Curs 6 MG Transmitere

44
TRANSMITEREA TRANSMITEREA INFORMAŢIEI GENETICE INFORMAŢIEI GENETICE

Transcript of Curs 6 MG Transmitere

Page 1: Curs 6 MG Transmitere

TRANSMITEREA INFORMAŢIEI GENETICETRANSMITEREA INFORMAŢIEI GENETICE

Page 2: Curs 6 MG Transmitere

TRANSMITEREA INFORMAŢIEI EREDITARE

U.M.F IAŞI

Informaţia ereditară se transmite în succesiunea generaţiilor – de celule şi organisme – în două etape:

replicare semiconservativă = biosinteza unor noi molecule

de ADN identice cu molecula iniţială → dublarea cantităţii de ADN;

diviziune celulară = distribuţia egală, totală şi precisă a materialului genetic dublat.

Page 3: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Ambele procese: riguros controlate → se desfăşoară de obicei cu mare

exactitate → stabilitatea proceselor ereditare;

Se pot produce însă erori de replicare sau erori de distribuţie → BOLI

Page 4: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

A. REPLICAREA ADN.

1. Date generale

Mecanismul de copiere şi transmitere a informaţiei genetice a fost intuit de Watson şi Crick :

Fiecare catenă a ADN serveşte drept matriţă sau tipar pentru formarea unei noi catene:

Dezoxiribonucleotidele activate se aranjează complementar (A-T, G-C), în direcţia 5’→3’, şi sunt polimerizate, sub acţiunea ADN polimerazei.

Page 5: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Date generale despre replicarea ADN

Sinteza a două molecule de ADN identice prin copierea unei molecule de ADN iniţiale (parentale) = re(du)plicare.

Pentru că cele două catene ale ADN parental se separă şi fiecare moleculă sintetizată are o catenă parentală şi o catenă neoformată – replicarea este semiconservativă.

Page 6: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Replicarea – proces fundamental pentru toate organismele vii = esenţa eredităţii.

S Ochoa şi A. Kornberg – Premiul Nobel (1959).

Descifrarea mecanismului replicării → obţinerea celor mai puternice antibiotice şi antivirale – prin blocarea replicării genomului procariotelor

Date generale despre replicarea ADN

Page 7: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Procesul de replicare la eucariote: foarte complex – datorită structurii genomului:

enorm (+ fragmentat în cromozomi) asociat cu proteine, compactat în fibre de cromatină

se desfăşoară în condiţii stricte: în fază S a ciclului celular, înaintea diviziunii, rapid (faza S = 8 ore), impecabil, cu foarte mare fidelitate – deoarece erorile = mutaţii.

Date generale despre replicarea ADN

Page 8: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Pentru realizarea replicării există un APARAT DE REPLICARE (REPLIZOM) – implică un număr mare de proteine şi enzime.

Cele mai importante sunt ADN polimerazele:

Page 9: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

ADN polimerazele: Familie de enzime pentru toate formele de replicare. Sintetizează o catenă nouă de ADN, în direcţia 5’→3’. ADN polimerazele NU POT însă să înceapă sinteza unei

catene, ci numai să o alungească, adăugând fiecare nou nucleotid (complementar c. matriţă) la gruparea 3’OH a nucleotidului deja încorporat;

Sinteza unei catene noi de ADN începe cu sinteza unei amorse (“primer”) ARN (de către o primază) pe care ADN polimeraza o va extinde; în final amorsele vor fi îndepărtate şi înlocuite cu ADN

Page 10: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

2. MECANISMUL MOLECULAR AL REPLICĂRII

(1) Iniţierea replicării.

(2) Elongaţia.

(3) Terminarea replicării.

