La genetica è la scienza che studia i meccanismi che permettono la trasmissione di caratteri da una generazione all’altra e mira a spiegare somiglianze e differenze tra i genitori e figli.

Nella genetica vengono utilizzati numerosi termini specialistici. Sarà utile comprendere e ricordare queste parole chiave.

Gene è un fattore ereditabile che influenza un carattere specifico. Per “carattere” intendiamo alcune caratteristiche di un organismo come “altezza” nelle piante da giardino o “gruppo sanguigno” negli esseri umani.

Ereditarietà è il corredo di geni che passa dai genitori alla prole durante la riproduzione. I geni si trovano sui cromosomi. Ogni gene occupa una posizione specifica su un cromosoma; inoltre, il gene per una particolare caratteristica si trova sempre nella stessa posizione o locus su un particolare cromosoma. Ad esempio, il gene che controlla l’altezza nella pianta del pisello da giardino è sempre presente nella stessa identica posizione su un particolare cromosoma di quella pianta. Tuttavia, quel gene per l’altezza può codificare per “alto” o per “nano”, come vedremo tra poco. In altre parole, esistono diverse forme di geni. Ogni gene, infatti, ha due o più forme chiamate alleli (“allele” significa semplicemente “forma alternativa”).

La natura chimica del gene. Un cromosoma eucariotico contiene una singola molecola di DNA estremamente lunga. Quindi possiamo anche definire il gene come una lunghezza specifica di quella molecola di DNA. In effetti, è costituito da centinaia o migliaia di coppie di basi lunghe.

Il genoma L’insieme di tutte le informazioni genetiche in un organismo. Abbiamo anche visto che, nel processo di sintesi proteica, la sequenza delle basi nell’acido nucleico determina l’ordine in cui vengono assemblati specifici amminoacidi. Questa informazione, chiamata codice genetico, è un codice , quindi un insieme di lettere costituito da una sequenza di tre lettere o terzine, chiamato codone . Ogni codone individua un particolare amminoacido, formato dalle basi uracile(U), citosina (C), adenina(A) e guanina(G). Un gene è una lunga sequenza di codoni.

Si dice che il codice genetico responsabile della produzione di polipeptidi in tutti gli organismi sia “universale”, perché tutti gli organismi viventi condividono lo stesso codice genetico, con solo poche variazioni minori, dovute a mutazioni avvenute nel corso di milioni di anni di evoluzione. Tutta la vita – dalle piante e dagli animali ai batteri e ai funghi fa affidamento sugli stessi 64 codoni per portare le istruzioni biologiche per i loro corpi. Ciò che varia da un organismo all’altro non è la struttura del codice o il modo in cui viene tradotto, ma i singoli geni dai quali sono formati i tratti di DNA .Ciò significa che i codoni dell’mRNA utilizzati dai batteri sono esattamente gli stessi utilizzati nell’uomo o in qualsiasi altra specie. Un gene di una specie può essere trasferito in un’altra per creare un organismo transgenico, che trascriverà e tradurrà il gene inserito. I microrganismi transgenici sono usati come “biofabbriche” per produrre proteine umane. Ad esempio, i batteri transgenici vengono utilizzati per produrre una gamma di proteine medicinali, tra cui l’insulina e gli ormoni della crescita. Il codice genetico è detto universale .

I geni si trovano sui cromosomi. Ogni gene occupa una posizione specifica su un cromosoma; quindi, ogni cromosoma eucariotico è una serie lineare di geni. Inoltre, il gene per una particolare caratteristica si trova sempre nella stessa posizione o locus su un particolare cromosoma. Ad esempio, il gene che controlla l’altezza nella pianta del pisello da giardino è sempre presente nella stessa identica posizione su un particolare cromosoma di quella pianta. Tuttavia, quel gene per l’altezza può codificare per “alto” o può codificare per “nano”, come vedremo tra poco. In altre parole, esistono diverse forme di geni. Ogni gene, infatti, ha due o più forme e queste vengono chiamate alleli(“allele” significa semplicemente “forma alternativa”). Ora, i cromosomi delle cellule eucariotiche si presentano in coppie chiamate coppie omologhe (“Omologo” significa “simile nella struttura”.) Uno di ciascuna coppia proviene originariamente da un genitore e l’altro dall’altro genitore. Così, per esempio, l’essere umano ha 46 cromosomi, 23 provenienti originariamente da ciascun genitore nel processo di riproduzione sessuale. I cromosomi omologhi si assomigliano nella struttura e contengono la stessa sequenza di geni.

