STORIA DEL LINGUAGGIO GENETICO

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PALERMO
MASTER IN DIDATTICA DELLE SCIENZE
PER INSEGNANTI DELLE SCUOLE
ELEMENTARI E MEDIE
STORIA DEL
LINGUAGGIO
GENETICO
Corso:
Storia delle scienze
Docente:
Prof. Zingales
Corsiste:
G.Chiofalo
G. Croce
R. Rinaldi
Dalle teorie ingenue…
„
Da sempre l’l’uomo ha intuito alcune leggi della trasmissione ereditaria dei
caratteri, grazie all’
all’osservazione ovvia che simile produce simile,
simile, cioè
cioè che i
gatti nascono da altri gatti, le rose da altre rose, gli esseri umani da altri esseri
umani, e che i figli rassomigliano ai genitori.
genitori.
„
Tuttavia fino alla seconda metà
metà dell’
dell’Ottocento non vi era alcuna spiegazione
scientifica dei meccanismi che governano la trasmissione dei caratteri
ereditari, piuttosto vi era la convinzione che i caratteri di un individuo fossero il
risultato di una semplice mescolanza di quelli dei due genitori.
„
L’assenza di teorie scientifiche lasciava spazio alle credenze popolari,
popolari, come
quelle dei contadini russi che circondavano di specchi la stalla di una pregiata
cavalla gravida affinché
affinché, guardandosi, potesse generare un puledro bello e
pregiato come essa stessa, o quella delle mamme italiane alle quali
quali si
suggeriva di guardare foto di bimbi e bimbe belle affinché
affinché il nascituro fosse
bello come loro. Eppure sin dai tempi iniziali dell'agricoltura e della pastorizia
l'umanità
l'umanità era stata capace di selezionare, in modo intuitivo ma attraverso
attraverso
incroci, piante e animali più
più pregiati, più
più fruttiferi, più
più adatti alle crescenti
esigenze di cibo e di spostamenti di popolazioni in larga espansione.
espansione.
…all’ “L'evoluzione della specie”…
Nei primi del 1800 diverse scoperte contribuirono direttamente e
indirettamente a gettare le basi della futura scienza chiamata
genetica.
Nel 1838 Matthias Jakob Schleiden e Theodor Schwann scoprono
che la cellula è l'unità
l'unità fondamentale della vita.
-
Nel 1859 Charles Darwin pubblica L'origine delle specie.
Egli fu il primo ad osservare una successione temporale di
organismi sulla Terra dal più
più semplice al più
più complesso e a cercare
di formulare una teoria rispetto a questo. Nel suo libro "L'evoluzione
"L'evoluzione
della specie" del 1859 parla di “selezione naturale”
naturale”, ossia la
selezione degli organismi più
più adatti a sopravvivere in un dato
ambiente. Ma a Darwin manca una soddisfacente teoria
sull'ereditarietà
sull'ereditarietà.
-
…per arrivare alle Basi della Genetica Moderna
(fine 1800)
A. leggi di Mendel e la genetica classica,
B. scoperta del DNA,
C. descrizione dei cromosomi
A. 1865: Gregor Mendel termina i suoi
esperimenti (pubblicati nel 1866).
Si dovette attendere la seconda metà
metà dell'Ottocento
perché
perché il mistero della trasmissione ereditaria dei
caratteri genetici venisse svelato dal lavoro del monaco
austriaco Gregor Johann Mendel (1822(1822-1884) che
mediante esperimenti di fecondazione artificiale sulle
piante (cioè
(cioè di trasporto del polline di una pianta sul
pistillo di un'altra), durati quasi dieci anni e condotti su
circa 30.000 piante di pisello (Pisum
(Pisum sativum)
sativum) nel
giardino del monastero di Brno, stabilì
stabilì le leggi di base
dell'ereditarietà
dell'ereditarietà.
Mendel fu il primo che si pose, e seppe risolvere, un problema
basilare: come si trasmette un singolo carattere ereditario da un
un
organismo all’
all’altro lungo le generazioni? Invece di affrontare un
organismo nella sua interezza, si focalizzò su alcuni particolari,
particolari,
come il colore della pianta, o la dimensione della pianta, o la
forma dei semi e così
così via.
Egli scoprì
scoprì un comportamento stabile nella modalità
modalità di
trasmissione di questi caratteri e quindi fonda, con le sue leggi,
leggi,
la Genetica Moderna.
L'importanza di Mendel sta anche nel fatto che egli tra i primi
portò nelle scienze della natura il concetto che fosse loro
compito scoprire le leggi naturali. Esse dovevano basarsi su
criteri sperimentali prestabiliti e dimostrabili in base a criteri
criteri
matematici rigorosi; e le conclusioni dovevano permettere di
prevedere i fenomeni che si sarebbero verificati durante la
ricerca. Ma queste scoperte non divennero patrimonio comune
dell'umanità
dell'umanità e della scienza che molti anni più
più tardi.
„
L’impatto storico di questa scoperta è molto
grande. Prima di Mendel la Biologia era una nonnonscienza: l’l’altissima complessità
complessità degli aspetti
chimicochimico-fisici della organizzazione dei viventi
scoraggiava talora in partenza la ricerca di leggi
semplici.
„
Mendel per la prima volta dimostra che almeno
alcuni aspetti basilari della Biologia possono essere
invece compresi a livello meccanico. Ad esempio,
egli riesce a prevedere con la statistica come alcuni
caratteri si trasmettono da una generazione
all’
all’altra, semplicemente osservando i fatti ed
elaborando una legge che li spiega, pur senza
avere ancora la nozione del substrato materiale alla
base di questa trasmissione.
