Genetica Generala

download Genetica Generala

of 90

Transcript of Genetica Generala

GENETICADate de contact:

GENERALA

Coordonator curs: Lector Dr. Mirela Mihaela Cimpeanu e-mail: [email protected] Tutore: Lector Dr. Mirela Mihaela Cimpeanu e-mail: [email protected] Obligatii minimale ale studentilor in vederea promovarii examenului la disciplina GENETICA GENERALAParcurgerea intregii materii incluse in suportul de curs; Definirea principalelor notiuni de genetic si caracterizarea ultastructural functionala a materialului genetic si a proceselelor si fenomenelor prezentate in suportul de curs; Comunicarea permanenta cu tutorele disciplinei in vederea elucidarii unor aspecte particulare si a intelegerii generale a materiei de curs; Prezenta directa la toate orele de lucrari practice de laborator; Definirea principiilor de baza si a scopului metodelor de laborator parcurse in cadrul orelor de lucrari practice; Insusirea etapelor de lucru ale metodelor de laborator parcurse; Dobandirea unei experiente generale practice de laborator; Corelarea cunostintelor dobandite din suportul de curs cu aplicatiile practice de laborator.

Modul de stabilire a notei finaleNota finala la disciplina Genetica generala va fi acordata astfel: evaluarea activitatii desfasurate in cadrul orelor de lucrari practice: 50% examenul final la disciplina: 50%

Teme de licen ce pot fi abordate la disciplina GENETICA GENERALA1. Caracterizarea complementului cromosomial la diferite specii din flora spontana 2. Intocmirea de cariotipuri la diverite specii vegetale de interes alimentar, medical etc. 3. Caracterizarea complementului cromosomial la diferite specii din fauna piscicola 4. Studii comparative asupra efectelor unor mutageni fizici si/sau chimici asupra materialului genetic, la diferite organisme model 5. Studiul efectelor poluarii asupra materialului genetic la diferite organisme model

GENETICA GENERALASuport de curs Unitatea de invatare 1 1. Din istoricul cercetarilor de geneticaTermenul "genetic" a fost propus, la cel de-al III-lea Congres Internaional de Hibridare i Ameliorare a Plantelor (Londra), de ctre W. Bateson, cel ce avea s devin titularul primei catedre de profil din lume (catedra de Genetic de la Cambridge - Anglia, nfiinat n 1909). Civilizaia Greciei antice ne-a lsat mrturii, de o deosebit profunzime i corectitudine, relative la fenomenul ereditii. n privina omului, de pild, grecii au reluat idei ale filosofiei indiene, idei de sorginte eugenic, n conformitate cu care omul poate fi mbuntit dac generaiile succesive sunt asigurate de indivizi sntoi, inteligeni, frumoi etc. Un punct de reper n orice analiz a antichitii greceti l constituie momentul Aristotel (384322 .e.n.). Aristotel a pus bazele embriologiei, urmrind ontogenia puiului de gin - proces n care se pot face magistrale demostraii relative la fenomenul ereditii. In Roma antic i-a etalat i dezvoltat concepiile Galenos Claudios (129-199). Renumitul medic a efectuat experimente i observaii, a adunat i prelucrat date referitoare la procese de ncruciare la animale i a ajuns la concluzia c cele dou sexe au rol egal n transmiterea caracterelor ereditare. Dupa Evul Mediu, toate acumulrile de pn atunci, combinate cu noile date furnizate de dezvoltarea fr precedent a agriculturii (producia vegetal i animal), a industriei (solicitant a noi cantiti i a noi materii i materiale) i a relaiilor interumane, au fundamentat noua concepie tiinific, noua poziie a omului n cadrul naturii. n anul 1651, W. Harwey, cel ce a descoperit i a descris circulaia sngelui, stabilete un adevr incontestabil i incomensurabil ca valoare - toate vieuitoarele provin din ou fecundate. In 1665, n premier mondial, R. Hooke (1635-1703) descrie celula. Simultan, Antony van Leeuwenhoeck (1632-1723) descoper (cu microscopul perfecionat de el nsui) i descrie multe microorganisme i spermatozoizii de om, cine i iepure. La mai puin de 50 de ani, adic n 1735, apare opera suedezului Carol Linn (1707-1778), Systema nature, oper fundamental pentru teoreticieni i practicieni ntruct, n numai 12 pagini, oferea criterii clare de delimitare i caracterizare a speciilor, obiectul concret de lucru pentru cei ce investigau anatomia, fiziologia, reproducerea i comportamentul organismelor vegetale i animale. Un punct nodal n demersurile pentru o concepie biologic modern l reprezint descrierea nucleului celular de ctre Schneider, Schwann, Schleiden, Virchow. Mai precizm c dac diviziunea celulei animale fusese observat n 1827, iar cea a celulei vegetale (la o alg) n 1832, meioza a fost descris abia n 1870. Dar, pentru o istorie a geneticii, este obligatorie prezentarea descoperirilor efectuate de Ch. Naudin care, n anul 1859, a publicat lucrarea Nouvelles recherches sur l'hibridit dans les vegetaux. n respectiva lucrare, Naudin sublinia aspecte importante ale transmiterii caracterelor ereditare, i anume: uniformitatea hibrizilor din prima generaie, diversitatea lor n generaiile urmtoare, segregarea "esenelor" (aa numete Naudin factorii ereditari), revenirea la formele parentale etc. Naudin a lucrat cu specii ale genurilor Papaver, Primula, Datura, Nicotiana. Din pcate, el nu a reuit s surprind i s enune legitile transmiterii caracterelor, legitile ereditii. Acest merit i va reveni lui Mendel.