Genotipo degli alleli posseduti da un organismo : ogni allele è rappresentato da una lettera; i cromosomi sono in coppia e quindi gli alleli sono in coppia: un genotipo è quindi rappresentato da una coppia di lettere, come TT o Tt.

Fenotipo:le caratteristiche di un organismo; una caratteristica può essere esterna, come il colore dei petali dei fiori, o interna, come l’anemia falciforme.

Allele dominante: un allele che ha lo stesso effetto su fenotipo quando si trova nello stato omozigote o eterozigote; all’allele dominante viene sempre data una lettera maiuscola, ad esempio T.

Allele recessivo ,un allele che ha effetto sul fenotipo solo quando si trova nello stato omozigote; ad un allele recessivo viene sempre data la lettera minuscola della stessa lettera assegnata all’allele dominante, ad esempio t.

Alleli codominanti :coppie di alleli che influenzano entrambi il fenotipo quando presenti nello stato eterozigote; questi alleli sono rappresentati in modo diverso in genetica: una lettera maiuscola viene scelta per rappresentare il gene e poi altre lettere (in apice) rappresentano gli alleli (ad esempio, nel gruppo sanguigno umano, A e B sono e I B) alleli codominanti e sono rappresentati come I.

Omozigote: con due alleli identici in un locus genico; gli alleli possono essere entrambi dominanti o entrambi recessivi, ad esempio TT oppure tt.

Eterozigote :con due diversi alleli in un locus genico, ad esempio Tt.

Testare il test incrociato di un fenotipo dominante per determinare se è eterozigote o omozigote,: ad esempio incrociando uno dei due TT o Tt con tt; se ci sono figli con il fenotipo recessivo, allora il genitore con il fenotipo dominante deve essere eterozigote (Tt).

Portatore :un individuo con una copia di un allele recessivo che causa una malattia genetica in individui omozigoti per questo allele.

Locus la posizione specifica di un gene su un cromosoma omologo; un locus genico è fisso per una specie – ad esempio, il gene dell’insulina si trova sempre nella stessa posizione sul cromosoma 11 negli esseri umani.

Individui di razza pura dello stesso fenotipo : quando incrociati tra loro, producono progenie che hanno anche tutti lo stesso fenotipo.

I cromosomi portano i geni in una sequenza lineare, cioè condivisi dai membri della specie. Il singolo cromosoma di un procariote è costituito da una molecola di DNA circolare, non associata a proteine. I procarioti tipicamente contengono anche piccole molecole extra di DNA nel loro citoplasma, note come plasmidi .Sono piccoli e circolari, e anche senza proteine attaccate al loro DNA ; portano geni addizionali, e possono presentarsi singolarmente o esistere come copie multiple all’interno della cellula ; possono o meno essere trasmessi alle cellule figlie al momento della divisione cellulare ; sono assenti dalle cellule eucariotiche ad eccezione delle cellule di lievito ; sono sfruttate dagli ingegneri genetici nel trasferimento di geni da un organismo all’altro I cromosomi degli eucarioti. Ogni cromosoma eucariotico è costituito da una singola molecola di DNA estremamente lunga associata a proteine. Circa il 50% del cromosoma è costituito da proteine, infatti alcune di queste proteine sono enzimi coinvolti nelle reazioni di copiatura e riparazione del DNA, ma la maggior parte sono istoni. Gli istoni sono grandi proteine globulari. La molecola di DNA è avvolta attorno ad essi, dando l’impressione di un filo di perline. Quindi, gli istoni hanno un ruolo di supporto e confezionamento. La molecola di DNA percorre l’intera lunghezza del cromosoma. Consiste di due filamenti polinucleotidici antiparalleli tenuti insieme da legami idrogeno e che assumono la forma di una doppia elica. In effetti, la molecola del DNA è una lunga sequenza di geni.

