Neomendelismo

ASSOCIAZIONE (O «CONCATENAZIONE» O «LINKAGE»)

Fino ad ora abbiamo trattato l'incrocio diibrido (o poliibrido) mendeliano supponendo che effettivamente le diverse coppie alleliche si trovino su diverse coppie di cromosomi omologhi. Ma il numero di coppie cromosomiche, pur diverso da specie a specie, varia entro limiti ristretti (poche specie arrivano verso il centinaio di cromosomi), mentre il numero di geni si conta anche a diecine di migliaia.
Che i caratteri scelti da Mendel per i suoi esperimenti segregassero tutti indipendentemente (senza perciò confondere i calcoli nella distribuzione dei fenotipi nella F2 dell'incrocio poliibrido) è stato un caso fortunato. Se due coppie di alleli si fossero trovati su loci adiacenti, la legge che ne sarebbe derivata si sarebbe chiamata legge dell'associazione.
Sapendo che numerosissimi caratteri hanno il loro locus su un singolo cromosoma e che sono le coppie cromosomiche che segregano indipendentemente nella meiosi, si può ben comprendere come accada frequentemente che due coppie di caratteri, se erano associate su un cromosoma nell'organismo parentale, rimangano associate egualmente anche nel gamete e perciò nell'organismo cui esso apporterà il proprio materiale genetico.
Vediamo dunque che l'associazione rappresenta un'eccezione, tutt'altro che infrequente, alla  indipendenza enunciata nella terza legge di Mendel.

SCAMBIO O «CROSSING-OVER» E RICOMBINAZIONE

Parlando della meiosi abbiamo indicato che esistono due diversi momenti di mescolamento del materiale genetico: uno è quello della segregazione dei cromosomi nei gameti, ed è quello osservato da Mendel.
L'altro momento, che in realtà precede, è quello in cui i quattro cromatidi di ogni coppia di cromosomi omologhi si scambiano reciprocamente dei tratti uguali. A seguito di tale scambio, due fattori che si trovavano associati sullo stesso cromosoma saranno invece indipendenti nei gameti. La probabilità che avvenga uno scambio è proporzionale, in prima approssimazione, alla lunghezza del cromosoma, ed in cromosomi più lunghi può aversi anche più di, uno scambio.
Il fenomeno può essere rilevato citologicamente, osservando un sufficiente numero di meiosi al microscopio.
Il tasso di ricoanbinazione è la frequenza con cui due caratteri qualsiasi, che erano associati nella generazione parentale, si ricombinano diversamente nella F2.
Se i due loci sono assolutamente contigui, la probabilità che un chiasma li separi sarà praticamente nulla. Il tasso di ricombinazione sarà: n° ricombinanti. Se due loci sono su due cromosomi diversi, il tasso di ricombinazione sarà 0,5 (uguale probabilità, per due caratteri che erano uniti nella generazione P, di ritrovarsi casualmente insieme nella F2). Il tasso di ricombinazione può perciò variare fra 0,0 e 0,5. Per piccole distanze sul cromosoma, la distanza e il tasso di ricombinazione sono direttamente proporzionali. Per distanze maggiori subentra la possibilità che fra due loci avvengano due scambi. Apparirà ora chiaro il concetto che due fattori separati da due scambi tornano ad essere associati. è palese, a questo punto, che la proporzionalità fra la distanza dei loci e la probabilità di ricombinazione si perda.
I loci che si trovano associati sullo stesso cromosoma costituiscono «gruppi di associazione». Loci assai distanti possono avere tale probabilità di separazione per scambio da comportarsi come indipendenti, ma ognuno di essi sarà associato, con tasso di ricombinazione minore, ai loci intermedi.
Quando sono noti i tassi di ricombinazione fra molte coppie di geni entro un gruppo di associazione, si può iniziare la costruzione delle «mappe genetiche». Tenendo ben presente che la distanza fra due geni (a e b) è espressa dal tasso di ricombinazione e che la distanza di a da un terzo gene c può essere o la somma o la differenza rispetto alla sua distanza da b, è possibile ricostruire una mappa delle distanze reciproche, che sarà la mappa genetica nell'ambito di quel gruppo di associazione, cioè di quel cromosoma.
Dobbiamo ora considerare in generale alcuni concetti che limitano la manifestazione fenotipica dei caratteri genotipici.
Anzitutto parleremo dei concetti di penetranza ed espressività, per poi dedicare particolare attenzione ai fenomeni di regolazione dell'azione genica.

PENETRANZA

La penetranza di un gene rappresenta la sua capacità di manifestarsi nel fenotipo. La misura della penetranza è effettuata statisticamente, contando la frequenza dei fenotipi che manifestano quel carattere su 100 genotipi che lo contengono. Un carattere con penetranza 0,7 è un carattere che si manifesta fenotipicamente nel 70% della sua frequenza genotipica.

ESPRESSIVITÀ

L'espressività è una valutazione quantitativa del grado di manifestazione fenotipica.

