UNIVERSITATEA DIN PITETI

AUREL POPESCU GENETIC

ISTORIA GENETICIIAparia geneticii ca tiin este asociat cu anul 1900, cnd germanul Carl Correns, olandezul Hugo de Vries i austriacul Emil Tschermak au confirmat, n mod independent, rezultatele publicate n anul 1866 de Gregor Johann Mendel (un clugr Augustinian) n Lucrrile Societii de Istorie Natural din Brno. Circulaia limitat a acestei publicaii periodice este considerat ca fiind, pe lng alte circumstane, unul dintre motivele neglijrii rezultatelor lucrrilor de hibridare realizate de Mendel ntr-un interval de 8 ani, dei acestea fuseser aduse de el nsui la cunotiina unora dintre cei mai faimoi biologi ai vremii, iar lucrarea sa fusese expediat la 120 de biblioteci din cele mai importante centre tiinifice i culturale ale lumii, printre care Paris, Londra, Berlin, Viena, Praga, Petersburg, New-York, etc. Este general recunoscut faptul c, n acum clasicul referat de 46 pagini asupra hibridrii la mazre (Versuche ber Pflanzenhybriden Experine cu hibrizi de plante), Mendel a interpretat propriile observaii n aproape exact acelai mod n care ar face-o un genetician modern. Chiar i termenii folosii au fost foarte asemntori cu cei utilizai n prezent. Totui, el a euat n a-i convinge contemporanii de valabilitatea descoperirilor referitoare la transmiterea ereditar a caracterelor de la plantele parentale la hibrizi. De altfel, chiar dac rezultatele hibridrilor efectuate cu 22 de soiuri diferite de mazre (Pisum) permiteau demonstrarea matematic clar a modului n care se motenesc caracterele, Mendel a fost el nsui derutat de datele contradictorii obinute la unele dintre celelalte 26 de specii folosite de el n experienele de hibridare (Antirrhinum, Aquilegia, Calceolaria, Campanula, Carex, Cheiranthus, Cirsium, Dianthus, Ficaria, Geum, Hieracium, Ipomoea, Linaria, Lychnis, Matthiola, Mirabilis, Phaseolus, Potentilla, Tropaeolum, Verbascum, Veronica, Viola, Zea, Malus, Prunus, Pyrus) i, prin urmare, nu a putut s justifice generalizarea concluziilor sale la toate speciile pe care le-a studiat. Chiar i rezultatele nregistrate de el n experienele efectuate n paralel cu Phaseolus, au fost foarte diferite de cele obinute cu Pisum i neconcludente. Trebuie fcut ns precizarea c Gregor Mendel a fost norocos n alegerea celor 22 de soiuri de mazre folosite n ncruciri, acestea fiind diferite prin doar unul sau cteva caractere distincte, a cror ereditate era simpl.

In perioada dintre anul publicrii rezultatelor lui Mendel (1866) i cel al redescoperirii lor (1900), au fost aduse cteva contribuii importante la nelegerea ereditii. Alfred Weismann (1885) a sugerat conceptual posibilitatea separrii a ceea ce este ereditar, de ceea ce nu este, delimitnd plasma somatic de cea germinativ. Francis Galton, care a studiat ereditatea uman folosind metodele de statistic, i-a rezumat concluziile sub forma a dou legi care fac legtura dintre caracteristicile unui individ i cele ale prinilor si, bunicilor, sau a ascendenilor mai ndeprtai, dar i cu media populaiei creia i aparine.

In anul 1875, Hertwig i curnd dup aceea Strasburger, Fol i alii, au descoperit cromozomii n nucleul celular i au studiat diviziunea acestora. La vremea respectiv erau ns puini cei care au intuit rolul cromozomilor n ereditate. In anul 1877, Boveri descrie diviziunea reducional. In primii ani ai secolului al XX-lea, paralelismul dintre comportamentul cromozomilor i rezultatele lui Mendel a devenit clar pentru numeroi oameni de tiin angajai n studii de biologie. S-a ajuns astfel la momentul important din anul 1902, cnd Carl Correns, William Sutton i Thomas Boveri au formulat teoria cromozomial a ereditii, pentru care descoperirea de ctre McClung a cromozomilor sexului a reprezentat o dovad foarte convingtoare.

Dup 1900, relaia stabilit ntre tiina ereditii i citologie a determinat apariia unui domeniu denumit citogenetic, al crui progres rapid l-a situat printre aspectele centrale ale biologiei. Genetica constituie n prezent tiina pe care se fundamenteaz ameliorarea plantelor i animalelor. Progresele nregistrate n domeniul fascinant al geneticii au de asemenea un impact considerabil n medicin. Nu n ultimul rnd, domeniul ingineriei genetice, tiin interdisciplinar de mare complexitate, se gsete la nceputul celui de al treilea mileniu ntr-o ascensiune continu i remarcabil. De acest domeniu aflat la graniele geneticii, biologiei moleculare i microbiologiei, se leag marile sperane de depire a barierelor genetice care limiteaz posibilitile de ameliorare a plantelor (n principal) i animalelor, dar i de gsire a unor ci eficiente de terapie genic uman. Este de altfel relevant predicia fcut de numeroi oameni de tiin i de unele organisme internaionale, potrivit creia ingineria genetic, mai degrab dect tiina i ingineria computerelor, va reprezenta domeniul care va revoluiona umanitatea n acest mileniu.

1.LEGILE MENDELIENE ALE EREDITIIPe baza rezultatele studiilor privind modul de transmitere a caracterelor de la o generaie la alta, T.A. Knight (1799) i J. Goss (1824) au sesizat fenomenele de dominan, recesivitate i segregare a caracterelor. Scopul lucrrilor de hibridare realizate de ei la mazre (Pisum sativum) nu era ns acela de a nelege modul de transmitere a caracterelor, ci de a obine descendene din care s poat selecta hibrizi cu combinaii de caractere mai valoroase dect cele ale plantelor parentale. Meritul de a nelege i explica mecanismul ereditii i revine ns n ntregime naturalistului i matematicianului ceh Gregor Johann Mendel, care a avut ideea genial de a studia statistic segregarea caracterelor alternative i de a interpreta matematic rezultatele lucrrilor de hibridare.

Gregor Mendel a nceput experienele de hibridare la plante n anul 1857 i rezultatele obinute au fost publicate 8 ani mai trziu n Lucrrile Societii de Istorie Natural din Brno. Dintre numeroasele specii de plante cu care a lucrat (Pisum, Phaseolus, Linaria, Melandrium, Mirabilis, Zea, Antirrhinum, Tropaeolum, Verbascum, etc.), Mendel a preferat mazrea (Pisum sativum), plant autogam cu caractere morfologice distincte, uor de recunoscut.

Rezultatele obinute de Mendel la mazre, avnd la baz observaiile asupra transmiterii n descenden a unor caractere alternative simple i neafectate sau foarte slab afectate de condiiile de mediu (Fig. 1.1), au fost primele n care mecanismul ereditii a fost clar neles. Acestea au fost sintetizate n cele dou legi ale segregrii i anume:

1) Legea puritii gameilor sau a segregrii factorilor ereditari;

2) Legea segregrii independente a perechilor de caractere.Legea puritii gameilorPerechile de caractere studiate de Mendel la mazre au fost cele privind culoarea (galben sau verde) i forma boabelor (neted sau zbrcit), culoarea cotiledoanelor (galben sau verde) i a pstilor (galben sau verde), tria pstilor (tari sau moi) dispoziia florilor pe tulpin (terminal sau axilar), mrimea plantelor (nalte sau pitice).

In cazul hibridrilor ntre mazrea cu bobul galben i mazrea cu bobul verde, Mendel a obinut n prima generaie numai plante cu boabe galbene. Acest caracter a fost denumit dominant, iar caracterul bob verde, care nu a aprut n prima generaie, a fost denumit recesiv. Prin autopolenizarea plantelor din prima generaie (F1), au fost obinute n generaia a doua (F2) att plante cu boabe galbene, ct i plante cu boabe verzi (Fig. 1.2), raportul dintre caracterul dominant i cel recesiv fiind de aproximativ 3:1.

Fig. 1.1. Pisum sativum specia aleas de Mendel pentru studiul transmiterii caracterelor de la o generaie la alta.

Mendel a explicat segregarea celor dou caractere studiate (bob galben i bob verde), ca fiind datorat prezenei n celule a dou tipuri de factori ereditari, notate A i a, plantele din soiul cu boabe galbene coninnd exclusiv factorul ereditar care determin acest caracter (AA), iar cele din soiul cu boabe verzi coninnd exclusiv factorul ereditar al caracterului respectiv (aa). La hibrizii din prima generaie, factorii ereditari ai soiurilor parentale se altur (Aa), iar atunci cnd aceste plante formeaz gamei, factorii ereditari se separ, fiecare gamet purtnd un singur tip de factor ereditar (A sau a). Prin urmare, gameii sunt puri din punct de vedere genetic. Prin unirea acestor gamei n procesul fecundrii, pe baz de probabilitate, se obin plantele generaiei a doua, unele prezentnd caracterul bob galben i altele prezentnd caracterul bob verde, n urmtoarea proporie:

a) 25% plante cu boabe galbene, posednd un singur tip de factori ereditari (AA), deci pure din punct de vedere al factorilor ereditari;

b) 25% plante cu boabe verzi, posednd exclusiv cellalt tip de factor ereditar (aa), deci de asemenea pure;

c) 50% plante cu boabe galbene, ns posednd ambii factori ereditari implicai n determinarea formei bobului (Aa).

Rezultate similare au fost obinute de Mendel i pentru alte perechi de caractere (Tabel 1.1). Tabel 1.1 Rezultatele ncrucirilor ntre diferite soiuri de mazre

InsuireaCaractere*Raport

D / r

DrDr

Forma boabelor

Culoarea cojii boabelor

Consistena pstilor

Culoarea pstilor

Dispoziia florilor

Mrimea planteineted

colorat

tare

verde

axilar

naltzbrcit

alb

moale

galben

terminal

pitic5.474

705

882

428

651

7871.850

224

299

152

207

2772,9890 : 1,0104

3,0355 : 0,9645

2,9873 : 1,0127

2,9517 : 1,0483

3,0349 : 0,9651

2,9586 : 1,0414

*D = dominant; r = recesiv O dovad a corectitudinii interpretrii rezultatelor sale a fost furnizat de distribuia caracterului boabe galbene/boabe verzi la plantele din generaia a treia (F3). Astfel, conform ateptrilor, 1/3 din boabele galbene obinute n F2 au dat plante pure, n timp ce 2/3 din acestea au segregat n acelai mod ca hibrizii F1.

Rezultatele lucrrilor de hibridare efectuate de numeroi ali naturaliti la nceputul secolului al XX-lea, curnd dup redescoperirea legilor Mendeliene, au confirmat segregarea caracterelor n descenden. In Tabelul 1.2 sunt prezentate rezultatele referitoare la segregarea n F2 a culorii boabelor de mazre, care au demonstrat valabilitatea general a descoperirilor lui Mendel.

Segregarea este produs de separarea perechii de factori ereditari, cauzat de disjuncia cromozomilor pereche n procesul meiozei, gameii purtnd ntotdeauna un singur factor ereditar dintr-o pereche. In timp ce organismele pot fi pure sau impure din punct de vedere genetic, deoarece pot conine o pereche de factori ereditari identici sau diferii, gameii nu pot fi dect puri din punct de vedere genetic. In consecin, aceast prim lege a lui Mendel se mai numete i legea puritii gameilor, general valabil la plante i animale.

Tabel 1.2 Segregarea n F2 a culorii boabelor la mazre.

