La genetica

1) CONCETTI FONDAMENTALI


Gene
Unità ereditaria che reca le istruzioni per determinare la comparsa di un certo carattere


Alleli
Due forme uguali o diverse di uno stesso gene: due geni che occupano porzioni corrispondenti lungo i cromosomi possono avere la stessa sequenza di nucleotidi oppure presentare qualche piccola differenza che si traduce nella specificazione di due varianti dello stesso carattere.


Carattere genetico
Caratteristica fisica di un organismo

Organismo omozigote per un determinato gene
Organismo con due alleli uguali per un carattere ereditario


Organismo eterozigote per un determinato gene
Organismo con due alleli diversi per un carattere ereditario


Caratteri dominanti e recessivi
Se su un cromosoma sono presenti due alleli diversi, l'uno presenterà il carattere dominante, perchè comparirà e maschererà l'altro, che sarà solo apparentemente scomparso e verrà detto recessivo.


Linee pure
Piante che si autofecondano


Fecondazione incrociata
Trasferimento del polline di un fiore su un altro fiore

Codominanza
Su un cromosoma sono presenti due alleli dominanti, che portano al mescolamento dei due caratteri e alla creazione di un terzo carattere.



2) LA GENETICA MENDELIANA


2.1) Vita dello scienziato


Johann Mendel (1822-1884), cresciuto in una zona rurale dell'attuale Cecoslovacchia, fu ordinato sacerdote all'età di 25 anni. Nel 1868 divenne abate del convento di S. Tommaso a Brno e cambiò il suo nome in Gregor. Si formò all'università di Vienna dove studiò scienze naturali, matematica e fisica. Durante gli anni del suo insegnamento nel liceo della sua città coltivò piante di pisello odoroso nel giardino del convento. Si dedicò per otto anni all'ibridazione sperimentale di piante di PISUM, riuscendo a determinare la percentuale secondo la quale i caratteri ereditari si presentano nelle generazioni successive. Mendel formulò l'ipotesi dell'esistenza di qualche elemento responsabile della trasmissione dei caratteri, e su questa base cominciò gli esperimenti per verificare la propria ipotesi fino ad arrivare alla formulazione di leggi in grado di spiegarla.
Cominciò i suoi esperimenti dividendo le piante in due gruppi: piante con fiore rosso e piante con fiore bianco, piante con seme verde e piante con seme giallo, e così via. In seguito si dedicò alla riproduzione delle piante, procedendo in questo modo: prendeva il polline dal fiore di una pianta e lo spolverava sul pistillo del fiore di un'altra pianta, per fecondarlo; poi copriva il fiore da fecondare con un cartoccio per evitare che l'altro polline potesse raggiungerlo. Mendel selezionò alcuni caratteri come il colore dei fiori e ne individuò la linea pura. I risultati dei suoi studi, pubblicati nel 1866, non furono compresi dai suoi contemporanei e rimasero per molti anni nell'ombra. Per questi motivi nel 1870 Mendel abbandonò i suoi studi. Morì nel 1884, senza che le sue scoperte venissero riconosciute. Nel 1900 alcuni studiosi confermarono le ipotesi di Mendel ripetendone gli esperimenti; tuttavia solo negli anni venti e trenta l'importanza ed il significato del suo lavoro vennero compresi completamente e utilizzati per spiegare fenomeni complessi, quali la variabilità genetica e i meccanismi evolutivi.


2.2) Le leggi

Nei suoi esperimenti con le piante di pisello Mendel incrociò due linee pure (omozigote dominante e omozigote recessivo), di cui una a fiori rossi e una a fiori bianchi ottenendo una discendenza ibrida identica alla linea parentale a fiori rossi e non, come uno potrebbe aspettarsi, con caratteristiche intermedie fra la pianta a fiori rossi e quella a fiori bianchi. Per spiegare quanto osservato, Mendel ipotizzò l'esistenza di due unità ereditarie distinte (oggi chiamate alleli), responsabili del carattere fiori rossi (A) e fiori bianchi (a) delle piante, la prima dominante e la seconda recessiva.

Prima legge di Mendel
La prima legge di Mendel o Legge della dominanza enuncia quindi che: incrociando tra loro due individui di linea pura che differiscono per un solo carattere si ottengono nella prima generazione filiale (F1) individui che manifestano il carattere dominante mentre quello recessivo rimane nascosto.
Per confermare quest'ipotesi, Mendel proseguì gli esperimenti incrociando fra loro gli individui ottenuti dal primo incrocio, cioè gli ibridi a fiori rossi (Aa), e trovò nella seconda generazione il rapporto tra piante a fiori rossi e a fiori bianchi era di 3/4. Allora ipotizzò che i fattori formassero coppie AA, Aa, aA, aa e che, a causa della dominanza di A su a, le piante che ereditavano le configurazioni AA, Aa, aA fossero a fiori rossi, mentre quelle con i fattori aa fossero a fiori bianchi.

Seconda legge di Mendel
Di conseguenza Mendel arrivò ad enunciare la seconda legge o Legge della segregazione dei caratteri: incrociando tra loro due ibridi (eterozigoti) della F1, gli alleli che determinano il carattere si separano in gameti diversi.

Terza legge di Mendel
Mendel arrivò poi ad incrociare due individui di linea pura che differiscono tra loro per due o più caratteri e si convinse che sono trasmessi in modo indipendente. Enunciò quindi la terza legge o Legge dell'indipendenza dei caratteri: le coppie di alleli di ciascun carattere si comportano indipendentemente le une dalle altre durante la formazione dei gameti.
Noi oggi sappiamo però che la legge risulta vera solo se i caratteri si trovano su cromosomi diversi.


3) LE BASI MOLECOLARI DELL' EREDITA'

3.1) Geni e cromosomi

I cromosomi sono strutture microscopiche che si trovano nel nucleo di ogni cellula di ogni organismo vivente, ma che si rendono evidenti soltanto durante la divisione cellulare. Non hanno tutti la stessa lunghezza, e sono costituiti da due filamenti fra loro paralleli e avvolti a spirale detti cromatidi, sui quali compaiono granuli di cromatina che è una sostanza organica di natura proteica contenuta nel nucleo di tutte le cellule. Questi granuli sono detti cromomeri e contengono il DNA, il quale a sua volta forma i geni che portano le informazioni dei caratteri ereditari; i cromosomi sono infatti considerati i vettori dell'ereditarietà. Fu Walter Sutton, un giovane laureato che lavorava alla Columbia University, a fornire nei primi anni del '900 la prova che i cromosomi contengono le unità dell'eredità delle cellule. Sutton individuò alcune analogie fra il presunto comportamento delle unità genetiche mendeliane e il comportamento visibile dei cromosomi durante la MEIOSI e sostenne che queste somiglianze erano troppo straordinarie per essere fortuite.
Il lavoro di Sutton convinse i biologi che i geni erano unità fisiche localizzate in determinati punti sui cromosomi. Il primo punto nella tesi di Sutton era questo: il legame biologico fra generazioni di organismi pluricellulari è fisicamente molto piccolo. Esso è costituito da due minuscole cellule (uno spermatozoo microscopico del maschio e una cellula uovo un po' più grossa della femmina). Quindi, dato che i geni si trasmettono di generazione in generazione, essi devono essere localizzati in qualche punto entro lo spermatozoo e la cellula uovo. Un secondo passo fu dato dall'osservazione che spermatozoo e cellula uovo, sebbene si differenziassero per grandezza ed altri aspetti, apparentemente davano contributi genetici uguali all'organismo generato dalla loro unione. Sutton concluse che i geni che provenivano dallo spermatozoo e dalla cellula uovo erano essenzialmente gli stessi. Ora, se i contributi genetici di uova e spermatozoi sono gli stessi, continuava Sutton, i geni dovrebbero "essere situati " nella stessa regione cellulare in entrambi i tipi i gameti. Molti spermatozoi sono formati principalmente da un nucleo, con appena una piccola quantità di citoplasma; il nucleo dell'uovo è molto simile al nucleo dello spermatozoo. Il citoplasma dell'uovo, invece, differisce notevolmente da quello dello spermatozoo, tanto nella quantità che nella struttura. A causa delle somiglianze tra i due nuclei e delle differenze tra i due citoplasmi, i geni dovevano essere localizzati nei nuclei dei due gameti. Dopo aver considerato tutti questi straordinari parallelismi Sutton propose la seguente ipotesi: che i geni siano reali unità fisiche localizzate sui cromosomi e che un ALLELE di una coppia di geni sia localizzato su ogni membro di una coppia di cromosomi. Egli annunciò questa scoperta in un suo scritto nel 1902. Questa teoria si rivelò esatta negli anni successivi alla sua scoperta, in quanto nuove tecnologie e studi più avanzati rivelarono che effettivamente i cromosomi sono localizzati nel nucleo. I cromosomi sono uguali 2 a 2 e, per quanto riguarda ciascuna coppia, un cromosoma deriva dal gamete maschile (paterno) e l'altro dal gamete femminile (materno): le cellule così fornite di cromosomi appaiati si dicono DIPLOIDI e fanno parte delle cellule somatiche; nelle cellule sessuali invece il corredo cromosomico della specie è dimezzato grazie al processo di meiosi: tali cellule sono dette APLOIDI. Al momento della fecondazione, la cellula torna ad essere diploide. I cromosomi hanno una forma particolare, in quanto presentano una strozzature centrale; è importante infine sottolineare che i cromosomi sono presenti in numero fisso nelle cellule, numero che tuttavia varia secondo la specie.

