eredità - EdiSES

EREDITÀ
Principi e problematiche
della genetica umana
II
EDIZIONE
EREDITÀ
Principi e problematiche
della genetica umana
Michael R. Cummings
Research Professor
Department of Biological Chemical and Physical Sciences
Illinois Institute of Technology
Chicago, Illinois 60616
EDIZIONE ITALIANA A CURA DI
Berardino Porfirio
Università degli Studi di Firenze
Titolo originale :
Michael R. Cummings
HUMAN HEREDITY: Principles & Issues
Copyright © 2009, Brooks/Cole, Cengage Learning, 8th edition
EREDITÀ – Principi e problematiche della genetica umana – II edizione
Copyright © 2009, 2004, EdiSES s.r.l. – Napoli
9 8 7 6 5 4
3 2 1 0
2014 2013 2012 2011 2010 2009
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A norma di legge, le pagine di questo volume non possono essere fotocopiate o ciclostilate o comunque riprodotte con alcun mezzo meccanico. La
Casa Editrice sarebbe particolarmente
spiacente di dover promuovere, a sua
tutela, azioni legali verso coloro che arbitrariamente non si adeguano a tale
norma.
L’Editore
Traduzione a cura di:
LAURA AMICONE – Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
CARLA CICCHINI – Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
FRANCA CITARELLA – Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
BRUNO VARRIALE – II Università degli Studi di Napoli
Fotocomposizione : Spazio Creativo S.r.l. – Napoli
Fotoincisione : PrintSprint – Napoli
Stampato presso la
Tipolitografia Petruzzi Corrado & Co. s.n.c.
Zona Ind. Regnano – Città di Castello (PG)
per conto della
EdiSES – Napoli
http://www.edises.it
e-mail: [email protected]
ISBN 978-88-7959-485-1
Notizie sull’autore
Michael R. Cummings ha ottenuto il Ph.D. in Scienze
Biologiche presso la Northwestern University. Il suo
dottorato, condotto nel laboratorio del Dr. R.C. King,
riguardava lo sviluppo dell’ovaio della Drosophila melanogaster. Dopo un anno come docente alla Northwestern, è passato all’Università dell’Illinois di Chicago,
dove ha svolto attività didattica e di ricerca.
Dal 2003 è Research Professor presso il Dipartimento di Scienze fisiche, chimiche e biologiche all’Illinois
Institute of Technology.
Ha insegnato genetica generale, genetica umana e
biologia generale. Circa 15 anni or sono Michael R. Cummings ha cominciato ad
occuparsi prevalentemente di educazione scientifica. Attualmente sta progettando
l’uso intensivo delle risorse elettroniche, come Internet e World Wide Web, nei corsi iniziali di genetica e biologia generale, così come nei libri di testo. Ha ricevuto diversi premi e riconoscimenti per le sue qualità di insegnante.
La sua attuale attività di ricerca è rivolta all’organizzazione molecolare del
braccio corto del cromosoma 21 e del suo centromero. Il suo laboratorio è fortemente impegnato nella costruzione di una mappa fisica di questa regione del cromosoma 21 per poter studiare i meccanismi molecolari delle interazioni cromosomiche.
Il Dr. Cummings è autore e co-autore di un vasto numero di testi usati nei college, tra cui Biology: Science and Life, Concepts of Genetics, Genetics, A Molecular
Perspective, Essentials of Genetics e Human Genetics and Society. Ha anche scritto
capitoli sulla genetica per la McGraw Hill Encyclopedia of Science and Technology, ed ha anche tenuto come responsabile un bollettino sui progressi della genetica per docenti e studenti.
v
Indice
Capitolo 1
La genetica come avventura dell’uomo 1
1.1 La genetica è la chiave della biologia 2
Genetica e società: Patologie genetiche nella cultura e nell’arte 3
1.2 Cosa sono i geni e come funzionano? 3
1.3 Come vengono trasmessi i geni dai genitori ai figli? 4
1.4 Quali procedure seguono gli scienziati per studiare i geni? 6
Approcci agli studi di genetica 6
La genetica è usata nella ricerca di base e in quella applicata 7
1.5 Qual è l’impatto storico della genetica sulla società? 8
La genetica ha influito direttamente sulle politiche sociali 8
L’eugenetica impose le leggi sull’immigrazione 9
L’eugenetica indusse i legislatori a limitare i diritti riproduttivi 10
Genetica e società: Genetica, eugenetica e nazismo in Germania 11
Riflettori su… La sterilizzazione eugenetica 11
L’eugenetica fu associata al movimento nazista 11
1.6 Qual è l’impatto della genetica sulla società odierna? 12
È stato completato il Progetto Genoma Umano 12
Test genetici e scansione del genoma nella gestione della salute 13
Biotecnologie e vita quotidiana 14
1.7 Le scelte della persona nell’era della genomica e della biotecnologia 14
Capitolo 2
Cellule e divisione cellulare
18
2.1 La struttura della cellula ne riflette la funzione 20
La membrana plasmatica e il citoplasma sono due domini cellulari 20
Riflettori su… Quel fatale trasporto di membrana 20
Gli organelli sono strutture specializzate del citoplasma 21
2.2 Il ciclo cellulare descrive la vita della cellula 24
L’interfase ha tre stadi 24
La divisione cellulare per mitosi avviene in 4 fasi 26
La citochinesi separa il citoplasma 28
2.3 La mitosi è essenziale per la crescita e il ricambio cellulare 29
2.4 Divisione cellulare per meiosi: le basi della sessualità 29
La meiosi I riduce il numero dei cromosomi 31
vii
La meiosi II comincia con cellule aploidi 31
Concetti e controversie: Ricci di mare, cicline e cancro 32
La meiosi produce nuove combinazioni geniche in due modi 33
Riflettori su… La divisione cellulare e le lesioni al midollo spinale 33
2.5 Formazione dei gameti 35
Capitolo 3
La trasmissione dei geni
tra le generazioni 44
3.1 Ereditarietà: come si trasmettono i caratteri? 45
Riflettori su… Mendel e l’ansia da esame 46
3.2 Il progetto sperimentale di Mendel ha dato risposta a molte questioni irrisolte 46
3.3 L’incrocio di piante di pisello: lo studio di Mendel su singoli caratteri 48