Page 11: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

(1). Iniţierea replicării

Replicarea începe în mai multe puncte, bine definite, ale genomului = origini ale replicării (“ori”),

Ele sunt recunoscute de proteinele ce iniţiază replicarea (complexul pre-RC) care facilitează: despiralizarea ADN ← topoizomeraze; desfacerea catenelor ← helicaze →

“furci” de replicare; menţinerea separată a catenelor ←

proteinele SSB (sau RPA) → prevenirea respiralizării

Page 12: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

De la “origini” replicarea progresează în ambele direcţii (bidirecţional) pe anumite segmente = repliconi

Replicarea unor repliconi diferiţi este asincronă (eucromatina – R precoce; hetrocromatina → R tardivă) şi se face într-o anumită ordine bine definită

Page 13: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

(2). Elongaţia = formarea replizomului şi sinteza unei catene de

ADN în sensul 5’→3’, de către ADN polimerază

ADN polimeraza NU poate începe sinteza ci numai extinde catena de acid nucleic – adăugând dezoxiribonucleotide complementare catenei matriţă

sinteza unei amorse ARN (“primer”) de către primază facilitează acţiunea ADN-polimerazei

Page 14: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Elongaţia

Ambele catene matriţă sunt copiate prin aranjarea secvenţială şi complementară de

dezoxiribonucleotide activate, în direcţia 5’→3’ şi polimerizarea lor

Page 15: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Elongaţia Deoarece catenele matriţă sunt antiparalele, sinteza catenelor noi (în direcţia 5’→3’) se va face diferit pe fiecare catenă:

Pe o catenă (3’→5’, “directă” sau “precoce”) sinteza este continuă şi rapidă (pe măsură ce se formează furca de replicare);

Pe cealaltă catenă (5’ →3’, “indirectă” sau “întârziată”) sinteza este discontinuă (în fragmente scurte = piese Okazaki) şi lentă;

amorsele ARN vor fi hidrolizate de ARNaza H si înlocuite cu secvenţe de ADN ce vor fi unite de către ADN ligază

Page 16: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

(3). Terminarea replicării

Replicarea se opreşte atunci când furcile de replicare (a doi repliconi vecini) se întâlnesc sau când o furcă de replicare întâlneşte un semnal de terminare (“ter”).

Replicarea capetelor ADN (ce formează telomerele cromozomilor) este incompletă (!!!): Eliminarea ultimei amorse lasă la capătul 5’ al catenei noi

sintetizate o mică regiune ne replicată

Page 17: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

3. TELOMERELE, SENESCENŢA ŞI CANCERUL

Telomerele = regiuni de ADN repetitiv – (TTAGGG)n –care asigură protecţia şi stabilitatea cromozomilor.

Replicarea ADN la nivelul capetelor cromozomilor este incompletă: la capătul 5’ al catenei noi sintetizate există o mică regiune ne

replicată; prelungirea monocatenară (25-200 pb) a catenei 3’→5’ se

pierde (!!!). “telomerele sunt călcâiul lui Achile al ADN”

Page 18: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Telomerele, senescenţa şi cancerul

La fiecare ciclul replicare / diviziune → scurtarea progresivă a telomerelor → la un anumit moment se produce oprirea diviziunii: previne instabilitatea genomică şi rearanjarile cromozomilor →

prevenire cancer; începe bătrâneţea.

Lungimea telomerelor = posibil biomarker al senescenţei (“ceas molecular”) În sindroamele cu îmbătrînire accelerată (progerie) – telomerele

bolnavilor < ca la persoanele normale de aceeaşi vârstă; Radicalii liberi de oxigen accelerează pierderea telomerelor →

îmbătrânire precoce. Clonele de mamifere (realizate pe baza celulelor somatice adulte)

îmbătrânesc şi mor mai repede decât persoanele născute natural Totuşi NU este sigur dacă relaţia dintre scurtarea telomerelor şi

îmbătrânire este o relaţie cauzală.

Page 19: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Telomerele, senescenţa şi cancerul

Pierderea telomerelor este compensată de telomerază – enzima ce asigură replicarea ADN telomeric şi “repară” telomerele. Activă în celulele germinale şi la embrion; inactivată postnatal

(excepţie celulele stem) → senescenţă. Prevenirea senescenţei şi … prelungirea vieţii ?!