2. Legile ereditatii2.1. Johann Gregor Mendel (1822-1884) - fondatorul geneticiiPregtit de o multitudine de descoperiri, observaii i experimente, diseminate pe ntregul parcurs al istoriei umane, momentul naterii geneticii ca tiin este momentul Mendel, mai precis, anul 1865, an n care opera sa Versuche ber Pflanzenhybriden (Experiene asupra

hibrizilor la plante, tradus i la noi, abia n 1945, de A. Piescu, n Buletinul Cultivrii i Fermentrii Tutunului) a primit bun de tipar i a fost publicat ntr-o modest revist provincial - "Revista Naturalitilor din Brnn. Pentru a nu exista neclariti, precizm: n 1900 copilul minune al biologiei a fost regsit i nscris n actele oficiale. Naterea lui, ns, avusese loc n 1865.

Johann Gregor Mendel (1822-1884)

2.2. Experimentele efectuate de Johann Gregor MendelMendel a experimentat pe diverse specii de plante aparinnd genurilor Hieracium, Phaseolus i Pisum, atenie deosebit acordnd ns mazrii (Pisum sativum). n primul rnd, Mendel a ales ca obiect de studiu o specie autogam - Pisum sativum. A avut, astfel, posibilitatea de a urmri, n descenden, comportarea hibrizilor pe care i-a obinut, n ritm i n proporii strict determinate. n cel de al doilea rnd, Mendel a fcut ceea ce nu au gndit predecesorii si - a verificat puritatea genotipic a plantelor luate n studiu. Pentru a fi sigur, Mendel a verificat descendena fiecrui individ, timp de 3-4 generaii. Se impune, cu aceast ocazie, nc o remarc. Alegerea mazrii ca obiect pentru investigaii a fost benefic deoarece: specia este autogam, alterarea rezultatelor prin polenizri necontrolate fiind exclus; perioada de vegetaie este scurt; trsturile fenotipice contrastante (dominante-recesive) sunt distincte; castrarea plantelor este relativ uoar; sunt multe soiuri n cadrul speciei, hibrizii dintre diferitele soiuri sunt fertili;