3.2) Struttura del DNA

La molecola del DNA è formata da due catene avvolte a spirale composte da piccole unità disposte una dopo l'altra: i nucleotidi. Ciascun nucleotide è costituito da una molecola di zucchero (il desossiribosio) a cui si legano un gruppo fosforico e una base azotata; queste ultime (Adenina, Guanina, Citosina e Timina) sono gli elementi chiave della molecola. Le basi azotate sono complementari a due a due e si collegano tra di loro unicamente formando due coppie fisse: adenina con timina e citosina con guanina. Sono proprio queste coppie che formano i legami trasversali tra le due catene di nucleotidi; questi, così formati si dispongono nello spazio dando origine a una lunga catena. L'unicità del DNA dipende dalle basi azotate: queste infatti si accoppiano in maniera fissa ma le coppie, si alternano dando luogo a infinite combinazioni.

3.3) Struttura e funzione dell' RNA

Ciò che differenzia strutturalmente l'RNA dal DNA è l'essere composto da un unico filamento più corto, avere nella composizione dei nucleotidi uno zucchero diverso (il ribosio al posto del desossiribosio) e per quanto riguarda le basi azotate, l'uracile al posto della timina. La funzione principale dell'RNA è quella di mettere in comunicazione il DNA con il citoplasma della cellula dove sono presenti particolari organuli i ribosomi, a livello dei quali avviene la costruzione delle proteine.

3.4) Sintesi delle proteine (trascrizione e traduzione)

Le informazioni per costruire le proteine di un organismo sono contenute nel DNA delle sue cellule e il messaggio è scritto nelle basi azotate, più precisamente nell'ordine in cui esse si succedono. Dopo molti studi si è arrivati a decifrare il codice con cui il DNA trasmette le informazioni che possiede, si è interpretato il suo linguaggio e si è visto che a un gruppo in sequenza di tre basi azotate detto TRIPLETTA, corrispondeva sempre uno specifico aminoacido e che a un certo numero di triplette in successione corrispondeva una sequenza di aminoacidi, ovvero una specifica proteina. La parte di DNA che contiene le triplette che danno origine a una proteina si chiama GENE e questo sofisticato modo di trasmettere le informazioni è chiamato CODICE GENETICO.

Ma come fa a mettersi in comunicazione il DNA del nucleo con gli aminoacidi del citoplasma?
E' qui che entra in azione l'RNA; il segmento di DNA che costituisce un gene diventa infatti lo stampo per l' RNA che, attraversando la membrana nucleare, entra nel citoplasma. Durante questo passaggio vengono eliminate le sequenze di basi che non codificano alcun carattere, avviene cioè lo splicing genico. Si forma in tal modo l' RNA messaggero, che porta il messaggio sul tipo di proteina da costruire. Per la costruzione delle proteine vengono utilizzati altri due tipi di RNA: RNA di trasporto e RNA ribosomale; anch'essi, sintetizzati nel nucleo passano poi al citoplasma dove svolgono le loro funzioni.Il primo è addetto a riconoscere gli aminoacidi necessari ad agganciarli e trasferirli sul filamento di RNA messaggero, posizionandoli nella giusta sequenza, mentre il secondo, che opera a livello dei ribosomi scorre sull'RNA messaggero ed è una potente macchina biochimica che prima legge il messaggio del DNA, poi favorisce i legami tra gli aminoacidi determinando così la produzione della proteina e il suo distacco dall' RNA messaggero.

4) GENETICA CLASSICA

Mendel riferì i suoi studi sul pisello odoroso nel 1865 nell'opera " Esperimenti sugli ibridi delle piante". Negli anni che seguirono molte piante ed animali diversi furono studiati in incroci sperimentali. I biologi tentarono, senza successo, di dare una spiegazione logica ai risultati ottenuti, e gli allevatori di piante ed animali dell'epoca non sembra si siano accorti dell'esistenza del lavoro di Mendel che avrebbe potuto risolvere molti dei loro problemi. I pochi biologi che ne erano a conoscenza non erano ancora pronti ad ammettere che la matematica fosse in relazione con gli incroci eseguiti. Fu solo nel 1900 cioè 35 anni dopo che Mendel ebbe presentato i suoi risultati, e qualche anno dopo la sua morte, che il lavoro fu "scoperto" da tre biologi. Karl Correns in Germania, Hugo de Vries in Olanda ed Ereich Tschrmak von Seysenegg in Australia, si accorsero delle importanti scoperte di Mendel mentre scrivevano un articolo scientifico per esporre i propri risultati sperimentali.
Di questi il ricercatore più attivo e del quale si sanno più informazioni grazie ai numerosi esperimenti che fece fu Hugo de Vries (1848-1935) botanico olandese che riscoprì le leggi dell'ereditarietà sviluppate dal monaco austriaco Gregor Mendel, e portò a termine il concetto di mutazione. La moderna scienza della genetica nacque dunque quando questi tre uomini riconobbero che il lavoro di Mendel aveva gettato le basi su cui poggiare le ricerche future sull'eredità.
Successore di Mendel e grande scienziato fu Sutton che teorizzò che i caratteri ereditari si trovano sui cromosomi. Ma gli spunti per dimostrare la sua tesi provengono in massima parte dallo studio di un singolo organismo, il moscerino dell'aceto o della frutta; il suo nome scientifico è Drosophila Melanogaster o "amante della rugiada dal ventre scuro". La Drosophila è stata studiata per la prima volta nei laboratori della Columbia University nella città di New York, dover già Walter Sutton aveva lavorato come giovane laureato. Qui Morgan, biologo e genetista statunitense, scoprì che i geni sono disposti linearmente sui cromosomi e confermò sperimentalmente l'attendibilità delle leggi di Mendel, gettando così le basi della moderna genetica sperimentale. Egli riuscì a dimostrare che cromosomi e geni vengono trasmessi in modo conforme a quanto previsto nelle leggi di Mendel effettuando esperimenti sulla Drosophila. Morgan e i suoi collaboratori realizzarono, inoltre, una serie di mappe cromosomiche, in cui a ciascun gene veniva assegnata una posizione precisa su un cromosoma. Per questi studi, nel 1933 gli fu conferito il premio Nobel per la medicina.

5) SCOPERTE DOPO MENDEL

5.1) Caratteri legati al sesso

I moscerini che si trovano in natura hanno occhi color rosso scuro, ma esaminando le sue colture di moscerini, Morgan trovò un moscerino maschio che aveva occhi bianchi invece che rossi. Egli accoppiò questo moscerino con occhi bianchi con una femmina con occhi rossi. La generazione F1 era formata interamente da moscerini dagli occhi rossi. Questo risultato non sorprese Morgan, se si ammette sulla base delle scoperte di Mendel che il gene per gli occhi bianchi sia recessivo rispetto al gene per gli occhi rossi; i moscerini della generazione F1 furono poi incrociati per produrre una generazione F2; fra questi discendenti si ottenne un rapporto di 3/4 di moscerini dagli occhi rossi e 1/4 di moscerini dagli occhi bianchi. Di nuovo, questo coincideva con le previsioni di Morgan; a questo punto però Morgan notò che tutti i moscerini con gli occhi bianchi erano maschi! Questo carattere, a differenza di altri, sembrava essere in qualche modo collegato al sesso dell'individuo. Il carattere occhi bianchi fu quindi definito carattere "legato al sesso".
Un lavoro accurato sulle cellule di Drosophila rivelò che c'è una differenza fra i cromosomi dei maschi e quelli delle femmine. In entrambi i sessi tre delle quattro coppie di cromosomi hanno membri simili, ma la quarta coppia è costituita anch'essa da due cromosomi simili nelle femmine, ma da due cromosomi diversi nei maschi. I cromosomi delle prime tre coppie si chiamano autosomi, quelli dell'altra coppia cromosomi sessuali (o eterocromosomi). Queste osservazioni sui cromosomi della Drosophila e la conoscenza della meiosi portano Morgan alla conclusione che i maschi devono produrre due diversi tipi di spermatozoi nei confronti dei cromosomi sessuali metà spermatozoi dovrebbero portare un cromosoma X e l'altra metà un cromosoma Y. Nelle femmine, invece, ogni uovo porta un cromosoma X. I cromosomi intervengono nella determinazione del sesso: i moscerini femmine possiedono sempre due cromosomi X e quelli maschi un cromosoma X e uno Y; il sesso di un moscerino sarebbe quindi dipeso dal tipo di spermatozoo che feconda l'uovo: se da uno spermatozoo portatore di un cromosoma X oppure da uno con cromosoma Y. Metà spermatozoi prodotti nei moscerini maschi mediante meiosi portano un cromosoma X e l'altra metà un cromosoma Y; quando gli spermatozoi si combinano a caso con le uova, ognuna delle quali ha un cromosoma X, si producono maschi e femmine in quantità pressoché uguali.
Questo meccanismo della determinazione del sesso è operante anche nell'uomo. Egli possiede 23 coppie di cromosomi: 22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali (nell'uomo il cromosoma Y è molto più piccolo del cromosoma X). Evidentemente, i cromosomi sessuali non solo determinano il sesso, ma sono anche portatori di geni per i caratteri ereditari. L'eredità dei caratteri dipendenti dai geni che sono localizzati sui cromosomi sessuali dovrebbe essere diversa da quella dei caratteri dipendenti da geni situati sugli autosomi. In effetti, si poteva spiegare molto facilmente il caso dell'eredità degli occhi bianchi trovato da Morgan nella Drosophila, supponendo che il gene per occhi bianchi fosse trasportato sul cromosoma X, ma che il cromosoma Y invece non contenesse questo gene.
Si dedusse che il cromosoma Y fosse inattivo riguardo all'eredità negli occhi bianchi. Se questa ipotesi era giusta, un singolo gene, anche se recessivo purché situato sul cromosoma X poteva essere individuato nel moscerino maschio, perché non c'erano alleli dominanti corrispondenti sul cromosoma Y per mascherare il suo effetto (dato che il maschio ha un solo cromosoma X c'è un solo allele per ogni carattere). Per applicare la teoria cromosomica dell'eredità a questo nuovo caso d'eredità legata al sesso, schematizziamo le due generazioni dell'incrocio di Morgan col maschio con occhi bianchi (bY x BB) e otterremo nella prima filiale tutti moscerini con gli occhi rossi, e nella seconda filiale un moscerino maschio con gli occhi bianchi. Si può spiegare l'eredità occhi bianchi nella Drosophila supponendo che il gene sia localizzato sul cromosoma X e non sul cromosoma Y. Morgan aveva quindi dimostrato che c'era un rapporto diretto fra un particolare carattere ereditario (in questo caso gli occhi bianchi) e un particolare cromosoma (in questo caso quello X).