Risultati e conclusioni dalla prima serie di incroci di Mendel 48
Come si eredita un carattere: il principio della segregazione 49
Concetti e controversie: Il rasoio di Ockham 50
3.4 Ancora incroci con piante di pisello: il principio dell’assortimento indipendente 51
Incroci che coinvolgono due caratteri 51
Analisi dei risultati e conclusioni 51
L’ereditarietà di due caratteri: il principio dell’assortimento indipendente 52
3.5 La meiosi spiega i risultati di Mendel: i geni sono sui cromosomi 54
Concetti e controversie: Valutazione dei risulati: il test del chi quadro 56
3.6 L’ereditarietà mendeliana negli esseri umani 58
La segregazione e l’assortimento indipendente riguardano anche i caratteri umani 58
La costruzione del pedigree nella genetica umana 59
3.7 Variazioni sul tema mendeliano 62
La dominanza incompleta ha un fenotipo distintivo negli eterozigoti 62
Gli alleli co-dominanti sono pienamente espressi negli eterozigoti 63
Molti geni hanno più di due alleli 63
I geni possono interagire per produrre fenotipi 64
Capitolo 4
L’analisi del pedigree
nella genetica umana
70
4.1 Lo studio della trasmissione ereditaria dei caratteri negli esseri umani 71
4.2 L’analisi del pedigree è un metodo di base nella genetica umana 72
4.3 Il catalogo dei caratteri genetici umani 74
4.4 L’analisi del pedigree per i caratteri autosomici recessivi 75
La fibrosi cistica è un carattere recessivo 76
Concetti e controversie: Noè era albino? 77
L’anemia falciforme è un carattere recessivo 78
4.5 L’analisi del pedigree per i caratteri autosomici dominanti 80
La sindrome di Marfan è un carattere autosomico dominante 81
4.6 La trasmissione ereditaria legata al sesso riguarda i geni sui cromosomi X e Y 82
4.7 L’analisi del pedigree per i caratteri dominanti legati a X 83
4.8 L’analisi del pedigree per i caratteri recessivi legati a X 84
La cecità ai colori è un carattere recessivo legato a X 84
viii
■
Indice
Alcune forme di distrofia muscolare sono caratteri recessivi legati a X 86
4.9 L’ereditarietà legata a Y comporta la trasmissione da maschio a maschio 87
Riflettori su… Emofilia, HIV e AIDS 88
4.10 I geni mitocondriali sono trasmessi dalla madre ai figli 88
Genetica e società: L’emofilia e la storia 89
4.11 L’analisi del pedigree e la variazione nell’espressione dei geni 91
L’età e l’espressione dei geni 91
La penetranza e l’espressività provocano variazioni nell’espressione dei geni 92
Capitolo 5
Poligeni ed eredità multifattoriale
100
5.1 Alcuni caratteri sono controllati da due o più geni 101
I fenotipi possono essere discontinui o continui 101
Come si definiscono i caratteri complessi? 102
5.2 Poligeni e variazioni del fenotipo 103
È difficile stabilire le interazioni tra geni e ambiente e le relazioni col fenotipo 103
Il colore degli occhi è un carattere poligenico 105
Mediando fra i fenotipi: regressione verso la media 106
5.3 Poligeni e ambiente: caratteri multifattoriali 106
Concetti e controversie: L’autismo è una malattia genetica? 107
Effetti soglia ed espressione di caratteri multifattoriali 108
Stima delle interazioni tra genotipo ed ambiente 108
5.4 L’ereditabilità misura il contributo del genotipo alla variabilità fenotipica 109
La stima dell’ereditabilità si basa su livelli conosciuti di correlazione genetica 109
L’uso delle impronte digitali per la stima dell’ereditabilità 110
5.5 Caratteri multifattoriali e metodo dei gemelli 110
La biologia dei gemelli: gemelli monozigoti e dizigoti 111
Concetti e controversie: Gemelli, gemelli multipli e armadilli 112
Concordanza e gemelli 112
L’uso dei gemelli nello studio dell’obesità 114
Evidenze delle basi genetiche dell’obesità 114
Riflettori su… La leptina e le atlete 115
5.6 Uno sguardo ad alcuni caratteri multifattoriali 116
Le malattie cardiovascolari hanno componenti genetiche e ambientali 116
Il colore della pelle è un carattere multifattoriale 119
L’intelligenza e il quoziente di intelligenza (QI) sono correlati? 119
Il quoziente di intelligenza (QI) è ereditabile 120
La controversia su razza e QI 120
Riflettori su… La creazione del topo super-intelligente 121
Alla ricerca dei geni che controllano l’intelligenza 122
Capitolo 6
Citogenetica: cariotipo
e aberrazioni cromosomiche
128
6.1 L’assetto cromosomico umano 129
6.2 Allestimento di un cariotipo 131
6.3 Analisi dei cromosomi e cariotipo 134
Cellule utilizzabili per lo studio dei cromosomi 136
Indice
■
ix
L’amniocentesi permette di raccogliere le cellule fetali presenti nel liquido amniotico 136
Prelievo dei villi coriali 136
Concetti e controversie: Cellule fetali nel sangue materno 138
6.4 Variazioni nel numero di cromosomi 138
La poliploidia cambia il numero di assetti cromosomici 139
L’aneuploidia cambia il numero di singoli cromosomi 140
La monosomia autosomica è una condizione letale 141
La trisomia autosomica è relativamente comune 141
6.5 Quali sono i fattori di rischio per la trisomia automica? 143
L’età materna è il principale fattore di rischio per la trisomia 143
Perché l’età materna è un fattore di rischio? 144
6.6 Aneuploidia dei cromosomi sessuali 145
Sindrome di Turner (45,X) 145
Sindrome di Klinefelter (47,XXY) 146
Sindrome XYY (47,XYY) 146
Aneuploidia dei cromosomi sessuali: alcune conclusioni 147
6.7 Alterazioni strutturali dei cromosomi 147
Le delezioni comportano perdita di materiale cromosomico 148
Le traslocazioni sono scambi di porzioni di cromosoma 148
6.8 Quali sono le conseguenze dell’aneuploidia? 150
6.9 Altre forme di anomalie cromosomiche 151
Disomia uniparentale 151
I siti fragili appaiono come interruzioni o rotture nei cromosomi 152
Capitolo 7
Sviluppo e
determinazione del sesso
158
7.1 L’apparato riproduttore 159
L’apparato riproduttore maschile 159
L’apparato riproduttore femminile 162
Riflettori su… La cellula più grande 164