5 sono le caratteristiche dei cromosomi eucarioti:

1)Il numero dei cromosomi x specie è fisso (nel genere umano sono 46). Ad esempio, il topo ha 40 cromosomi per cellula, la cipolla ne ha 16, l’uomo ne ha 46 e il girasole ne ha 34. Ogni specie ha un numero cromosomico caratteristico. Nota, questi sono tutti numeri pari.

2)La forma del cromosoma è caratteristica, data dalla posizione del centromero e dalla lunghezza. Così si possono definire e identificare.

3)I cromosomi si presentano sempre a coppie, chiamate coppie omologhe. In ciascuna coppia un cromosoma proviene originariamente dal genitore maschio e uno dalla madre femmina. Questo è il motivo per cui i cromosomi si presentano in coppie omologhe. Le cellule in cui i cromosomi sono in coppie omologhe sono descritte come aventi un nucleo diploide. Una cellula che ha un cromosoma di ogni coppia ha un nucleo aploide. Una cellula sessuale ha un nucleo aploide, formato come risultato della divisione nucleare nota come meiosi.

4) I cromosomi hanno i loro geni e i loro loci. Abbiamo visto che i cromosomi portano i geni in una sequenza lineare, che la posizione di un gene è chiamata locus e che ogni gene ha due o più forme, chiamate alleli. I due alleli possono portare esattamente lo stesso “messaggio”, la stessa sequenza di basi. Un organismo diploide che ha lo stesso allele di un gene nel locus del gene su entrambe le copie nelle sue cellule è descritto come omozigote. In alternativa, i due alleli possono essere diversi. Un organismo diploide che ha diversi alleli d’un gene nel locus del gene su entrambe le copie della coppia omologa è eterozigote.

5) I cromosomi vengono copiati con precisione. Tra le divisioni nucleari, mentre i cromosomi sono srotolati e non possono essere visti, ogni cromosoma viene copiato e si replica. La replicazione avviene nel ciclo cellulare, durante l’interfase. Le due strutture identiche che si formano sono chiamate cromatidi. I cromatidi rimangono attaccati dai loro centromeri finché non vengono separati durante la divisione nucleare. Dopo la divisione dei centromeri, i cromatidi vengono nuovamente riconosciuti come cromosomi. Naturalmente, quando i cromosomi vengono copiati, l’evento critico è la copia della doppia elica del DNA che corre lungo il cromosoma. La replicazione avviene in modo molto preciso, operata da specifici enzimi.( Fig.21.01)

Alla scoperta dei principi dell’ereditarietà. Lo studio della genetica mira a spiegare somiglianze e differenze tra i genitori e i loro figli. Oggi discutiamo di geni, cromosomi e DNA, ma lo studio dell’ereditarietà iniziò nel XIX secolo con il lavoro di un monaco, Gregor Mendel, che visse nell’attuale Repubblica Ceca.  Mendel non sapeva nulla del DNA o dei cromosomi, ma i suoi studi sull’allevamento delle piante sono cruciali per la nostra comprensione dell’ereditarietà. Dal 1856 circa in poi eseguì centinaia di scrupolosi esperimenti con le piante di piselli, che coltivò nel suo monastero. Gregor Mendel individuò le leggi fondamentali dell’ereditarietà, studiando sette caratteristiche contrastanti della pianta del pisello da giardino.  Dopo innumerevoli incroci sperimentali ha concluso che i fattori ereditari (ora chiamati geni) non si “fondono” all’incrocio, ma conservano le loro identità e vengono ereditati in rapporti matematici fissi, influenzando le caratteristiche degli individui.

