EXAMEN - Genetica [PDF]

Zitiervorschau

Genetica

1. Ereditatea si variabilitatea

Ereditatea reprezinta mostenirea de catre urmasi a informatiei necesara realizarii caracterelor parentale. Ereditatea este o functie a organismelor vii. Ereditatea este un proces informational: de stocare, de expresie, de trasmitere a informatiei ADN-ul este substratul molecular al ereditatii. ADN-ul - stocheaza informatia la nivelul secventei nucleotidice - exprima informatia prin sinteza de protein (transcriptiei) - transmite informatia in descendenta prin replicare urmata de diviziune celulara Cromozomii reprezinta substratul morfologic al ereditatii si sunt vizibili numai in diviziune.

Variabilitatea reprezinta ansamblul diferentelor dintre: indivizii unei populatii si populatii diferite. Sursele de variabilitate sunt: mutatiile, recombinarile genetice si migratiile.

2. Individualitatea bio-psiho-sociala

Genetica modernă a demonstrat că fiecare om este unic atât prin structura sa genetică cât şi prin mediul în care s-a dezvoltat în timp. Rezultă deci că unicitatea omului este bio-psiho-socială.. Ansamblul unic de caractere specifice, produse prin interacţiunea permanentă, dar în proporţii diferite, dintre ereditate (genotip) şi mediu se numeşte individualitate biologică sau fenotip.

3. Determinismul caracterelor fenotipice

Caracterele fenotipice normale sau anormale ale organismului sunt produse prin acţiunea eredităţii (genotipului) şi mediului. În funcţie de ponderea celor doi factori cauzali se pot deosebi teoretic trei categorii de caractere: caractere pur ereditare; caractere determinate de interacţiunea ereditate - mediu; caractere pur ecologice (neereditare).

CARACTERE FENOTIPICE PUR EREDITARE. Caracterele pur ereditare sunt determinate exclusiv de structura genetică, normală sau modificată, a unui individ, deci de către genotip. Caracterele pur ereditare sunt de trei feluri: caractere de specie, caractere ereditare normale, caractere anormale / boli genetice. a). Caracterele de specie sunt strict genetice: fiecare specie are o anumită structură genetică, ordonată într-un set fix şi caracteristic de cromosomi, cu o anumită morfologie. Această configuraţie specifică realizează o "barieră" reproductivă între specii. b). Caracterele ereditare normale sunt determinate monogenic şi transmise mendelian. Ele sunt reprezentate de diferite sisteme grupale: grupele sanguine (ABO, Rh, MN, etc.), serice (haptoglobine, transferine, ş.a.), enzimatice (fosfatază acidă,etc.) şi tisulare (antigenele HLA).

c). Caracterele ereditare anormale sunt prezente numai la unii indivizi. Ele sunt produse de mutaţii şi reprezentate de bolile cromosomice, bolile monogenice şi bolile mitocondriale.  Bolile cromosomice sunt produse de adiţia (trisomie) sau pierderea (monosomie) unui cromosom întreg sau a unei părţi din cromosom; de ex., sindromul Down (trisomia 21) sau sindromul Turner (monosomia X).  Bolile monogenice sunt produse de mutaţia unei gene (din genomul nuclear) cu efect major, care determină boala prin anomalii ale unor proteine de structură (hemoglobină, colagen, factori de coagulare, etc.) sau enzime (erori înnăscute de metabolism etc.). Aceste mutaţii se transmit în succesiunea generaţiilor după tipul mendelian: autosomal dominant.  Bolile mitocondriale sunt un tip particular de boli monogenice produse de mutaţii în genomul mitocondrial, care afectează producerea de energie în muşchi şi nervi; ele au un rol important în îmbătrânirea celulară. Bolile mitocondriale se moştenesc întrun mod particular: de la mamă la toţi copii, dar băieţii afectaţi nu transmit boala.

