GENI

ASSOCIAZIONE DI GENI E CROSSING-OVER

               I geni recessivi localizzati nei cromosomi X si manifestano fenotipicamente nel maschio, nelle specie ad eterogamia maschile, perché mancano sull'Y gli alleli corrispondenti, essendo l'Y di massima, geneticamente vuoto, e perciò non omologo dell'X. Ma i geni localizzati negli altri cromosomi, gli autosomi, presenti in coppie omologhe, non mostrano diversità di comportamento nei due sessi. Se le coppie di alleli sono localizzate in altrettante coppie di cromosomi omologhi si avrà, alla meiosi, segregazione indipendente degli alleli di ciascuna coppia conforme alla legge mendeliana dell'indipendenza. Ma il numero delle coppie geniche è, nella generalità delle specie animali e vegetali, di gran lunga più elevato del numero delle coppie cromosomiche. E' da prevedere che su una stessa coppia di cromosomi omologhi debbano trovare posto più coppie geniche, e che vari geni debbano essere localizzati su uno stesso cromosoma: geni detti associati o concatenati.  Esistono moscerini maschi con occhi bianchi, sia maschi che femmine con  corpo nero (invece che grigio) o ali vestigiali (invece che lunghe). I geni corrispondenti a tali caratteri  sono localizzati su autosomi. Con opportuni incroci si possono ottenere moscerini di entrambi i sessi con ambedue le caratteristiche corpo nero e ali vestigiali. Si ammette che i geni corpo nero e ali vestigiali siano sullo stesso cromosoma. L'associazione di geni dà ragione della combinazione dei due caratteri recessivi nello stesso individuo non è sempre stabile, si possono avere individui con corpo normale e lai vestigiali, oppure con ali normali e corpo nero. Per spiegare ciò si ammette che su cromosomi omologhi si deve verificare una rottura con scambio di segmenti cromosomici. Ciò accade realmente durante la profase della meiosi, quando si passa dal pachitene al diplotene. Rotture che si chiamano crossing-over.

MAPPE CROMOSOMICHE          

               I geni localizzati su una coppia di cromosomi omologhi costituiscono un gruppo di associazione di geni, Nella Drosophila abbiamo quattro gruppi di associazione così distribuiti: un primo gruppo sul cromosoma X, due gruppi sulle coppie di cromosomi lunghi, il quarto, di pochi geni, sulla coppia di cromosomi puntiformi. Rappresentando un cromosoma con un segmento, si segnano su di esso i punti che corrispondono da un estremo all'altro alla localizzazione dei vari geni, a distanze convenzionali che sono proporzionali alla frequenza con cui i geni stessi possono scambiarsi: si hanno così le mappe cromosomiche, che indicano la successione dei geni lungo i vari cromosomi.

LE MUTAZIONI

               Le mutazioni sono nuove caratteristiche che compaiono all'improvviso in alcuni individui di una popolazione, e sono ereditarie. (vedere paragrafi precedenti). Distinguiamo tre tipi di mutazioni:  geniche, cromosomiche e genomiche. Le mutazioni geniche sono modificazioni del singolo gene, che fanno passare il gene da un suo stato allelico ad un altro. Le mutazioni cromosomiche sono modificazioni visibili al microscopio ottico della forma dei cromosomi. tali modifiche sono dovute a perdita (delezione) di una parte di cromosoma; a spostamento di una parte di cromosoma da un cromosoma all'altro o sullo stesso cromosoma (traslocazione); alla ripetizione di un tratto di cromosoma, in modo tale che i geni contenuti si presentano per due volte consecutive (duplicazione); o un'inversione di un segmento di cromosoma (inversione). Le mutazioni genomiche riguardano l'assetto o corredo cromosomico aploide.Tale mutazione consiste in alterazioni del numero normale di cromomi. Una mutazione del genoma consiste nella presenza nella cellula di un numero triplo, quadruplo di corredi aploidi di cromosomi. L' aneuploidia consiste, invece,  nella mancanza o nella ripetizione di alcuni cromosomi.

