La storia della genetica 2: oltre Mendel

Continuano le puntate sulla nostra lunga risposta alla semplice domanda “perché abbiamo gli occhi azzurri?”.
Trovate la prima puntata qua.

Avevamo lasciato Mendel con una scoperta importante: lavorando con incroci per varie caratteristiche di pisello (degli “ibridi”), egli scoprì un importante rapporto di 3:1 nella distribuzione dei tratti, possibile solo immaginando che ogni caratteristica fosse dovuta ad un fattore ereditario determinante (o gene come lo ribattezzò De Vries), di cui esistevano due varianti o alleli, e che ogni genitore trasmettesse solo un allele alla prole.

Mendel chiamò questa regolarità Legge di segregazione degli alleli.

Dopodiché Mendel si chiese se questi caratteri potessero interagire fra di loro in qualche modo, così decise di selezionare linee pure non per un solo carattere, ma per due: per esempio piante dai fiori rossi e dai piselli verdi (R R V V). Incrociandole con piante dai fiori bianchi e dai piselli gialli (B B G G), otteneva degli ibridi che, come previsto, mostravano tutti il carattere dominante (R B V G). Effettuando l’auto-incrocio, si otteneva un rapporto del tipo 9:3:3:1, cioè 9 piante con entrambi i caratteri dominanti (R e G), 3 con solo il primo carattere dominante (R e V), 3 con il secondo (B e G) e 1 con entrambi i caratteri recessivi (B e G).
Fu un altro passo innovativo rispetto al passato perché nessuno aveva mai provato a condurre esperimenti sui cosiddetti “di-ibridi”, tantomeno ad applicarvi qualche regola statistica.

Lo schema che descrive questa distribuzione è più o meno questo:

File:Dihybrid cross.svg

Mendel dedusse che caratteri diversi segregassero in maniera autonoma e chiamò questa la Legge di riassortimento indipendente. In poche parole qualunque allele veniva ereditato dalla prole a prescindere dagli altri, la cui probabilità di comparire non era minimamente influenzata dalla presenza o meno di un dato allele.

Queste tre leggi sono considerate dei punti cardine nella scienza della genetica, ma all’epoca la comunità scientifica non prestò molta attenzione ai suoi lavori, un po’ perché molti principi in qualche modo erano già noti, un po’ perché le teorie che Mendel elaborò per spiegare il funzionamento di questi meccanismi (e quindi le leggi mendeliane) sembravano non valere sempre. Lo stesso Mendel non riuscì a replicare i suoi esperimenti con altre varietà di piante e ciò lo deluse profondamente.

I primi puntini da mettere sono sulla dominanza e uno dei primi scienziati ad aprire parentesi sulle leggi di Mendel fu proprio Carl Correns, che in realtà lo aveva riscoperto nel 1900.
Egli scelse degli esemplari di bella di notte, di cui aveva selezionato ugualmente fiori bianchi o rossi. Tuttavia, incrociando linee pure, queste  sembravano non corrispondere affatto al criterio di dominanza, perché comparivano anche fiori rosa. Evidentemente la dominanza non aveva sempre effetto ed esistevano condizioni intermedie.

In realtà, come lo stesso Correns dimostrò, questi casi rispettano sempre i meccanismi ereditari di Mendel e necessitano solo di qualche appendice nella descrizione della dominanza. Difatti, andando a verificare il rapporto del fenotipo negli individui, si notava che era di tipo 1:2:1, cioè una prole a fiori rossi, due a fiori rosa e una a fiori bianchi. Nei piselli di Mendel il fiore rosso era presente 3 volte su 4, ma 2 di questi esemplari sono eterozigoti, quindi analizzando il genotipo invece del fenotipo si riscontrava lo stesso rapporto 1:2:1.
Ad ulteriore riprova, incrociando fra loro gli esemplari bianchi si avevano solo esemplari bianchi (lo stesso con i rossi), mentre incrociando fra di loro quelli rosa si ripeteva lo stesso rapporto 1:2:1, una condizione spiegabile solamente mantenendo lo schema mendeliano per il genotipo.

I fiori rosa sulla stessa pianta corrispondono alla condizione di eterozigosi, per cui uno non era completamente dominante sull’altro:

Questo fenomeno è detto dominanza incompleta. Più che una qualità, il gene in questo caso definisce una quantità. La spiegazione risiede nella natura del colore dei petali, perché il tratto “colore rosso” corrisponde più precisamente al tratto “produzione del colore rosso”. Gli individui eterozigoti hanno un allele che corrisponde ad un’informazione, cioè che i petali devono produrre una certa quantità di colore rosso (che è un pigmento, cioè una proteina). Aggiungendo un po’ di rosso al bianco, si ottiene il rosa.  Ma quando l’individuo è omozigote, ha due alleli per la produzione del colore rosso, si avrà quindi una gran quantità di pigmento rosso.

