Genetica

2.3

Riscoperta di Mendel e nascita della genetica

Fu il botanico olandese Hugo De Vries a riscoprire gli studi di Gregor Mendel. Il botanico osservò la comparsa di caratteri imprevisti nelle primule su cui stava compiendo esperimenti e indicò come mutazioni tali cambiamenti. Il biologo inglese William Bateson, influenzato da Mendel e da De Vries, nel 1902 dimostrò che anche negli animali si potevano applicare le leggi di Mendel; egli denominò “allelomorfi” (in seguito si usò il termine alleli) quelle che per Mendel erano “coppie di fattori”; indicò anche come eterozigoti oppure omozigoti le cellule che possedevano, per uno stesso carattere, due allelomorfi rispettivamente diversi o uguali. Fu nel 1906 che Bateson suggerì, in occasione della terza conferenza sull’ibridazione e sulla riproduzione vegetale, il termine genetica, a indicare lo studio dell’ereditarietà e della comparsa di nuovi caratteri.

Poco dopo la riscoperta del lavoro di Mendel, alcuni ricercatori intuirono che i meccanismi ereditari descritti corrispondevano al comportamento dei cromosomi durante la divisione cellulare e, quindi, suggerirono che le unità ereditarie ipotizzate da Mendel, definite geni, si trovassero fisicamente sui cromosomi.

2.4

Gli esperimenti di Morgan

Nel 1903, Theodore Boveri e Walter Sutton scoprirono in modo indipendente che le cellule riproduttive, i gameti, possiedono lo stesso numero di cromosomi. Nel 1910, il biologo statunitense Thomas Hunt Morgan iniziò studi sulla Drosophila melanogaster, il moscerino della frutta, e riuscì a ottenere in pochi anni un ampio numero di individui mutanti, mediante i quali furono ottenute numerose scoperte nel campo della genetica, compresa l’identificazione dell’esistenza di cromosomi sessuali, che determinano il sesso dell’individuo. Tra l’altro, Morgan arrivò alla conclusione che la seconda legge di Mendel, per cui i geni che controllano differenti caratteri vengono ereditati indipendentemente gli uni dagli altri, è valida solo quando i geni si trovano su cromosomi diversi.

Morgan fu in grado di dimostrare che i geni sono disposti sui cromosomi in modo lineare e che, quando i geni compaiono sullo stesso cromosoma, vengono ereditati come una singola unità finché il cromosoma rimane intatto; i geni ereditati in questo modo sono detti concatenati. Morgan e il suo gruppo scoprirono anche che tale concatenazione è raramente assoluta. Le combinazioni di caratteri presenti nei genitori possono, infatti, rimescolarsi nella discendenza. Questo fenomeno è dovuto al fatto che durante la meiosi, tra le coppie di cromosomi omologhi avviene uno scambio fisico di materiale genetico, chiamato crossing-over. Morgan iniziò anche ricerche genetiche sul fungo Neurospora.

2.5

Avery e il principio di trasformazione

Un altro passo in avanti nella genetica fu compiuto con gli esperimenti del batteriologo statunitense Oswald T. Avery, cui si deve la scoperta del cosiddetto principio di trasformazione nei batteri. Questo postula la possibilità che una molecola di DNA, proveniente da una cellula batterica, penetri in un altro batterio e si integri nel suo patrimonio genetico, sostituendo un analogo tratto di DNA; ciò si verifica senza che vi sia un contatto fisico tra i batteri (come avviene, invece, nel caso della coniugazione). A causa dell’integrazione del DNA, la cellula ricevente può acquistare proprietà che prima non possedeva; ad esempio, un batterio di un ceppo di pneumococchi non patogeni può diventare virulento se acquista un tratto di DNA di uno pneumococco patogeno.