CARACTERE DETERMINATE DE INTERACŢIUNEA EREDITATE - MEDIU Numeroase caractere fenotipice, normale sau anormale, sunt produse de interacţiunea, în proporţii diferite, dintre ereditate şi mediu. De aceea aceste caractere sunt numite caractere multifactoriale. a). Caracterele multifactoriale normale sunt determinate de interacţiunea variabilă dintre ereditate şi mediu; ex.: talia, greutatea, tensiunea arterială, inteligenţa, etc. În realizarea acestor caractere multifactoriale ereditatea determină o parte din caracter, mai mare sau mai mică (denumită heritabilitate), precum şi limita superioară sau potenţialul genetic până la care poate fi dezvoltat acel caracter, în cele mai favorabile condiţii de mediu. b). Caractere multifactoriale anormale sunt reprezentate de anomaliile congenitale izolate (de ex., malformaţiile congenitale de cord, spina bifida, despicăturile labio-maxilo-palatine etc) şi de numeroase boli comune ale adultului (hipertensiunea arterială esenţială, boala coronariană, diabetul zaharat, ulcerul gastric / duodenal, unele cancere, etc.) c) Bolile prin mutaţii somatice sunt produse prin efectul cumulativ al unor mutaţii somatice succesive, în gene diferite, unele determinate de factori de mediu, altele prin erori de replicare a ADN.

CARACTERE FENOTIPICE DETERMINATE DE MEDIU. a). Caractere "ecologice". Mediul extern este reprezentat de diferiţi agenţi fizici, chimici sau biologici care pot produce deseori îmbolnăviri: arsuri, traumatisme, boli de iradiere, intoxicaţii, infecţii. Aceste boli sunt aparent negenetice. b). Ecogenetică şi farmacogenetică. Studiul variaţiilor individuale determinate genetic la acţiunea factorilor externi se realizează astăzi de o ramură a geneticii umane numită ecogenetică. De ex. alergenii induc astm la perosanele susceptibile (atopie); laptele sau alcoolul nu sunt tolerate de persoanele cu deficienţe în lactază şi, respectiv, alcooldehidrogenază.

RELATIA GENOTIP  FENOTIP  MEDIU. Interacţiunea dintre ereditate şi mediu se poate exprima sintetic prin relaţia: GENOTIP

FENOTIP

MEDIU Reamintim că prin genotip se înţelege structura genetică unică şi caracteristică unui individ, care se stabileşte în momentul fecundării şi rămâne stabilă în cursul dezvoltării. Prin termenul de fenotip se defineşte totalitatea caracterelor manifeste şi specifice ale unui organism determinate de interacţiunea genotipului cu mediul în care trăieşte acel organism. Dependent de ereditate şi mediu fenotipul este variabil, se poate schimba.

4. Clasificarea acizilor nucleic



Acizi dezoxiribonucleici: ADN (format din două lanțuri de polinucleotide);



Acizi ribonucleici: ARN (format dintr-un singur lanț de polinucleotide).

Tipuri de ARN 

ARN-mesager (ARNm): copiază informația genetică de pe ADN și o transmite în citoplasma celulei la locul sintezei proteice (în ribozomi);



ARN de transport (ARNt): transportă aminoacizi la locul sintezei proteice;



ARN ribozomal (ARNr): intră în alcătuirea ribozomilor;



ARN viral (ARNv): este material genetic la unele virusuri.

5. Structura primara si secundara a ADN-ului

În anul 1953, James Watson şi Francis Crick au propus un model al moleculei de ADN alcătuit din două catene polinucleotidice, legate complementar prin bazele azotate, înfăşurate într-o elice dublă, răsucită spre dreapta.

STRUCTURA PRIMARĂ A ADN Acizii nucleici sunt substante chimice macromoleculare formate din unitati simple numite nucleotide. Nucleotida este alcatuita din 3 componente: nucleosida (baza azotata si pentoza) si radical fosfat (riboza in ARN si dezoxiriboza in ADN). Bazele azotate sunt purinice (A, G) sau pirimidinice (T, C, U).

A, G, U sunt prezente in ADN si ARN, T doar in ADN, iar U doar in ARN. Radicalul fosfat formeaza legaturi esterice cu pentozele. Legatura se face intre al 5-lea atom de C al unei pentoze (C5’) si al 3-lea atom de C al pentozei urmatoare (C3’) rezultand catene polinucleotidice. Legarea nucleotidelor intre ele cu formarea lanturilor polinucleotidice, reprezinta structura primara a acizilor nucleici. Structura primara a ADN-ului este monocatenara, reprezentata de secventa de nucleotide dintr-o catena.

