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EVOLUZIONE DELLA GENETICA Dal periodo pre-mendeliano alla genetica molecolare

Partiamo da qui. Come si spiegano le somiglianze tra genitori e figli?

La storia della genetica è stata suddivisa in tre periodi: periodo pre-mendeliano, periodo mendeliano o della genetica classica e periodo post-mendeliano o della genetica molecolare.

PERIODO PRE-MENDELIANO

Nulla si conosceva su cellule, DNA, cromosomi, geni

Di lato Fig.1 "busto di Democrito", filosofo greco (460 - 370 a.C. circa)

Ecco la risposta data da Democrito e Ippocrate con la teoria dei pangeni o gemmule. All’interno del corpo umano si sviluppano delle particelle che, dopo aver circolato nel corpo, confluiscono negli organi genitali per essere poi trasmesse ai nuovi nati.

Fig. 2 - Ippocrate - filosofo greco (460 - 377 a.C.)

Teoria proposta anche nei secoli successivi e ripresa da Darwin (1809 - 1882). Il biologo britannico ampliò la teoria introducendo anche la possibilità che i pangeni possano trasmettere ai discendenti i caratteri acquisiti in vita per effetto di fattori ambientali o altro.

Fig. 3 - Museo di Anatomia umana (Torino) - Pannello che celebra C. DARWIN (1809 - 1882) e i suoi scritti più famosi

Periodo mendeliano o della Genetica classica

Prima di Mendel bisogna ricordare alcuni scienziati le cui osservazioni hanno aperto la strada alle grandi scoperte del XIX secolo. Cominciamo da Leeuwenhoek e Hooke del XVII secolo, i primi veri microscopisti. Microscopio allora rudimentale rispetto a quelli in uso attualmente.

Di lato (Fig. 4) Ritratto di Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723)
Viene considerato il padre della microbiologia e uno dei primi microscopisti e microbiologi per aver osservato degli "animaletti" in diversi liquidi (acqua piovana, acqua dolce e marina, bile, sperma, sangue ...)
Fig. 5 I microscopi utilizzati dallo scienziato per le sue osservazioni (disegno di Henry Baker)
Da notare che le lenti erano costruite manualmente.
Fig. 6 Microrganismi (gli "animaletti") osservati da van Leeuwenhoek al microscopio e disegnati dallo stesso scienziato
Nella sua lunghissima vita lo scienziato fu protagonista di numerosissime scoperte. Dagli infusori (oggi più noti come protisti) al vacuolo delle cellule, dai batteri del genere Selenomonas agli spermatozoi. Solo per citarne alcuni.
Fig. 7 Sezione del legno di una pianta di frassino di un anno. Disegno di van Leeuwenhoek.
E non si limitò solo allo studio degli "animaletti" come testimonia il disegno della sezione di una pianta.
Di lato (Fig.8) probabile ritratto di Robert Hooke (1635 -1703) dipinto da Mary Beale
Uno dei più grandi scienziati del'600. Era un profondo conoscitore della geologia e della fisica. Si ricorda ad esempio per la sua formulazione della legge dell'elasticità lineare. Ma fu anche architetto e biologo. A noi interessa per quest'ultimo aspetto.
Fig. 9 - Il microscopio di R. Hooke
Lo scienziato migliorò notevolmente il microscopio perfezionando il sistema di illuminazione come si può vedere dal disegno di sopra. Fu così in grado di fare scoperte incredibili per l'epoca. Tutte annotate nel suo libro Micrographia
Fig. 10 Copertina del libro Micrographia di R. Hooke
La più clamorosa fu la scoperta della cellula. Egli riuscì ad ottenere una sezione molto sottile di sughero, la osservò al microscopio e fece il disegno di sotto.
Fig. 11 - Sezione di sughero disegnata da R. Hooke (1665)
Riprodusse con esattezza le cavità separate da parete a cui diede il nome di cellula, cioè piccola cella, perché gli ricordavano le celle del favo delle api. Hooke aveva scoperto le cellule vegetali senza rendersene conto. Ma il nome da lui coniato è rimasto.