încetinirea ratei de scurtare a telomerelor (vitamina D; antioxidanţi)

activarea telomerazei (ipoteză neverificată; risc creştere a vulnerabilităţii la cancer)

Page 20: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Telomerele, senescenţa şi cancerul

În 90% din cancere se produce o activare a telomerazei

→ imortalizare → proliferare celulară necontrolată.

Aplicaţii practice: Determinarea telomerazei = test de diagnostic

precoce; Inhibitorii de telomerază – terapie performantă.

Page 21: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

4. REGLAREA REPLICĂRII ADN

Replicarea ADN → în faza S În punctul de control G1/S se

stabileşte dacă celula poate începe replicarea. În caz contrar proteina p53

induce sinteza p21 care blochează replicarea şi celula este oprită în faza Go.

Intrarea în faza S este determinată de complexul CDK2-ciclina E.

Progresia prin faza S şi replicarea ADN sunt reglate de CDK2-ciclina A.

Page 22: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Reglarea replicării ADN

Deoarece replicarea este asincronă există riscul ca anumite regiuni să fie replicate repetat.

Anumiţi factori inhibitori se fixează pe cromatina replicată şi nu permit replicarea ei repetată până ce celula nu trece prin mitoză (ei sunt îndepărtaţi după diviziune)

Page 23: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

5. FIDELITATEA REPLICĂRII ADN

Acurateţea replicării este critică pentru transmiterea informaţiei genetice.

În cursul replicării se produc frecvent erori de împerechere (“mismatch”) →1:10.000 nucleotide = 10-4 → mutaţii. DEZASTRU !??

Organismul uman are posibilitatea corecţiei lor.

(1) ADN polimerazele recunosc erorile de împerechere (prin variaţia diametrului moleculei de de ADN) şi le corectează → nr. erorilor scade de la 10-4 la 10-6

Page 24: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

FIDELITATEA REPLICĂRII ADN

(2). Mecanismul de reparare prin excizie-resinteză – ce implică:

recunoaşterea erorii, excizia şi îndepărtarea fragmentului de ADN. resinteza catenei ce corespunde breşei, legătura dintre fragemente

Mecanism multienzimatic (enzime de reparare)În final: o eroare la 109- 1010 nucleotide, deci

o eroare per genom/ciclu de replicare; erorile se acumulează cu vîrsta→cancer

Page 25: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

FIDELITATEA REPLICĂRII ADN

Enzimele de reparare sunt codificate de anumite gene (MSH, MLH, PMS) numite şi gene “mutator”

Mutaţiile acestor gene → predispoziţie la cancer

Ex. Cancerul de colon nonpolipozic ereditar (HNPCC) – 5% din toate cancerele colorectale

Apare sub 45-50 de ani Pe flexura splenică a colonului (70%) Cancer mucinos Marker genetic = instabilitatea microsateliţilor Determinat de mutaţii ale genelor MLH1, MSH2

în 70% cazuri

Page 26: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

B. TRANSMITEREA INFORMAŢIEI GENETICE DE LA O CELULĂ LA CELULE FIICE

În celulele somatice, materialul genetic dublat în interfază, se distribuie în mod egal şi total celulelor fiice, prin MITOZĂ.

Rezultă două celule noi („fiice”),

identice din punct de vedere genetic, atât între ele, cât şi cu celula („mamă”) din care provin.

Page 27: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

1. CICLUL CELULAR

Procesele prin care o celulă îşi replică materialul genetic, şi îl transferă celulelor fiice se desfăşoară într-o ordine progresivă, precis reglată, ce formează ciclul celular.

CC → interfaza (faza G1, S, G2) şi mitoza (faza M) → vezi LP.

Evoluţia celulelor după diviziune: proliferare: începerea unui nou

ciclu; diferenţiere celulară; stare de repaus proliferativ GO

Page 28: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

CONTROLUL CICLULUI CELULAR

Realizat de multiple kinaze ciclin-dependente (CDK)(1-7) activate prin fixarea unor cicline (A-H).

Fiecare fază a CC este controlată de un anumit complex CDK-ciclina care fosofrilează proteinele specifice necesare fazei CC.