Il fenomeno della trasformazione in realtà era già noto prima di Avery; infatti, era stato studiato nel 1928 da Griffith mediante ceppi di pneumococchi virulenti e non virulenti; il fenomeno veniva però attribuito a un trasferimento di molecole proteiche. L’importanza degli esperimenti di Avery, che nel 1944 riprese quelli di Griffith, sta nell’avere dimostrato che la trasformazione avveniva solo a opera di frammenti di DNA. Avery trattò i batteri con enzimi che disgregavano solo le loro proteine (proteasi) e, separatamente, con altri enzimi che digerivano il DNA (DNAasi): osservò che il fenomeno della trasformazione si verificava solo nei batteri trattati con proteasi, dunque nei batteri privi di proteine ma che possedevano un DNA intatto.

2.6

Gli studi sui batteriofagi

Altri studi volti a dimostrare che la molecola portatrice dell’informazione genetica era proprio il DNA, e non altri composti come le proteine, furono quelli effettuati nel 1952 dal genetista statunitense Alfred Hershey e dalla collega Martha Chase su batteriofagi T2, ovvero su un particolare gruppo di virus parassiti di cellule batteriche. I due ricercatori unirono zolfo radioattivo ai virus (vedi Marcatore isotopico): poiché lo zolfo è contenuto solo in alcune molecole proteiche e non nel DNA, essi ottennero virus marcati, dotati cioè di un rivestimento proteico radioattivo. I virus furono messi a contatto con cellule batteriche per un certo lasso di tempo; l’insieme virus + batteri fu poi centrifugato, per separare nuovamente i virus dai batteri. Il risultato fu che i batteri non erano divenuti radioattivi, mentre i virus lo erano ancora. Un analogo esperimento fu poi svolto marcando i virus con fosfato radioattivo, che rendeva radioattive solo le molecole virali di DNA e non quelle proteiche; facendo reagire i virus con i batteri, e separandoli in seguito mediante centrifugazione, si osservò che questa volta i batteri erano divenuti radioattivi, mentre i batteriofagi non lo erano più. La conclusione fu che le molecole inoculate dai batteriofagi nei batteri, nel momento in cui entravano in contatto con questi, erano di DNA e non di proteine.

Da quel momento, negli studi di genetica, i virus – e i batteriofagi in particolare – furono molto utilizzati. Le ricerche che facevano uso di batteriofagi ebbero un particolare impulso con l’avvento del microscopio elettronico, che fu inventato in Germania poco prima della seconda guerra mondiale. Gli scienziati Max Delbrück, Salvatore Luria e Alfred Hershey costituirono il principale gruppo di ricerca che avviò importanti ricerche sul DNA avvalendosi di batteriofagi.

2.7

La teoria “un gene - un enzima”

Per oltre cinquant’anni dalla nascita della genetica e dalla scoperta dei meccanismi dell’ereditarietà molte importanti domande sull’esatta funzione dei geni negli organismi viventi sono rimaste in attesa di risposta. Ad esempio, non si conoscevano i dettagli della duplicazione dei cromosomi e della loro ripartizione nelle cellule figlie durante la divisione cellulare, né si intuiva come i geni potessero determinare struttura e funzioni degli organismi viventi. I primi indizi sui meccanismi coinvolti in questi processi vennero, negli anni Quaranta, dal lavoro di due genetisti statunitensi, George Wells Beadle e Edward Lawrie Tatum. Dai risultati di esperimenti sui funghi dei generi Neurospora e Penicillium, essi ipotizzarono che i geni contenessero al loro interno le istruzioni in codice per la formazione degli enzimi (proteine dotate di funzione catalitica nelle reazioni chimiche).

Questa teoria, chiamata originariamente “ipotesi un gene - un enzima”, fu in seguito ribattezzata “ipotesi un gene - un polipeptide”, quando fu dimostrato che i geni contengono, in realtà, le informazioni necessarie a costruire le catene costitutive di tutte le proteine, chiamate polipeptidi. A ciascun gene corrisponde un polipeptide specifico. Questo lavoro diede l’avvio agli studi sulla natura chimica dei geni e allo sviluppo della biologia molecolare.