ReferinaBoabe galbeneBoabe verziTotal Raport

Mendel (1865)

Correns (1900)

Tschermak (1900)

Hurst (1904)

Bateson i colab. (1905)

Lock (1905)

Darbishire (1909)6.022

1.394

3.580

1.310

11.903

1.438

109.0602.001

453

1.190

445

3.903

514

36.1868.023

1.847

4.770

1.755

15.806

1.952

145.2463.009 : 1

3.077 : 1

3.009 : 1

2.944 : 1

3.050 : 1

2.798 : 1

3.015 : 1

Fiecare pereche de factori ereditari determinnd caractere contrastante, care se separ la formarea gameilor, a fost denumit ulterior pereche de alelomorfe sau pereche de alele. Indivizii n care ambii factori ai unei perechi sunt identici (fie dominani, fie recesivi) sunt numii homozigoi. La heterozigoi cele dou alele responsabile de apariia caracterelor contrastante sunt diferite: n cazurile studiate de Mendel una era dominant, iar cellalt recesiv. Heterozigoii segreg n fenotipuri diferite dup disjuncia alelelor n cursul gametogenezei i conjuncia din timpul fertilizrii. In acest sens, termenii hibrid i heterozigot sunt echivaleni. Aadar, Mendel a sesizat deosebirea care poate exista ntre structura genetic a organismelor (genotip) i nfiarea lor (fenotip). Intruct la organismele heterozigote se exprim numai o parte din factorii ereditari (alelele dominante), cei recesivi rmnnd ascuni, exist o deosebire ntre genotipul i fenotipul lor.

Prin autofecundarea generaiei F2 se obine generaia F3, n care, n cazul perechii de caractere bob galben/bob verde, Mendel a observat urmtoarea distribuie:a) din plantele pure cu boabe galbene (AA) s-au obinut exclusiv plante cu boabe galbene;

b) din plantele pure cu boabe verzi (aa) s-au obinut exclusiv plante cu bobul verde;

c) plantele heterozigote cu bobul galben (Aa) segregau astfel: 25% plante homozigote (AA) cu boabe galbene; 50% plante heterozigote (Aa) cu boabe galbene;25% plante homozigote (aa) cu boabe verzi.

Aceste rezultate demonstrau clar c plantele heterozigote din generaia F2 au n generaia F3 un comportament identic cu cel al hibrizilor din generaia F1.

Polenizarea florilor plantelor hibride din generaia F1 cu polen de la plantele genitorului cu boabe galbene (rencruciare) avea ca rezultat obinerea n generaia F2 de plante exclusiv cu boabe galbene (Fig. 1.2), din care 50% erau homozigote (AA) i 50% heterozigote (Aa). In schimb, polenizarea florilor plantelor hibride din generaia F1 cu polen de la plantele genitorului cu boabe verzi, avea ca rezultat formarea a 50% plante heterozigote (Aa) cu boabe galbene i 50% plante homozigote (aa) cu boabe verzi.

Ansamblul rezultatelor lucrrilor de hibridare ntre plante care se deosebeau printr-o singur pereche de caractere (monohibridare) i-a permis lui Mendel enunarea primei sale legi i anume legea separrii factorilor ereditari sau legea puritii gameilor. Conform acestei legi, gameii sunt puri din vedere genetic, coninnd doar unul dintre factorii ereditari pereche (alele). Prin combinarea probabilistic a acestor gamei puri, n F2 are loc segregarea caracterelor pereche, ntr-un raport de 3:1 (dominant : recesiv).

Legea segregrii independente a caracterelor

Rezultatele lucrrilor de hibridare realizate ntre plante care se deosebesc prin dou perechi de caractere (dihibridare) i-au permis lui Mendel sesizarea segregrii independente a acestora. Astfel, n cazul hibridrii unui soi de mazre cu boabe netede i de culoare galben, cu un soi avnd boabe zbrcite i de culoare verde, toate plantele obinute n generaia F1 au avut boabe netede i de culoare galben (caractere dominante).

Fig. 1.2. Sus: segregarea caracterelor n cazul monohibridrii; Jos: segregarea n cazul rencrucirii monohibrizilor (dovada heterozigoiei genotipice) i ncrucirii formelor homozigote (dup Urban, 2013).

Prin autofecundarea plantelor din generaia F1 s-au obinut n generaia F2 o descenden care a segregat n felul urmtor dup forma i culoarea boabelor:

9/16 plante cu boabe netede i de culoare galben

3/16 plante cu boabe zbrcite i de culoare galben

3/16 plante cu boabe netede i de culoare verde

1/16 plante cu boabe zbrcite i de culoare verde

Mendel a explicat acest mod de segregare prin aceea c hibrizii din generaia F1, provenii din prini care se deosebesc prin dou perechi de caractere, formeaz patru tipuri de gamei, n care se afl cte un singur factor ereditar din fiecare pereche. De altfel, raportul n care segreg cele dou perechi de caractere (9:3:3:1) reflect ntocmai cele 16 combinaii care rezult din combinarea acestor patru tipuri de gamei (Tabel 1.3).

Tabel 1.3 Segregarea perechilor de caractere n generaia F2, n cazul dihibridrii.

AB*Ab*aB*ab*

AB*AABB **AABb **AaBB **AaBb **

Ab*AABb **AAbb **AaBb **Aabb **

AB*AaBB **AaBb **aaBB **aaBb **

Ab*AaBb **Aabb **aaBb **aabb **

* AB = bob neted i galben; Ab = bob neted i verde; aB = bob zbrcit i galben; ab = bob zbrcit i verde

** A = bob neted; a = bob zbrcit; B = bob galben; b = bob verde

In cazul trihibridrii, cnd se ncrucieaz organisme care se deosebesc prin trei perechi de caractere (Aa, Bb, Cc), modul de segregare este mai complicat dect n cazul dihibridrii. Prin unirea la ntmplare a gameilor femeli i respectiv masculi din unul dintre cele opt tipuri de gamei (ABC, ABc, AbC, Abc, aBC, aBc, abC, abc) sunt posibile 64 de combinaii ale factorilor ereditari (Tabel 1.4), care au ca rezultat apariia a 8 tipuri de organisme:

1. 27/64 cu trei caractere dominante (ABC);

2. 9/64 cu dou caractere dominante i unul recesiv (ABc);

3. 9/64 cu dou caractere dominante i unul recesiv (AbC);

4. 9/64 cu dou caractere dominante i unul recesiv (aBC);

5. 3/64 cu un caracter dominant i dou recesive (Abc);

6. 3/64 cu un caracter dominant i dou recesive (aBc);

7. 3/64 cu un caracter dominant i dou recesive (abC);

8. 1/64 cu trei caractere recesive (abc).

Tabel 1.4. Segregarea perechilor de caractere n generaia F2, n cazul trihibridrii.

ABCABcAbCaBCAbcaBcabCabc

ABCAABBCCAABBCcAABbCCAaBBCCAABbCcAaBBCcAaBbCCAaBbCc

ABcAABBCcAABBccAABbCcAaBBCcAABbccAaBBccAaBbCcAaBbcc

AbCAABbCCAABbCcAAbbCCAaBbCCAAbbCcAaBbCcAabbCCAabbCc

aBCAaBBCCAaBBCcAaBbCCaaBBCCAaBbCcaaBBCcaaBbCCaaBbCc

AbcAABbCcAABbccAAbbCcAaBbCcAAbbccAaBbccAabbCcAabbcc

aBcAaBBCcAaBBccAaBbCcaaBBCcAaBbccaaBBccaaBbCcaaBbcc

abCAaBbCCAaBbCcAabbCCaaBbCCAabbCcaaBbCcaabbCCaabbCc

abcAaBbCcAaBbccAabbCcaaBbCcAabbccaaBbccaabbCcaabbcc

Prin urmare, este evident independena ereditii perechilor de caractere. De altfel, este uor de observat c dac n exemplul de mai sus se analizeaz segregarea perechii de caractere bob neted/bob zbrcit separat de perechea de caractere bob galben/bob verde, se obine acelai raport de segregare de 3:1 ca n cazul monohibridrii. In mod similar, dac se analizeaz segregarea culorii bobului (galben/verde) fr s se in seama de forma bobului (neted sau zbrcit), se obine raportul de segregare de 3:1.

Ansamblul rezultatelor obinute de Gregor Mendel n urma experienelor de hibridare n care au fost folosite soiuri de mazre care se deosebeau ntre ele prin trei pn la apte perechi de caractere, i-au permis enunarea celei de a doua legi a transmiterii n descenden a factorilor ereditari: legea segregrii independente a perechilor de caractere. Conform acestei legi, factorii ereditari pereche (alele) segreg independent de ali factori ereditari i prin combinarea lor pe baz de probabilitate rezult un raport de segregare n F2 de 3:1 (dominant/ recesiv). Pentru c a fost descoperit la mazre, acest tip de segregare a caracterelor a fost denumit segregare de tip Pisum. Principala caracteristic a acestui tip de segregare este aceea c n F2 heterozigoii de tip Aa sunt identici fenotipic cu homozigoii AA (Aa = AA). In alte cazuri, organismele heterozigote de tip Aa prezint caractere intermediare ntre genitori, diferite fenotipic de cele ale homozigoilor AA (Aa AA). Un astfel de caz a fost descoperit la porumb, unde raportul de segregare n F2 este de tip 1:2:1, i a stat la baza denumirii acestui mod de segregare a factorilor ereditari ca fiind segregare de tip Zea.

Modul de segregare n F2 a perechilor de factori ereditari poate fi stabilit prin calcul matematic pentru orice numr de perechi de caractere (Tabel 1.5).

Hibridarea ntre organisme ce se deosebesc prin dou sau mai multe perechi de factori ereditari are ca rezultat apariia n descenden a unor indivizi recombinai genetic, prezentnd combinaii ale caracterelor ambilor prini (genitori). Frecvena recombinrilor se poate calcula prin efectuarea de ncruciri ntre organismele dublu heterozigote din F1.

Tabel 1.5 Segregarea n generaia F2, n cazul unui numr variat de perechi de factori ereditari.

Numrul

de perechi de factori

ereditariNumrul

de tipuri

de gamei

n F1Numrul

de combinaii

n F2Numrul

de genotipuri

n F2Numrul

de fenotipuri

n F2 Repartiia combinaiilor

pe tipuri de organisme n F2

1

2

3

4

10

n21 = 2

22 = 423 = 8

24 = 16 210 = 1024

2n = (2n)2(21)2 = 4

(22 )2 = 16 (23)2 = 64

(24 )2 = 256 (210)2 = 1048576

(2n)2 = (2n)231 = 3

32 = 9

33 = 27

34 = 81

310 = 59049

3n21 = 2

22 = 4

23 = 8

24 = 16

210 = 1024

2n = (2n)23:1

9:3:3:1

27:9:9:9:3:3:3:1

(3+1)4(3+1)10(3+1)n

In cazul prezentat anterior, prin hibridarea ntre plantele prezentnd dou caractere dominante (AB/AB) i cele care prezint dou caractere recesive (ab/ab), se vor obine n generaia F1 exclusiv plante de tipul AB/ab. Intruct ambii genitori produc patru tipuri de gamei (AB, Ab, aB, ab), din care dou parentale i dou recombinate, prin ncruciarea ntre hibrizii F1 va fi posibil calculul procentului de recombinare a factorilor ereditari. Astfel, dac se noteaz cu p procentul de recombinare, nseamn c gameii recombinai Ab i aB vor apare fiecare cu o frecven de p/2, iar gameii nerecombinai cu frecvena (1-p)/2. Pe aceast baz se poate calcula frecvena celor patru tipuri de descendeni i respectiv a recombinrii genetice (Tabel 1.6).

Tabel 1.6 Calculul frecvenei indivizilor recombinai genetic n F1.

(1-p)/2 ABp/2 Abp/2 aB(1-p)/2 ab

(1-p)/2 AB(1-p)2/4

AABBP(1-p)/4

AABbp(1-p)/4

AaBB(1-p)2/4

AaBb

p/2 Abp(1-p)/4

AABbp2/4

AAbbp2/4

AaBbp(1-p)/4

Aabb

p/2 aBp(1-p)/4

AaBBp2/4

AaBbp2/4

aaBBp(1-p)/4

aaBb

(1-p)/2 ab(1-p)2/4

AaBbp(1-p)/4

Aabbp(1-p)/4

aaBb(1-p)2/4

aabb

innd seama de dominana i recesivitatea caracterelor, cu ajutorul acestui tabel poate fi calculat frecvena diferitelor fenotipuri.