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A proposito di cellule ... tra il 1838 e il 1839 il botanico M. J. Schleiden (1804-1881) e il biologo T. Schwann (1810-1882), entrambi tedeschi, arrivarono alla comune conclusione che “tutti gli esseri viventi, siano essi animali o vegetali, sono costituiti in ultima analisi da cellule”. Il principio fondante della futura “teoria cellulare”.

A sinistra Fig. 12 Matthias Jacob Schleiden (1804 - 1881) A destra Fig. 13 Theodor Schwann (1810 - 1882)

E arrivò il momento di Mendel che però non fu compreso dai suoi contemporanei. Troppo innovativo il suo lavoro.

Di lato (Fig. 14) Gregor Mendel (1822 - 1884) biologo, matematico, monaco agostiniano
Tra il 1856 e il 1863 G. Mendel eseguì i suoi studi sui piselli e nel 1865-1866 pubblicò i risultati in "Ricerche sugli ibridi nelle piante” dove dimostrò che i genitori trasmettono i propri caratteri ai discendenti con i gameti, tramite i fattori ereditari. I gameti erano stati scoperti e studiati nel XVII secolo.
Fig. 15 Rappresentazione della legge della dominanza dei caratteri
Ci vollero più di 30 anni perché i suoi studi fossero scoperti e rivalutati. Dobbiamo ringraziare scienziati sui due lati dell'oceano Atlantico.
Di lato (Fig. 16) Walther Flemming (1843 - 1905), biologo tedesco
Nel 1882 Flemming pubblicò in un libro le sue osservazioni sulla divisione cellulare. Descrisse, grazie a tecniche di colorazione avanzate per il periodo, dei corpiccioli a forma di bastoncino nella cellula in divisione. Sei anni dopo quei corpiccioli bastoncellari furono chiamati cromosomi.
Fig. 17 Cromosomi politenici (giganti) osservati in una cellula della ghiandola salivare di Chironimus (moscerino). Disegno originale di W. Flemming , tratto dal libro Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung (cellula, nucleo e divisione cellulare)
Fig. 18 - Cellule con cromosomi evidenti durante la mitosi. Disegno originario di W. Flemming tratto dal libro già citato.
Lo scienziato non era a conoscenza degli studi di Mendel e quindi non poteva correlare le sue scoperte con l'ereditarietà studiata dal monaco agostiniano
Di lato (Fig. 19) Henrich Wilhelm Waldeyer (1836 - 1921), anatomista tedesco
Noto per aver dato il nome di cromosomi ai corpiccioli bastoncellari di W. Flemming (1888)
Val la pena ricordarlo anche perché a lui si deve il termine neurone.
Di lato (Fig. 20) Walter Sutton (1877 - 1916), biologo statunitense
Nel 1903 Sutton, dopo aver studiato la meiosi, scrisse un articolo dove dichiarò che i cromosomi sono i portatori fisici dei fattori ereditari di Mendel. Quasi quarant'anni dopo la pubblicazione di Mendel.

Il testo successivo è tratto da "The Chromosomes in Heredity", 1903, W. Sutton

  1. The chromosome group of the presynaptic germ-cells is made up of two equivalent chromosome-series, and that strong ground exists for the conclusion that one of these is paternal and the other maternal.
  2. The process of synapsis (pseudo-reduction) consists in the union in pairs of the homologous members (i. e., those that correspond in size) of the two series.
  3. The first post-synaptic or maturation mitosis is equational and hence results in no chromosomic differentiation.
  4. The second post-synaptic division is a reducing division, resulting in the separation of the chromosomes which have conjugated in synapsis, and their relegation to different germ-cells.
  5. The chromosomes retain a morphological individuality throughout the various cell-divisions."

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Gli studi precedenti vennero confermati nella prima metà del 1900 dalle osservazioni di T. H. Morgan sul moscerino della frutta Drosophila melanogaster e dai suoi allievi tra cui si ricordano H. J. Muller e A. Sturtevant (1891 - 1970). Sturtevant fu il primo a fornire le prove sperimentali che i fattori ereditari mendeliani hanno un’organizzazione lineare sui cromosomi. Il primo ad utilizzare il termine genetica fu invece il biologo inglese William Bateson (1861 - 1926).

