Generalitati despre GENETICA

Generalitati despre GENETICA

Definitie

Genetica reprezinta stiinta ereditatii (Bateson Mendel (parintele geneticii) elaboreaza primele legi ale acestei stiinte incepand cu anul 1865. Genotipul (descoperit de Yohansen) reprezinta totalitatea genelor. Fenotipul este totalitatea caracterelor vizibile la nivelul intregului organism, ca o expresie a genotipului. Gena (descoperita in 1909) are proprietatile conditionate prin "stari, factori, unitati sau elemente speciale, existente in constitutia gametilor si zigotilor". Factorii ereditari sunt prezenti in cromozomi(fig.1), structuri evidente in timpul diviziunii si care la specia umana sunt in numar de 46.

Fig. 1 Structura si harta cromozomilor umani

Factorii genetici

Este demonstrat rolul unor factori genetici in aparitia unor boli (obiectul de cercetare al geneticii medicale). Uneori mai multe gene determina aceeasi boala (ereditate poligenica), alteori o gena este implicata in determinismul mai multor boli (efect pleiotrop). Organismul este rezultatul interactiunii factorilor genetici (mosteniti) cu cei de mediu (dobanditi) in engleza: nature or nurture. Cand factorii de mediu determina o anomalie asemanatoare cu una determinata genetic, avem de-a face cu o fenocopie (care poate fi permanenta sau tranzitorie).

Bolile genetice se clasifica in trei mari gupe:

anomalii legate de o singura mutatie genetica (gena mutanta unica);

anomalii de structura sau de numar ale cromozomilor (cromozomopatii);

anomalii poligenice sau multifactoriale.

Programul genetic normal

Transmiterea caracterelor de la o generatie la alta se face prin replicarea ADN-ului din nucleul celular. Materialul genetic se aranjeaza sub forma de cromozomi in timpul reproducerii.

Bazele moleculare ale expresiei genetice

Structura ADN-ului (fig.2)

ADN-ul reprezinta suportul fizic al informatiei genetice. Cantitatea totala de ADN uman este de 3,6x10¹² Da (daltoni). Celulele sexuale (gametii: spermatozoizi respectiv ovule) au 1/2 din cantitatea de ADN fata de restul celulelor din organism.

ADN-ul formeaza deci :

a.)   46 de cromozomi (46 Cr) - set diploid - celule autozomale;

b.)   23 de cromozomi (23 Cr) - set haploid - celule gonozomale;

Din punct de vedere chimic ADN-ul este un polimer format din nucleotide. Fiecare nucleotid contine:

a.)   o baza azotata (purinica sau pirimidinica);

b.)   un zahar pentozic (2-deoxiriboza);

c.)   acid fosforic

Bazele purinice sunt: adenina (A) si guanina (G).

Bazele pirimidinice sunt: citozina (C) si timinina (T).

Structura ADN-ului a fost descoperita de Watson si Crick si este

reprezentata de modelul de dublu a-helix (structura helicoidala, dextrogira si bicatenara). Polimerizarea se face conform principiului complementaritatii bazelor azotate (A-T si

C-G). Exista o structura primara, secundara si respectiv tertiara a ADN-ului, in functie de reprezentarea sa spatiala.  

ADN-ul este legat de doua feluri de proteine:

a.)   bazice - histone + Ca (calciu);

b.)   acide - nonhistone.

Functiile ADN-ului

a.)   functia de replicare (autocatalitica) este aceea prin care ADN-ul

conserva si transmite informatia genetica;

b.)   functia heterocatalitica prin care ADN-ul transcrie mesajul sub forma de ARN_m (mesager) si codifica sinteza de proteine specifice, dupa modelul: o gena - o proteina;

c.)   functia de variabilitate (recombinari ale fragmentelor de ADN) in gametogeneza si diviziunea celulara

Fig. 2 Ilustrarea structurii de dublu α-helix a moleculei de ADN

Codul genetic

Informatia de pe ADN este codificata sub forma unui limbaj specific determinat de succesiunea bazelor azotate, fiecare reprezentand o litera a alfabetului genetic. Combinatiile care pot rezulta din cele 4 litere (A,G,C,T), la care se adauga si Uracilul (U) ca semn de puctuatie, sunt de ordinul a 2 x 10⁶. Unitatea de baza a codului genetic este reprezentata de codon = o succesiune de 3 litere (triplet). Codonul odata transmis se constituie ca un mesa genetic (rezultat prin replicarea ADN-ului) si are duce apoi la formarea ARN_m, ce preia mesajul, il transmite ribozomilor, care determina sinteza de proteine specifice.

