L'EREDITARIETA

L'EREDITARIETA'

               Nel 1872 Darwin scriveva: "Le leggi che governano l'eredità sono per la massima parte sconosciute. Nessuno sa dire come mai la stessa caratteristica in individui diversi della stessa specie, o in specie diverse, è talvolta ereditata e talvolta no. Perché il bambino spesso  ripresenta certe caratteristiche proprie di suo nonno o di sua nonna o di discendenti ancora più lontani".

Le risposte che Darwin stava cercando erano note da sei anni, opera di Johann Mendel. Gli esperimenti di Mendel, oggi considerati tra i più grandi trionfi del pensiero biologico, non esercitarono alcuna influenza immediata sul corso della scienza. Essi furono presentati l'8 febbraio e l'8 marzo del 1865 alla Società di Scienze Naturali di Brunn, quindi il suo saggio fu pubblicato l'anno seguente negli atti della società, una rivista diffusa in tutta l'Europa; inoltre lo stesso Mendel, conscio dell'importanza delle proprie scoperte, continuò a mandare copie del suo saggio ad altri biologi, ma evidentemente non a Darwin, sebbene ne conoscesse l'opera.

               Solo nel 1900 le teorie di Mendel furono accettate; in un solo anno il suo saggio fu scoperto simultaneamente da tre botanici che lavoravano in tre diversi paesi d'Europa, l'olandese de Vries, il tedesco Correns e l'austriaco von Tschermak. Ognuno di essi aveva compiuto esperimenti simili ed aveva esaminato la letteratura scientifica per cercare una conferma ai propri risultati; in tal modo le geniali ipotesi di Mendel, pensate con trentacinque anni di anticipo, furono riscoperte.

Johann Mendel nacque il 22 luglio 1822 da una famiglia di contadini nel villaggio cecoslovacco di Heinzendorf (Slesia) a quel tempo parte dell'Austria. Le ristrettezze economiche della famiglia gli resero difficili i primi anni di studi, e sotto la guida religioso J. Screiber, venne introdotto allo studio delle Scienze Naturali. Continuò gli studi presso la scuola superiore di Olmutz in Moravia, quindi per risolvere i suoi problemi finanziari entrò nel monastero agostiniano di San Tommaso di Brunn nel 1843, qui prese i voti nel 1847, assumendo il nome di Gregor. In questo periodo il professor F. Dielb gli insegnò le tecniche della fecondazione artificiale, introducendolo alle ricerche sul miglioramento delle piante coltivate per ibridazione. Ma quando Mendel si presentò agli esami per divenire insegnante, non li superò causa dell'insufficienza mostrata in biologia, così nel 1851 fu inviato al monastero di Vienna per colmare le sue lacune. A Vienna conobbe scienziati molto rinomati, come il fisico Christian Doppler ed il noto fisiologo vegetale Ungher, e sempre a Vienna apprese delle diatribe fra Kolreuter e la scuola di filosofia Naturphilosophie, leggendo anche gli studi di von Gartner. In questo periodo Mendel ebbe  modo di conoscere la teoria sulla costituzione cellulare, e la teoria atomica in chimica. Rivestì particolare importanza nella formazione scientifica di Mendel l'insegnamento di Doppler che lo iniziò agli studi matematici, mentre da Unger imparò a rifiutare  il concetto di forza vitale e a interpretare le osservazioni fatte in natura non con principi filosofici, ma in base alle conoscenze della fisica e della chimica.

               Mendel ritornò a Brunn nel 1854 per insegnare fino al 1868 e fu in questo periodo che riuscì a elaborare le sue teorie. Gli esperimenti di ibridazione si conclusero nel 1863, i risultati, dopo essere stati elaborati per due anni, vennero presentati alla Società di Scienze Naturali di Brunn.

               Mendel fu uno dei primi biologi ad applicare la matematica allo studio della biologia, nuovo fu l'uso che Mendel fece di caratteri ben definiti e contrastanti  (seme liscio o rugoso, fiori bianchi o rossi)  nell'ambito di una stessa specie.

