Gli esperimenti di Mendel furono trascurati durante la sua vita. Eppure, in seguito, hanno fornito le basi per la genetica moderna, una volta che il lavoro è stato riscoperto. La scoperta di eccezioni alle sue “leggi”, in particolare, ha portato a grandi progressi nella genetica. In questa lezione apprendiamo di più sul lavoro di Mendel e sulla sua riscoperta, dopo un esame del comportamento dei cromosomi nella meiosi. Infine, vengono discussi i ruoli dei geni nella speciazione e, quindi, nell’evoluzione.

La meiosi e l’assortimento indipendente

La meiosi porta a un assortimento indipendente di cromosomi e a una composizione unica di alleli nelle cellule figlie. La meiosi è un evento essenziale in tutti i cicli di vita che includono la riproduzione sessuale, perché alla fecondazione il numero di cromosomi è raddoppiato. Divisione nucleare più lenta e più complessa della mitosi, coinvolge due successive divisioni del nucleo (meiosi I e meiosi II). Abbiamo visto che nella meiosi I i cromosomi omologhi si separano e che nella meiosi II i cromatidi si separano.

I cromosomi si replicano nell’interfase prima della meiosi. La sequenza degli eventi del ciclo cellulare dell’interfase che precede la mitosi precede anche la meiosi. I cromosomi si replicano per formare i cromatidi durante l‘interfase, molto prima che si verifichino le divisioni nucleari. Altrettanto importante è il fatto che non c’è interfase tra la meiosi I e II, quindi durante la meiosi non si verifica alcuna replicazione dei cromosomi. Una volta iniziata, la meiosi procede costantemente come un processo continuo di divisione nucleare. Le fasi della meiosi sono distinte in quattro fasi (profase, metafase, anafase e telofase), ma questo è solo per comodità di analisi e descrizione. Per il comportamento dei cromosomi nelle fasi della meiosi ( Fig. 22.01).

Meiosi I

Profase I Ciò che accade ai cromosomi durante la profase I è particolarmente complesso. Se visti al microscopio ottico, appaiono come singoli fili con molti minuscoli ispessimenti simili a perline lungo la lunghezza. Durante la fase iniziale di accorciamento e ispessimento si avvolgono e si condensano, processo che continua per tutta la profase. Naturalmente, ogni cromosoma è già replicato in due cromatidi, ma i singoli cromatidi non sono ancora visibili.

Formazione dei bivalenti

Man mano che i cromosomi continuano ad ispessirsi, i cromosomi omologhi si uniscono in coppie specifiche, punto per punto, per tutta la loro lunghezza, creando i bivalenti. Ricorda, in una cellula diploide ogni cromosoma ha un partner che ha la stessa lunghezza e forma e la stessa sequenza lineare di alleli. I cromosomi omologhi dei bivalenti continuano ad accorciarsi e ad ispessirsi. Successivamente in profase, i singoli cromosomi possono essere visti a doppio filamento, poiché i cromatidi fratelli (di cui ciascuno è costituito) diventano visibili.

Scambio di materiale genetico – crossing over. All’interno del bivalente, durante il processo di avvolgimento e accorciamento, si verificano frequentemente rotture dei cromatidi. Le interruzioni sono comuni nei cromatidi non fratelli, negli stessi punti lungo la loro lunghezza. Le estremità spezzate si ricongiungono più o meno immediatamente ma, laddove queste “riparazioni” sono tra cromatidi non fratelli, si verifica lo scambio di pezzi dei cromatidi, da cui il termine “incrocio“. Una volta completato l’attraversamento, i cromatidi non fratelli continuano ad aderire in quel punto, chiamato chiasma. Il chiasma stabilizza il bivalente.

Scambio di alleli: il risultato di chiasmi tra cromatidi non fratelli. Praticamente ogni coppia di cromosomi omologhi forma almeno un chiasma in questo momento, ed è molto comune avere due o più chiasmi nello stesso bivalente (Figura 22.02). I chiasmi aumentano la variabilità genetica perché il processo si traduce nello scambio di DNA tra cromosomi materni e paterni. Ricorda, l’attraversamento può avvenire molte volte e tra diversi cromatidi all’interno di ciascun bivalente. Quindi, il crossing over può produrre nuove combinazioni di alleli sui cromosomi delle cellule aploidi che vengono infine formate dalla meiosi. Così, nella fase successiva della profase I, l’attrazione e lo stretto accoppiamento dei cromosomi omologhi terminano, ma l’attrazione tra cromatidi fratelli rimane per il momento. Questa attrazione dei cromatidi fratelli tiene insieme i bivalenti. I cromatidi sono ora più corti e più spessi. Più tardi ancora, i centrioli presenti nelle cellule animali si duplicano e iniziano ad allontanarsi come preludio alla formazione del fuso. Le cellule vegetali sono prive di centriolo. Infine, la scomparsa dei nucleoli e della membrana nucleare segna la fine della profase I.

