Genetica:

Genetica
Appunti di Simone Pisu
Università: Università degli Studi di Cagliari
Facoltà: Biologia 
Corso di Laurea Magistrale in Biologia Cellulare e Molecolare
Esame: Genetica
Docente: Prof. Marchi
Anno Accademico 2011/2012Grazie a Mendel sono state fatte le prime scoperte sulla eriditarietà dei geni; queste 
scoperte sono valide tuttora e si possono applicare ad animali e piante. Le ricerche 
sull ’eridaterietà dei geni vengono anche impiegate nel campo della produzione, per
selezionare piante di un determinato tipo; tale selezione è il risultato della modalità 
con cui i geni vengono ereditati. Oggi poi ci sono addirittura i prodotti transgenici . 
Le tecniche di ingeneria genetica oggi vengono usate per modificare prodotti di 
interesse alimentare (Es: o per avere una maggiore resa produttiva o per avere 
prodotti più resistenti ai parassiti), per creare farmaci etc; ma per fare questo alla base 
c’è la conoscenza di come i geni vengono trasmetti da una generazione all ’altra.
La genetica ormai trova impiego nel campo: della agricoltura, della zootecnia 
(disciplina che si occupa della produzione, dell'allevamento e dello sfruttamento degli 
animali domestici), medicina legale e della ricerca di geni che causano patologie. 
Concetti: 
 Fenotipo: ciò che appare
 Genotipo: base genetica che determina un certo carattere. Due persone che
hanno lo stesso genotipo non è detto che abbiamo lo stesso fenotipo (esempio
due gemelli omozigoti, non sono mai esattamente identici); questo perché
l ’individuo interagisce con l ’ambiente, con altri geni etc. Ad esempio anche la
posizione che due gemelli assumono all ’interno dell ’utero, può influenzare
l ’espressione del fenotipo.
 Genetica mendeliana: leggi sull ’eriditarietà dei caratteri per organismi che si
riproducono sessualmente; ossia dove la formazione dei gameti avviene
secondo un processo di meiosi
 Variabilità genetica: diversità che osserviamo all ’interno di una specie. Noi
se ci guariamo siamo tutti diversi, perché esistono forme alternative di uno
stesso gene. Ciò è dovuto alla capacità del DNA di mutare, e poi alla selezione
naturale; ciò ha permesso l ’evoluzione.
 Gene: unità ereditaria funzionale costituita da una sequenza di DNA (RNA per
alcuni virus)
 Gene strutturale: gene che trascritto e tradotto darà una proteina
 Genoma: insieme dei geni che costituisco il patrimonio ereditario di una
specie.
Scoperta del materiale genetico 
Mendel si può definire il padre della genetica e ciò che stupisce è la genialità di 
quest ’uomo; infatti lui fece importanti ipotesi sulla genetica (che poi si sono rivelate
vere) senza sapere nulla di: gameti, meiosi, cromosomi, geni, DNA etc. 
Oggi noi sappiamo bene che il DNA è il materiale genetico, però questa convinzione 
è scaturita solo verso il 1920/1930.  
Griffith: 
La prima scoperta che è effettivamente il DNA il depositario dell ’info genetica e stata
fatta grazie a Griffith 
Griffith non stava cercando di scoprire se il DNA fosse il responsabile 
dell ’eridaterietà dei caratteri ma, come spesso accade, fu una scoperta casuale.
Griffith stava infatti cercando un vaccino per la polmonite e stava utilizzando come 
cavie dei topolini, aveva isolato il batterio della polmonite e di questo aveva isolato 
ceppi virulenti (in grado di causare la malattia) e non virulenti (non in grado di 
causare la malattia). I ceppi virulenti furono indicati con S perché quando i batteri 
vengono coltivati formano colonie lisce. I batteri non virulenti non hanno una capsula 
polisaccaridica; questi non sono virulenti quindi se iniettati in un topo non causano la 
malattia; possono poi essere isolati dal sangue di quel topo ed essere coltivati; queste 
colonie hanno margini non lisci, quindi vengono indicati con R. Per dar vita ad un 
vaccino Griffith uccise i batteri virulenti con il calore, gli iniettò nel topo e vide che 
non causavano la malattia. Se poi venivano messi in un terreno di coltura questi 
essendo morti non replicavano. 
Un ulteriore esperimento lo fece usando batteri virulenti uccisi e non virulenti vivi; 
iniettando questo mix nel topo si vide che manifestava la malattia, e da esso prelevò 
dei batteri che stranamente erano virulenti. Griffith ipotizzò che il fattore virulenza 
fosse passati dai morti virulenti hai vivi non virulenti. Lui però non sapeva quale 
fosse questo fattore.  
Altri ricercatori successivamente fecero degli esperimenti per capire quali fossero le 
molecole responsabili di questa trasformazione. Prepararono delle provette con 
colture di ceppi non virulenti e vi aggiunsero estratti (detti anche omogenati) di ceppo 
virulento. Si vide che l ’omogenato era in grado di trasformare le cell non virulente e
quindi nel terreno di coltura era possibile vedere cell virulente; ma l ’omogenato è
composto da proteine acidi nucleici etc, quindi per capire quale fosse la molecola 
responsabile hanno trattato l ’omogenato con enzimi: facendo varie prove videro che
se degradavano proteine e RNA, il fattore riusciva a passare ai virus non virulenti, ma 
se degradavano invece il DNA lasciando o proteine o RNA, questo non era possibile. 
Questa era la prova che era proprio il DNA che aveva il materiale genetico 
contenente l ’info virulenta.
Watson e Crick: 
Altri studi vennero fatti da altri due premi nobel Watson e crick. Il modello ideato da 
W.e C. riusciva a spiegare una serie di dati sperimentali sulla costituzione del DNA
ed era in grado di spiegare come il DNA si può duplicare producendo copie fedeli di
se stesso.
DNA e proteine: 
Un ’altra scoperta fondamentale fu: l ’interazione del DNA con proteine (sappiamo
che il DNA interagisce con proteine) è stata fatta alla fine dell ’800 da un medico che
studiava una malattia (alcaptonuria) caratterizzata da urine scure, perché durante la 
degradazione degli aminoacidi, in particolare fenilalanina, si ha un blocco metabolico 
e quindi l ’acido omogentisico (HGA) non viene trasformato in maleilacetoacetato e si
accumula nelle urine, si ossida e quindi determina queste urine scure. Inoltre 
l ’alcaptonuria determina una forma di atrosi. 
Questo medico aveva capito che la alcaptonuria veniva ereditata e aveva anche capito 
il perché avveniva questo problema (già descritto come avviene). 
 