Le leggi di Mendel
Mendel ipotizza che caratteri alternativi
(per esempio il colore del seme di
pisello, giallo o verde) sono determinati
da "fattori particolati" - quelli che oggi
chiamiamo geni - trasmessi dai genitori
alla prole attraverso i gameti (le cellule
riproduttive). Ogni fattore deve esistere
in forme alternative (gli alleli), ognuna
delle quali determina il tipo di carattere
(giallo o verde). Poiché
Poiché è sempre
visibile uno solo dei caratteri, anche nel
risultato di incroci tra linee diverse, deve
esistere un allele dominante, che
determina la forma fisica (o fenotipica) e
uno recessivo, che pur presente, viene
mascherato a livello del fenotipo
Legge della dominanza:
Mendel incrociò due linee pure (omozigote
dominante e omozigote recessivo), di cui una a fiori
rossi e una a fiori bianchi. Nella prima generazione
F1 tutti i figli mostravano solamente uno dei caratteri
presenti nei genitori; l’altro carattere era
completamente scomparso; queste caratteristiche
furono chiamate da Mendel dominanti. Quindi:
„incrociando tra loro due individui di linea pura
che differiscono per un solo carattere, si ottengono
nella prima generazione filiale (F1) individui che
manifestano il carattere dominante mentre quello
recessivo rimane nascosto.
Legge della segregazione:
Dall'analisi
della
«seconda
generazione filiale»
filiale» o F2,
riapparivano
i
caratteri
scomparsi nella generazione
precedente. Mendel chiamò
questi caratteri recessivi. La F2
era composta da caratteri sia
dominanti che recessivi, legati
dal rapporto 3:1. Ciò si spiegava
ammettendo
che
le
caratteristiche
fossero
determinate da fattori separati.
Questi fattori si trovavano nelle
piante F1 in coppie: un
componente è ereditato dal
padre e l'altro dalla madre.
Legge dell’assortimento indipendente:
„
Mendel considerò incroci tra piante che
differivano per due caratteri: un genitore
produceva semi lisci e gialli (dominanti) e
l'altro rugosi e verdi (recessivi). La F1 era
composta per intero da componenti
genotipicamente eterozigoti, mentre fra i
componenti della F2 Mendel notò un rapporto
in media di 9:3:3:1. Affermò che quando si
formano i gameti, gli alleli di un gene si
separano indipendentemente dagli alleli di
un'altro gene.
Oggi si sa che i fattori di Mendel sono i geni,
piccoli segmenti di DNA ognuno dei quali
esprime un carattere ereditario secondo un
linguaggio chimico detto codice genetico. Le
coppie di geni, detti alleli che, proprio come i
fattori di Mendel, codificano per uno stesso
carattere, sono localizzati sui due cromosomi di
una stessa coppia. In questo modo si spiega la
segregazione dei caratteri: gli alleli, trovandosi
su cromosomi diversi, vengono separati al
momento
della
meiosi
e
trasmessi
indipendentemente l'uno dall'altro.
B. 1869: Friedrich Miescher isola il DNA.
Miescher era uno studente di Chimica a Zurigo.
Mentre lavorava sul pus (un liquido infiammatorio
ricchissimo in globuli bianchi degenerati), per caso
aggiunse dell’alcool etilico a questa sostanza e
osservò la pronta precipitazione di una massa
biancastra: il DNA.
Egli in realtà non poteva sapere di che si trattasse,
ma si accorse presto che la sostanza precipitata
aveva due principali caratteristiche: era una
sostanza acida (bastava determinarne il pH), e si
trovava nel nucleo (che è il principale costituente
delle cellule presenti nel pus, povere di citoplasma).
Lo chiamò quindi "acido nucleico”.
ALLA SCOPERTA DEL DNA
Il DNA era stato isolato per la prima
volta. La sostanza isolata da
Miescher era bianca, zuccherina,
leggermente acida e conteneva
fosforo.
Poiché era stata trovata
soltanto nei nuclei delle cellule, venne
chiamata acido nucleico. Tale nome
fu in seguito modificato in acido
desossiribonucleico (DNA) per
distinguere questa sostanza da una
simile, l'acido ribonucleico (RNA).
C. 1879: il biologo tedesco Walter Fleming
descrive il comportamento dei "cromosomi".
Con il miglioramento dei microscopi e grazie ad
una particolare tecnica di colorazione, Fleming
comincia ad osservare cellule in divisione e nota la
comparsa, nel nucleo cellulare, di alcuni bastoncini
microscopici nettamente delineati, visibili come
barrette nere, intensamente colorate. Il termine è
quindi puramente descrittivo: sono dei corpuscoli
(soma = corpo) colorati (croma = colore), o
cromosomi.
Tutta la Genetica è nata da queste tre
osservazioni quasi casuali; Esiste una
correlazione tra: il fatto che una pianta è
costituzionalmente di un colore piuttosto che
di un altro, cioè possiede un particolare
"carattere"; l’esistenza di una sostanza
acida nel nucleo delle cellule; l’esistenza di
bastoncini nelle cellule che si distribuiscono
in modo regolare tra le due cellule figlie.
1900: Correns, DeVries e Tschermak
riscoprono le Leggi di Mendel.
Per trentaquattro anni, cioè
cioè dal 1866, il lavoro scientifico
di Mendel, è stato completamente ignorato fino al 1900,
anno in cui tre genetisti diversi, nessuno dei quali a
conoscenza del lavoro degli altri, riscoprono
indipendentemente le Leggi di Mendel. Per correttezza
scientifica, decidono di chiamarle ugualmente "Leggi di
Mendel", avendo la semplicità
semplicità di ammettere che il primo
ad osservarle e formularle era stato Mendel.
Le basi della Genetica dei caratteri patologici sono poste
quando si osserva che anche le malattie possono essere
trasmesse lungo le generazioni, con le stesse modalità
modalità
definite per i caratteri ereditari normali.
MUTAZIONI
Nel 1902 il botanico olandese,
olandese, Hugo de Vries, notò che
a volte in una pianta da lui analizzata si presentava un
fenotipo del tutto nuovo; egli ipotizzò che un carattere
nuovo comparisse in seguito a improvvisi cambiamenti
avvenuti nei geni, e chiamo questi cambiamenti
mutazioni e gli organismi con tali mutazioni furono detti
mutanti.
mutanti.
