Geni e cromosomi

I geni sono costituiti da acido desossiribonucleico (DNA). Il DNA contiene il codice, o mappa, utilizzato per sintetizzare una proteina o una molecola di acido ribonucleico (RNA). Le dimensioni dei geni variano in base alle dimensioni della proteina o RNA che devono codificare.

Ogni molecola di DNA è composta da una lunga doppia elica che ricorda la forma di una scala a chiocciola contenente milioni di gradini. I gradini della scala sono formati da coppie di quattro tipi differenti di molecole, dette basi (nucleotidi). In ciascun gradino, la base adenina (A) è accoppiata con la base timina (T) o la base guanina (G) con la base citosina (C). Ogni molecola di DNA, estremamente lunga, si raccoglie a spirale all’interno di uno dei cromosomi.

Struttura del DNA

Il DNA (acido desossiribonucleico) è il materiale genetico della cellula, contenuto nei cromosomi all’interno del nucleo cellulare e dei mitocondri. Fatta eccezione per alcune cellule (per esempio, sperma e ovociti e globuli rossi), il nucleo cellulare contiene 23 coppie di cromosomi. Un cromosoma contiene molti geni. Un gene è un segmento di DNA che contiene il codice per costruire una proteina o una molecola di RNA. Ogni molecola di DNA è composta da una lunga doppia elica che ricorda la forma di una scala a chiocciola. In essa, due filamenti formati da uno zucchero (desossiribosio) e da molecole di fosfato sono connessi da coppie di quattro molecole dette basi, che formano i gradini della scala. Nei gradini, l’adenina è accoppiata con la timina e la guanina con la citosina. Ogni coppia di basi è tenuta insieme da un legame idrogeno. Il gene è formato da una sequenza di basi. Sequenze di tre basi codificano per un amminoacido (gli amminoacidi sono i blocchi di costruzione delle proteine) o altre informazioni.

Le proteine sono composte da una lunga catena di amminoacidi uniti l’uno consecutivamente all’altro. Esistono 20 diversi amminoacidi che possono essere impiegati ai fini della sintesi proteica, di cui una parte deve provenire dalla dieta (amminoacidi essenziali), un’altra è prodotta dagli enzimi dell’organismo. Una volta costituitasi, la catena di amminoacidi si ripiega su se stessa per formare una complessa struttura tridimensionale. La funzione di questa catena nell’organismo è data dalla forma della struttura piegata. Poiché il ripiegamento è determinato dalla sequenza precisa degli amminoacidi, ogni diversa sequenza genera una proteina differente. Alcune proteine (come l’emoglobina) contengono numerose diverse catene ripiegate. Le istruzioni per la sintesi delle proteine sono codificate all’interno del DNA.

Le informazioni sono codificate all’interno del DNA in base alla sequenza in cui sono organizzate le basi (A, T, G e C). Il codice è scritto in triplette, ovvero le basi sono organizzate in gruppi di tre. Sequenze particolari di tre basi nel DNA codificano per istruzioni speciali, come l’aggiunta di un amminoacido a una catena. Ad esempio, GCT (guanina, citosina, timina) codifica per l’aggiunta dell’amminoacido alanina, mentre GTT (guanina, timina, timina) codifica per l’aggiunta dell’amminoacido valina. Pertanto, la sequenza di amminoacidi in una proteina è determinata dall’ordine delle coppie di base in tripletta nel gene per quella proteina, sulla molecola di DNA. Il processo di trasformazione dell’informazione genetica codificata in una proteina prevede una fase di trascrizione e sintesi.

La trascrizione è il processo attraverso il quale le informazioni codificate nel DNA vengono trasferite (trascritte) all’acido ribonucleico (RNA). L’RNA è una lunga catena di basi identica al filamento di DNA, salvo per la presenza della base uracile (U) che sostituisce la base timina (T). L’RNA contiene, pertanto, un’informazione codificata in tripletta, esattamente come il DNA.