5.2) Codominanza

Si manifesta quando nessuno dei due membri di una coppia di alleli è dominante sull'altro. Nei bovini "short horn", ad esempio, quando un toro rosso (CR CR) è incrociato con una vacca bianca (CB CB), i discendenti che costituiscono la F1 pur essendo eterozigoti, (CR CB), non sono né rossi né bianchi, come avverrebbe se uno dei due alleli fosse dominante sull'altro, ma roani, una combinazione di rosso e bianco. Se un toro roano (CR CB) è incrociato ad una vacca roana (CR CB), il vitello ha una probabilità su quattro di essere bianco (CB CB), due probabilità su quattro di essere roano (CR CB) e una probabilità su quattro di essere rosso (CR CR). In un incrocio come questo, in cui non c'è dominanza, si vede un nuovo rapporto genetico nella generazione F2: 1/4 a 1/2 a 1/4.

5.3) Alleli multipli

All'inizio del nostro secolo si è scoperto che per trasfondere il sangue da una persona ad un'altra occorre fare delle prove preliminari per accertare che la trasfusione possa avvenire senza gravi incidenti per il ricevente.
Questo fatto ha portato a classificare il sangue umano in quattro gruppi chiamati A, B, AB e 0 (zero); l'ereditarietà dei gruppi sanguigni si è però rivelata più complicata di quella di altri caratteri ma si è supposto che i gruppi sanguigni siano determinati non da due, ma da tre alleli diversi, detti alleli multipli: A, B e 0.
Gli alleli A e B sono codominanti ossia vengono entrambi espressi nel fenotipo AB; entrambi però dominano su 0.
Se una persona ha sangue di gruppo A, B, AB o 0, dipende dalla presenza di specifici antigeni ossia proteine (A e B) sulla membrana dei globuli rossi. Così si afferma che se un individuo possiede l'antigene A appartiene a gruppo A, se possiede l'antigene B appartiene a gruppo B, mentre quello che non possiede nessun antigene è di gruppo 0; è interessante ed importante sapere che il gruppo sanguigno di ogni persona è controllato geneticamente.
Una persona può avere due di questi alleli, ma non più di due. Quando gli alleli A e B si trovano nello stesso individuo, non c'è dominanza: entrambi gli alleli sono espressi e la persona appartiene a gruppo AB.
D'altre parte, sia A sia B sono dominanti su 0, quindi solo se entrambi gli alleli A e B sono assenti un individuo è di gruppo 0; queste relazioni sono riassunte nella tabella seguente.
Un individuo con gruppo sanguigno AB o 0 può avere un solo genotipo; le persone di gruppo A e B viceversa, possono avere uno dei due possibili genotipi; a volte è possibile determinare il loro genotipo conoscendo i gruppi sanguigni dei loro genitori o dei loro discendenti.

5.4) Test cross

In altri casi, come ad esempio nell'eredità del colore bianco o nero della pelliccia, nelle cavie l'osservazione che una cavia è nera non basta per stabilire se essa è omozigote o eterozigote per l'allele del colore nero del pelo. I genetisti possono risolvere questo problema con un test-cross. Il "test-cross" consiste nell'incrociare l'organismo di cui si vuole determinare il genotipo con un omozigote recessivo per il carattere in esame; ogni discendente di quest'incrocio riceve un gene recessivo dal genitore omozigote recessivo, ma, per presentare un fenotipo recessivo, è necessario che abbia ricevuto l'allele recessivo anche dall'altro genitore. Quindi, per determinare il genotipo di una cavia nera, la si accoppia con una cavia bianca (omozigote recessivo), è allora sufficiente che esista tra i discendenti di quest'incrocio anche una sola cavia bianca per concludere che la cavia nera era portatrice di un allele recessivo cioè era eterozigote. Invece per affermare che la cavia nera era omozigote non sempre è sufficiente non aver trovato nella discendenza del " test-cross" nemmeno una cavia bianca; è necessario anche che il numero dei discendenti sia abbastanza grande da poter escludere con ragionevole certezza che l'assenza di cavie bianche sia casuale (se la cavia nera è eterozigote ci si attende che il 50% delle cavie figlie siano nere e che il 50 % siano bianche).

5.5) Le mutazioni

Dall'inizio del nostro secolo, i genetisti incominciarono ad accorgersi che l'eredità dei caratteri, nell'uomo come in altri organismi, non sempre si verifica in modo normale, secondo le regole fin qui descritte. Ad ogni divisione cellulare ogni molecola di DNA fabbrica una coppia esatta di se stesso; poiché i nucleotidi si appaiano solo in dati modi, secondo le basi azotate, è facile immaginare come un gene possa fabbricare una coppia esatta di se stesso. Questo meccanismo funziona in modo quasi infallibile e infatti i geni possono riprodursi milioni di volte senza errori; a volte però si verifica un errore e, per motivi che non sono ancora del tutto chiari, a volte in una molecola di DNA viene messo un nucleotide diverso da quello normale oppure uno in meno o uno in più.
Questo mutamento modifica lievemente la molecola di acido nucleico, che non è più la copia esatta dell'originale. Anche il messaggio genetico scritto nell'alfabeto nucleotidico è diverso e il nuovo messaggio genetico può provocare nella cellula la sintesi di una proteina di tipo diverso. QUESTA MODIFICAZIONE DEL MESSAGGIO GENETICO SI CHIAMA MUTAZIONE .
Una mutazione talora produce nella cellula solo effetti secondari, in realtà l'effetto può causare addirittura la morte della cellula, mutazione letale, come accade quando essa influisce sulla produzione di un enzima molto importante.
Quasi ogni aspetto della vita dell'organismo può essere modificata dalle mutazioni genetiche, che possono influire sulla grandezza e la forma di un individuo, sulla sua struttura interna, sull'efficienza delle sue attività cellulari, sulla capacità di funzionamento del suo sistema nervoso e sul suo comportamento. In questo modo le mutazioni dei geni forniscono un'infinita varietà di nuovi tipi di molecole di DNA; questi nuovi tipi di geni conferiscono all'organismo strutture, capacità e aspetti del tutto nuovi; alcune mutazioni rappresentano un miglioramento rispetto ai caratteri primitivi, ma, nella quasi totalità dei casi determinano la comparsa di caratteri qualitativamente inferiori a quelli della generazione precedente.
Le mutazioni possono avvenire o per cause naturali come nel caso del crossing-over o per l'influenza di fattori esterni (agenti mutageni): il crossing-over avviene appena dopo la duplicazione del DNA e prima della duplicazione della cellula; nel momento di tale duplicazione può capitare che i cromosomi si sovrappongano e si scambino alcuni geni. In questo modo le cellule si trovano ad avere cromosomi differenti da quelli di prima e cambia l'informazione genetica contenuta in essi; perché questo avvenga basta solo uno scambio di nucleotidi o che alcuni di questi prendano posizioni sbagliate.
Le cause di gran parte delle mutazioni genetiche sono sconosciute e i biologi non sanno neppure perché un gene muti proprio in un determinato momento; per approfondire questi problemi i biologi hanno concentrato la loro attenzione sulle mutazioni genetiche nelle cellule sessuali. Le mutazioni di spermatozoi e uova possono essere identificate nelle generazioni successive, le mutazioni delle cellule somatiche devono invece essere individuate nella stessa generazione e nello stesso organismo in cui hanno avuto luogo e questo può presentare notevolissime difficoltà. Attualmente sono nate tecniche in grado di aumentare artificialmente la frequenza di mutazioni; il mezzo più diretto consiste nel trattare le cellule sessuali con vari agenti esterni chiamati agenti mutageni che generano le così dette mutazioni artificiali, tali fenomeni sono:

- la temperatura, se la cellula viene sottoposta a temperature elevate
- le sostanze chimiche, se la cellula viene a contatto con sostanze nocive
- le radiazioni, se al cellula riceve una gran quantità di radiazioni

La radiazione ha una duplice influenza sulla vita; in primo luogo colpisce le cellule somatiche dell'individuo (le dosi massicce di radiazioni assorbite da chi si trovava in prossimità di esplosioni atomiche in Giappone durante l'ultima guerra, ad esempio, provocarono gravi tipi di malattie "da radiazioni" che colpiscono la pelle e i rivestimenti degli organismi interni). Ne risentono anche gli organi in via di sviluppo, come ad esempio gli organi emopoietici, con conseguente anemia; fra gli effetti a lungo termine bisogna considerare il cancro, le cataratte agli occhi e un accorciamento della vita. Il secondo meccanismo attraverso il quale le radiazioni possono influenzare la vita è rappresentato dalla loro capacità di indurre mutazioni anche nelle cellule sessuali; dai punti di vista genetico ed evolutivo sono questi gli effetti più importanti nelle radiazioni perché, attraverso le mutazioni così indotte, possono venire influenzate tutte le successive generazioni. Le mutazioni provocate dalle radiazioni nelle molecole di DNA delle cellule sessuali si trasmettono alla generazione successiva; poiché queste mutazioni sono di carattere permanente, esse entrano a far parte della variabilità genetica della specie. In quasi tutte le specie, la maggior parte delle mutazioni sono recessive; ma sfortunatamente molte di queste sono anche dannose quando si trovano in entrambi i cromosomi di una coppia; possono influire sui processi vitali dello sviluppo o della vita degli individui. E' difficile misurare molti effetti genetici delle radiazioni perché le mutazioni recessive possono anche non rendersi manifeste per molte generazioni.

6) GENETICA UMANA

Il corredo cromosomico dell'uomo è formato da 46 filamenti, uguali due a due, che formano 23 coppie (2 cromosomi della stessa coppia contengono le stesse informazioni).
Numerose malattie dell'uomo sono dovute ad alterazioni geniche o cromosomiche. Una mutazione, cioè una variazione della sequenza di basi del DNA di uno specifico gene, porta alla sintesi di un m-RNA anomalo e, di conseguenza, di una proteina anomala. A seconda della localizzazione della mutazione nel gene, la malattia può presentarsi in forma più o meno grave. La funzione di un particolare enzima può essere alterata per anomalie nella sua formazione o nella sintesi di cofattori.
Molte malattie ereditarie sono spesso legate ai geni recessivi e quindi non si manifestano finché incontrano un gene dominante. Se però un individuo riceve da entrambi i genitori i due alleli recessivi, il carattere si manifesta e compare la malattia; da due genitori sani può nascere un figlio malato. Quando il gene responsabile della malattia è dominante, anche una sola copia del gene difettoso è sufficiente a provocare la malattia.

6.1) Malattie geniche

Alcune tra le principali malattie geniche sono:

- TALASSEMIA
- EMOFILIA
- DALTONISMO
- FIBROSI CISTICA
- ALBINISMO
- DISTROFIA MUSCOLARE DI DUCHENNE
- NEUROFIBROMATOSI

Talassemia
Con il termine di talassemia, o anemia mediterranea, si intende un gruppo di malattie ereditarie caratterizzate dalla produzione di globuli rossi anormali. Tale alterazione del sangue é più o meno grave, per cui porta a danni clinici molto diversi, arrivando, attraverso stadi intermedi, dallo stato di portatore sano, che ha una normale aspettativa di vita, alla "alfa talassemia maior" che porta inevitabilmente alla morte già nel corso della vita intrauterina.
I globuli rossi dei talassemici sono anormali, più piccoli (la malattia è detta perciò microcitemia dal greco micros = piccolo), incapaci di ben trasportare l'ossigeno e per di più sopravvivono meno del normale.
L'organismo cerca allora di compensare tale situazione, producendo un numero più alto di globuli rossi, espandendo il midollo osseo e aumentando l'assorbimento intestinale del ferro. Nel caso di persone che hanno ereditato la malattia da uno solo dei genitori, questo sistema funziona ed allora si parla di beta talassemia minor. Il paziente è talvolta pallido e astenico (cioè un po’ più debole del normale); è soprattutto un "portatore sano". Nei casi gravi (morbo di Cooley o beta talassemia maior), cioè in quei malati che hanno ricevuto i geni della malattia da entrambi i genitori, questo tentativo di compenso è inefficace a correggere l'anemia, anzi, a sua volta provoca ulteriori danni all'organismo perché, l'espansione midollare, oltre certi limiti, deforma le ossa e il ferro assorbito in eccesso si deposita su tutta la persona, danneggiando il fegato, le ghiandole endocrine, il pancreas, provocando diabete e complicazioni cardiache che sono attualmente la causa più comune di morte. Questi pazienti manifestano i segni della malattia già nei primi mesi di vita e, se non curati, muoiono in tenerissima età, non superando la pubertà. Distribuiti con maggiore incidenza in Sardegna, nell'Italia meridionale, nel delta del Po e a Torino, per la forte colonia sarda di lavoratori alla Fiat, in tutta Italia ci sono circa due milioni e mezzo di portatori sani (e la maggior parte non sa di esserlo) a fronte di oltre settemila ammalati nella forma grave che diventano oltre venticinquemila se teniamo conto anche degli altri popoli che si affacciano sul Mediterraneo. In lingua greca thalassa significa appunto mare e questo è più diffuso tra le popolazioni costiere e molto meno tra gli abitanti delle zone continentali o montuose.

Emofilia
L'emofilia è un carattere recessivo legato al sesso Se la donna ha un gene difettoso in uno dei suoi due cromosomi X, ella sarà protetta dai suoi effetti dal gene normale nel suo secondo cromosoma X. Se l'uomo ha un mutante X e un normale cromosoma Y, sarà affetto dalla malattia.
Il figlio, la cui madre ha due normali alleli non sarà affetto dall'emofilia anche se il padre ha la malattia e il gene difettoso. La figlia degli stessi genitori sarà una portatrice sana. La madre portatrice e il padre normale trasmettono il gene dell'emofilia su circa metà dei figli. Metà delle figlie saranno portatrici sane e metà dei figli maschi saranno emofiliaci. Il resto dei figli sarà normali. Le figlie, a meno che un genitore sia sano, possono essere solo portatrici. Se il figlio riceve il, gene difettoso dalla madre, sarà emofiliaco. Le due forme più frequenti, quella riguardante la deficienza del fattore VIII e del fattore IX (denominate rispettivamente emofilia di tipo A e di tipo B) sono responsabili di più del 90 delle malattie emorragiche ereditarie. La malattia cioè compare nei maschi della famiglia e viene trasmessa dalle femmine. La forma più diffusa è quella di tipo A o emofilia "classica". La possibilità che la malattia colpisca anche le donne è puramente teorica : sembra che la malattia sia letale prima della nascita.

Daltonismo
E' un difetto della vista per cui la persona non riesce a distinguere il rosso dal verde. La malattia del daltonismo si trova sul cromosoma x, unico negli uomini e doppio nelle donne. Quindi, mentre gli uomini manifestano questo carattere, le donne sono solo portatrici perché l'altro cromosoma x sano domina su quello difettoso. Se la donna ereditasse entrambi i cromosomi x difettosi dai genitori, sarebbe anch'essa daltonica, il che avviene raramente. L'incapacità di distinguere i colori può manifestarsi in modo diverso: si possono riconoscere tre forme: l'acromatopsia totale è un difetto estremamente raro, che consiste nell'assoluta incapacità di percepire i colori, mentre l'acuità visiva è conservata. Tutti gli oggetti appaiono a questi pazienti solo nelle sfumature del bianco e del nero. Nella discomatopsia manca la percezione di uno dei tre colori fondamentali per l'occhio, il rosso, il verde e il blu. Si distinguono cosi' forme di cecità al rosso (aneritropsia), di cecità al verde(acloropsia) e di cecità al blu(acianoblepsia). Spesso la cecità al rosso e la cecità al verde sono associate: e proprio a questo disturbo che dovrebbe essere riservato il termine daltonismo. La tricomatopsia anomala è caratterizzata da una minore sensibilità a uno dei tre colori fondamentali: questo disturbo altera la normale percezione dei colori. Per diagnosticare le forme di daltonismo, anche contro la volontà del paziente, sono stati sviluppati dei particolari test visivi.

