Breve Storia della Genetica e il Genoma Umano

Informazioni sul Corso e Modalità d'Esame

La Lezione 1 del 03/03/26 introduce la storia della genetica e lo studio del genoma umano. Il materiale fornito in aula e sulla piattaforma Classroom è considerato sufficiente per la preparazione; tuttavia, è possibile consultare testi di riferimento più approfonditi per chi lo desiderasse.

L'esame si svolge con le seguenti modalità:

• Tipologia: Quiz a risposta multipla con un'unica opzione corretta.

• Svolgimento: L'esame viene effettuato congiuntamente a quello di statistica.

• Convalide: Gli studenti con moduli già approvati sosterranno esclusivamente la parte mancante.

• Programma iniziale: Le prime due lezioni trattano la genetica umana, seguite poi dalla genetica medica.

Nascita della Genetica: Leggi di Mendel

La genetica nasce formalmente verso la fine dell' '800 grazie a Gregor Mendel. Egli formulò le leggi fondamentali della genetica mendeliana, definita anche genetica monogenica per distinguerla dalla genetica complessa multifattoriale.

Le Leggi Fondamentali

1. Legge della dominanza: Incrociando due linee parentali pure per un carattere, nella progenie di prima generazione ($F_1$) si manifesta solo uno dei due caratteri, definito dominante. L'altro carattere, che non appare, è detto recessivo.

2. Legge della segregazione: Dall'incrocio di individui eterozigoti della generazione $F_1$, il carattere recessivo ricompare nella progenie di seconda generazione ($F_2$) in una proporzione pari a $\frac{1}{4}$.

Terminologia Genetica di Base

Per comprendere i meccanismi ereditari è necessario definire i seguenti termini:

• Allele: Rappresenta una forma specifica di un locus genetico. Un allele è dominante se si esprime anche in eterozigosi, mentre è recessivo se si esprime esclusivamente in omozigosi.

• Genotipo: Costituisce il corredo genetico di un individuo e può essere classificato come omozigote o eterozigote.

• Fenotipo: L'espressione visibile o rilevabile del genotipo, che include caratteri fisici, malattie, disordini o disturbi.

Eccezioni alle Leggi di Mendel

Esistono modalità di trasmissione che non seguono gli schemi classici mendeliani:

• Dominanza incompleta: Si verifica quando la progenie esprime un fenotipo intermedio (es. incrocio tra fiori rossi e bianchi che produce fiori rosa).

• Codominanza: Entrambi i fenotipi dei genitori vengono espressi contemporaneamente (es. il gruppo sanguigno AB).

• Ereditarietà mitocondriale: Il DNA mitocondriale viene trasmesso tramite regole diverse dalla genetica nucleare.

• Ereditarietà poligenica: Caratteri determinati dall'azione combinata di più geni.

• Imprinting genomico: Una modalità rara in cui l'espressione di un gene dipende da quale genitore è stato ereditato. Ha rilevanza specifica in alcune malattie della genetica medica.

Storia della Genetica Medica e Database

La genetica medica nasce da intuizioni tra il XVII e il XVIII secolo, quando si osservò che alcune condizioni come la polidattilia, la distrofia muscolare di Duchenne (scoperta nell' '800) e il daltonismo tendevano a presentarsi ricorrentemente all'interno di specifiche famiglie.

Database di Riferimento

• OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man): Fondato da Victor McKusick nel 1966 come catalogo cartaceo di circa 1500 disordini, oggi è un database web che contiene oltre $24.000$ entità.

• ORPHANET: Database dedicato alle malattie rare. Utilizza l'ORPHAcode come identificatore univoco. Le ricerche possono essere effettuate tramite nome, codice, simbolo del gene, numero MIM o codice ICD-10 (10th edition of WHO’s international classification of disease).

• Definizione di Malattia Rara: Secondo il Regolamento dell'Unione Europea, una malattia è considerata rara se colpisce al massimo $1$ individuo ogni $2000$ nella popolazione europea.

Pietre Miliari della Genetica Molecolare

Il progresso della genetica è segnato da scoperte fondamentali:

• 1944: Dimostrazione che il DNA è il materiale genetico della maggior parte degli organismi.

• 1953/1954: James Watson e Francis Crick descrivono la struttura a doppia elica del DNA.

• Anni '60: Chiarimento del codice genetico (tabella dei codoni) e comprensione che variazioni nelle basi azotate alterano la sequenza amminoacidica.

• Dogma centrale della biologia: Prevede il flusso di informazione dal DNA all'RNA (trascrizione) e dall'RNA alle proteine (traduzione).

• Anni '70: Nascita dell'ingegneria genetica e della tecnologia del DNA ricombinante.

• Anni '80: Sviluppo della PCR (Polymerase Chain Reaction), base della diagnostica moderna.

• 2004: Completamento del sequenziamento del genoma umano, permettendo l'identificazione rapida di varianti patologiche.