I primi studi di Mendel riguardavano l’ereditarietà di un solo paio di caratteristiche. Ha condotto quello che oggi viene chiamato un incrocio monoibrido usando piante di razza pura, che quando incrociate tra loro , producono sempre una stirpe che assomiglia ai loro genitori. Mendel incrociò piante di piselli corti riproduttori puri con piante alte di riproduttori puri e fece crescere i semi prodotti dagli incroci. Nella nuova generazione di piselli (nota come prima generazione o generazione F1) notò che tutte le piante erano alte. Mendel ha autoimpollinato queste alte piante F1 e ha coltivato i semi dall’incrocio per produrre una seconda generazione o F2. Scoprì che in questa generazione erano presenti piante sia alte che basse. Mendel ha registrato i risultati di 1064 piante. Trovò 787 piante alte e 277 piante corte. Circa tre quarti delle piante erano alte, in altre parole, il rapporto tra piante alte e corte era di 3:1. La progenie di questo incrocio consisteva di piante alte e nane nel rapporto di 3 alte:1 nana. Mendel sosteneva che, poiché la caratteristica nana era apparentemente scomparsa nella generazione F1 ed era riapparsa nella generazione F2, doveva esserci un fattore che controllava la nana che rimaneva intatto da una generazione all’altra, che non si esprimeva in presenza di un fattore dominante per l’altezza. In altre parole, nella prole, l’allele dominante maschera totalmente gli effetti di un allele recessivo (non dominante). Mendel propose che i fattori fossero trasmessi alla prole attraverso i gameti e giunse alla conclusione che i gameti contengono solo uno dei fattori per l’altezza, per esempio, mentre i semi e le piante che crescono da essi contengono entrambi. Ipotizzò che ci devono essere due fattori indipendenti per l’altezza, uno ricevuto da ciascun genitore. Una cellula sessuale (gamete) deve contenere solo uno di questi fattori. Mendel vide che il rapporto 3:1 poteva essere il prodotto della combinazione casuale di due coppie di fattori dissimili (T e t, per esempio)(Fig.21.02).

Determinazione delle combinazioni alleliche (genotipi) e delle caratteristiche (fenotipi) negli incroci genetici. Il diagramma chiamato griglia di Punnett può essere utilizzato per elaborare tutte le possibili combinazioni di alleli che possono essere presenti nella prole di due genitori di cui si conoscono le costituzioni genetiche (genotipi).Tale griglia mostra le combinazioni e aiuta anche a dedurre le probabilità che ognuna si verifichi.Si noti l’uso di “P”, “F1 ” e “F2” per le tre generazioni coinvolte. Guarda attentamente l’uso della griglia di Punnett per rappresentare il processo e i prodotti della croce F1. Questo dispositivo mostra chiaramente il processo di combinazione dei gameti. Le frazioni rappresentano le probabilità che si verifichino particolari gameti e zigoti( Fig.21.03)

Quando si risolve un problema, è utile seguire alcuni semplici passaggi:

1) Scegli una lettera per rappresentare il gene. Scegline uno che abbia lettere maiuscole e minuscole nettamente diverse per gli alleli, quindi ad esempio O, P e W non sarebbero buone scelte. È utile basare la lettera sul fenotipo dominante, quindi ad esempio R = rosso potrebbe essere utilizzato per il colore del petalo.

2) Rappresenta il genotipo di ciascun genitore con una coppia di lettere. Usare una singola lettera circondata da un cerchio per rappresentare il genotipo di ciascun gamete.

3) Combina le coppie delle lettere che rappresentano i gameti per dare tutte le possibili genotipi della prole. Una griglia di Punnett fornisce un modo chiaro per farlo.

Dai possibili genotipi, si possono elaborare i possibili fenotipi.

Le conclusioni di Mendel dall’incrocio monoibrido furono che:

– all’interno di un organismo ci sono fattori di riproduzione che controllano caratteristiche come ‘alto’ e ‘nano’; – ci sono due fattori in ogni cellula, ciascuno dei quali proviene dal singolo genitore;

– i fattori si separano nella riproduzione e uno dei due può essere trasmesso alla prole;

 -il fattore per ‘alto’ è una forma alternativa del fattore per ‘nano’;

 -il fattore per ‘alto’ è dominante sul fattore per ‘nano’.