Fibrosi cistica
La fibrosi cistica (CF) è una malattia monogenetica i cui i primi sintomi si hanno di solito nell'infanzia, anche se in circa il 3% dei pazienti la diagnosi viene fatta in età adulta. La malattia è caratterizzata dall'infezione cronica delle vie aeree, insufficienza pancreatica esocrina, anormale degenerazione delle ghiandole sudoripare e disfunzione urogenitale. La CF è una malattia autosomica recessiva che consegue a mutazioni in un gene localizzato sul cromosoma 7 . La prevalenza della CF varia a seconda dell'origine etnica di una popolazione; essa viene diagnosticata in circa 1 su 2500 nati vivi nella popolazione caucasica del Nord America e dell'Europa settentrionale, uno su 17 nati vivi negli stati afroamericani e 1 su 90.000 nati vivi nella popolazione asiatica delle Hawaii.

Albinismo
L'albinismo è un'anomalia ereditaria rara. E' caratterizzata dall'incapacità di produrre la melanina (il pigmento che dà il colore ai peli, alla pelle e all'iride dell'occhio). Si deve a una combinazione di alleli recessivi che determinano una scarsa produzione di un enzima necessario per la sintesi della melanina. Senza quest'ultima, che normalmente filtra le radiazioni solari, la pelle è soggetta a un rischio più alto di cancro e a un rapido invecchiamento, e gli occhi rimangono estremamente delicati.
La quantità di melanina presente nell'organismo varia da individuo a individuo: quando essa è assente, determina l'albinismo, che può presentarsi in forma totale o parziale. L'albinismo totale è raro e caratterizzato da pelle bianchissima, capelli quasi bianchi o giallo paglierino di consistenza setosa, occhi grigio-bluastri o rosei. Proprio a causa della mancanza di melanina, gli albini manifestano più o meno gravi disturbi della vista. non riescono a sopportare la luce, e la loro pelle non è in grado di restare esposta ai raggi del sole che per brevissimi periodi. Nell'albinismo parziale, relativamente frequente, la mancanza di pigmentazione è di solito limitata a un solo ciuffo di capelli o a un solo degli occhi o addirittura soltanto a una ristretta zona cutanea.

Distrofia muscolare di Duchenne
Questo disordine recessivo legato al sesso, talora definito distrofia muscolare pseudoipertrofica, si manifesta con un'incidenza di circa 30 nati maschi su 100.000 nati vivi. La malattia porta il nome del neurologo francese Duchenne, il quale fu il primo a stabilirne i criteri diagnostici e a descrivere gli aspetti morfologici.
La condizione distrofica è presente alla nascita, ma la malattia si rende di solito evidente tra i 3 e i 5 anni di età. I bambini cadono di frequente, e hanno difficoltà a intrattenere giochi con altri bambini; correre, saltare sono attività invariabilmente compromesse. Entro l'età di 5 anni i sintomi si fanno più evidenti: nel rialzarsi dal pavimento, il paziente è costretto ad aiutarsi con le braccia. Nei bambini più piccoli, i muscoli dei polpacci possono apparire di consistenza aumentata, gommosi, e di solito di dimensioni maggiori per fenomeni di ipertrofia muscolare vera; in seguito il muscolo viene rimpiazzato da tessuto adiposo e connettivo. Già all'età di 8-10 anni la deambulazione può richiedere l'uso di stampelle.

Neurofibromatosi
Con il termine di Neurofibromatosi si intendono almeno sette diverse malattie genetiche accomunate dalla presenza di tumori benigni che si sviluppano a livello dei nervi. Ognuna delle patologie ha però particolari peculiarità diagnostiche, importanti ai fini di una specifica sorveglianza periodica e differenziata. La forma più frequente è la NF1, che interessa oltre il 90% dei casi e colpisce un nato ogni 3000. La NF1 è facilmente riconoscibile sin dai primi anni di vita per la presenza sulla pelle di almeno sei macchie color caffè -latte. Con il passare del tempo compaiono i neurofibromi, nella forma di noduli localizzati in varie parti del corpo.
A parte questi problemi prevalentemente estetici e a lenta evoluzione, la NF1 ha un'evoluzione per molti altri aspetti imprevedibile. Nel 20% dei casi si associano infatti alcune gravi manifestazioni come tumori celebrali ed extracerebrali, mentre il 30-40% dei soggetti presenta dei disturbi di apprendimento come scarsa memoria, difficoltà di lettura o di concentrazione, di scrittura, o di linguaggio e necessitano di un supporto adeguato sin dalla prima infanzia.
La NF2 è molto meno frequente ma, di regola, più grave, in particolare per la costante presenza di tumori che colpiscono il nervo acustico, di uno o di entrambi i lati, e/o un'altra parte del cervello o del midollo spinale. A seconda della localizzazione possono essere presenti sordità e/o altri seri disturbi neurologici. Numerosi pazienti presentano inoltre una sorta di cataratta e un numero variabile di macchie caffè - latte e di neurofibromi.

6.2) Malattie cromosomiche

Le malattie cromosomiche sono dovute a duplicazione, rottura o riposizionamento del materiale cromosomico ed alcune di esse si estendono all'intero cromosoma o a un segmento di esso, anziché colpire un singolo gene.
Le principali malattie cromosomiche sono:

- SINDROME DI KLINEFELTER
- SINDROME DEL CRI-DU-CHAT
- SINDROME DI TURNER
- SINDROME DI DOWN

Sindrome di Klinefelter
Gli individui colpiti hanno tre cromosomi sessuali e la malattia si manifesta con difetti evidenti. E' causata dalla non disgiunzione dei cromosomi sessuali, con il risultato di un maschio con un cromosoma x in più. Questi individui hanno il genotipo XXY invece che XY.

Sindrome del Cri-du-chat
La sindrome del Cri-du -chat si manifesta con una alterazione del cromosoma 5. Il nome di questa sindrome deriva dal pianto dei bambini che portano questo cromosoma difettoso. Gli individui con questa malattia sono mentalmente ritardati, hanno un particolare aspetto del viso, e hanno breve speranza di vita.

Sindrome di Turner
La sindrome di Turner è causata dalla non disgiunzione dei cromosomi sessuali nella formazione dei gameti, con il risultato che dallo zigote si origina una femmina ha un cromosoma sessuale in meno. Il suo genotipo è così XO invece che XX. Quante bambine appaiono normali alla nascita, ma crescono meno, e diventano più apatiche delle altre ragazze. Le donne con la sindrome di Turner hanno collo largo, i loro organi sessuali e il seno non si sviluppano fino allo stadio adulto e sono perciò sterili.

Sindrome di Down
E' causata dalla non disgiunzione dei cromosomi della 21o coppia. Gli individui con tale sindrome hanno in tutte le loro cellule un cromosoma 21 in più (la sindrome è infatti nota anche col nome di trisomia del cromosoma 21). Fenotipicamente essi hanno palpebre anomale, naso schiacciato, lingua larga e mani corte e robuste; generalmente sono di statura bassa e talora presentano gravi problemi mentali e malformazioni cardiache.

7) LA CLONAZIONE

La clonazione è un processo che permette di ottenere una o più copie identiche di una cellula o di un intero organismo senza l’intervento della fecondazione o della riproduzione sessuata. In biologia indica la possibilità di "duplicare" il patrimonio biologico (genetico) di qualsiasi essere vitale. Così ad esempio si possono duplicare, virus, batteri, molecole, organismi o anche intere piante o interi animali. Il termine clone deriva dal greco "Klone" (germoglio) e trae origine dalla riproduzione, per talea, di piante assolutamente uguali.
Spesso l’espressione "clonazione" è indicata come sinonimo di riproduzione asessuale, nel senso che realizza la possibilità di riprodurre individualità biologica senza alcun riferimento alla sessualità.
Esistono tre tipi di clonazione:

- Da cellule somatiche
- Da cellule embrionali
- Da cellule batteriche

Un caso di clonazione da cellule somatiche è la pecora Dolly, clonata da cellule prelevate dalla ghiandola mammaria appartenente ad un animale adulto e specializzata a svolgere una determinata funzione. Il caso di Dolly ha dimostrato che è possibile far "regredire" questa cellula allo stadio della totilpotenza, permettendole di generare da sola un organismo completo. La cellula mammaria è stata fusa con una cellula uovo non fecondata, privata del nucleo e prelevata da un’altra pecora. Questa funzione è stata provocata con l’aiuto di virus così il clone ottenuto per replicarsi ha bisogno di scariche elettriche. In seguito è stato impiantato nell’utero di una madre adottiva, è nato così un nuovo essere assolutamente identico alla pecora che ha fornito la cellula mammaria.
Per ottenere Dolly, i ricercatori inglesi, hanno dovuto clonare 227 cellule di cui solo 29 erano in condizioni tali da poter essere impiantate nell’utero delle madri adottive. La nascita di Dolly presenta però ancora molti punti oscuri. Si sa che si tratta di una cellula della ghiandola mammaria, ma quale?
Potrebbe essere una cellula del sangue, del sistema immunitario o di tessuto, ma non possiamo averne la certezza. Inoltre Dolly potrebbe invecchiare più rapidamente delle sue simili perché i suoi telomeri sono risultati più corti di come avrebbero dovuto essere in una pecora di quell'età. In effetti, Dolly, potrebbe avere ereditato telomeri già accorciati a motivo dell’età della pecora di sei anni dalla qual è stata clonata. Questa caratteristica dei telomeri è dovuta anche alla lunga conservazione in laboratorio.
Indubbiamente questo processo scientifico pone seri problemi etici, morali e religiosi le cui valenze imprevedibili. E’ perciò urgente legiferare sulla materia per evitare che la clonazione si estenda anche agli umani.