Quando avvengono meiosi e formazione dei gameti nei maschi e nelle
femmine? 164
7.2 Lo sviluppo dell’uomo: dalla fecondazione alla nascita 165
Lo sviluppo si divide in tre trimestri 166
Il parto è indotto dagli ormoni 170
7.3 I teratogeni rappresentano un rischio per lo sviluppo del feto 170
Radiazioni, agenti infettivi e composti chimici possono essere teratogeni 170
Sindrome alcolica fetale: una tragedia che si può evitare 171
7.4 Come viene determinato il sesso? 172
I cromosomi possono contribuire alla determinazione del sesso 172
Il rapporto sessi cambia nei diversi stadi della vita umana 173
7.5 Il sesso viene determinato in stadi: cromosomi, gonadi e ormoni
173
Concetti e controversie: Analisi del sesso alle Olimpiadi-biologia
ed una cattiva idea 174
Il differenziamento sessuale inizia nell’embrione 175
Gli ormoni contribuiscono a determinare i fenotipi maschile e femminile 175
7.6 Alcune mutazioni possono rendere il sesso fenotipico indipendente dal sesso
cromosomico 177
Insensibilità agli androgeni e fenotipo sessuale 177
x
■
Indice
Genetica e società: Giovanna d’Arco era in realtà Giovanni
d’Arco? 178
Modificazione del fenotipo sessuale alla pubertà 178
7.7 Compensazione dei cromosomi X nei maschi e nelle femmine 179
Espressione dei geni localizzati sul cromosoma X 179
Gatti, topi e inattivazione del cromosoma X 179
Mosaicismo in soggetti femminili per caratteri legati al cromosoma X 180
Come e quando vengono inattivati i cromosomi X? 180
7.8 Caratteri influenzati dal sesso e limitati al sesso 182
Caratteri influenzati dal sesso 182
Geni limitati al sesso 182
Imprinting genomico 183
Capitolo 8
La struttura del DNA
e l’organizzazione cromosomica
188
8.1 Il DNA è depositario dell’informazione genetica 190
Il DNA media il trasferimento di caratteri genetici nei ceppi batterici 190
Per la moltiplicazione dei virus batterici è necessaria la presenza di DNA
virale 191
8.2 Watson, Crick e la struttura del DNA 193
Alcune nozioni basilari di chimica 193
Genetica e società: Il DNA come prodotto commerciale 194
I nucleotidi: i “mattoni” che costituiscono gli acidi nucleici 195
8.3 Il DNA è formato da una doppia elica 197
Riflettori su… Organizzazione del DNA e malattia 199
8.4 L’RNA è un acido nucleico a singolo filamento 200
8.5 Dal DNA ai cromosomi 200
I cromosomi nucleari hanno una struttura complessa 201
Il nucleo ha un’architettura interna molto organizzata 201
8.6 La replicazione del DNA dipende dall’appaiamento di basi complentari 201
Capitolo 9
L’espressione genica: come
vengono sintetizzate le proteine
210
9.1 Il legame tra i geni e le proteine 211
La relazione tra i geni e gli enzimi 211
9.2 L’informazione genetica è contenuta nel DNA 212
9.3 Il codice genetico: la chiave della vita 213
9.4 Il flusso dell’informazione genetica dal nucleo al citoplasma 214
9.5 La trascrizione produce i messaggi dei geni 215
La maggior parte dei geni umani ha una complessa organizzazione interna 216
L’RNA messaggero viene processato e subisce “splicing” 216
Riflettori su… Mutazioni nei siti di splicing e malattie genetiche 216
9.6 La traduzione richiede l’interazione di fattori diversi 217
La traduzione produce proteine dall’informazione contenuta nell’mRNA 218
Concetti e controversie: Gli antibiotici e la sintesi proteica 219
9.7 Come un polipeptide diventa una proteina 220
Indice
■
xi
9.8 La struttura e la funzione di una proteina sono correlate 222
Ripiegamento conformazionale delle proteine e malattia 222
Le proteine svolgono diverse funzioni 224
Capitolo 10
Dalle proteine al fenotipo
230
10.1 Le proteine sono l’elemento di connessione tra i geni e il fenotipo 231
10.2 Enzimi e vie metaboliche 232
10.3 Fenilchetonuria: come una mutazione influenza un’attività enzimatica 233
Riflettori su… Perché i piselli rugosi sono rugosi 234
Metabolismo della fenilalanina e PKU (fenilchetonuria) 234
Il trattamento della PKU con una dieta povera di fenilalanina 236
“Per quanto tempo deve essere seguita la dieta dai fenilchetonurici?” 236
Donne affette da PKU e gravidanza 237
10.4 Altre malattie determinate da anomalie nel metabolismo della
fenilalanina 237
Concetti e controversie: La dieta e le malattie metaboliche 238
10.5 Geni ed enzimi del metabolismo dei carboidrati 239
La galattosemia è causata dalla carenza di un enzima 240
L’intolleranza al lattosio è frutto di variazione genica 241
10.6 Mutazioni a carico dei recettori 241
10.7 Mutazioni a carico dei trasportatori 242
L’anemia a cellule falciformi 243
Concetti e controversie: La prima malattia molecolare 244
Riflettori su… La genetica di popolazione dei geni dell’anemia a cellule falciformi 246
Talassemie 246
Le emoglobinopatie si possono curare agendo sull’espressione genica 248
10.8 Farmacogenetica 248
Differenze nel gusto e nell’odorato: ciascuno di noi ha percezioni sensoriali diverse
249
La sensibilità ai farmaci è un carattere genetico 251
10.9 Ecogenetica 251
Cos’è l’ecogenetica? 252
Metabolismo dei pesticidi 252
Capitolo 11
Le mutazioni: l’origine
della variabilità genetica
258
11.1 Le mutazioni sono cambiamenti ereditabili 259
11.2 Le mutazioni possono essere individuate in modi differenti 260
11.3 La misura della frequenza di mutazione 261
Frequenza di mutazione di specifici geni 262
Perché i geni hanno frequenze di mutazione differenti? 263
11.4 I fattori ambientali influenzano la frequenza di mutazione 263
Le radiazioni sono fonte di mutazioni 263
A quante radiazioni siamo esposti? 265
Genetica e società: L’ascesa delle sostanze ignifughe 266
I composti chimici possono agire da mutageni 266
xii
■
Indice
11.5 Mutazioni a livello molecolare: il DNA come bersaglio 268
Mutazioni determinate da sostituzioni nucleotidiche 268
Mutazioni causate da delezioni o inserzioni nucleotidiche 270