Genotipo, fenotipo e test cross. Gli alleli portatori di un organismo (presenti in ogni cellula) costituiscono il genotipo di quell’organismo. Un genotipo in cui i due alleli di un gene sono gli stessi si dice che “si riproduce” o, più scientificamente, che è omozigote per quel gene. Le piante genitrici di pisello (generazione P) erano omozigoti alte o omozigoti nane. Se gli alleli sono diversi, l’organismo è eterozigote per quel gene. La progenie (generazione F1) era alta eterozigote. Quindi il genotipo è la costituzione genetica di un organismo. Gli alleli interagiscono in vari modi e con fattori ambientali. Il risultato è il fenotipo. Il fenotipo è il modo in cui viene espresso il genotipo dell’organismo, compreso l’aspetto dell’organismo. Nell’incrocio monoibrido di Mendel le altezze delle piante erano i loro fenotipi. Se un organismo mostra una caratteristica recessiva nel suo fenotipo (come il pisello nano) deve avere un genotipo omozigote (tt). Ma se mostra la caratteristica dominante (come il pisello alto), allora può essere omozigote per un allele dominante (TT) o eterozigote per l’allele dominante (Tt). In altre parole, TT e Tt si assomigliano; hanno lo stesso fenotipo ma genotipi diversi. Piante come queste possono essere distinte solo dalla prole che producono in un particolare incrocio. Quando le piante alte eterozigoti (Tt) vengono incrociate con le piante omozigoti recessive (tt), l’incrocio produce il 50% di piante alte e il 50% di piante nane . Questo tipo di croce è diventato noto come croce di prova (o test cross). Se la progenie è tutta alta, allora sappiamo che le piante alte in esame sono piante omozigoti (TT). Naturalmente, è necessario utilizzare piante sufficienti per ottenere questi rapporti distintivi( Fig.21.06).

Mendel rilevò delle costanti, che oggi vengono generalmente individuate come leggi di Mendel. Esse sono universalmente conosciute come:

-la prima legge o della dominanza: incrociando organismi puri con tratti opposti dello

stesso carattere, negli individui ottenuti (detti ibridi, diversi dai genitori) prevale il carattere dominante e non quello recessivo nella prima generazione.

-la seconda legge o della segregazione: nella seconda generazione il tratto recessivo ricompare e il -rapporto fenotipico tra tratto dominante e recessivo è di 3:1, mentre quello genotipico è di 1:2:1(AA.Aa:aa).

-la terza legge o legge dell’assortimento indipendente dei caratteri: durante la formazione dei gameti, i geni diversi si distribuiscono l’uno indipendentemente dall’altro in modo causale, dando origine a 9 genotipi con 4 fenotipi diversi in rapporto 9:3:3:1.

Eccezioni del rapporto 3:1 monoibrido. In alcuni tipi di incrocio monoibrido non si ottiene il rapporto 3:1. Di seguito vengono illustrate due di queste situazioni.

1)Codominanza (o dominanza incompleta), quando entrambi gli alleli sono espressi. Nel caso di alcuni geni, entrambi gli alleli possono essere espressi contemporaneamente, piuttosto che uno dominante e l’altro recessivo. Ad esempio, nel comune fiore da giardino Antirrhium, quando le piante a fiore rosso vengono incrociate con piante a fiore bianco, le piante F1 hanno fiori rosa. Quando si incrociano piante di Antirrhium a fiore rosa, la progenie F2 risulta essere rossa, rosa e bianca nel rapporto 1:2:1 rispettivamente. La colorazione rosa dei petali si verifica perché entrambi gli alleli sono espressi nell’eterozigote – sono presenti sia un sistema di pigmenti rossi che bianchi. Rosso e bianco sono alleli codominanti. Nei diagrammi genetici, gli alleli codominanti sono rappresentati da una lettera maiuscola per il gene e da lettere maiuscole in apice diverse per i due alleli, in riconoscimento della loro uguale influenza (Fig.21. 07).

Può essere spiegato anche così: negli eterozigoti, quando nessuno dei due alleli è dominante, il gene può seguire il principio della dominanza incompleta: cioè si sviluppano fenotipi incompleti rispetto a quelli dei genitori, perché nessuno dei due alleli è dominante.