INTERAZIONI ALLELICHE
Dominanza incompleta e codominanza
A mano a mano che gli studi di genetica procedevano,
divenne chiaro che le caratteristiche dominanti e
recessive non sono sempre così
così nette come i sette
caratteri studiati da Mendel nella pianta di pisello.
Alcune caratteristiche sembrano mescolarsi: per
esempio, incrociando una pianta di bocca di leone con
fiori rossi con un'altra con fiori bianchi si producono
eterozigoti di colore rosa. Questo fenomeno, in cui il
fenotipo dell'eterozigote è intermedio tra quelli dei due
omozigoti, è detto dominanza incompleta.
incompleta. Però in altri
casi gli alleli possono agire da codominanti,
codominanti, con
eterozigoti
che
esprimono
contemporaneamente
entrambi i fenotipi omozigoti. Un esempio familiare è il
sangue umano di tipo AB, in cui i globuli rossi mostrano
le caratteristiche relative sia al tipo A sia al tipo B.
1902: Walter Sutton formula la Teoria
cromosomica dell’ereditarietà.
Mendel presuppone che fra le cellule figlie si dividano dei
"fattori", degli oggetti che "portano" il carattere, ma non può
sapere quali sono. L'inglese Sutton, un neoneo-laureato,
osservando le cellule al microscopio, si accorse che quando la
cellula si divide, i cromosomi vengono suddivisi con molta
precisione e regolarità
regolarità, spostandosi per metà
metà in una cellula figlia
e per metà
metà nell’
nell’altra. Sutton notò che i cromosomi avevano il
comportamento che ci si aspettava dai "fattori" mendeliani.
Infatti, mentre il citoplasma può essere suddiviso fra le cellule
cellule in
modo anche molto irregolare, i cromosomi costantemente
vengono dimezzati fra le due cellule figlie. Sutton perciò
concluse che il comportamento mostrato dai cromosomi
corrisponde quello previsto per i fattori che determinano le
caratteristiche della cellula. Nasce così
così la "teoria cromosomica"
dell’
dell’ereditarietà
ereditarietà: i fattori ereditari devono trovarsi all’
all’interno di
questi "bastoncini".
1902 Archibald Garrod
Il medico inglese studia e illustra errori metabolici congeniti, quali
l’alcaptonuria, una malattia dell’uomo caratterizzata dal fatto che
le urine diventano scure dopo l’esposizione all’aria e dalla tendenza
a sviluppare artrite in tarda età.
Dall’incidenza della malattia in famiglie di individui, il ricercatore
assieme al suo collega W. Bateson scoprirono che:
¾Spesso più membri della famiglia avevano l’alcaptonuria
¾La malattia era molto più frequente nei figli di genitori primi
cugini.
L’alcaptonuria è una malattia erediataria
Dall’analisi delle urine scoprì che gli individui affetti da questa
malattia secernono nelle urine l’acido omogentisico che è il
responsabile della colorazione scura delle loro urine per
esposizione all’aria.
Garrod concluse i suoi studi
affermando
che
l’alcaptonuria è un esempio
di
errore
congenito
del
metabolismo, che dipende
dall’assenza di un enzima in
uno dei passaggi metabolici
dell’acido omogentisico.
1909: compare la parola gene.
Wilhelm Johannsen, un botanico danese, per
primo usa questo termine per indicare l’unità di base
della eredità.
Il gene, così come il metro è l’unità di misura della
lunghezza, viene proposto come la unità per
calcolare la quantità di eredità. Poiché all’epoca
erano stati studiati determinati caratteri attribuibili a
un singolo "fattore", il gene si poteva definire come
quella porzione del materiale ereditario che
determina un carattere. Il termine Gene viene dal
greco, dalla radice "gen" che vuol dire generare; in
questo senso, il gene ha l’informazione per
"generare" il carattere.
„
1911: Thomas Hunt Morgan studia l’ereditarietà
nel moscerino della frutta.
„
„
„
Agli inizi del XX secolo T.H. Morgan conferma le leggi di
Mendel, ma le arricchisce di una serie di importanti eccezioni,
arrivando al concetto che più
più geni devono essere concatenati
in un ordine determinato lungo i cromosomi.
Egli dimostrò con gli esperimenti di incrocio sul moscerino
della frutta, la Drosophila melanogaster, che certi caratteri
sono legati al sesso, cioè
cioè che i loro geni sono portati sui
cromosomi sessuali. Poiché
Poiché il cromosoma X porta dei geni
che non sono presenti sul cromosoma Y, un singolo allele
recessivo sul cromosoma X del maschio dà
dà luogo ad un
fenomeno recessivo dal momento che non è presente alcun
altro allele. Al contrario, una femmina eterozigote per un
carattere legato al sesso mostrerà
mostrerà caratteristiche dominanti.
Nell'uomo, tra i caratteri legati al sesso ci sono il daltonismo e
l'emofilia.
1919 Phoebus Aaron
Levene, ipotizzo che i
quattro mattoncini del
DNA, le basi nucleodiche,
erano posti uno accanto
all'altro a formare
molecole di quattro unità.
INDIVIDUAZIONE DEL PRINCIPIO
TRASFORMANTE
1928 F. Griffith
Griffith fece degli esperimenti con i
batteri Streptococcus pneumoniae, il
batterio che causa la polmonite.
Topi a cui erano stati iniettati
pneumococchi del tipo III S (virulenti)
morivano, mentre topi iniettati o con
batteri del tipo II R (avirulenti) o con
batteri III S uccisi al calore
sopravvivevano. I batteri per poter
essere infettivi dovevano essere vivi e
possedere l’involucro polisaccaridico.
Tuttavia, se iniettati con una miscela
di batteri vivi II R (avirulenti) e III S
uccisi singolarmente incapaci di
uccidere, i topi morivano ed erano
presenti nel sangue batteri vivi di tipo
III S.