Ripetizioni trinucleotidiche, espansione genica e mutazione 271
Espansione genica e anticipazione 272
11.6 Mutazioni e danni al DNA possono essere riparati 273
Le cellule hanno diversi sistemi di riparazione del DNA 273
Malattie genetiche e sistemi di riparazione del DNA 274
11.7 Mutazioni, genotipo e fenotipo 275
11.8 Il tipo e la posizione di una mutazione all’interno di un gene sono importanti 275
11.9 L’imprinting genomico è una modifica reversibile del genoma 276
Capitolo 12
Genetica e cancro
284
12.1 Il cancro è una malattia a base genetica 285
12.2 Il cancro ha inizio da una singola cellula 286
12.3 Suscettibilità ereditaria e cancro sporadico 286
12.4 Cancro e ciclo cellulare 288
Il retinoblastoma è causato da mutazioni in un gene oncosoppressore 289
In che modo i proto-oncogeni si trasformano in oncogeni? 290
12.5 Cancro e sistemi di riparazione del DNA 291
Identificazione dei geni responsabili del tumore della mammella 291
Riflettori su… Tumore alla mammella nel maschio 291
BRCA1 e BRCA2 sono geni per la riparazione del DNA 292
12.6 Un modello genetico per il cancro del colon 293
FAP e il tumore del colon 294
HNPCC ed il tumore del colon 295
Geni sentinella, geni custodi (riparatori) e cancro del colon 296
12.7 Mutazioni cromosomiche, geni ibridi e cancro 296
Riarrangiamenti cromosomici e leucemie 297
Traslocazioni, geni ibridi e leucemia 297
Come disegnare nuovi farmaci antitumorali 298
12.8 Epidemiologia e correlazione tra cancro e fattori ambientali 299
Genetica e società: L’epidemia dei tumori cutanei 300
Fattori ambientali e cancro 300
Capitolo 13
Introduzione alla clonazione e alla
tecnologia del DNA ricombinante 306
13.1 Cosa sono i cloni? 307
Le piante possono essere clonate a partire da singole cellule 307
Gli animali possono essere clonati con diversi metodi 308
Perché è importante la clonazione del DNA? 310
13.2 La clonazione dei geni è un processo a più passaggi 310
Gli enzimi di restrizione tagliano il DNA in siti specifici 311
I vettori servono a trasportare DNA 314
I passaggi del processo di clonazione del DNA 314
Riflettori su… Clonazione di specie a rischio di estinzione 317
Indice
■
xiii
13.3 Le genoteche di DNA 317
13.4 Alla ricerca di uno specifico clone in una genoteca 317
Genetica e società: Asilomar: le preoccupazioni degli scienziati 318
13.5 Una rivoluzione nella clonazione: la reazione a catena della polimerasi 319
13.6 L’analisi delle sequenze clonate 320
La tecnica Southern blot può servire ad analizzare frammenti di DNA clonato 320
Il sequenziamento del DNA si può applicare a cloni e a interi genomi 323
Concetti e controversie: Il sequenziamento del DNA 325
Concetti e controversie: Il caso Dolly 325
Capitolo 14
Biotecnologia e società
330
14.1 La discesa in campo delle biotecnologie 332
Biofarmaceutica: la produzione di molecole terapeutiche in piante e animali 332
Le proteine umane possono essere prodotte in animali ospiti 333
14.2 Il trasferimento genico in agricoltura 334
Le piante di interesse agricolo possono essere rese resistenti agli erbicidi e alle
malattie 335
Riflettori su… Biorecupero, ovvero come usare i batteri per ripulire i siti contaminati 336
Colture transgeniche possono essere usate per aumentare il valore nutritivo delle
piante 337
Quali sono i dubbi e le preoccupazioni sugli organismi geneticamente modificati? 338
14.3 Gli animali transgenici come modelli per le malattie umane 339
Come si crea un animale transgenico? 339
Lo studio di malattie umane in modelli animali 340
14.4 Analisi genetica e screening genetico 340
I programmi di screening neonatale sono molto diffusi 341
Analisi genetica per l’identificazione di eterozigoti e diagnosi prenatale 341
Analisi prenatale per l’anemia falciforme 342
Analisi dei blastomeri embrionali 343
Rischi e problemi relativi all’analisi prenatale 343
Genetica e società: A chi appartiene un test genetico? 344
Analisi presintomatica per malattie genetiche 344
14.5 Chip di DNA e analisi genetica 345
14.6 Impronte del DNA e profili genetici 346
I profili del DNA sono basati su brevi ripetizioni a tandem (STR) 346
L’analisi delle impronte del DNA in campo legale 347
Altre applicazioni dell’analisi delle impronte del DNA 349
14.7 Aspetti etici della clonazione e del DNA ricombinante 349
Concetti e controversie: Morte di uno Zar 350
Capitolo 15
Progetto Genoma
Umano e genomica
358
15.1 Il sequenziamento del genoma è l’estensione della mappatura genica 359
Le frequenze di ricombinazione sono usate per tracciare mappe genetiche 360
Il linkage e la ricombinazione possono essere misurati con il “lod score” 361
La tecnologia del DNA ricombinante ha rivoluzionato la mappatura genica 362
15.2 Le origini del Progetto Genoma Umano 362
xiv
■
Indice
15.3 I progetti genoma hanno creato nuovi campi scientifici 365
15.4 La genomica: sequenziare, identificare e mappare i geni di un
organismo 366
L’analisi dell’informazione genomica con la bioinformatica 368
L’annotazione consiste nell’individuare sequenze geniche 368
Scoprire la funzione dei geni e dei loro prodotti 369
15.5 Cosa abbiamo imparato finora sul genoma umano? 370
15.6 La genomica e la bioinformatica nello studio delle malattie
genetiche umane 372
15.7 La proteomica è un’estensione della genomica 373
15.8 Genomica ed etica 373
15.9 Oltre il Progetto Genoma 374
Genetica e società: A chi appartiene il nostro genoma? 375
Nuovi metodi di sequenziamento del DNA: cosa contiene il genoma? 376
Capitolo 16
Tecniche riproduttive, terapia
genica e consulenza genetica
382
16.1 Il controllo della riproduzione 383
La contraccezione: il sesso senza gravidanza 383
La chirurgia può impedire il trasporto dei gameti 384
Il controllo della fertilità bloccando la produzione di uova 384
