Genetica Comportamentului Uman

of 185 /185
UNIVERSITATEA “BABEŞ-BOLYAI” CLUJ-NAPOCA FACULTATEA DE PSIHOLOGIE ŞI ŞTIINŢELE EDUCAŢIEI SECŢIA PSIHOLOGIE ÎNVĂŢĂMÂNT LA DISTANŢĂ GENETICA COMPORTAMENTULUI UMAN IMPLICAŢII ALE GENETICII UMANE ÎN PSIHOLOGIE CURS - SEMESTRUL I - Conf. dr. Ioan DĂBALĂ

Embed Size (px)

Transcript of Genetica Comportamentului Uman

UNIVERSITATEA BABE-BOLYAI CLUJ-NAPOCA FACULTATEA DE PSIHOLOGIE I TIINELE EDUCAIEI SECIA PSIHOLOGIE NVMNT LA DISTAN

GENETICA COMPORTAMENTULUI UMAN IMPLICAII ALE GENETICII UMANE N PSIHOLOGIECURS - SEMESTRUL I -

Conf. dr. Ioan DBAL

2

PrefaGenetica s-a nscut n zorii acestui secol i n numai cteva decenii a devenit una dintre cele mai fascinante realiti ale lumii noastre. n mai puin de trei decenii a revoluionat zone ntinse ale tiinei, de la agricultur la medicin, i tinde s dea noi dimensiuni tiinelor umaniste, eticei, sociologiei i filozofiei. Descifrarea oricrui proces biologic, ncepnd de la originea vieii i evoluia biologic, ajungnd la caracteristicile morfologice, fiziologice i biochimice ale organismelor i terminnd cu gndirea i comportamentul uman, nu poate fi realizat dect admind n sistemul de elemente definitorii componenta ereditar. n cursul acestei scurte perioade, genetica s-a ramificat n discipline independente, fiecare dintre ele centrate n jurul unei teme majore, a unui univers comun, ereditatea, toate interconectate. Coninutul geneticii s-a transformat el nsui i odat cu el cunoasterea lumii nconjurtoare. Ea acoper acum regiuni care pn ieri aparineau imposibilului. Mai mult dect att, genetica intr n cotidian. Performanele ei att de ncercate de ecouri morale i sociale, fac obiectul unor dezbateri contradictorii i pasionante: care vor fi consecinele clonrii, ale predeterminrii sexului, ale nenumratelor substane chimice aruncate nedescriminatoriu n circulaia industrial? Genetica, vorbind de realizrile ei, a ncetat s mai fie apanajul unui grup de iniiai. Comunitatea a neles c ea aparine tuturor. A-i cuprinde nelesul, nseamn a nelege drumurile lumii contemporane, a unor drumuri presrate de sperane i de temeri. Genetica comportamental, disciplin tnr, ramur a geneticii care studiaz relaia dintre ereditate i comportament (coeficient de inteligen, tulburri psihice, tulburri de integrare social). Cerceteaz serii de gemeni monozigoi i dizigoi crescui n condiii de mediu similare sau deosebite, frecvena tulburrilor psihice n populaii exogame i endogame, concentraia familial a tulburrilor psihice i a napoierii mentale, relaia dintre anomaliile cromozomiale i inteligen sau comportament. Toate cercetrile au demonstrat c dezvoltarea psihic implic, n mod normal participarea ereditii i a mediului. Numeroase forme de napoiere mental sunt condiionate genetic. n condiii experimentale la animale, prin ncruciri selective i prin compararea liniilor consangvine i a descendenilor rezultai din ncruciarea acestor linii, se studiaz rolul ereditii n geneza agresivitii, a preferinei pentru alcool, a comportamentului sexual.

3 Genetica comportamentului a devenit n ultima vreme obiectul unui interes mai larg dect acela strict al specialitilor. Cauza acestei curioziti, aparent spontan, nu trebuie cutat ns n arbitrariu i conjuctur. Nu este vorba de o mod trectoare. Interesul este generat de nsui obiectul de studiu al geneticii comportamentale, devenirea psihic a omului i nu este, deci, alimentat de o curiozitate oarecare. Nu de azi, ci din totdeauna omul a cutat s afle care sunt sursele capacitilor sale psihice i n ce fel se edific. Filozofii au dedicat o atenie special capacitii de cunoatere nc din vechime. Dar este uor de presupus c nu numai ei, ci oricine i-a dorit s tie cror fenomene datoreaz el posibilitatea de a strbate cu mintea cele mai ndeprtate trmuri ale cosmosului i s ptrund cele mai ntunecate i mai ncurcate umbre ale necunoscutului. Marele nostru critic literar G. Clinescu observa, deloc paradoxal, c n felul su, ranul romn i pune aceleai probleme existeniale i gnoseologice crora li s-a dedicat un filozof att de ptrunztor precum Kant. Lucrarea, scris mai ales pentru uzul studenilor de la Facultatea de Psihologie, Psihopedagogie, Sociologie, Medicin i Biologie, ar trebui, cel puin aa sperm, s fie accesibil n cea mai mare parte a ei marelui public cultivat. Cluj-Napoca Autorul

4 Capitolul 1 LEGILE MENDELIENE ALE EREDITII Transmiterea caracterelor ereditare de la prini la copii a fost remaracat din cele mai vechi timpuri, dar explicaiile date similitudinii familiale i ncercrile de a stabili legile ereditii au cunoscut numeroase eecuri. Ele erau generate de ipoteza greit a amestecrii caracterelor ereditare dup care, descendenii prezint un amestec al caracterelor parentale pierzndui identitatea i nu se vor mai regsi ca atare n generaiile urmtoare. Pe baza unor cercetri experimentale, de mare finee i precizie, Gr. Mendel a demonstrat (1865) c la urmai nu se produce nici un amestec al caracterelor parentale; unele nu se exprim n prima generaie filial dar pot aprea neschimbate ulterior. Gregor Mendel (1822-1884) a studiat tiinele naturii la Viena, fiind apoi profesor de tiinele naturii i matematici la liceul din BrnoCehia. Totodat a fost clugr augustin la mnstirea din Brno, n curtea creia a realizat celebrele sale experiene de hibridare la mazre. Mazrea s-a dovedit a fi un obiect ideal de studiu al ereditii deoarece se reproduce prin autopolenizare, este autogam, ceea ce face ca, n absena mutaiilor, s-i pstreze constant structura genetic, puritatea i constana caracterelor de-a lungul generaiilor. De asemenea, la mazre se poate realiza i polenizarea artificial a florilor castrate prin detaarea staminelor, polenul fiind prelevat cu o pensul de la o alt floare de mazre. Dac polenizarea artificial a florilor se realizeaz cu polen de la o plant care aparine altui soi, se efectueaz o hibridare. Prin hibridare se nelege orice ncruciare dintre dou organisme care se deosebesc printr-una (monohibridare), dou (dihibridare) sau mai multe perechi de caractere (polihibridare). Rezultatul unei hibridri este hibridul, acesta avnd o constituie genetic impur sau heterozigot, la care au contribuit cei doi genitori diferii din punct de vedere al structurii genetice i a aspectului exterior. nainte de Mendel, cea mai mare parte a cercetrii asupra transmiterii ereditare era dominat de ncruciarea plantelor aparinnd diferitelor specii. Descendenii acestor ncruciri erau n mod obinuit sterili, ceea ce nsemna c generaiile urmtoare nu se puteau studia. Mendel a ncruciat diferite varieti de mazre, ncepnd s lucreze cu 34 de soiuri de mazre, pe care, timp de doi ani, le-a cultivat spre a verifica dac nsuirile lor se menin constante. Dintre acestea, Mendel a ales 22 de soiuri ce se dovediser a avea caractere distincte i constante. El a studiat apte trsturi calitative a plantelor de mazre la care a constatat existena de caractere perechi, contrastante, care ulterior s-au numit caractere alelomorfe: plante

5 nalte/pitice, bob neted/zbrcit, bob galben/verde, flori axilare/terminale, cotiledoane galbene/verzi, psti verzi/galbene, flori purpurii/albe. Toate varietile erau linii pure, adic plante ce prezint caractere constante n descenden cnd se ncrucieaz cu plante de acelai tip. 1.1. Prima lege a ereditii formulat de Mendel n cadrul unei experiene, Mendel a ncruciat linii pure de plante care produceau bob neted cu plante ce formau boabe zbrcite obinnd n prima generaie hibrid, desemnat F 1 de plante hibride, la care s-a manifestat doar caracterul de bob neted. Mendel l-a denumit caracter dominant, iar pe cel de bob zbrcit, care nu a aprut la plantele din F 1, l-a numit caracter recesiv (ceea ce infirma teoria tradiional din vremea lui, a amestecului caracterelor ereditare la descendeni). Pentru a obine cea de a doua generaie F2, Mendel a lsat plantele hibride din F1 s se autopolenizeze, mazrea fiind autogam. Din 7234 semine obinute n generaia F 2, 5474 aveau boabe netede iar 1850 boabe zbrcite. Adic, dintre descendeni aveau boabe netede i boabe zbrcite. Apariia n F2, din plantele hibride a generaiei F1 cu bob neted, att boabe netede, ct i boabe zbrcite s-a numit segregare sau disjuncie. Analiza altor experiene de monohibridare a relevat apariia unui raport similar de segregare, 3:1; soi cu flori roii x soi cu flori albe 705:224 (3,01:0,99); soi cu port nalt x soi cu port pitic 2,96: 1,04 etc. Generaliznd, raportul de segregare n F2 este de 3 dominant la 1 recesiv, adic, n fiecare din cele 7 cazuri, una din cele dou forme a fiecrei trsturi a dominat complet pe cealalt n prima generaie (de exemplu caracterul neted domina pe cel zbrcit, tulpina nalt pe cea scurt); dar n generaia a doua aproximativ din descendeni au avut forma recesiv. Din cele rezultate Mendel a fcut un numr de deducii pe care le redm mai jos formulate n limbajul contemporan: 1. Anumite trsturi, cum ar fi forma seminelor, sunt controlate de un singur determinant ereditar: o gen. Chiar dac o plant de mazre are mii de gene diferite care conlucreaz s dea natere unui astfel de organism complicat, anumite proprieti deosebite pot fiecare n parte s fie sub controlul primar a unei singure gene. 2. Genele pot exista n forme alternative, numite alele (din greac, nsemnnd forme alternative) care, acum, tim c difer total n structura ADN-ului lor, ceea ce constituie baza ereditar a diversitii biologice. O alel a unei gene este o variant a secvenei ADN a acestei gene. De pild, sunt dou alele a genei care controleaz forma seminelor la mazre: una, S (desemnat cu majuscul pentru c este dominant, scris cu liter cursiv ca toate simbolurile

6 pentru gene i alele), d natere la forma neted, n timp ce cealalt s (desemnat cu litere minuscule pentru c reprezint caracterul recesiv), determin forma zbrcit. Alte gene pot avea, mai mult de dou alele, fcnd posibil o diversitate i mai mare de forme n cadrul trsturii pe care o guverneaz. 3. Fiecare individ are dou copii a fiecrei gene (o pereche de gene), cte una de la fiecare printe pentru un caracter elementar. Cele dou gene ocup aceeai poziie n cromozom, acelai locus. Astfel, n cei doi cromozomi omologi, unul matern i unul patern, pe acelai locus se gsesc gene care controleaz acelai caracter. Genele situate pe acelai locus au fost numite alele, gene omoloage, iar n sens larg, alelele sunt forme alternative ale unei gene date. Pe un locus se pot gsi, ntr-o populaie mai multe alele, uneori zeci, ca rezultat al mutaiilor succesive ale unei gene iniiale. Cnd cele dou gene de pe cei doi cromozomi omologi sunt identice (SS, ss), individul este homozigot pentru gena dat. Cnd alelele sunt diferite (Ss), individul este heterozigot. O gen se poate manifesta fenotipic n form heterozigot i/sau homozigot. Gena care se exprim fenotipic i n stare heterozigot i n stare homozigot (Ss, SS) se numete dominant. Gena care se manifest numai n form homozigot se numete recesiv (ss). Putem spune la fel de bine c alela S este dominant fa de alela s. Structura genetic a unui locus (SS, Ss sau ss) a fost numit genotip. n alt sens, genotipul reprezint totalitatea materialului genetic al unei celule sau organism. Caracteristicile observabile controlate de o gen constituie fenotipul: fenotipul genotipurilor SS sau Ss este forma neted a seminelor, iar fenotipul genotipului ss este forma zbrcit a seminelor. Fenotipul este expresia, manifestarea unei anumite structuri genetice n condiii particulare de mediu, manifestare care apare n urma interaciunii genotip-mediu. Problema fundamental a ereditii n tiinele comportamentului este gradul n care diferenele n genotip explic diferenele ce apar n fenotip, diferene observate printre indivizi. 4. La formarea gameilor (a celulelor sexuale), n timpul diviziunii meiotice, alelele fiecrei perechi de gene (de exemplu Ss) se separ (sau segreg) n gamei diferii astfel c jumtate din celulele sexuale poart o alel a perechii de gene (S), iar cealalt jumtate a celulelor sexuale prezint cealalt alel a perechii considerate (s). Aceast ipotez a lui Mendel s-a dovedit a fi exact atunci cnd, mai trziu, s-a studiat comportamentul cromozomilor n meioz, suportul fizic-citologic al factorilor ereditari. n procesul de fecundaie are loc unirea pe baz de hazard sau de probabilitate a gameilor de sex opus, ceea ce nseamn c un gamet de un anumit sex are anse egale de a se