La neurosporacrassa e i mutanti: 
Nel secolo scorso a partire da una serie di esperimenti si è scoperto che il DNA viene 
replicato, si ottiene l ’RNA e questo viene tradotto in proteine. L ’esperimento fu fatto 
usando un organismo sperimentale che si chiama neurospora crassa  (fungo detto 
“muffa del pane ”). La neurospora è autotrofa quindi è capace di produrre da se tutto 
ciò che gli serve per costruire le macromolecole, partendo da sostanze semplici: 
carbonio, zuccheri, sali minerali e una vitamina che è la biotina.  
Le neurospore sono organismi che possono riprodursi per via assessuata. Quindi se 
mettiamo la spora in un terreno con carbonio, zucchero, sali minerali e biotina è in 
grado di formare un intero organismo. I ricercatori hanno preso le spore e le hanno 
irraggiate con radiazioni X. I raggi x determinano mutazioni. Poi venne messo il tutto 
in una provetta. I ricercatori volevano capire se alterando il DNA si otteneva un 
qualche risultato. Alcuni mutanti furono messi in terreni in cui avevano tutto e altri 
invece in terreni in cui mancava qualcosa che però un non mutande avrebbe potuto 
sintetizzare. Notarono però che i mutanti non riuscivano a fare ciò, mentre in un 
terreno in cui tutto era pronto riuscivano a crescere. Quindi voleva dire che 
quell ’alterazione del DNA aveva determinato nella neurospora la incapacità di 
produrre un amminoacido. Usando una batteria di provette con un terreno minimo in 
cui c ’era l ’aggiunta di un solo amminoacido; videro che solo aggiungendo arginina la 
neurospora cresceva. Quindi l ’amminoacido in questione era l ’arginina. Questo 
voleva dire che c ’era stato un blocco metabolico, ossia era stato alterato qualche 
gene. 
Riuscirono questi ricercatori a scoprire che ci sono dei geni che trascritti e tradotti 
danno degli enzimi che catalizzano la reazione per ottenere arginina; alterazioni in 
questi geni impediscono la sintesi di un enzima funzionante e quindi viene bloccato il 
processo metabolico. 
Tipi di genoma 
 