In ordine da sinistra a destra: Fig. 21 - T.H. Morgan (1866 - 1945), biologo e genetista statunitense, premio Nobel per la medicina nel 1933; Fig. 22 - H.J. Muller mentre parla nel 1952 alla World Science Fiction Convention (1890 - 1967), medico e genetista statunitense, premio Nobel per la Medicina nel 1946,; Fig. 23 - William Bateson (1861 - 1926), genetista britannico

Questo gruppo di scienziati contribuì anche a individuare l’eredità legata al sesso e il fenomeno del crossing-over, uno dei fattori della variabilità nella riproduzione sessuata. A Muller in particolare va attribuito il merito di aver indotto per la prima volta (1927) una mutazione genica da raggi X. Il complesso di queste ricerche portò a costruire le prime mappe geniche, localizzando i geni sui vari cromosomi. Ancora però non si conosceva l’esatta natura chimica dei geni. Si ipotizzava che fossero proteine.

Il successivo capitolo di ricerca potrebbe essere intitolato: i geni questi sconosciuti. Furono due gli scienziati che vanno ricordati in questo percorso legato alla storia della genetica.

A sinistra (Fig. 24) E. L. Tatum (1909 - 1975), A destra (Fig. 25) G. Beadle (1903 - 1989), entrambi genetisti e biologi U.S.A. Ad ambedue fu assegnato il Premio Nobel per la Medicina nel 1958.

Essi lavorarono sulla muffa del pane (Neurospora crassa) e indussero mutazioni irradiandola. Nel corso dei loro esperimenti si resero conto che le mutazioni indotte provocavano dei cambiamenti in enzimi coinvolti in specifiche vie metaboliche. Porta il loro nome l’ipotesi: un gene - un enzima (1941), la base del dogma centrale della biologia molecolare formulato da F. Crick anni dopo.

La tappa successiva è datata 1944. Il medico canadese Avery, insieme ai suoi collaboratori, chiarì che cromosomi e geni sono formati da DNA.

Foto di lato (Fig. 26) Q. T. Avery (1877 - 1955), uno dei primi biologi molecolari
Avery lavorò su due ceppi di Streptococcus pneumoniae. Il ceppo S letale per le cavie, dotato di capsula, e il ceppo R innocuo perché acapsulato.
Fig. 27 Streptococcus pneumoniae
All’epoca si sapeva già che i batteri potevano trasferire tra loro materiale ereditario (trasformazione batterica - F. Griffith 1928). Ricordiamo l’esperimento peraltro molto semplice. Gli scienziati prepararono miscele di batteri acapsulati vivi a cui aggiunsero frazioni molecolari di proteine o di DNA o di RNA o di lipidi ottenute purificando gli estratti cellulari degli streptococchi capsulati uccisi con il calore. Inocularono poi queste miscele nei topi. Solo le miscele contenenti DNA furono in grado di trasformare i batteri acapsulati in capsulati. La controprova fu semplice. Essi verificarono cosa succede aggiungendo un enzima che distrugge il DNA alla frazione con il DNA. La trasformazione non avvenne.

Se il 1944 è stato un anno importante per la storia della genetica il 1953 è sicuramente fondamentale per la scoperta del DNA. Tre sono gli scienziati da ricordare.

Da sinistra a destra: Fig. 28 Francis Crick (1916 - 2004), biologo molecolare e biofisico britannico; Fig. 29 James D. Watson (1928), biologo molecolare U.S.A. Entrambi insigniti del Premio Nobel per la Medicina nel 1962 per la scoperta della struttura molecolare del DNA. L'ultima foto (Fig. 30) è di Rosalind Franklin (1920 - 1958), biochimica britannica, specializzata in cristallografia a raggi X

Nel 1953 comparve sulla rivista inglese Nature un articolo a firma Watson e Crick che riportava la struttura molecolare dell’acido desossiribonucleico (DNA). Una scoperta epocale che ebbe effetti determinanti su molte discipline scientifiche ed aprì la strada alla genetica molecolare, cioè all’era post-mendeliana. Vale la pena ricordare quanto in quel periodo sia stato sottostimato il contributo essenziale di R. Franklin. I suoi scritti testimoniano come sia stata lei, in effetti, a dare il contributo fondamentale alla scoperta della struttura ad elica del DNA. In vita, però, non ha avuto grandi riconoscimenti

PERIODO POST-MENDELIANO O DELLA GENETICA MOLECOLARE.

