Genotipo

Una molecola di DNA: i due filamenti sono composti da nucleotidi, la cui sequenza costituisce l'informazione genetica.

Il termine genotipo (dal tedesco Genotypus, a sua volta derivante dall'unione di "Gen" ovvero gene e della parola greca "τύπος" ovvero tipo) si riferisce all'insieme di tutti i geni che compongono il DNA (corredo genetico / identità genetica / costituzione genetica) di un organismo o di una popolazione. Ogni gene, singolarmente e/o in modo cooperativo, contribuisce in maniera diversa allo sviluppo, alla fisiologia e al mantenimento funzionale dell'organismo.

L'insieme dei caratteri osservabili viene chiamato fenotipo. Il genotipo, da solo, non definisce o determina il fenotipo, ma piuttosto interagisce con l'ambiente (esterno o interno) nel determinarlo. Quindi, due individui con lo stesso genotipo (ad esempio gemelli monozigoti) non necessariamente hanno un fenotipo identico: ciò può essere spiegato attraverso i meccanismi dell'epigenetica, ossia quell'attività di regolazione genica che, attraverso processi chimici, pur non alterando direttamente la sequenza nucleotidica, può modificare il fenotipo dell'individuo o della progenie. Questi fenomeni epigenetici alterano l'accessibilità fisica al genoma da parte di complessi molecolari deputati all'espressione genica, e quindi influenzano il funzionamento dei geni.

Origine del termine

Il termine, coniato da Mendel a metà del XIX secolo e dimenticato dalla comunità scientifica per decenni, è stato recuperato da Hugo de Vries e Carl Correns nel 1900. L'esperimento di Hershey-Chase ha dimostrato che il DNA è il supporto fisico del genotipo e William Bateson ha reso popolare l'utilizzo di questo termine. Oggi il termine è utilizzato nel mondo accademico e della ricerca. Thomas Hunt Morgan ha studiato il legame tra geni sullo stesso cromosoma, complesso costituito da DNA associato a proteine, ed ha costruito le prime mappa genetiche. In seguito James Watson e Francis Crick, descrivendo la struttura molecolare del DNA, hanno aperto la porta al sequenziamento del DNA. Ciò è stato possibile soprattutto attraverso il contributo di Kary Mullis nello sviluppo della PCR. L'interesse scientifico per queste scoperte è stato molto forte e il progetto genoma umano, guidato da Craig Venter, è stato realizzato con l'obiettivo di sequenziare per intero il genoma umano e quello di altri organismi, compresi virus e batteri.

Omozigote ed eterozigote

Diagramma genetico: il quadrato di Punnet descrive gli incroci mendeliani tra fiori eterozigoti per il colore viola.

Negli organismi diploidi, dotati di due copie di ciascun cromosoma (cromosomi omologhi), il genotipo relativo a un singolo carattere è determinato dalla combinazione degli alleli del gene corrispondente presenti nell’individuo. Se i due alleli situati nello stesso locus genico (ossia la posizione occupata da un gene sul cromosoma) sono identici, l’individuo è detto omozigote; se invece differiscono, è definito eterozigote (Aa). L’omozigote può essere ulteriormente distinto in dominante (AA) o recessivo (aa), in base al tipo di alleli posseduti.

L’effetto combinato dei due alleli determina il fenotipo, ovvero la manifestazione osservabile del carattere. Un carattere monofattoriale è controllato da un singolo gene, e la sua espressione dipende dai due alleli presenti nei cromosomi omologhi. Al contrario, l’espressione di un carattere multifattoriale è influenzata da più geni (loci) e/o da fattori ambientali. In alcuni casi, l’interazione tra geni può portare al fenomeno dell’epistasi, in cui un gene maschera l’espressione fenotipica di tutti gli alleli di un altro gene.

Per determinare un genotipo ignoto (generalmente in un individuo che manifesta il fenotipo dominante, poiché un individuo con fenotipo recessivo è quasi sempre omozigote recessivo) si effettua un incrocio con un individuo omozigote recessivo. Questo tipo di incrocio è noto come testcross, e l’osservazione dei fenotipi nella progenie permette di risalire al genotipo dell’individuo analizzato.

Come illustrato dal quadrato di Punnett, se l’individuo dal genotipo ignoto è omozigote dominante, l’incrocio con un omozigote recessivo produrrà esclusivamente individui eterozigoti, tutti con fenotipo dominante. Al contrario, se il genotipo ignoto è eterozigote, la progenie risulterà composta per il 50% da eterozigoti (con fenotipo dominante) e per il restante 50% da omozigoti recessivi (con fenotipo recessivo).

	A	A
a	Aa	Aa
a	Aa	Aa

	A	a
a	Aa	aa
a	Aa	aa

Il quadrato di Punnett mette in relazione i contributi genetici dei due genitori, consentendo di rappresentare in modo statistico la probabilità che la prole presenti un determinato genotipo e, di conseguenza, un certo fenotipo. Solo in rari casi si ottiene una probabilità del 100% (o dello 0%); nella maggior parte delle situazioni si tratta invece di semplici probabilità, motivo per cui non è possibile avere certezze sull’espressione dei caratteri fino alla nascita della prole, neppure nel caso di figli successivi.