               La scelta della pianta con la quale compiere gli esperimenti fu per Mendel un momento fondamentale della ricerca, infatti egli scrisse:  "Il valore e l' utilità di qualsiasi esperimento vengono determinate dalla attitudine al metodo sperimentale per lo scopo per il quale viene usato, cioè nel caso specifico  quali piante vengono sottoposte all'esperimento e il modo con cui l'esperimento stesso viene condotto".

               A questo scopo scelse per i suoi esperimenti il Pisum Sativum (pisello comune); le caratteristiche di queste piante sono:

1. Caratteri diversi che si mantengono costanti   

2. Protezione degli organi fiorali degli ibridi dalla influenza di polline estraneo

3. Ibridi fertili

4. Necessità di compiere rilievi su tutta la progenie delle generazioni successive, senza alcuna eccezione. 

GLI ESPERIMENTI DI MENDEL

               rima di iniziare la sperimentazione sulle piante di piselli, Mendel si accertò che le varietà prese in esame presentassero caratteri ben definiti e antagonisti. Per far ciò controllò le caratteristiche di due generazioni di piselli ottenute per autofecondazione, alla fine riuscì a selezionare sette linee  pure :

1.  Forma del seme maturo: liscio o rugoso

2.  Colore dei cotiledoni :  giallo o verde

3.  Colore del tegumento dei semi:  bianco o grigio

4. Forma del baccello maturo: liscio o con strozzature                                           

5.  Colore del baccello:  verde o giallo

6.  Posizione dei fiori:  ascellare o terminale

7.  Lunghezza dello stelo:  da  m  1,80  a  cm  45

               Quando Mendel effettuò gli incroci sperimentali, scoprì che in prima generazione  [F1]  uno dei caratteri spariva. Ad esempio tra i molteplici esperimenti fatti da Mendel si può ricordare quello sulla forma dei semi. Dall'incrocio tra piante  a  semi lisci e piante a seme rugoso nacquero solo piante a seme liscio. L'uniformità dei caratteri si otteneva indipendentemente dal fatto che la pianta sulla quale i semi erano sviluppati fosse del tipo  semi lisci  fecondata da una del tipo  semi rugosi  o viceversa. Il carattere  semi lisci, e altri dello stesso tipo, furono detti da Mendel  dominanti;  i caratteri che scomparivano nella prima generazione furono chiamati  recessivi,  (legge della dominanza o recessività). Mendel raccolse 253 semi lisci appartenenti alla prima generazione e li seminò lasciando poi che le piante prodotte si autoimpollinassero, ottenne così la seconda generazione  F2 di 7324 semi lisci e  1850 rugosi. Era evidente che fra i due numeri c'era un rapporto numerico preciso, tale rapporto Mendel scoprì essere di 3 a 1.

Le relazioni che Mendel scoprì tra il numero dei caratteri dominanti e quello dei recessivi non sarebbero state valide se egli avesse studiato solo poche piante. Nella seguente tabella sono elencati i dati ottenuti da Mendel dove appaiono nella  F2  i rapporti di  3:1. Per chiarire i concetti di dominante e recessivo Mendel fornì una schematizzazione mediante simboli per gli esperimenti precedentemente illustrati. Egli indicò con una lettera in maiuscolo  [L]  il carattere  dominante, mentre la lettera in minuscolo  [l]  indicava il carattere recessivo. L'esperimento sull'ibridazione può essere così rappresentato:

    LINEA PURA :                      LINEA PURA :         

    semi lisci                        semi rugosi         

        LL                                 ll             

         Incrocio parentale         LL x  ll        

          Gameti genitori           L      l                

            Individui F1                Ll

               Mendel intuì che i gameti possedevano un solo fattore, che chiamò elementi, e precisamente se si impollina artificialmente la varietà a semi lisci con il polline di quelle a semi grinzosi si trasmetterà tramite il polline il fattore  l  all'ovulo, che a sua volta presenta il fattore  L; gli ibridi della prima generazione saranno del tipo  Ll. La ricomparsa nella seconda generazione del carattere semi rugosi scomparso  nella prima era la prova che il fattore  l  del carattere riemerso fosse presente anche nella  F1  allo stato latente, immodificato e disgiunto dal fattore antagonista  L.