2.2.1. Monohibridarean multe manuale de biologie se afirm c monohibridarea presupune ncruciarea ntre dou organisme deosebite ntr-o singur pereche de caractere. ntruct se pot nate confuzii, grave uneori, supunem ateniei urmtoarele aspecte ale problemei. Este vorba de manifestri diferite ale aceluiai caracter, nu de caractere diferite. Culoarea verde sau galben nu reprezint caractere diferite, ci manifestri diferite (fenotipic) ale aceluiai caracter (caracterul culoare, n cazul de fa). Prin urmare, monohibridarea reprezint procesul de ncruciare (hibridare) a doi indivizi aparinnd aceleiai specii, genotipic puri (adic homozigoi), deosebii ntre ei prin manifestarea fenotipic a unui singur caracter. Mendel a utilizat, pentru monohibridare, dou soiuri de mazre: unul cu boabe de culoare galben i altul cu boabe de culoare verde. Reamintim c, nainte de a efectua hibridarea, Mendel a perpetuat timp de 3-4 ani fiecare soi, spre a se convinge c este stabil (c ester genotipic pur, n terminologia genetic actual). Recurgnd la castrare i fecundare artificial, n prima generaie hibrid, notat cu F1 (adic prima generaie filial - n latin filius, filia = fiu, fiic), a obinut numai plante cu boabe de o singur culoare - galben, n experimentul de acest tip. ntruct i n privina acestui aspect apar, deseori, confuzii, recomandm revederea noiunilor de botanic i precizm: plantele ce au fost supuse castrrii i polenizrii artificiale reprezint generaia parental (desemnat n tabele i grafice cu simbolul P), iar boabele aprute

pe ele, n urma dublei fecundri prin care a luat natere embrionul (diploid) i endospermul (triploid), reprezint generaia filial, hibrid (desemnat prin F1). Prima constatare a lui Mendel a fost: toi hibrizii din prima generaie aveau o singur culoare a boabelor. Experimentnd cu alt caracter (pe aceeai specie), de pild forma boabelor netede i zbrcite, a constatat c n F 1 toi indivizii aveau boabe netede. Pe baza acestui experiment, Mendel a enunat principiul uniformitii hibrizilor n F1. Perpetund respectivii hibrizi, prin autofecundare, n cea de-a doua generaie Mendel a constatat reapariia fenotipurilor parentale (reapariia expresiilor fenotipice etalate de cei doi prini), n raport de aproximativ 3:1. n consecin, a fost enunat cel de-al doilea principiu segregarea hibrizilor n F2. Deci, Mendel a admis i precizat c n F1 se manifest fenomenul de dominan i recesivitate, n sensul c este etalat doar una dintre posibilitile de exprimare a caracterului (cea dominant), cealalt rmnnd ascuns (recesiv). Prin simboluri, experimentul efectuat de Mendel poate fi reprezentat astfel:Prinii Gameii F1 Gameii Galben() () x Verde() Hibridare x () Galben() Autofecundare () i () () i () 1 galben ()+2 galben ()+1 verde() 3:1 1:2:1

F2 Segregare fenotipic Segregare genotipic

ntruct, la acea vreme, nu se cunotea nimic despre cromosomi i gene (substratul material al informaiei ereditare), Mendel a folosit termenul de factori ereditari i a presupus, cu o extraordinar intuiie, c n fiecare celul a organismului factorul ereditar determinant al unui caracter se afl n doz dubl, n timp ce n celulele sexuale se afl n doz simpl. Schematic, situaia poate fi redat i astfel:Prinii Gameii F1 Gamei Produi n F1 F2 Segregare genotipic Segregare fenotipic AA A Aa AA 1 X aa X a Autofecundare sau hibridare de tipul frate x sor A i a A i a 2Aa 2 3:1 Aa 1

Evident, prin A se desemneaz factorul ereditar dominant i prin a factorul ereditar recesiv. Apoi Mendel a precizat c, dup fecundare i formarea zigotului, factorii ereditari nu se contopesc, ci doar se altur. n consecin, cnd se formeaz din nou gameii, ei se vor despri, fiecare trecnd ntr-un gamet. Astfel, conchide Mendel, gameii sunt puri din punct de vedere genetic. Aceasta este considerat prima lege elaborat de Mendel, supranumit: LEGEA PURITII GAMEILOR.