Metafase I Una volta completata la formazione del fuso, i bivalenti si attaccano ai singoli microtubuli del fuso mediante i loro centromeri. I bivalenti sono ora disposti sulla piastra equatoriale della struttura del fuso , allineandosi al centro della cellula. Alla fine della metafase I, i membri dei bivalenti iniziano a respingersi e a separarsi. Tuttavia, a questo punto, sono tenuti insieme da uno o più chiasmi e questo conferisce alle bivalenti forme temporanee inusuali.

Anafase I I cromosomi omologhi di ciascun bivalente ora si spostano ai poli opposti del fuso, ma con i singoli cromatidi che rimangono attaccati dai loro centromeri. L’attrazione dei cromatidi fratelli è scaduta e si separano leggermente: entrambi sono chiaramente visibili. Tuttavia, non si separano ancora, ma vanno allo stesso polo. Di conseguenza, la meiosi I ha separato coppie omologhe di cromosomi, ma non i cromatidi fratelli di cui ciascuno è composto.

Telofase I

L’arrivo di cromosomi omologhi ai poli opposti segna la fine della meiosi I.I cromosomi tendono a srotolarsi in una certa misura e una membrana nucleare si riforma attorno a entrambi i nuclei. Il fuso si rompe. Tuttavia, queste due cellule non entrano in interfase, ma piuttosto continuano nella meiosi II, che si svolge ad angolo retto rispetto alla meiosi I. La meiosi II è notevolmente simile alla mitosi.

Meiosi II

Profase II Le membrane nucleari si rompono di nuovo e i cromosomi si accorciano e si ispessiscono avvolgendosi. I centrioli, se presenti, si spostano ai poli opposti della cellula. Entro la fine della profase II, l’apparato del fuso si è riformato, ma è presente ad angolo retto rispetto al fuso originale.

Metafase II I cromosomi si allineano all’equatore del fuso, attaccati dai loro centromeri.

Anafase II I centromeri si dividono e i cromatidi vengono tirati ai poli opposti del fuso, prima i centromeri.

Telofase II Le membrane nucleari si formano attorno ai quattro gruppi di cromatidi, in modo da formare quattro nuclei. Ora ci sono quattro cellule, ciascuna con la metà del numero cromosomico della cellula madre originale. Infine, i cromatidi – ora riconoscibili come cromosomi – si srotolano e si disperdono apparentemente come cromatina.  Riforma nucleoli. Il processo di meiosi è ora completo ed è seguito dalla divisione delle cellule.

Assortimento indipendente di cromosomi omologhi materni e paterni Il modo in cui i bivalenti si allineano all’equatore del fuso nella meiosi I è del tutto casuale. Naturalmente, più bivalenti ci sono nel nucleo, maggiore è la variazione possibile. Nell’uomo ci sono 23 coppie di cromosomi, quindi il numero di possibili combinazioni di cromosomi che possono essere formate come risultato dell’assortimento indipendente è 223. Il numero è oltre 8 milioni di combinazioni.

L’ incrocio determina nuove combinazioni di geni sui cromosomi delle cellule aploidi prodotte dalla meiosi (Figura 22. 03). Il processo genera la possibilità di un numero quasi inimmaginabile di nuove combinazioni di alleli.

Ereditarietà: i geni possono essere collegati o non collegati e vengono ereditati di conseguenza.

Ci sono molte migliaia di geni per cellula in un organismo, mentre il numero di cromosomi è spesso inferiore a 50 e raramente supera i 100. Ogni cromosoma consiste di molti geni in sequenza lineare ; si dice che i loci genici sono collegati se si trovano sullo stesso cromosoma. Ovviamente, questi geni tendono ad essere ereditati insieme.  I rapporti non mendeliani hanno portato alla scoperta del linkage. Questo fenomeno è stato scoperto in esperimenti di allevamento in cui sono emerse discrepanze tra i risultati attesi (come conseguenza delle leggi di Gregor Mendel) e i rapporti effettivamente ottenuti. Esamineremo a breve la scoperta e le conseguenze del collegamento. In primo luogo, esaminiamo l’ereditarietà di coppie di geni non collegati.  Gli esperimenti di Mendel includevano anche l’ereditarietà simultanea di due coppie di caratteri contrastanti, utilizzando la pianta del pisello da giardino. All’insaputa di Mendel, naturalmente, questi caratteri erano controllati da geni su cromosomi separati: erano scollegati. I geni non collegati si segregano indipendentemente come risultato della meiosi. Mendel si riferiva a questo tipo di incrocio, che coinvolge due coppie di caratteri, come incrocio diibrido.