STRUCTURA SECUNDARA A ADN Structura secundara a ADN-ului este reprezentata de structura bicatenara sub forma de dublu helix. Molecula de ADN este bicatenara, fiind formata din doua catene polinucleotidice rasucite un in jurul celeilalte in spirala, formand un dublu helix, cu bazele azotate dispuse spre interior. Cele doua catene de ADN sunt antiparalele, o catena are orientare 5’ - 3’, iar cealalta catena in sensul 3’ – 5’. Citirea informatiei genetice se face intotdeauna in directia C5’-C3’. Cele doua catene sunt complementare, in sensul ca intotdeauna o nucleotida care contine o baza azotata purinica se leaga cu o nucleotida care contine o baza azotata pirimidinica si invers. Structura bicatenara a ADN-ului se realizeaza cu ajutorul unor punti de hidrogen: duble intre A si T, si triple intre G si C.

6. Polimorfismul structurii de ADN

7. Forma clasică a structurii ADN, descrisă de Watson şi Crick, corespunde conformaţiei de tip B. S-au descris însă şi alte conformaţii sau isoforme: A şi C, mai frecvente, D şi E, mai rare. 8. În organism, în anumite regiuni ale moleculei de ADN (cu o anumită secvenţă nucleotidică) se produc frecvent modificări (tranziţii) conformaţionale A  B C. 9. În 1979, Rich şi Dickerson descoperă un tip particular de ADN-Z sau ADNsenestra. El are o moleculă dublu elicală, orientată spre stânga, care îşi pierde simetria caracteristică formei B, deoarece axul fosfo-glucidic ia o formă neregulată în zig-zag, producând deformarea şi alungirea moleculei de ADN (figura 2.8). Conformaţia ADN-Z este o conformaţie normală, există "in vivo" şi apare, în anumite condiţii fizico-chimice, în regiunile bogate în perechi de baze G-C, prin tranziţia / conversia formei B (sub acţiunea unei topoisomeraze, prin rotarea bazelor cu 180 ); tranziţia B  Z este reversibilă. 10. ADN-Z intervine foarte probabil în inactivarea unor gene şi, deci, în controlul expresiei informaţiei genetice. Conversia locală B  Z (mai ales în situsurile de reglare a transcripţiei) poate fi realizată prin fixarea mai intensă a histonelor sau a altor molecule ce produc represia genelor sau prin metilarea citozinei din situsurile GC. Astfel, un "viraj la stânga" la începutul unei gene determină stoparea activităţii ei. 11. Tranziţia B  Z ar determina însă şi evidenţierea unor situsuri din ADN în care se fixează mai facil agenţi mutageni sau cancerigeni. Pentru aceasta pledează faptul că mutaţiile apar mai frecvent la nivelul secvenţelor G-C care iau conformaţia Z. 12. În finalul acestei prezentări este important de subliniat faptul că tranziţia ADN BZ ca şi modificările conformaţionale A  B  C care apar în anumite regiuni ale ADN (cu o secvenţă specială a nucleotidelor), demonstrează elocvent faptul că molecula de ADN nu are o structură fixă, rigidă, încremenită. În funcţie de condiţiile de mediu, moleculele ADN sînt flexibile, într-o permanentă stare dinamică, deformându-se neîncetat; pe drept cuvânt se poate spune că molecula de ADN (simbolul vieţii) "pulsează sau respiră".

7. Structura genomului uman

Termenul de genom a fost creat (Winkler, 1920) pentru a denumi setul haploid de cromosomi din gameţii eucariotelor. Ulterior el a fost folosit pentru a desemna ansamblul genelor unui organism. Complementul cromozomial uman normal este alcatuit din 46 de cromozomi: 22 perechi de autozomi si o pereche de heterozomi (cromozomii sexului, notati cu XX la femeie si XY la barbati). Tipuri de cromozomi in functie de pozitia centromerului: * Cromozomi metacentrici – centromerul este plasat median - au doua brate egale * Cromozomi submetacentrici – centromerul este plasat submedian - au doua brate inegale * Cromozomi acrocentrici – centromerul este plasat aproape de unul dintre capete - prezinte constrictie secundara care delimiteaza satelitul * Cromozomi telocentrici – centromerul este plasat la capatul cromozomului - au un singur brat - lipsesc la om Cariotipul uman normal cuprinde 7 grupe notate cu litere: A, B, C, D, E, F, G.