Ad esempio, se un genitore è omozigote recessivo (aa) e l’altro è eterozigote (Aa), vi sarà una probabilità del 50% che il figlio sia eterozigote e del 50% che sia omozigote recessivo. Una convinzione comune sostiene che, in tali casi, se un figlio manifesta il fenotipo dominante, il fratello debba necessariamente mostrare il fenotipo recessivo, affinché le probabilità si “bilancino”. In realtà, ogni nuova fecondazione rappresenta un evento indipendente: anche il secondogenito avrà la stessa probabilità del 50% di essere eterozigote e del 50% di essere omozigote recessivo.

Il genotipo di un individuo dipende quindi esclusivamente dal corredo genetico trasmesso dai genitori, ma è indipendente da quello dei fratelli o delle sorelle.

Genotipo ed eredità mendeliana

La distinzione tra genotipo e fenotipo risulta particolarmente evidente nello studio degli alberi genealogici di malattie ereditarie, come l’emofilia. Un caso storico spesso citato è quello della regina Vittoria (1819-1901), portatrice del gene responsabile della malattia: i discendenti della famiglia reale britannica evitarono l’emofilia poiché Edoardo VII e la sua discendenza non ereditarono l’allele difettoso.

L’emofilia è una patologia legata al cromosoma X. In base alle leggi di Mendel, gli alleli possono essere dominanti (G) o recessivi (g). Nei maschi, tuttavia, non si può parlare di dominanza o recessività, poiché sono emizigoti: possiedono una sola copia del cromosoma X, ereditata esclusivamente dalla madre.

Se il padre è emofilico e la madre è portatrice (eterozigote, Gg), le figlie femmine avranno una probabilità del 50% di essere emofiliche e del 50% di essere portatrici sane. I figli maschi, invece, avranno il 50% di probabilità di essere emofilici e il 50% di essere sani. Se il padre è sano, le figlie potranno al massimo essere portatrici, come la madre.

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  La giovane regina Vittoria.
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  Interazioni dei geni recessivi legati al cromosoma X.

Genetica delle popolazioni

La variabilità tra individui può essere attribuita a tre componenti principali: genetica, ambientale e di interazione tra le due. I genotipi non sono sempre distribuiti casualmente nei diversi ambienti e possono manifestarsi in modo differente a seconda del contesto in cui si trovano; di conseguenza, anche la distribuzione geografica influisce sull’espressione fenotipica. La struttura genetica di una specie, infatti, può variare nel tempo e nello spazio. La migrazione di individui all’interno di una popolazione (detto flusso genico) può modificare la composizione del pool genico, specialmente se i geni introdotti differiscono da quelli dei residenti. Tale processo tende a ridurre le differenze genetiche tra popolazioni e ad aumentare la loro variabilità complessiva.

Un altro fattore determinante nella modulazione del fenotipo è la selezione naturale. Un esempio classico è il melanismo industriale, osservato nella falena screziata (Biston betularia). Prima della rivoluzione industriale, la forma più comune presentava ali di colore chiaro con variegature scure; con l’aumento dell’inquinamento, si diffuse una forma più scura, detta carbonaria, meglio mimetizzata sulle superfici annerite dalla fuliggine. Questo caso evidenzia come l’ambiente possa influenzare la frequenza dei genotipi, favorendo quelli che aumentano la fitness e la sopravvivenza della specie.

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  Biston betularia, forma "chiara"
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  Biston betularia, forma "scura"

Determinazione del genotipo

La genotipizzazione è il processo che permette di identificare il genotipo di un organismo attraverso specifici test biologici (test genotipici). Tra le principali tecniche utilizzate rientrano la PCR, l’analisi di frammenti di DNA, l’impiego di sonde oligonucleotidiche allele-specifiche (ASO), il sequenziamento del DNA e i microarray.

L’analisi dei frammenti di DNA può essere impiegata anche per individuare malattie genetiche associate ad alterazioni del patrimonio cromosomico, come l’instabilità dei microsatelliti (MSI), la trisomia, l’aneuploidia e la perdita di eterozigosi (LOH). La forma più comune di aneuploidia è la trisomia del cromosoma 21, responsabile della sindrome di Down.

Nonostante i progressi tecnologici, le tecniche attualmente disponibili consentono di determinare in modo accurato solo una parte del genotipo complessivo di un individuo.

Bibliografia

• Elementi di microbiologia - G.J. Tortora, B.R. Funke, C.L. Case - 2008.
• (EN) MSIApplicationNote (PDF), su softgenetics.com. URL consultato il 24 maggio 2011 (archiviato dall'url originale il 23 settembre 2007).
• (EN) Trisomyapplicationnote (PDF), su softgenetics.com. URL consultato il 24 maggio 2011 (archiviato dall'url originale il 28 luglio 2007).
• (EN) LOHapplicationnote (PDF), su softgenetics.com. URL consultato il 24 maggio 2011 (archiviato dall'url originale il 28 luglio 2007).
• Fondamenti di biologia molecolare - Lizabeth A. Allison - 2008 - Zanichelli.
• iGenetica - II edizione - Peter J. Russel - 2007 - Edises.

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Collegamenti esterni

• genotipo, su sapere.it, De Agostini.
• (EN) genotype, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• Genetic nomenclature (PDF), su sci.sdsu.edu.
• (EN) IUPAC Gold Book, "genotype", su goldbook.iupac.org.

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