L’incrocio diibrido Mendel incrociò piante di piselli di razza pura (generazione P) da semi rotondi con cotiledoni gialli (foglie di semi) con piante di razza pura da semi rugosi con cotiledoni verdi. Tutta la progenie(generazione F1) era formata da piselli rotondi e gialli. Quando le piante cresciute da questi semi furono lasciate autofecondare la stagione successiva, i semi risultanti (generazione F2) – di cui ce n’erano più di 500 da classificare e contare – erano dei seguenti quattro fenotipi, ed erano presenti nel rapporto mostrato. Mendel notò che nella progenie comparivano due nuove combinazioni, non rappresentate nei genitori (cioè ricombinazioni); sia i semi rotondi che quelli rugosi appaiono con cotiledoni verdi o gialli. Da questo risultato si può vedere che le due coppie di fattori sono state ereditate indipendentemente e, quindi, erano su cromosomi separati. Mendel aveva notato che uno dei due caratteri contrastanti poteva essere trasmesso alla generazione successiva. Ciò significava che una pianta eterozigote doveva produrre quattro tipi di gameti in numero uguale( Fig.22.04).

Mendel non ha espresso l’esito dell’incrocio diibrido come una legge. Tuttavia, oggi la riassumiamo nella seconda legge di Mendel la legge dell’assortimento indipendente. Afferma che: due o più coppie di alleli si segregano indipendentemente l’una dall’altra come risultato della meiosi, a condizione che i geni in questione non siano collegati essendo sullo stesso cromosoma. Si noti l’uso di un diagramma di Punnett per predire l’esito di un’indagine sulla riproduzione di un assortimento indipendente di alleli (Figura 22.03). Con questo dispositivo viene realizzata ogni possibile combinazione di gameti materni e paterni, il prodotto della fecondazione casuale. Quando le piante cresciute da questi semi furono lasciate autofecondare la stagione successiva, i semi risultanti (generazione F2) – di cui ce n’erano più di 500 da classificare e contare – erano dei seguenti quattro fenotipi, ed erano presenti nel rapporto mostrato. Vengono mostrate tante righe/colonne quanti sono i gameti maschili e femminili unici. Ogni frazione rappresenta la probabilità che si verifichi un particolare gamete o zigote. Per la relazione tra la legge di Mendel dell’assortimento indipendente e la meiosi ( Fig. 22.05).

Collegamento genico Dopo la riscoperta del lavoro di Mendel nei primi anni del 1900, i genetisti studiarono altri incroci diibridi per confermare i suoi risultati. Ad esempio, William Bateson e Reginald Punnett (che avevano ideato il “Punnett square”) hanno incrociato piante di piselli dolci di razza pura con fiori viola e lunghi granelli di polline con piante con fiori rossi e granelli di polline rotondi. Tutte le piante F1 avevano fiori viola con lunghi granelli di polline. Ciò dimostra che l’allele per il fiore viola è dominante sull’allele per il fiore rosso e l’allele per il polline lungo è dominante su quello per il polline rotondo Quando gli F1 erano auto incrociati, tuttavia, la maggior parte della prole assomigliava ai fenotipi dei genitori, ma con un piccolo numero di ricombinanti. La razione mendeliana di 9:3:3:1 non era stata ottenuta. Poiché la maggior parte della progenie F2 assomigliava ai fenotipi dei genitori (con un piccolo numero di ricombinanti) sembrava ragionevole concludere che i geni per il colore del fiore e la forma del polline fossero presenti sullo stesso cromosoma. In tal caso, questi geni erano collegati: non si segregavano nella meiosi, ma venivano ereditati insieme. Se i geni interessati erano sullo stesso cromosoma, quando le piante F1 sono state incrociate, l’aspetto della progenie F2 dipendeva dal fatto che si formasse un chiasma tra questi alleli o altrove lungo il cromosoma durante la meiosi nella formazione del gamete.