7 uni cu oricare dintre gameii de sex opus (dar, n momentul unirii sale cu un gamet de sex opus este anulat orice posibilitate de a se uni cu un alt gamet de sex opus). Considernd aceste premize, iat cum se poate reda schema monohibridrii la mazre, dintre soiul de mazre cu boabe netede (SS) i cel zbrcit (ss) (fig. 1.1.). SS ss Ss (S dominant) genitori F1 (100%) heterozigote

SS

Ss

ss zbrcite

F2

netede

Fig. 1.1. Schema experienei de monohibridare Segregarea n F2 n raport de S: s este, aadar, consecina, pe de o parte, a segregrii factorilor ereditari la formarea gameilor n meioz, iar pe de alt parte, a unirii gameilor de sex opus pe baz de hazard (probabilistic) n procesul de fecundaie. Din aceasta din urm deducie, care-i asum pe toate celelalte, i care n general este numit prima lege a lui Mendel, legea segregrii dup care, caracterele recesive care sunt mascate la hibrizii din F1, rezultai din ncruciarea a dou linii pure, reapar n F2 ntr-o proporie specific de 3 dominant la 1 recesiv datorit segregrii. Ceea ce nseamn n termeni umani c, din cele dou alele a unei perechi de gene ale prinilor, avem o ans egal s motenim cte una dintre ele de la fiecare printe. n unele lucrri de genetic, principiul uniformitii hibrizilor din prima generaie i principiul segregrii, principii ale ereditii stabilite de Mendel sunt redate sub denumirea de legea puritii gameilor, conform creia gameii conin doar un singur factor ereditar (cte o alel) din perechile de gene ale organismului considerat. Comparnd comportamentul cromozomilor n meioz i comportamentul factorilor ereditari mendelieni (gen, termen introdus de Johannsen n 1909 ca sinonim pentru factorii ereditari) se constat existena unui paralelism clar: cromozomii exist sub form de perechi, factorii ereditari se afl sub form de pereche. Cromozomii pereche sunt cromozomi omologi ce provin unul de la mam, cellalt, de la tat. Tot astfel, factorii ereditari din orice pereche considerat, provin unul de la genitorul matern, cellalt, de la genitorul patern. Factorii ereditari, genele se afl sub form de alele (pereche) sau forme alternative a genelor.

8 Plantele au ntr-adevr gene diferite, cum ar fi gene pentru culoarea florilor, gene pentru forma seminelor, etc. Fiecare dintre aceste gene codific o protein complet diferit care controleaz o anumit proprietate. n contrast cu aceast aseriune, ceea ce explic culorile diferite a florilor lui Mendel sunt variaii n gena pentru culoarea florii, adic a alelelor, astfel c o varietate a acestei gene (alela P) codific o protein care este puin diferit de cea codificat de o alt varietate (alela p). Diferenele umane motenite sunt n mod asemntor produse prin formele alternative a genelor, adic alelele. Formulnd ntr-un alt fel, ceea ce deosebete dou persoane nu sunt gene diferite, pentru c toate fiinele umane au aceleai gene. n schimb ceea ce ne distinge din punct de vedere genetic este faptul c fiecare dintre noi am motenit o mulime de alele diferite. Astfel, diferena dintre cuvntul gen i cuvntul alel este hotrtor. Ereditatea monogenic sau a trsturilor mendeliene, poate explica dou tulburri genetice foarte diferite, una cu un model de transmitere dominant (boala Huntington) iar cealalt recesiv (fenilcetonuria). 1.2. Boala Huntington Boala sau coreea Huntington (HD) debuteaz cu modificri de personalitate, slbirea memoriei i micrii involuntare i neregulate (dansul Sf. Vitus). n mod caracteristic afecteaz persoanele la o vrst mijlocie i dup 15-20 de ani, duce la pierderea complet a controlului motor i a funciei intelectuale prin distrugerea celulelor nervoase din regiunile creierului implicate n controlul micrii i a proceselor de gndire. Nu s-a gsit pn n prezent un remediu s opreasc sau s ntrzie acest declin inexorabil. Aceast boal l-a rpus pe faimosul cntre folk Woody Guthrie din perioada depresiunii economice. Dei afecteaz 1 din 20.000 de indivizi, un sfert de milion de oameni din toat lumea pn la urm vor manifesta boala Huntington. Indivizii profund tulburai au un printe care a suferit de aceast boal, i aproximativ jumtate din copiii unui printe afectat dezvolt boala (fig. 1.2.). Fig.1.2. Pedigree-ul bolii Huntington. Indivizii HD au un printe cu HD. Aproximativ 50% din descendenii unui printe HD vor fi afectai (simbolurile roii).

9 Figura 1.3. arat cum legea lui Mendel explic motenirea bolii Huntington. HD este cauzat de o alel dominant. Indivizii afectai au o alel dominant (H) i una recesiv (h). Este foarte rar ca un individ HD s aib dou alele H, o stare n care ambii lui prini ar trebui s aib HD. Indivizii neafectai au dou alele normale. Prini Hh x hh

Gameii

H

h

h

h

Descendeni Hh 50% HD

Hh

hh

hh 50% neafectai

Fig. 1.3. Boala Huntington se datoreaz unei singure gene cu o alel dominant pentru HD. H reprezint alela dominant a HD iar h este alela normal recesiv. Gameii sunt celule sexuale (ovule i spermatozoizi) i fiecare poart doar o alel. Riscul HD la descendeni este de 50%. Aa cum rezult din fig. 1.3., printele cu HD a crui genotip este Hh produce gamei (ovule sau spermatozoizi) att cu alela H ct i cu alela h. Gameii printelui neafectat (hh) toi au o alel h. Cele patru combinaii posibile ale acestor gamei de la mam i de la tat sunt redate n partea de jos a figurii i reprezint genotipurile descendenilor. Copiii vor moteni ntotdeauna alela normal h de la printele neafectat, dar ei au un risc de 50% de a moteni alela H de la printele HD. Acest model de transmitere ereditar explic de ce indivizii HD au ntotdeauna un printe cu HD i dece 50% din descendenii unui printe HD dezvolt boala. Dece aceast stare letal persist n populaie? Dac HD s-ar declana timpuriu n via, indivizii HD n-ar tri pn la vrsta reproducerii. ntr-o generaie, boala Huntington n-ar mai exista pentru c orice individ cu HD n-ar supravieui o perioad suficient de lung ca s aib descendeni. Alela dominant pentru HD este meninut de la o generaie la alta pentru c efectul ei letal este exprimat doar dup anii reproducerii. O trstur deosebit de traumatizant a HD este c descendenii prinilor cu HD tiu c au un risc de 50% de a dezvolta boala i de a transmite gena HD. n 1983, markerii ADN au demonstrat c gena pentru HD este localizat pe un anumit cromozom. Aa cum se va vedea ntr-un alt capitol, materialul genetic este de natur chimic, fiind alctuit dintr-o multitudine de nucleotide dispuse linear. Molecula de baz este ADN. Funcia unei gene este determinat de

10 secvena (succesiunea linear) nucleotidelor din ADN. Anumite secvene specifice a ADN pot fi detectate prin metode analitice speciale, i aceste secvene pot servi ca markeri n analizele genetice. Folosind aceste metode, n 1993 cercettorii au gsit gena HD pe cromozomul 4 (n 4 p 16). Gena are lungimea de 210 Kb (kilobaz = o mie de nucleotide) i codific proteina numit huntingtina a crei funcie este necunoscut. Defectul molecular const n amplificarea codonului CAG din primul axon ce codific acidul glutamic. La persoanele sntoase, gena conine 11-34 secvene ale codonului CAG iar la bolnavii cu coreea Huntington acest codon se repet de 42-100 ori. Acum este posibil s se determine cu certitudine dac o persoan are gena HD, la fel i diagnosticul prenatal, prin analiza ADN-ului. Transmiterea dominant autozomal prezint urmtoarele particulariti: - un caracter normal sau patologic este dominant atunci cnd se manifest fenotipic la heterozigoi. Acetia posed att gena normal (a) ct i alela mutant (A). Fiecare persoan afectat autozomal dominant are, de obicei, un printe afectat. - mutaia poate fi transmis de oricare dintre prini. Nu are importan, de pild, dac tatl este Aa i mama aa sau invers; riscul recurenei oscileaz ntre 50 i 100%; - ambele sexe sunt la fel de frecvent afectate; - motenirea genei anormale se face de la un singur printe. Aceast particularitate a transmiterii dominante este net deosebit de transmiterea recesiv; - examinarea pedigree-lor relev un model de transmitere vertical: copiii afectai au un printe afectat realizndu-se o continuitate n succesiunea de generaii. Aceast continuitate nu este un criteriu absolut. Uneori gena anormal este prezent (Aa) dar nu se exprim fenotipic datorit unor condiii particulare (genetice sau de mediu) specifice persoanei, ea se va transmite ns la urmai, care pot fi afectai, ntruct la acetia gena se manifest. Dei se realizeaz un salt peste o generaie este totui o transmitere dominant ns neregulat, deoarece gena are o penetran redus (incomplet). - interpretarea arborilor genealogici este adesea complicat datorit variailor n expresivitatea genei mutante cum ar fi non-penetraia, a aciunii modificatoare a altor gene din genom, a amprentei genomice, precum i a factorilor de mediu. Exemple de afeciuni cu transmitere dominant sunt: ectrodactilia, polidactilia, sindactilia, brahidactilia, prognatismul, acondroplazia, sindromul Marfan, osteogeneza imperfect, etc. Din cele aproximativ 6000 de boli monogenice cunoscute pn n prezent aproximativ 3800 sunt autozomal dominante.

11 1.3. Fenilcetonuria Legea lui Mendel explic de asemenea motenirea fenilcetonuriei (PKU). Spre deosebire de HD, PKU este cauzat de o alel recesiv. Ca descendenii s fie afectai, ei trebuie s moteneasc dou copii ale alelei recesive. Descendenii cu o singur copie a alelei sunt neafectai de tulburare, dar ei sunt purttori, pentru c ei poart alela i o pot transmite copiilor lor. Fugura 4 ilustreaz motenirea PKU de la doi prini neafectai dar purttori. Fiecare printe are o alel pentru PKU i una normal. Copiii au un risc de 50% de a moteni alela PKU de la un printe i 50% de la cellalt printe. Riscul de a se ntmpla ambele evenimente este de 25%. Acest model de motenire explic de ce prini neafectai au copii cu PKU i riscul PKU la descendeni este de 25% cnd ambii prini sunt purttori. Pentru PKU i alte tulburri recesive, identificarea genelor face posibil stabilirea dac prinii poteniali sunt purttori i dac o anumit sarcin implic un fetus afectat. De fapt, toi noii nscui n cele mai multe ri sunt examinai pentru eventualul nivel crescut al fenilalaninei, pentru c un diagnostic timpuriu poate preveni retardarea mental printr-o diet sczut n acest aminoacid. Retardarea mental se datoreaz demielinizrii terminaiilor axonice. Prini Pp x Pp

Gameii

P

p

P

p

Descendeni

PP 25% sntoi

Pp

Pp

pp 25% PKU

50% purttori

Fig.1.4. PKU este motenit ca o singur gen. Alela care cauzeaz PKU este recesiv. P reprezint alela normal dominant, iar p este alela recesiv pentru PKU. Prinii sunt purttori iar riscul descendenilor de a fi afectai este de 25%. Figura 1.4. arat de asemenea c 50% dintre copii nscui din prini purttori sunt probabil i ei purttori iar 25% vor moteni alela normal de la cei doi prini. Dac se nelege cum se motenete o trstur recesiv cum ar fi PKU atunci se poate calcula riscul pentru aceast tulburare la descendeni dac unul dintre prini are PKU iar cellalt este purttor. Riscul este de 50%.

