26 settembre 2010

Le leggi di Mendel e la loro importanza

Le malattie genetiche causate dalla mutazione di un singolo gene presentano un meccanismo di trasmissione noto da tempo, studiato per la prima volta dall'abate Gregor Mendel. Nell'Ottocento non erano noti i concetti di genetica e gli studi di Mendel si basarono semplicemente sull'osservazione della pianta di Pisum Sativum: attraverso ripetuti esperimenti egli cercò di capire come le caratteristiche delle piantine passassero da una generazione alla successiva. La pianta scelta per queste ricerche è di facile coltivazione, è in grado di auto-impollinarsi e presenta molti geni collocati su cromosomi diversi. 
L'auto-impollinazione fu il punto di partenza fondamentale che permise a Mendel di ottenere delle linee pure, ovvero delle piantine che presentavano i medesimi caratteri da una generazione all'altra: i membri di una stessa linea pura hanno identiche caratteristiche ereditarie. Mendel esaminò diverse proprietà delle piantine di Pisello Odoroso: l'altezza dello stelo, colore o forma del seme o del baccello oppure il colore o la posizione del fiore; i risultati delle ricerche furono sempre i medesimi: date due linee pure con caratteri antagonisti, ad esempio il colore del fiore rosso ed il colore del fiore bianco, uno risultava sempre predominante rispetto all'altro. Per illustrare questo concetto Mendel parlò di un fattore dominante (il rosso) e di un fattore recessivo (il bianco).

Nel momento in cui Mendel impollinò nuove piantine a partire dalla giovane generazione appena ottenuta, il carattere che sembrava perduto ricompariva, sempre in proporzioni ben definite. Gli studi di Mendel furono accantonati fino agli anni Venti del Novecento, quando nuovi esperimenti chiarirono la portata dei suoi studi.

Chiariamo gli esperimenti di Mendel con un semplice schema:


I risultati, pubblicati già nel 1866, sono oggi noti come "Leggi di Mendel" e sono fondamentali per comprendere come si trasmettono le malattie causate dalla mutazione di un singolo gene.

I geni sono dei frammenti di DNA nei quali è scritta una precisa informazione; tutti questi dati, se sono corretti, permettono al nostro corpo di funzionare bene e forniscono informazioni sulle nostre caratteristiche. Un gene è dunque un fattore ereditario legato ad un nostro tratto distintivo: nella maggior parte dei casi, ogni gene è costituito da due alleli, che concorrono a determinare tale caratteristica.
Dato che, nelle nostre cellule in divisione, i cromosomi sono presenti a coppie, è facile intuire che gli alleli non sono altro che la forma nella quale il gene si presenta su ciascun cromosoma. Nei casi più semplici, la loro interazione determina la caratteristica fenotipica, cioè visibile, dell'individuo.

Per comprenderlo meglio, partiamo dall'esperimento di Mendel. Il gene, che indica il colore del fiore della piantina, può presentarsi sotto due forme alleliche diverse: l'allele rosso e l'allele bianco.
Se entrambi gli alleli sono rossi, il fiore risulterà rosso; se entrambi gli alleli sono bianchi, il fiore prenderà il colore bianco. In entrambi i casi, si dice che la piantina è omozigote per quel carattere. Nel momento in cui si incrociano una piantina con i fiori rossi ed una con i fiori bianchi, con le caratteristiche sopra descritte, si ottiene una piantina con i fiori rossi: il rosso è dominante, il bianco recessivo. Le piantine così ottenute, tuttavia, saranno eterozigoti ovvero conterranno sia l'allele bianco, sia quello rosso. Per questo motivo, incrociando due piantine di questa nuova generazione ricompare il colore bianco che sembrava perduto.

Per capire meglio questo concetto, riprendiamo lo schema precedente e indichiamo con "A" l'allele rosso dominante e con "a" l'allele bianco recessivo.


I geni che si trovano su cromosomi diversi seguono questa regola e sono indipendenti l'uno dall'altro; viceversa, geni collocati sul medesimo cromosoma risultano legati anche nel meccanismo di trasmissione ereditaria.
I risultati ottenuti da Mendel sono validi anche per lo studio delle malattie genetiche che colpiscono l'uomo, in particolare quelle causate dalla mutazione di un singolo gene e collocati sui cromosomi autosomi. A questo proposito possiamo distinguere due tipologie di malattie: le malattie autosomiche recessive e quelle autosomiche dominanti, di cui parlerò nel prossimo post.