In base a tale considerazioni, tenendo conto anche del rapporto matematico di  3:1  con cui i caratteri recessivi ricomparivano in seconda generazione, Mendel affermò che i caratteri ereditari sono sempre determinati da una coppia di fattori distinti, ciascuno dei quali viene ereditato da uno dei due genitori. Questa ipotesi è nota come legge di Mendel della disgiunzione.

Volendo riprendere le schematizzazioni suggerite da Mendel per esaminare ciò che accade lasciando autoimpollinare le varietà ottenute dai semi della prima generazione avremo:

         GAMETE MASCHILE           GAMETE FEMMINILE

               Ll             x            Ll

     F2                Ll  Ll  Ll  ll                  

               Mendel, in base alla propria teoria, poté prevedere che due terzi dei semi lisci della  F2  sarebbero dovuti essere ibridi, mentre il restante  terzo, e tutti  i   semi   rugosi, avrebbero  dovuto essere linee pure; tali previsioni furono confermate dai fatti. Infatti le piante che si sviluppavano da semi rugosi davano sempre esemplari con semi rugosi in tutte le generazioni  [ll]  mentre delle piante sviluppantesi dai semi lisci due terzi erano ibride, mentre solo un terzo era una linea pura producendo semi lisci in ogni generazione successiva.

Per confermare ulteriormente le proprie ipotesi Mendel effettuò un reincrocio fra individui a semi lisci della seconda generazione  (Ll  lL)  con individui di linea pura recessivi  ll.   I risultati furono:

              LL  x  ll           Ll     x    ll

            Ll  (100%)        Ll (50%)    ll (50%)

questi risultati sono a conferma della già citata legge della segregazione.

               Mendel effetuò anche una seconda serie di esperimenti dove studiò gli incroci fra piante di pisello che differivano simultaneamente per due caratteri; così verificò la propria teoria elaborata sui monoibridi. A tale scopo utilizzò varietà dai semi lisci  e gialli  [LLGG]  e varietà con semi rugosi e verdi  [llgg];  i caratteri liscio e giallo sono entrambi dominanti, mentre i caratteri verde e rugoso sono recessivi.  Nella prima generazione tutti i semi furono lisci e gialli  [LlGg],  dall'autoimpollinazione delle piante cresciute da semi della  F1 Mendel raccolse  556  semi suddivisi nel seguente modo:

             315  semi lisci e gialli  [LLGG]

            108  semi lisci  e verdi   [LLgg]

            101  semi rugosi e gialli  [llGG]

            32  semi rugosi e verdi   [llgg]

               Nella seconda generazione i rapporti matematici erano 9:3:3:1,  dove  9  rappresenta la percentuale dei discendenti della  F2  che mostrano i due caratteri dominanti, 1  la percentuale dei due caratteri recessivi   3  e  3  le proporzioni delle due combinbazioni alternate di caratteri dominanti e recessivi. Mendel concluse che si aveva segregazione per ciascun carattere e segregazione indipendente per caratteri differenti; cioè la probabilità per una pianta  di  presentare semi lisci o rugosi era indipendente dalla probabilità di presentare semi gialli o verdi (Legge di Mendel dell'indipendenza). I rapporti che provano l'indipendenza delle due coppie di fattori antagonisti sono i seguenti:

   3/4 Lisci   x   3/4 Gialli = 9/16 Lisci Gialli

   3/4 Lisci   x   1/4 verdi  = 3/16 Lisci verdi

   1/4 rugosi  x   3/4 Gialli = 3/16 rugosi Gialli

   1/4 rugosi   x   1/4 verdi  = 1/16 rugosi verdi

               Il risultato ottenuto da Mendel nella  F2  si può spiegare solo pensando che l'ibrido  F1  formi quattro tipi di gameti  (LG, Lg,  lG,  lg)  in proporzioni uguali. Le combinazioni a caso di questi quattro tipi di gameti forniscono le  16  combinazioni genotipiche riportate nella seguente tabella e che spiegano i rapporti  9:3:3:1.  Mendel quindi reincrociò gli ibridi  LlGg con i recessivi  llgg, da questo ulteriore esperimento ottenne le seguente percentuali dei fenotipi:

  LlGg (25%)    Llgg (25%)      llGg (25%)     llgg (25%)

liscio-giallo  liscio-verde   rugoso-giallo  rugoso-verde. Oltre a dimostrare la corrispondenza di comportamento tra i monoibridi e i diibridi, Mendel effettuò esperimenti anche su triibridi, cioé su varietà di piselli che differivano tra loro per tre caratteri contrastanti. Incrociò a tale scopo piselli aventi semi lisci-gialli e fiori rossi  [LLGGRR]  con piante aventi semi rugosi-verdi e fiori bianchi [llggrr].I primi presentavano un genotipo con caratteri dominanti, i secondi recessivi. Dall'incrocio, in prima generazione, nascevano piante con  LlGgRr  che presentavano nel fenotipo caratteri dominanti  (Giallo-Liscio-Rosso). Questi ibridi producevano otto tipi di gameti: LGR, LgR, Lgr, LGr, lgr, LGR, lGr, lgR  ognuno in percentuale del  12,5%.  Nella seconda generazione l'unione casuale dei gameti portava alla nascita di individui a ciascuno dei quali fu possibile assegnare una combinazione di fattori fra i  64  teoricamente prevedibili; le classi fenotipiche furono otto nel rapporto di   27:9:9:9:9:3:3:3:1 .   Mendel compì esperimenti anche su ibridi con caratteri superiori a tre, ma per questi non fornì dati numerici.   All'epoca in cui Mendel condusse i suoi esperimenti i cromosomi non erano stati ancora individuati e tantomeno erano stati riconosciuti come depositari del materiale genetico. Sapendo che i geni sono localizzati sui cromosomi si capisce facilmente che se due geni che controllano dati caratteri sono localizzati sulla stesa coppia di cromosomi, essi generalmente non presentano segregazione indipendente; Mendel evidentemente non incappò mai in caratteri i cui geni erano situati sullo stesso cromosoma (associazione genica). Se questo fosse accaduto egli non avrebbe potuto formulare il principio della segregazione indipendente. Mendel inoltre lavorò  anche con altri tipi di piante dai quali però non ottenne conferma alle proprie ipotesi. Gli esperimenti che condusse sullo  Hieracium per sua stessa ammissione fallirono, gli ibridi infatti si comportavano in modo opposto ai piselli. La discendenza dei suoi incroci fra differenti varietà di Ieracio  si verificava sia che la  F2 che le successive generazioni concordavano completamente con i rispettivi genitori ibridi, non segregando nessuno dei caratteri delle specie parentali. Quarantacinque anni dopo fu dimostrato da ricercatori svedesi che lo Ieracio si riproduceva anche per apomissia, e ciò rendeva inadatta questa pianta agli esperimenti di Mendel, molti embrioni derivavano dal tessuto diploide dell'ovario, senza l'intervento di processi sessuali, conseguentemente il tessuto embrionale aveva la medesima costituzione genetica della pianta progenitrice, per questo non si verificava segregazione nelle generazioni successive.   Le ardite e geniali teorie di Mendel sul concetto di eredità biologica erano troppo avanti per la mentalità naturalistica del tempo. Le conoscenze sulla struttura cellulare erano poche, come quelle sulla gametogenesi e sulla fecondazione. Inoltre le leggi di Mendel, paradossalmente, erano in contraddittorio con quelle darwiniane secondo le quali le origini delle variazioni negli individui erano da cercarsi in lenti e graduali cambiamenti che sommandosi nel tempo portavano a nuove specie. E' da tener conto, poi, che in quel tempo l'attenzione dei naturalisti era focalizzata più che  sulle differenze esistenti fra individui di specie diverse, sulle similitudini all'interno della stessa specie, quindi il lavoro di Mendel fu considerato inaccettabile. In quel periodo si pensava  che l'eredità fosse dovuta a delle unità o fattori  capaci di riprodursi mantenendo una propria individualità, di ricombinarsi in ogni modo possibile per originare i caratteri di cui erano responsabili.  Ancora, si deve pensare che in un epoca in cui la matematica era lontana dall'essere applicata alle scienze naturali, non deve meravigliare che l'opera di Mendel venisse sottavalutata.  Non che lo scienziato fosse ignorato dagli studiosi del tempo; Mendel era senza dubbio un dilettante, ma legato a molti biologi tra i più famosi. A non pochi di essi egli descriveva con minuzia di particolari le sue esperienze, senza però riuscire ad attirarne sufficientemente l'attenzione.  Quando Mendel  presentò la sua prima comunicazione alla Società di Scienze Naturali erano raccolti numerosi scienziati ma che non manifestarono nessuna curiosità per l'opera del religioso. Mendel scriverà a Naegeli: " Come mi aspettavo, ho incontrato parecchie opposizioni, che io sappia, nessuno si è preoccupato di ripetere i miei esperimenti". Quando morirà, alcuni anni dopo, sarà ricordato per le sue funzioni sociali più che per le ricerche compiute sui fenomeni dell'ereditarietà.