Organizzazione del Genoma Umano

Il genoma è l'insieme delle istruzioni ereditarie necessarie per la costruzione e il mantenimento di un organismo. Caratteristiche principali:

• Dimensioni: Circa $3 \times 10^9$ (3 miliardi) di nucleotidi.

• Struttura: Suddiviso in 22 coppie di cromosomi autosomi e 2 cromosomi sessuali (X e Y).

• Geni: Circa $45.000$ geni totali.

• Ploidia: Le cellule somatiche sono diploidi (due copie per cromosoma), i gameti sono aploidi.

• DNA codificante: Rappresenta meno del $2\%$ del genoma totale.

• DNA non codificante: Costituisce la maggior parte del genoma, spesso formato da sequenze ripetute come i trasposoni.

Trasposoni

Scoperti da Barbara McClintock studiando il mais, i trasposoni sono elementi genetici capaci di muoversi nel genoma. Questo spostamento può causare l'inattivazione di geni interrompendo le sequenze codificanti, portando potenzialmente a instabilità genomica.

Metilazione del DNA Genomico

La metilazione è una modifica epigenetica fondamentale che consiste nell'aggiunta di un gruppo metilico in posizione 5 della citosina per opera dell'enzima DNA-metiltransferasi, creando la 5-metilcitosina. Ciò avviene solitamente nel contesto del dinucleotide CpG.

Isole CpG e Controllo Trascrizionale

• Isole CpG: Zone ricche di dinucleotidi CpG situate nei promotori genici che rimangono non metilate per permettere la trascrizione.

• Meccanismo di repressione: La metilazione recluta l'enzima iston deacetilasi (HDAC), che rimuove i gruppi acetilici dagli istoni, causando il compattamento della cromatina e impedendo la trascrizione.

• Sviluppo embrionale: Alla fecondazione la metilazione viene persa quasi totalmente fino allo stadio di blastocisti. Successivamente, avviene una metilazione specifica per tessuto che guida il differenziamento cellulare.

Mantenimento della Metilazione

Grazie alla natura simmetrica del dinucleotide CpG e alla duplicazione semiconservativa, la DNA-metiltransferasi riconosce la catena stampo e riproduce il pattern di metilazione sulla nuova catena. Questo processo garantisce:

• Semplificazione funzionale (accesso ai soli promotori necessari).

• Stabilità genomica (silenziamento dei trasposoni).

• Coordinamento dei sistemi di riparazione del DNA.

Variabilità del Genoma Umano

Il $99.9\%$ del DNA è identico tra gli individui (tranne per i gemelli omozigoti). La variazione riguarda solo lo $0.1\%$.

Tipologie di Variazioni

• Polimorfismi: Varianti neutre con frequenza nella popolazione generalmente > 1\%. Se ne conta uno ogni circa $20$ nucleotidi.

• Mutazioni: Varianti associate a malattie, con frequenza generalmente < 1\%.

• SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms): Variazione di un singolo nucleotide (es. C invece di T). Esistono oltre $150$ milioni di SNPs identificati.

• STRs (Short Tandem Repeats): Micro-satelliti, variazioni nel numero di ripetizioni di una specifica sequenza.

• Allelotipo: Insieme di polimorfismi che caratterizzano una popolazione (es. differenze tra popolazioni italiane e scandinave).

Applicazioni dei Polimorfismi

1. Analisi Familiare

Permette l'accertamento di paternità/maternità analizzando la trasmissione degli alleli (es. se un padre ha alleli A1/A2 e una madre A2/A3, i figli devono possedere combinazioni derivanti esclusivamente da questi quattro).

2. Indagini Forensi

Il confronto tra DNA prelevato da scene del crimine e sospettati richiede il calcolo della probabilità di abbinamento casuale.

• Esempio di calcolo: Se la frequenza del genotipo d'evidenza è basata su alleli con frequenze specifiche, la probabilità totale è il prodotto delle frequenze individuali.

• In ambito forense si usano solitamente $5$ o $6$ linee polimorfiche per raggiungere una probabilità di errore di $1$ su $10.000.000$ ($10$ milioni).

3. Genome-Wide Association Studies (GWAS)

I polimorfismi possono agire come surrogati di un locus di malattia. Se un polimorfismo si presenta costantemente in individui malati, il gene responsabile si trova probabilmente vicino a quel locus.

• Esempio Asma: Malattia multifattoriale. Studi GWAS hanno identificato $4$ regioni specifiche in cui i polimorfismi si associano alla patologia, indicando la presenza di almeno $4$ loci responsabili.

Domande e Discussione

Durante la lezione è stata sottolineata l'importanza dei database come OMIM e Orphanet per la pratica clinica e la ricerca, evidenziando come la conoscenza del genoma dal 2004 abbia radicalmente trasformato l'approccio alla genetica medica.