2)Poliallelia o alleli multipli Per semplicità abbiamo iniziato considerando l’ereditarietà di un gene per il quale esistono solo due alleli( o dominante o recessivo). Tuttavia, ora sappiamo che non tutti i geni sono così. Infatti, la maggior parte dei geni ha più di due alleli. In questo caso scegliamo una singola lettera maiuscola per rappresentare il locus in cui possono verificarsi gli alleli, e i singoli alleli sono quindi rappresentati da una singola lettera aggiuntiva (solitamente maiuscola) in posizione apicale, come con gli alleli codominanti. Un eccellente esempio di alleli multipli si trova nel sistema dei gruppi sanguigni ABO nell’uomo in quanto sono presenti 3 alleli (IA, IB, e i) i primi due dominanti l’ultimo recessivo e 4 fenotipi (A, B,AB e O). I geni A e B sono codominanti, il gene 0 è recessivo. I possibili fenotipi e i genotipi che possono essere responsabili di ciascun gruppo sanguigno sono evidenziati ( Tabella 21.01).

Il sangue umano appartiene a uno dei quattro gruppi: A, B, AB o O. Il sistema ABO è determinato da combinazioni di alleli alternativi: in ogni individuo esistono solo due dei tre alleli, ma vengono ereditati come se fossero alleli alternativi di una coppia. Tuttavia, IA e IB sono alleli codominanti e sia IA che IB sono dominanti rispetto al recessivo Ii . Quando entrambi gli alleli sono espressi contemporaneamente, piuttosto che uno dominante e l’altro recessivo, i due alleli di un locus producono fenotipi tutti e due dominanti come avviene nel sistema AB0 dei gruppi sanguigni (che costituisce anche un caso di poliallelia)( Fig.21. 09 .)I risultati della mescolanza di globuli rossi di tipo A, B, AB,0 con siero contenente anticorpi anti A e anti. B sono evidenziati nella Fig. 21.10.  Seguendo le colonne si nota che ogni tipo di sangue mescolato con il siero contenente l’anticorpo specifico, dà origine ad un unico abbinamento. Gli individui con sangue del gruppo 0 sono donatori universali perché il loro sangue non reagisce né con gli anticorpi A né con quelli B. Gli individui del gruppo sanguigno AB sono riceventi universali perché non producono nessuno degli anticorpi.

L’eredità umana studiata con l’albero genealogico.

Possiamo indagare il modello di eredità utilizzando un albero genealogico di famiglia, dove esistono registrazioni appropriate degli antenati. Gli alberi genealogici sono un modo per tracciare il modello di ereditarietà di una condizione genetica attraverso una famiglia. Vengono sempre utilizzati simboli specifici e la tabella è impostata in modo standard. Le linee orizzontali che collegano il maschio e la femmina in una generazione indicano un matrimonio (o accoppiamento) e le linee verticali indicano la loro prole. I figli sono mostrati in ordine di nascita (Fig. 21.11).

Gli alberi genealogici per dedurre il modello di ereditarietà. Possiamo utilizzare un albero genealogico per rilevare le condizioni dovute agli alleli dominanti e recessivi. Nel caso di una caratteristica dovuta ad un allele dominante, la caratteristica tende a presentarsi in uno o più membri della famiglia in ogni generazione. Invece, una caratteristica recessiva si vede raramente, spesso saltando molte generazioni.

Un esempio di trasmissione monoibrida recessiva è l’albinismo, una rara condizione ereditaria dell’uomo (e di altri mammiferi) in cui l’individuo ha un blocco nel percorso biochimico attraverso il quale si forma il pigmento melanina. Gli albini hanno i capelli bianchi, la pelle molto chiara e gli occhi rosa. La trasmissione mostra un modello di ereditarietà monoibrida recessiva negli esseri umani. Nel grafico mostrato di una famiglia con membri albini, l’albinismo si verifica raramente, saltando del tutto due generazioni (Fig.21.12).