8. Definitia genei

. În concepţia actuală se consideră că gena este un ansamblu de secvenţe ale ADN necesar pentru producerea unei molecule funcţionale (proteină sau ARN); mai concis, gena este o unitate de transcripţie. În concepţia clasică, gena reprezintă un segment de cromosom, precis delimitat, continuu (indivizibil), care determină un anumit caracter fenotipic. Regiunea centrală a genei începe cu situsul de iniţiere (start) al transcripţiei. Exonii sunt secvenţe transcrise în ARN mesager precursor şi păstrate în ARNm matur (denumirea lor se bazează pe faptul că sunt secvenţe ce se exprimă şi părăsesc – exit - nucleul. Ei sunt regiunile funcţionale din structura genei, care deobicei codifică anumite părţi structurale şi/sau funcţionale distincte ale proteinei, numite domenii. Numărul exonilor variază de la o genă la alta (între 2 şi mai mult de 50) precum şi la diferite organisme. Intronii - sunt secvenţe necodante, transcrise iniţial în ARNm precursor (transcript primar) dar decupate precis şi îndepărtate ulterior din ARNm matur 1, ce va fi alcătuit prin asamblarea exonilor. Numărul intronilor este cu unul mai mic decât cel al exonilor. Regiuni reglatoare - Cadrul de lectură al oricărei gene este flancat de două regiuni laterale, netranscrise, (regiunea laterala 5’ si regiunea laterala 3’) care au rolul de a semnaliza iniţierea transcripţiei de către ARN polimerază şi de a regla intensitatea ei.

1

9. Concepţia clasică privind structura şi funcţia genei (locus, alele, polialele, dominanţă, recesivitate, codominanţă. homozogoţie, heterozigoţie, linkage, crossing-over).

a). Locus Gena ocupă în cromosom o poziţie fizică fixă, totdeauna aceeaşi, numită locus (plural = loci). Acesta poate fi situat pe autosomi ("loci autosomali") sau pe cromosomii sexuali.

b). Gene alele. Polialelie. Fiecare genă se găseşte în natură, la indivizii unei specii, într-o formă "standard", normală sau de tip "sălbatic". Ea poate suferi o mutaţie, care produce o formă alternativă a genei; această variantă alternativă a genei ce ocupă acelaşi locus şi influenţează acelaşi caracter se numeşte genă alelă. O genă poate suferi însă mai multe mutaţii diferite cu efecte fenotipice variate dar limitate la acelaşi caracter; rezultă variante alelice diferite sau alele multiple iar fenomenul se numeşte polialelie.

c). Homozigot, heterozigot, hemizigot. Genele alele (normale-N sau anormale-A) ce ocupă loci omologi pot fi identice sau diferite. În primul caz (gene alele identice) genotipul 2 ca şi organismul care le posedă este homozigot (NN sau AA) iar în al doilea caz (gene alele diferite) va fi heterozigot (NA).

2

d). Dominant, codominant şi recesiv. Gena şi caracterul care se manifestă la heterozigoţi sunt numite dominante şi se notează de obicei cu majuscule. Gena care nu se manifestă fenotipic la heterozigoţi şi se exprimă numai în stare homozigotă se numeşte recesivă şi se notează de obicei cu literă mică;. De exemplu, la persoanele cu genotip Na gena N este dominantă şi fenotipul va fi normal; indivizii respectivi vor fi însă purtători ai unei gene recesive a. În acelaşi context, persoanele An vor fi fenotipic anormale / bolnave, deoarece gena A este dominantă iar genă n, recesivă. Genele recesive se exprimă însă la homozigoţii aa sau nn. Alteori, ambele gene alele se manifestă fenotipic la heterozigoţi şi vor fi codominante. De ex. genele A şi B din sistemul multialelic ce determină grupul sanguin ABO sunt dominante faţă de gena O şi codominante una faţă de alta; genotipurile Ao, Bo şi AB determină fenotipurile sau grupele sanguine A, B şi respectiv AB.

e) Inlantuirea genetica (linkage) Fenomenul în care genele nealele situate aproape una de alta pe acelaşi cromosom nu segregă (nu se separă) în meioză şi au tendinţa de a se transmite mai frecvent împreună în succesiunea generaţiilor se numeşte înlănţuire genică ("linkage" în limba engleză).

f) Crossing-over Fenomen prin care se realizează schimbul reciproc de gene între cromozomii omologi, ceea ce determină recombinarea genetică a organismelor. Poate fi simplu, dublu, triplu etc.; în general, fenomenul se produce în cursul meiozei.