Barriere fisiche e chimiche per bloccare la fecondazione 384
IUD e farmaci possono impedire l’impianto dell’embrione nell’utero 385
16.2 La sterilità è un problema comune 385
La sterilità ha diverse cause 385
16.3 Le tecnologie per la riproduzione assistita (ART) aumentano le opportunità di
gravidanza 386
Riflettori su… Topi senza padre 386
ART e madri anziane 387
Riflettori su… Tecniche riproduttive dal passato 389
16.4 Aspetti etici delle tecnologie per la riproduzione assistita 389
Genetica e società: Il “business” della riproduzione 389
La ART comporta rischi ai genitori e ai figli 390
La scelta di un fratello come donatore 390
Concetti e controversie: Non sprechiamo il sangue
placentare 391
16.5 Terapie geniche promettenti per molti difetti genetici 391
Come si trasferiscono i geni “terapeutici”? 391
Terapia genica: i primi successi 392
Terapia genica: insuccessi e nuovi tentativi 392
Cellule staminali e clonazione terapeutica 393
Problemi etici relativi alla terapia genica 395
Atleti e terapia genica migliorativa (doping genetico) 395
Terapia genica, cellule staminali e futuro 396
16.6 Consulenza genetica 396
Qual è la professionalità degli operatori del consultorio genetico? 396
Le ragioni per chiedere una consulenza genetica 396
Come opera un consultorio genetico? 397
Sviluppi e progetti per il futuro 398
Indice
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xv
Capitolo 17
Genetica del sistema immunitario
402
17.1 Il sistema immunitario difende l’organismo dalle infezioni 403
17.2 Il sistema del complemento uccide i microrganismi direttamente 404
17.3 La risposta infiammatoria è una reazione non specifica 404
Genetica delle malattie infiammatorie 406
17.4 La risposta immunitaria rappresenta una difesa specifica contro le infezioni 406
Come opera la risposta immunitaria? 406
La risposta immune anticorpo-mediata è caratterizzata da diversi stadi 408
Gli anticorpi sono armi molecolari dirette contro gli antigeni 410
Le cellule T sono gli effettori della risposta immune cellulo-mediata 412
Il sistema immunitario ha una funzione di memoria 413
17.5 I gruppi sanguigni sono antigeni presenti sulla membrana cellulare 415
La tipizzazione ABO consente trasfusioni del sangue sicure 415
Riflettori su… Sangue prodotto mediante ingegneria genetica 415
I gruppi sanguigni Rh possono causare reazioni immuni tra madre e figlio 416
17.6 I trapianti di organo devono essere immunologicamente compatibili 416
Il successo di un trapianto dipende dalla compatibilità degli aplotipi HLA 418
Trapianti di organo animale-uomo 418
17.7 Disordini del sistema immunitario 419
Una reazione esagerata del sistema immunitario provoca allergie 419
Concetti e controversie: Stanno aumentando le allergie alle noccioline 421
Nelle reazioni autoimmuni il sistema immunitario attacca l’organismo 421
Disordini genetici possono danneggiare il sistema immunitario 422
HIV attacca il sistema immunitario 423
Capitolo 18
Genetica del comportamento
430
18.1 I modelli, metodi e fenotipi per lo studio del comportamento 431
Modelli genetici di eredità e comportamento 432
Metodi per lo studio della genetica del comportamento 432
Concetti e controversie: La frequenza alla facoltà di medicina
può essere un carattere ereditario? 433
Fenotipi: come si definisce il comportamento? 433
Il sistema nervoso è al centro della genetica del comportamento 434
18.2 Modelli animali: la ricerca di geni per il comportamento 434
Il comportamento nel topo in campo aperto 434
Gli animali transgenici sono utilizzati come modelli per le alterazioni neurodegenerative nell’uomo 435
18.3 Geni singoli influenzano il sistema nervoso e il comportamento 436
La malattia di Huntington è un modello per i disordini neurodegenerativi 436
Esplorando il legame tra il linguaggio e lo sviluppo del cervello 438
18.4 Geni singoli controllano il comportamento aggressivo e il metabolismo del
cervello 439
Mappare un gene per l’aggressività 440
I problemi di un modello a gene singolo per i caratteri comportamentali 441
18.5 La genetica dei disturbi dell’umore e schizofrenia 441
xvi
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Indice
I disturbi dell’umore: la malattia unipolare e bipolare 442
La schizofrenia ha un fenotipo complesso 443
Usare la genomica per analizzare caratteri genetici complessi 445
18.6 Genetica e comportamento sociale 446
La sindrome di Tourette influenza la parola e il comportamento 447
L’Alzheimer ha componenti genetiche e non genetiche 447
L’alcolismo ha molte componenti 449
L’orientamento sessuale è un carattere multifattoriale? 449
18.7 Ricapitolazione: le conoscenze attuali della genetica del comportamento
umano 450
Capitolo 19
I geni nelle popolazioni e l’evoluzione
della specie umana 456
19.1 La popolazione intesa come serbatoio genetico 457
19.2 Come possono essere misurate le frequenze alleliche nelle popolazioni? 458
Le frequenze degli alleli codominanti possono essere misurate direttamente 459
Le frequenze degli alleli recessivi non possono essere misurate direttamente 460
Riflettori su…Incroci selettivi non riusciti 460
19.3 La legge di Hardy-Weinberg: la misura delle frequenze alleliche e genotipiche 460
I postulati della legge di Hardy-Weinberg 461
Il calcolo delle frequenze alleliche e genotipiche 461
Le popolazioni possono essere in equilibrio genetico 462
19.4 L’uso della legge di Hardy-Weinberg in genetica umana 463
Come misurare la frequenza di alleli autosomici dominanti e recessivi 463
Come misurare la frequenza di alleli X-linked 463
Come calcolare la frequenza degli alleli multipli 464
Come stimare la frequenza di eterozigoti in una popolazione 464
19.5 La misura della diversità genetica nelle popolazioni umane 468
Le mutazioni generano nuovi alleli, ma hanno scarso impatto sulla frequenza allelica 468