Non tutti gli organismi hanno lo stesso genoma. Vediamone alcuni: 
Virus: possono infettare sia cell procariotiche e eucaristiche. Tra questi troviamo i 
batteriofagi sono quei virus che infettano batteri e si replicano al loro interno usando 
l ’apparato metabolico della cell; questo succede anche in cell eucaritiche. I virus sono 
molto piccoli, le loro grandezze possono essere espresse in nanometri e anche il loro 
genoma è poco complesso e molto piccolo e varia da 1,5 kb a 280 Kb (un kilobase = 
1000 basi). Il loro genoma può essere a DNA o RNA, lineare o circolare, a singola o 
a doppia elica. Avendo un genoma così piccolo anche i geni strutturali saranno molto 
pochi; ovviamente usando l ’apparato metabolico della cell, non hanno bisogno di 
tanti geni come i geni ribosomiali; però devono sintetizzare anche molecole che 
serviranno per costruire il loro involucro ed essendoci poco spazio, spesso questi geni 
sono sovrapposti, ossia la parte terminale di un gene strutturale e l ’inizio di quello 
successivo.  
C’è anche un problema di spazio in quanto il genoma, se lo stendiamo, è molto più 
lungo del capside. (ne riparliamo dopo) 
Batteri: Sono grandi qualche micron. Il loro genoma è di un solo tipo: DNA 
circolare a doppia elica. Loro contengono un info genetica maggiore anche perché 
devono sintetizzare anche tutte le molecole necessarie per la sintesi proteica; la 
grandezza di questo genoma và da 760 a 4000 Kb. Non hanno geni sovrapposti come 
i virus e neanche introni (sequenze che non vengono tradotte) come gli eucarioti; 
inoltre a differenza degli eucarioti, il loro genoma non è contenuto in un nucleo. 
Troviamo geni strutturali, quindi quei geni che vengono tradotti in sequenze 
amminoacidiche, poi abbiamo anche geni ribosomiali, e questi avvolte sono ripetuti 
in diverse copie, e infine i geni per l ’mRNA.  
Anche qui abbiamo un problema di spazio perché se sdrotoliamo il DNA, può 
arrivare anche ad 1 cm che ci deve stare in cell dell ’ordine di pochi micron.  
Eucarioti: è un genoma a DNA, a doppia elica, lineare; molto più grande di quello 
batterico, sia per gli essere unicell che pluricell. Varia da 13.500 Kb a 102.000.000 di 
Kb; il nostro genoma non è così esteso infatti è solo di 3.000.000 di Kb, quindi 
nonostante siamo l ’organismo più complesso ci sono piante o rettili o anfibi come gli 
urodeli etc che possono avere un genoma più grande. Questo si spiega dicendo che il 
genoma di questi animali contiene più sequenze non codificanti rispetto a quello 
umano; ma anche quello umano ha molte sequenze non codificanti. 
Nell ’uomo c’è una forte discrepanza  tra la grandezza del genoma e la quantità di 
geni strutturali; infatti solo il 10% codifica per proteine. 
Nel genoma eucariotico abbiamo:  
 introni (sequenze non codificanti) ed esoni (sequenze codificanti); infatti 
all ’interno di un medesimo gene sono presenti sequenze chiamate esoni, che 
verranno conservati nell ’mRNA maturo, ed introni che verranno eliminati 
prima della traduzione, con un processo denominato splicing. Spesso negli 
introni troviamo promotori, sequenze leader etc. 
 ci sono geni ripetuti più volte. DNA non codificante per proteine. 
 ci sono altre sequenze che fungono semplicemente da sequenze di spaziatura; 
si trovano tra un gene strutturale e l ’altro.  
Sequenze ripetute: possono essere intersperse (sparse qua e là nel DNA) o 
ripetute in tandem (ripetute uno di seguito all ’altro).  Possono essere altamente 
ripetute o mediamente ripetute. 
Sequenze altamente ripetute: 
Possono essere: 
 satellite: 4-7 mucleotidi ripetuti migliaia di volte 
 minisatelliti: 10-100 bp ripetute per un max di 40 kb 
 microsatelliti:  circa 3-4 nucleotidi ripetuti per 20-30 volte 
Il loro compito è quello di formare l ’rRNA  il tRNA; le troviamo in particolare nelle 
regioni centromeriche e telomeriche dei cromosomi e quindi si pensa che 
costituiscano regioni vitali per i cromosomi; infatti se ad esempio la regione 
centromerica subisce dei danni, il DNA non può più migrare ai poli del fuso durante 
la divisione mitotica e meiotica; inoltre se un cromosoma non ha le estremità 
telomeriche, tende a perdere DNA durante la duplicazione. 
Sequenze mediamente ripetute: le principali sono 
 Sequenze corte: che sono intersperse nel genoma (le troviamo intersperse sia 
in geni strutturali che in geni non strutturali), sono sequenze di 150-300 paia di 
basi e vegono dette Sines; un esempio di queste sequenze sines nell ’uomo sono 
le sequenza ALU 
 Sequenze lunghe: dette Lines, arrivano a 5kb, un esempio sono gli elementi 
copia in drosophila. 
  