Este aadar evident faptul c fenotipurile Ab i respectiv aB vor avea aceeai frecven: p(2-p)/4. Fenotipul nerecombinat dublu recesiv va avea o frecven egal cu (1-p)2/4, iar cel dublu dominant va avea o frecven egal cu diferena pn la 100%.

Dac frecvena recombinrii este de exemplu de 20% (sau p = 0.2), se poate calcula uor proporia fenotipurilor parentale i recombinate:

Fenotipul AB = (3 - 2p + p2) / 4 = (3 - 0.4 + 0.04) / 4 = 2.64 / 4 = 0.66 (sau 66%)

Fenotipul ab = (1 - p)2 / 4 = (1 - 0.2)2 / 4 = 0.82 / 4 = 0.64 / 4 = 0.16 (sau 16%)

Fenotipul Ab = p (2 - p) / 4 = 0.2 (2 - 0.2) / 4 = 0.2 x 1.8 / 4 = 0.36 / 4 = 0.09 (sau 9%)

Modificri ale Raportului Mendelian de Segregare

Unele tipuri de segregare nu pot fi explicate prin modelele simple propuse de G. Mendel pe baza rezultatelor sale. Aceste tipuri de segregare non-Mendelian sunt n prezent incluse n dou grupuri: primul include cazurile n care sunt implicate relaii speciale ntre gene, sau alternativ, viabilitatea sczut sau letalitatea, care tind s reduc sau s elimine unele dintre clasele de segregare i care determin abateri (excepii) aparente de la ereditatea de tip Mendelian i respectiv abateri de la rapoartele simple de segregare Mendelian; cel de al doilea include cazurile n care sunt implicate variate anomalii ale meiozei, sau particulariti ale comportamentului gameilor i care determin abateri (excepii) reale de la ereditatea de tip Mendelian, respectiv abateri reale de la raporturile Mendeliene de segregare a caracterelor.

Abateri Aparente de la Raporturile Mendeliene de Segregare

Unele dintre abaterile de la raporturile de segregare de tipul 3:1, 9:3:3:1, etc., obinute de Gregor Mendel sunt numai aparente, formarea genotipurilor i fenotipurilor care reprezint abateri putnd fi explicat n mod mendelian folosind tabelele de combinaii. Modificarea raportului de segregare mendelian este de asemenea aparent n cazul analizei transmiterii n descenden a unor caractere influenate de aciunea genelor letale, care determin moartea descendenilor cu un anumit genotip.

Dominana incomplet

In cazul dominanei complete, organismele heterozigote (Aa) prezint acelai fenotip cu cele homozigote (AA). In unele cazuri ns, fenotipul organismelor ce conin genele alele n stare heterozigot se deosebete de cel al organismelor ce conin genele respective n stare homozigot (Aa ( AA). Acest fenomen a fost sesizat pentru prima dat de Carl Correns (1912) la planta Mirabilis jalapa i este cunoscut n prezent sub denumirea de dominan incomplet.

La specia mai sus menionat exist varieti cu flori roii i varieti cu flori albe. Prin ncruciarea acestora s-au obinut n generaia F1 exclusiv plante cu flori roz, iar n generaia F2 segregarea s-a produs astfel: 25% plante cu flori roii, 50% plante cu flori roz i 25% plante cu flori albe (Fig. 1.3). Plantele heterozigote prezint aadar flori de culoare intermediar ntre genitori datorit fenomenului de dominan incomplet.

Fig. 1.3. Segregarea culorii florilor n cazul dominanei incomplete.

Un fenomen similar a fost sesizat la specia Zea mays, la care din ncruciarea unei varieti cu boabe albastre cu o varietate cu boabe galbene au rezultat n F1 plante cu boabe violete, culoare intermediar ntre genitori. In F2 s-a produs segregarea n raportul de 1 albastru : 2 violet : 1 galben. Acest tip de segregare (1:2:1) n care organismele heterozigote prezint fenomenul de dominan incomplet, este cunoscut sub denumirea de segregare de tip Zea, deosebit de segregarea de tip Pisum (3:1) observat de Mendel.

Dominana incomplet poate fi prezent i la organismele animale. Un exemplu bine cunoscut este acela al ginilor de Andaluzia, care au penajul de culoare albstruie. Acestea provin din ncruciarea unei rase de gini cu penajul negru, cu o ras cu penajul alb. In prima generaie toate psrile au penajul albstrui, iar n F2 se produce segregarea astfel: 25% descendeni cu penaj negru, 50% cu penaj albstrui i 25% cu penaj alb. Acest model de segregare constituie o dovad a faptului c ginile de Andaluzia cu penajul albstrui sunt heterozigote, i totodat o explicaie a segregrii lor continue n generaiile succesive. Acesta este de altfel motivul pentru care nu s-a putut crea o ras de gini de Andaluzia.

Codominana

In cazul fenomenului de codominan, organismele heterozigote prezint ambele gene n stare funcional, dei ele pot funciona cu eficien diferit. Aceasta nseamn c ambele gene ale unui locus contribuie la expresia fenotipic a heterozigotului.

Un exemplu clasic de codominan este cel al ereditii grupelor sanguine de tip AB0 (Tabel 1.7), determinat de 3 gene alele notate IA, IB i i. Grupurile sanguine A i B pot fi, din punct de vedere genetic, homozigote (IAIA, respectiv IBIB) sau heterozigote (IAi, respectiv IBi). Grupul sanguin O este ntotdeauna homozigot recesiv (ii).

Tabel 1.7. Ereditatea tipurilor (grupelor) sanguine la om (alelele IA i IB sunt codominante).Tipul sanguinGenotipul

AIAIA sau IAi

BIBIB sau IBi

ABIAIB

0ii

Prezena pe perechea de cromozomi 9 (n locusul AB0) a genelor IA i IB determin un nou grup sanguin, respectiv AB, ca o consecin a faptului c nici una dintre alele nu este dominant n raport cu cealalt, adic acestea sunt codominante.

Un alt exemplu de codominan este ntlnit la organismele umane heterozigote pentru genele ce codific sinteza hemoglobinei. Unele organisme produc att tipul normal de hemoglobin (HbA), ct i tipul mutant (HbS), care cauzeaz o maladie a sngelui denumit anemie falciform sau drepanocitoz. La persoanele heterozigote HbA/HbS, ambele gene (perechea 11 de cromozomi) de la locusul pentru globina beta sunt n stare funcional (ccea ce nseamn c ambele sunt transcrise n ARNm), ns eficiena de funcionare a genei care codific sinteza hemoglobinei normale este superioar celei a genei mutante, fapt reflectat de ponderea mai ridicat a hemoglobinei HbA (circa 60%).

Supradominana

Uneori, fenotipul organismelor heterozigote nu este intermediar sau identic, ci superior fenotipurilor genitorilor. Exemple de caractere pentru care organismele heterozigote pot manifesta supradominana sunt ritmul de cretere, productivitatea, viabilitatea, etc. Acest fenomen, poate fi observat att la plante ct i la animale (Fig. 1.4) i determin abateri de la raporturile Mendeliene de segregare a caracterelor. Fig. 1.4. Heterozis la un hibrid de porumb (stnga) i la un hibrid ntre un leu i o tigroaic liger (dreapta).In apariia supradominanei sunt implicate, cel mai adesea, mai multe gene cu caracter aditiv. Supradominana st la baza apariiei heterozis-ului, fenomen cunoscut i sub denumirea de vigoare hibrid i exploatat pe scar larg n agricultur (de exemplu, la porumb, sfecla de zahr, spanac, brocoli, floarea soarelui, etc.) i zootehnie (de exemplu, la animalele crescute pentru producia de carne).Un exemplu foarte interesant de heterozis este cel al animalelor hibride ntre Panthera leo i Panthera tigris, cunoscui sub denumirea liger (Fig. 1.4) i respectiv tigon. Astfel, liger-ul (hibrid ntre un leu i o tigroaic) este cea mai mare felin de pe glob, ce poate ajunge la o lungime 3.5 m i o greutate de peste 400 kg, depind cu mult organismele parentale.Interaciunea genelor

Unul dintre fenomenele care determin modificarea raportului mendelian de segregare sau chiar apariia la descendeni a unor fenotipuri ce nu exist la genitori, este acela cunoscut n prezent sub denumirea de interaciune a genelor. In exemplele prezentate anterior, caracterele distincte cum sunt culoarea i forma au avut expresie independent. Totui, toate caracterele sunt n fapt rezultatul unei serii complexe de reacii biochimice, i multe fenotipuri sunt determinate de expresia alelic combinat a dou sau mai multe gene. In aceste cazuri, fenotipul produs de alelele unei gene este influenat de genotip, adic de alte gene. Influena unei gene asupra expresiei unei gene diferite constituie epistazia. Interaciunile epistatice dintre gene pot cauza abateri de la raporturile simple Mendeliene de segregare a caracterelor. Un tip de interaciune ntre gene diferite afecteaz culoarea florii la mazre. Cnd se ncrucieaz un soi cu flori colorate cu oricare dintre dou soiuri diferite cu flori albe, plantele din prima generaie (F1) au flori colorate n ambele cazuri. Autopolenizarea hibrizilor F1 din fiecare ncruciare are ca rezultat obinerea generaiei F2, n care 3/4 din plante au flori colorate i 1/4 au flori albe. Explicai acestor rezultate este aceea c ambele soiuri cu flori albe sunt homozigote pentru o alel recesiv a aceleiai gene, caz n care ar fi de ateptat ca prin ncruciarea lor s se obin n F1 exclusiv plante cu flori albe. Totui, prin ncruciarea celor dou soiuri cu flori albe se obin n F1 plante cu flori colorate. Tabel 1.8. Rezultatele ncrucirii ntre dou plante de mazre cu genotip CcPp (din Nature Education, 2013).

CPCpcPcp

CPCCPPCCPpCcPPCcPp

CpCCPpCCppCcPpCcpp

cPCcPPCcPpccPPccPp

cpCcPpCcppccPpccpp

Intr-un experiment, n generaia F2 (obinut prin autopolenizarea hibrizilor din F1) s-au obinut 382 de plante cu flori colorate i 269 cu flori albe, ceea ce corespunde unui raport apropiat de 9:7. Att apariia plantelor cu flori colorate n F1, ct i raportul de 9:7 n F2 pot fi explicate prin efectele a dou perechi de gene care se combin independent, n prezena a cel puin o alel dominant a ambelor gene, necesar pentru producia de pigment (Tabel 1.8).

Explicaia biochimic a acestui rezultat poate fi ilustrat astfel:

Gena C Gena P

Enzim Enzim

Precursor Compus

Compus

Antociani

intermediar X intermediar Y

In absena genei C (adic n plantele homozigote cc), va fi produs o cantitate mic de compus Y, sau acesta nu se va produce, ceea ce va determina blocarea cii metabolice n acest punct. Compusul Y este substratul pentru enzima codificat de gena P, care catalizeaz conversia compusului Y ntr-un pigment antocianic. Prin urmare, absena genei P (n plantele homozigote pp) ar bloca etapa final a sintezei pigmentului. Relaia dintre cele dou gene deriv din faptul c producia de pigment necesit ambele enzime, i acestea sunt codificate de alelele dominante ale genelor.

Anumite gene au capacitatea de a suprima expresia unei gene existente ntr-un alt locus. Un astfel de exemplu este producia de malvidin la plantele din genul Primula. Att sinteza acestei substane (controlat de gena K), ct i suprimarea sintezei (controlat de gena D) sunt caractere dominante. Plantele din generaia F1 cu genotip KkDd nu vor produce malvidin din cauza prezenei alelei dominate D (Tabel 1.9).Tabel 1.9. Rezultatele ncrucirii ntre dou plante de Primula cu genotip KkDd (din Nature Education, 2013).

