I nostri tratti dipendono dalle varianti genetiche che ereditiamo dai nostri genitori. Per capire perché una persona ha un certo insieme di tratti o "fenotipo", i ricercatori studiano la funzione dei singoli geni e dei loro alleli e come i geni interagiscono tra loro e con l'ambiente.
In questo video, tratteremo una breve storia della genetica, le principali domande sul campo, gli strumenti utilizzati dai genetisti e alcune ricerche attuali.
Iniziamo esaminando alcune scoperte fondamentali in genetica.
Negli anni 1850-60, Gregor Mendel eseguì esperimenti di accoppiamento nelle piante di pisello e osservò che l'ereditarietà dei tratti seguiva regole prevedibili e dipendeva da "fattori" parentali.
Nello stesso periodo di tempo, Charles Darwin propose la sua teoria dell'evoluzione per selezione naturale, che si basava sulla variazione ereditabile dei tratti all'interno delle popolazioni che portavano alla sopravvivenza differenziale. Tuttavia, ci sarebbero voluti più di 70 anni prima che la connessione tra Mendel e il lavoro di Darwin fosse finalmente compresa.
Sebbene la ricerca di Mendel cadde in gran parte nell'oscurità, riemerse nel 1900 e fu reso popolare da William Bateson, che coniò anche il termine "genetica", e nel 1909, Wilhelm Johannsen usò per la prima volta la parola "gene" in riferimento ai fattori di Mendel. Durante i primi anni del 1900, Bateson, insieme a R.C. Punnett e Edith Saunders, descrisse anche l'epistasi, in cui diversi geni interagiscono per influenzare un fenotipo; e linkage, in cui tratti diversi sembrano essere ereditati insieme.
Nel 1911, Thomas Hunt Morgan e colleghi, studiando il moscerino della frutta Drosophila,proposero un meccanismo per il collegamento: i geni si trovano sui cromosomi e i geni sullo stesso cromosoma sono ereditati insieme. Due anni dopo, lo studente di Morgan Alfred Sturtevant usò tale "collegamento" per creare la prima mappa genetica, che raffigurava le posizioni relative dei geni lungo i cromosomi.
Nonostante il successo di Morgan e altri, rimasero dubbi sull'applicabilità della genetica di Mendel per spiegare l'ereditarietà di molti tratti, come l'altezza umana, che mostrano una variazione continua in una popolazione. R. A. Fisher colmò con successo questa lacuna nel 1918, quando dimostrò che tratti continuamente variabili possono essere spiegati dall'effetto additivo di un gran numero di geni.
Nei due decenni successivi, Fisher, insieme a Sewall Wright e J.B. S. Haldane, fornì ulteriori prove matematiche e sperimentali per spiegare come le frequenze alleliche nelle popolazioni possono essere modellate da fattori come la selezione naturale, così come la deriva genetica o l'effetto di eventi casuali. Nel 1950, questi genetisti di popolazione erano riusciti a riunire il lavoro di Mendel e Darwin nella "Sintesi moderna della biologia".
Dopo aver esaminato la storia della genetica, esploriamo alcune domande chiave nel campo.
Sebbene alcuni fenotipi siano monogenici e controllati da singoli geni, la maggior parte sono poligenici e derivano dall'azione combinata di più geni. Molti scienziati stanno studiando come i geni funzionano nei percorsi o nelle reti per produrre tratti.
Altri ricercatori sono interessati a separare i ruoli dei geni e dei fattori ambientali nella produzione di tratti diversi. Un modo in cui i ricercatori possono raggiungere questo obiettivo è valutare la "norma di reazione" di un genotipo o la gamma di fenotipi che produce in ambienti diversi. I genetisti confrontano anche il profilo fenotipico di diversi genotipi per individui all'interno dello stesso ambiente. Questo dà una stima per la "ereditarietà" di un tratto, o la quantità di varianza fenotipica all'interno di una popolazione che è dovuta alla varianza genetica. L'ereditarietà è influenzata sia dalla variazione genotipica che da quella ambientale e l'ereditarietà di un tratto può essere diversa da un insieme di condizioni ambientali all'altro.