DNA organelli: Nelle cell eucaritiche esiste anche un genoma mitocondriale e uno 
cloplastico; qui troviamo geni strutturali e geni codificanti per rRNA e tRNA, in 
quanto questi organelli sono dotati di un certo metabolismo. 
 
DNA ripiegato 
 
Abbiamo detto che il genoma del batterio ha difficoltà a starci dentro la cell, e così 
anche quello virale ha difficoltà a stare dentro il capside; come hanno fatto a risolvere 
il problema? .  
Nei virus vediamo un DNA tutto ripiegato, in questo modo può compattarsi; il modo 
con cui si compatta cambia in base al virus. 
I batteri invece risolvono il problema con un DNA superavvolto intorno a proteine 
basiche. Prima si pensava che il DNA procariotico fosse nudo, invece ora ormai si sa 
che questo DNA presenta proteine simili a quelle istoniche eucariotiche; inoltre si 
formano delle anse tenute assieme da molecole di RNA o proteiche.  
Anche negli eucarioti abbiamo un problema di spazio; infatti abbiamo DNA anche di 
un metro che deve starci in strutture nell ’ordine dei micron. Il problema è risolto con 
la formazione di una sostanza (cromatina) formata da DNA, proteine istoniche (gli 
istoni sono: H2A, H2B, H3 e H4) e proteine non istoniche.  
Primo grado di impacchettamento: Le proteine istoniche formano un ottamero; il 
DNA si avvolge attorno agli ottameri istonici formando così i nucleosomi e l ’istone 
H1 forma una specie di cerniera che rende più compatti i nucleosomi; si forma così 
una struttura a collana di perle 
Secondo grado di compattazione: si raggiunge con la formazione di solenoidi, ossia 
la collana di perle forma delle spirali.  
Terzo grado: i solenoidi formano anse che si attaccano allo scheletro di proteine 
istoniche, arrivando a fibre di 300nm; queste sono le dimensioni della massa di 
cromatidi quando la cell è in interfase.  
Quarto grado: quando la cell entra in meiosi o mitosi, e quindi si deve dividere, 
avviene un ulteriore compattazione grazie alla formazione di anse, perché in questa 
fase è necessario che le fibre raggiungano il max grado di compatezza (formazione 
del cromosoma), necessaria per la divisione dei cromatidi fratelli.  
Se parliamo di cell che vanno in continua replicazione, vedremo che questi 
cromosomi verranno despiralizzati e poi torneranno a formarsi. (Dobbiamo sapere 
bene la meiosi).  
 