KDKdkDkd

KDKKDDKKDdKkDDKkDd

KdKKDdKKddKkDdKkdd

kDKkDDKkDdkkDDkkDd

kdKkDdKkddkkDdKkdd

Atunci cnd sunt ncruciate plantele din F1, raportul de segregare va fi de 13 (plante care nu produc malvidin) la 3 (plante care produc malvidin). Deoarece aciunea alelei dominante D mascheaz (acoper) expresia genelor existente la locusul K, aceast interaciune este denumit epistazie de supresie dominant. In Tabelul 1.9 toate casetele haurate conin genotipuri ale plantelor de Primula care nu produc malvidin. In cazul genotipurilor n care exist cel puin o alel D, prezena alelei sau alelelor D suprim producerea de malvidin. Plantele cu genotip kkdd nu au producia de malvidin suprimat, dar nici nu produc aceast substan deoarece lipsete alela K dominant. Cele trei casete albe conin singurele genotipuri (KKdd i Kkdd) care permit producerea de malvidin, ceea ce nseamn c plantele cu aceste genotipuri vor avea flori albastre.

Fig. 1.5. La oareci, culoarea marmorat a blnii (agouti) este dominant fa de culoarea uniform, cum ar fi cenuie sau neagr. De producerea de pigment este responsabil o gen separat (C), dintr-un alt locus. Alela recesiv c nu produce pigment i de aceea un oarece cu genotip recesiv homozigot (cc) este albino indiferent de alela prezent n locusul A. Astfel, gena C este epistatic fa de gena A.

Pigmentarea blnii la oareci este un exemplu binecunoscut de epistazie la animale. Culoarea de tip slbatic a blnii agouti (AA) este dominant asupra culorii uniforme cenuii sau negre (aa). Totui, pentru producerea pigmentului este necesar o gen separat (C). Un oarece cu o alel recesiv c n locusul pentru acest caracter (culoarea blnii) este incapabil s produc pigment i este albino indiferent de alela prezent n locusul A (Fig. 1.5). De aceea, genotipurile AAcc, Aacc i aacc vor produce acelai genotip albino. Incruciarea ntre heterozigoii pentru ambele gene (AaCc x AaCc) va genera o descenden cu un raport fenotipic 9:3:4 (Fig. 1.4), respectiv 9 agouti : 3 cenuiu/negru uniform : 4 albino. In acest caz, gena C este epistatic fa de gena A.

Un exemplu clasic de interaciune a genelor la animale a fost observat la ncruciarea ntre dou rase de gini, ambele cu penaj de culoare alb: Leghorn i Wyandotte (Tabel 1.10). La rasa Leghorn, culoarea alb a penajului este dominant n cazul ncrucirii cu o ras cu penaj colorat (negru, pestri, etc.). Dimpotriv, la rasa Wyandotte culoarea alb a penajului este recesiv la ncruciarea cu o ras cu penaj colorat. Aceste observaii reflect determinismul diferit al culorii penajului la cele dou rase menionate, n sensul implicrii unor gene diferite, nealele. Acesta este aadar un caz n care dou genotipuri diferite se exprim fenotipic identic.

Tabel 1.10. Fenomenul de epistazie la gini n cazul ncrucirii raselor Leghorn i Wyandotte.

GenitoriLeghorn x Wyandotte

CCII (alb) ccii (alb)

F1 CcIi (alb)

F2

CICicIci

CICCII

AlbCCIi

AlbCcII

AlbCcIi

Alb

CiCCIiAlbCCii

ColoratCcIi

AlbCcii

Colorat

cICcII

AlbCcIi

AlbccII

AlbccIi

Alb

ciCcIiAlbCcii

ColoratccIi

Albccii

Alb

Se consider c explicaia caracterului dominant al culorii albe a penajului la ginile Leghorn const n originea genetic a acestei rase, n sensul c penajul a fost iniial colorat (CC), dar expresia culorii nu mai este posibil din cauza prezenei unei gene inhibitoare (II), aprut ulterior n genom. Ca urmare, rasa Leghorn poate fi considerat genetic CCII, celelalte rase cu penaj alb (Wyandotte, White Plymouth, etc.) fiind ccii. Dup cum reiese din Tabelul 1.9, n cazul cnd gena inhibitoare se afl n stare recesiv homozigot (ii), iar gena ce determin culoarea se afl n stare dominant homozigot (CC) sau heterozigot (Cc), n generaia F2 apar indivizi cu penaj colorat n raport de 3/16. Gena I, care mpiedic sau acoper expresia genei C, se numete gen epistatic, iar gena acoperit de numete gen hipostatic. Este prin urmare evident faptul c penajul colorat apare numai ca un rezultat al interaciunii celor dou gene nealele, fenomenul fiind cunoscut sub denumirea de epistazie. Fig. 1.6. Tipuri de creast la rasele de gini: trandafir (stnga sus); mazre (dreapta sus); nuc (stnga jos); simpl (dreapta jos).

Un exemplu interesant de interaciune a genelor, care nu determin modificarea raportului Mendelian de segregare, ci numai apariia unor fenotipuri noi, deosebite de cele ale genitorilor, a fost observat de W. Bateson i R.C. Punnett la ncruciarea ntre rase de gini cu tipuri diferite de creast (Fig. 1.6). Acest caracter este ereditar, fiind determinat de dou gene nealele (R i P). La rasa Leghorn, creasta este de tip simplu, caracter recesiv (rrpp); rasa Brahmas prezint creast de tip mazre, caracter dominant (rrPP) asupra tipului simplu; la rasa Wyandotte, creasta este de tip trandafir, caracter de asemenea dominant (RRpp) asupra tipului simplu.

Din ncruciarea raselor Brahmas i Wyandotte, ambele cu creasta de tip dominant, caracterele fiind ns determinate de gene diferite, rezult n F1 un tip nou de creast, n form de nuc (RrPp), iar n F2 se produce segregarea n urmtorul raport: 9/16 indivizi cu creasta n form de nuc; 3/16 indivizi cu creasta n form de trandafir; 3/16 indivizi cu creasta n form de mazre; 1/16 indivizi cu creasta simpl.

Acest exemplu demonstreaz n mod concludent c interaciunea celor dou gene dominante (R i P) determin apariia unui tip nou de creast (tipul nuc), deosebit de al genitorilor, iar din interaciunea celor dou gene n stare recesiv (r i p) apare tipul simplu.

In sfrit, epistazia poate fi reciproc, aa nct fiecare dintre gene, atunci cnd este prezent n form dominant (sau recesiv), exprim acelai genotip. La traista ciobanului (Capsella bursa-pastoris), forma seminei este controlat de dou gene aflate n relaie epistatic. Cnd genele A i B sunt ambele n stare recesiv homozigot (aabb), seminele sunt ovoide. Dac este prezent alela dominant a oricreia dintre aceste dou gene, seminele sunt triunghiulare. Aceasta nseamn c orice alt genotip posibil dect aabb are ca rezultat semine triunghiulare, iar o ncruciare ntre heterozigoii pentru ambele gene (AaBb x AaBb) ar genera o descenden cu un raport fenotipic de 15:1, respectiv 15 triunghiular : 1 ovoid.Polialelia sau alelia multipl

Genele sau factorii ereditari exist, cel mai adesea, sub forma perechilor de alele ce determin caractere definite i constante. Denumirea de gene alele a fost propus de W. Johannsen n anul 1909. Alela unei gene este rezultatul unei mutaii a tipului slbatic al acesteia, produs ntr-un trecut mai mult sau mai puin ndeprtat.

Genele alele sunt plasate ntr-un anumit locus pe cromozomii pereche, pe fiecare cromozom existnd exclusiv o singur gen alel. Ca urmare, organismele diploide homozigote posed numai una dintre alele pereche (fie AA, fie aa), iar cele heterozigote posed ambele gene alele (Aa) plasate pe cromozomii aceleeai perechi.

Pe lng tipul de gene alele sau pereche (A i a) descris mai sus, n unele populaii exist uneori mai mult de dou alele n acelai locus i care determin variaii ale aceluiai caracter. Acest fenomen se numete polialelie i este provocat de mutaii consecutive ale unei gene dintr-un anumit locus. De exemplu, dac tipul slbatic este notat cu A, prin mutaii succesive poate s apar o serie de alele, ce se noteaz cu a1, a2, a3 ..... an, i care afecteaz toate acelai caracter. Gena care determin tipul slbatic mai poate fi notat cu prima sau primele litere ale caracterului respectiv la care se adaug semnul + (a+), iar genele sale alele se noteaz cu aceeai liter la care se schimb indicele (aa, ab, ac, ad .... etc.).

Un exemplu clasic de polialelie (alelie multipl) a fost observat de ctre Thomas Hunt Morgan la Drosophila melanogaster. Culoarea ochilor este determinat la aceast insect de un sistem de gene polialele, dintre care unele determin apariia tipului slbatic cu ochi roii (w+), iar altele apariia de fenotipuri mutante, cu o variaie de culori ntre alb i rou. Toate aceste gene alctuiesc o serie alelomorf, n care fenotipul de tip slbatic este dominant, iar fenotipurile mutante sunt recesive. Intre alelele care determin fenotipuri mutante, ordinea de dominan este legat de intensitatea culorii ochilor. Astfel, alela w, ce determin culoarea alb a ochilor, este recesiv fa de toate celelalte alele i respectiv fenotipuri mutante, iar gena we, ce determin culoarea de tip eosin, este dominant fa de alelele w, wt, wa, wbt, care determin fenotipuri mai deschise la culoare i recesiv fa de toate celelalte care determin o culoare mai nchis a ochilor. Primele cercetri au dus la identificarea unui numr redus de alele mutante, dar ulterior, prin folosirea unor metode de laborator de mare sensibilitate pentru extracia i dozarea pigmenilor din ochi, a fost posibil identificarea unei serii largi de mutante, dintre care cele mai cunoscute sunt: eosin (e); brown (bw); sepia (se); cinnabar (c); vermillion (v); scarlet (st); ruby (rb); purple (pr); carnation (car); pink (p); apricot (apr); garnet (g); light (l); white (w).

In cazul acestor alele multiple dominana este incomplet, fapt reflectat de cantitatea intermediar de pigment prezent la genotipurile heterozigote. S-a observat de asemenea c n cazul tipului slbatic, care la prima vedere are ochi roii, exist o gam relativ mare de fenotipuri diferite, care se deosebesc i genotipic. Diferenierea ntre acestea este ns dificil de fcut cu ochiul liber, ea fiind posibil numai prin folosirea metodelor de laborator de mare sensibilitate.

Un alt exemplu de polialelie este cel implicat n determinismul culorii blnii la iepuri. Dependent de prezena alelelor multiple C, c, cch i ch, culoarea blnii poate fi de tip slbatic (CC, Cc, Ccch sau Cch), tip chinchila (cchcch, cchch sau cchc), tip himalaya (chch, sau chc), sau tip albino (cc) (Fig. 1.7). Se constat c tipurile chinchila, himalaya i albino apar doar n absena genei dominante C (de tip slbatic), adic atunci cnd alelele cch, ch sau c se afl n stare homozigot (cchcch, chch, respectiv cc), sau fac pereche cu o alel recesiv lor.

Fig. 1.7. Seria de polialele (alele multiple) implicate n determinismul culorii blnii la iepuri.

Fenomenul polialeliei prezint urmtoarele particulariti:

1. Genele polialele sunt plasate n acelai locus de pe cromozom.

2. Genele polialele afecteaz ntotdeauna acelai caracter.

3. Incruciarea a dou mutante polialele are ca rezultat apariia fenotipului unuia dintre genitori (dominant), i nu a celui caracteristic tipului slbatic.

4. Tipul slbatic este cel mai adesea dominant, iar genele alele corespunztoare sunt recesive. De la acest fenomen sunt ns i excepii, ca n cazul seriei de gene polialele ce afecteaz culoarea blnii la animale de tip agouti.

5. Intre genele polialele nu are loc fenomenul de crossing-over.Pseudoalelia

In cazul cnd una sau mai multe caracteristici ale fenomenului de polialelie lipsesc, genele recesive sunt pseudoalele sau alele false. Pentru a explica pseudoalelia se consider c genele respective sunt plasate n loci compleci, foarte aproape una de alta. Poziia lor apropiat ntr-un locus complex determin transmiterea lor mpreun, dar este posibil ca uneori s se produc o recombinare a lor, dar cu frecven extrem de redus.

