modo abnorme, da una generazione all'altra. Invece, in altri casi avveniva il processo inverso, i geni riducevano le dimensioni. 

La prima scoperta avvenne studiando una malattia chiamata sindrome del cromosoma X  fragile (una comune forma di ritardo mentale ereditario, causa nota più comune dell'autismo), causata dalla mutazione del gene FMR1 sul cromosoma X. 
Come altre malattie legate al cromosoma X fragile, si verifica più frequentemente nei maschi (questa mutazione è presente in un maschio su 2000 e in una femmina su 4000). 
La parte finale del braccio lungo del cromosoma X è attaccata al resto del cromosoma tramite un sottile filamento di DNA. 
L'analisi del gene ha rivelato che questo filamento contiene copie multiple della tripletta nucleotidica CGG ripetuta in tandem. 
Una scoperta sorprendente  fu che il numero delle sequenze ripetitive varia da una generazione all'altra -ciò è correlato con la presenza/assenza del ritardo mentale e della sua gravità. Il primo segno della malattia è il ritardo dello sviluppo psicomotorio, in particolare nell'apprendimento del linguaggio. Il ritardo mentale è di grado variabile e spesso si associa ad anomalie comportamentali (come irrequietezza, instabilità psicomotoria e incapacità di fissare l’attenzione), queste caratteristiche perdurano con l’avanzare dell’età-. 
In media un gene normale contiene una trentina di sequenze CGG ripetute. Nei portatori sani il gene può contenere da 50 a 200 copie di CGG. Mentre negli individui affetti il numero delle copie aumenta fino a qualche centinaio! 

Recentemente sono state identificate molte sequenze ripetitive di una determinata tripletta (CAG) nei geni responsabili dalla malattia Huntington (colpisce la coordinazione muscolare e porta ad un declino cognitivo e a problemi psichiatrici), in quelli della distrofia muscolare degli adulti e nei geni di molte rare malattie. 
Oggi si conoscono circa 50 geni umani che contengono brevi sequenze ripetitive di tripletta, ma non si sa ancora con certezza se in alcuni di essi il numero di ripetizioni stia aumentando. 

FONTI- Libro di testo e questo sito