I primi esperimenti di genetica sulla drosofila (▶figura 16) furono effettuati a partire dal 1909 da Thomas Hunt Morgan e dai suoi allievi presso la Columbia University. Morgan scelse il moscerino della frutta come modello sperimentale perché presentava una serie di caratteristiche vantaggiose: le dimensioni ridotte, la facilità di allevamento, la brevità dell’intervallo fra una generazione e la successiva, la facilità nell’identificare caratteri chiaramente riconoscibili, la possibilità di indurre con una certa facilità mutazioni creando nuovi alleli accanto a quelli selvatici. Ancora oggi la drosofila resta un soggetto estremamente importante per gli studi di struttura dei cromosomi, di genetica di popolazioni, genetica dello sviluppo e genetica del comportamento.

Il gruppo di Morgan effettuò diversi tipi di esperimenti, alcuni dei quali erano finalizzati a verificare la validità della terza legge di Mendel. Per raggiungere questo scopo Morgan prese in esame diversi caratteri per verificare se i loro alleli segregavano indipendentemente secondo quanto stabilito da Mendel.

Egli scoprì così che in molti casi i rapporti fenotipici erano in disaccordo con quelli previsti dalla legge dell’indipendenza. Consideriamo per esempio i caratteri «colore del corpo» e «forma delle ali», entrambi determinati da una coppia di alleli:

1. l’allele selvatico B (corpo grigio) domina su b (corpo nero);
2. l’allele selvatico F (ali normali) domina su f (ali vestigiali, cioè di dimensioni ridotte).

Incrociando un individuo eterozigote per entrambi i caratteri (genotipo BbFf) con un individuo omozigote recessivo (genotipo bbff) Morgan si aspettava di osservare quattro fenotipi in rapporto di 1:1:1:1, ma successe qualcosa di diverso. Il gene per il colore del corpo e il gene per la dimensione delle ali non si distribuivano in modo indipendente: anzi, per lo più venivano ereditati congiuntamente. Solo un piccolo numero di individui presentava la ricombinazione prevista da Mendel. Questi risultati trovarono una spiegazione quando Morgan considerò la possibilità che i due loci fossero situati sullo stesso cromosoma, cioè che fossero associati.

Dopo tutto, dato che in una cellula il numero dei geni è molto superiore a quello dei cromosomi, ogni cromosoma deve contenere parecchi geni. Oggi diciamo che l’intera serie di loci di un dato cromosoma costituisce un gruppo di associazione. Il numero di gruppi di associazione tipico di una specie corrisponde al suo numero di coppie di cromosomi omologhi.

Adesso supponiamo che i loci Bb e Ff siano realmente posizionati su uno stesso cromosoma. Allora perché non tutti i moscerini dell’incrocio di Morgan presentavano i fenotipi parentali? In altre parole, perché l’incrocio produceva anche qualcosa di diverso da moscerini grigi con ali normali (tipo selvatico) e moscerini neri con ali vestigiali? Se l’associazione fosse assoluta, cioè se i cromosomi rimanessero sempre integri e immutati, dovremmo aspettarci di osservare soltanto questi due tipi di progenie. Invece, non sempre è così.

Un’associazione assoluta è un evento estremamente raro. Se l’associazione fosse assoluta, la legge di Mendel dell’indipendenza si applicherebbe soltanto ai loci situati su cromosomi diversi. La realtà dei fatti è più complessa e quindi anche più interessante. Dato che i cromosomi si possono spezzare, è possibile che si verifichi una ricombinazione di geni: talvolta durante la meiosi geni posti in loci diversi di uno stesso cromosoma effettivamente si separano l’uno dall’altro.

Si può avere ricombinazione fra geni quando, durante la profase I della meiosi, due cromosomi omologhi si scambiano materialmente segmenti corrispondenti, cioè attraverso il crossing-over (▶figura 17). Come abbiamo visto nel capitolo precedente, durante la fase S del ciclo cellulare il DNA si duplica; perciò alla profase I, quando le coppie di cromosomi omologhi si avvicinano e formano le tetradi, ciascun cromosoma è composto di due cromatidi. Gli episodi di scambio coinvolgono soltanto due dei quattro cromatidi di una tetrade, uno per ciascun rappresentante della coppia di omologhi, e possono verificarsi in qualsiasi punto lungo il cromosoma.

Fra i segmenti di cromosoma interessati avviene uno scambio reciproco, perciò tutti e due i cromatidi che partecipano al crossing-over diventano ricombinanti (cioè, finiscono per contenere geni provenienti da entrambi i genitori). Di solito lungo tutta l’estensione di una coppia di omologhi si verificano più episodi di scambio.

Se fra due geni associati avviene un crossing-over, non tutta la progenie di un incrocio presenta i fenotipi parentali; come nell’incrocio di Morgan, compare anche una prole ricombinante. Ciò avviene in una percentuale di casi, detta frequenza di ricombinazione, che si calcola dividendo il numero di figli ricombinanti per il numero totale di figli (▶figura 18).

Se due loci si trovano vicini nel cromosoma, le probabilità che un crossing-over si verifichi proprio nel mezzo sono scarse; se invece i due loci sono lontani, esistono molti punti intermedi nei quali può avvenire un crossing-over. Questa situazione è una conseguenza del crossing-over: maggiore è la distanza fra due geni e più numerosi sono i punti del cromosoma nei quali può avvenire la rottura e la ricongiunzione dei cromatidi.

In una popolazione di cellule in meiosi, la percentuale che subisce ricombinazione fra due loci è maggiore se i loci sono lontani rispetto a quella di due loci vicini. Nel 1911, Alfred Sturtevant, allora laureando nel laboratorio di Morgan, si rese conto che questa semplice intuizione poteva servire per scoprire la posizione reciproca dei geni sul cromosoma.

Il gruppo di Morgan aveva stabilito le frequenze di ricombinazione per molte coppie di geni associati della drosofila. Sturtevant utilizzò questi valori per creare delle mappe genetiche che mostravano la disposizione dei geni lungo il cromosoma (▶figura 19). A partire dalla prima utilizzazione ad opera di Sturtevant, questo metodo è servito ai genetisti per mappare i genomi di procarioti, eucarioti e virus esprimendo le distanze fra geni in unità di mappa corrispondenti a una frequenza di ricombinazione di 0,01; questa unità è nota anche come centimorgan (cM), in onore del fondatore del laboratorio delle drosofile. La ▶figura 20 ti insegna a costruire una mappa genetica.