Griffith concluse gli esperimenti affermando che
alcuni batteri R erano stati trasformati in cellule
infettive di tipo III S per interazione con le cellule
morte di tipo III S.
Egli
riteneva
che
l’agente
sconosciuto
responsabile per il cambiamento del materiale
genetico fosse una proteina e si riferì a questo
agente come il principio trasformante.
1938 Rudolf Signor, Torbjorn Caspersson e Einer Hammarsten
Scoprirono che il DNA poteva avere una
dimensione compresa tra 500000 a 1000000
di Dalton, e che quindi il DNA era formato da
lunghe sequenze di basi nucleotidiche, e non
da tetranucleotidi come aveva immaginato
Levene.
1941: George Beadle ed Edward Tatum
formulano la teoria "un gene - un enzima".
„
„
Tutto sembra fermarsi nuovamente per una trentina d’
d’anni, finché
finché
nel 1941 i due biochimici George Beadle ed Edward Tatum
studiavano i difetti enzimatici nella fungo Neurospora crassa, la
la
comune "muffa del pane". La loro teoria era che la funzione del
gene non fosse la determinazione di un generico "carattere", bens
bensì
quella di una precisa proteina enzimatica, dalla cui funzione, a sua
volta, potrà
potrà emergere un carattere. Questi ricercatori identificarono
alcuni mutanti della muffa, per cui una variazione nell’
nell’azione
dell’
dell’enzima modificava il carattere, e si resero conto che quello che
cambiava era appunto il gene. Da un punto di vista biochimico,
quindi, il gene doveva in qualche modo determinare la costituzione
costituzione
dell’
dell’enzima.
Si noti che all'epoca tutti pensavano che i geni dovessero trovarsi
trovarsi
nel nucleo, ed alcuni pensavano che fossero localizzati nel DNA, ma
ancora, a più
più di 70 anni dalla scoperta del DNA, non vi erano prove
definitive che fosse il substrato della informazione ereditaria.
1943: William Astbury realizza la prima
fotografia a raggi X del DNA.
Astbury realizzando la prima fotografia a raggi x del DNA, spinge
spinge
a pensare che il DNA sia troppo semplice per essere portatore di
una qualche informazione complessa. Infatti, dalla regolarità
regolarità
delle tracce radiografiche, si intuisce che il DNA ha una struttura
struttura
regolare. Questa regolarità
regolarità si contrapponeva al pensiero che la
molecola portatrice dell’
dell’informazione dovesse essere complessa
per poter dare origine ad una struttura altamente complessa
quale un essere vivente.
In quest’
quest’ottica le proteine, molto più
più complesse e variabili,
strutturalmente e biochimicamente, del DNA, sembravano
candidati più
più probabili quali portatrici dell’
dell’informazione genetica.
Ciascuna catena polipeptidica ha infatti complessità
complessità maggiore,
rispetto al DNA, nella propria sequenza di amminoacidi, nel
ripiegamento nello spazio tridimensionale, nella associazione
con altre catene polipeptidiche, nella reattività
reattività chimica.
VERSO UNA NUOVA DEFINIZIONE DELLA NATURA
DEL PRINCIPIO TRASFORMANTE
1944, O. T. Avery e colleghi dimostrarono che il principio trasformante
non era di natura proteica, ma piuttosto DNA.
¾Lisarono cellule batteriche di tipo III S e separarono il lisato nei suoi
componenti macromolecolari (lipidi, polisaccaridi, proteine, DNA ed
RNA)
¾Saggiarono ognun componente per verificare se contenesse il
principio trasformante controllando se fosse in grado di trasformare
batteri R in cellule III S
Gli acidi nucleici risultarono gli unici componenti in grado di effettuare
la trasformazione.
¾ Usarono nucleasi specifiche per degradare rispettivamente l’RNA
(RNAasi) o il DNA (DNAasi)
Degradando il DNA non si otteneva alcuna trasformazione
Questi risultati indicavano fortemente
che il DNA fosse il materiale genetico.
Nonostante l’importanza del lavoro di
Avery, esso fu criticato perché gli acidi
nucleici isolati dai batteri non erano
compleatmente
puri,
e,
in
realtà
possedevano dei contaminanti di natura
proteica
1949 Roger e Colette Vendrely, insieme ad Andre Boivin
Scoprirono che le cellule deputate alla riproduzione
contenevano un quantitativo di DNA pari alla meta
di quello contenuto nelle altre cellule del corpo.
Questa scoperta avvalorava ulteriormente la teoria
che il DNA fosse la sede dell'informazione genetica:
due cellule con metà DNA unendosi ricostituivano
un patrimonio genetico intero, di derivazione in
parte materna e in parte paterna.
A.D. Hershey e M. Chase 1953:
E’ IL DNA IL MATERIALE GENETICO
Studiando la replicazione del batterofago
T2 che infettava Echerichia coli prima
attaccandosi con le fibrie della coda e poi
iniettano il materiale genetico all’interno
che controllava la produzione di particelle
della progenie.
Marcarono il DNA dei batteri con un
isotopo radioattivo del fosforo o le proteine
con un isotopo radioattivo dello zolfo.
Infettarono i batteri con i batteriofagi e
raccolsero la progenie fagica prodotta in
entrambi i casi: una con le proteine
marcate e una con il DNA marcato.
Nel primo caso la radioattività si
riscontrava nelle ombre fagiche rilasciate
e non all’interno delle cellule batteriche,
nel secondo caso invece gran parte della
radioattività era riscontrata all’interno di
batteri
A questo punto l’attenzione dei ricercatori si
concentra sul DNA come materiale genetico.
Si cercava di capire le caratteristiche
chimiche e fisiche di questa molecola, la sua
composizione nei diversi tessuti che
costituiscono gli organismi, e secondo un
argomento di attualità per l’epoca, l’effetto
sul materiale genetico degli agenti mutageni
e in particolare delle radiazioni ionizzanti e
del radioattivo.