Un exemplu de gene pseudoalele a fost descoperit la Drosophila melanogaster i se refer la culoarea ochilor, implicat fiind un locus de pe cromozomul I. Pe baza unor prime cercetri s-a tras concluzia c gena ce determin culoarea alb a ochilor (w) face parte dintr-un grup de gene polialele, n care intr i gena ce determin pigmentaia de culoarea caisei (wa) a ochilor. Ulterior s-a descoperit c din ncruciarea celor dou tipuri de indivizi (ww x wawa) apar n descenden, cu o frecven foarte mic, i indivizi de tip slbatic (w+) cu ochi roii. Aceste observaii au dovedit existena unui locus compus, caracterizat prin distana foarte mic dintre cele dou gene, i au determinat schimbarea denumirii genei wa n apr (apricot = cais). Cnd cele dou gene (apr i w) sunt plasate diferit pe cei doi cromozomi pereche (poziia trans), culoarea ochilor indivizilor respectivi este cea a caisei (gena apr este dominant asupra genei w). Dac ns are loc o recombinare genetic (crossing-over ntre cele dou gene), i ele sunt plasate mpreun pe acelai cromozom din perechea respectiv (poziia cis), indivizii vor avea ochi roii (tip slbatic), genele pentru acest tip (+ +) fiind plasate, de asemenea, mpreun. Schematic, cele dou poziii ale genelor pot fi prezentate astfel:

+

w apr

w

apr

+ +

+

poziia trans

poziia cis

(culoarea caisei)

(culoarea roie)

Acest exemplu demonstreaz c fenotipul poate fi determinat nu numai de prezena anumitor gene, ci i de poziia pe care o au genele pe cromozomi. Fenomenul a primit denumirea de efect de poziie.

Pentru ca reaciile biochimice care duc la apariia culorii roii normale a ochilor s aib loc, este necesar ca cele dou gene (apr i w) s fie plasate alturat pe acelai cromozom, n poziia cis. Transferul uneia dintre gene pe cromozomul pereche, n poziia trans, blocheaz reaciile biochimice i duc la apariia unei alte culori a ochilor. Prin testul cis-trans se poate aadar determina dac dou gene diferite sunt, sau nu sunt, alele.

Cistronul, unitatea funcional implicat n procesul de recombinare, i datoreaz denumirea testului cis-trans. In cazul prezentat mai sus, este evident faptul c cele dou gene nu fac parte din acelai cistron, deoarece atunci cnd se afl n poziia cis (alturate pe acelai cromozom) are loc o restabilire a funciei normale a organismului, reflectat n sinteza pigmentului i apariia culorii roii a ochilor.

Pleiotropia

Dac n cazul polialeliei mai multe gene plasate n acelai locus contribuie la realizarea unui anumit caracter (de exemplu, culoarea ochilor la Drosophila, culoarea blnii la animale, etc.), n cazul fenomenului opus, denumit pleiotropie, o anumit gen determin schimbri majore n fenotip prin modificarea expresiei mai multor caractere. Un exemplu de pleiotropie este acela al mutantei cu aripi vestigiale de la Drosophila, la care gena vg determin modificarea i a altor caractere (de exemplu fecunditatea i vitalitatea). In mod similar, gena recesiv ca, care n stare homozigot determin apariia tipului albinos la animale, este o gen pleiotropic, a crei activitate are ca rezultat o vitalitate mai redus (sau o letalitate mai ridicat) a animalelor respective, fapt care explic frecvena rar a albinismului n stare natural.

In prezent se consider c marea majoritate a genelor sunt pleiotrope, dei n relativ puine cazuri exist dovezi pentru efectul multi-direcional al unei anumite gene.

Poligenia sau polimeria

Inc n secolul al XVIII-lea, J. Klreuter a remarcat c prin ncruciarea unor varieti de tutun pitic cu varieti nalte, n prima generaie (F1) se obin hibrizi care au nlime intermediar ntre genitori, iar n F2 are loc o segregare care duce la apriia unor forme ce prezint o graduare continu a nlimii, de la pitice la nalte. Astfel de fenomene au fost observate ulterior de numeroi experimentatori, ns numai n primele decenii ale secolului al XX-lea s-a reuit gsirea unei explicaii genetice pentru transmiterea ereditar a caracterelor cantitative (de exemplu, nlimea plantelor, mrimea florilor, fructelor sau seminelor, etc).

Cercetrile lui H. Nilsson-Ehle la gru i ale lui E.M. East la porumb (n perioada 1910-1913) au dus la descoperirea fenomenului de poligenie, prin care se explic modul de segregare a caracterelor cantitative. Pe baza rezultatelor acestor cercetri s-a ajuns la concluzia c, la plante, caracterele cantitative sunt determinate de mai multe gene nealele (poligene), care segreg independent, dar care influeneaz acelai caracter, avnd efect cumulativ. In consecin, modul de segregare este diferit de cel clasic, observat de G. Mendel. Poligenia caracterizeaz toate organismele (plante, animale, om). Un exemplu de efect cumulativ al genelor n motenirea unor caractere cantitative l constituie ereditatea culorii pielii la om (Tabel 1.11). C.B. Davenport a studiat extensiv problema ereditii culorii pielii la om, n special n Jamaica i insulele Bermude, unde frecvena cstoriilor ntre rase diferite este foarte mare. Culoarea pielii este determinat de pigmentul melanin, care variaz cantitativ la diferitele rase: 0-11% la rasa alb; 12-25% la mulatrii deschii; 26-40% la mulatrii propriu-zii; 41-55% la mulatrii nchii; 56-78% la negrii.

Tabel 1.11. Segregarea la ncruciarea ntre mulatrii n cazul a dou perechi de gene pentru pigmentaie.

P1 P2P1 p2p1 P2p1 p2

P1 P2

P1 P1 P2 P2negruP1 P1 P2 p2mulatru

nchisP1 p1 P2 P2mulatru

nchisP1 p1 P2 p2mulatru

P1 p2

P1 P1 P2 p2

mulatru

nchisP1 P1 p2 p2

mulatruP1 p1 P2 p2

mulatruP1 p1 p2 p2

mulatru

deschis

P1 P2

P1 p1 P2 P2

mulatru

nchisP1 p1 P2 p2

mulatruP1 p1 P2 P2

mulatrup1 p1 P2 p2

mulatru

deschis

P1 p2

P1 p1 P2 p2

mulatruP1 p1 p2 p2

mulatru

deschisP1 p1 P2 p2

mulatru

deschisp1 p1 p2 p2

alb

Pentru a explica faptul c descendena F1 este relativ uniform, alctuit din mulatrii cu o culoare a pielii intermediar, i c prin cstorie ntre mulatrii se obine n F2 o segregare n raport de 1:4:6:4:1 (1 alb, 4 mulatrii deschis, 6 mulatrii, 4 mulatrii nchis, 1 negru), Davenport a sugerat c n apariia culorii pielii sunt implicate dou perechi de gene alele: P1 p1 i P2 p2. Din cstoria dintre negrii (P1P1P2P2) i albi (p1 p1 p2 p2) rezult n F1 mulatrii propriu-zii (P1 p1 P2 p2), iar din cstoria ntre mulatrii n F2 apar mai multe tipuri de indivizi (Tabelul 1.9).

Prin ncruciarea ntre mulatrii (P1p1P2p2) i albi (p1p1p2p2), adic prin back-cross, rezult descendeni n urmtorul raport: 25% mulatrii (P1p1P2p2), 25% albi (p1 p1p2p2), 50% mulatrii deschii, intermediari ntre prini (P1p1p2p2 sau p1p1P2p2). Din ncruciarea ntre mulatrii (P1p1P2p2) i negrii (P1P1P2P2) rezult: 25% mulatrii (P1p1P2p2; P1P1p2p2; p1p1P2P2), 25% negrii (P1P1P2P2), 50% mulatrii nchii, intermediari ntre prini (P1p1P2P2; P1P1P2p2).

Fig. 1.8. Segregarea culorii pielii n cazul implicrii a trei perechi

de gene nealele (AaBbCc).

Conform ipotezei lui Davenport, cantitatea de pigment n piele este determinat de efectul cumulativ al genelor P1 i P2, care la negrii se afl n stare homozigot (P1P1P2P2); la mulatrii nchii exist trei gene pentru pigmentare (P1p1P2P2 sau P1P1P2p2); la mulatrii propriu-zii exist dou gene pentru pigmentare (P1p1P2p2; P1P1p2p2 sau p1p1P2P2), iar la mulatrii deschii o singur gen (P1p1p2p2 sau p1p1P2p2). S-a emis apoi ipoteza conform creia culoarea pielii la om ar fi determinat de trei perechi de gene nealele, ulterior fiind analizate matematic posibilitile de segregare dup culoarea pielii chiar n cazul unui numr de pn la 20 perechi de gene.

De exemplu, n cazul n care culoarea pielii ar fi determinat de trei perechi de gene nealele (Fig. 1.8), raportul de segregare este de 1:6:15:20:15:6:1.

Gene letale

O cauz important a modificrii raportului Mendelian de segregare o constituie genele letale, care n stare homozigot determin moartea individului respectiv.

In anul 1905, Lucien Cunot a observat un model neobinuit atunci cnd a studiat transmiterea ereditar a unei gene pentru culoarea blnii la oareci. Din ncruciarea a doi oareci cu blana de culoare galben a rezultat o descenden al crei raport fenotipic nu era niciodat cel normal. Astfel, n locul raportului normal de 3:1, rezulta de fiecare dat un raport de 2:1, cu doi oareci galbeni pentru fiecare oarece de alt culoare dect galben. Cunot a ajuns astfel la concluzia c culoarea galben era caracterul fenotipic dominant i prin utilizarea ncrucirilor test a stabilit c toi oarecii galbeni erau heterozigoi. Totui, Cunot nu a reuit s obin niciodat un oarece galben homozigot, fapt pentru care nu a gsit o explicaie. Civa ani mai tarziu, W.E. Castle i C.C. Little (1910) au confirmat raporturile de segregare neobinuite obinute de Cunot. Mai mult, ei au demonstrat c ncrucirile lui Cunot au avut ca rezultat ceea ce preau s fie raporturi non-Mendeliene pentru c el descoperise o gen letal. Castle i Little au artat c un sfert din descendena din ncrucirile ntre heterozigoi a murit n cursul dezvoltrii embrionare (Fig. 1.9). De aceea Cunot nu reuise niciodat s obin oareci galbeni homozigoi. Astfel, lund n consideraie letalitatea embrionar (sau moartea), poate fi restabilit raportul clasic de 1:2:1 al genotipurilor.Aa cum ilustreaz acest exemplu, genele letale pot cauza moartea organismelor care le poart. Uneori, moartea nu este imediat, dependent de gen ea putndu-se produce chiar dup mai muli ani. In orice caz, dac o mutaie duce la letalitate, aceasta este o indicaie c gena afectat are o funcie fundamental n creterea, dezvoltarea i supravieuirea unui organism.

(

Fig. 1.9. Modificarea aparent a raportului Mendelian de segregare

ca rezultat al prezenei n genotip a unei gene (alele) letale. Genele letale pot fi dominante, recesive, condiionale sau semiletale, dependent de gena sau genele implicate. Genele letale dominante sunt exprimate att la homozigoi, ct i la heterozigoi. Se pune ns ntrebarea cum sunt transmise astfel de alele de la o generaie la alta dac ele cauzeaz moartea. Genele dominante letale sunt rar detectate datorit eliminrii lor rapide din populaii. Un exemplu de boal cauzat de o alel dominant letal este boala Huntington, o afeciune neurologic la oameni, care reduce durata ateptat a vieii. Deoarece instalarea bolii Huntington este lent, indivizii purttori ai alelei o pot transmite descendenilor lor. Aceasta permite meninerea ei n populaie. Caracterele dominante pot fi de asemenea meninute n populaii prin mutaii recurente, sau dac penetrana genei este mai mic de 100%.

La numeroase specii de plante au fost identificate gene letale care n stare homozigot provoac moartea embrionilor sau plantelor tinere (nainte de maturitate).