LA GENETICA POSTMENDELIANA

               Con la riscoperta delle leggi di Mendel e le importanti acquisizioni nel campo della citologia, agli inizi del 900 prendono il via numerose ricerche nel campo dell'ereditarietà. Nasce così il mendelismo, che nel giro di qualche anno porterà  a capire con maggior chiarezza il fenomeno della trasmissione dei caratteri ereditari.Era necessario,  però,  verificare le leggi dei Mendel per assicurasi della loro universalità; si focalizza così l'attenzione sui punti lasciati scoperti dagli studi del religioso Cecoslovacco. si studiano le mutazioni, la presenza di caratteri intermedi fra quelli dei genitori, e la validità delle teorie di Mendel per tutte le specie, sia animali che vegetali. Numerosissimi sono gli studi effettuati in questo periodo, moltissimi si cimentano in importanti esperimenti che, fra non poche difficoltà, confermano le idee che Mendel aveva formulato decenni addietro. Lentamente le "unità mendeliane" inizieranno a concretizzarsi assumendo l'identità di gene.

LE MUTAZIONI

               Un'eccezione alle leggi di Mendel fu notata da  de Vries, il quale effettuò studi su piante di primula della specie Oenothera Lamarchiana. La trasmissione dei caratteri ereditari in questa pianta avviene di solito in modo ordinato e prevedibili come nel pisello, ma de Vries notò che di tanto in tanto appariva un carattere che non era presente in nessuno dei due genitori né tantomeno in un ascendente di quella particolare pianta. Egli avanzò allora l'ipotesi che questo nuovo carattere fosse il risultato di una modificazione sopravvenuta in un gene e che il carattere portato dal gene modificato venisse poi trasmesso alla discendenza come ogni altro carattere ereditario. De Vries chiamò mutazione questa modificazione ereditaria, e mutante l'organismo che ne è il portatore. In realtà solo  2  delle  200  modificazioni osservate da de Vries erano vere mutazioni, le altre erano dovute a nuovi assortimenti cromosomici piuttosto che a reali mutazioni di un particolare  gene. De Vries interpretò il fenomeno in base alla sua teoria della pangenesi intracellulare. Alcuni anni più tardi, nel 1927, H.J. Muller scoprì che il trattamento ai raggi X  aumenta fortemente la percentuale delle mutazioni. Successivamente si scoprì che anche altre radiazioni, ad esempio i raggi ultravioletti, nonché alcune sostanze chimiche, potevano agire da mutageni. La possibilità di provocare sperimentalmente le mutazioni fu uno strumento essenziale per gli studi di genetica su moltissimi organismi.