Infine, gli scienziati stanno anche cercando di capire perché alcuni alleli, anche quelli che conferiscono tratti dannosi come l'anemia falciforme, rimangono in una popolazione. Per fare questo, studiano come forze come la migrazione e la selezione naturale possono influenzare le frequenze di alleli e tratti in una popolazione.
Ora che abbiamo visto le domande poste dai genetisti, diamo un'occhiata agli strumenti utilizzati per rispondere.
Un metodo popolare è la croce genetica, in cui vengono accoppiati organismi con genotipi o fenotipi diversi e si osservano tratti nella prole. Gli incroci genetici possono aiutare i ricercatori a valutare quanti geni determinano un particolare tratto, come i geni e i loro alleli interagiscono tra loro e le posizioni cromosomiche dei geni.
Un altro strumento per identificare nuovi geni coinvolti nei fenotipi è lo screening genetico. Gli schermi possono essere "in avanti", dove i ricercatori generano mutanti in modo casuale e identificano i geni mutati che danno origine a fenotipi di interesse; oppure possono essere "inversi", in cui i ricercatori inducono mutazioni in geni specifici e osservano quali tratti sono interessati. Gli schermi possono anche coinvolgere organismi in crescita con lo stesso genotipo in ambienti diversi, o incrociare un organismo mutante con una serie di mutanti di delezione genica, al fine di identificare nuove interazioni gene-ambiente o gene-gene.
Infine, per capire come cambiano le frequenze alleliche nelle popolazioni, possono essere eseguiti esperimenti di evoluzione. Questi esperimenti richiedono che un gruppo di organismi sia coltivato sotto una pressione selettiva, come una singola fonte di cibo, per diverse generazioni. I ricercatori possono quindi valutare se e quando si verificano mutazioni benefiche e se e come queste mutazioni si stabiliscono in una popolazione.
Ora, esaminiamo alcune applicazioni attuali di questi strumenti genetici.
Alcuni ricercatori stanno applicando schermi a organismi senza strumenti genetici molecolari stabiliti, come i batteri patogeni Chlamydia. Qui, le cellule dei primati sono state prima infettate da questi batteri e successivamente esposte a un mutageno. I genomi dei batteri mutanti della Clamidia sono stati quindi sequenziati per identificare specifici cambiamenti nucleotidici. Usando questa tecnica, i ricercatori hanno identificato mutazioni che hanno portato batteri a formare "placche" di forma atipica nelle colture cellulari di mammiferi, probabilmente riflettendo difetti nei processi infettivi.
Altri scienziati stanno combinando schermi genetici e incroci per comprendere le interazioni geniche. In questo esperimento, i genetisti hanno incrociato un ceppo di lievito mutante di interesse con una libreria di mutanti di delezione. I doppi mutanti risultanti sono stati sottoposti a screening coltivandoli nelle stesse condizioni e il loro tasso di crescita è stato valutato per ricavare una misura per la forma fisica dei mutanti. Da questi dati, i ricercatori hanno determinato che, nei doppi mutanti, la presenza di una mutazione potrebbe occasionalmente migliorare o sopprimere gli effetti dell'altra.
Infine, gli scienziati stanno sviluppando strumenti sperimentali per studiare le forze che modellano la genetica delle popolazioni. Qui, viene utilizzato un dispositivo chiamato chemiostato in modo che i microbi, come il lievito, possano essere coltivati in condizioni costanti. I ricercatori hanno effettuato un test di competizione per dimostrare che una mutazione ha dato al lievito un vantaggio di fitness in determinate condizioni di crescita. Inoltre, è stato eseguito un esperimento di evoluzione in cui al lievito è stato permesso di adattarsi a condizioni di basso contenuto di azoto e le mutazioni nelle vie del metabolismo dell'azoto, che presumibilmente conferivano una migliore idoneità, sono state identificate dall'analisi dell'intero genoma.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla genetica degli individui e delle popolazioni. In questo video, abbiamo esaminato i punti salienti storici e le domande chiave nel campo della genetica, importanti strumenti genetici e alcune applicazioni attuali di queste tecniche. Come sempre, grazie per aver guardato!