REGOLAZIONE DELL'AZIONE GENICA

Le cellule producono con la stessa velocità e contemporaneamente tutti i loro enzimi e tutte le loro proteine. Le cellule di Escherichia coli, ad esempio, si possono rifornire di energia e di atomi di carbonio dal disaccaride lattosio in quanto sono in grado di operarne la scissione in glucosio e galattosio grazie all'enzima beta-galattosidasi. In una normale cellula di E. coli che possa disporre di lattosio, sono presenti all'incirca 3 000 molecole di beta-galattosidasi, pari al 3% delle proteine di quella cellula; in mancanza di lattosio non vi sarà che una sola molecola di betagalattosidasi per cellula batterica. La galattosidasi verrà sintetizzata da nuove molecole di mRNA quando potrà essere utilizzata. Si conoscono ceppi mutanti di E. coli ricchi dell'enzima anche quando il lattosio è assente: questi mutanti sono svantaggiati rispetto alle normali cellule in quanto costretti ad un inutile consumo di energia e di materiali per produrre l'enzima che rimarrà senza substrato. Le sostanze che provocano un rialzo nella quantità di enzima, come è il caso del lattosio, si diranno induttrici, mentre degli enzimi si dirà che sono inducibili. Altre sostanze inducono, anche queste in modo specifico, la produzione di determinati enzimi. Sempre in E. coli, ad esempio, in grado di costruirsi tutti i propri aminoacidi, disponendo di carbonio e ammonio (NH3), la presenza nel terreno di coltura di un particolare aminoacido (istidina, ad esempio) blocca la produzione di tutti gli enzimi associati alla biosintesi dell'aminoacido stesso: di questi enzimi si dirà che sono reprimibili. Nelle cellule batteriche le molecole di mRNA vengono demolite poco dopo la loro formazione, ed è per questo che controllare la produzione di mRNA significa controllare nello stesso tempo la sintesi enzimatica.

L 'OPERONE

Per spiegare come la cellula batterica riesca a controllare la propria produzione di enzimi Jacob e Monod formularono l'ipotesi dell'operone; a formare l'operone concorrono più geni funzionalmente correlati e allineati senza discontinuità lungo un tratto di DNA. L'operone consiste di tre diversi tipi di geni: il promotore, ove ha inizio la formazione del mRNA; l'operatore, ove si esercita il controllo; uno o più geni strutturali, che codificano per gli enzimi o per le altre proteine. Nel sistema della beta-galattosidasi l'operone include, oltre quello per la beta-galattosidasi, anche altri due geni strutturali che codificano per altri enzimi che intervengono nel metabolismo del lattosio. Questi geni sono l'un l'altro adiacenti e vengono trascritti uno dopo l'altro lungo la stessa elica di DNA in una sola molecola di mRNA. Le molecole di mRNA così prodotte sono attive per un tempo brevissimo, dopodiché vengono distrutte da enzimi specifici.
L'attività dell'operone è controllata a sua volta da un altro gene, il regolatore, che può anche essere distante dall'operone: questo regolatore codifica per una proteina, detta repressore, che sembra si leghi al DNA in corrispondenza del gene operatore. L'essere il gene operatore posto tra il promotore e i geni strutturali blocca di fatto la produzione di mRNA.
Il repressore a sua volta è controllato, e il controllo è effettuato tramite una sostanza « segnale». Nel caso degli enzimi inducibili questa sostanza è l'induttore. L'induttore si lega alla molecola del repressore modificandone la forma così che questa non possa più adattarsi al DNA: in tal caso, non essendovi fra promotore e geni strutturali il repressore, possono formarsi le molecole di mRNA e da queste le molecole proteiche. Con l'esaurirsi della fornitura di induttore di nuovo il regolatore riprenderà il controllo, il che farà cessare la produzione di nuovo mRNA, quindi di nuove proteine. Nel sistema della beta-galattosidasi l'induttore è il lattosio o una sostanza molto simile da questo derivata: si uniranno al repressore inattivandolo così da consentire la biosintesi degli enzimi. Nel caso degli enzimi reprimibili la sostanza che funge da «segnale» agisce da corepressore: il repressore è attivo solo se unito al corepressore. Nel sistema dell'istidina, che coinvolge una decina di enzimi diversi, è proprio questo aminoacido, unito al suo tRNA, il corepressore. L'istidina-tRNAs, si unisce al repressore attivandolo e ciò comporta il blocco della sintesi dell'mRNA dell'istidina.

INTERAZIONI ALLOSTERICHE

Le interazioni allosteriche, comportando l'inattivazione di un enzima per alterazione della sua forma, forniscono un diverso modo di regolare l'attività metabolica di una cellula. Le interazioni allosteriche consentono un controllo più accurato che non il sistema induttore-repressore dell'operone, ma non realizzano l'utile risultato di escludere la biosintesi di una data sostanza fin dalla prima tappa - la produzione di un mRNA.

SISTEMI DI CONTROLLO NEGLI EUCARIORI

Vi sono alcuni fatti che inducono a ritenere operante e preminente fra le piante e gli animali un sistema di regolazione simile all'operone. I cromosomi di questi organismi differiscono profondamente da quelli di E. coli e degli altri procarioti. In più, i problemi che il controllo dei geni pone in queste cellule sono ben diversi. Il meccanismo della mitosi è tale che ciascuna cellula di una data .pianta o animale possiede tutta l'informazione
genetica presente nell'uovo fecondato. Pertanto la maggior parte dei geni di una qualsiasi cellula specializzata rimarrà inefficiente per tutta la vita della cellula. Il DNA in queste cellule è sempre associato a proteine. per cui è possibile che la repressione genica negli eucarioti richieda proprio questa associazione tra DNA e proteine.