 I CROMOSOMI SESSUALI- LA DROSOPHILA MELANOGASTER

               Sul finire del secolo scorso si accentuarono le indagini sulla forma dei cromosomi, si sospettò che la diversità esistente fra i cromosomi dei maschi e quelli delle femmine fosse appunto legata al sesso, una coppia di cromosomi detti cromosomi sessuali e differente nei due sessi; tutti gli altri cromosomi sono uguali sia nel maschio che nella femmina e sono detti  autosomi. In molti animali i due cromosomi sessuali sono identici nella femmina  ma  differenti  nel  maschio,  che  ha  un  cromosoma generalmente più piccolo e di forma diversa. Il cromosoma presente in entrambe le cellule è detto cromosoma  X  e il cromosoma caratteristico delle cellule maschile è detto cromosoma Y .  Si può quindi indicare con  XX  il sesso feminile e con  XY  quello maschile.  Tuttavia in alcuni insetti il cromosoma Y manca del tutto, in tal caso si parla di femmine  XX e di maschi  X0 .  Nel 1906 lo zoologo  Thomas Hunt Morgan ebbe l'idea di usare la Drophila Melanogaster per le ricerche di genetica; tali insetti presentavano notevoli vantaggi rispetto ad altri organismi, si riproducevano rapidamente, erano prolifici, con poco cibo se ne potevano allevare a centinaia, avevano un corredo cromosomico semplice, soltanto quattro paia di cromosomi per cellula: tre coppie di cromosomi sono autosomi e la quarta  è  XX  nella femmina e  XY  nel maschio. Quando uno spermatozoo con il cromosoma  X  feconda una cellula uovo, l'uovo fecondato, con quattro coppie di cromosomi uguali, darà origine a una femmina; invece lo spermatozoo con il cromosoma  Y, fecondando l'uovo, darà origine a un maschio. In alcuni organismi, soprattutto in diversi  uccelli,  è  la  femmina  a possedere il cromosoma Y Morgan  incrociò  una  femmina  di  Drosophila con occhi rossi  (tipo selvatico) con un maschio dagli occhi bianchi (tipo mutante); poiché tutti i membri della prima generazione avevano gli occhi rossi, risultò che la mutazione era recessiva. Esemplari della  F1  furono incrociati fra loro, dei  4252  moscerini prodotti in  F2 , 2459  erano femmine dagli occhi rossi,  1011  maschi dagli occhi rossi e  782  maschi dagli occhi bianchi, ma non c'era neppure una femmina con gli occhi bianchi. Morgan pensò che la ragione per cui solo i maschi avessero gli occhi bianchi era che il gene occhi bianchi fosse localizzato sul cromosoma  Y  che solo i maschi avevano.

IL CROSSING OVER

               Morgan inoltre scoprì che quando geni responsabili di due differenti caratteri sono localizzati sullo stesso cromosoma, questi caratteri in genere vengono ereditati insieme. Questa unione di geni non è però immutabile, infatti un frammento di cromosoma può spostarsi occasionalmente su un altro, scambiando il posto con un frammento dell'altro. Questo processo è detto  crossing over. Già nel 1909 il citologo Belga Janssens aveva osservato nei cromosomi omologhi accoppiati  delle rotture in alcune zone chiamate  chiasmi,  e aveva ipotizzato che fosse possibile uno scambio di materiale cromosomico.

 L'IPOTESI DI SUTTON

               Contemporaneamente all'individuazione dei cromosomi sessuali, Walter S. Sutton  stava studiando la formazione dei gameti nel maschio di una specie di cavalletta; come nelle altre specie di gameti si formano in seguito a una meiosi, studiando questo fenomeno Sutton notò che i cromosomi che si appaiavano all'inizio della divisione riduzionale erano molto simili l'uno all'altro. Nelle cellule diploidi i cromosomi, evidentemente, erano presenti a coppie. L'esistenza di queste coppie di cromosomi, detti  omologhi,  risultava evidente solo nella meiosi. Sutton dimostrò che le coppie di cromosomi che si appaiano nello zigote consistono in un cromosoma materno e di uno paterno; per cui la separazione di cromosomi omologhi durante la meiosi doveva essere il meccanismo di base che sovrintendeva alla legge di segregazione di Mendel. Gli orgomenti di Sutton a sostegno dell'ipotesi che i fattori di Mendel, o geni, siano presenti nei cromosomi possono così essere riassunti:

1- I cromosomi  si presentano in coppie e lo stesso vale per i geni;  i cromosomi omologhi si       separano al momento della meiosi  come anche i fattori mendeliani.

2- I membri di una coppia di cromosomi sembrano separarsi indipendentemente dalle altre

coppie di cromosomi, così come i geni si separano indipendentemente.

3-  Le uniche parti visibili del nucleo si ripartiscono ordinatamente ed ugualmente durante

la divisione cellulare , ciò suggerisce che i fattori ereditari siano portati dai cromosomi.

4- I fattori ereditari sono contenuti nel nucleo, visto che gli spermatozoi  perdono tutto il loro citoplasma quando giungono a maturazione.

5-I fattori mendeliani sono portati dagli spermatozoi e dalle uova,  poiché queste cellule

rappresentano  il punto di passaggio da una generazione a quella successiva.