12 Trsturile recesive cum este PKU se manifest mai des la descendenii a cror prini sunt nrudii genetic. Cu toate c PKU este o boal rar (1 la 10.000), aproximativ 1 la 50 de indivizi sunt purttorii unei alele ale PKU. Dac un individ este purttor al PKU, ansa de a se cstori cu o persoan care este de asemenea purttoare este de 2%. Dac acest individ se cstorete cu cineva nrudit genetic, alela PKU trebuie c-i n familia peroanei de mai sus, astfel c riscul este mult mai mare dect 2% ca soia lui s fie de asemenea purttoare a alelei PKU. Este foarte probabil ca noi toi s fim purttorii a cel puin unei gene recesive duntoare de un anumit tip. Cu toate acestea riscul ca soiile noastre s fie de asemenea purttoare pentru aceeai tulburare este mic n afar de cazul cnd am fi nrudii genetic. n contrast cu aceasta, aproximativ jumtate din copiii nscui din relaii incestuoase dintre tat i fiic prezint grave anormaliti genetice cuprinznd adesea moartea n copilrie sau retardare mental. Acest model de motenire explic de ce cele mai grave tulburri sunt cele recesive; alelele recesive se transmit de ctre purttori care nu manifest tulburarea. n acest fel, alelele recesive scap identificrii. Trebuie de menionat c sunt i excepii legate chiar de motenirea unei tulburri cauzate de o singur gen cum este PKU. O nou mutaie a PKU, de exemplu, poate iei la iveal n indivizi fr antecedente familiale. De fapt, anumite tulburri monogenice sunt n mare msur cauzate de mutaii. n plus, vrsta declanrii poate varia pentru tulburrile cauzate de o singur gen, cum este cazul n HD. Gradul de expresivitate a tulburrii de asemenea poate diferi. IQ la fenilcetonurici este de aproximativ 30 dar la copiii crora li s-a administrat o diet srac n fenilalanin (carne alb), imediat dup natere, au avut o inteligen normal, cu un IQ situat ntre 80-90. Recent, s-a constatat c heterozigoii au un IQ mai sczut dect cei normali, avnd o capacitate mai sczut de a transforma fenilalanina n tirozin. Transmiterea recesiv autozomal prezint mai multe particulariti: - o mutaie recesiv se manifest fenotipic doar n form homozigot (a/a), ntruct n starea heterozigot (A/a) efectul genei recesive este mascat de efectul dominant al alelei sale normale. De aceea, n mod obiniut, homozigoii provin din prini clinic normali i, evident, hetrozigoii primind cte o gen mutant de la fiecare din prini. Astfel, n cazul afeciunii lor recesive, spre deosebire de cele dominante, motenirea se face prin ambii prini. - dac A reprezint simbolul alelei normale i a este simbolul mutaiei recesive, atunci 25% dintre descendenii prinilor heterozigoi sunt homozigoi normali (A/A), 50% sunt

13 heterozigoi ( A/a) i 25% homozigoi anormali. Raportul este de 1:2:1. Cu alte civinte, orice cuplu heterozigot are un risc de de a avea un copil homozigot pentru o mutaie specific. - raportul 3:1 are o valoare mai curnd teoretic. Riscul unui cuplu de indivizi normali dar heterozigoi de a avea un copil afectat (a/a) este de la fiecare sarcin. - bolile autozomal recesive se transmit discontinuu, pe orizontal, prin aceea c indivizii afectai tind s fie limitai la o singur generaie (frai-surori) fr ca afeciunea s fie reprezentat n generaia precedent sau succesoare. - cstoriile consangvine sub raport strict genetic, au drept rezultat o cretere a homozigoiei, fiind direct proporional cu gradul de rudenie. Numeroase boli ereditare, condiionate de mutaii recesive rare, se ntlnesc mult mai frecvent printre copiii rezultai din uniuni consangvine dect printre cei rezultai din prini nenrudii. Bolile autozomal recesive sunt mai rare i mult mai grave dect cele autozomal dominante. Se cunosc aproximativ 1700 boli autozomal recesive, iar n circa 15% a fost identificat defectul biochimic, deficiene de proteine. Frecvena unor boli autozomal recesive este asociat cu anumite grupuri etnice: - -talasemia este mai frecvent printre mediteranieni (n Italia frecvena purttorilor este de 10%), negri, indieni, chinezi n raport cu alte populaii; - siclemia este frecvent la negri africani, la mediteranieni, la indieni; - boala Tay-Sachs, boala Gaucher, sindromul Bloom, dizautonomia sunt mai frecvente la evreii Ashkenazi; - sindromul adrenogenital este mai frecvent la eschimoi; - fibroza chistic a pancreasului este mai frecvent la caucazieni. 1.4. A doua lege a ereditii formulat de Mendel Dup experimentul lui iniial cu o singur trstur, Mendel i-a propus s urmreasc modul cum are loc transmiterea simultan a dou trsturi, formarea seminelor i culoarea lor. El a ncruciat un soi de mazre cu bob neted i de culoare galben (caractere dominante) cu un soi de mazre cu bob zbrcit i de culoare verde. n F1 a rezultat o populaie de plante hibride, dublu-heterozigote, fenotipic exprimndu-se doar caracterele dominante neted-galben, rezultat prevzut de astfel, din experienele lui anterioare. Esena experimentului era s afle ce se ntmpl n urmtoarea generaie, cnd, prin autopolenizarea plantelor dublu-heterozigote din F1 obine generaia F2. Segregarea n F2 prezint un caracter mai complex, pe lng plante asemntoare genotipurilor, cu bob neted i de culoare galben respectiv bob zbrcit i verde apar i dou categorii de plante care prezint noi combinaii de caractere: bob neted i verde, respectiv bob zbrcit i galben n proporie de 9/16 plante cu bob neted i galben; 3/16 plante cu

14 bob neted i verde; 3/16 plante cu bob zbrcit i galben i 1/16 plante cu bob zbrcit i verde. Din aceste rezultate Mendel a tras concluzia c gena pentru forma seminei se comport independent de cea a genei pentru culoare, adic cele dou alele pentru forma seminei se pot combina liber cu cele dou alele pentru culoarea seminei. Pe baza analizei raportului de segregare din F2, n cadrul experienei de hibridare, ca i pe baza abordrii statistice, Mendel a enunat cea de a doua lege a ereditii, numit legea segregrii independente a perechilor de factori ereditari. Mai important pentru noi privind legea a II-a a lui Mendel sunt excepiile sale. Acum se tie c genele nu plutesc peste tot n celulele reproductoare sau n celulele somatice. Ele sunt situate pe cromozomi, n poziii numite loci (singular, locus, din latin nsemnnd poziie). Ovulele conin cte un cromozom din fiecare pereche a setului de cromozomi materni iar spermatozoizii conin i ei doar cte unul din perechile setului patern. Un ovul fecundat de ctre un spermatozoid are n ntregime complementul cromozomial, care, la oameni, este de 23 perechi de cromozomi. Cnd Mendel a studiat motenirea a dou trsturi (A i B) el a ncruciat plante, linii pure care au manifestat caractere dominante att pentru A ct i pentru B, cu prini care manifestau forme recesive pentru A i B. n generaia a doua (F2) a constatat existena a patru tipuri posibile de descendeni: dominant pentru A i B, dominant pentru A i recesiv pentru B, recesiv pentru A i dominant pentru B i recesiv pentru A i B. Frecvenele celor patru tipuri de descendeni (9:3:3:1) este consecina manifestrii concomitente a dou perechi de factori ereditari care prezint o segregare, o transmitere independent una fa de cealalt (A fa de B). Disjuncia independent a perechilor de factori ereditari Aa i Bb poate avea loc deoarece perechea Aa i perechea Bb sunt plasate pe perechi diferite de cromozomi. Cu toate acestea, legea lui Mendel este nclcat, atunci cnd genele pentru dou trsturi sunt apropiate i situate pe acelai cromozom. Dac Mendel ar fi studiat transmiterea ereditar a dou trsturi cuplate, rezultatele l-ar fi surprins, pentru c cele dou trsturi nu s-ar fi motenit n mod independent. Figura 1.5. ilustreaz ce s-ar fi ntmplat dac genele pentru trsturile A i B ar fi fost foarte apropiate pe acelai cromozom. n loc s gseasc toate cele patru tipuri de descendeni, Mendel ar fi gsit doar dou tipuri: dominant pentru A i B i recesiv att pentru A ct i pentru B. Aceast violare a celei de a II-a lege a lui Mendel este important pentru c d posibilitatea ca genele s fie cartate pe cromozomi, adic localizate pe cromozomi, stabilindu-se ordinea lor pe cromozomi. Dac motenirea unei anumite perechi de gene ncalc legea a II-a mendelean nseamn c ele au tendina s se transmit mpreun i astfel se afl pe acelai

15 cromozom. Acest fenomen se numete linkage. Cu toate acestea, de fapt, nu este suficient ca cele dou gene linkate s fie situate pe acelai cromozom, ele trebuie de asemenea s se afle foarte apropiate una de cealalt pe cromozom.

A B

A B x

a b

a b

Prini linii pure

A

a

A

a

F1 B b x Bb

A B

A B

A B

a b

a b

A B

a b

a b

F2

dominant att pentru A ct i pentru B

recesiv pentru A i B

Fig. 1.5. O excepie de la legea a II-a a lui Mendel are loc cnd dou gene sunt strns linkate pe acelai cromozom. Alelele A i B sunt dominante iar alelele a i b sunt recesive. Genele de pe acelai cromozom care ocup loci ndeprtai se vor recombina printr-un proces numit crossing over. Recombinarea prin crossing over are loc n profaza meiozei primare n ovare i testicule, rezultnd gameii sau celulele reproductoare care posed un singur set de cromozomi. Crossing over-ul ncepe dup ce cromozomii s-au replicat. Apoi, are loc atracia dintre cromozomii omologi formndu-se perechi cu origine dubl, matern i patern i care fac sinaps gen la gen de-a lungul cromatidelor nesurori. n figura 1.6.a este prezentat o variant simplificat a evenimentelor ce au loc n profaza meiozei, unde se consider cte o copie, o cromatid a cromozomului 1 uman derivate de la mam i de la tat, n mod arbitrar divizate n 10 segmente care se aliniaz. n etapa urmtoare, cromatidele M i T se rup n acelai punct, de exemplu, ntre b i c. Apoi, are loc un schimb mutual de fragmente cromatidice bazale ntre cromatidele cromozomilor omologi, rezultnd noi combinaii de gene (fig. 1.6. b).