10. Transcriptia si translatia. Codul genetic

Transcipţia este procesul de copiere a informaţiei genetice a unei gene, sub formă codificată, complementară şi antiparalelă, într-o molecula de ARN. Acest proces are loc în nucleu. Procesul de transcripţie la eucariote se desfăsoară în două mari etape:  formarea ARN mesager precursor (pre-ARNm) sau transcriptul primar3, prin transcripţia integrală a genei (exoni şi introni);  maturarea pre-ARNm, printr-o serie de modificări din care rezultă ARNm matur, ce va trece în citoplasmă. Translatia consta in transfomarea unei secvente de nucleotide din ARNm intr-o secventa de aminoacizi in molecula proteica.

Codul genetic este degenerat, fiind alcatuit din 64 codoni si 20 de aminoacizi. Din cei 64 de codoni ai codului genetic, 61 codifica cei 20 de aminoacizi, iar 3 codoni (UAA, UAG, UGA) nu codifica aminoacizi, sunt codoni STOP. * Codul genetic este nesuprapus, ceea ce inseamna ca doi codoni vecini nu au nucleotide ocmune. * Codul genetic este fara virgule sau alte semne de punctuatie. * Codul genetic este universal in toata lumea vie aceeasi codoni codifica acelasi aminoacid.

3

Reglarea expresiei genetice

REGLAREA PRETRANSCRIPTIONALĂ (EPIGENETICĂ)

Reglarea pretranscripţională a expresiei genice vizează manifestarea lor “spaţială” în anumite organe, ţesuturi, linii sau tipuri celulare şi chiar celule individuale. Presupune selecţia anumitor gene în celulele embrionare diferenţiate şi menţinerea acestei expresii diferenţiate în descendenţa lor. Sunt realizate prin intervenţia unor mecanisme epigenetice.

REGLAREA TRANSCRIPŢIONALĂ.

Controlul transcripţional al expresiei genice vizează reglarea activităţii ARN polimerazei II. Reglarea transcripţională implică interacţiunea unor proteine (factori trans-reglatori) cu secvenţe specifice de pe ADN (elemente cis-reglatoare).

REGLAREA POSTTRANSCRIPŢIONALĂ.

Reglarea expresiei genelor se poate face şi prin mecanisme ce pot interveni post-transcripţional, modificând calitativ sau cantitativ formarea ARNm matur. Mai frecvent este vorba de matisarea sau poliadenilarea alternativă.

REGLAREA TRANSLAŢIONALĂ

Există cu certitudine o reglare translaţională a sintezei de proteine dar aceasta este puţin cunoscută. Probabil că unele mecanisme care produc acest tip de reglare influenţează stocajul mesagerilor.

Cromatina: eucromatina si heterocromatina



Eucromatina, cu localizare în regiunea centrală a nucleului, constituită din ADN activ transcripțional (de exemplu, gene ce pot fi traduse în proteine); EUCROMATINA





include zone cu gene “active”



puţin ADN repetitiv



acetilată



conţinut bogat în C-G



fin dispersată în interfază



replicare precoce

Heterocromatina, cu localizare la periferia nucleului, constituită din ADN inactiv transcripțional. Heterocromatina poate fi de două tipuri: heterocromatină constitutivă și heterocromatină facultativă. HETEROCROMATINA (10% din genom)



include zone cu activitate transcripţională redusă



conţinut bogat în A-T



bogată în secvenţe repetitive



slab acetilată



grad de condensare accentuat



o parte se păstrează condensată pe toată durata ciclului celular



se replică tardiv



localizată pericentric, telomeric, NOR

Cromatina sexuala X

Cromocentru vizibil, in mod normal, in nuclei interfazici ai celulelor apartinand sexului feminin; ea rezulta prin heterocromatinizarea unuia dintre cei doi cromozomi X. Ciclul celular