Hartwell, Hunt, Nurse – Pr.Nobel 2001

Page 29: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Controlul ciclului celular

Trecerea de la o fază la alta a CC se face prin anumite puncte de control unde se verifică: dacă anumite procese sunt

terminate înaintea începerii altora;

nu există alterări ale componentelor sau “maşinăriilor” de replicare sau diviziune.

Identificarea unor defecte: blocarea progresiei (prin CKI) şi

repararea (dacă este posibilă); apoptoză

Puncte de control:

- G1 / S : se verifică calitatea ADN şi se decide replicarea (rol TP53)

- G2 / M: se verifică corectitudinea replicării şi se decide intrarea în mitoză;

- M/A: se verifică alinierea perfectă a CRZ înaintea disjuncţiei anafazice

Page 30: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Controlul ciclului celular

Perturbarea controlului ciclului celular va genera: O creştere celulară anormală →

anomalii congenitale, cancer;

Apoptoză; Erori de segregare mitotică → anomalii cromozomiale

Page 31: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Mitoza asigură: creşterea organismului (1014) reînoirea celulară repararea leziunilor.

Mitoza→ transmiterea cu mare fidelitate a informaţiei genetice în succesiunea generaţiilor de celule → toate celulele somatice sunt identice genetic.

(1). Fazele mitozei: P, PM, M, A, T → vezi

LP

2. MITOZA

P M

A T

Page 32: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

(3). Erori de distribuţie a materialului genetic în mitoză: Nedisjuncţia cromatidiană Întârzierea anafazică anomalii Clivarea transversală a centromerului cromozomiale Absenţa citokinezei (vezi LP)

Consecinţe: celulele viabile cu anomalii cromozomiale produc o clonă anormală → MOZAIC CROMOZOMIAL

Efectele depind de: momentul ontogentic – în care s-a produs eroarea, distribuţia lor în diferite ţesuturi.

Page 33: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

C. TRANSMITEREA INFORMAŢIEI GENETICE DE LA PĂRINŢI LA DESCENDENŢI

Două etape: formarea gameţilor + fecundarea lor

1. GAMETOGENEZA

Formarea gameţilor prin meioză. Meioza = două diviziuni succesive, neseparate de interfază

(ADN se replică o singură dată), care generează 4 celule haploide (!) şi diferite genetic* Meioza I – primară; reducţională; Meioza II – secundară; ecuaţională

Funcţii: reduce la jumătate (n=23) numărul de cromozomi; generează diversitatea / variabilitatea genetică

Page 34: Curs 6 MG Transmitere

Meioza primară (vezi LP)

PROFAZA I Leptoten Zigoten: sinapsa “genă la

genă” a cromozomilor omologi;

Pahiten Diploten Diakineză

METAFAZA I

încrucişarea cromozomilor omologi (CO) → schimb reciproc de fragmente egale = recombinare genică omologă sau recombinare intracromozo-mială → sursă majoră de variabilitate

Page 35: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

ANAFAZA I:

Disjuncţia cromosomică + migrarea (simultană şi cu aceeaşi viteză) → reducerea nr cromozomilor: 2n →n.

Segregarea aleatorie a fiecărei perechi de omologi → asortarea independentă a cromozomilor (recombinare intercromosomică) → sursă majoră de variabilitate

(223 combinaţii)

TELOFAZA I

Page 36: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

2. ERORI ÎN DESFĂŞURAREA MEIOZEI

Erori de recombinare genică ← CO inegal

Erori de segregare (distribuţie) anafazică ale cromozomilor

Page 37: Curs 6 MG Transmitere

CO INEGAL:împerechere greşită a unor secvenţe asemănătoare dar neomolage, situate pe cromosomii omologi (RECOMBINARE OMOLOAGĂ NEALELICĂ)prin CO  → schimbul inegal de segmente → deleţii şi duplicaţii genice → BOLI GENOMICE.

U.M.F IAŞI

Page 38: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

Nedisjuncţia: cromozomială (în meioza I) →

toţi gameţii anormali cromatidiană (în meioza II) →

jumătate din gameţi anormali, cu disomie uniparentală.