E. CHARGAFF 1952
iIl biochimico austriaco idrolizza il DNA di numerosi
organismi mediante trattamento chimico e rivela che la
quantità di purine (Adenina e guanina) era uguale alla
quantità di pirimidine (Citosina e Timina).
Il dato che all’inizio sembrava una coincidenza si
sarebbe rivelato un tassello fondamentale.E
ancora più nel dettaglio, in ogni molecola di DNA
la quantità di adenina era uguale alla quantità di
timina, mentre la quantità di citosina era uguale
alla quantitò di guanina. Queste equivalenze
sono divenute note come
regole di Gargaff: A/T = G/C
Sorgente di DNA
ADENINA
TIMINA
GUANINA
CITOSINA
timo di vitello
1.7
1.6
1.2
1.0
milza di bue
1.6
1.5
1.3
1.0
lievito
1.8
1.9
1.0
1.0
bacillo tubercolino
1.1
1.0
2.6
2.4
C.Chargaff non fu
in grado di dare un
senso a questa
impressionante
regolarità
DIFFRAZIONE AI RAGGI X
I fisici cominciarono a sviluppare un metodo
geniale per osservare ciò che fino a pochi anni
prima
era
considerato
inosservabile:
la
disposizione degli atomi nelle molecole. Il trucco
era lasciar passare raggi X fra gli interstizi delle
molecole di struttura cristallina. Dal complesso
gioco di ombre e interferenze emerso sulla lastra
(diffrazione)
si
poteva
dedurre,
matematica, la posizione degli atomi.
grazie
alla
A rincorrere la struttura del Dna ci sono figure di formidabile caratura:
Nel 1952 Linus Pauling chimico californiano, è autorità mondiale nel
campo della struttura delle molecole biologiche è il primo che ha scoperto
la forma elicoidale come uno delle impalcature di base delle proteine.
Propose per il DNA una struttura a tripla elica. Nel modello di Pauling i
gruppi fosfato del DNA erano all’interno dell’elica mentre all’esterno c’erano
le basi azotate. Si intrecciavano tre filamenti a formare una tripla elica.
Pauling aveva dimenticato le cariche negative degli atomi di ossigeno di
ciascun gruppo fosfato e la loro posizione non poteva essere interna
all’elica, perché avrebbero destabilizzato la struttura. Quasi incredibilmente
l’uomo che aveva scritto un libro sui legami chimici aveva sbagliato.
Nel 1954 vince il Nobel per la chimica (e nel 1964 un altro, per la pace).
Maurice Wilkins In Inghilterra contribuisce a compie studi di tal genere,
usando la chimica e i raggi X per risolvere la struttura del DNA .
Le migliori immagini di Dna del mondo sono prodotte nel suo laboratorio.
Ma non è lui a scattarle. Lo fa una ricercatrice dal talento straordinario, una
donna capace di produrre «fotografie a raggi X tra le più belle mai scattate
in qualsiasi campo della ricerca».
R.Franklin:: l’eroina mancata della scoperta del DNA
Un anno prima che Crick e Watson si
innamorassero del Dna, Franklin entrava al
King's College di Londra, sotto la supervisione
di Wilkins. Cominciò a lavorare alla diffrazione
a raggi X e rivelò subito abilità e ingegno da
fuoriclasse. Fu fra i primi scienziati a usare i
raggi X non per studiare cristalli, ma materiali
complessi come le molecole biologiche.
Franklin modificò i propri macchinari e riuscì a
ottenere un fascio estremamente sottile di
raggi X. Mostrò che la molecola di fosfato che
fa da impalcatura alla struttura doveva essere
sul lato esterno del Dna. E che, almeno nella
forma «umida», il Dna doveva avere forma
elicoidale: una specie di scala a chiocciola.
Tuttavia, rigorosa e prudente all'eccesso,
decide di non pubblicare nulla prima di avere
prove conclusive
«photograph 51»:
La più recente, perfetta delle immagini di
Rosalind Franklin, da un campione purissimo di
Dna. , l'immagine ancora non pubblicata. Era
splendida. Mostrava la forma di un'elica e
forniva la dimensione esatta del diametro della
molecola
Grazie a queste immagini Rosalind Franklin
già nel febbraio del 1953, sul suo taccuino di
appunti scriveva che ...il Dna è composto da
due catene distinte...,
Degli studi della Franklin per costruire il modello del DNA arrivarono per vie
traverse a due scienziati Watson e Crick che negli stessi anni si stavano
occupando degli stessi argomenti.
Wilkins, un superiore della Franklin, aveva, infatti, mostrato a Crick e Watson
nel gennaio 1953 la fotograa 51 del DNA fatta dalla Franklin, senza poter
immaginare che da questa informazione i due scienziati sarebbero stati in
grado di inferire la struttura del DNA, la X che si otteneva nell’immagine era
l’immagine rivelatrice dell’elica.
F. Crick e J.D. Watson
Nel 1962 per aver descritto e definito la molecola di DNA sono
stati insigniti, assieme a Wilkins, del premio Nobel per la medicina
SCOPERTA DELLA STRUTTURA A DOPPIA ELICA DEL DNA
No. 4356 April 25, 1953 NATURE
MOLECULAR STRUCTURE
OF
NUCLEIC ACIDS
A Structure for Deoxyribose
Nucleic Acid
IL 1953 è considerata una tappa fondamentale della biologia in
quanto è l’anno in cui il fisico e biologo inglese F. Crick (n.
1916) e il biochimico statunitense J.D. Watson (n. 1928)
pubblicano l’articolo in cui rivelano la sensazionale scoperta
della struttura del DNA con caratteristiche biologicamente
interessanti.
•Essa è costituita da due catene polinucleotiche avvolte una
attorno all’altra attorno all’altra in a formare una doppia elica
destrorsa.