Questo periodo viene trattato qui in forma molto schematica perché l'argomento viene ripreso in diverse pagine di questo sito.

Di lato (Fig. 31) modello molecolare del DNA
Sono passati quasi settant'anni dalla comunicazione ufficiale della scoperta della struttura del DNA e di passi avanti ne sono stati fatti tanti. In questa sede segnaliamo i più significativi.
  1. Anni ‘50 → Tecniche per lo studio dei cromosomi
  2. Anni ‘70 → Tecniche per la manipolazione del DNA, nasce l’ingegneria genetica
  3. Anni ‘80 → Identificazione di geni coinvolti in patologie umane
  4. Anni ‘90 → Progetto Genoma Umano
  5. Primi anni 2000 → Editing genetico

AUTHOR CREDITS

Periodo pre-mendeliano

  • Fig. 1 Busto di Democrito - By Unidentified engraver - http://www.phil-fak.uni-duesseldorf.de/philo/galerie/antike/demokrit.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=638487
  • Fig. 2 Busto di Ippocrate - Di Unidentified engraver - 1881 Young Persons' Cyclopedia of Persons and PlacesUpload by RedWolf 05:45, Jan 10, 2005 (UTC), Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=164808
  • Fig. 3 Pannello celebrante Darwin (1890) - Museo di Anatomia Umana (TO) - Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=434394