Cosa potrebbe succedere?
Per esempio, come evitare che una coppia che ha perso un figlio incidentalmente non richieda alla clonazione di rimpiazzarlo con un esemplare esattamente uguale? Può sembrare atroce, ma l’amore talvolta può portare a situazioni estreme: una coppia potrebbe decidere di avere un figlio esattamente identico ad uno di loro, oppure, nel caso siano presenti malattie ereditarie nel corredo cromosomico dei genitori, questi potrebbero volere una gravidanza senza la partecipazione diretta dei gameti a rischio.
Un altro esempio di clonazione da questo tipo di cellule è quello di Cumulina, un topo femmina. Le cellule usate per clonare l’animale sono state prelevate dall’ovaio di una topina adulta e impiantato l’embrione del clone nell’utero della madre sostitutiva gli animali che nascono sono identici a quello che ha fornito la cellula somatica. Un caso di clonazione da cellule embrionali è quello dei vitelli.
Questa tecnica permette di ottenere cloni tutti identici tra loro ma non alla madre naturale. E’ in pratica una fabbrica di gemelli identici in laboratorio. La cellula clonata, infatti, deriva dall’unione di un ovulo e uno spermatozoo che, come avviene anche nel modo naturale di riproduzione, ha prodotto un rimescolamento del patrimonio genetico della mucca e del toro.
La clonazione di cellule batteriche è una tecnica impiegata comunemente nei laboratori per svariare finalità. Una di queste è l’isolamento, la riproduzione in multiple copie e la caratterizzazione di un gene appartenente al genoma di un altro organismo. Ciò viene effettuato introducendo una parte del genoma dell’organismo in una cellula batterica.

La clonazione umana

Oggi, è possibile clonare un essere umano?
Dopo il successo di Dolly si considera "clonazione" la riproduzione di un animale adulto. E’ importante soffermarsi su questo perché ci sono attualmente esperimenti in corso che usano la stessa tecnica usata con Dolly, che si chiama "Nuclear transfer technology" (tecnologia del trasferimento del nucleo), per trattare un’infertilità femminile.
In questo caso però, la clonazione è moralmente accettabile perché non si manipolano cellule di adulto. La tecnologia esiste. E’ appunto la stessa che viene impiegata oggi in maniera sperimentale per trattare l’infertilità, solo che al posto di cellule embrionali si dovrebbero usare cellule di un individuo adulto.
La Nucleae transfer Technology consiste nel rimuovere il nucleo (ovvero il materiale genetico che rende unico un individuo) da una cellula di un adulto. Il nucleo, contente tutto il corredo genetico dell’individuo a cui appartiene, avrebbe poi trasferito nella cellula uovo non fecondata di una donatrice. Questa cellula è privata del suo nucleo ma conserva il citoplasma, in materiale che permette lo sviluppo della cellula stessa.
Per clonare Dolly ci sono volute oltre 200 cellule uovo private del nucleo, nelle quali è stato inserito il materiale genetico di una pecora adulta. Se si applicasse la tecnica sull’uomo, si potrebbe avere un embrione che non si impianta o che si sviluppa in modo anomalo.
Il rischio di errore è troppo alto perché questa procedura possa essere accettabile. In futuro la percentuale di successo nella clonazione degli animali migliorerà, ma naturalmente questo richiede uno sforzo congiunto da parte dei laboratori di tutto il mondo.

L'impronta genetica

Nel 1984 Alec Jeftreys dell’Università di Leicester , mentre studiava il gene della mioglobina, una proteina del muscolo, osservò una zona molto particolare costituita dalla ripetizione in serie di una stessa sequenza di poche paia di basi: era come se una stessa parola fosse scritta sul DNA molte volte di seguito. Questa zona, che non codificava alcuna proteina, aveva la particolarità di variare in lunghezza da un individuo all’altro. Proseguendo le ricerche si scoprirono molte altre zone del DNA costituite da sequenze ripetute e fu dato loro il generico nome di minisatelliti. I minisatelliti sono come le impronte digitali. E’ impossibile che due persone in tutto il mondo abbiano le stesse impronte, così ogni individuo ha i propri minisatelliti che definiscono la sua impronta genetica. In verità l’impronta genetica riesce ad arrivare ben oltre l’impronta digitale. I minisatelliti sono presenti nel DNA in doppia copia: una copia viene ereditata dal padre e l’altra dalla madre. Non solo l’impronta genetica e unica in quanto il risultato della mescolanza del DNA paterno e materno, ma è possibile anche, mediante un confronto fra i vari genotipi, stabilire chi sono i genitori, i fratelli o i nonni.
I minisatelliti hanno trovato anche applicazione nelle analisi di paternità, dove si deve verificare se un uomo è o non è il padre di un bambino.
L’impronta genetica viene utilizzata anche nelle prove giudiziarie. Da una macchia di sangue o da un frammento di pelle rinvenibili sul luogo del delitto, è possibile estrarre il DNA e definire con certezza la sua provenienza, confrontandolo con quello di una persona indiziata o della stessa vittima.

8) LE BIOTECNOLOGIE

Biotecnologia significa letteralmente tecnologia biologica. Comprende una serie di manipolazioni genetiche che servono per la produzione di beni e servizi.
Già nell'antichità venivano selezionate piante e animali per soddisfare meglio i bisogni dell'uomo: es. grano con la spiga non caduca, bovini adatti alla produzione di carne, di latte e di lavoro. Gli agricoltori facevano riprodurre gli animali con le caratteristiche più adatte a soddisfare il loro bisogno. Dopo Mendel con il progredire della genetica vennero utilizzate tecniche nuove: infatti nel secondo dopoguerra fu scoperto il cosiddetto "vigore degli ibridi" che portò la produzione non verso le linee pure ma verso i prodotti di incrocio. Nel 1953 con la scoperta dell'acido desossiribonucleico (DNA) si potè indagare a fondo sulle basi molecolari della vita. Nei primi anni '70 furono elaborate delle tecniche sugli esseri viventi come ad esempio quella del "taglia e cuci": da un organismo vivente si estrae un pezzo di Dna e lo si mette in un altro organismo producendo una combinazione genetica nuova. Nacquero così le biotecnologie avanzate che consentono di utilizzare organismi viventi in vari processi industriali. In particolare si sviluppò l'ingegneria genetica che è l'insieme di operazioni che portano alla costruzione di Dna ricombinati e cioè di nuove combinazioni genetiche: produzione di farmaci e altri composti chimici.
Grazie alle tecniche di manipolazioni è oggi possibile inserire, modificandoli se necessario, geni provenienti da una certa specie nell'informazione genetica di un'altra specie completamente diversa: geni animali in batteri o piante, geni umani negli animali, producendo piante e animali transgenici.

8.1) L'ingegneria genetica

L'ingegneria genetica, che si può considerare la più moderna tra le biotecnologie, consiste nell'utilizzo di tecniche capaci di modificare in modo predeterminato il patrimonio genetico di un organismo; non si tratta, però, di metodi di pura invenzione umana, infatti gli ingegneri genetici non fanno altro che sfruttare tecniche biologiche già "inventate" dalle cellule nel corso dell'evoluzione. La modifica stabile di un genoma cellulare è un fenomeno già presente in natura: lo utilizzano i virus, che inseriscono il proprio DNA in quello della cellula ospitale batterica per "costringerla" a riprodurre nuove particelle virali.
Gli studi condotti sui meccanismi di infezione virale hanno portato alla scoperta di molecole di estremo interesse genetico.
I plasmidi sono piccole molecole circolari di Dna presenti nei batteri esternamente al cromosoma e dotate di riproduzione autonoma. In natura funzionano quindi da vettori genetici e allo stesso scopo sono utilizzati nell'ingegneria genetica per trasferire geni da un tipo di organismo a un altro. Gli enzimi di restrizione sono in grado di "tagliare" la molecola di Dna in corrispondenza di determinate sequenze.Dopo il taglio da essi eseguito, l'opera di ricucitura della molecola di Dna viene eseguita da altri enzimi,le Dna ligasi. La trascrittasi inversa è un enzima presente nei virus a Rna capace di catalizzare la trascrizione di una molecola di Dna a partire da una molecola di Rna. I biologi molecolari utilizzano questo tipo di enzima per sintetizzare il gene codificante per una certa proteina a partire dalla corrispondente molecola di mRna presente nel citoplasma cellulare.
Utilizzando in modo adeguato le competenze biochimiche di queste molecole, è possibile manipolare l'informazione genetica di una cellula producendo Dna ricombinante, ottenuto cioè dall'unione di materiale ereditario proveniente da individui geneticamente diversi.
E' possibile, quindi, ricombinando in modo mirato il Dna di una cellula, farle produrre per esempio proteine, per la sintesi delle quali non era naturalmente programmata. Dopo aver isolato il gene che interessa, da un organismo animale o vegetale, lo si fa combinare con un plasmide, ottenendo Dna ricombinato che, inserito in una cellula batterica ospite, induce la sintesi della proteina voluta. La cellula ospite trasformata, duplicandosi, genera un clone di individui tutti uguali, contenenti il plasmide modificato. In tal modo è possibile ottenere artificialmente notevoli quantità di proteine di interesse terapeutico, quali l'insulina, l'ormone della crescita o il fattore VIII, indispensabile alla coagulazione del sangue e che manca nei soggetti emofiliaci.