• Gli zuccheri e i gruppi fosfato sono rivolti all’esterno della
doppia elica aformare i montanti, mentre le basi sono impilate
una sull’altra come i pioli di una scala a chiocciola
•Le basi dei filamenti opposti sono unite da legami ad idrogeno
relativamente deboli. Da un confronto di possibili appaiamenti si
resero conto che solo alcuni di questi davano lo stesso valore
di larghezza e cioè quello della Adenina con la Timina e della
Citosina con la GuaninaIn questo modo la larghezza della
coppia A/T era la stessa di quella della coppia G/C. Questo
accoppiamento concordava con i dati di Chargaff e permetteva
alle basi ci compattarsi molto le une sulle altre .
Da
quel
momento,
l'acido
desossiribonucleico
diveniva
per
sempre il Dna. Stava per entrare da
protagonista nella cultura mondiale, e
aprire l'era genomica. Nove anni dopo,
nel 1962, il premio Nobel per la
fisiologia fu assegnato a Watson, Crick
e Wilkins.
Rosalind Franklin non c'era. Era morta di tumore alle
ovaie: l’esposizione ai raggi X, che le permisero di
individuare la struttura del DNA, fu causa del cancro
che la uccise a soli 37 anni. Nonostante i suoi notevoli
apporti alla scoperta delle struttura dell’acido nucleico,
non le venne riconosciuto nessun merito, nemmeno
nel libro di Watson “La doppia elica”.
1955- Francis Crick: dal DNA alle proteine, il dogma centrale
La storia del DNA non finisce con la scoperta della
sua struttura tridimensionale. Dal momento che il
DNA è la molecola ereditaria della cellula, Watson e
Crick pensarono che la sequenza dei nucleotidi nella
molecola dovesse funzionare come un codice,
capace di dirigere la sintesi delle proteine. Tuttavia
non si riusciva a capire come il DNA, che si trova nel
nucleo delle cellule, possa dirigere la sintesi delle
proteine che sono esclusivamente nel citoplasma
cellulare. Francis Crick propose il “Dogma Centrale”
in cui si prevedeva che l’informazione fluisse dal DNA
alla proteina attraverso una molecola trasportatrice.
Un candidato a questo ruolo era l’acido
ribonucleico-l’RNA- una molecola che si trova
soprattutto nel citoplasma cellulare. Come il DNA,
l’RNA ha una struttura zucchero-fosfato ma come
zucchero usa il ribosio al posto del desossiribosio.
DNA e RNA hanno le stesse basi azotate ad eccezione della timina che nell’RNA
è sostituita dall’uracile. L’uracile è complementare all’adenina. Mentre il DNA ha
una struttura normalmente a doppia elica, l’RNA ha invece normalmente una
struttura a singola elica. Dopo aver proposto il dogma centrale- dove le
informazioni fluiscono dal DNA alle proteine- Crick capì che c’era un altro
problema: come potevano gli amminoacidi interagire con la molecola di RNA
trasportatrice? Ci doveva essere una molecola che fungessero da adattatore,
almeno venti adattatori, uno per ciascun aminoacido.
1956- Paul Zamecnik e Mahlon Hoagland:individuazione di
una molecola chiave nella traduzione del DNA, l’RNA transfer
In questi anni sembra che l’RNA facente parte del ribosoma
sia coinvolto nella sintesi, il suo ruolo non è ancora
chiaro.Tuttavia, Mahlon Hoagland e Paul Zamecnick
identificarono un’altra molecola di RNA associata con
aminoacidi nel supernatante non incorporati. In particolare
Hoagland scoprì che gli aminoacidi, prima di essere
incorporati
nelle
proteine,
vengono
attivati
dall’aminoaciltRNAsintetasi. Nel 1955 inieme a Paul
Zamecnick e Mary Stephensen scoprì che gli aminoacidi ,
prima di essere trasferiti nella proteina in formazione nei
ribosomi, si attaccavano ad un RNA a basso peso
molecolare presente nella frazione solubile, chiamarono
questo trasportatore intermediario RNA solubile. Visitando
il nostro laboratorio, Jim Watson constatò che le
caratteristiche del nostro DNA solubile corrispondevano a
quelle della molecola adattatore di Crick. Ciascun RNA
solubile poteva al suo aminoacido partner e trasportarlo fino
al ribosoma per la sintesi delle proteine. L’RNA solubile
venne poi ribattezzato RNA transfer (tRNA), nome che
riflette meglio la sua funzione. Ma ancora non si capiva
come il codice genetico istruisse il tRNA citoplasmatico a gli
aminoacidi a fare proteine
1961- Sydney Brenner: l’RNA messaggero
Sydney Brenner, insieme a Francois Jacob e Matthew Meselson, dimostrò che l’rRNA
non è lo stampo per sintetizzare proteine. Ci doveva essere un terzo tipo di RNA-un
intermediario instabile- il trasportatore del messaggio ai ribosomi. Usarono batteri
infettati da fagi. infettarono questa coltura batterica con il fago e immediatamente
trasferirono i batteri infettati in un terreno contenente 32P radioattivo. Interruppero la
crescita del fago e quindi lisarono i batteri, in seguito estrassero RNA e ribosomi dai
batteri. Centrifugarono su gradiente di densità l’estratto batterico, si separarono i vari
componenti e Brenner potè analizzare la distribuzione degli isotopi pesanti e leggeri nei
ribosomi batterici, e l’incorporazione di 32P nell’RNA fagico neoformato. Brenner pensò
che se l’rRNA nei ribosomi fosse lo stampo per costruire nuove proteine fagiche, allora
dovrebbero comparire nuovi ribosomi con rRNA fagico dopo l’infezione. Come
sospettò, questo non accadde. Tutti i ribosomi avevano isotopi pesanti. Cercò dopo
dove fosse stato incorporato 32P durante la produzione di nuovo RNA fagico. Brenner
trovò che 32P era associato con la banda corrispondente ai ribosomi interi e c’era anche
32P sul fondo del tubo. Saltò fuori che questo fosse un nuovo tipo di RNA. Era associato
ai ribosomi e quindi doveva avere un ruolo nella sintesi delle proteine. Doveva essere
tuttavia una grande molecola dal momento che parte di esso si trova nel sedimento sul
fondo del tubo. Era questo il trasportatore dell’informazione previsto da Crick nel suo
Dogma Centrale, Brenner chiamò questa molecola RNA messaggero (mRNA)
VERSO UN MODELLO DELLA REPLICAZIONE DEL DNA
Nel lavoro Watson e Crick conclusero dicendo :” non ci è
sfuggito che l’appaiamento specifico delle basi suggerisce
immediatamente un possibile meccanismo di replicazione del
materiale genetico” .