All’avvio del processo di trascrizione, parte della doppia elica di DNA si apre, svolgendosi. Uno dei filamenti svolti di DNA funge da modello rispetto al quale si forma un filamento complementare di RNA. Il filamento complementare di RNA è detto RNA messaggero (mRNA). L’mRNA si separa dal DNA, abbandona il nucleo e giunge nel citoplasma cellulare (la parte della cellula esterna al nucleo). Qui, l’mRNA si lega a un ribosoma, che è una piccola struttura nella cellula in cui avviene la sintesi proteica.

Nella fase di traduzione, il codice mRNA (dal DNA) comunica al ribosoma l’ordine e il tipo di amminoacidi da legare. Gli amminoacidi vengono trasportati verso il ribosoma da un tipo molto più piccolo di RNA, detto RNA di trasporto (tRNA). Ciascuna molecola di tRNA trasporta un solo amminoacido che deve essere inglobato nella catena in formazione della proteina, che è ripiegata in una struttura tridimensionale complessa sotto l’influenza delle molecole adiacenti “accompagnatrici”.

Nell’organismo esistono numerosi tipi di cellule, come le cellule cardiache, le cellule epatiche e le cellule muscolari. Queste cellule si differenziano per aspetto e funzione e producono sostanze chimiche molto diverse. Tuttavia, ogni cellula discende da un unico ovocita fecondato e, come tale, contiene essenzialmente il medesimo DNA. Le cellule assumono aspetti e funzioni molto diversi fra loro, poiché i diversi geni sono espressi in cellule diverse (e in momenti diversi nella stessa cellula). Nel DNA sono inoltre codificate le informazioni relative al momento in cui un gene debba essere espresso. L’espressione genica dipende dal tipo di tessuto, dall’età dell’individuo, dalla presenza di specifici segnali chimici e da numerosi altri fattori e meccanismi. La conoscenza di questi altri fattori e meccanismi deputati al controllo dell’espressione genica è in continuo progresso, ma molti di questi fattori e meccanismi sono ancora poco noti.

I meccanismi in base ai quali i geni si controllano a vicenda sono molto complicati. I geni possiedono dei marcatori chimici che indicano il punto in cui la trascrizione dovrebbe avere inizio e terminare. Il processo di trascrizione è bloccato o permesso da varie sostanze chimiche (come gli istoni) all’interno e attorno al DNA. Inoltre, un filamento di RNA detto RNA antisenso può accoppiarsi con un filamento complementare di mRNA e bloccare la sintesi.

Le cellule si riproducono dividendosi in due. Poiché ogni nuova cellula richiede un insieme completo di molecole di DNA, le molecole di DNA nella cellula originale devono riprodursi (replicarsi) durante la divisione cellulare. La replicazione ha luogo con modalità simili a quelle della trascrizione, con l’unica eccezione che, in questo caso, si svolge e si divide in due l’intera molecola di DNA a doppio filamento. Dopo la divisione, le basi poste su ciascun filamento si legano alle basi complementari (A con T, e G con C) che fluttuano nelle vicinanze. Quando questo processo giunge a compimento, esistono due molecole di DNA a doppio filamento identiche.

Per evitare errori durante la replicazione, le cellule svolgono una funzione di “correzione bozze”, per aiutare a garantire il corretto accoppiamento delle basi. La riparazione di eventuali copie di DNA errate può avvenire anche tramite meccanismi chimici. Tuttavia, a causa dei miliardi di coppie di basi coinvolte e della complessità del processo di sintesi proteica, è possibile che si verifichino errori. L’errore potrebbe scaturire per varie ragioni (anche per esposizione a radiazioni, farmaci o virus) o per nessun motivo evidente. Variazioni minori nel DNA sono molto comuni e hanno luogo nella maggioranza degli individui. La maggior parte di queste variazioni non si ripercuote sulle copie successive del gene. Gli errori che si duplicano nelle copie successive prendono il nome di mutazioni.

Le mutazioni ereditarie sono mutazioni che possono essere trasmesse ai figli. Le mutazioni possono essere ereditate solo quando riguardano le cellule riproduttive (spermatozoi o ovociti). Quelle che non interessano le cellule riproduttive coinvolgono i discendenti della cellula mutata (e, ad esempio, si trasformano in cellule cancerogene) ma non sono trasmesse ai figli.