Periodo mendeliano

  • Fig. 4 Ritratto di Anthoni van Leeuwenhoek - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Anthonie_van_Leeuwenhoek_(1632-1723)._Natuurkundige_te_Delft_Rijksmuseum_SK-A-957.jpeg
  • Fig. 5 Il microscopio utilizzato da van Leeuwenhoek - Di Henry Baker (naturalist) - https://www.wired.com/imageviewer/?imagePath=/images/article/full/2008/09/microscope.jpg&imageCaption=Henry+Baker+drew+this+illustration+of+van+Leeuwenhoek%27s+microscopes+in+1756.&imageCredit=, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4805546 
  • Fig. 6 Microrganismi osservati e disegnati da van Leeuwenhoek - By Antoni van Leeuwenhoek - T. Cremer, Von der Zellenlehre zur Chromosomentheorie, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo, 1985, ISBN 3-540-13987-7. Online Version. Source given in there: The collected letters from Antoni van Leeuwenhoek, Vol. II, Amsterdam, Sweets and Zeitlinger LTD (1941), Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3652421
  • Fig. 7 - Sezione del legno di una pianta di frassino di un anno - By Antoni van Leeuwenhoek - T. Cremer, Von der Zellenlehre zur Chromosomentheorie, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo, 1985, ISBN 3-540-13987-7. Online Version. Source given in there: The collected letters from Antoni van Leeuwenhoek, Vol. II, Amsterdam, Sweets and Zeitlinger LTD (1941), Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3652421
  • Fig. 8 probabile ritratto di Robert Hooke - Di Mary Beale - https://arthistoryproject.com/artists/mary-beale/portrait-of-a-mathematician/, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=92677611
  • Fig. 9 il microscopio di Robert Hooke - Di Robert Hooke - w:en:Image:Hooke-microscope.png, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1529111
  • Fig. 10 copertina del libro di Hooke Micrographia - Di Robert Hooke (1635-1703) - This image is available from the National Library of Wales, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7442137
  • Fig. 11 Sezione di sughero disegnata da R. Hooke - Di Robert Hooke (1635–1707) - Robert Hooke, Micrographia, 1665., Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=836146
  • Fig. 12 Foto-ritratto di Matthias Jacob Schleiden - Di Carl Wilhelm Traugott Schenk - „Studien: Populäre Vorträge“ von Matthias Jacob Schleiden, Professor an der Universität Jena, Leipzig: Engelmann, 1855, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3347122
  • Fig. 13 Theodor Schwann - Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=396242
  • Fig. 14 Gregor Mendel - Di Hugo Iltis - Wellcome Library, London, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=33070385
  • Fig. 15 Legge della dominanza dei caratteri - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mendelian_inheritance_1_2_1.png
  • Fig. 16 Walther Flemming - By Unknown author - [1] + [2], Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20367236
  • Fig. 17 Cromosomi politenici in cellule della ghiandola salivare di Chrironimus - By Walther Flemming. Professor der Anatomie in Kiel. - Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung. Leipzig, Verlag von F.C.W. Vogel. Websource: [1], Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1251515 
  • Fig. 18 Cellule in mitosi con cromosomi - By Walther Flemming (1843-1905) - aus dem Werk Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5333026 
  • Fig. 19 Heinrich Wilhelm Waldeyer - Di Sconosciuto - http://ihm.nlm.nih.gov/images/B25498, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20366667
  • Fig. 20 W. S. Sutton - Di Sconosciuto - http://www.genomenewsnetwork.org/resources/timeline/1902_Boveri_Sutton.jpg, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8550633
  • Fig. 21 T.H. Morgan - Di Sconosciuto - http://wwwihm.nlm.nih.gov/, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=549067
  • Fig. 22  H.J. Muller - Di Alfred De Bat - The Journal of Science Fiction #4, 1953, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=77035739
  • Fig. 23 William Bateson - Di Sconosciuto - https://web.archive.org/web/20051027192232/http://www.amphilsoc.org/library/images/genetics/bateson2.jpg, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=671689 
  • Fig. 24  E. L. Tatum - Di https://en.wikipedia.org/wiki/Edward_Lawrie_Tatum - https://en.wikipedia.org/wiki/Edward_Lawrie_Tatum, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48077855
  • Fig.25 George Wells Beadle - By Unknown - http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1958/, https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=31240247
  • Fig. 26 O. T. Avery - Di Sconosciuto - http://profiles.nlm.nih.gov/CC/A/A/L/P/_/ccaalp_.jpg, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3677045
  • Fig. 27 Streptococcus pneumoniae - https://it.wikipedia.org/wiki/File:Streptococcus_pneumoniae.jpg
  • Fig. 28 F. Crick - Di Photo: Marc Lieberman - Siegel RM, Callaway EM: Francis Crick's Legacy for Neuroscience: Between the α and the Ω. PLoS Biol 2/12/2004: e419. https://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.0020419, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1377657
  • Fig. 29 J. D. Watson - Di James_D_Watson_Genome_Image.jpg: Cold Spring Harbor Laboratoryderivative work: Jan Arkesteijn (talk) - Questo file deriva da: James D Watson Genome Image.jpg:, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18153773
  • Fig. 30 R. Franklin - Di MRC Laboratory of Molecular Biology - From the personal collection of Jenifer Glynn., CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=68494240

Periodo post-mendeliano

  • Fig. 31 La molecola del DNA - https://en.wikipedia.org/wiki/File:DNA_3D_Model.png 

SITOGRAFIA

  1. Scoperta dei cromosomi - https://didattica.uniroma2.it/files/scarica/insegnamento/180853-Istologia-Ed-Embriologia/62904-Scoperta-dei-cromosomi
  2. Scoperta della cellula - http://dm.unife.it/matematicainsieme/comscomp/indice%20pdf/bio%20cenni%20st.pdf
  3. I gameti e la loro scoperta - https://www.treccani.it/enciclopedia/gamete_%28Universo-del-Corpo%29/
  4. Corso di genetica umana e medica - https://www.docenti.unina.it/webdocenti-be/allegati/materiale-didattico/375117
  5. La storia della genetica 2: oltre Mendel - a) https://noidiminerva.it/it/la-storia-della-genetica-2-oltre-mendel/ b) http://www.salvemini.na.it/unitest/programmi/res/Genetica.pdf
  6. La genetica - http://www.scienze.uniroma2.it/wp-content/uploads/2009/03/download-gen.pdf