La deriva genetica può cambiare le frequenze alleliche 469
La selezione naturale agisce sulla varietà genetica delle popolazioni 470
19.6 La selezione naturale influenza la frequenza delle malattie genetiche 471
Genetica e società: Intolleranza al lattosio e cultura 472
19.7 Variabilità genetica nelle popolazioni umane 473
La misura del flusso genico tra le popolazioni 473
Genetica e società: Gengis Khan è ancora vivo 473
Esistono le razze umane? 474
Cosa implica la variabilità genetica umana? 475
19.8 La comparsa e la diffusione dell’Homo sapiens 476
Due teorie differiscono per come e dove ha avuto origine l’Homo sapiens 476
La diffusione dell’uomo nel mondo 478
Appendice
Risposte a domande e problemi selezionati 485
Glossario 494
Indice analitico 503
Indice
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xvii
Prefazione
Così come tutti i libri scientifici, anche questo testo deve tenere il passo con il continuo progredire delle conoscenze e delle scoperte. Risulta chiaro che nella stesura
della nuova edizione, pur mantenendo le caratteristiche originarie, si sia tenuto
conto di tali avanzamenti e siano stati necessari spostamenti ed ampliamenti, nonché l’introduzione di alcuni argomenti. Inoltre i consigli ed i suggerimenti di studenti e docenti sono stati di grande aiuto nel rifinire il lavoro.
Questo libro è stato concepito soprattutto per far apprendere, nello svolgersi di
un semestre, gli sviluppi tumultuosi della genetica umana agli studenti della laurea
triennale. È stato scritto per studenti che non hanno grandi conoscenze di biologia,
chimica e matematica, ma devono venire in contatto con temi di base di genetica
umana.
Vengono introdotti con modalità descrittiva argomenti di chimica assieme alle
definizioni dei termini relativi. Con la stessa modalità in molte parti si fa uso di
matematica elementare, senza che siano richieste particolari abilità per calcolare le
probabilità elementari o le frequenze genotipiche e alleliche.
Le conoscenze che derivano dalla genetica si stanno rapidamente trasferendo ad
altri campi. La diffusione di queste conoscenze, le tecnologie da esse generate e i
problemi posti rendono evidente che a molti livelli, dalla vita personale all’intera
società, sono richieste decisioni difficili, ma basate su informazioni condivise. I cittadini e le autorità amministrative e politiche, la cui cultura è esterna alla comunità
scientifica, hanno bisogno di conoscenze operative e concrete di genetica per proporre indirizzi ai futuri programmi di ricerca e per guidare le loro applicazioni nella società. Questo libro è stato scritto in modo da trasmettere i principi della genetica in maniera diretta e facilmente accessibile, evitando inutili gerghi scientifici,
dettagli e nozionismi.
Finalità del libro
di testo
Sebbene le finalità di questo libro di testo siano rimaste le stesse, molti hanno contribuito a forgiare questa nuova edizione. Gli studenti hanno identificato gli esempi
e le analogie più efficaci per rendere più chiari i concetti e, cosa ancora più importante, sono stati attivi nel fare obiezioni sugli aspetti meno efficienti del corso.
L’organizzazione ed il contenuto di questo testo hanno preso forma introducendo
idee sperimentate direttamente nel corso e sono stati migliorati successivamente in
rapporto alle risposte avute dagli studenti e ai consigli degli altri docenti che hanno
usato il libro in molte altre università.
Prefazione
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xix
Fin dalla sua prima edizione questo libro è stato scritto in modo da raggiungere
alcuni risultati ben definiti. Questa nuova edizione continua la tradizione, incorporando i seguenti obiettivi:
1. Presentare i principi della genetica umana in modo chiaro e conciso perché
gli studenti possano apprendere in modo duraturo la genetica che sarà loro
utile nel corso degli studi successivi. La premessa di questa metodologia è
che la comprensione di un testo chiaro che descriva un numero limitato di
concetti interconnessi rappresenta il modo migliore per apprendere una disciplina complessa come la genetica.
2. Iniziando dalla presentazione di concetti che gli studenti possono comprendere, perfezionare l’apprendimento fornendo esempi pertinenti che gli studenti possano applicare a loro stessi, alle loro famiglie e al loro ambiente
sociale.
3. Suggerire le implicazioni sociali ed etiche implicate nelle tecnologie genetiche.
4. Dare rilievo all’origine e alla diversità delle popolazioni umane e spiegare
come questa diversità ha preso forma a seguito della selezione naturale.
Per raggiungere questi scopi, è stata data una attenzione particolare alla chiarezza ed è stata curata la scelta di fotografie e disegni che, invece di illustrare semplicemente i concetti presentati, siano stimolo di apprendimento. In aggiunta il libro contiene notizie aggiornate ed è organizzato in modo dinamico.
Il testo è suddiviso in tre sezioni. I Capitoli da 1 a 7 affrontano la divisione
cellulare, la trasmissione dei caratteri da una generazione all’altra e lo sviluppo. I
Capitoli da 8 a 12 sono focalizzati sulla genetica molecolare, le mutazioni ed il
cancro. I capitoli dal 13 al 16 trattano la tecnologia del DNA ricombinante, la
genomica e la biotecnologia. I contenuti di questi capitoli sono l’espressione genica, le mutazioni, la clonazione, le applicazioni delle tecnologie genetiche, il Progetto Genoma Umano e le implicazioni sociali, legali ed etiche della genetica, così
come test, screening e consulenaza genetica. I Capitoli dal 17 al 19 prendono in
esame argomenti più specifici, quali il sistema immunitario, gli aspetti sociali della genetica, tra cui il comportamento, la genetica di popolazione e l’evoluzione
umana.