Codul genetic rezulta din ordonarea variata a 3 baze azotate si codifica un numar de 64 aa (aminoacizi) (4³) corespunzator a 64 de codoni. Din cei 64 aa 20 sunt esentiali pentru sintezele proteice (nu pot fi produsi in organism si trebuie adusi prin alimentatie). Mai multi codoni pot specifica acelasi aminoacid, iar trei au rol de semn de punctuatie.

Caracterele codului genetic

este nespecific (dat de succesiunea tripletilor);

este universal valabil pentru toate speciile;

are punctuatii (UAG, UAA, UGA);

inceputul mesajului este reprezentat de o cvadrupleta (AUGA sau AUGC),

iar punctul = non sens;

nu are virgula ci spatii intre codoni;

nu este suprapus (fiecare tripleta este independenta);

este degenerat, adica exista mai multi codoni pentru acelasi aminoacid;

sinteza aminoacizilor se face prin intermediul ARN_m.

Gena

Reprezinta o secventa de mai multe perechi de baze azotate care poarta codul unei informatii specifice (sinteza unei proteine). Totalitatea genelor din materialul gentic (ADN) structurate sub forma de cromozomi reprezinta genomul uman. Are cca. 100.000 de gene (dintre care 1/2 codifica sinteza proteinelor, iar restul au functie reglatoare). Genele difera prin proteinele pe care le sintetizeaza (enzime, proteine de structura, imunoglobuline, proteine serice, facturi de coagulare, hormoni etc). Corespondenta o gena - o proteina reprezinta de fapt in principiu o gena - un lant polipeptidic. Toate genele sunt legate printr-o singura grupa de legaturi (fenomenul de linkage). O gena contine peste 1000 de baze nucleice. Zona de pe cromozom unde este localizata o gena se numeste locus (plural = loci).

Un caracter genetic care se transmite fara exceptie la descendenti se numeste homozigotic, iar unul care se transmite numai intr-o anumita proportie se numeste heterozigotic. In cea de-a doua varianta genele responsabile de transmiterea caracterului si care ocupa acelasi locus pe cromozomi diferiti se numesc gene alele.

Structura genei este formata din 3 regiuni: promotor, lider si secventa structurala (gena propriu-zisa).

Caracterul segmentar al genei  

Intronii si exonii reprezinta portiuni excedentare de nucleotide . O gena este transcrisa initial integral in ARN-ul premesager.

Fenomenul de repetare si "mobilitatea" genelor

Sute de cópii ale unei gene formeaza familii multigenice. Exista secvente mobile (transportabile) din genom numite transpozomi, pentru duplicarea informatiei genetice.

Metilarea genelor

Exprimarea diferitelor gene difera de la un organ la altul. Epresivitatea celulara a unei gene este legata de reactia de metilare a genei respective. Genele sunt mai putin metilate in celulele care le exprima. Prin demetilarea genelor se ajunge la diferentierea celulara.

Sinteza proteinelor

Reprezinta functia principala a genelor. Este un proces complex de transfer al informatiei de la ADN-ul nuclear la polipeptide sub forma codului genetic. Procesul este etapizat si poate fi descris astfel:

ADN→ARN_mesager→ARN_r→ARN_transfer.

Etapele sunt de fapt urmatoarele:

transcriptia;

transmisia;

traducerea mesajului genetic si

reglarea sintezei proteice.

Transcriptia

ADN-ul (molecula grea) nu poate parasi nucleul. Cantitatea de informatii genetice

din ADN este mare (depasind nevoile de moment). Pentru "dictarea" sintezei proteice intr-o celula este suficienta o mica parte din informatia genetica a ADN-ului. Mesajul este trascris printr-o scurta secventa nucleotidica, prin replicarea ADN-ului formandu-se o molecula cu greutate mica care traverseaza membrana nucleului si transmite apoi informatia in citoplasma prin intermediul ARN_mesager. Filamentele complementare ale moleculei-mama se separa, astfel incat un filament vechi serveste la sinteza unui filament complementar nou. Deschiderea dublei elice a ADN-ului, necesara recopierii lantului de baze se face sub actiunea unei enzime numita ADN-transcriptaza. Se produce spiralarea lantului polipeptidic (o enzima numita gyraza impiedica torsionarea acestuia), iar apoi replicarea prin care ARN-ul premesager transcrie integral mesajul genetic.  