La Antirrhinum majus exist o varietate, aurea, a crei frunze sunt verzi-glbui; n urma autofecundrii segreg trei tipuri de plante - aurea, verzi i galbene. Edwin Baur (1907) a descoperit c plantele galbene sunt incapabile de germinare a seminelor sau mor ntr-un stadiu timpuriu. Plantele aurea trebuie prin urmare s fie heterozigote, ceea ce determin producerea n F1 a unei descendene conform schemei urmtoare:

P

aurea x aurea

Aa Aa

aa Aa Aa AA

F1 galbene aurea aurea verzi

(neviabile)

(normale)

Cunot i Baur au descoperit genele letale descrise mai sus deoarece ele modificau raporturile Mendeliene de segregare. Genele recesive letale pot cauza caractere dominante sau recesive, dar ele nu cauzeaz moartea dect dac un organism poart dou copii ale alelei letale. Exemple de boli umane cauzate de alele recesive letale sunt fibroza chistic, anemia falciform i acondroplazia. Aceasta din urm este o boal autozomal dominant a oaselor ce cauzeaz dwarfism. In timp ce motenirea unei alele pentru acondroplazie poate cauza boala, motenirea a dou alele recesive este fatal (letal).

La porumb sunt cunoscute cel puin 15 gene diferite care n stare homozigot blocheaz formarea clorofilei i fotosinteza, ceea ce le face incapabile s supravieuiasc. Genele implicate n incapacitatea plantelor de sintez a clorofilei i respectiv de fotosintez, sunt gene subletale, care nu determin moartea n faza de zigot sau embrion, dar plantele nu ajung niciodat la maturitatea de reproducere (sexual). De exemplu, prin autopolenizarea sau ncruciarea unor plante ce conin gena recesiv pentru albinism (w) n stare heterozigot (Ww), descendena segreg astfel: 1 WW : 2 Ww : 1 ww. Deoarece ultima categorie de indivizi pier, segregarea plantelor are loc de fapt n raport de 1/3 WW : 2/3 Ww.

Dac la plantele heterozigote care se ncrucieaz (Ww x Ww) frecvena genei recesive w este de 50%, la plantele din prima generaie (1/3 WW : 2/3 Ww) frecvena genei recesive letale este de numai 33.3%. S-a demonstrat experimental c prin polenizarea liber a plantelor primei generaii, n generaia F2 frecvena genei recesive letale se reduce la 1/4, n generaia urmtoare la 1/5, etc.

A fost elaborat o formul teoretic (qn+1 = qn/1+qn), cu ajutorul creia poate fi exprimat matematic descreterea progresiv a frecvenei unei gene recesive letale, ca urmare a faptului c indivizii homozigoi pentru gena letal pier. Pe baza studiilor privind frecvena genelor letale ntr-o populaie i descreterea lor n cazul cnd homozigoii dublu recesivi sunt eliminai, s-au elaborat metode artificiale pentru controlul frecvenei genelor respective.Abateri Reale de la Raporturile Mendeliene de Segregare

Abaterile de la segregarea mendelian sunt considerate ca fiind aparente atunci cnd mecanismul cromozomial care st la baza segregrii i comportamentul celulelor haploide care formeaz zigotul sunt cele ateptate conform rezultatelor lui Mendel, dar factori adiionali au distorsionat proporia indivizilor n una sau mai multe clase ale descendenei. In contrast, adevratele abateri de la legile lui Mendel apar atunci cnd celulele haploide nu se formeaz n meioz n raportul tipic de 1:1, sau acestea nu se unesc randomizat pentru producerea zigoilor. Prima situaie este rezultatul meiozei atipice, iar cea de a doua este determinat de comportamentul difereniat al celulelor haploide.

Segregarea preferenial

Segregarea preferenial este cazul n care distribuia anumitor cromozomi, respectiv a anumitor gene nu este randomizat n procesul meiozei. Adevrata segregare preferenial apare cnd, n oogenez, un anumit cromozom sau segment de cromozom este inclus preferenial n celula ou, n timp ce omologul su merge la ceilali nuclei (nucleii polari, sau nucleii echivaleni din macrosporul plantelor), care nu particip de altfel la formarea zigotului. In formarea gameilor masculi, cazurile de segregare preferenial apar atunci cnd meioza nu are ca rezultat producerea a patru celule sexuale, sau cnd cele patru celule produse nu sunt egal funcionale. Segregarea preferenial poate fi dedus din comportamentul citologic al cromozomilor i din distorsionarea rapoartelor genetice.

Chiar dac diferenele n ceea ce privete viabilitatea n faza diploid i letalitatea observabil a gameilor sau celulelor haploide pot fi excluse, comportamentul difereniat al celulelor haploide purtnd un anumit cromozom sau o anumit gen poate s conduc la segregare preferenial aparent, dar nu adevrat.

Segregarea preferenial a fost bine studiat la porumb (Zea mays). La cteva varieti de porumb exist un cromozom (10) denumit 10 anormal (10a), care segreg preferenial n macrosporul plantelor care sunt heterozigote pentru acest cromozom. Acest cromozom segreg normal n timpul macrosporogenezei la formele homozigote (10a/10a) i segreg de asemenea normal (n raport de 1:1) n microsporogenez, att la formele homozigote ct i la cele heterozigote (10a/10n). Totui, se pare c heterozigoii 10a/10n manifest un fenomen mai pronunat de avortare a polenului, dect n mod obinuit (aproximativ 10% la plantele 10a/10n, comparativ cu 0-5% n mod obinuit la plantele 10n/10n).

Fig. 1.10. Segregarea preferenial a culorii boabelor la Zea mays.

Fenomenul segregrii prefereniale a fost pus n eviden urmrindu-se transmiterea n descenden a genei R, care determin formarea pigmentului antocianic n semine i plante. Prin ncruciarea unei linii de porumb posednd cromozomii 10a purttori ai alelelor recesive rr, cu o linie de porumb posednd cromozomii 10n purttori ai alelelor dominante RR, s-au obinut n F1 plante heterozigote (Rr) cu boabe de culoare roie. Prin retroncruciarea plantelor hibride (heterozigote) cu genitorul posednd caracteristica recesiv (rr) nu s-au obinut 50% descendeni cu boabe necolorate i 50% descendeni cu boabe de culoare roie (deci un raport de segregare de 1:1), ci 70.2% indivizi cu boabe necolorate i 29.8% indivizi cu boabe roii, ca urmare a segregrii prefereniale a cromozomilor 10a.

Non-disjuncia cromozomilor n meioz

In mod obinuit, n meioz are loc separarea cromozomilor din perechile de omologi i repartizarea lor n celulele haploide care se formeaz. Uneori, prin non-disjuncia cromozomilor n cursul meiozei (mai precis, n cursul anafazei I), dup prima diviziune se formeaz o celul cu un cromozom n plus i o celul cu un cromozom n minus. Celulele sexuale care se formeaz din acestea vor produce dup fecundare zigoi cu 2n+1 i 2n-1 cromozomi (Fig. 1.10). Non-disjuncia se poate produce i n cursul anafazei celei de a doua diviziuni meiotice (anafaza II). Totui, studiile realizate la numeroase specii de plante i animale au artat c non-disjuncia n anafaza I este mai frecvent dect non-disjuncia n anafaza II. Rezultate similare au fost raportate i pe baza studiilor realizate pentru stabilirea cauzelor apariiei trisomiei 21 la om (care cauzeaz sindromul Down), care au artat preponderena non-disjunciei cromozomilor 21 n meioza 1 matern (> 70%) (Antonarakis i colab., 1992).Organismele care se vor dezvolta din zigoii cu 2n+1 cromozomi vor fi trisomice, iar cele care se vor dezvolta din zigoii cu 2n-1 cromozomi vor fi monosomice. Fig. 1.10. Non-disjuncia cromozomilor n meioz.Frecvena cu care se produce non-disjuncia cromozomilor variaz larg la organismele vegetale i animale. A devenit ns evident faptul c acest gen de anomalie se produce cu frecven mai mare la organismele triploide, fiind rar la cele diploide.Formarea nerandomizat a zigoilor

De regul, n procesul fecundrii, gameii se ntlnesc ntre ei randomizat. Uneori, gameii se ntlnesc nu la ntmplare ci preferenial (nerandomizat). La plante, acest fenomen este favorizat de viabilitatea inegal a celulelor sexuale mascule (microsporii) (Fig. 1.11) i de capacitatea inegal de formare i de maturizare a stigmatului.

O alt cauz a formrii nerandomizate a zigoilor o constituie barierele genetice de autopolenizare i autofecundare. De exemplu, polenul ce poart alele identice cu cele existente n celulele pistilului va fi incapabil s formeze tuburi polinice lungi i s participe la fecundare.

Fig. 1.11. Incompatibilitatea gametofitic o cauz a modificrii raportului mendelian de segregare la unele specii de plante. La porumb, spre exemplu, exist gene care controleaz creterea tubului polinic n stil (Fig. 1.11). Polenul care conine alela dominant a genei S dezvolt tubul polinic mai repede i formeaz un numr mai mare de zigoi cu aceast gen, ceea ce are ca rezultat abateri de la raportul de segregare de tip Mendelian.

In mod similar, la unele specii de plante, pe stigmat germineaz numai grunciorii de polen ce conin cel puin o alel diferit de cele ale pistilului (fenomen denumit incompatibilitate gametofitic), ceea ce duce la absena unora dintre clasele de descendeni i, implicit, modificarea raportului de segregare.2. TEORIA CROMOZOMIAL A EREDITII

Elaborarea teoriei celulare, de ctre botanistul M.J. Schleiden i zoologul T. Schwann (1838), completat ulterior de R. Virchow (1855), demonstrnd c toate organismele au o alctuire celular sau pluricelular, a constituit unul din momentele care i-au lsat puternic amprenta asupra dezvoltrii geneticii ca tiin. Studiul celulei i a diviziunii celulare a fcut posibil identificarea materialului genetic, a mecanismului prin care genele se transmit de la celula mam la celulele fiice, de la ascendeni la descendeni, a modului cum se realizeaz recombinarea genetic i cum se produc mutaiile la nivel genic, precum i restructurrile la nivelul cromozomilor.

La cteva decenii de la apariia teoriei celulare, Hertwig (1875) i curnd dup aceea Strasburger, Waldeyer i alii, au descoperit c n momentul n care celula se divide, nucleul se mparte ntr-un numr constant de structuri pe care le-a denumit cromozomi (corpusculi colorai).

W. Flemming (1882) introduce n tiin denumirea de mitoz, n urma descoperirii faptului c n cursul diviziunii celulare cromozomii cliveaz longitudinal, avnd ca rezultat identitatea cromozomilor celulelor fiice cu cei ai celulei mam.

Un moment important n evoluia geneticii l reprezint i descoperirea de ctre E. van Beneden (1883) a existenei unui numr redus la jumtate (haploid) de cromozomi n gamei, fiind astfel explicat relaia ntre structura genetic a gameilor i respectiv aceea a zigotului (diploid). Ulterior, H. von Winiwarter constata c meioza const din dou diviziuni nucleare, dar una singur a cromozomilor, avnd ca rezultat formarea a patru gamei haploizi.

In anul 1902, W.S. Sutton i T. Boveri descopereau independent c diferiii cromozomi au dimensiuni i anumite caracteristici care se pstreaz constante att n mitoz, ct i n meioz. Un an mai trziu (1903), studiind meioza, Sutton observa c cromozomii omologi aparinnd celor doi genitori (patern i matern) se asociaz n bivaleni, i c n metafaza I cromozomii care formeaz bivalenii se orienteaz diferit, independent de celelalte perechi. Aceast observaie l conducea la concluzia c gameii prezint o multitudine de posibiliti de combinare a cromozomilor. Astfel, pentru o specie cu 36 de cromozomi n celulele somatice, Sutton a calculat c exist 218 = 262.144 combinaii posibile n gamei, ceea ce poate avea ca rezultat un numr posibil de descendeni diferii genotipic de 236 sau 6.87 x 1010.