Poiché i corsi di genetica umana possono essere organizzati in molti modi diversi, il libro è strutturato in maniera tale da essere facile nell’uso indipendentemente dall’ordine con cui il docente vuole affrontare i diversi argomenti. In particolare, una volta introdotti tutti i concetti genetici fondamentali sull’ereditarietà, i
capitoli possono essere affrontati in ogni ordine. All’interno di ogni capitolo la
successione degli argomenti permette agli studenti di identificare facilmente i temi
fondamentali.
Caratteristiche didattiche
Schema del capitolo
All’inizio di ogni capitolo uno schema introduce lo studente agli argomenti che
saranno trattati nello stesso. La numerazione utilizzata è riportata anche nel
sommario, nelle domande e nei problemi alla fine di ogni capitolo in modo che
lo studente possa con facilità correlare esempi ed esercizi ai vari argomenti trattati.
xx
■
Prefazione
Prologo di apertura
Ogni capitolo inizia con un breve prologo riferito direttamente agli argomenti principali del capitolo e tratto spesso dalla vita reale. Sono trattati, ad esempio, temi
quali l’impiego del DNA fingerprinting nei casi giudiziari, la clonazione delle mucche da latte, la creazione di un vaccino a DNA per la SARS, lo sviluppo della fecondazione in vitro (IVF) e la nascita della prima bambina, Louise Brown, con
l’impiego di tale tecnica. Tali prologhi hanno lo scopo di attirare l’interesse dello
studente sugli argomenti del capitolo e dimostrare che la ricerca in laboratorio
spesso ha un impatto diretto sulla vita di ogni giorno. In questa edizione molti di
questi prologhi sono collegati ai riquadri “Punti di riflessione”.
Punti di riflessione
Questi riquadri invitano il lettore a riflettere ed esprimere una propria opinione sul
tema proposto nel prologo di apertura. Lo stesso “Punto di riflessione” è inserito
sia all’inizio che alla fine del capitolo, in modo che lo studente possa esprimere un
giudizio più preciso dopo aver imparato i concetti correlati al tema presentato.
Ricorda
I riquadri “Ricorda” posti al margine della pagina di apertura del capitolo presentano un elenco puntato dei principali argomenti e concetti chiave trattati. I concetti
chiave ed i punti fondamentali sono ripetuti poi in ulteriori riquadri “Ricorda”
presenti nel testo alla fine di ogni sezione.
Concetti e controversie
All’interno di molti capitoli gli studenti possono trovare riquadri che introducono ipotesi e applicazioni relative ai concetti centrali del capitolo. Qualcuno di essi introduce esempi interessanti ma anche collaterali che dovrebbero comunque interessare lo studente.
Genetica e società
Questi riquadri inseriscono le idee presentate nel testo in un contesto più ampio.
Spesso esaminano controversie e discussioni che emergono non appena le cognizioni genetiche sono applicate alle tecnologie e allo sviluppo dei servizi.
Riflettori su
Questi piccoli riquadri presenti al margine lungo tutto il testo presentano applicazioni pratiche di concetti e pongono l’attenzione su ipotesi controverse senza interrompere il testo.
Glossario a margine
Un glossario scritto ai margini della pagina dà agli studenti un accesso immediato a
definizioni di termini che sono stati introdotti nel corpo del testo. Questo strumento serve anche a identificare facilmente quelle definizioni utili agli studenti che si
apprestano a preparare gli esami. Le definizioni sono state anche raccolte in un
glossario in ordine alfabetico alla fine del libro. Dal momento che la comprensione
dei concetti fondamentali della genetica dipende dalla comprensione dei termini relativi, più di 350 di questi sono inclusi nel glossario.
Prefazione
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xxi
Database genetici come risorse
Le malattie genetiche menzionate nel libro sono corredate dei numeri di indice assegnati ad esse nel catalogo onnicomprensivo costruito da Victor McKusick e colleghi. Questo catalogo è disponibile in forma cartacea come: Mendelian Inheritance
in Man: Catalogue of Human Genes and Genetic Disorders. È anche disponibile in
molti portali World Wide Web come Online Mendelian Inheritance in Man
(OMIM). La versione su Internet è aggiornata quotidianamente e contiene testi, fotografie e video assieme alla bibliografia scientifica e i collegamenti ad altri archivi,
inclusi quelli relativi al Progetto Genoma Umano.
Gli studenti, e in generale i cittadini di buona cultura, devono essere a conoscenza di questi archivi, in particolare di OMIM, e del loro uso per acquisire informazioni aggiornate e scientificamente controllate sui geni e le malattie genetiche
dell’uomo. Gli studenti che vogliono apprendere nel dettaglio una particolare patologia genetica possono usare OMIM per ricevere informazioni dettagliate sul gene,
sul modo in cui viene ereditato, sul suo fenotipo, sui suoi sintomi clinici, sulla sua
collocazione cromosomica, sulle proprietà biochimiche, sulle sue caratteristiche
molecolari, oltre alla bibliografia dei lavori scientifici più importanti.
Genetica e pratica clinica
Questa sezione descrive situazioni o casi clinici di individui e famiglie in rapporto a
problematiche di importanza generale come la contaminazione radioattiva o il Progetto Genoma Umano. Possono anche essere l’origine di discussioni guidate fra gli
studenti del corso.
Sommario
Ogni capitolo termina con un sommario numerato che riafferma i concetti più importanti presentati nel capitolo. I capitoli incominciano con uno schema e terminano con un riassunto che li ripercorre per dare maggiore vigore ai concetti principali
e alle loro applicazioni. Quest’ordine, oltre a rendere più comprensibili le correlazioni che formano la tessitura concettuale del capitolo e a porle in rapporto agli argomenti e agli esempi presentati, dovrebbe minimizzare, si spera, il pericolo che gli
studenti siano tentati dalla scorciatoia di imparare a memoria.