Tania Tanfoglio


Bibliografia 
Russell Peter J., Wolfe Stephen L., (2009), Elementi di genetica, Edises

04 settembre 2010

Le anomalie dei cromosomi

Come anticipato nel post precedente, in quest’articolo vedremo quali sono le mutazioni che colpiscono i cromosomi. Infatti, si possono verificare errori nel numero o nella struttura macroscopica del cromosoma, ma anche danni a livello delle singole molecole che costituiscono l'intelaiatura del DNA: le basi azotate. Quest'ultima tipologia di mutazione è la causa delle malattie genetiche o mendeliane, per le quali ad un gene [1] mutato corrisponde una ben precisa malattia genetica.

In particolare, in questo post, vorrei spiegare cosa succede se le mutazioni riguardano l'ovocellula o lo spermatozoo che sono destinati a generare una nuova vita. Le mutazioni, infatti, possono insorgere anche durante la vita adulta e sono alla base di numerose forme tumorali: di questo argomento, però, parlerò più avanti.

È importante tenere presente che i bambini colpiti da un’anomalia cromosomica hanno quasi sempre genitori sani: la mutazione presente nel DNA del bimbo può, infatti, verificarsi a causa di un errore accidentale durante la formazione dell'ovocellula o dello spermatozoo; in alternativa, entrambi i genitori, pur non presentando alcun sintomo, sono portatori della medesima anomalia cromosomica ed il bambino presenta la patologia. Infine, il bambino può presentare la stessa mutazione di uno dei genitori e, quindi, avere la sua stessa malattia.

Le mutazioni del numero dei cromosomi sono chiamate mutazioni genomiche: alcune di queste sono compatibili con la vita, ma la maggior parte non lo sono e causano aborti spontanei.
Ecco alcune mutazioni causate da un errato numero di cromosomi e compatibili con la vita:
  • La sindrome di Down, caratterizzata da un cromosoma 21 soprannumerario. I bambini affetti hanno caratteristiche somatiche tipiche ed un ritardo mentale più o meno grave; sono particolarmente suscettibili alle infezioni e presentano, frequentemente, difetti cardiaci congeniti.
  • La sindrome di Edwards, caratterizzata da un cromosoma 18 soprannumerario. Questi bambini alla nascita sono piccoli: la loro crescita è gravemente rallentata; soffrono di un importante ritardo psicomotorio e di anomalie a carico di svariati apparati. Il quadro clinico è talmente grave da non consentire loro di superare i primi mesi di vita.
  • La sindrome di Patau, caratterizzata da un cromosoma 13 soprannumerario. Anche in questo caso, il bambino presenta un grave ritardo mentale, accompagnato da una crescita rallentata e malformazioni multiple, che causano una morte prematura.
  • La sindrome di Turner, nella quale la donna ha un solo cromosoma X anziché due. In genere le donne colpite hanno un'altezza media di 1,45 m ed un ritardo nel processo di ossificazione, con anomalie dello scheletro; possono verificarsi anche quadri patologici di varia entità a carico di altri apparati, come quello circolatorio o urinario. Le donne con sindrome di Turner in genere non hanno ciclo mestruale e sono sterili.
  • La sindrome di Klinefelter, nella quale l'uomo, ha due cromosomi X ed un Y. I soggetti colpiti, in genere, sono più alti dei loro genitori; sono quasi del tutto privi di barba e di peli e tendono a sviluppare una corporatura dalle proporzioni tipicamente femminili, con ginecomastia.  Molti pazienti presentano, inoltre, difficoltà nello sviluppo del linguaggio. Raggiunta la pubertà, soffrono di ipogonadismo e sono sterili.
Le mutazioni nelle struttura del cromosoma, dette mutazioni cromosomiche, sono dovute, invece, a delezioni, duplicazioni, inversioni o trasferimenti di pezzi più o meno estesi di un cromosoma.
I geni si vengono così a trovare in una posizione diversa da quella originale: poiché la corretta localizzazione di un gene è fondamentale per il suo funzionamento, le mutazioni di questo tipo hanno, generalmente
, esiti estremamente gravi. Un esempio è costituito dalla sindrome di cri du chat: è una malattia dovuta alla delezione[2] parziale di una parte del cromosoma 5: i bambini affetti hanno un grave ritardo mentale ed il loro pianto ricorda il miagolio di un gatto.