Cercetrile privind mecanismul cromozomial al determinrii sexelor au adus un argument important n sprijinul ipotezei c factorii ereditari se gsesc plasai n cromozomi. In anul 1891, Henking a emis prima ipotez potrivit creia determinismul sexelor este dependent de diferenierea gameilor, pe baza observaiilor sale c gameii insectelor din specia Pyrrhocoris apterus sunt de dou feluri, unii posednd nite corpusculi necunoscui pe care i-a denumit X, iar alii lipsii de aceti corpusculi. In primii ani ai secolului al XX-lea, aceast ipotez avea s fie confirmat de numeroase alte studii. Astfel, C.E. McClung (1902) descoper c la speciile de lcuste masculii (2n=31) i femelele (2n=32) posed numr diferit de cromozomi, fapt pe care l explic prin determinarea genetic a sexelor. Civa ani mai trziu, E.B. Wilson (1905) observa c la genul de insecte Protenor masculii au 2n=13 cromozomi i femelele 2n=14 cromozomi, iar gameii sunt de un singur tip la femele (n=7) i de dou tipuri la masculi (n=6 i n=7). Prin fecundarea ovulelor cu spermatozoizi cu 6 cromozomi apar indivizi masculi, iar prin fecundarea cu spermatozoizi cu 7 cromozomi apar indivizi femeli. Aceast descoperire demonstra concludent c sexul are determinare ereditar cromozomial.

Fig. 2.1 Determinismul genetic al sexelor la speciile de insecte

Protenor i Drosophila.

Meritul de a fi stabilit legtura logic dintre factorii ereditari (gene) ai lui Gregor Mendel i cromozomi, ca purttori ai acestora, a revenit biologului american W.S. Sutton (1902) i celui german T. Boveri (1904), care au emis ipoteza plasrii genelor pe cromozomi.

Thomas Hunt Morgan (profesor la Universitatea Columbia din New York) a reuit s sintetizeze rezultatele tuturor aceste cercetri, precum i pe cele ale unui impresionant volum de experimente proprii, ntr-o teorie unitar, cunoscut sub denumirea de teoria cromozomial a ereditii. Pentru contribuia sa la dezvoltarea geneticii, i n mod deosebit pentru elaborarea acestei teorii, Morgan a fost distins cu premiul Nobel.

Cercetrile lui Morgan i ale colaboratorilor si au fost efectuate n special asupra musculiei de oet (Drosophila melanogaster). Ritmul de reproducere al acestei specii (o generaie la circa 12 zile), prolificitatea foarte ridicat (o femel produce cteva sute de descendeni n fiecare generaie) i numrul mic de cromozomi somatici (2n=8), uor de identificat datorit deosebirilor de morfologie, au reprezentat avantaje importante pentru reuita studiilor asupra mecanismelor ereditii.

Fig. 2.2 Musculia de oet (Drosophila melanogaster) Studiind cteva sute de mii de indivizi timp de mai muli ani, Morgan i colaboratorii si au reuit s identifice peste 500 de mutaii care afectau toate organele insectei (Tabel 2.1). Aceste mutaii au servit ca un excelent material pentru studiul transmiterii ereditare a caracterelor la descendeni i respectiv a mecanismului cromozomial al ereditii.

Tabel 2.1. Cteva din mutaiile dominante i recesive identificate de Morgan la Drosophila melanogaster.

Organul afectatCaracterulMutaiaGena implicat

OchiiCuloareaAlb

Purpurie

SepiaW

Pr

Se

OchiiFormaBarai

In stea

AbseniB

S

Ey

AripileFormaTrunchiate

Vestigiale

ndoiteT

Vg

C

CorpulCuloareaGalben

Portocalie

NeagrY

L

B

Fig. 2.3. Tipul slbatic (stnga sus) i cteva dintre mutantele comune de Drosophila melanogaster.

Prin ncruciarea mutantelor ntre ele sau cu tipul normal (slbatic) s-a studiat modul de transmitere ereditar a diferitelor gene n cursul mai multor generaii. Rezultaele obinute, corelate cu cele ale studiilor citologice, au constituit suportul tiinific al elaborrii celor mai importante teze privind mecanismul cromozomial al ereditii.

Gene i Cromozomi Importana nucleului i a coninutului su a fost recunoscut odat cu observarea fuziunii nucleilor a doi gamei n cursul procesului de fertilizare. Urmtorul pas important a fost descoperirea cromozomilor, vizibili la microscopul optic cnd sunt colorai cu colorani bazici. S-a descoperit apoi c cromozomii segreg att n gamei ct i n celulele fiice. In sfrit, au fost observate trei reguli importante n ceea ce privete complementul cromozomial (setul complet de cromozomi) al plantelor superioare i animalelor:

1. Nucleul fiecrei celule somatice (o celul a corpului, n contrast cu o celul germinal, sau gamet) conine un numr fix de cromozomi, tipic pentru o anumit specie. Totui, numrul de cromozomi variaz extrem de larg de la o specie la alta, fr a fi dependent de complexitatea organismului (Tabel 2.2).

2. In nucleii celulelor somatice cromozomii sunt prezeni n mod obinuit n perechi. De exemplu, cei 46 de cromozomi ai indivizilor umani constau n 23 de perechi, iar cei 14 cromozomi ai plantelor de mazre constau n 7 perechi. Unul din cromozomii fiecrei perechi provine de la genitorul matern i cellalt de la genitorul patern. Celulele cu nuclei de acest fel, coninnd dou seturi similare de cromozomi, sunt denumite diploide.

3. Celulele germinale, sau gameii, care se unesc n cursul fertilizrii pentru a produce stadiul diploid al celulelor somatice, au nuclei care conin un singur set de cromozomi, constnd dintr-un membru al fiecrei perechi. Aceti nuclei sunt haploizi.

La organismele complexe care se dezvolt din celule unice, prezena unui numr diploid de cromozomi n celulele somatice i a unui numr haploid de cromozomi n celulele germinale indic existena a dou procese de diviziune nuclear. Unul dintre acestea mitoza - menine numrul de cromozomi, pe cnd cellalt meioza - l reduce la jumtate. Aceste dou procese sunt examinate n subcapitolele urmtoare.

Tabelul 2.2. Numrul somatic de cromozomi la cteva specii de plante i animale.

PlanteAnimale

Specia

Numr

de cromozomiSpecia

Numr

de cromozomi

Haplopapus gracilis4Scorpion

Crin

(Lilium sp.)12Musculia de oet

(Drosophila melanogaster)8

Mazre

(Pisum sativum)14Musc

(Musca domestica)12

Cire (Prunus avium)16Triton

(Triturus vulgaris)24

Sfecl (Beta vulgaris)18Broasca

(Rana esculenta)26

Porumb (Zea mays)20Biban

(Perca fluvialtilis)28

Alun (Corylus avellana)22Hidr (Hydra vulgaris)32

Lalea

(Tulipa gesneriana)24oprl (Lacerta agilis)38

Dud (Morus alba)28Pisic (Felix domestica) 38

Mr (Malus domestica)34oarece (Mus musculus)40

Via de vie

(Vitis vinifera)38Porc (Sus scrofa)40

Gru

(Triticum aestivum)42Capr (Capra hircus)60

Frasin

(Fraxinus excelsior)46Cal (Equus cabalus)66

Cartof

(Solanum tuberosum)48Gin (Gallus gallus)78

Cpun

(Fragaria ananassa)56Cine (Canis familiaris)78

Dalia

(Dahlia variabilis)64Porumbel

(Columba livia)80

Tei (Tilia cordata)82Molia geometrid224

Mitoza

Mitoza este un proces precis al diviziunii celulare care asigur ca fiecare dintre cele dou celule fiice s primeasc un complement de cromozomi identic cu cel al celulei parentale. Procesul este n mod esenial acelai la toate organismele i este remarcabil de simplu:1. Fiecare cromozom este deja prezent ca o structur replicat la nceputul fiecrei diviziuni nucleare.

2. Fiecare cromozom se divide longitudinal n dou jumti identice care se separ una de cealalt.3. Jumtile de cromozomi separate se mic n direcii opuse, fiecare fiind inclus n una dintre cele dou celule fiice care se formeaz.

In celulele care nu sunt pregtite pentru mitoz cromozomii nu sunt vizibili la microscopul optic. Acest stadiu al ciclului celular se numete interfaza. In cadrul pregtirii pentru mitoz are loc sinteza materialului genetic din cromozomi (ADN), care se realizeaz n cursul unei perioade a interfazei trzii denumit S (Fig. 2.4). Sinteza ADN este nsoit de replicarea cromozomilor. Perioada S este precedat de o perioad denumit G1 i urmat de o perioada G2, n care nu se realizeaz sinteza ADN.

Fig. 2.4. Fazele ciclului celular.

Sinteza ADN se realizeaz numai n faza S, n timp ce n faza presintetic (G1) i n cea postsintetic (G2) cantitatea de ADN rmne constant: simpl n G1 i dubl n G2. Celulele care intr n G0 i nceteaz diviziunea. Ciclul celular, sau ciclul de via al celulei, este n mod obinuit descris n termenii acestor trei perioade ale interfazei, urmate de mitoz (M), respectiv G1 ( S ( G2 ( M. In aceast reprezentare, diviziunea citoplasmei n dou pri aproximativ egale coninnd nucleii este inclus n perioada M. Durata ciclului celular variaz dependent de tipul de celul. La majoritatea organismelor superioare ciclul celular dureaz ntre 18 i 24 de ore. Durata relativ a diferitelor perioade ale ciclului celular variaz de asemenea considerabil n funcie de tipul de celul. De regul, mitoza este perioada cea mai scurt a ciclului celular, care se realizeaz ntr-un interval de 1/2 or pn la 2 ore.

Fig. 2.5. Fazele mitozei.

2. Metafaza. Dup ataarea la fibrele fusului, cromozomii se mic spre centrul celulei pn ce toi centromerii se aeaz ntr-un plan echidistant de polii fusului mitotic. Perioada n care cromozomii sunt situai n planul central al fusului este denumit metafaz. In acest stadiu cromozomii ating maximum de contractare i sunt cel mai uor de numrat i de studiat sub aspect diferenelor de morfologie.

3. Anafaza. In anafaz centromerii se divid longitudinal i cele dou cromatide surori ale fiecrui cromozom se mic opus spre cei doi poli ai fusului. Odat ce centromerii se divid, fiecare cromatid sor devine n fapt un cromozom separat. Micarea cromozomilor se realizeaz n parte prin scurtarea progresiv a fibrelor fusului ataate la centromeri, care trag cromozomii n direcii opuse spre poli. La ncheierea anafazei, cromozomi sunt dispui n dou grupuri lng polii opui ai fusului. Fiecare grup conine acelai numr de cromozomi care a fost prezent n nucleul interfazic de origine.

4. Telofaza. In timpul telofazei, n jurul fiecrui grup compact de cromozomi se formeaz un nveli, se formeaz nucleolii, iar fusul dispare. Cromozomii parcurg procesul invers condensrii, pn cnd nu mai sunt vizibili ca entiti distincte. Cei doi nuclei fii dobndesc uor aspectul tipic interfazei, pe msur ce citoplasma celulei se divide n dou pri care se separ prin sintetizarea unui perete celular nou ntre celulele fiice.

Meioza

Meioza este modul de diviziune celular prin care se formeaz celule cu un singur membru din fiecare pereche de cromozomi prezent n celula premeiotic. Cnd o celul diploid cu dou seturi de cromozomi parcurge meioza, rezult patru celule fiice, fiecare diferit din punct de vedere genetic, i fiecare coninnd un set haploid de cromozomi.

Meioza const din dou diviziuni nucleare succesive, ale cror detalii eseniale sunt prezentate n Figura 2.6.

1.Inainte de prima diviziune nuclear, cei doi membri ai fiecrei perechi de cromozomi, despre care se spune ca sunt omologi unul altuia, devin strns asociai pe toat lungimea lor. Deoarece fiecare cromozom omolog este deja replicat, aceast asociere const n fapt dintr-un duplex de dou cromatide surori unite n regiunea centromerului. Prin urmare, mperecherea cromozomilor omologi produce o structur tetra-catenar.

2.In prima diviziune nuclear, cromozomii omologi mperecheai se separ unul de cellalt. Se formeaz doi nuclei, fiecare coninnd un set haploid de cromozomi duplicai.

3.A doua diviziune nuclear este oarecum asemntoare cu o diviziune mitotic. Nu are loc nici o replicare a cromozomilor, dar n metafaz cromozomii se aliniaz n zona central a fusului, iar n anafaz cromatidele fiecrui cromozom se separ n nucleii fii.