Domande e problemi
Le domande e i problemi alla fine di ogni capitolo sono programmati per permettere agli studenti una autovalutazione sui concetti appresi e sulle loro capacità di
trarre conclusioni ragionate a partire dai dati. Le domande e i problemi sono ordinati secondo l’indice iniziale del capitolo per indirizzare lo studente dai concetti introdotti ai problemi relativi.
Navigando su Internet
Alla fine di ogni capitolo gli studenti sono stimolati ad accedere a portali web
dove possono impegnarsi in attività di ricerca rapportate ai concetti discussi nel
testo. Le risorse informatiche su Internet rappresentano oggi un contributo
essenziale alla didattica in genetica e questa sezione conduce gli studenti ad archivi elettronici, pagine formative e informazioni su organizzazioni di volontariato.
xxii
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Prefazione
Prefazione
alla prima edizione italiana
Questo libro di testo non è impostato al criterio della quantità e della esaustività
dell’informazione, ma si basa su obiettivi e metodologie didattiche. Chi vuole trovarvi tutto lo scibile della genetica, si dovrà indirizzare altrove.
Cosa mi ha affascinato di questo libro? Una serie di qualità che proverò ad
elencare.
In prima istanza, appunto, Michael R. Cummings si è chiesto quante informazioni fossero necessarie per mettere il lettore nella condizione non tanto di sapere
tutto, quanto piuttosto di acquisire le capacità di discutere di genetica moderna e di
risolvere i problemi che la riguardano. Ha scelto di svolgere un numero limitato di
argomenti, cioè di trattare soltanto i principi fondanti della genetica alla luce delle
conoscenze odierne scaturite dalle recenti ricerche dei progetti genoma. E non è
poco, come vedremo.
In seconda istanza, è partito dalla cultura biologica di un lettore medio ed ha
iniziato la trattazione di ogni argomento stimolando la sua curiosità, cioè con il
racconto di fatti e situazioni colti dall’attualità, dalla storia recente, da storie
personali, ed identificando i problemi aperti da queste situazioni che la genetica
può risolvere. Ha utilizzato la tecnica pedagogica che si è affermata nelle migliori università internazionali definita come “problem-oriented learning”, appunto apprendimento orientato dalla necessità di risolvere un problema. Ha
scelto di utilizzare la curiosità e le motivazioni del lettore per arrivare alla conoscenza, promettendogli che con quelle conoscenze acquisirà una capacità nuova,
quella di saper discutere di problemi importanti per la sua quotidianità e di saperli risolvere.
Apparentemente quindi il suo lettore è solo una persona curiosa, desiderosa di
apprendere, non necessariamente uno studente che vuole superare un esame di un
certo corso di laurea. Ma la terza scelta fatta dall’autore è stata di spiegare la genetica utilizzando in larga parte esperimenti e risultati scientifici che scaturiscono dalla genetica umana, come eredità genetica di persone che stanno bene e di famiglie
colpite da patologie. Ancora una volta ha puntato all’essenziale di argomentazioni
che rientrassero nell’esperienza alla portata del lettore medio, che non conosce ancora, o forse non è interessato a conoscere, la biologia approfondita di piante ed
animali usati per gli esperimenti. Il suo animale sperimentale è l’uomo. Tale scelta
ovviamente rende questo libro un manuale perfetto per gli studenti del primo anno
di medicina, ancora con poche conoscenze scientifiche, ma fortemente motivati
dall’obiettivo uomo.
Le conoscenze acquisite dal lettore sono monitorate costantemente nello sviluppo del libro, riproponendo come strumenti di autovalutazione problemi da risolvere, quiz a scelta multipla e discussioni cui partecipare, stimolando il lettore a individuare la sua soluzione e ad argomentare le sue scelte. Al termine del libro, come
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xxiii
dovrebbe essere dopo la frequenza ad un buon corso universitario, lo studente si
trova con sua soddisfazione ad essere pronto per l’esame di genetica di base, senza
bisogno di passare settimane intere a preparare l’esame. Alla luce della moderna
pedagogia universitaria, la didattica ben fatta porta gli studenti a superare tutti gli
esami alla fine del semestre.
Solo la genetica di base? Non proprio. Innanzitutto si tratta, come ho scritto sopra, dei principi della genetica classica, a partire dalle deduzioni fondamentali di
Gregorio Mendel, ma arricchiti e ri-interpretati sulla base della recentissima esplosione delle ricerche sul genoma umano. Quindi al lettore viene fornita l’informazione scientifica più aggiornata su questo argomento. Secondariamente il lettore viene
introdotto nei laboratori dove gli esperimenti sono stati fatti, nella logica sperimentale che ha permesso di ottenere i risultati scientifici (perfetta a questo riguardo la
trattazione delle leggi che Mendel ha fatto scaturire da una brillante utilizzazione
della matematica) ed addirittura gli vengono presentate persone di scienza ancora
attive, perché ne comprenda le motivazioni e le curiosità scientifiche.
In verità nel libro la genetica c’è proprio tutta. Una volta acquisiti i principi di
base della genetica, al lettore vengono proposti gli approfondimenti della genetica
moderna nella forma di portali scientifici e didattici su Internet cui accedere facilmente. Ho verificato con i miei studenti che oggi quasi tutti i diplomati delle scuole
superiori italiane sanno navigare su Internet, e quindi quasi tutti (gli altri impareranno subito negli internet cafè) sono in grado di accedere mediante la loro ricerca
personale a tutte le notizie e le informazioni per soddisfare la loro curiosità. In gran
parte è richiesta la conoscenza dell’inglese, ma come si fa oggi ad affrontare una
professione scientifica senza questa conoscenza?
Il libro ha anche un difetto: parla solo ai lettori degli USA. Abbiamo eliminato
gran parte di questa difficoltà con una traduzione molto libera, adatta alla educazione ed alla cultura fornita dalle tradizioni scolastiche europee ed in particolare
italiane. Laddove necessario, le note del traduttore (N.d.T.) hanno rimarcato le differenze della nostra cultura rispetto a quella nord-americana.
Buona lettura, quindi, e buon apprendimento.
Antonio Fantoni
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Prefazione alla prima edizione italiana
EREDITÀ