16 Cromozomul 1 de la mamMa Mb Mc Md Me Mf Mg Mh Mi Mj

Ta Tb Tc Td Cromozomul 1 de la tat

Te

Tf

Tg

Th

Ti

Tj

Fig. 1.6.a. Reprezentarea schematic a recombinrii prin crossing over a cromatidelor nesurori de la cromosomul 1.Ma Mb Tc Td Te Tf Tg Th Ti Tj

Ta

Tb

Mc

Md

Me

Mf

Mg

Mh

Mi

Mj

Fig. 1.6. b. Dou variante ale cromozomului 1 dup crossing over. Fiecare dintre acestea vor fi distribuite n diferite celule sexuale. Rezultatul acestui proces este c versiunile cromozomului 1 care sunt trasferate unui anumit spermatozoid sau unei anumite ovule au n parte, o provenien patern i una matern. Deoarece locul unde se rup cromatidele este ntmpltor, contribuia de la tat i cea de la mam este diferit de la gamet la gamet, mrind potenialul diversitii la descendeni. Avnd n vedere c toate perechile de cromozomi schimb fragmente cromatidice maternale i paternale, potenialul diversitii devine enorm. Fiecare pereche de cromozomi sufer, n medie, 2-3 crossing-overe n timpul formrii gameilor. Meioza are un rol esenial pentru reproducerea organismelor i conservarea nsuirilor prinilor (singura legtur material ntre prini i copii sunt genele aduse la zigot de ctre celulele sexuale). n afara acestei faciliti, meioza are rolul de a produce i menine variabilitatea genetic n populaiile ce se reproduc sexuat, prin fenomenele de recombinare intra, i intercromozomic. Primul are loc n profaza meiozei I i const n schimbul reciproc de fragmente egale ntre cromozomi omologi (crossing over); cel de al doilea este realizat prin asortarea independent a cromozomilor, n anafaza meiozei I (fig. 1.6.c).

17

Fig. 1.6.c. Asortarea independent a cromozomilor omologi maternali i paternali n timpul diviziunii meiotice genereaz o variabilitate enorm. Celulele somatice diploide conin 23 de perechi de cromozomi, un set fiind motenit pe linie matern iar cellalt set fiind de origine patern. Gameii haploizi cum ar fi celulele spermatice conin doar cte un cromozom din fiecare pereche omoloag, alei la ntmplare. Diferitele celule spermatice (sau ovule) de la un singur individ se ateapt s prezinte numeroase combinaii cromozomice (celulele spermatice A E nfieaz 5 combinaii dintr-un total posibil de 223 sau 8,4 milioane). Asortarea independent a cromozomilor constituie una dintre explicaiile marii variabiliti umane. S-a calculat c n urma segregrii cromozomale se pot forma aproximativ 8 milioane de gamei diferii iar prin combinaia gameilor celor doi prini rezult 46 x 1012 tipuri deosebite de descendeni. Se adaug i crossing over-ul, aa nct numrul posibil de combinaii genetice pare s fie egal dac nu cumva mai mare dect numrul atomilor din Univers. Probabilitatea recombinrii dintre doi loci de pe acelai cromozom este n funcie de distana dintre acetia i poate fi estimat prin numrul recombinrilor la 100 de gamei. Distana aceasta se numete unitate de crossing over sau centimorgan (cM) i reprezint distana ntre doi loci n linkage. Doi loci se afl la o distan de 1 cM dac exist o ans de recombinare de 1% datorit crossing over-ului ntr-o singur generaie. Simbolul cM s-a atribuit n onoarea lui T.H Morgan, care a identificat pentru prima oar grupe de linkage la Drosophila. La om, 1 cM corespunde la aproximativ 1 milion perechi de nucleotide. Crossing over-ul are drept rezultat formarea unor tipuri noi de cromozomi avnd o importan practic deosebit. Exemplul care urmeaz ilustreaz aceastz afirmaie.

18 Pe cromozomul X se gsesc gene care consecutiv unor mutaii determin tulburri binecunoscute, ca hemofilia sau daltonismul. Dac nu ar exista crossing over-ul, o mam purttoare a celor dou mutaii ar trebui s nasc fie biei normali, fie biei dublu afectai. Fenomenul a fost observat de mai multe ori. Madlener a studiat o familie n care bunicul avea cele dou tulburri. Fiica lui era deci dublu purttoare. Ea a nscut doi biei, ambii dublu afectai, i o fat care la rndul ei a avut un biat daltonian cu hemofilie, fiind i ea dublu purttoare. Se poate conchide c n aceast familie nu a survenit nici un crossing over ntre cele dou mutaii, locii respectivi, i alelele normale. Crossing over-ul a avut loc n alt familie, cea raportat de von Verschuer i W. Roth (fig. 1.7.). O purttoare a mutaiei pentru protanopie (absena vederii colorate pentru rou) s-a cstorit cu un brbat hemofilic. O fat rezultat din aceast cstorie era dublu heterozigot (II 3). Ea a nscut patru biei: primul a fost hemofilic i daltonian, al doilea hemofilic, al treilea daltonian iar al patrulea normal. Dac nu ar fi survenit crossing over-ul, mama ar fi avut fie biei cu daltonism, fie cu hemofilie, deoarece una dintre mutaii era situat pe un cromozom X i cealalt pe cellalt cromozom X. Dup crossing over au aprut doi cromozomi noi: unul cu ambele mutaii (H i P) i unul cu alele normale. H II 1 1 2 2

I

III

CO x 1 H P

2 H

3 P

CO x 4

Normal Hemofilic

Purttoare

Dublu purttoare

Protanopie

Fig. 1.7. Crossing over-ul n cazul unei familii cu hemofilie (H) i protanopie (P). Ambele tulburri se transmit recesiv legate de sex (CO = crossing over). Un individ poate prezenta mai des dect ar fi de ateptat teoretic dou caractere

oarecare. Un exemplu tipic l constituie asocierea grupei sanguine 0 cu ulcerul peptic. Purttorii

19 acestei grupe au de dou ori mai multe anse de a face ulcer dect purttorii celorlalte grupe sanguine, semnificaia acestei asociaii este necunoscut. Dou caractere pot aprea frecvent mpreun i pentru c sunt condiionate de gene n linkage. Iat cteva date cu caracter general. Segregarea genelor este condiionat de poziia lor n cromozomi. Genele situate n cromozomi diferii sau departe una de alta pe acelai cromozom, segreg independent Identificarea localizrii unei gene pe un anumit cromozom, necesit analize de linkage, adic tehnici care folosesc informaii cu privire la abaterile de la legea asortrii independente a lui Mendel. Detectarea linkage-ului poate fi realizat pe dou ci: - prin analiza unui numr de familii. Se cerceteaz modul de transmitere a dou sau mai multe caractere, de obicei unul anormal i unul normal, grupele sanguine, la toi membrii unei familii. n acest fel s-au descoperit doar cteva gene n linkage. Unul dintre cele mai cunoscute este cel dintre sindromul unghie-rotul, sindrom caracterizat printr-un complex malformativ: unghii anormale, absena sau hipoplazia rotulei, malformaii ale scheletului, leziuni renale. Sindromul se transmite dominant.

0

AB

A0

A0

A0

A0

A0

B0

A0 B0

AA

B0

AB

B0

A0

B0

A0

AB

AB

A0

Fig. 1.8. Linkage ntre locusul AB0 i cel al sindromului unghie-rotul (dup Renwick i Lawler,1955, din Maximilian, 1982). El este condiionat de o mutaie situat foarte aproape de locusul AB0, este vorba despre loci i nu despre gene. Acest fapt a fost demonstrat ntr-o familie n care existau opt bolnavi cu sindromul unghie-rotul i la care s-a studiat grupele sanguine AB0 (fig. 1.8.). Din arborele genealogic al familiei redat n figura 1.9. rezult c din cstoria unei femei avnd grupa sanguin 00 cu un brbat afectat AB au rezultat 12 copii, dintre care 5 anormali. Toi copii sunt fie A0, fie B0, deoarece mama este 00. Dar numai copiii B0 sunt afectai. Se presupune deci c aceti copii au primit gena B de la tatl lor. Cei care au motenit

20 alela A au motenit i alela normal a mutaiei. Acelai fenomen se observ i n generaia urmtoare. Copiii anormaliau i alela B. Cei doi copii afectai au grupa sanguin AB, deoarece au motenit gena A de la mam. Prin aceeai metod s-au mai descoperit alte cteva gene n linkage. ntre locusul pentru grupa sanguin Duffy i un anumit tip de cataract i ntre anomalia Pelger-Huet i distrofia muscular. - linkage-ul a nceput, din 1980, s fie stabilit n mod cert prin metodele de localizare a genelor cu ajutorul markerilor ADN (indicatori sau repere de-a lungul cromozomilor asemntori cu indicatorii rutieri). Puterea analizelor n linkage a crescut foarte mult o dat cu descoperirea a mii de astfel de markeri. Markerii reprezint polimorfisme ADN cum ar fi siturile de restricie, RELP-urile (polimorfisme a lungimii fragmentelor de restricie), STRP (polimorfisme sau markeri repetai n tandemuri scurte) care include att markeri AC ct i tetranucleotidici CACA care se repet; iar n ultimul timp s-au descoperit polimorfisme formate de o singur nucleotid SNP (Single Nucleotide Polymorphisms) care se repet la intervale precise de-a lungul genomului (1 la 1000 perechi baze). Analizele de linkage, cum s-a mai amintit, caut o nclcare a asortrii independente, ntre o trstur i un marker ADN. Cu alte cuvinte, analizele de linkage apreciaz dac merkerul ADN i trstura fenotipic se co-asorteaz ntr-o familie mai frecvent dect prin probabilitatea ntmplrii. n 1983, s-a demonstrat c gena pentru boala Huntington este linkat la un marker ADN localizat aproape de vrful cromozomului 4. A fost pentru prima dat c noii markeri ADN au fost folosii pentru a demonstra un linkage a unei tulburri, n care mecanismul chimic era necunoscut. ntre timp, markerii ADN care se afl aproape de gena bolii lui Huntington, au beneficiat de metode mai performante i acest progres n domeniul geneticii moleculare a fcut posibil reperarea cu precizie a genei (4p16). Cu toate c procesul bolii cauzat de gena Huntington nu este nc neles, boala Huntington ca i retardarea mental X-fragil, sunt legate de descoperirea unui tip de defect genetic n care secvenele de 3 nucleotide ADN sunt repetate de sute de ori. Pentru mai multe mii de tulburri cauzate de o singur gen (aproximativ jumtate dintre acestea implic sistemul nervos), localizarea exact pe cromozomi a genelor defective s-a reuit la mai multe sute de gene. Gena nsi i mutaia specific s-a gsit la mai mult de 100 de tulburri, iar numrul lor crete rapid. Unul dintre elurile Proiectului Genomului Uman este de a identifica toate genele, chiar i pentru comportamentele complexe influenate de gene multiple precum i de factori de mediu.

21

1.5. Dincolo de legile mendeliene. Ereditatea legat de sex. Discromatopsiile, adic incapacitatea de a distinge culorile, n forma cea mai frecvent purttorii mutaiei recesive nu pot distinge fie roul, fie verdele (o stare cauzat prin lipsa unor pigmeni retinieni ce absorb aceste culori). Anomalia, cunoscut sub numele de daltonism, dup numele medicului scoian Dalton (din secolul al XVII-lea) care a descris-o, este foarte frecvent, 8% printre brbaii i 0,4% printre femeile din Europa. Daltonismul i alte tulburri, prezint un model de transmitere ereditar care nu se conformeaz legilor mendeliene (fig. 1.9.).Prini Prini

Copii (a)

Copii Nepoi

(b)

Fig. 1.9. Motenirea daltonismului. (a) O mam daltonic i un tat neafectat au biei daltonici dar fetele neafectate. (b) O mam neafectat i un tat daltonic au copii neafectai, n schimb, fetele au biei ce prezint un risc de 50% pentru aceast tulburare. Transmiterea legat de sex se refer la transmiterea unor caractere normale sau anormale determinate de gene situate pe cromozomii sexuali X i Y, dar care nu intervin n procesul de sexualizare; ele pot fi asemnate cu genele autozomale, unica diferen fiind legat de localizarea lor. Teoretic, se pot descrie trei tipuri de transmitere gonosomal (legat de sex), dup cum genele se gsesc numai pe cromozomul X, numai pe cromozomul Y sau n poriuni omoloage pe X i Y. Ultimele dou posibiliti sunt incerte i de aceea ereditatea legat de sex este aproape n cvasitotalitatea ei legat de X; deseori aceast precizare nici nu se mai face, se subnelege. Cromozomul X conine, alturi de gena diferenierii sexuale, numeroase gene somatice. Pe cromozomul Y nu se gsesc gene similare. Ca atare, o mutaie situat pe cromozomul X se manifest diferit la femeie i la brbat. Deoarece o femeie are doi cromozomi X, o mutaie i

22 manifest efectele n funcie de natura alelei sale. Brbaii au ns un singur X, deci sunt hemizigoi, i un cromozom Y. Orice mutaie situat pe cromozomul X, indiferent dac este dominant sau recesiv, se manifest fenotipic la brbai. Ca i genele autozomale, genele situate pe cromozomul X pot suferi mutaii i ele se transmit dominant sau recesiv, dominant legat de sex sau recesiv legat de sex. Daltonismul este cauzat de o alel recesiv de pe cromozomul X. Dar brbaii au doar un singur cromozom X; astfel, dac ei prezint o alel pentru daltonism pe unicul lor cromozom X, defectul se va exprima. Femeile pot avea defectul doar dac motenesc alela pentru daltonism pe ambii cromozomi X. Pentru acest motiv marea majoritate a genelor recesive sexlinkate (X-linkate) au o inciden mai mare la brbai. Dac frecvena unei alele recesive pentru o tulburare X-linkat este de 10%, atunci frecvena previzibil a bolii la brbai va fi de 10%, n timp ce la femei ar fi doar de 1% (de exemplu, 0,102 = 0,01). Figura 1.10. ilustreaz motenirea cromozomilor de sex. Att bieii ct i fetele motenesc un cromozom X de la mam. Fetele motenesc de asemenea i unicul cromozom X de la tat iar bieii motenesc cromozomul Y de la tat. Pentru acest motiv, un alt indiciu a unei trsturi recesive X-linkate este c asemnarea tat-fiu este neglijabil.