Ciclul celular reprezintă succesiunea de evenimente biochimice şi morfologice care se produc în viaţa unei celule, din momentul formării şi până la sfârşitul diviziunii sale. Ciclul celular are două mari perioade: interfaza şi diviziunea. Interfaza reprezintă perioada cuprinsă între două diviziuni succesive, în care se desfăşoară toate activităţile specifice unei celule. Evenimentul cel mai important al interfazei este sinteza de ADN (replicarea). Ea se produce într-o perioadă limitată a interfazei, denumită faza S. Datorită acestui proces, interfaza poate fi subdivizată în trei etape succesive: faza G1 (presintetică), faza S (de sinteză) şi faza G2 (postsintetică sau premitotică). Diviziunea celulară sau faza M ("mitotică") este alcătuită dintr-o serie de procese secvenţiale prin care materialul genetic (ADN), replicat în interfază, se distribuie egal şi total formând doi nuclei distincţi, iar celula se împarte în două celule fiice (citokineză); acestea vor fi identice cu celula din care au provenit. Prin replicarea ADN-ului şi diviziune se asigură transmiterea fidelă a informaţiei genetice în succesiunea generaţiilor celulare.

Replicarea ADN-ului

Schematic, dubla spirală a ADN se separă în cele două catene componente, formând o structură în formă de Y numită “furcă de replicare”. Fiecare catenă serveşte apoi ca matriţă sau tipar pentru aranjarea complementară şi secvenţială a deoxiribonucleotidelor activate, care vor fi polimerizate sub acţiunea ADN polimerazei. Astfel, o moleculă bicatenară de ADN va forma două molecule noi, identice între ele precum şi cu molecula “parentală”, fiecare formată dintr-o catenă "veche" şi o catenă "nou sintetizată"; de aceea procesul de sinteză al ADN a fost numit replicare semiconservativă.

ADN polimerazele. La om au fost identificate cinci tipuri de ADN polimeraze, denumite α, β, γ, δ şi ε. ADN helicazele desfac dublu helixul de ADN (folosind energia furnizată de ATP) şi “eliberează” monocatenele ce vor funcţiona ca matriţe pentru replicare. ADN topoisomerazele I şi II despiralizează helixul ADN şi eliberează tensiunea din molecula de ADN. Proteinele de replicare A (RPA) menţin separate cele două catene desfăcute de helicaze. Proteinele de replicare C (RPC) recunosc specific şi se leagă la joncţiunea dintre primer si matriţă, fiind responsabile de medierea şi stabilizarea interacţiunii ADN polimerazei cu matriţa ADN. PCNA (de la Proliferating Cell Nuclear Antigen) se leagă în imediata vecinătate a proteinelor RPC şi, împreună, sunt principalele proteine asociate ADN polimerazei. PCNA se organizează sub forma unor dimeri care au configuraţia spaţială a unui inel ce lunecă de-a lungul matriţei ADN şi permit încorporarea neîntreruptă a mii de nucleotide în catena ADN nou sintetizată. Blocarea PCNA (de exemplu, prin proteina p21) opreşte replicarea ADN. Ribonucleaza H1 (RNaza H1) îndepărtează amorsele ARN folosite de ADN polimeraze pentru iniţierea replicării; lacuna rezultată este completată, refăcută, de ADN polimerază δ iar refacerea continuităţii catenei este realizată prin sudarea capetelor, de către o ADN ligază.

Replicarea telomerelor Telomerele sunt structuri cromatiniene specializate, situate la capetele cromosomilor eucariotelor, care asigură stabilitatea cromosomilor şi împiedică unirea cromosomilor prin capetele lor. In celulele umane, lungimea telomerelor este de 8000 perechi de baze la nastere, 3000 la maturitate si 1500 la varste inaintate. La fiecare ciclu celular se pierd 25-200 pb. Aceasta duce la scurtarea progresivã a telomerelor.

Fidelitatea replicarii ADN-ului Acurateţea replicării ADN este critică pentru transmiterea informaţiei ereditare în succesiunea celulelor şi organismelor. De aceea, organismul uman posedă numeroase

mecanisme care determină ca rata erorilor de împerechere apărute în cursul procesului de replicare să fie extrem de redusă. Un prim mecanism prin care ADN polimerazele ajută la cresterea fidelităţii replicarii este prin inserţia corectă a bazelor în catena ADN nou sintetizată Un alt mecanism major responsabil pentru acurateţea replicării ADN este activitatea de autocorecţie a ADN polimerazelor.