Le mutazioni possono essere esclusive di un individuo o di una famiglia e le mutazioni più dannose sono rare. Le mutazioni, che diventano comuni a tal punto da interessare più dell’1% della popolazione, prendono il nome di polimorfismi (ad esempio, i tipi di sangue umano A, B, AB e O). La maggior parte dei polimorfismi influisce poco o non influisce minimamente sul fenotipo (la struttura e la funzionalità effettive dell’organismo di un individuo).

Le mutazioni possono coinvolgere piccoli o estesi segmenti di DNA. In funzione della dimensione e della sede, la mutazione può non produrre effetti evidenti oppure può alterare la sequenza di amminoacidi in una proteina o ridurre la quantità di proteine prodotte. Se la proteina presenta una sequenza amminoacidica diversa, potrebbe funzionare diversamente o non funzionare affatto. L’assenza o il mancato funzionamento di una proteina ha spesso effetti lesivi o esiti fatali. Ad esempio, nella fenilchetonuria, una mutazione produce un deficit o l’assenza totale dell’enzima fenilalanina idrossilasi. Questa carenza consente all’aminoacido fenilalanina (metabolizzato grazie alla dieta) di accumularsi nell’organismo, dando in ultima analisi luogo a una grave disabilità cognitiva.

In rari casi, una mutazione introduce un’alterazione favorevole. Ad esempio, nel caso dei geni dei globuli rossi falciformi, quando un soggetto eredita due copie del gene anomalo, svilupperà l’anemia falciforme. Tuttavia, quando un soggetto eredita solo una copia del gene dei globuli rossi falciformi (detto portatore), il soggetto sviluppa un certo grado di protezione dalla malaria (un’infezione del sangue). Nonostante la protezione dalla malaria possa aiutare un portatore a sopravvivere, l’anemia falciforme (in un soggetto che possiede due copie del gene) causa sintomi e complicanze che potrebbero accorciare la vita.

Con l’espressione selezione naturale si denota il concetto secondo il quale le mutazioni che compromettono la sopravvivenza in un dato ambiente sono associate a probabilità inferiori di trasmissione ai figli (pertanto sono meno comuni nella popolazione), mentre le mutazioni che migliorano la sopravvivenza diventano progressivamente più comuni. Di conseguenza, le mutazioni favorevoli, anche se inizialmente sono rare, alla fine diventano comuni. I lenti cambiamenti che hanno luogo nel corso del tempo, causati da mutazioni e dalla selezione naturale in una popolazione ibrida, prendono collettivamente il nome di evoluzione.

Fatta eccezione per alcune cellule (ad esempio, sperma e ovociti e globuli rossi), il nucleo di ogni cellula umana normale contiene 23 coppie di cromosomi, per un totale di 46 cromosomi. Normalmente, ogni coppia è composta da un cromosoma ricevuto dalla madre e uno ricevuto dal padre.

Esistono 22 coppie di cromosomi non sessuali (autosomi) e una coppia di cromosomi sessuali. I cromosomi non sessuali accoppiati sono, per ragioni pratiche, identici nella dimensione, forma e posizione e nel numero di geni. Poiché ogni elemento di una coppia di cromosomi non sessuali contiene un gene corrispondente, quei cromosomi possiedono, in un certo senso, una riserva di geni.

La 23ª coppia è rappresentata dai cromosomi sessuali (X e Y).

La coppia di cromosomi sessuali determina se il feto sarà maschio o femmina. Gli uomini hanno un cromosoma X e un cromosoma Y. La X del maschio proviene dalla madre, mentre la Y è ricevuta dal padre. Le donne hanno due cromosomi X, uno ricevuto dalla madre, l’altro dal padre. Sotto certi aspetti, i cromosomi sessuali funzionano diversamente dai cromosomi non sessuali.