Transmisia

O parte din catena de ARN_m formata in nucleu migreaza sub forma de granule

prin porii membranei nucleare in citoplasma.

Traducerea

Reprezinta sinteza polipeptidelor prin interventia codului genetic. Descifrarea se

face de catre ARN_m si de catre ARN-ul de transfer (ARN_t). Ribozomii contin ARN ribozomal, in timp ce ARN_t deriva din anticodoni. ARN_m se fixeaza pe ribozomi rezultand polizomii. Aminoacizii necesari polimerizarii sunt adusi de ARN_t. Aminoacizii sunt codificati de codoni. Transferul informational poarta numele de codificare.

Reglarea sintezei proteice

Sinteza proteinelor se face sub actiunea genelor de structura. Fiecare celula are un echipament genetic propriu. Sinteza proteinelor este diferentiata (genele sunt active in anumite celule). Genele activatoare sau supresoare se numesc gene reglatoare ale sintezei proteice. Ansamblul de gene structurale-operator poarta numele de operon. Reglarea sintezei proteice se face prin mecanismele de adaptare enzimatica si adaptare negativa. Represia sintezei proteice se face prin mecanism de feed-back. Reglarea in ansamblu se exercita la nivelul ARN_m si ARN_t. Represorul are functii in reglare. Pentru fiecare tip de ARN exista o enzma ARN-polimeraza specifica. Oprirea sintezei proteice se face prin fixarea unor proteine pe propriul ARN_m ceea ce impiedica activitatea ribozoilor.

Polimorfismul genomului

Fiecare pereche de cromozomi este reprezentata de un cromozom matern si de unul patern, ceea ce determina structura genetica unica a fiecarui individ. La heterogenitatea genomului contribuie si mutatiile genetice si mai ales recombinarea fragmentelor de ADN, in momentul cand se formeaza gametii. Genele heterozigote reprezinta cca. 6700 din totalul genelor. Indivizii heterozigoti au un comportament mai bun in conditii variate de mediu fata de homozigoti. S-au descris si spatii (intervale) intergenetice pe structura ADN-ului. In afara meiozei structura ADN-ului este influentata de mutatii si recombinari.

Permanenta mesajului genetic

Singurul mesaj permanent de la aparitia vietii pe pamant este mesajul genetic. El asiura unitatea in diversitate. Fiecare individ este unic prin combinatia de gene pe care o prezinta. Unitatea se reflecta prin genomul speciei, in timp ce diversitatea este determinata de mutatii.

Erori ale mesajului genetic (mutatiile genetice)

Reprezinta o modificare stabila in structura ADN-ului. Mutatia este un eveniment molecular intamplator in timpul diviziunii meiotice. Ea consta dintr-o modificare calitativa sau cantitativa a proteinelor sintetizate. Mutatiile genetice din celulele somatice nu se transmit, ci numai cele ale gametilor. Cauzele mutatilor pot fi multiple: radiatiile ionizante, virusuri, substante chimice etc., deci mecanismul mutatiilor este heterogen.

Mecanismul mutatiilor este heterogen. Mutatiile pot fi din acest punct de vedere:

mutatii punctiforme (monogenice) inseamna inlocuirea unui aminoacid

cu altul in structura genei;

exista si fenomenul de polialelie in care mai multe mutatii genetice

aparute succesiv pe un anumit locus;

gena nou-aparuta in urma mutatiei codifica proeine modificate,

mecanism prin intermediul caruia se poate repeta mutatia (rezultand o serie polialelica);

heterogenitatea genetica reprezinta o alta modalitate diferita de a

genera genomutatii.

Tipuri de mutatii genetice

Mutatii prin inlocuire:

a.)   prin mecanism de tranzitie (inlocuirea unei baze purinice cu alta);

b.)   prin transversie  (inlocuirea unei baze purinice cu una pirimidinica).