Cioè srotolando le due eliche di DNA ognuna di esse potesse
fungere da stampo per la sintesi di un nuovo filamento
complementare di DNA:
™ modello di replicazione venne detto semiconservativo.
A quei tempi però venivano proposti altri due modelli:
™ il modello conservativo secondo cui le eliche parentali si
riassociano, originandosi una molecola interamente parentale
e una interamente di nuova sintesi.
™ il modello dispersivo in cui le molecole di DNA venivano
tagliati in segmenti a doppia elica che fungevano da stampo
per la sintesi di nuovi segmenti che si riassociano.
Meselson e Stahl:
Cinque anni dopo la pubblicazione del lavoro di Watson e
Crick ottennero la evidenza sperimentale che il modello
semiconsrvativo era il modello di replicazione del DNA
corretto.
Usarono il batterio Escherichia coli che
venne fatto crescere su un terreno
contenente 15N pesante, come isultato
tutti i composti delle cellule contenenti N,
incluse le basi azotate, contenevano 15N
anzicchè14N leggero.Successivamente i
batteri venivano fatti replicare in un
terreno contenente azoto della normale
forma.
La densità veniva rilevata attraverso
centrifugazione in gradiente di densità
Dopo una generazione di crescita in
terreno 14N, tutto il Dna aveva una densità
esattamente intermedia fra quella di DNA
15N
e
quello
completamente
completamente 14N.
Dopo due generazioni, metà del Dna era
ancora di densità media, e metà era di
densità del DNA contenente solo 14N.
La decifrazione del
codice genetico
Il problema successivo divenne quello della traduzione Come si passa
da una sequenza di nucleotidi alla sequenza di aminoacidi di una
proteina, come faceva la successione delle basi azotate a determinare
la sequenza degli amminoacidi di una proteina?
La formula di un aminoacido è H2N-CHR-COOH, esistono 20 aa
ciascuno con un diverso gruppo R.
Numero di nucleotidi che specificano un aminoacido sono
4 basi azotate (A,T,C,G) e 20 aminoacidi. Un codice di due
nucleotidi genererebbe solo 16 (42) “parole” diverse.
Un codice a triplette porta alla formazione di 64 (43)
“parole” , più di una tripletta deve specificare per una dato
aminoacido (il codice è degenerato) dato che gli aminoacidi sono 20
1959
Arthur
Kornberg
collaboratori isolano
e
la molecola che copia il DNA, si
tratta di un
enzima che viene denominato
DNA polimerasi.
EVIDENZE SPERIMENTALI PER IL MODELLO DI CODICE GENETICO A TRIPLETTE
Francis Crick, L.Barnett, S.
Brenner e R.W. Tobin
primi anni ‘60
Esperimenti di genetica effettuati sul
batteriofago T4 con l’utilizzo di mutanti rII che
davano placche di lisi chiare su E. coli B e
non erano in grado di riprodursi in E. coli
K12, al contrario dei ceppi selvatici r+.
FAGO rII mutante per trattamento con
proflavina che induce mutazioni
causando l’aggiunta o la delezione di
una coppia di basi nel DNA.
Reversione della
mutazione per inserzione
Selvatico r+.
ACGACGACGACGACGA
Mutazione per delezione
ACGACGACGACGACGA
TGCTGCTGCTGCTGCT
ACGACGACGGACGACGA
TGCTGCTGCTGCTGCT
TGCTGCTGCCTGCTGCT
Isolarono, piastrando su E. coli K12, dei
ceppi r+ revertenti da una mutazione
attraverso una mutazione di segno opposto
Inoltre la combinazione di tre mutazioni
per delzione o tre mutazioni per
inserzione vicine dava revertenti r+: la
conclusione fu pertanto che il codice
genetico è a triplette.
Decifrazione del codice genetico
1961 Marshall Niremberg e
Johann Heinric MatthaeiIl hanno
decifrato il codice genetico
attraverso sistemi di sintesi
proteica in vitro
Si sintetizavano mRNA contenenti
uno, due, o tre diverse basi e
nell’aggiunta a sistemi di sintesi
proteica cell-free, si analizzavano i
polipeptidi prodotti.
Ad esempio si sintetizzava un
mRNA di poly U per cercare la
corrispondenza con uno tra i venti
amminoacidi. una sequenza di tre
uracili –UUU—deve codificare per
la
fenilalanina.
Avevano
determinato uno delle 64 triplette
codone! Insieme a Matthaei ,
Niremberg provò altre catene
polinucleotidiche. Il Poli-C faceva
una catena di prolina (PRO); il
Poli-A faceva una catena di lisina
(LYS).
Il codice genetico è degenerato…….
1975-Roger Kornberg:la struttura della cromatina
Isolarono da cellule di fegato di topo l’enzima DNA nucleasi
micrococcica che digerisce preferenzialmente il DNA non
associato a proteine e lo usarono per digerire la cromatina.
Poi sottoposero ad elettroforesi il materiale cromatinico
digerito e videro sul gel una serie di bande regolari Scoprirono
che le bande erano multipli della grandezza del frammento più
piccolo, che risultò essere di 200 bp. Così queste bande
ripetute corrispondevano a 200 bp , 400 bp, 600 bp e così via.
Conclusero che gli istoni sono distribuiti in modo regolare nel
DNA e, nel punto dove si legano, proteggono il DNA dalla
digestione della nucleasi . Poi individualmente purificarono gli
istoni dal DNA. Trovarono che H2A e H2B tendono a stare
uniti , come anche H3 e H4. Se mischiavano il complesso
H2A/H2B con il complesso H3/H4, e poi aggiungevano DNA
nudo, ottenevano lo stasso modello della cromatina ai raggi X.