La Drosophila e il lavoro di Thomas Morgan La Drosophil melanogaster (il moscerino della frutta) fu selezionata per la prima volta nel 1908 da un genetista americano, Thomas Morgan, come organismo sperimentale per la sua serie di indagini sulla genetica mendeliana, in questo caso in un animale. Per le notevoli scoperte nel suo lavoro Morgan ottenne l’assegnazione di un premio Nobel nel 1933.Il suo lavoro sperimentale ha mostrato: 1) che i rapporti non sono comunemente ottenuti negli esperimenti di allevamento con Drosophila ;2) ha stabilito che i ‘fattori’ di Mendel sono sequenze lineari di geni sui cromosomi (questo è ora chiamata Teoria dell’ereditarietà dei cromosomi) ;3) ha scoperto i cromosomi sessuali e il legame sessuale;4) ha dimostrato l’incrocio e lo scambio di alleli tra cromosomi, risultanti dai chiasmi che si formano durante la meiosi. La drosofila è un organismo che si trova comunemente attorno a materiale vegetale in decomposizione, esistente in una forma chiamata “tipo selvatico” (una forma non mutante) e in varie forme mutanti presenti in natura .Questo animale divenne rapidamente un utile animale sperimentale nello studio della genetica perché: la Drosophila ha solo quattro paia di cromosomi (Fig. 22.05); dall’accoppiamento alla nascita delle mosche adulte (tempo di generazione) occorrono circa 10 giorni a 25ºC e una singola mosca femmina produce centinaia di piccoli; le mosche sono maneggiate relativamente facilmente, coltivate su terreno artificiale sterilizzato in bottiglie di vetro (possono essere temporaneamente anestetizzate per creazione di colture e smistamento della progenie).

Drosophila e l’incrocio diibrido. In primo luogo, considereremo un incrocio diibrido in Drosophila, che coinvolge geni non collegati. In questo esperimento stiamo incrociando mosche normali (tipo selvatico) con mosche che sono omozigoti per l’ala rudimentale e il corpo color ebano (Figura 22.06). Queste caratteristiche sono controllate da geni che si trovano su cromosomi autosomici separati (cromosomi diversi dai cromosomi sessuali).

La previsione dei rapporti genotipo e fenotipo in un incrocio diibrido che coinvolge geni autosomici non collegati Probabilità e casualità negli incroci genetici – il test chi-quadrato. Sappiamo che il rapporto atteso di discendenza di un incrocio diibrido è 9:3:3:1. In realtà, la progenie prodotta in molti esperimenti incrociati diibridi non concorda esattamente con il rapporto previsto. Ciò è illustrato dai risultati dell’esperimento con forme mutanti di Drosophila. Chiaramente, questi risultati sono abbastanza vicini (ma non esattamente) al rapporto previsto 9:3:3:1. Cosa è andato storto, se non altro?

Ebbene, possiamo aspettarci proprio questo rapporto tra la progenie solo se sono soddisfatte tre condizioni: la fecondazione è del tutto casuale; ci sono pari opportunità di sopravvivenza tra la prole; viene prodotto un numero molto elevato di prole. Nell’esperimento con Drosophila, il rapporto esatto potrebbe non essere ottenuto perché, per esempio: più mosche maschi di un tipo potrebbero essere riuscite a fecondare le femmine in questa occasione, più femmine di un tipo potrebbero essere morte prima di raggiungere la condizione di deposizione delle uova, meno uova di un tipo possono aver completato il loro sviluppo. Allo stesso modo, negli esperimenti di allevamento con piante, come la pianta del pisello, potrebbero non essere ottenuti rapporti esatti. Ciò potrebbe, forse, essere dovuto al danno parassitario di alcuni semi o piante, all’azione dei predatori che brucano le antere o le ovaie in alcuni fiori, o perché alcuni tipi di polline non riescono a essere trasportati dagli insetti impollinatori con successo come altri. Tali eventi accidentali sono abbastanza comuni.

Il test del chi quadrato sui dati di un incrocio diibrido I genetisti sperimentali spesso pongono la domanda: “I valori osservati differiscono significativamente dal risultato atteso?” Ad esempio, per i tipi di motivi discussi. Questa domanda è risolta da un semplice test statistico, noto come test del chi quadrato (ÿ2). Viene utilizzato per stimare la probabilità che qualsiasi differenza tra i risultati osservati e quelli attesi sia dovuta al caso. Se non è dovuto al caso, può essere dovuto a una spiegazione completamente diversa e il fenomeno necessita di ulteriori indagini Il test del chi quadrato (ÿ2). Negli esperimenti biologici prendiamo una probabilità di 0,05 o superiore per indicare che la differenza tra i risultati osservati (O) e quelli attesi (E) non è significativa. Possiamo dire che è dovuto al caso ÿ .

