Le mappe cromosomiche

Un nuovo passo avanti nello studio dei geni fu quello effettuato da J. H. Muller.

Egli scoprì che l’esposizione ai raggi X aumentava notevolmente la velocità con cui avvenivano le mutazioni in Drosophila. Anche altre forme di radiazioni agivano da mutageni, cioè da agenti in grado di produrre mutazioni. A mano a mano che nel ceppo di moscerini studiato da Mendel veniva prodotto un numero sempre più alto di mutanti, divenne possibile effettuare esperimenti di incrocio in cui i moscerini differivano per più di una caratteristica.

Mendel aveva dimostrato che le coppie di alleli segregano indipendentemente dalle altre coppie. In realtà, gli alleli dei due geni differenti possono segregare in maniera indipendente solo se i geni sono posti su cromosomi diversi; se gli alleli dei due geni si trovano sullo stesso cromosoma allora la segregazione degli alleli di un gene non potrà essere indipendente rispetto alla segregazione degli alleli di un altro gene. Se gli alleli di due geni differenti sono sullo stesso cromosoma, durante la meiosi finiranno entrambi nello stesso gamete. I geni che tendono a rimanere uniti sono detti associati in quanto appartengono allo stesso gruppo di associazione. A mano a mano che procedevano gli esperimenti di incrocio con Drosophila, le mutazioni cominciarono a essere suddivise in quattro gruppi di associazione, in relazione alle quattro coppie di cromosomi visibili nelle cellule. In tutti gli organismi studiati, il numero di gruppi di associazione risultò coincidere con il numero di coppie cromosomiche e ciò rappresentava un ulteriore sostegno all’ipotesi di Sutton, secondo la quale i geni si trovano sui cromosomi.

Gli studi di associazione rivelano alcuni aspetti sorprendenti. La maggior parte dei moscerini ha il corpo di colore marrone chiaro e le ali lunghe, entrambi  caratteri dominanti. Quando individui omozigoti per queste caratteriste furono incrociati con moscerini mutanti con corpo nero e ali corte tutti gli individui della generazione F1 mostrarono corpo marrone e ali lunghe quando gli individui della generazione F1 furono incrociati tra loro si ipotizzarono due soluzioni possibili.

• I geni per il colore del corpo e la lunghezza delle ali potevano segregare indipendentemente e dare origine a rapporto mendeliano 9:3:3:1 nei fenotipi della generazione F2, indicando così che i geni per questi due caratteri si trovavano su coppie differenti di cromosomi omologhi.
• I geni per i due caratteri potevano essere associati e il 75% dei moscerini della generazione F2 sarebbe stato marrone con ali lunghe e il 25%, omozigote per i due caratteri recessivi, sarebbe stato nero con ali corte, determinando un rapporto fenotipico di 3:1.

I risultati sperimentali si avvicinavano molto alla seconda ipotesi. In qualche discendente i geni per questi caratteri sembravano segregare independemente; comparivano nella generazione F2 alcuni moscerini con corpo marrone e ali corte e alcuni con corpo nero e ali lunghe. L’unico modo per spiegare i risultati ottenuti era supporre che ci potesse essere uno scambio di alleli tra cromosomi omologhi, cioè che gli alleli si potessero ricombinare.

Oggi sappiamo che lo scambio di parti di cromosomi omologhi avviene nella profase I della meiosi. Se il crossing over avvenisse tra i segmenti omologhi su cui sono localizzati gli alleli di uno solo dei due geni, gli alleli dei due differenti geni risulterebbero separati nel momento in cui i cromatidi dei due omologhi si spezzano e si ricombinano tra loro; se uno solo dei due geni andasse incontro a ricombinazione, il fenotipo risultante corrisponderebbe a quello che ci si aspetterebbe se i due geni si trovassero su due cromosomi diversi.

Con la scoperta del crossing over cominciò a essere chiaro non solo che i geni sono portati dai cromosomi ma anche che devono essere localizzati in punti particolare (loci) dei cromosomi. Risultò evidente che gli alleli di ogni gene devono occupare loci corrispondenti su cromosomi omologhi, altrimenti lo scambio di parti di cromosomi darebbe luogo a un caos genetico e non a uno scambio preciso fra alleli corrispondenti.

La percentuale di ricombinazione tra due geni qualunque era differente dalla percentuale di ricombinazione tra altri due geni. Fu A. Sturtevant a intuire che la percentuale di ricombinazione potesse avere qualcosa a che fare con la distanza fisica fra i geni che ricombinano. Questo concetto dette il via alla costruzione delle prime mappe cromosomiche. I presupposti di Sturtevant erano che:

• ·         I geni fossero disposti sui cromosomi in una serie lineare;
• ·         I geni vicini tra loro fossero separati da crossing over meno frequentemente dei geni più lontani;
• ·         Dovesse quindi essere possibile tracciare la sequenza dei geni lungo i cromosomi e conoscere la distanza relativa tra essi.

Supponiamo che dall’unione di due organismi nascano 1000 discendenti e prendiamo in considerazione due caratteri che si trovano sullo stesso cromosoma. Tali caratteri sono pertanto associati e dovrebbero segregare insieme. I risultati reali nel genotipo dei discendenti si discostano da quelli attesi perché si deve tener conto del fenomeno del crossing over. Per sapere quanto i geni che portano i due caratteri sono lontani è sufficiente conoscere il numero dei discendenti ricombinati.

Originariamente scoperti dal biologo francese E. Balbiani nelle ghiandole salivari di insetti simili alle zanzare, nel 1933 vennero trovati nelle stesse ghiandole delle larve di Drosophila dei cromosomi giganti o politenici, caratterizzati da bande chiare e scure ben visibili. Questa configurazione a bande divenne un altro utile strumento per i genetisti, poiché li mise in grado di rilevare variazioni nella struttura dei cromosomi stessi.

Osservando le diverse configurazioni a bande dei cromosomi giganti, i ricercatori riuscirono a localizzare i punti in cui erano avvenute determinate variazioni della struttura cromosomica; tali variazioni comprendono le delezioni, le duplicazioni e le traslocazioni. La correzione tra le diverse configurazioni delle bande nei cromosomi giganti e le conseguenze delle variazioni genetiche osservate nei singoli moscerini della frutta, fornì la definitiva conferma dell’ipotesi di Sturtevant, ossia che i geni si presentano sui cromosomi in una sequenza lineare.