Nella prima generazione, l’individuo 2 deve essere pp (albino). Nella seconda generazione, tutti i figli devono essere portatori (Pp) perché hanno ricevuto un allele recessivo (p) dalla madre. Nella terza generazione, l’individuo 8 deve essere un portatore e anche il suo partner X deve essere un portatore, poiché la loro prole include un figlio che è albino.

 Un esempio di ereditarietà monoibrida dominante è la brachidattilia, una condizione rara degli esseri umani in cui le dita sono molto corte, dovuta a una mutazione nel gene per la lunghezza delle dita. Insolitamente, l’allele mutante è dominante, quindi la condizione mostra un modello di ereditarietà dominante cioè tende a verificarsi in ogni generazione in una famiglia. L’inserimento di un nucleotide errato è chiamato mutazione di sostituzione di base. Quando il DNA contenente un nucleotide errato viene trascritto e tradotto, possono verificarsi errori nel polipeptide prodotto. Nella prima generazione si presume che i genitori siano maschi normali (nn) e femmine brachidattili (eterozigote Nn), poiché il rapporto di prole è simile a quello di un incrocio di prova. In ogni generazione successiva circa metà dei figli sono brachidattili (cioè Nn o NN) e metà sono normali (nn) (Fig. 21. 13).

Cromosomi sessuali e determinazione del sesso

I cromosomi che decidono il sesso dell’individuo sono i cromosomi sessuali. Ogni persona ha una coppia di cromosomi sessuali, XX o XY, insieme ad altre 22 coppie di cromosomi autosomici.  Le femmine hanno due cromosomi X e i maschi hanno uno X e uno Y. I cromosomi sessuali vengono ereditati allo stesso modo degli altri cromosomi. Il rapporto dei fenotipi femmina: maschio è 1: 1. Ciò significa che, alla fecondazione, c’è una probabilità del 50% che un bambino sia un maschio e del 50% che sia una femmina. Quindi, il genere della prole nell’uomo (e in tutti i mammiferi) è determinato dal partner maschile. Inoltre, ci aspetteremmo che nel tempo una popolazione riproduttiva produca un numero uguale di figli maschi e femmine. I geni sui cromosomi sessuali non seguono le leggi mendeliane, che invece sono seguite dagli altri geni.

I cromosomi umani X e Y e il controllo del genere. Inizialmente, gli embrioni maschili e femminili si sviluppano in modo identico nell’utero. Alla settima settimana di gravidanza, invece, si innesca una cascata di eventi evolutivi che portano alla crescita dei genitali maschili, se nelle cellule embrionali è presente un cromosoma Y. Sul cromosoma Y è il primo gene che determina il maschio. Questo gene codifica per una proteina chiamata fattore determinante per i testicoli (TDF) che funziona come un interruttore molecolare; raggiungendo i tessuti delle gonadi embrionali, avvia la produzione di un livello relativamente basso di testosterone. In questa fase l’effetto dell’ormone è quello di inibire lo sviluppo dei genitali femminili e di indurre i tessuti genitali embrionali a formare testicoli, scroto e pene. In assenza di un cromosoma Y, il tessuto gonadico embrionale forma un’ovaia, poi, le strutture riproduttive femminili.

Come avviene l’appaiamento dei cromosomi X e Y nella meiosi. Solo una piccolissima parte dei cromosomi X e Y degli esseri umani ha alleli complementari e può accoppiarsi durante la meiosi, perché la maggior parte contiene geni che non hanno alleli corrispondenti sull’altro. Il corto cromosoma Y porta geni specifici per la determinazione del sesso maschile e dello sperma compreso il gene che codifica per TDF, che, come abbiamo visto, commuta lo sviluppo del tessuto delle gonadi embrionali in testicoli nelle prime fasi dello sviluppo embrionale. Il cromosoma X è più lungo dell’Y e porta più geni, pochissimi dei quali riguardano la determinazione del sesso( Fig.21.14)