GENETICA MOLECOLARE

               Come già è stato detto fu Miescher nel 1869 a scoprire che il nucleo cellulare era costituito in gran parte da una sostanza contenente fosforo con proprietà totalmente diverse da quelle delle proteine; questa sostanza fu chiamata nucleina, vent'anni dopo, quando si scoprì che era fortemente acida, fu ribattezzata  acido nucleico. Un altro allievo di Hoppe-Seyler, fu il primo ad eseguire una ricerca sistematica sulla struttura della molecola dell'acido nucleico. Mediante idrolisi isolò da questa sostanza una serie di composti contenenti azoto che chiamò: adenina,  guanina,  citosina e timina. La struttura a doppio anello nei primi due composti è chiamata  purina, e il singolo anello negli altri due è chiamato pirimidina. Per queste ricerche Albrecht Kossel ricevette il premio  Nobel per la medicina nel 1910. Theodore Levene, un allievo di Kossel, nel 1911 proseguì gli studi. Nel 1891 Kossel aveva scoperto che gli acidi nucleici contenevano dei carboidrati, ma Levene dimostrò che gli acidi nucleici contenevano delle molecole di zuccheri a cinque atomi di carbonio (fino ad allora gli zuccheri conosciuti erano a sei atomi di carbonio). Levene dimostrò anche che i due tipi di acidi nucleici (l'acido nucleico del timo, isolato da Miescher e quello del lievito, isolato da Hoppe-Seyler)  differivano per il tipo di zucchero. L'acido nucleico del lievito conteneva ribosio, mentre quello del timo conteneva il deossiribosio, con un atomo di ossigeneo in meno. Di conseguenza le due varietà di acido furono chiamate  acido ribonucleico [RNA] e  acido deossiribonucleico [DNA]. Oltre che per gli zuccheri i due acidi differiscono anche per una  pirimidina. Al posto della timina l'RNA possiede l'uracile, di struttura molto simile alla timina. Nel 1934 Levene dimostrò che gli acidi nucleici potevano essere scissi in frammenti contenenti una purina o una pirimidina il ribosio (o il deossiribosio), e un grupo fosforico. Questa combinazione venne chiamata  Nucleotide. Levene suggerì che la molecola di acido nucleico fosse costituita da nucleotidi proprio come una proteina era formata da amminoacidi. Le analisi quantitative inducevano a pensare che la molecola consistesse di soli quattro nucleotidi, contenenti rispettivamente un'adenina, una guanina, una citosina e una timina (nel DNA) oppure un uracile (nell'RNA). In definitiva il materiale presente nei cromosomi veniva considerato una nucleoproteina, che a sua volta consisteva in una grande molecola proteica a cui erano legati uno o più di questi gruppi tetranucleotidici. In realtà quello che Levene aveva isolato erano solo frammenti di acidi nucleici. Verso la matà degli anni cinquanta si scoprì che i pesi molecolari degli acidi nucleici arrivano fino a 6 milioni.  I quattro nucleotidi che compongono gli acidi nucleici hanno caratteristiche chimico-fisiche simili, il che rese la loro separazione incerta, tanto che in mancanza di dati migliori rimase viva per molti anni l'ipotesi del tetranucleotide di Levene, secondo  questa ipotesi le quattro basi erano presenti nel DNA in quantità equivalenti. Ben presto nuovi mezzi analitici incrinarono la teoria di Levene, infatti, il biochimico americano Erwin Chargaff e i suoi collaboratori trovarono delle prove decisive che la composizione degli acidi nucleici era più complicata di quanto si pensasse. Chargaff e Ernst Vischer furono i primi a utilizzare la cromatografia su carta per l'analisi degli acidi nucleici; le loro analisi mostrarono che le varie purine e pirimidine non erano presenti in uguale quantità, e che la proporzione variava nei diversi acidi nucleici. In ogni molecola di DNA il numero totale delle purine sembrava sempre uguale al numero totale delle pirimidine. Inoltre l'adenina (una purina) era sempre in numero uguale alla timina (una pirimidina), mentre la guanina (l'altra purina) era sempre in numero uguale alla citosina (l'altra pirimidina). Le scoperte riguardanti ogni molecole di DNA potrebbero  venire riassunte nel seguente modo:

                          A = T                G = C                               A + G = T + C                         

Successivamente fu anche scoperto in che modo i nucleotidi sono legati fra loro nelle molecole giganti dell'acido nucleico: si forma un ponte mediante il gruppo del fosfato tra il carbonio 3 e il carbobio 5 di due zuccheri consecutivi. Su questa base si può attribuire agli acidi nucleici la seguente struttura schematica:

               Per poter trovare al DNA una struttura in grado di spiegare le sue funzioni biologiche note fu necessario applicare strumenti di analisi ancora più sottili. Due fisici, padre e figlio, W.H. e W.L. Bragg , avevano fondato una scuola di cristallografia a raggi X in Inghilterra. Un allievo di questa scuola, William Astbury, già nel 1938 concluse che il DNA doveva avere una struttura lineare, periodica, con piani disposti ad angolo retto rispetto all'asse longitudinale della molecola. Nel 1951, Pauling scoprì la struttura elicoidale delle proteine, e qualche tempo dopo estese le sue conclusioni anche agli acidi nucleici. Pauling e Corey proposero una struttura elicoidale per il DNA, come una scala a chiocciola;  secondo questo modello i gruppi dell'acido fosforico formavano una catena centrale, e le basi si irradiavano verso l'esterno come i gradini di una scala a chiocciola. Ma questo modello non prendeva in considerazione i risultati di un biochimico inglese J.M. Gulland che aveva scoperto che le basi del DNA dovevano essere in più punti unite tra loro con legami idrogeno. Un ulteriore e importante passo avanti per la comprensione della struttura del DNA fu fatto da Maurice Wilkins e la sua collaboratrice Rosalind Elsie Franklin con lo studio ai raggi X del DNA. Queste ricerche sono basate sulle proprietà dei cristalli: quando le sostanze cristallizzano, i loro atomi si dispongono secondo un reticolo composto da unità situate a distanze regolari, che deviano i raggi X secondo disegni costanti e determinati; studiando questi disegni è a volte possibile determinare le distanze interatomiche del reticolo. Wilkins calcolò, in base appunto all'esame dei diffrattogrammi, che le strutture regolari si ripetevano a intervalli superiori alla distanza tra i vari nucleotidi. Una conclusione fu che la molecola dell'acido nucleico avesse la forma di un'elica e che gli avvolgimenti dell'elica rappresentassero l'unità ripetitiva notata con l'analisi ai raggi X.

Naturalmente non era ancora possibile ipotizzare un modello strutturale del DNA che tenesse conto di tutte queste informazioni, oltretutto vi erano molte perplessità sul tipo di legami che avrebbero dovuto tenere unite le catene di polinucleotidi.

LA DOPPIA ELICA DI WATSON E CRICK

               Il modello del DNA ideato da Watson e crick fu delineato dai due studiosi nell'arco di un anno circa, il 1953, tenendo conto dei dati ottenuti con la diffrazione ai raggi X effettuate da Wilkins, dalle conclusioni di Chargaff e dalle ipotesi di Pauling.

Watson e Crick scelsero il diffrattrogramma nella forma B (fibra di DNA idratata al92% di acqua) poiché la croce nera al centro della foto poteva essere solo il segno di una struttura elicoidale della molecola; la forma  A (DNA poco idratato, 75% di acqua) invece non aveva le caratteristiche sufficiente per poter determinare la struttura della molecola. La prima ipotesi fu la più semplice, si ipotizzò un modello costituito da una sola catena di DNA avvolta ad alfa-elica, ma questa ipotesi fu ben presto abbandonata per diversi motivi, l'impossibilità di collocare i legami idrogeno, il diametro della molecola inoltre doveva essere maggiore di quello che risultava dei calcoli, e altre discordanze coi dati che i due scienziati disponevano.