Mama

Tata

Gamei (n)

XX Fat

XY Biat

Fig. 1.10. Motenirea cromozomilor X i Y.

23 Un biat este uor mai apropiat de mama lui dect de tatl su pentru c X-ul lui vine de la mam, iar Y de la tat care-i n mare parte un cromozom amorf. Dou surori sunt un pic mai apropiate ntre ele dect cu fratele lor, pentru c unul din cromozomii lor X vine de la tat, i este identic la ambele. Cromozomii de sex de tipul X-Y antreneaz alterri minore a sistemului de relaii genetice. 1.6. Ereditatea X-linkat (a). Transmiterea recesiv guvernat de loci situai pe cromozomul X ilustreaz un pedigree caracteristic (fig. 1.11.).I

II 1 2 3 4 5 6

7

III 1 IV 2 3 4 5 6 7 8

9 1 10

Fig. 1.11. Transmiterea recesiv X-linkat Pentru c modelul motenit este uor de recunoscut, s-au descris peste 200 de afeciuni recesive X-linkate, printre care menionm: distrofia muscular Duchenne, hemofilia A, sindromul Lesch-Nyhan, boala Charcot-Marie-Tooth, deficiena G6PD. Caracteristicile specifice a pedigre-ului recesiv X-linkat sunt urmtoarele: boala afecteaz n mod principal brbaii; - modelul de transmitere este cel al mutrii calului n jocul de ah; brbaii afectai au prini sntoi (indemni) dar pot avea unchi maternali afectai; - boala este transmis de ctre femeile purttoare care, n mod obinuit sunt asimptomatice; dintre bieii unei purttoare sunt afectai, i din fete vor fi purttoare; - dac un brbat afectat are copii, nici unul din fii lui nu vor fi afectai, n schimb, fiicele lui vor fi vectoare; femeile pot fi afectate dac un brbat afectat se cstorete cu o femeie purttoare.

24 (b). Transmiterea dominant X-linkat. Mutaiile dominante legate de sex sunt mai rare dect mutaiile recesive legate de sex. Aparent, acest tip de ereditate seamn cu cel dominant autozomal. n ambele cazuri, i brbaii i femeile transmit tulburarea lor descendenilor. Exist ns i o deosebire important: brbaii afectai au toate fiicele afectate i toi bieii sntoi (fig. 1.12.).

I

II 1 III 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 3 4 5 6

Fig. 1.12. Model al ereditii dominante X-linkate (de remarcat descendenii cuplului II: 5-6 care au fetele afectate i bieii normali. n familiile cu boli dominante X-linkate femeile vor fi de dou ori mai frecvent afectate dect brbaii. Expresivitatea genei morbide este mai puin grav la sexul femenin comparativ cu sexul masculin. Exemple de boli ereditare cu transmitere dominant X-linkat: rahitismul (hipofosfatemic) rezistent la vitamina D, hipoplazia emailului (dini bruni), displazia ectodermic anhidrotic, keratoza folicular, etc. Unele sunt boli rare: incontinentia pigmentii boala debuteaz n copilrie prin leziuni tegumentare, eritem, pigmentaie brun, alopecie parial, hipodonie i nanism. Afeciunea are o evoluie progresiv cu handicap mental i afeciuni oculare. Boala se manifest numai la femei ca i sindromul Rett care este o afeciune rar i misterioas cu modificri mentale progresive n copilrie ce duc la o stare autistic fr comunicare i micri repetitive.

25

Capitolul 2 INFORMAIA GENETIC: ADN, ARN I SINTEZA PROTEINELOR (NOIUNI DE GENETIC MOLECULAR) Diviziunea celular Schema general a unei celule eucariote

1. Membrana celular (plasmalema). Membran semipermeabil alctuit din proteine i lipide (bistrat lipidic); regleaz schimburile dintre celul i mediul extern. 2. Membrana dubl nuclear (nveliul nuclear) conine 3000-4000 pori prin care se fac transporturile moleculare dintre nucleu i citoplasm. Membrana extern nuclear se continu cu membrana reticulului endoplasmatic. 3. Pori nucleari 4. Nucleul, conine materialul genetic

8. Aparatul Golgi, ansamblu alctuit din vezicule i membrane pliate, care depoziteaz i transport produii de secreie (enzimele i hormonii). 9. Centriolii (centrozomul). n decursul diviziunii celulei se deplaseaz spre capetele opuse ale nucleului formnd polii de diviziune i ntre acetia iau natere fusul de diviziune format din microtubulii centriolilor. 10. Ribozomii, particule sferice de dimensiuni mici la nivelul crora are loc sinteza proteinelor. Ribozomii sunt formai din ARN ribozomal i

26reprezentat de ADN. El ndeplinete rolul de centru de control al activitii celulei. Materialul genetic este dispersat n nucleoplasm sub forma cromatinei; la nceputul diviziunii, cromatina se condenseaz , formnd cromozomii. 5. Nucleol, corpuscul mic, sferic, prezent n nucleul interfazic, conine ADN i ARN ribozomal. Joac un rol important n producerea ribozomilor . 6. Reticul endoplasmatic (RE), face legtura ntre celul i membranele nucleare i reprezint sediul sintezei proteice. Proteinele sintetizate de ribozomi sunt ncorporate n vezicule i transportate spre aparatul Golgi. 7. Mitocondrie, organit din citoplasma celulelor n care are loc respiraia aerob, deci al produciei de energie din celul. proteine. n mod obinuit, ribozomii sunt ataai de RE sau se formeaz liberi n citoplasm. n timpul sintezei proteice se asociaz cu ARNm, formnd poliribozomii, n procesul de translaie. 11. Microtubuli, filamente subiri alctuite dintr-o protein numit tubulin, care apar izolat sau n perechi; contribuie la meninerea formei celulei (citoschelet); sunt prezeni i n cili i flageli ct i n centrioli formulnd fusul de diviziune. 12. Lizozomi, organit de form sferic delimitat de o membran; conine enzime digestive capabile de scindare a numeroase molecule. De asemenea aceste enzime au capacitatea de a digera bacterii.

n fiecare fiin exist o substan menionat ca material genetic (ADN sau ARN, la unii virui). Cu excepia unor virui, acest material este organizat n uniti numite gene (poriuni din ADN). Genele determin sinteza unor produse (proteine), care controleaz toate activitile metabolice ale celulelor. ADN-ul cu mulimea lui de gene este organizat la rndul lui n cromozomi, structuri filiforme care servesc ca vehicule pentru transmiterea informaiei genetice. Mecanismul prin care cromozomii sunt transmii de la o generaie celular la alta i de la prini la descendeni este extrem de precis. n cele ce urmeaz, se va lua n considerare felul n care se menine continuitatea genetic n celule i organisme. Dou procese majore ale diviziunii celulare sunt implicate n cadrul organismelor eucariote: mitoza i meioza. Cu toate c mecanismele celor dou procese sunt similare n multe privine, rezultatele sunt complet diferite.

Ciclul celular Ciclul celular reprezint secvena de faze diferite prin care trece o celul ntre o diviziune celular (mitotic) i urmtoarea. Ciclul celular poate fi mprit n patru perioade principale:

1. perioada M, n cursul creia are loc mitoza(diviziunea nucleului) i citokineza (diviziunea citoplasmei);

2. perioada G1 (G - gap interval) n care au locprocese intense de biosintez, o activitate metabolic intens i creterea i diferenierea celulei. Ctre sfritul perioadei G1, toate celulele urmeaz una din urmtoarele dou ci: fie se retrag din ciclul celular i intr ntr-o faz de repaus G0 unde ele sunt active din punct de vedere metabolic, dar neproliferative (celulele canceroase dup cte se pare evit intrarea n G0 sau trec prin ea foarte rapid), fie n marea majoritate a cazurilor intr n:

Ciclul celular

3. perioada S, n care se dubleaz cantitatea deADN din celul, prin procesul de replicare a cromozomilor de la 2n la 4n, adic de la un cromozom bicatenar (2n) la un cromozom cu 4 catene ADN.

27 4. Perioada G2, n timpul creia au loc ultimelepregtiri nainte de diviziunea celular. Are loc sinteza aparatului mitotic i acumularea de energie necesar micrilor de diviziune. Perioadele G1, S i G2 alctuiesc mpreun interfaza, totaliznd aproximativ 90% (16-24 ore) din durata total a ciclului celular n cazul celulelor care se divid rapid (vezi figurile alturate).

Mitoza

Descriere Prin diviziunea mitotic are loc transmiterea materialului genetic de la o celul mam la o celul fiic n celulele somatice, materialul genetic dublat n interfaz se distribuie n mod egal i total celulelor fiice, prin procesul de diviziune celular ecvaional sau mitoz. Rezult dou celule noi, identice din punct de vedere genetic, att ntre ele, ct i cu celula "mam" din care provin. Mitoza cuprinde patru faze: profaza, metafaza, anafaza i telofaza, separate printr-o interfaz. n interfaz, cromozomii care s-au replicat n faza S devin vizibili la microscop n profaz. Fiecare dintre ei este format din dou cromatide, unite prin centromer. Membrana nuclear dispare i centriolii migreaz spre polii celulei. n metafaz, cromozomii se ataaz cu centromerul lor la filamentele fusului de diviziune, ntr-un singur plan, la ecuatorul celulei. Urmeaz anafaza n care au loc dou evenimente ce asigur distribuia total i egal a materialului genetic: clivarea longitudinal a centromerului i separarea (disjuncia) cromatidelor (se produce la sfritul metafazei i nceputul anafazei); migrarea simultan i cu aceeai vitez a cromatidelor spre polii fusului de diviziune (deplasarea este produs prin scurtarea fibrelor fusului ce unesc polul cu centromerul

Ilustrare grafic

28cromatidei). n telofaz, o dat cu atingerea polilor ncepe ultima faz a diviziunii celulare. n acest stadiu membrana celular se divide, se reconstituie cei doi nuclei i prin citokinez (diviziunea citoplasmei) rezult dou celule "fiice" care au acelai set cromozomic i deci aceeai informaie genetic.