Mutatii prin inversie reprezinta returnarea unei triplete cu citirea ei in sens

invers;

Mutatii prin deletie inseamna introducerea intr-un mesaj a unei noi perechi

de nucleotide, avand ca rezultat falsificarea lecturii tripletei (codoni non-sens);

Mutatii prin insertie consta din introducerea intr-un mesaj a unei noi

perechi de nucletide, ca efect fiind aceeasi falsificare a lecturii tripletei;

Exista chiar o cobinatie a deletiei cu insertia intalnite in anumite boli cu

determinism genetic, cum ar fi de exmplu in cazul talasmiei.

Exista si alte tipuri de anomalii moleculare:

a.)   absenta situsului receptor pe suprafata si in interiorul celulei;

b.)   deficitul in activitatea unei enzime;

c.)   absenta produceri de proteine specifice.

Dupa cum flasificarea mesajului genetic intereseaza formarea unei molecule, genopatiile se impart in:

1. genopatii moleculare (chimiodisplazii);
2. genopatii tisulare (histodisplazii);
3. genopatii malformante (morfodisplazii)

Transmiterea ereditara a genopatiilor

Pentru aparitia unei boli ereditare este necesara definirea relatiilor intre gene si caracterele exprimate de acestea (genotip-fenotip).

Genotipul reprezinta totalitatea genelor care determina caracterelor genetice;

Fenotipul este reprezentat de totalitatea caracterelor unui organism (expresia genotipului). Expresia fenotipica provine de la genele aleliforme (materne respectiv paterne). Cand ambii parinti au aceleasi expresii fenotipice rezultatul este un fat homozigot (invers rezulta un heterozigot).

In cazul heterogenitatii se exprima mai puternic una din alele (paterna sau materna).

Caracter dominant este acela care confera genei capacitatea de a exprima fenotipic o anumita trasatura (mascand alela pereche);

Caracter recesiv este acela care nu afecteaza fenotipul (inhibata de alela dominanta);

Codominanta reprezinta circumstanta in care genele alele care (in stare heterozigota) isi exercita concomient functia genetica (exemplu: grupele sangvine in sistemul AB0).

Anomalii monogenice

Definitie: boli produse prin transmitere ereditara a unei singure gene mutante cu 3 mecanisme de producere:

a.)   transmitere autosomal recesiva (AR);

b.)   transmitere autosomal dominanta (AD);

c.)   transmitere legata de cromozomul X (X-linkata).

Modul de transmitere a bolii genetice (dominant sau recesiv) se refera mai

degraba la manifestarile clinice ale bolii decat la diferentele in mecanismele genetice.

Transmiterea dominanta are drept caracteristica faptul ca o singura doza a

mutatiei este suficienta pentru a se exprima.

Transmiterea recesiva are caracteristic faptul ca sunt necesare 2 doze de mutatie

pentru acelasi rezultat. Astfel: caracterul dominant apartine unui individ homozigot iar cel recesiv unuia heterozigot.

Anomaliile monogenice dau boli cu transmitere dupa model mendelian individualizat (caz index, propositus sau proband).

Transmiterea autosomal recesiv (AR)

Individul afectat a mostenit cate o gena patogena de la fiecare parinte;

Parintii sunt fenotipic (aparent) sanatosi si genotipic purtatori;

Heterozigotii (doza genetica unica) nu manifesta boala;

Imperecherea cu un heterozigot duce la 3 categorii de descendenti:

a.)   25% fenotipic si genotipic normali;

b.)   50% heterozigoti purtatori

c.)   25% bolnavi (fenotipic si genotipic)

Din uniunea a 2 homozigoti rezulta numai bolnavi;

Bolile transmise AR se manifesta din copilarie (precoce);

Caracterele bolilor transmise AR:

a.)   parintii sunt normali clinic;

b.)   intereseaza egal ambele sexe;

c.)   este un mod de transmitere rar intalnit;

d.)   nu se constata transmitere directa parinte-copil;

e.)   detectarea tarei genetice se face prin metode biochimice.

Exista cca. 500 de boli trnsmise AR.

Transmiterea autosomal dominanta (AD)

Individul afectat mosteneste o gena anormala (alela mutanta) de la unul din parinti care este si el afectat (alela pereche find normala).

Desi heterozigot (doza simpla) individual manifesta boala (caracter dominant).

Gametii vor prezenta urmatoarele caracteristici:

a.)   unul este purtator al aleleli alterate;

b.)   celalalt este purtator al alelei normale.