2.

Cenni storici

La genetica trova le sue origini negli studi del monaco austriaco Gregor Mendel, risalenti alla metà dell’Ottocento. Mendel effettuò incroci tra linee pure di pisello che presentavano una serie di caratteri opposti (seme liscio o rugoso, pianta alta o nana, fiore bianco o rosa ecc.) e, in base ai risultati ottenuti in questi esperimenti, arrivò alla formulazione delle regole che descrivono le modalità con cui i caratteri vengono trasmessi alla generazione successiva. In particolare, Mendel osservò che i fattori responsabili dei caratteri erano sempre presenti in coppia, ma solo uno dei due membri della coppia veniva trasmesso alla generazione successiva; inoltre, egli concluse che tali fattori venivano ereditati come unità separate, ognuno indipendentemente dagli altri (vedi Leggi di Mendel).

Ciò che contraddistinse il lavoro di Mendel fu anche il tipo di approccio con cui egli affrontò i suoi esperimenti: infatti, per la prima volta egli applicò sistemi statistici per estrapolare leggi di carattere generale dai dati di cui egli disponeva. Nel 1865 Mendel presentò il suo lavoro alla Brunn Natural Science Society, ma non riuscì a destare l’interesse dei partecipanti, più coinvolti al dibattito sull’Origine delle specie (1859), pubblicato alcuni anni prima dal naturalista inglese Charles Darwin.

1.

La nucleina e l’acido desossiribonucleico

Sebbene fosse stato pubblicato nel 1866, il fondamentale lavoro del monaco austriaco rimase completamente ignorato per circa cinquant’anni. Venne riscoperto da parte di alcuni ibridatori di specie vegetali nei primi anni del Novecento. Nel 1869, il chimico svizzero Johann Friedrich Meischer scoprì nei globuli bianchi del sangue un composto acido ricco di fosforo e costituito da molecole di elevato peso molecolare; egli chiamò tale composto “nucleina”. Nel 1889 altri chimici purificarono la nucleina da molecole proteiche alle quali era associata e ottennero una polvere bianca del composto che denominarono acido desossiribonucleico, o DNA. Solo circa 60 anni dopo si comprese che tale sostanza costituiva i geni.

2.

Nuove conoscenze sulle cellule

L’ultimo trentennio dell’Ottocento vide numerose scoperte che ampliavano la conoscenza delle cellule e, in particolare, dei processi di divisione cellulare: nel 1873 Anton Schneider descrisse il comportamento dei filamenti di nucleina durante la divisione di cellule di platelminta, osservazioni che rappresentano i primi studi sulla mitosi delle cellule animali; nel 1875 Edward Strasburger descrisse comportamenti analoghi della nucleina in alcuni embrioni di conifere, dunque, in cellule vegetali. Nello stesso anno, Oskar Hertwig osservò la fusione dello spermatozoo con la cellula uovo, al momento della fecondazione, in uova di riccio di mare.

Fu però solo tra il 1879 e il 1885 che il tedesco Walther Flemming intraprese uno studio a vasto raggio e confermò l’universalità del processo di divisione cellulare, utilizzando per la prima volta il termine “mitosi”; inoltre, eseguì accurati conteggi del numero di cromosomi in vari tipi di cellule, e descrisse la divisione longitudinale dei cromosomi in cromatidi. Il termine cromosoma, tuttavia, fu coniato nel 1888 da Wilhelm Van Waldeyer; lo stesso anno, Theodore Boveri determinò che tali entità rappresentavano unità distinte e provò che ciascuna nuova cellula, derivante dal processo di mitosi, riceveva un intero corredo di queste unità filamentose.

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.

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.

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.

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.

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.

8.

Il modello a doppia elica del DNA

In quegli anni si conosceva la composizione chimica del DNA, costituito da subunità, chiamate nucleotidi, a loro volta formate da un gruppo fosfato, uno zucchero (il desossiribosio) e una delle quattro basi azotate, adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C). Nel 1953 il biochimico statunitense James Watson e il biofisico britannico Francis Crick, in base ai risultati di esperimenti di cristallizzazione e di diffrazione ai raggi X, elaborarono un modello tridimensionale del DNA, che definirono “doppia elica”.

9.

Il codice genetico

Dopo le scoperte di Beadle e Tatum, e di Watson e Crick, rimaneva ancora da chiarire come il DNA potesse dirigere la costruzione delle proteine, i componenti principali della maggior parte delle strutture della cellula e le molecole fondamentali per lo svolgimento e la regolazione di quasi tutte le reazioni chimiche dell’organismo. La capacità di una proteina di essere parte di una struttura cellulare, o di agire come un enzima che catalizza una particolare reazione chimica, dipende dalla sua forma molecolare e, dunque, dalla sua composizione. Ciascuna proteina è costituita dall’unione di subunità, chiamate amminoacidi, in una o più catene polipeptidiche. Nelle cellule sono presenti venti tipi diversi di amminoacidi. Il numero, il tipo e la sequenza degli amminoacidi nella catena determinano la struttura e la funzione della proteina e sono a loro volta determinati dal gene codificante per quella specifica catena, secondo un codice genetico che traduce l’informazione scritta sul DNA nella sequenza di amminoacidi di ciascuna proteina.

L’esistenza e il ruolo biologico del codice genetico furono dimostrati nel 1966, più di dieci anni dopo la pubblicazione del modello del DNA di Watson e Crick, a opera del biochimico statunitense Marshall Nirenberg.

10.

Introni ed esoni

I geni degli eucarioti sarebbero costituiti da un numero relativamente basso di strutture modulari, gli esoni, in grado di combinarsi in modi diversi per dare luogo a una vastissima gamma di geni e, di conseguenza, a una grandissima varietà di proteine. Gli esoni si alternerebbero a porzioni di DNA non codificante, cioè che non determina la sintesi di alcuna proteina. Gli introni sono probabilmente coinvolti nella regolazione della quantità di polipeptidi prodotti dai geni. La scoperta degli introni fu resa possibile dai metodi di determinazione della sequenza dei nucleotidi nelle molecole di DNA e RNA, sviluppati dal biologo molecolare Frederick Sanger. Studi sulle molecole del DNA dimostrarono la presenza, sempre negli eucarioti, di sequenze ripetute numerose volte nel materiale genetico. Alcune di queste codificano per l’RNA ribosomiale, mentre altre non hanno alcuna funzione nota. Fra queste vi sono sequenze, detti trasposoni o elementi trasponibili, che sembrano in grado di saltare da una posizione all’altra di uno stesso cromosoma o dell’intero genoma.

11.

La regolazione genica

Quasi tutte le cellule di un organismo derivano per mitosi da un unico zigote e contengono un identico corredo genetico. Ciononostante, le proteine sintetizzate, ad esempio, dalle cellule del tessuto muscolare non sono necessariamente le stesse di quelle prodotte nel tessuto nervoso o in quello osseo. In altre parole, non tutti i geni del patrimonio genetico vengono espressi in tutti i tessuti dell’organismo. Quest’espressione differenziale è regolata in modo complesso da processi che furono descritti per la prima volta da Jacques Monod e François Jacob nei batteri. Tali processi coinvolgono la presenza di sequenze di regolazione in prossimità o all’interno dei geni, le quali vengono riconosciute da specifiche molecole proteiche, con funzioni di inibizione o di attivazione della trascrizione dell’mRNA (RNA messaggero) e, dunque, dell’espressione genica.