29Meioza Prin diviziunea meiotic are loc transmiterea informaiei ereditare de la o generaie la alta. Meioza (gr. "meion" = mai puin; "osis" = condiie) = tip de diviziune celular care are drept rezultat formarea unor celule specializate (gamei), caracterizate printr-un numr haploid de cromozomi. Formarea gameilor (gametogeneza) are loc n gonade (ovare i testicule) i are ca punct de plecare celulele germinale diploide - ovocit I i spermatocit I (fiecare cu cte 2n = 46 cromozomi) din care la sfritul diviziunii meiotice rezult gamei haploizi cu 23 cromozomi, caracteristic gameilor umani. n acest fel se asigur constana numrului de cromozomi caracteristici speciei (prin combinarea unui spermatozoid haploid cu un ovul haploid n cursul fecundaiei se va forma o celul diploid). Meioza comport dou stadii: unul reducional i altul ecvaional sau divizional (mitotic). Meioza I 1. Profaza I - are o durat foarte lung i este alctuit din mai multe etape, dintre care cele mai semnificative sunt urmtoarele: mperecherea sau sinapsa cromozomilor omologi, realiznd un aspect de bivaleni (dei sunt tetrade); Cromozomii se scurteaz i se ngroa. Are loc fenomenul de crossing over, care const n ncruciarea unei cromatide de origine patern i a unei cromatide din cromozomul omolog de origine matern, urmat de ruperea acestora i schimbul reciproc de segmente egale (recombinarea intra-cromozomial); ncepe separarea cromozomilor omologi, nc ataai la nivelul chiasmelor care marcheaz locurile unde au avut crossing over-ele. Meioza II Decurge n mod similar mitozei, dar pornind de la o celul n care exis un numr haploid de cromozomi bicromatidici. 5. Profaza II (neilustrat n graficul de mai jos) - are loc condensarea cromozomilor i dispariia membranei nucleare. 6. Metafaza II - are loc alinierea cromozomilor n placa metafazic ecuatorial. 7. Anafaza II (neilustrat n graficul de mai jos)- se caracterizeaz prin separarea cromatidelor surori (care dup crossing over sunt diferite) prin clivarea longitudinal a centromerului, urmat de migrarea cromozomilor spre cei doi poli opui ai celulei. 8. Telofaza II - la sfritul diviziunii rezult patru gamei cu numr haploid de cromozomi monocromatidici recombinai.

2. Metafaza I - cromozomii se fixeaz cu centromerul de fibrele fusului de diviziune i se dispun n planul ecuatorial al celulei formnd placa ecuatorial. 3. Anafaza I (neilustrat n graficul de mai jos)cromozomii omologi, fiecare format din dou cromatide se separ i migreaz aleatoriu spre cei doi poli opui ai celulei: n acest fel are loc recombinarea intercromozomial, ceea ce permite realizarea a 223 combinaii gametice diferite. 4. Telofaza I (n figur e similar cu metafaza 2) - apar cele dou celule fiice cu numr haploid de cromozomi bicromatidieni; celulele nu se separ complet, fiind legate de o punte citoplasmatic. Prima diviziune meiotic este urmat de cea de-a doua diviziune meiotic, fr interfaz i fr sintez de ADN.

30

Gametogeneza la sexul masculin ncepe la pubertate i poate continua toat viaa. Fiecare diviziune meiotic d natere la patru spermatozoizi, doi androspermatozoizi (cu 22 de autozomi i un singur cromozom de sex Y - 23,Y) i doi ginospermatozoizi (cu 22 de autozomi i cromozomul de sex X 23,X). Gametogeneza la sexul feminin ncepe n viaa intrauterin cnd ovogoniile (circa 300.000) ncep s se divid i se transform n ovocite primare (2n = 44+XX), care ncep imediat meioza I, dar nu depesc stadiul de profaza I. Dup acest stadiu, meioza se oprete dup luna a 7-a i ovocitele trec printr-o faz de ateptare. Ele rmn n aceast faz muli ani, pn la ovulaie. Dup pubertate, sub aciunea hormonului FSH hipofizar, cteva ovocite i ncep lunar maturarea; meioza se reia, trece prin metafaz, anafaza I, etc., astfel c la sfritul meiozei, dintr-un ovocit I rezult o singur celul sexual matur: un ovul cu 22 de cromozomi autozomi i un cromozom de sex X (23, X)

Mendel a reuit s deduc legile ereditii chiar dac n-avea idee cum opereaz ereditatea la nivel biologic. Genetica clasic, formal, factorial a analizat genele indirect, dup modul lor de exprimare n fenotip, le-a stabilit cu o anumit certitudine locul ocupat n cromozom, dar nu a reuit s le descifreze natura. Genetica cantitativ, cum ar fi studiile asupra gemenilor i a adopiilor, depind de legile mendeliene ale ereditii cu toate acestea, este important s se neleag mecanismele moleculare care stau la baza ereditii din dou motive. n primul rnd, cunoaterea bazei biologice a ereditii clarific mecanismele prin care genele afecteaz

31 comportamentul nu sunt mistice. n al doilea rnd, aceste cunotine sunt cruciale pentru aprecierea progreselor captivante realizate de genetica molecular n identificarea genelor asociate cu comportamentul. Genetica comportamentului include genetica molecular precum i cercetri din domeniul geneticii cantitative cu privire la comportament. De asemenea, bazele biologice ale ereditii include i faptul c genele sunt coninute n structuri numite cromozomi alctuii din acid dezoxiribonucleic (ADN) i proteine histonice. nlnuirea strns a genelor de pe aceeai cromozomi a fcut posibil descifrarea i caracterizarea genomului uman. n plus, anormalitile n structura sau numrul cromozomilor contribuie substanial la tulburrile de comportament, n special retardul mental. 2.1. Structura i funciile materialului genetic Dup un secol de la experienele lui Mendel, descoperirea rolului genetic al ADN (Avery,1944) a concentrat atenia cercettorilor asupra structurii sale, ntruct descifrarea ei reprezenta singura cale pentru nelegerea naturii i funciei genei. n anul 1953, J. Watson i Fr. Crick au imaginat un model al moleculei de ADN cu dou catene polinucleotidice, legate complementar prin bazele azotate, nfurate plectonemic, pentru a forma o elice dubl (fig. 2.1.). Acest model, universal valabil n lumea vie, corespunde funciilor genetice ale ADN; deoarece explic cea mai important reacie care se desfoar n lumea vie, replicarea ADN i n al doilea rnd, felul n care ADN deine, sub form codificat, informaia ereditar necesar sintezei proteinelor. Gena nceteaz astfel s mai fie o entitate misterioas i ADN devine nu numai esena geneticii, ci i un veritabil simbol al vieii.

32

Fig. 2.1. Modelul dublei elice a ADN. Acizii nucleici sunt substane polimerice. Unitile structurale ale acizilor nucleici se numesc nucleotide. Din aceast cauz, acizii nucleici se mai numesc polinucleotide. Nucleotidul nsui este o combinaie chimic complex alctuit din: - o baz azotat: adenina (A), guanina (G) sau primidinic: citozina (C), timina (T) i uracilul (U) n ARN; - o pentoz: dezoxiriboza (dR) n ADN i riboza n ARN; - acid fosforic (P).

NH 2 N7 N1 N35-

(A)N9 O

O -O P O O-

Fig. 2.2. Structura unui dezoxiribonucleotid (acid deoxi-adenilic sau dAMP)

CH 2

H H 3OH H

Elementele componente a celor doi acizi nucleici, ADN (acidul dezoxiribonucleic) i ARN ( acidul ribonucleic) sunt ilustrate n fig. 2.3.

33a. Baze pirimidinice

b. Baze purinice

c. Reprezentarea pentozelor n monomerii ADN i ARN

d. Radical fosforic

Fig. 2.3. Componentele structurale ale acizilor nucleici. 2.1.1. Structura primar a ADN ADN este un polimer de dezoxiribonucleotide (N-dR-P)n. Lungimea i greutatea sa molecular sunt foarte mari, permind stocarea unei cantiti uriae de informaie ereditar. Bazele azotate se leag la C1 al dR (fig. 2.4.) formnd patru tipuri de nucleotide (adenozin, guanozin, citidin i timidin); acidul fosforic se leag apoi la C5 al dR i n felul acesta se formeaz dezoxiribonucleotidele, monomerii ce intr n alctuirea moleculei de ADN, nalt polimerizat. n molecula de ADN nucleotidele sunt polimerizate n lanuri foarte lungi, prin legturi 3- 5 fosfodiester, formate ntre C3 al dR unui nucleotid i P fixat la C5 al dR nucleotidului urmtor; se realizeaz astfel o caten glucido-fosforic, n care dR alterneaz regulat cu P (inute laolalt prin legturi fosfodiesterice). Carbonul 1 al dR formeaz o legtur -N-glucozidic cu azotul 1 al unei baze pirimidinice sau cu azotul 9 a unei baze purinice.Cele dou capete a unei catene ADN nu sunt echivalente: la un capt se afl un grup hidroxil liber la

34 C5 a unei 2-deoxiriboze terminale, iar la extremitatea cealalt este un grup hidroxil liber la C3. Atomii de carbon a 2-deoxiribozei sunt numerotai cu prim () ca s se deosebeasc de atomii de C i N a bazelor azotate i astfel, vorbim de captul 5 i de captul 3 a catenei ADN.

Fig. 2.4. Structura primar (monocatenar) a ADN. A-adenina; T-timina; G-guanina; C-citozina.

Acizii nucleici au o polaritate care ne amintete de polaritatea polipeptidelor cu grupul amino terminal i grupul carboxil terminal. Prin convenie, captul 5 a unei catene ADN (sau ARN) este scris n extremitatea stng a unei secvene, iar captul 3 n dreapta. Secvena din fig. 2.4. se va scrie ca o secven de baze, astfel, tetranucleotidele se vor nota ca ATGC i nu CGTA. Chiar i o simpl oligonucleotid ne arat c variabilitatea n structura ADN rezid n secvenele sale de baze azotate. Cu 4 baze diferite putem construi 42 (16) dinucleotide diferite i 43 (64) trinucleotide diferite; 4100 posibiliti exist pentru o secven de 100 nucleotide. Configuraia astfel obinut, prin polimerizarea nucleotidelor ntr-un singur lan continuu, reprezint structura primar a ADN.

35 Att acizii nucleici ct i proteinele au unele proprieti comune. Ambele sunt macromolecule i fiecare tip are structura general alctuit dintr-un schelet de care se ataeaz grupe specifice (bazele azotate la acizii nucleici i aminoacizii la proteine). La acizii nucleici, scheletul este format dintr-o pentoz i radicalul fosforic (nucleozida) iar la proteine scheletul l formeaz legturile peptidice (-NH-C=O) de care se fixeaz cei 20 aminoacizi. Scheletul acizilor nucleici ct i al proteinelor are doar un rol structural, el fiind identic la toi acizii nucleici i la toate proteinele de la orice specie i ca atare neavnd nici un coninut informaional specificc. Dar, nu acelai lucru se poate spune despre bazele azotate i de aminoacizi. Ele constituie regiunea specific a nucleotidelor i a proteinelor, modul lor de nsuire de-a lungul monocatenei sau a polipeptidului difer de la o molecul ADN sau protein a unei specii la alt specie. Pe baza celor afirmate anterior, se poate concluziona c specificitatea acizilor nucleici este determinat de secvena bazelor azotate, iar specificitatea proteinelor este determinat de secvena aminoacizilor. Ordinea sau secvena de baze azotate din catena ADN este specific fiecrei specii i reprezint informaia ereditar sub form de codificare biochimic. ntreaga biologie molecular inclusiv genetica molecular, se bazeaz pe relaia care exist ntre acizii nucleici i proteine, respectiv pe mecanismul prin care informaia genetic existent n ADN dirijeaz secvena de aminoacizi din proteine i prin aceasta realizarea diferitelor caractere ereditare la confruntarea dintre genotip i mediu. Capacitatea ADN de a stoca informaie este uria, ntruct moleculele de ADN a genomului uman au n total 3200 milioane perechi de baze (Mb)/celul, (1 Mb (Megabaz) = 1.000.000 perechi de baze azotate). Lungimea ADN per complement haploid (n = 22A+X) este de 1 m, dac moleculele de ADN de la fiecare din cei 23 de cromozomi ai complementului cromozomal ar fi puse una n continuarea celeilalte i ar fi n stare extins, nu compact, superspiralat cum se afl ele n mod normal n cromozomi. Dac am considera lungimea moleculelor de ADN din cromozomii tuturor celulelor umane (aproximativ 70.000 miliarde de celule) n stare extins, lungimea ADN uman ar depi de cteva ori distana de la Pmnt la Soare. 2.1.2. Structura secundar a ADN ADN-ul celulelor vii este ntotdeauna prezent sub form bicatenar. Cele dou catene polinucleotidice se leag ntre ele prin baze azotate, n mod complementar: o baz purinic se leag ntotdeauna cu o baz pirimidinic, A = T i G = C (legtura se realizeaz prin 2-3 puni de hidrogen, de natur electrostatic) (fig. 2.5.). n felul acesta, structura unei catene

36 determin cu necesitate structura celeilalte catene: fiecare dintre ele reprezint o copie negativ a celeilalte, deci cele dou catene sunt complementare i strict codeterminate. Replicarea i repararea ADN n-ar fi posibil fr aceast complementaritate a secvenelor de baze.