8.2) I vegetali transgenici

La modificazione genetica nelle piante consiste nell'introdurre attraverso geni prelevati da altri organismi nuove proprietà per la resistenza ai parassiti e alla siccità oppure per avere un gusto più gradevole o una maggior concentrazione di sostanze nutritive. Nella prima metà degli anni '80 l'americano Kary Mullis ha scoperto un metodo che permette a frammenti di Dna di duplicarsi con più velocità. Gli scienziati prelevano i geni responsabili di proprietà e funzioni utili, quindi ne producono molte copie e le inseriscono nella pianta che vogliono modificare.L' Unione europea autorizza solo cinque vegetali geneticamente modificati: mais, soia, colza, radicchio e tabacco e la loro produzione è consentita dal 1993.

Principali trans-piante

SOIA
Resistenza ai diserbanti

COLZA
Resistenza ai diserbanti, aumento del contenuto di acidi grassi

COTONE
Resistenza ai diserbanti, resistenza agli insetti nocivi

MAIS
Resistenza ai diserbanti, resistenza agli insetti nocivi

PATATA
Resistenza agli insetti nocivi

POMODORO
Prolungamento della freschezza

GIRASOLE
Alta produttività, resistenza alle malattie, aumento del contenuto di acidi grassi

ALFA-ALFA
Crescita precoce (usato come mangime per gli animali da allevamento)

8.3) Animali trans-genici

Le biotecnologie che fanno uso di specie animali devono il proprio sviluppo al fatto che questi organismi, sebbene siano più costosi di piante e microrganismi, producono le sostanze e i composti d'interesse in modo più simile a quanto avviene nel corpo umano.
Esattamente come i microrganismi e le specie vegetali, anche gli animali possono essere alterati geneticamente introducendo nuovi geni a livello embrionale.
Per i vertebrati, e per i mammiferi in particolare la clonazione artificiale richiede un procedimento, realizzato per la prima volta negli anni '60 dal biologo inglese Gurdon sulle rane, di trasferimento del nucleo di una cellula somatica (cioè del corpo, non destinata alla riproduzione) all'interno di una cellula uovo, svuotata del proprio nucleo. Nel 1997 è arrivato l'annuncio della clonazione della pecora Dolly (nata nel luglio 1996) cui seguono topi e nel 1998 l'annuncio di aver realizzato un processo di clonazione umana.

Vantaggi dell'utilizzo delle biotecnologie:

- Aumento della produttività e minor uso di mezzi tecnici (fertilizzanti o antiparassitari) diminuendo sostanze indesiderate nei cibi
- Riduzione dei costi sia per gli agricoltori che per i consumatori a patto che i benefici economici non vadano a finire ai privati titolari di brevetti
- Riduzione dei trattamenti chimici in agricoltura riducendo costi e manodopera
- Riduzione dei tempi di irrigazione
- Sfruttamento appieno dei territori in ambienti ostili
- Piante più forti, più resistenti, più produttive

Svantaggi:

- I costi sono ancora elevati perchè la ricerca è costosa
- Accentuazione della dipendenza degli agricoltori da chi ha il monopolio di conoscenze nel settore delle biotecnologie, e la concentrazione nelle medesime mani della ricerca e del sapere
- La possibilità che i prodotti transgenici possano recare danni alla salute dell'uomo poiché le proteine codificate dai nuovi geni svolgono un'azione tossica e/o allergenica
- Sia nella fase di sperimentazione che in quella di post-marketing non è mai stato eseguito un controllo accurato sulla commercializzazione di questi prodotti
- I prodotti importati non hanno l'obbligo di essere etichettati quindi è impossibile sapere cosa mangiamo
- Diffusione dei transgeni attraverso il polline e di conseguenza la presenza di fenomeni di inquinamento genetico di altre piante della stessa specie coltivate in aree adiacenti
- Squilibrio negli ecosistemi per la presenza di geni tossici nei confronti di insetti fitopatogeni che colpiscono altre specie non target
- Resistenza agli antibiotici, contenuti nelle piante, che potrebbero entrare nel nostro apparato digerente e procurarci dei disturbi
- Riduzione della biodiversità delle piante d'interesse alimentare, con molta velocità

Applicazioni e conseguenze sull'ambiente

Per degradare le sostanze inquinanti presenti nell'ambiente e in modo particolare nel suolo vengono introdotti microrganismi. La loro crescita può a volte essere incrementata introducendo particolari sostanze nutritive nell'aria e nel suolo determinando così la degradazione degli inquinanti. Vengono introdotti anche microrganismi scelti appositamente per la loro capacità di detossificazione, inoltre si può rimuovere il suolo contaminato ed esporlo in condizioni controllate all'azione dei microrganismi degradatori e, quindi, il suo riposizionamento nel luogo d'origine.In molti paesi i batteri sono usati per estrarre metalli come il ferro, lo zinco e l'uranio da giacimenti difficilmente accessibili o in cui il minerale di interesse non è puro. Le estrazioni mine- rarie che utilizzano queste tecnologie stanno diventando sempre più importanti, via via che i depositi di facile accesso e ricchi di minerali si stanno esaurendo. Il rapido sviluppo economico della nostra società ha causato notevoli cambiamenti nell'ambiente naturale con gravi ripercussioni sulla qualità dell'atmosfera, del suolo e delle acque.Gli inquinanti principali sono: fitofarmaci, metalli pesanti, idrocarburi clorurati e aromatici,, nitrati.
Dal gennaio 2000 ogni paese ha il diritto di respingere l'importazione di cibi geneticamente modificati, e i paesi esportatori devono fornire informazioni sui prodotti e indicare sull'etichetta la presenza di organismi geneticamente modificati. Dal 10 aprile 2000 è obbligatorio segnalare nell'etichetta la presenza di composti transgenici.

9) IL PROGETTO "GENOMA UMANO"

L'idea di intraprendere uno studio coordinato del genoma umano sorse tra il 1985 e il 1987, nel corso di una serie di congressi scientifici. L'avviamento effettivo del Progetto genoma umano risale, invece, al 1990, grazie ai fondi messi a disposizione negli Stati Uniti da due istituzioni governative, i National Institutes of Health (NIH) e il Departement of Energy (DOE).
Il "Genoma Umano" contiene tutte le istruzioni biochimiche sotto forma di combinazioni delle quattro basi del DNA: adenina, timina, citosina, guanina (A,T,C,G,) per costruire e mantenere in vita un essere umano. Nel 1986 venne varata dalla comunità scientifica internazionale una delle tappe più ambiziose della ricerca biologica: la possibilità di identificare la sequenza nucleotidica del genoma (cioè l'insieme dei geni presenti nel corredo cromosomico di una specie).
Il genoma è la collezione completa di tutto il materiale genetico di un organismo vivente. Il genoma umano è composto da circa 50.000-100.000 geni, localizzati sulle 23 coppie di cromosomi presenti nel nucleo di ciascuna cellula umana. Un singolo cromosoma può arrivare a contenere più di 250 milioni di coppie di basi, mentre l'intero genoma umano, secondo alcune stime, è costituito da circa 3 miliardi di coppie di basi.

9.1) Scopi del progetto e mezzi per realizzarlo

Il Progetto "Genoma Umano" si propone di leggere completamente il DNA dell'uomo e di conoscere, quindi, l'esatta sequenza di tutte le basi che compongono i suoi 46 cromosomi.
Una conoscenza del genoma umano potrebbe chiarire molti misteri:

- L'origine di varie malattie genetiche
- i meccanismi dello sviluppo e dell'invecchiamento dell'organismo umano.