Întârzierea anafazică Nesepararea citelor de

ordinul II → gameţi diplozi (diandrie / diginie) → zigoţi cu tripoidie (3n)

Erori de segregare (distribuţie) anafazică ale cromozomilor → gameţi cu anomalii cromozomiale

Page 39: Curs 6 MG Transmitere

NEDISJUNCŢIA

ND este frecventă, mai ales în meioza maternă → 8% zigoţi au anomalii cromozomiale, majoritatea neviabile → 0,7-1% nn

Originea maternă sau paternă a ND se poate stabili cu markeri ADN polimorfici: ND este frecventă în ovogeneză, mai ales în MI (92% copii cu S.

Down) Riscul ND creşte odată cu creşterea vîrstei materne (peste 35 de ani) ND paternă este regulă în trisomia XYY şi 70% în sdr. Turner

Cauzele ND ??? Efectul vârstei materne este cert (“ovulele au vîrsta femeii) dar NU se

ştie de ce Factorii externi (radiaţii, infecţii, medicamente, cafea, alcool etc) NU au

un rol în ND NU s-au identificat factori genetici care să crească riscul de ND

A C C I D E N T

Page 40: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

3. PARTICULARITĂŢILE GAMETOGENEZEI LA BĂRBAT ŞI LA FEMEIE

BĂRBAT Începe la pubertate Este continuă toată viaţa

adultă. O spermatogonie → 4

spermatozoizi cu X şi Y Proces rapid – 64 zile.

Proces intens (70mil S/ml) Autoreglabil dar sensibil la

factori externi VP ↑ → erori de copiere→ ↑

gameţi cu mutaţii genice noi (AD)

FEMEIE Începe prenatal. Este discontinuă – se opreşte

luna VII (“capital” ovocite limitat) O ovogonie → 1 ovul cu X

Proces lent – (“ovulele au vârsta femeii”).

Proces redus (1 ovul / ciclu) Condiţionat de: factori hormonali,

ovulaţie, fecundare VM ↑→ erori de distribuţie → ↑

gameţi cu an.cromozomiale

Page 41: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

4. FECUNDAREA

Monospermică Evenimente genetice:

(1) La Zigot:- se reface numărul diploid (2n=46)- se stabileşte identitatea genetică a organismului

(2) Se determină sexul genetic: XX sau XY (raportul sexelor la naştere este ~ 1:1)

Page 42: Curs 6 MG Transmitere

U.M.F IAŞI

FECUNDAREA

ERORI:(1). Dubla fecundare:

- zigoţi:

(2) Dispermia : n + n + n → triploidie

XX

XY

GEMENI DIZIGOŢI

HIMERĂ

Page 43: Curs 6 MG Transmitere

CLONAREA REPRODUCTIVĂ şi EMBRIONARĂ

În 1997 s-a reuşit clonarea primului mamifer adult: oiţa DOLLY

Tehnică: transferul unui nucleu al unei celule somatice într-un ovul nefecundat, enuclea.

Tehnica a fost aplicată cu succes la clonarea altor mamifere

Page 44: Curs 6 MG Transmitere

CLONAREA REPRODUCTIVĂ şi EMBRIONARĂ

O clonă NU este însă o copie identică a individului şi va fi afectată precoce de multiple boli: Multe caractere sunt determinate prin fenomene genetice

care NU mai au loc în cazul clonării; de ex., reglarea epigenetică, inactivarea unui X, amprentarea genomică.

ADN mitocondrial provine de la primitor Individualitatea biologică este şi rezultatul acţiunii mediului,

NU poate fi redusă la gene Telomerele cromozomilor din nucleul donor sunt mai scurte

→ îmbătrânire precoce ADN donor a suferit mutaţii somatice → risc crescut de

cancer Probleme etice majore: clonarea umană interzisă

prin lege. Clonarea embrionară – utilă pentru a obţine celule

stem embrionare → se pot transforma în orice tip de celulă diferenţiată; acceptată în mai multe ţări.