Fig. 2.5. Diagrama structurii celor dou lanuri antiparalele ale dublului helix ADN, din care reiese poziia perechilor de baze azotate i a coloanelor glucido-fosfatice, realizate prin legturi chimce fosfodiesterice. Legturile stereochimice (spaiale) A = T i G = C fac ca secvenele nucleotidice a celor dou catene s se dirijeze n sensuri opuse, iar catenele s fie antiparalele, nfurate plectonemial n jurul unui ax virtual comun i avnd una direcie ascendent iar cealalt o direcie descendent. n felul acesta catenele se ruleaz dextrogir (ca un tirbuon), formnd o dubl spiral helicoidal (10 nucleotide pentru o spir, adic dup 34 ). Caracteristicile structurale finale ale dublului helix ADN sunt dictate de moleculele de dezoxiriboz care se aeaz cu oxigenul inelului orientat n sus n cadrul unei catene i orientat n jos n cadrul catenei complementare. Din cauza acestui aranjament opus al moleculelor de dR n cele dou catene i deoarece zahrul se leag la o poziie excentric a bazei azotate, ntreaga molecul de ADN este obligat s se rsuceasc, s se spiralizeze, n care fiecare pereche succesiv de baze azotate se ntoarce cu 3600 n direcia acelor de ceasornic, dublu-helixul fcnd un tur complet (3600) la fiecare 10 perechi nucleotide.

37 Pe baza datelor de structur a ADN se poate deduce funcia sa de molecul informaional i se poate defini gena la nivel molecular: gena reprezint un segment din macromolecula de ADN, de lungime variabil, care deine informaia ereditar ce dirijeaz sinteza unei catene polipeptidice sau un produs ARN. Acizii nucleici reprezint polimeri cu suficiente componente (monomeri) care s permit o mare varietate de aranjamente. n acizii nucleici nu se nregistreaz o repetiie monoton a monomerilor, ca n cazul celulozei unde se repet un acelai monomer, glucoza, ci are loc o nsuire statistic, aleatorie a celor patru nucleotide, ceea ce d posibilitatea realizrii unui numr nelimitat de aranjamente de secvene nucleotidice, fiecare aranjament reprezentnd o alt informaie ereditar. Aceasta st la baza enormei diversiti a vieuitoarelor, ntlnit n natur, de la apariia lor i pn astzi. Dei n structura ADN intr doar 4 tipuri diferite de nucleotide, posibilitile de codificare biochimic sunt teoretic infinite. Astfel, numai un segment de ADN lung de 100 perechi de nucleotide se poate prezenta ca 4100 variante diferite, reprezentnd tot attea seturi de informaie ereditar. Structura secundar a ADN este, n ansamblul ei, perfect regulat i, n condiii fiziologice, molecula de ADN are o mare stabilitate metabolic, ntruct catenele i elementele componente nu se desprind uor din edificiul lor molecular. Structura secundar, bicatenar a ADN asigur realizarea funciilor sale: sinteza de noi molecule ADN prin replicare semiconservativ i sinteza proteinelor prin procesele de transcripie-translaie. 2.1.3. Structura teriar a ADN Macromoleculele de ADN se organizeaz n celul n structuri specifice, diferite la procariote (virusuri i bacterii) i la eucariote (plante, animale). Procariotele nu au materialul genetic separat de celelalte structuri ale celulei, ntruct nu prezint un nucleu distinct. Virusurile i bacteriile posed o singur molecul de ADN bicatenar (excepie bacteriofagul 174 care este monocatenar), linear sau circular, neasociat cu proteine: denumit genofor. Unele bacterii pot avea un plus de material genetic, adiional la genomul normal, fie liber n citoplasm (plasmide), fie inserat n genofor (episomi). Eucariotele au marea majoritte a ADN (99%) localizat n nucleu (n cromozomi), organit ce formeaz elementul esenial din aparatul genetic al celulei; o cantitate mic de ADN (2%) se afl n mitocondrii (37 de gene, 13 codific polipeptide pentru cele 5 complexe respiratorii angajate n producerea de ATP, restul de 24 de gene mitocondriale codific 22 tipuri

38 de ARNt i dou molecule de ARNr ce face parte din aparatul de sintez proteic mitocondrial). Structura molecular de ADN nuclear este heterogen n genomul uman. Termenul de genom uman este folosit pentru a descrie informaia genetic total (coninutul n ADN) din celulele umane. Primele rezultate a explorrii genomului uman nu au confirmat mrimea lui de aproximativ 100.000 de gene ct se credea c are. Deocamdat s-a estimat c numrul genelor umane sunt n jur de 30.000, iar secvenele codificatoare nu reflect dect 1,1 -1,5 % din ansamblul genomului. Explorarea genomului uman confirm o alt caracteristic : bogia sa n secvene repetate care reprezint cel puin 50% din secvenele totale. Proiectul genomului uman a fcut cunoscut i alte tipuri de secvene care se repet: regiuni ntinse din genom, ce msoar pn la 200 Kb sunt duplicate, pe acelai cromozom sau pe cromozomi diferii, aceste secvene se acumuleaz n special aproape de centromer i de telomer. Ele reprezint aproximativ 5% din genom. Circa 20% din genom cuprind regiuni cu peste 500 Kb lipsite cu totul de gene. Pierdute ntr-un ocean de secvene necodificatoare, genele sunt n plus, discontinuie, fragmentate, n regiuni codificatoare numite exoni, separate de regiuni interpuse, necodificatoare, introni, care pot avea dimensiuni foarte mari. Deci, la eucariote numai o parte din gen (exonii) se exprim; intronii ar avea rolul de a regla buna funcionare a exonilor. Una din caracteristicile cele mai frapante ale peisajului genomic la scar mare o reprezint existena regiunilor mai mult sau mai puin bogate n bazele GC, care sunt legate de densitatea genelor. Datorit conexiunii ntre harta fizic (care a constituit proiectul de lucru a genomului uman) i harta citogenetic a cromozomilor umani, care inventariaz benzile clare i ntunecate ce alterneaz de-a lungul cromozomilor n urma coloraiei, s-a confirmat c regiunile bogate n bazele GC corespund n marea lor majoritate benzilor clare. Pe de alt parte, s-a verificat c acestea sunt n medie mai bogate n gene. Un criteriu nc i mai interesant pentru identificarea genelor este coninutul n dinucleotidul CpG (succesiunea unei citozine i a unei guanozine de pe o caten ADN, astfel notat ca s ilusreze legtura 3- 5 fosfodiesteric dintre cele dou baze i pentru a le distinge de perechea GC). Datorit metilrii frecvente a citozinei (adugarea grupului metil CH 3 la C5 al citozinei) i a dezaminrii spontane (pierderea gruprii amino-NH2) transformnd-o n timin, dinucleotidul CpG este sub-reprezentat n genomul uman, innd cont de proporia C i a G. Cu toate acestea, se observ insulele de CpG, de aproximativ 1-2 Kb lungime, adesea asociate la regiunile amonte sau 5 a genelor transcrise n mod activ. Aceast corelaie se datoreaz faptului c aceste regiuni nu sunt metilate.

39 Metilarea ADN de la vertebrate este corelat cu o represie general a transcripiei i implicat n mecanisme de represie selectiv a anumitor gene. Aproape 30.000 insule de CpG au fost detectate n lungimea genomului, distribuia lor pe diferii cromozomi verific estimrile cu privire la densitatea genelor, cu toate c nu toate genele posed insule CpG. Cele peste 100 de tipuri diferite de celule umane rezult din modelul de expresie a genelor din celul. Anumite celule, n mod special, cele din creier, exprim un numr mare de gene diferite. n alte tipuri de celule, o mare parte a genelor sunt inactive transcripional, ele sunt constitutiv metilate. Evident, genele care se exprim sunt acelea care definesc funciile celulei. Unele din aceste funcii sunt comune tuturor tipurilor de celule i sunt specificate de gene eseniale (housekeeping genes) care funcioneaz n toate celulele i codific proteinele ce sunt eseniale pentru vitalitatea celular, controlnd dezvoltarea ontogenetic a organismului uman, precum i sinteza enzimelor implicate n metabolismul intermediar i n respiraia celular. Distincia dintre regiunile active i inactive transcripional a ADN celular este reflectat n structura cromatinei. Cromatina inactiv transcripional adopt n general o conformaie nalt condensat i este adesea asociat cu regiuni ale genomului care se replic trziu n faza S a ciclului celular (telomerele i regiunea pericentromeric) i cu legturi strnse prin molecula H 1 a histonelor. Prin contrast, ADN activ transcripional adopt o conformaie mai deschis i mai puin condensat avnd mult ADN nerepetitiv, se replic timpuriu n faza S iar legtura lui cu moleculele histonelor H1 sunt relativ slabe. n plus, n cromatina activ transcripional regiunea promotor a genelor sunt caracterizate prin absena metilrii citozinelor. Factorii de transcripie pot detaa nucleosomii i astfel conformaia deschis a cromatinei active transcripional poate fi deosebit experimental pentru c de asemenea ofer acces nucleazelor. Genomul nuclear este distribuit n cele 22 de tipuri de cromozomi autozomi i cele dou tipuri de cromozomi de sex (X i Y), tipuri, care pot fi cu uurin difereniai prin tehnica de bandare cromozomial. Mrimea medie a unui cromozom uman are o cantitate enorm de ADN, aproximativ 130 Mb, dar variaz ntre 50 Mb la cromozomii mici i 250 Mb la cromozomul 1. O band cromozomial de mrime medie dintr-un preparat metafizic cu 550 benzi corespunde la aproximativ 6 Mb de ADN (1 Mb = 1.000.000 baze azotate). O alt caracteristic a ADN la eucariote este asocierea obligatorie cu proteine bazice (histone) i acide sau neutre (hertone sau nonhistone ce cuprind enzime ale metabolismului cromozomal cum ar fi ADN-polimerazele, ARN-polimerazele, nucleaze, etc.). Ele au un rol structural, n organizarea supramolecular a ADN n cromatin i cromozomi, precum i un rol funcional, intervenind n reglarea funciei genelor.

40

2.2. Replicarea ADN Structura secundar bicatenar a ADN cu legturile stereochimice (spaiale) a bazelor sale azotate asigur ndeplinirea funciilor sale: replicarea semiconservativ i sinteza proteinelor. Modelul structural ADN, cu cele dou catene complementare i antiparalele, a permis formularea ipotezei corecte privind transmiterea informaiei ereditare prin replicarea semiconservativ a ADN. n acest proces are loc despiralizarea dublului helix de ctre o helicaz, urmat de separarea progresiv a celor dou catene ADN dup modelul de deschidere a unui fermoar, i fiecare dintre ele dirijndu-i sinteza unei catene noi, complementare; rezult dou molecule identice, care posed fiecare o caten veche i una nou (fig. 2.6.).

Fig. 2.6. Model de replicare a ADN-ului Separarea celor dou catene complementare, ce devin catene matri, se realizeaz progresiv, macromolecula de ADN capt forma literei Y numindu-se bifurcaie de replicaie la nivelul creia se desfoar procesele mecanismului semiconservativ de replicare prin intervenia unui complex aparat enzimatic (fig. 2.7.). Cele dou catene ale ADN se despiralizeaz i apoi se desfac pe o poriune limitat, servind fiecare ca matri pentru aranjarea nucleotidelor activate, pe baz de complementaritate (A T; G C). Intervine apoi ADN-polimeraza care polimerizeaz nucleotidele n direcia 5 3. Pe una din catene, n sensul

41 3 5 (de exemplu: catena A n fig. 2.7.) numit caten directoare (leading) sinteza va fi continu, desfurndu-se n direcia de micare a bifurcaiei de replicare.