Restano solo da vedere le malattie originate dalla mutazione puntiforme cioè quella che colpisce le singole basi azotate che costituiscono il DNA. Le basi azotate sono quattro: l'adenina, la timina, la citosina e la guanina; l'adenina è sempre legata alla timina, la citosina alla guanina: in questo modo contribuiscono a formare la struttura ad elica del DNA. Se la loro disposizione non è corretta, siamo in presenza di una mutazione puntiforme: sono le alterazioni più subdole perché, pur interessando frammenti piccolissimi di materiale genetico, causano gravi malattie: la fibrosi cistica, l'anemia falciforme, la malattia di Huntington, l'emofilia o la distrofia muscolare di Duchenne ne sono degli esempi.
  • La fibrosi cistica è una patologia caratterizzata dall'eccessiva produzione di muco particolarmente denso che causa gravi crisi respiratorie. Si manifestano anche altri importanti disturbi a carico di tutti quegli organi in cui vi è una secrezione ghiandolare: la saliva, le lacrime ed il sudore, ad esempio, sono molto densi e possono ostruire i dotti delle ghiandole, causando infiammazioni. I pazienti affetti da fibrosi cistica hanno anche problemi digestivi.
  • L'anemia falciforme è una malattia genetica del sangue nella quale i globuli rossi, che trasportano l'ossigeno, hanno una forma a falce, anziché la normale forma biconcava. Le persone con questa patologia hanno pochi globuli rossi: la vita media di un globulo rosso normale è di circa 120 giorni, quella dei globuli rossi a forma di falce non è, generalmente,superiore ai 20 giorni. Possono anche verificarsi infezioni frequenti e dolori improvvisi, dovuti all'occlusione dei capillari e al conseguente blocco dell'afflusso di sangue agli organi colpiti.
  • La malattia di Huntington è causata dalla necrosi delle cellule cerebrali in una particolare regione del cervello; si manifesta tra i 30 ed i 50 anni ed il paziente soffre di una demenza progressiva che porta a perdita di memoria e confusione; si verificano anche movimenti incontrollati a livello degli arti e del volto. Il peggioramento dei sintomi conduce alla morte nell'arco di una ventina d'anni.
  • L'emofilia è dovuta ad un difetto nella coagulazione del sangue, a causa di un deficit di alcune proteine, note come fattori della coagulazione. La gravità della patologia è molto variabile: si va da una frequente tendenza alla comparsa di lividi, fino al sanguinamento persistente dopo un banale taglio. Nei pazienti affetti possono verificarsi emorragie profonde, all'interno di articolazioni e muscoli, con copiosi versamenti di sangue ed ingrossamento della parte colpita, nonché disturbi locomotori.
  • La distrofia muscolare di Duchenne è una patologia neuromuscolare che si presenta in genere tra i 2 e i 6 anni d'età e tende ad aggravarsi velocemente, pertanto il paziente alla paralisi. I primi muscoli interessati, sono quelli delle anche e delle cosce; progressivamente aumentano le difficoltà nel fare movimenti e nel mantenere l'equilibrio.
In questo articolo ho rivolto la mia attenzione alle tre diverse tipologie di alterazioni genetiche ed ho citato alcuni esempi di patologie causate da tali errori nel DNA; nei prossimi articoli descriverò il meccanismo attraverso il quale queste malattie vengono trasmesse dai genitori ai figli ed il ruolo dei portatori sani nella diffusione di queste patologie.

Tania Tanfoglio

Bibliografia
 
Robbins, Le basi patologiche delle malattie - Vol. 1, Piccin, 6 ed.
Ventruto V., Sacco G., Fortunato L., Testo atlante di citogenetica umana, Springer, 2001

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[1] Un gene è un frammento di DNA, che contiene una ben precisa informazione. 
[2] Perdite.
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