I geni presenti sui cromosomi sessuali sono ereditati con il sesso dell’individuo. Si dice che siano caratteristiche legate al sesso. L’ereditarietà di questi geni legati al sesso è prevalentemente legata al cromosoma X. Questo perché il cromosoma X è molto più lungo del cromosoma Y (poiché molti dei geni sul cromosoma X sono assenti dal cromosoma Y). In un maschio (XY), la maggior parte degli alleli sul cromosoma X mancano di un allele corrispondente sull’Y e saranno evidenti nel fenotipo anche se sono recessivi. Invece, in una femmina (XX), un singolo gene recessivo su un cromosoma X può essere mascherato da un allele dominante sull’altro X e può non essere espresso. Una femmina umana può essere omozigote o eterozigote rispetto alle caratteristiche legate al sesso, mentre i maschi hanno un solo allele. Un individuo eterozigote con un allele recessivo di un gene che non ha effetto sul proprio fenotipo è noto come portatore; portano l’allele ma non è espresso. Quindi, le femmine portatrici sono eterozigoti per le caratteristiche recessive legate al sesso. Naturalmente, gli alleli spaiati del cromosoma Y sono tutti espressi nel maschio. Il cromosoma Y riguarda principalmente le strutture maschili e le funzioni maschili. Quindi la conseguenza è che se esistono mutazioni sul cromosoma X esse si manifestano prevalentemente nei maschi. Le femmine hanno due cromosomi X, quindi hanno due alleli per ogni gene e possono essere omozigoti o eterozigoti. In una femmina, un singolo allele recessivo sarà mascherato da un allele dominante sull’altro suo cromosoma X. Invece, i maschi hanno un solo allele sul cromosoma X senza un allele corrispondente sul cromosoma Y; quindi, un allele recessivo sarà sempre espresso in un maschio. Una femmina eterozigote per una caratteristica recessiva legata al sesso che non influenza il suo fenotipo è chiamata portatrice.

 Esempi di malattie recessive legate al cromosoma X sono :

Il daltonismo rosso-verde. Una persona daltonica rosso-verde vede il verde, il giallo, l’arancione e il rosso come lo stesso colore. La condizione affligge circa l’8% dei maschi, ma solo lo 0,4% delle femmine nella popolazione umana. Questo perché una femmina con una normale visione dei colori può essere omozigote per l’allele della normale visione dei colori (XBXB) o può essere eterozigote per la normale visione dei colori (XBXb ). Affinché una femmina sia daltonica rosso-verde, deve essere omozigote recessiva per questo allele (XbXb ) – ciò si verifica molto raramente. D’altra parte, un maschio con un singolo allele recessivo per la visione dei colori rosso verde (Xb Y) sarà colpito.   Il daltonismo rosso-verde viene ereditato in modo simile all’emofilia. Una femmina che è XBXb è portatrice di daltonismo e un maschio con una sola copia dell’allele recessivo sarà daltonico, cioè malato (Fig. 21.16).

L’emofilia è una condizione in cui il sangue di una persona affetta non coagula normalmente. Il risultato è un sanguinamento frequente ed eccessivo. Esistono 2 forme di emofilia, note come emofilia A e emofilia B. Sono dovute all’incapacità di produrre quantità adeguate di particolari proteine deputate alla coagulazione. È una condizione legata al cromosoma del sesso, perché i geni che controllano la produzione del fattore VIII della proteina della coagulazione del sangue si trovano sul cromosoma X. L’emofilia è causata da un allele recessivo. Di conseguenza, l’emofilia è in gran parte una malattia del maschio, poiché il singolo cromosoma X che porta l’allele difettoso (XhY)si tradurrà in malattia. Affinché una femmina abbia la malattia, deve essere monozigote per il gene recessivo (XhXh), ma questa condizione è solitamente fatale nell’utero, provocando aborto. Una femmina con un solo cromosoma X con l’allele recessivo XHXh sarà portatrice di emofilia, quindi con una coagulazione normale. Quando un portatore è associato ad un maschio normale, c’è una probabilità del 50% che le figlie siano portatrici e i maschi siano emofiliaci. L’ albero genealogico mostra come una condizione legata al sesso come l’emofilia può essere ereditata. Oggi l’emofilia viene curata dando alla persona colpita il fattore della coagulazione che non può produrre (Fig. 21.17).