Fig. 2.7. Asimetria sintezei catenelor n timpul replicrii semiconservative a ADN. A, B = cele dou catene matri. Pe catena complementar (B) se sintetizeaz discontinuu segmente scurte (100-1000 nucleotide) numite i fragmente Okazaki, care vor fi ulterior unite prin aciunea unei ligaze (sintez semidiscontinu). Aceast caten cu sintez ncetinit se numete caten succesoare (lagging strand) i se desfoar n direcie opus bifurcaiei de replicare. Ea necesit a fi sintetizat pe fragmente (piese okazaki), mai nti A, apoi B, apoi C care sunt lipite de o ligaz ADN pentru a forma un lan continuu. ADN-polimeraza polimerizeaz sute de mii de nucleotide fr ntrerupere, la o rat de circa 1000 nucleotide per secund. n cromozomii individuali, replicaia ADN se realizeaz bidirecional formnd ochiuri de replicaie din multiple puncte de iniiere (fig. 2.8.), existnd mai multe uniti distincte de replicare, numite repliconi. Distanele dintre punctele de origine a replicaiei este de aproximativ 50-300 Kb iar replicaia ADN n diferite situri de iniiere este declanat la diferite intervale de timp din faza S a ciclului celular, dar n cele din urm ochiurile de replicaie vor fuziona. Replicarea ADN din celulele umane necesit circa 8 ore. Lungimea medie a macromoleculei de ADN dintr-un cromozom uman este de 30.000 m. Dac replicarea ar fi iniiat la un capt al cromozomului i s-ar desfura secvenial spre cellalt capt, ar fi necesare 500 de ore. Se tie ns c replicarea dureaz doar 6-8 ore, nseamn c replicarea este iniiat simultan n mai multe puncte de origine a replicrii din cadrul genomului.

42

R1 O1

R2 O2

R3 O3

Fig. 2.8. Cromozomii organismelor complexe au multiple origini de replicare. R1, R2 i R3 reprezint uniti de replicare adiacente (repliconi) localizai pe acelai cromozom cu puncte de iniiere a replicaiei O1, O2 i O3. Replicarea se desfoar bidirecional cu formare de ochi de replicaie la nceput din O2, apoi O3 i final n O1. Panelul de jos arat fuziunea ochilor de replicaie iniiai n O2 i O3. Deoarece ADN conine informaia genetic a celulei, sinteza sa este unul dintre cele mai importante evenimente din viaa acesteia. Realizat prin intervenia unui complex aparat enzimatic, sinteza ADN este o reacie de tip replicativ, reprezentnd unicul caz din lumea biomoleculelor n care o substan i dirijeaz propria sa sintez producnd dou molecule fiice care sunt identice cu molecula parental. Continuitatea vieii se bazeaz pe aceast capacitate unic a ADN. Cu adevrat putem considera celula vie ca un mediu artificial, creat de ctre ADN n beneficiul propriei lui replicri. Se asigur pe de o parte reproducerea fidel i continuitatea fenomenului ereditar de-a lungul generaiilor, iar pe de alt parte dublarea cantitii de informaie genetic i ca urmare multiplicarea sistemelor biologice. Cantitatea dublat de material genetic, respectiv de informaie genetic, fiind repartizat n mod echilibrat, prin procesul diviziunii celulare la dou celule fiice identice ntre ele i identice cu celula mam din care au derivat. n acest fel se continu fenomenul ereditar pe orizontal, de-a lungul

43 generaiilor celulare, n mitoz sau pe vertical, de-a lungul generaiilor succesive de organisme, n meioz. n procesul replicrii ADN se realizeaz copierea fidel a informaiei ereditare, informaie care poate fi codificat, recodificat i decodificat, fr nici o alterare sau modificare a nelesului. Informaia pur poate fi copiat i, deoarece este informaie digital, fidelitatea copierii poate fi perfect. Caracterele ADN-ului sunt copiate cu exactitate care rivalizeaz cu tot ce pot realiza inginerii moderni. Ele sunt copiate din generaie n generaie cu doar attea erori ct s introduc variaie. Noi, i asta nseamn toate fiinele vii, suntem mecanisme de supravieuire programate s transmit baza de date digital cu care am fost programai. Genele se pot autocopia pentru zece milioane de generaii i nu se altereaz aproape deloc. Darwinismul funcioneaz doar pentru c, n afar de mutaiile distincte, pe care selecia natural ori le elimin ori le conserv, procesul de copiere este perfect. Doar un sistem genetic digital este capabil s susin darwinismul de-a lungul epocilor geologice. 1953, anul dublului helix, va fi considerat nu numai sfritul unor opinii mistice i obscurantiste asupra vieii; darwinitii l vor privi ca pe anul n care obiectul lor de studiu a devenit n sfrit digital (Dawkins,1995). 2.3. Sinteza proteinelor ADN deine, sub form codificat, informaia necesar edificrii i funcionrii structurilor ce alctuiesc fiina vie, precum i realizrii proceselor metabolice care caracterizeaz viaa. n ultim analiz, la baza tuturor caracterelor noastre morfologice i funcionale stau diferite proteine de structur sau cu rol catalitic (enzimele). Enzimele proteine rspund de activitile metabolice i de multe alte funcii celulare, cum ar fi motilitatea i excitabilitatea care depind de proteine specializate. Celulele organismului nostru pot sintetiza peste 100.000 de polipeptide diferite, fiecare cu o secven unic de aminoacizi. Polipeptidele se sintetizeaz pe ribozomi n citoplasm, dar secvenele lor n aminoacizi trebuie s fie specificate de ctre ADN-ul din cromozomi. n consecin, instruciunile trebuie s fie transmise de la cromozomi la ribozomi. Aceste instruciuni sunt transmise de ctre ARN mesager (ARNm). Expresia genei necesit dou etape majore: transcripia i translaia. 2.3.1. Transcripia Procesul prin care informaia genetic este transmis de la ADN la ARN poart numele de transcripie. ADN are dou funcii genetice primare: funcia autocatalitic, realizat n

44 procesul replicrii sale i funcia heterocatalitic realizat n procesul dirijrii de ctre ADN a sintezei proteinelor (translaia). Funcia heterocatalitic a ADN nu poate fi ndeplinit dect prin intervenia unor intermediari ntre ADN i proteine. Aceti intermediari, cu funcii diverse, sunt reprezentai de diferite categorii de acizi ribonucleici (ARN) celulari; ADN servind drept matri pentru sinteza tuturor categoriilor de ARN (ARNm, ARNr, ARNt), dar numai ARNm conine instruciuni pentru sinteza proteinelor. n acest proces se realizeaz cel de al doilea tip de transfer informaional, de la ADN la ARN; n cadrul replicrii realizndu-se primul tip de transfer informaional de la ADN parental la ADN progen. Transcripia genetic are loc n nucleu i este realizat prin intervenia enzimei ARNpolimeraza a crei aciune catalitic se realizeaz numai prin asocierea sa cu o matri ADN, fiind dependent de ADN pentru a realiza sinteza ARN. ARN-polimeraza are capacitatea de a recunoate cu mare exactitate secvene specifice de baze azotate de pe matria ADN, realiznd polimerizarea ribonucleotidelor trifosfat libere: ATP (adenozintrifosfat), GTP (guanozintrifosfat), CTP (citozintrifosfat) i UTP (uraciltrifosfat) n direcia 5 - 3 n timp ce matria ADN este citit n direcia 3 - 5 (fig. 2.9.).

Fig. 2.9. Faza de elongaie a trascripiei. ARNpolimeraza separ cele dou catene ADN pe o lungime de 18 perechi baze formnd un ochi de transcripie. Doar o singur caten ADN este folosit ca matri. Polimerizarea ribonucleotidelor se realizeaz n virtutea complementaritii de baze azotate n care A din matri se unete prin dou puni de hidrogen cu uracilul (U) nlocuitorul timinei n ARN, T din matria ADN se unete prin dou puni de hidrogen cu A din ribonucleotide, G cu C i respectiv C cu G prin cte trei puni de hidrogen. n mod normal, doar una din cele dou catene a ADN sunt transcrise pentru sinteza ARN. Deoarece creterea lanului ARN este complementar la aceast caten numit matri, sau catena antisens, transcriptul are aceeai direcie 5- 3 i secvenele de baze azotate (cu excepia U care nlocuiete T) sunt identice cu catena ADN opus, nonmatri numit catena sens sau

45 codificatoare care nu se transcrie. Pentru recunoaterea secvenelor de baze azotate a unei gene se obinuiete s se arate doar secvenele ADN de pe catena sens. Genele care conin informaia genetic pentru sinteza ARNm ce va fi translat n proteine i enzime specifice sunt denumite gene structurale (fig. 2.10).Iniierea transcripiei Terminarea Transcripiei

CUTIA CAT TAT Exon 1 5 regiune promotor Iniierea translaiei Codonul ( ATG) Exon 2 Intron 1 Intron 2 Terminarea translaiei Codonul (TAA) Semnalul poliadenilrii ( AATAAA ..) Exon 3 3

Fig. 2.10. Structura tipic a unei gene structurale umane Gena structural la eucariote este alctuit din dou regiuni: o regiune transcriptibil i una de reglare: promotorul. Regiunea transcriptibil la marea majoritate a genelor structurale este discontinu (spliced genes). Aceast discontinuitate rezult din alternana exonilor (secvene de nucleotide care codific aminoacizii din proteine) i a intronilor (secvene mai lungi de nucleotide noninformaionale care debuteaz cu dinucleotidele GT i se termin cu dinucleotidele AG. La captul 5 al regiunii transcriptibile, adiacent primului exon, se gsete codonul universal de iniiere, ATG de pe catena sens. Promotorul este un fragment din macromolecula de ADN format din 200 pb situate tot n extremitatea 5 a genei structurale, n faa codonului ATG i servete iniierii transcripiei. Elementele promotorului cuprind urmtoarele secvene ADN: - cutia TATA, sau cutia Hogness, adesea secvena TATAAA ori o variant situat la o distan de aproximativ 25 pb n amonte (-25) fa de locul de iniiere a transcripiei. Legarea corect la nivelul TATA a factorului de transcripie specific i a ARN-polimerazei II permite sinteza normal a captului 5 a ARNm precursor. - cutia GC este prezent n multe gene inclusiv genele eseniale (housekeeping genes) coninnd variante ale secvenei consens GGGCGGG.

46 - cutia CAAT (sau cutia CAT), situat la o distan de 80 pb n faa codonului de iniiere i este cea mai puternic determinant a eficienei promotorului. Aceste elemente ale promotorului cu secvene scurte acioneaz ca semnale de recunoatere pentru factorii de transcripie ubicvitari care include genele HOX, PAX i genele proteinelor fixatoare de Zn (zinc finger genes) i care se leag de ADN pentru a ghida i activa polimeraza. Genele homeotice (HOX, gr. homoios = similar, asemntor) conin o secven similar de 180 pb care se crede c sunt caracteristice pentru genele implicate n controlul dezvoltrii spaiale a segmentelor organismului. Proteinele codificate de aceste gene conin un homeodomeniu alctuit din 60 de aminoacizi. Aceste proteine sunt factori de transcripie ce specific diferenierea celular. La om s-au identificat patru grupe de gene HOX: Tabelul 2.1. privind grupele de gene HOX la om Grupa Numrul de gene Localizarea cromozomial HOX A ( = HOX 1) 11(1-7, 9-11,13) 7P HOX B ( = HOX 2) 9 (1-9) 17q HOX C ( = HOX 3) 9 (4-6, 8-13) 12q HOX D ( = HOX 4) 9 (1, 3, 4, 8-13) 2q A se observa c genele HOX care poart acelai numr sunt paraloage, de exemplu HOX D 13 prezint o omologie mai mare cu HOX A 13 i HOX 13 dect cu ali membrii ai grupului HOX D. n fiecare grup HOX exist o corelaie linear direct ntre poziia genei i expresia temporal i spaial, o observaie care dovedete c aceste gene joac un rol crucial n morfogeneza timpurie. Mutaii n gena HOX 13 acum se tie c rezult ntr-o rar anormalitate a dezvoltrii braului cunoscut sub numele de sinpolidactilie, avnd o motenire autozomal dominant. Se caracterizeaz prin adiionarea unui deget ntre degetele trei i patru care sunt unite. Avnd n vedere c sunt 38 de gene HOX este surprinztor c nu s-au gsit alte sindroame sau malformaii atribuite mutaiilor n genele HOX. O posibil explicaie ar fi c cele mai multe mutaii ale acestor gene