Rapporti non mendeliani nella Drosophila Fu Thomas Morgan che, mediante un’attenta osservazione e registrazione, fece la scoperta del legame nella Drosophila. Come altri, era a conoscenza delle scoperte di Mendel. Gli incroci genetici che ha condotto hanno dato risultati in contrasto con i rapporti mendeliani attesi. Una mosca omozigote per corpo ebano e ala arricciata è stata incrociata con una mosca eterozigote per corpo normale e ala dritta. Si noti che la caratteristica ‘ala arricciata’ è diversa dalla caratteristica ‘ala vestigiale'(Fig. 22.06). Questo esperimento, e molti altri, hanno confermato l’esistenza di geni poligenici.

Poligeni e variazione continua. Abbiamo iniziato la storia della genetica con un’indagine sull’ereditarietà dell’altezza nel pisello da giardino, dove un gene con due alleli ha dato piante alte o nane. Questa netta differenza in una caratteristica ereditaria è un esempio di variazione discontinua o discreta: non esiste una forma intermedia e nessuna sovrapposizione tra i due fenotipi. collegati in Drosophila. In effetti, pochissime caratteristiche degli organismi sono controllate da un singolo gene. Principalmente, le caratteristiche degli organismi sono controllate da un numero di geni. I gruppi di geni che insieme determinano una caratteristica sono chiamati poligeni. L’ereditarietà poligenica è l’eredità di fenotipi che sono determinati dall’effetto collettivo di diversi geni. Ci sono molti altri esempi di ereditarietà poligenica. In tutti i casi, il numero di geni che controllano una caratteristica non deve essere grande prima che la variazione di un fenotipo diventi più o meno continua. Il risultato è che le caratteristiche controllate dai poligeni mostrano variazioni continue. Tuttavia, i singoli geni interessati vengono ereditati secondo i principi sopra stabiliti. Tuttavia, ci sono così tante combinazioni intermedie di alleli che i rapporti discreti non vengono osservati. I geni che compongono un poligene sono spesso (ma non necessariamente sempre) localizzati su cromosomi diversi. Ciascuno di questi geni ha un effetto molto piccolo sul fenotipo, ma l’effetto combinato di tutti i geni del poligene è quello di produrre una varietà infinita tra la prole. Questa varietà la chiamiamo variazione continua. Molte caratteristiche degli esseri umani sono controllate dai poligeni, inclusi il peso corporeo e l’altezza.

Colore della pelle umana. Il colore della pelle umana è dovuto alla quantità di pigmento chiamato melanina prodotto nella pelle. La sintesi della melanina è geneticamente controllata. Sembra che tre, quattro o più geni ereditati separatamente controllino la produzione di melanina. Il risultato è una distribuzione quasi continua del colore della pelle da molto pallido (nessun allele che codifica per la produzione di melanina) a marrone molto scuro (tutti gli alleli per il codice del colore della pelle per la produzione di melanina). Il colore della pelle umana è dovuto alla quantità di pigmento chiamato melanina prodotto nella pelle. Per l’ereditarietà poligenica del colore della pelle umana che coinvolge solo due geni indipendenti . Questo perché trattare con tutti e quattro i geni è ingombrante il principio può essere dimostrato abbastanza chiaramente usando solo due geni. Va notato, inoltre, che sia l’altezza umana che il colore della pelle sono caratteristiche che possono essere influenzato da fattori ambientali( Fig.22.08).

Variazione continua Ci sono molti altri esempi di ereditarietà poligenica. In tutti i casi, il numero di geni che controllano una caratteristica non deve essere grande prima che la variazione di un fenotipo diventi più o meno continua. Il risultato è che le caratteristiche controllate dai poligeni mostrano variazioni continue. Tuttavia, i singoli geni interessati vengono ereditati secondo i principi sopra stabiliti. Così, ci sono così tante combinazioni intermedie di alleli che i rapporti discreti non vengono osservati.

Altre forme di interazione genica. Un altro fattore che può influenzare l’aspetto del fenotipo è l’effetto delle condizioni ambientali. Ad esempio, una pianta alta può sembrare quasi nana se è stata costantemente privata di adeguati ioni minerali essenziali. Allo stesso modo, il fisico degli esseri umani può essere fortemente influenzato dai livelli di nutrimento ricevuti, in particolare da bambini. Quindi, il fenotipo di un organismo è il prodotto sia del suo genotipo che delle influenze dell’ambiente.