Successive analisi rivelavano che ciascun nucleo istonico
aveva otto proteine- due copie di ciascun complesso di istoni
H2A/H2B e H3/H4. Questo nucleo istonico con il DNA avvolto
viene chiamato nucleosoma. l’istone H1 non è parte del
nucleo istonico. Invece, si attacca tra i nucleosomi e consente
l’organizzazione della cromatina in livelli di compattamento
superiori, è detto infatti istone linker.
1962- Roy Britten: il DNA ripetitivo Studiando le curve di riassociazione del DNA
precedentemente scaldato deduce che il DNA contiene molte sequenze ripetitive,
queste sequenze sono così simili che si riassociano molto facilmente, . Il DNA altamente
ripetitivo contiene soprattutto cortissime “ripetizioni in tandem” . I due gruppi maggiori
sono classificati per grandezza:
Corti Elementi Interdispersi (SINEs) sono lunghi diversi centinaia di nucleotidi
i Lunghi Elementi Interdispersi (LINEs) sono lunghi diverse migliaia di nucleotidi
Entrambi i gruppi derivano da trasposoni, i cosiddetti geni-saltellanti che si sono
accumulati durante il tempo spostandosi in nuovi cromosomi.
1977F. Ranger, A. Maxam e W. Gilbert Mettono a punto una tecnica che usa
specifici reagenti chimici per modificare e tagliare la catena di DNA a livello di
nucleotidi specificiconsente di sequenziare il DNA
1978-Frederick Sanger: il sequenziamento del DNA
Sanger sviluppò un metodo per determinare l’esatta sequenza di nucleotidi in un gene.
circa allo stesso tempo Alan Maxxam e Walter Gilbert svilupparono un metodo per il
sequenziamento differente. Il metodo di Sanger della “terminazione della catena” utilizza
dei particolari didesossinucleotidi (didNTP) A,T,C o G in quattro diverse provette dove
viene fatta avvenire la sintesi enzimatica di una nuova catena di DNA da un DNA
stampo. L’aggiunta di quattro didNTP ferma l’allungamento della catena in tutte le
possibili posizioni . La lettura del gel permette di risalire all’intera sequenza nucleotidica
1980-Kary Mullis:la reazione polimerasica a catena (PCR) che ha rivoluzionato
il modo in cui i geni possono essere analizzati. E’ questo un metodo per prodirre in
un numero estremamente di copie di una specifica sequenza di DNA, mediante un
meccanismo di amplificazione.
2000: Progetto genoma umano
L’idea di sequenziare l’intero genoma
umano è di un fisico del Department of
Energy americano, Charles DeLisi, e viene
proposta alla comunità scientifica
internazionale da Reanto Dulbecconel
marzo del 1986. Ma non tutti erano
d’accordo”Vale la pena spendere miliardi
di dollari e tenere impegnati per anni i
migliori ricercatori, in quella che è in fondo
solo una gigantesca analisi chimica?”.
Nonostante le discussioni il consenso
cresce negli anni e inizia nel 1990 con
l’stituzione della Human Genome
Organization con l’obieetivo di terminare
nel 2005, ma nel marzo del 1998 la
società privata Celera Genomics annuncia
che lo terminerà nel 2000. Inizia così una
vera e propria gara.
Notizie ANSA
12 Febbraio 2001
12:03 Il Genoma non è più un
segreto
13:52 Genoma: è su Internet
l'alfabeto della vita
Rappresenta un ampio sforzo per mappare tutti i
geni umani e per ottenere la sequenza completa
dei 3 miliardi di coppie nucleotidiche del genoma
umano. E’ la lettura del lunghissimo “libretto delle
istruzioni” contenuto all’interno della molecola del
DNA è stata compiuta da due gruppi di ricercatori
in gara: il National Institutes of Health americano
guidato da Francis Collins e il Celera Genomics
di Rockville capeggiato da Craig Venter.
Le loro analisi pubblicate riempiono qualcosa
come 420000 pagine di una rivista.
Il 26 giugno 2000, in una solenne
Con grande sorpresa i geni umani invece dei
cerimonia alla casa bianca le due squadre 100-150000 sono poco più di 30000, solo il
rivali annunciano di aver completato il
doppio di quelli del moscerino e non più di 300 di
lavoro
quelli del topo.
Il 13 Febbraio 2001 la mappa del genoma
è pubblicata, gratis dal consorzio pubblico, 300000 geni bastano per dar
complessità impressionante!!!
a pagamento dalla celera Genomics.
vita a una
Il genoma è stato letto…...adesso bisogna decifrarlo
L’interpretazione della lunga sequenza
del DNA ha molte applicazioni, fra cui
la comprensione di come funziona e di
come si ammala il corpo umano e offre
la possibilità di fare diagnosi di malattie
genetiche e di tumori.
L’idea che il cancro sia una malattia legata
a mutazioni a livello di cellule somatiche è
nata prima della scoperta della doppia elica
del DNA. Questa teoria ha il suo punto
d’inizio nei primi anni del XX secolo in
seguito a una serie di osservazioni
effettuate dall’embriologo Teodoro Boveri
che mostravano la presenza di un numero
abnorme di cromosomi in cellule somatiche
cancerose.
La scoperta poi della struttura del DNA ha
dato un impulso fondamentale allo studio
delle basi genetiche del cancro. I ricercatori
sono tutt’oggi impegnati nella ricerca dei
geni che sono implicati nelle origine di
malattie, confrontando il DNA di persone
malate con quello di persone sane.Si
affidano ai cosiddetti SNP(snip) , diverse
combinazioni da individui ad individui per
scoprire quali ono comuni alle persone
colpite dalla malattia. La prospettiva è
quella di permettere, tramite un esame
genetico i rischi che corre quella persona