Questo meccanismo fu descritto in un altro contesto da Lucien Cuénot nel 1902: era un biologo francese, lavorava con i topi e ne studiava l’ereditarietà del pelo. Aveva già condotto studi sulla presenza di più alleli in un fattore ereditario (che lui chiamava mnemone), e notò che i tipi di pelo (bruno, giallo, diluito o il particolare “agouti”) si trasmettevano in maniera mendeliana. Fu importante di per sé perché dimostrava che quegli studi si applicavano anche agli animali e non solo alle piante.
Inoltre dedusse correttamente e per primo che il tratto del gene corrispondeva alla produzione di pigmento ed in assenza di esso si aveva la condizione albina.
L’anno successivo, William Castle approfondì gli studi sul pelo dei topi (fu anche il primo a impiegare il famoso moscerino della frutta come animale modello) e stabilì ben 9 variazioni, chiamate loci. Ma furono studi che vennero un po’ ignorati ancora per qualche annetto.

Esiste una condizione simile, quella di codominanza: in questo caso due o più tratti si manifestano in egual misura e anche contemporaneamente, perché almeno due caratteri risultano essere entrambi dominanti (o entrambi recessivi). Per esempio, una pianta con fiori sia rossi che bianchi. Si tratta, in pratica, della presenza di più di un allele dominante per un carattere.

Possiamo illustrare ulteriormente questa eccezione con un esempio contemporaneo e che tutti conosciamo benissimo, anche se non ci facciamo mai caso: i gruppi sanguigni.
Se ricordiamo le lezioni delle superiori, il gruppo sanguigno corrisponde in sintesi alla presenza di una particolare sostanza nel sangue, per cui si hanno il gruppo A, il gruppo B, il gruppo AB e il gruppo 0.
Sia A che B sono entrambi egualmente espressi, pertanto un “ibrido” AB mostrerà entrambe le proteine. A non è dominante rispetto a B e viceversa. Entrambi però sono dominanti rispetto ad un altro gruppo sanguigno, quello 0 privo di proteine, che si comporta normalmente da carattere recessivo negli incroci:

Il discorso è chiaramente più esteso, perché entrano in gioco anche i cosiddetti “antigeni”, il “fattore Rh” e la “compatibilità di trasfusione”, ma per semplicità li tralasciamo.

Torniamo a Correns. Egli non si limitò ad analizzare l’ eccezione rosa, ma fece un’altra  scoperta: notò infatti che le foglie di bella di notte potevano essere verdi o a chiazze bianche, ma che gli incroci non seguivano sempre gli schemi mendeliani. Incrociando bianco con bianco e verde con verde non si ottenevano variazioni, per cui si rispettava la previsione per i geni dominanti e recessivi. Usando il polline di una pianta verde per fecondare una pianta dalle foglie bianche, la progenie  era bianca, come se il bianco fosse dominante. Ma invertendo i sessi, cioè usando polline di pianta bianca per impollinare una pianta verde, la progenie era verde.

Ciò voleva dire che il sesso aveva influenzato in qualche modo la trasmissione del carattere e che il sesso femminile era responsabile della trasmissione del carattere del colore delle foglie. Questa sembrava un’importante eccezione alla legge di segregazione indipendete. Egli ipotizzò l’esistenza di un qualche altro fattore che regolasse l’ereditarietà, legato al sesso dei genitori. Insomma, che ci fosse un meccanismo di trasmissione uniparentale.

Oggi sappiamo che ciò è dovuto a quella che chiamiamo “eredità citoplasmatica”, ma all’epoca le idee erano poco chiare e gli studi sui cromosomi erano agli inizi.
Il fatto che un tratto fosse accomunato al sesso ricordava anche il modo in cui si trasmettevano malattie come l’emofilia, che in quegli anni era nota per la sua diffusione fra le dinastie reali di tutta Europa (che erano costantemente incrociate fra di loro) e che era una verosimile confutazione.
Ci torneremo un’altra volta su questi due argomenti.

Comunque sia, era chiaro che esistevano eccezioni alla legge dell’assortimento indipendente.