Il più piccolo cromosoma Y trasporta i geni che determinano il sesso maschile e alcuni altri geni. Rispetto al cromosoma Y, il cromosoma X contiene un numero molto superiore di geni, molti dei quali ricoprono altre funzioni, oltre a quella di determinare il sesso, e non hanno controparti sul cromosoma Y. Nei maschi, poiché non esiste un secondo cromosoma X, questi geni extra sul cromosoma X non sono accoppiati e potenzialmente sono tutti espressi. I geni sul cromosoma X sono indicati come geni legati al sesso o geni legati al cromosoma X.

Normalmente, nei cromosomi non sessuali, i geni su entrambe le coppie di cromosomi sono in grado di essere espressi completamente. Tuttavia, nelle donne, la maggior parte dei geni su uno dei due cromosomi X è inattivata da un processo detto inattivazione del cromosoma X (eccetto negli ovuli delle ovaie). L’inattivazione del cromosoma X si svolge nelle prime fasi di vita del feto. In alcune cellule, diventa inattiva la X ereditata dal padre, mentre in altre diventa inattiva la X della madre. Pertanto, una cellula può esprimere un gene ricevuto dalla madre, mentre un’altra cellula esprime il gene del padre. A causa dell’inattivazione del cromosoma X, l’assenza di un cromosoma X dà generalmente luogo ad anomalie relativamente minori (come la sindrome di Turner). Pertanto, l’assenza di un cromosoma X è molto meno dannosa rispetto all’assenza di un cromosoma non sessuale (vedere Panoramica delle anomalie cromosomiche sessuali).

cromosoma X inattivo

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Per gentile concessione di Carrell e H. Williard, Case Western Reserve University School of Medicine.

Se un soggetto di sesso femminile presenta un disturbo che prevede la presenza di un numero di cromosomi X superiore a due, i cromosomi extra tendono a essere inattivi. Di conseguenza, la presenza di uno o più cromosomi X extra causa una percentuale di anomalie di sviluppo molto inferiore rispetto alla presenza di uno o più cromosomi non sessuali extra. Ad esempio, le donne che hanno tre cromosomi X (sindrome della tripla X) spesso non hanno conseguenze fisiche e mentali. I soggetti di sesso maschile con più di un cromosoma Y (vedere Sindrome XYY) possono avere conseguenze fisiche e mentali.

Esistono numerosi tipi di anomalie cromosomiche. Un individuo può presentare un numero anomalo di cromosomi oppure aree anomale su uno o più cromosomi. Molte di tali anomalie possono essere diagnosticate prima della nascita (vedere Analisi per anomalie cromosomiche e genetiche).

Quantità anomale di cromosomi non sessuali danno generalmente luogo ad anomalie gravi. Ad esempio, la trasmissione di un cromosoma non sessuale extra può avere esiti fatali sul feto oppure dare luogo ad anomalie come la sindrome di Down, che è dovuta generalmente alla presenza di tre copie sul cromosoma 21. L’assenza di un cromosoma non sessuale ha esiti fatali per il feto.

Estese aree su un cromosoma possono essere alterate, solitamente a causa dell’omissione (delezione) di un’intera sezione o dell’errato posizionamento su un altro cromosoma (traslocazione). Ad esempio, la leucemia mieloide cronica è talora causata dalla traslocazione di una parte del cromosoma 9 sul cromosoma 22. Questa anomalia può essere ereditata o derivare da una nuova mutazione.

I mitocondri sono minuscole strutture all’interno delle cellule che sintetizzano le molecole usate per l’energia. Ogni cellula ha da 1.000 a 2.500 mitocondri. Diversamente da altre strutture all’interno delle cellule, ogni mitocondrio contiene il proprio cromosoma circolare. Questo cromosoma contiene DNA (DNA mitocondriale) composto da 37 geni che codificano 13 proteine, vari RNA e diversi enzimi. Il DNA mitocondriale deriva generalmente solo dalla madre, poiché, in linea generale, quando un ovocita viene fecondato, solo i mitocondri di quell’ovocita diventano parte dell’embrione in sviluppo, diversamente dai mitocondri dello sperma.