Fig. 2.6. Fazele meiozei.

Efectul net al celor dou diviziuni este formarea a patru nuclei haploizi, fiecare coninnd echivalentul unei singure cromatide sor din fiecare pereche de cromozomi omologi.

Dei procesul meiozei este similar la toate organismele cu reproducere sexual, att la animalele ct i la plantele femele, doar unul dintre cei patru nuclei se dezvolt ntr-o celul funcional (ceilali trei se dezintegreaz). La animale, produii meiozei (gameii) sunt spermatozoizii i ovulele. La plante, situaia este uor mai complicat:

1. Produii meiozei formeaz tipic spori, care parcurg una sau mai multe diviziuni diviziuni mitotice pentru a produce organismul gametofit haploid. Gametofitul produce gamei prin diviziunea mitotic a nucleului haploid.

2. Fuziunea gameilor haploizi d natere zigotului diploid care se dezvolt ntr-o plant sporofit, care parcurge meioza pentru a produce spori i astfel se reia ciclul.

Meioza este un proces mult mai complex i considerabil mai lung dect mitoza, necesitnd zile sau chiar sptmni. Esena meiozei const n realizarea a dou diviziuni ale nucleului, n condiiile unei singure duplicri a cromozomilor. Diviziunile nucleare - denumite prima diviziune meiotic i a doua diviziune meiotic - pot fi separate ntr-o secven de stadii similare celor descrise n cazul mitozei. Evenimentele distinctive ale acestui important proces se produc pe parcursul primei diviziuni a nucleului; aceste evenimente sunt descrise n subcapitolul urmtor.

Prima diviziune meiotic Cele patru stadii definite ale primei diviziuni meiotice sunt profaza I, metafaza I, anafaza I, i telofaza I. In general, aceste stadii sunt mai complexe dect cele corespunztoare n cazul mitozei.

1. Profaza I. Acesta este un stadiu lung, care la majoritatea organismelor superioare dureaz cteva zile, i este mprit convenional n cinci substadii - leptoten, zigoten, pachiten, diploten i diachineza.

In leptoten cromozomii devin vizibili ca structuri lungi asemntoare unor iraguri. Perechile de cromatide surori pot fi distinse prin microscopie electronic. In aceast faz iniial a condensrii cromozomilor, la intervale neregulate de-a lungul lor apar numeroase granule dense. Aceste contractri localizate, denumite cromomere, au numr, mrime i poziie caracteristic pentru un cromozom dat.

Perioada zigoten este marcat prin mperecherea latur pe latur a cromozomilor omologi, proces denumit sinaps. Imperecherea ncepe n unul sau mai multe puncte de-a lungul cromozomilor i are ca rezultat o asociere foarte precis ntre cromomere. Fiecare pereche de cromozomi omologi aflai n sinaps este denumit ca fiind un bivalent.

Pe durata stadiului pachiten, condensarea cromozomilor continu, i complementul cromozomial este reprezentat de numrul haploid de bivaleni. Fiecare bivalent const dintr-o tetrad de patru cromatide, dar n mod obinuit cele dou cromatide surori ale fiecrui cromozom nu pot fi distinse. In cursul pachitenului apare un eveniment important din punct de vedere genetic, denumit crossing-over, dar acesta nu este evident dect dup trecerea la diploten.

In diploten, cromozomii aflai n sinaps ncep s se separe. Totui, ei rmn asociai la anumite intervale de-a lungul lungimii lor prin legturi n cruce. Fiecare legtur n cruce, denumit chiasm, este rezultatul unei ruperi i reuniri ntre cromatide non-surori. Cu alte cuvinte, o chiasm rezult din schimbul fizic ntre cromatidele cromozomilor omologi (Figura 2.4). In meioza normal, fiecare bivalent are cel puin o chiasm, ns bivalenii formai din cromozomi lungi au adesea trei sau mai multe.

Pe parcursul perioadei finale a profazei I - diachineza - cromozomii ating maximum de condensare. Cromozomii omologi formnd bivaleni rmn conectai prin cel puin o chiasm, care persist pn la prima anafaz meiotic. Aproape de sfritul diachinezei, este iniiat formarea fusului i se produce ruperea nveliului nuclear.

2. Metafaza I. Bivalenii se poziioneaz cu centromerii celor doi cromozomi omologi n pri opuse ale planului format de mijlocul fusului. Orientarea perechilor de centromeri ai fiecrui bivalent spre polii fusului este ntmpltoare (randomizat).

3.Anafaza I. In acest stadiu, cromozomii omologi, fiecare compus din dou cromatide unite printr-un centromer nedivizat, se separ unul de cellalt i se mic spre polii opui ai fusului.

Separarea cromozomilor omologi n cursul anafazei reprezint baza fizic a legii Mendeliene a segregrii.

4. Telofaza I. La ncheierea anafazei I, lng fiecare pol al fusului se afl cte un set haploid de cromozomi constnd din cte un omolog din fiecare bivalent. In timpul telofazei, fusul se dezorganizeaz i, dependent de specie, ori se formeaz foarte repede un nveli n jurul fiecrui grup de cromozomi, ori cromozomii intr n cea de a doua diviziune mitotic dup o uoar despiralizare.

A doua diviziune meiotic

La unele specii, cromozomii trec direct de la telofaza I la profaza II fr pierderea condensrii; la altele, exist o scurt pauz ntre cele dou diviziuni meiotice. Replicarea cromozomilor nu se produce niciodat ntre cele dou diviziuni; cromozomii prezeni la nceputul celei de a doua diviziuni meiotice sunt identici cu cei prezeni la sfritul primei diviziuni. Dup o scurt profaz (profaza II) i formarea fusurilor pentru a doua diviziune, centromerii cromozomilor se aliniaz n fiecare nucleu n planul central al fusului n metafaza II. In anafaza II, centromerii se divid longitudinal i cromatidele fiecrui cromozom se mic spre polii opui ai fusului. Telofaza II este marcat de trecerea la condiia din interfaz a cromozomilor, n patru nuclei haploizi, nsoit de diviziunea citoplasmei. Astfel, a doua diviziune meiotic este ntr-un fel asemntoare cu o diviziune mitotic. Totui, exist o diferen important: de regul, cromatidele unui cromozom nu sunt surori identice pe toat lungimea lor deoarece formarea chiasmelor n timpul profazei primei diviziuni au ca rezultat producerea a unul sau mai multe crossing-over.

Cromozomii i Ereditatea

Prima dovad clar c genele sunt pri ale cromozomilor a fost obinut n urma experimentelor privind modelul transmiterii cromozomilor sexului, responsabili pentru determinarea sexelor la unele plante i la majoritatea animalelor superioare. Aceste rezultate sunt examinate n subcapitolul care urmeaz.

Determinarea cromozomial a sexului Cromozomii sexului sunt o excepie de la regula c toi cromozomii organismelor diploide sunt prezeni n perechi de omologi similari din punct de vedere morfologic. Cu multe decenii n urm, analizele microscopice au artat c la unele specii de insecte unul dintre cromozomii masculilor nu are un omolog. Acest cromozom fr pereche a fost denumit cromozom X i era prezent n toate celulele somatice, dar numai n jumtate din celulele spermatice. Semnificaia biologic a acestor observaii a devenit clar cnd s-a constatat c femelele acelorai specii au doi cromozomi X.

La alte specii la care femelele au doi cromozomi X, masculii au un cromozom diferit ca morfologie. Acesta a fost desemnat ca fiind cromozomul Y, i se mperecheaz cu cromozomul X n timpul meiozei la masculi, deoarece X i Y sunt omologi pentru o regiune scurt. Diferenele n ceea ce privete constituia cromozomal a masculilor i femelelor este un mecanism cromozomial pentru determinarea sexului n momentul fertilizrii, n sensul c n timp ce orice celul ou conine un cromozom X, jumtate din celulele spermatice conin un cromozom X i jumtate conin un cromozom Y. Fertilizarea unui ovul de ctre un spermatozoid purttor al unui cromozom X are ca rezultat formarea unui zigot XX, din care se dezvolt o femel; fertilizarea de ctre un spermatozoid purttor al unui cromozom Y are ca rezultat formarea unui zigot XY, din care normal se dezvolt un mascul. Intr-un astfel de model de ereditate, masculii primesc cromozomul X de la mam i l transmit exclusiv la fiice.

Tipul XX-XY de determinism cromozomial al sexelor se ntlnete la mamifere (inclusiv omul), numeroase specii de insecte, alte animale, precum i la unele specii de plante cu flori. Femela este denumit sexul homogametic deoarece produce un singur tip de gamei (purttori ai cromozomului X), iar masculul este denumit sexul heterogametic deoarece produce dou tipuri de gamei (purttori de X i purttori de Y). In cazul unirii randomizate a gameilor la fertilizare, raportul previzibil al sexelor este de 1:1 deoarece masculii produc numr egal de spermatozoizi purttori de X i respectiv de Y.

Cromozomii X i Y sunt denumii cromozomi ai sexului pentru a-i deosebi de celelalte perechi de cromozomi, care sunt denumii autozomi. Dei cromozomii sexului controleaz factorii care comut procesul de dezvoltare nspre organisme femele sau mascule, n procesul de dezvoltare n sine sunt implicate multe gene mprtiate n tot complementul cromozomial, incluznd gene de pe autozomi. Aa cum se va vedea n subcapitolul urmtor, cromozomul X conine de asemenea multe gene care funcioneaz fr legtur cu diferenierea sexual. La majoritatea organismelor, inclusiv la om, cromozomul Y poart cteva gene care nu au nicio legtur cu determinarea sexului mascul. Ereditatea caracterelor legate de sex

Incrucirile de tipul celor studiate n Capitolul I au ca rezultat descendene similare cnd genotipurile prinilor masculi i femeli sunt inversate, adic ncruciri reciproce. Una dintre primele excepii sesizate de la aceast regul a fost cea observat de Thomas Hunt Morgan n 1910, ntr-un studiu asupra culorii albe a ochilor la Drosophila melanogaster. Aa cum s-a descris n Capitolul I, culoarea de tip slbatic a ochilor musculiei de oet este o combinaie rou-crmiziu a pigmenilor rou i brun. Dei ochi albi pot s apar ca rezultat al anumitor combinaii ale unor gene autozomale care elimin pigmenii individual, alela pentru ochi albi studiat de Morgan determin un blocaj metabolic care elimin ambii pigmeni simultan. Studiul lui Morgan a nceput cu un singur mascul cu ochi albi, aprut ntr-o populaie de tip slbatic meninut n laborator timp de mai multe generaii. Din ncruciarea acestui mascul cu femele de tip slbatic toi descendenii din generaia F1 au avut ochi roii, indicnd c alela pentru ochi albi este recesiv. In generaia F2 obinut prin ncruciarea masculilor i femelelor din generaia F1, Morgan a observat 2.459 de femele cu ochi roii, 1.011 masculi cu ochi roii, i 782 masculi cu ochi albi. Fenotipul ochi albi era cumva legat de sex, ntrucat toate musculiele cu ochi albi erau masculi.

Totui, ochi albi nu apreau exclusiv la masculi. De exemplu, cnd femele F1 cu ochi roii originare din ncruciarea femelelor de tip slbatic cu masculi cu ochi albi au fost rencruciate cu taii lor cu ochi albi, descendena a constat din femele cu ochi albi i ochi roii, i respectiv masculi cu ochi albi i ochi roii, n numr aproximativ egal.

Incrucirile ntre femele cu ochi albi i masculi de tip slbatic au permis o observaie de importan major, aceea c toate femelele din descenden aveau ochi de tip slbatic, iar toi masculii aveau ochi albi. Aadar, din ncruciarea reciproc a celei originale (femele de tip slbatic x masculi cu ochi albi) au fost obinute rezultate diferite. Morgan i-a dat seama c din ncrucirile reciproce se obin descendene diferite din cauz c alela pentru ochi albi este prezent n cromozomul X. Se poate spune deci c aceast gen este legat de sex.

Fig. 2.7. Complementul cromozomial

la musculia de oet (Drosophila melanogaster)

Figura 2.7 arat complementul cromozomial normal (2n = 8) al speciei Drosophila melanogaster. Femelele a