Per realizzare la completa conoscenza del genoma umano sono necessarie due fasi: la mappatura dei cromosomi e l'isolamento dei geni.
La mappatura è avanzata per il cromosoma 19 (su cui sono localizzati alcuni geni capaci di riparare il DNA danneggiato da radiazioni UV e da sostanze cancerogene), il cromosoma 16 (che porta geni per alcune malattie renali e la leucemia), il cromosoma 21 (implicato nella sindrome di Down e nel morbo di Alzheimer) e il cromosoma 7 (sul quale è stato localizzato il gene della fibrosi cistica).
E' importante ottenere la mappatura di genomi diversi per confrontare il loro "linguaggio", stabilendo così il grado di affinità tra le diverse specie e tracciandone la linea evolutiva dall'antenato comune. Molto più complesso, invece, è l'isolamento dei geni.
Il Progetto Genoma probabilmente non avrebbe potuto essere pensato o comunque si sarebbe sviluppato assai più lentamente, se negli anni ottanta non fossero state ideate e perfezionate nuove metodologie che hanno di fatto e rivoluzionato l'analisi genetica.
L'aspetto tecnico del Progetto si può riassumere in tre aree, in parte dipendenti, in parte tra loro intersecate: l'identificazione di tutti i geni, il loro mappaggio e infine il sequenziamento di tutto il genoma.
L'obiettivo generale del progetto non è solo quello di decifrare tutti i geni, ma anche di scoprire il funzionamento del DNA in processi come la replicazione cellulare, la regolazione dell'espressione genica, la struttura tridimensionale del DNA in rapporto alle proteine cromosomiche e alla struttura del nucleo. Queste conoscenze vengono applicate a problemi biologici di grandissimo interesse: si tratta di determinare quali sono i geni coinvolti in tutti questi processi. L'identificazione di geni coinvolti in rari casi di forme ereditarie consente di scoprire nuove vie patogeniche che hanno presumibilmente un ruolo anche nelle forme non ereditarie di queste malattie. La terapia genica, infine, è una diretta discendenza del Progetto Genoma: per utilizzare i geni in terapia bisogna prima conoscerli nei dettagli.

9.2) Prospettive future

La prima fase del progetto Genoma Umano, la completa decifrazione del nostro patrimonio genetico, è ormai cosa fatta. La società privata americana Celera Genomics è riuscita ad individuare tutte le lettere chimiche, circa 3 miliardi e 100 milioni, che compongono il nostro codice genetico.
La decifrazione dell'intero codice genetico è il primo passo verso la ricostruzione della sequenza di ogni singolo gene e verso l'individuazione della sua funzione. La scoperta faciliterà la ricerca e la diagnostica. Sarà come avere un libro, una mappa in cui trovare il luogo (il gene) che ci interessa. Supponiamo che in una famiglia sia presente una malattia congenita, con i metodi della genetica classica è possibile individuare la zona del cromosoma in cui si trova il difetto, mentre per scovare il gene coinvolto occorre sapere la sequenza di basi nucleotidiche che le compongono.
Dopo aver completato l'inventario dei geni umani, ora gli scienziati di tutto il mondo stanno studiando le applicazioni pratiche delle conoscenze acquisite, la seconda fase del progetto genoma umano. Nei primi decenni del XXI secolo l'impatto della rivoluzione genomica sarà avvertito su scala mondiale e coinvolgerà i campi più disparati dell'attività umana come la medicina, l'agricoltura, l'ambiente, l'industria e la società civile. Le prime grande vittorie del Progetto genoma umano riguardano le malattie genetiche. Oggi la lotta contro la maggior parte delle malattie ereditarie monogeniche, cioè causate da un solo gene, come la fibrosi cistica, la talassemia, l'emofilia e la distrofia muscolare ha avuto risultati concreti. Buona parte dei geni responsabili delle malattie più comuni (circa 200) e di quelle più rare (600-800) sono stati inchiodati alle loro responsabilità. Per queste malattie è già possibile una diagnosi prenatale.
La terapia genetica, sperimentata per la prima volta negli Stati Uniti nel 1990, è un insieme di tecniche che, una volta uscite dalla fase sperimentale, permetteranno di rimpiazzare i geni difettosi del DNA dei malati. Per terapia genetica s'intende il trasferimento di materiale genetico allo scopo di prevenire o curare una malattia. Nel caso delle malattie genetiche, in cui un gene è difettoso o assente, la terapia genica consiste essenzialmente nel trasferire la versione funzionante del gene nell'organismo dell'ospite, in modo da rimediare al difetto.
Anche se tutti i protocolli di terapia genica si basano essenzialmente sugli stessi principi ed utilizzano metodiche simili, ogni malattia- oltre che l'isolamento del gene o dei geni specifici- richiede spesso anche la messa a punto di una metodica differente. Molto spesso è il bersaglio ad essere differente: ad esempio, i tentativi di terapia genica per curare la fibrosi cistica hanno come principale bersaglio le cellule delle vie aeree, mentre quelli per le immunodeficienze mirano a trasferire il gene nelle cellule del sangue.
Un gene è una porzione di DNA che contiene le informazioni necessarie a fabbricare una proteina. Trasferire un gene significa quindi trasferire un pezzo particolare di DNA. Ciascuna malattia genetica è causata da una diversa alterazione genetica. La prima tappa verso la terapia genica è quindi quella di identificare il gene responsabile della malattia. In seguito, tramite le tecniche di biologia molecolare è possibile ottenere un pezzo di DNA che contiene questo gene. Questa prima tappa si chiama isolamento o clonaggio del gene.

9.3) Diagnosi ed effetti neonatali

Durante gli ultimi vent'anni la scienza medica ha sviluppato diverse tecniche che consentono di esaminare il nascituro, ovvero il feto, per determinare se corre dei rischi.
Una tecnica basata sugli ultra suoni, l'ecografia, viene usata per localizzare la posizione del feto nel grembo materno. Un' onda sonora ad alta frequenza viene inviata attraverso l'addome materno e viene riflessa dal feto; una speciale apparecchiatura trasforma le onde riflesse in un'immagine sullo schermo. Oltre alla posizione e alla dimensione del feto, l'ecografia può rivelare delle anormalità strutturali. Il feto si sviluppa nell'utero materno, un organo muscolare cavo all'interno del quale si trova una membrana chiamata amnios che delimita una cavità piena di liquido. Il feto fluttua in quello che viene chiamato liquido amniotico, che contiene cellule provenienti dal feto stesso.
Prelevando una piccola quantità di liquido amniotico, si recuperano anche alcune cellule del feto. Tale operazione si esegue semplicemente inserendo con cautela un ago nel grembo materno. La tecnica, detta amniocentesi, è praticamente indolore e priva di rischi.
Dopo il prelievo, parte del liquido amniotico viene posta in un contenitore sterile in cui le cellule vengono fatte crescere e moltiplicare per circa un mese, dopo di che viene allestito un cariotipo che consente di rilevare eventuali alterazioni cromosomiche, oltre al sesso del feto. Il resto del liquido amniotico prelevato viene usato per test biochimici di ricerca di proteine anomale o mancanti che possono essere responsabili di malattie.

9.4) Le cure del nascituro

I test rivelano generalmente che il feto è normale e sano, ma in circa il 2 o 3% dei casi non è così. Recentemente si è riusciti a curare con successo certi disturbi mentre il bambino era ancora nel grembo materno e, in certi casi, i feti hanno ricevuto trasfusioni di sangue prima della nascita; anche la futura madre può essere trattata con farmaci speciali o con una dieta adatta al fine di aiutare il bambino.
Sfortunatamente, solo una piccola percentuale dei feti malati può beneficiare delle tecniche esistenti, poiché alcuni trattamenti sono rischiosi e richiedono una grande abilità. Anche le usuali procedure inoffensive, come l'amniocentesi, possono aumentare la possibilità di aborto.
Gli studiosi stanno ora lavorando all'elaborazione di test e trattamenti per diverse malattie ed i medici si augurano che le attuali cure diventino più largamente disponibili così che, anche quando i test siano sfavorevoli, il bambino possa avere una maggiore probabilità di essere sano alla nascita.

9.5) Geni dell'invecchiamento

Quando le cellule nervose (i neuroni) invecchiano diminuiscono le capacità di reazione agli stimoli e la risposta di tutta la rete nervosa. Ciò avviene perché l'invecchiamento indebolisce notevolmente l'azione dei geni che determinano lo sviluppo delle sinapsi, cioè i collegamenti tra cellule nervose. Il che comporta una riduzione delle capacità mentali e, nei casi più gravi può portare a malattie neurodegenerative, come il morbo di Alzheimer, che provoca la perdita delle capacità mentali.
Si è sempre pensato che l'invecchiamento delle cellule differenziate non potesse essere evitato. Tuttavia, da recenti studi è emerso che in particolari condizioni è possibile stimolare le cellule staminali a dividersi ed a differenziarsi in una grande varietà di tessuti come il rivestimento delle pareti intestinali, il sangue, la cartilagine, l'osso e il muscolo. Se mai sarà possibile controllare in provetta la differenziazione delle cellule staminali, potremo ottenere tessuti " su misura ",per riparare quelli danneggiati da infarto o da malattie degenerative come il morbo di Parkinson. E forse l'invecchiamento cerebrale, così temuto, potrà essere sconfitto o almeno rallentato.