Ri-saltiamo a Cuenot: egli lavorò anche con un particolare tipo di manto, detto agouti, che presentava sfumature e gradazioni di colore, come per esempio un cane più scuro sul dorso o un gatto con lievi striature. Nel suo caso, aveva che i topi di colore giallo presentavano dei riflessi dorati molto belli.
Cuenot sapeva che il manto bianco era recessivo, mentre quello giallo era dominante. Selezionò degli ibridi eterozigoti di topi gialli agouti e li fece incrociare fra di loro. Si aspettava il classico rapporto 3:1 di topi gialli rispetto a quelli bianchi, ma invece otteneva un rapporto di tipo 1:2, cioè due soli agouti ogni esemplare bianco.
Cosa era successo?
Matematicamente non era possibile un tale rapporto secondo la regola mendeliana.
I casi erano due: o la regola non valeva più in questo caso e bisognava formulare un nuovo principio per i topi, oppure valeva ancora ma esisteva qualche particolarità che alterava il rapporto di esemplari.
Incrociando i topi bianchi fra di loro, si ottenevano ugualmente topi bianchi, per cui la condizione recessiva non era in discussione. Incrociando gli agouti ulteriormente, si continuava ad avere il rapporto 2:1. Evidentemente doveva esserci qualcosa nella condizione dominante.
Cuenot ipotizzò che la condizione omozigote per il tratto agouti fosse letale per gli embrioni di topo, pertanto la suddivisione secondo la regola mendeliana di 1:3 era rispettata; semplicemente il terzo caso moriva prima di nascere.
Qualcosa di questo genere:

File:Lethal alleles punnett square.png

Dissezioni di topi gravidi dimostrarono che all’interno dell’utero il rapporto era rispettato e che effettivamente un quarto della prole era già morto. Non era ben chiaro perché ciò accadesse, ma la conseguenza concettuale fu grande: due caratteristiche differenti viaggiano accompagnate.
Ma non era necessariamente una violazione della legge di segregazione indipendente. Poiché la letalità non si verificava per gli eterozigoti, era improbabile che un secondo gene si segregasse assieme al gene per il pelo aguti (anche se ancora possibile ma necessitante di ulteriori condizioni particolari); la conclusione fu che quel gene era responsabile di due tratti diversi. Tale fenomeno viene detto pleiotropia ed è estremamente diffuso, così come il suo inverso, cioè la presenza di più geni nel determinare un carattere che viene detta poligenia (en passant, il colore degli occhi è in realtà un tratto poligenico, ci torneremo).
I genetisti studiando i manti scoprirono anche che alcuni geni potevano influenzarne altri impedendone l’espressione, un fenomeno detto epistasi e di cui l’esempio più famoso è l’albinismo: la presenza di una coppia recessiva di alleli per il carattere responsabile di qualcosa (per esempio, per la produzione di pigmento, scrivibile come aa) ha ripercussioni a cascata sull’espressione di altri tratti (in questo caso dagli occhi al manto ecc.) anche se dovrebbero risultare, in accordo agli incroci mendeliani, eterozigoti od omozigoti dominanti.
Altri studi, compiuti con le foglie di particolari piante o con le creste dei galli, evidenziarono invece come la combinazione di particolari genotipi (di-ibridi e oltre) poteva sfociare in fenotipi del tutto nuovi, inottenibili altrimenti.

Ad ogni modo, c’era anche un’altra conseguenza implicita nella scoperta dei geni letali: la morte può essere comandata geneticamente. Già si sapeva che alcune malattie sembravano essere ereditate secondo i meccanismi di Mendel. Ma addirittura questo era un dato importante. Chissà quanti aborti spontanei di cui manco ci si era accorti, o feti nati già morti, sono dovuti a qualche meccanismo di natura genetica. E chissà che non si possano prevedere, controllare, evitare o risolvere.
Inoltre si sa che un gene può influenzarne un altro, che gli alleli “segregano”, che esistono eccezioni alla segregazione indipendente e che la dominanza poteva avere differenti espressioni, ma non si sapeva perché accadesse ciò.

Per chiarire meglio però tutti questi interrogativi, bisognava sapere concretamente di cosa si stesse parlando. Perché fino a quel momento si erano ipotizzati fattori, mnemoni, loci, geni e quant’altro, ma non si è per niente spiegato in cosa fisicamente consistono e come riescono a trasmettere i caratteri, né perché esistono eccezioni come le foglie di bella di notte o la comparsa dell’emofilia.

Per ovviare a questo difetto bisogna passare a quello che forse è il capitolo più importante della storia genetica, quello della Teoria della cromosomica dell’ereditarietà, che proprio in simultanea a questi studi di genetica stava prendendo piede.
Capitolo di cui parleremo la prossima volta.

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8 pensieri su “La storia della genetica 2: oltre Mendel

  1. Connacht va che c’è un clusterfuck nell’articolo, forse un copy paste andato male visto che la roba si ripete e salta l’impaginazione.

    Se ti prendi bene anche tu con la storia della scienza – pop è la volta buona che organizzo la versione italiana del carnevale della storia della scienza.

    Rispondi
  2. Thx.
    Capita di solito nel lavorare contemporaneamente con editor di testo e bozze su wp.
    Ecco perché mi diceva che era lungo 3000 caratteri e non capivo il motivo, va a finire che l’ho stringato e accorciato inutilmente.

    Rispondi
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