Ciclo cellulare 
 
Alla fine della mitosi ciascun cromosoma è formato da un cromatide perché quei 
cromatidi si sono separati. Perché la cell possa andare incontro ad un nuovo ciclo di 
divisione è necessario che quel materiale genetico venga di nuovo duplicato e questo 
avviene nella fase S (sintesi) dell ’interfase. Il cromosoma duplicandosi crea due 
cromatidi fratelli identici; questo farà in modo che si creino due cell figlie identiche. 
Le cell adulte che non si dividono, sono in uno stato perenne di interfase dove i 
cromosomi hanno un unico cromatidio perché non dovendosi dividere non duplicano 
il loro contenuto. 
Nelle cell dell ’uomo è di tutti gli altri animali diploidi, ogni cromosoma è presente in 
due coppie (uno proviene dal padre una dalla madre), sono detti cromosomi omologhi 
e sono uguali: a questa regola differiscono i cromosomi sex del  maschio che sono 
diversi l ’uno dall ’altro (X e Y) 
 
Citogenetica 
 
I cromosomi nel loro max stadio di condensazione, ossia in metafase, vengono molto 
studiati da una branca della genetica detta citogenetica. 
La citogenetica studia: 
 comportamento dei cromosomi durante le divisioni meiotiche e mitotiche 
 variabilità a livello dei cromosomi e quindi anomalie che possono verificarsi a 
livello della struttura e del numero di cromosomi (vedremo più avanti) 
 crossing-over  
 posizione dei vari geni  
 numero dei cromosomi di varie specie. 
 Morfologia dei cromosomi; si è così scoperto che abbiamo cromosomi con il 
centromero in posizione centrale, in posizione decentrata (submetacentrici) o in 
posizione terminale. Al centromero si attaccano le fibre del fuso durante le 
divisioni meiotiche e mitotiche. 
Analisi citogenetica: per analizzare i cromosomi vengono presi dei leucociti (gli 
eritrociti no perché sono senza nucleo), vengono stimolati a divedersi e bloccati in 
mitosi con una sostanza detta colticina (veleno mitotico che non permette la 
formazione del fuso) così i cromosomi restano in piastra equatoriale. Queste cell 
vengono poi fissate usando un fissativo (alcool e acido acetico), vengono poi trattate 
con soluzione ipotonica per fa gonfiare le cell e poi distese con una pipetta sul vetrino 
e osservate con il microscopio. Un altro modo per ottenere piastre metafisiche 
(cromosomi in metafase), sono le culture cell. Una volta ottenuti i vetrini si usano 
coloranti basici per colorare queste cell; oppure vengono trattate in modo da ottenere 
dei bandeggi: Questo bandeggi sono serviti a caratterizzare ogni cromosoma in modo 
da distinguerlo nel cariotipo (ogni cromosoma ha un suo caratteristico bandeggio); se 
nel cariotipo ci sono alterazioni nel numero di struttura lo si può vedere subito dal 
bandeggio. Grazie al bandeggio è stato istituito un sistema di nomenclatura 
particolare dando un codice a ciascuna banda che permette di indicare una regione in 
maniera precisa con una sigla.