Conseguentemente Watson e Crick ipotizzarono un modello più complesso  costituito  da   più   catene   di   polinucleotidi intrecciate fra loro. Nell'ipotesi di una struttura costituita da due catene di polinucleotidi bisognò risolvere due problemi essenziali, la disposizione delle basi e la dislocazione dei legami idrogeno. Watson e Crick pensarono che per un modello costituito da due catene le basi dovessero essere disposte all'interno della molecola perchè idrofobe, mentre i gruppi fosforici e i residui di deossiribosio fossero rivolti all'esterno essendo di natura idrofila; le due catene di polinucleotidi dovevano poi essere tenute insieme da legami idrogeno che si esercitavano fra le basi. Dato che la molecola, dall'esame delle foto ai raggi X, presentava un diametro di circa 20 A, una purina con doppio anello per combinarsi in modo perfetto doveva sempre appaiarsi con una pirimidina con un solo anello sull'altra catena, in modo da coprire, nell'insieme, la distanza di tre anelli. Infatti le due pirimidine non sarebbero state abbastanza lunghe per coprire tale distanza, mentre due purine sarebbero state troppo corte. Inoltre un'adenina su una catena doveva sempre trovarsi difronte a una timina sull'altra catena e una guanina a una citosina. In questo modo si poteva spiegare perché     A = T,  G = C  e  A + T  =  G + C;   gli  accoppiamenti preferenziali tra adenina-timina  e  guanina-citosina  furono spiegati con i legami idrogeno che potevano esercitarsi solo tra le suddette basi e non in altri modi (ad esempio tra  AeC  o  TeG) poiché avrebbero portato delle distorsioni nella molecola.  Altre peculiarità del modello di DNA proposto da Watson e Crick possono essere così riassunte: la macromolecola è una doppia elica a avvolgimento destrorso, le due catene di polinucleotidi sono antiparallele, dato che i legami fosfodiesterici sono diretti in direzioni opposte; la molecola di DNA è consolidata dall'acqua che, grazie ai residui idrofili di deossiribosio e dei gruppi fosforici, si dispone aderendo alla macromolecola; l'acidità della molecola è data dal rilascio di protoni da parte di ciascun residuo fosforico.

LA DUPLICAZIONE CONSERVATIVA   

               Il modello di Watson e Crick è in grado di spiegare esattamente come possa duplicarsi un cromosoma nel processo di divisione cellulare. Il DNA può dividersi in due mezze catene perché le purine e le pirimidine sono unite fra loro da legami deboli; ciascuna mezza molecola può determinare la sintesi della metà complementare mancante. Dove c'è una timina si lega un'adenina, dove c'è la citosina la guanina. La mezza molecola ha il ruolo di stampo per collocare nella giusta sequenza le unità; alla fine ogni unità occupa il posto giusto. In tal modo si ricostruisce la molecola completa a doppia elica di DNA, e le due metà in cui era divisa la molecola originaria formano due nuove molecole di cui solo la metà era preesistente. Le prove a favore di questo meccanismo di replicazione sono andate via via aumentando. L'utilizzo di traccianti, come l'azoto pesante  [N15]  per marcare i cromosomi e seguire il destino del materiale marcato durante la divisione cellulare ha contribuito a confermare la teoria. Nel 1956 Arthur Kornber, isolò un enzima, dal batterio Escherichia coli,  che  catalizzava  la formazione di RNA a partire dai nucleotidi. Nel 1965 Sol Spiegelman usò l'RNA di un virus e produsse altre molecole di quel tipo. Nel 1967, Kornber  e altri studiosi, eseguirono la stessa prova, usando il DNA di un virus come stampo. Questi e altri studi confermarono l'ipotesi, implicita nel modello di Watson e Crick, che la duplicazione del DNA procede per il formarsi delle basi complementari a quelle allineate nel DNA campione.