2.2.2. Dihibridarean a doua etap a experimentului, Mendel a recurs la ncruciarea de indivizi care se deosebeau prin expresia fenotipic a dou caractere - culoarea i forma boabelor. El a luat soiul de mazre cu boabe netede i galbene, pe care l-a ncruciat cu soiul caracterizat prin boabe zbrcite i verzi. n F1, ca i la monohibridare, toi indivizii au fost uniformi - boabe netede i galbene. Deci, s-au manifestat fenomenele de dominan i recesivitate. n F 2 s-a manifestat segregarea, dar s-a constatat un lucru interesant: fiecare caracter segreg independent i, n consecin, ester posibil recombinarea caracterelor i apariia de noi fenotipuri. Forma boabelor a segregat n raport de 3:1. La fel i culoarea boabelor. n plus, au aprut i noi tipuri de plante - cu

boabe netede i verzi, pe de o parte, i cu boabe zbrcite i galbene, pe de alt parte. Iat cum poate fi redat, schematic, procesul: Prin A i B, s-au redat factorii ereditari dominani (determinani ai culorii galbene i ai formei netede a bobului), iar prin a i b, s-au redat factorii ereditari recesivi (determinani ai culorii verzi i ai formei zbrcite a bobului) Examinnd tabelul redat n continuare constatm c pe diagonala stnga sus - dreapta jos sunt plasai numai indivizi homozigoi (dominani n ambele caractere, recesivi n ambele caractere sau dominani ntr-un caracter i recesivi n cellalt).Prinii Gameii F1 Gameii hibrizilor din F1 AB Ab aB ab AB AABB AABb AaBB AaBb AABB AB X X aabb ab

AaBb Autofecundare sau hibridare de tipul frate x sor Ab AABb AAbb AaBb Aabb aB AaBB AaBb aaBB aaBb ab AaBb Aabb aaBb aabb

Hibrizii din F2 care segreg, fenotipic, n raportul 9:3:3:1 i genotipic n raportul 1:1:2:2:4:2:2:1:1

Pe diagonala stnga jos - dreapta sus sunt plasai numai indivizi heterozigoi (n ambele caractere), pe diagonalele mici avem heterozigoi ntr-un singur caracter (de fiecare dat altul fiind homozigotul dominant i altul homozigotul recesiv) etc. Prin urmare, din punct de vedere al constituiei ereditare, n hibridare, prin autofecundarea hibrizilor din generaia F 1, ntlnirea probabilistic a celor patru categorii (tipuri) diferite de gamei, asigur formarea a 16 descendeni, a cror constituie genetic este de 9 tipuri i anume: 1/16 dublu homozigot dominant, 1/16 dublu homozigot recesiv, 2/16 homozigoi dominani pentru caracterul culoare i heterozigoi pentru form, 2/16 cu acelai raport de homozigoie/heterozigoie dar pentru cellalt caracter, 4/16 indivizi heterozigoi n ambele caractere, 1/16 homozigoi n ambele caractere dar unul recesiv, cellalt dominant, 1/16 cu cellalt caracter dominant (ambele homozigote), 2/16 indivizi heterozigoi pentru culoare i homozigoi recesivi pentru form i 2/16 indivizi homozigoi recesivi pentru culoare i heterozigoi pentru form. Sub aspect fenotipic, situaia se prezint astfel: 9/16 indivizi dominani (cu boabe galbene i netede), 3/16 dominani ntr-un caracter (boabe galbene i zbrcite), 3/16 dominani n cellalt caracter (boabe netede i verzi) i 1/16 indivizi recesivi n ambele caractere (boabe verzi i zbrcite). Se impune, deci, o concluzie: n dihibridare, caracterele segreg independent unul de altul. Aceasta este, de fapt, cea de-a doua legitate stabilit de Mendel - LEGEA SEGREGRII INDEPENDENTE A CARACTERELOR.. Se mai impun cteva precizri. Una dintre ele se refer la categoriile de gamei ce pot aprea n cazul monohibridrii, dihibridrii, trihibridrii etc. i, implicit, la tipurile de descendeni ce pot lua natere. Trebuie specificat c tipurile parentale de gamei sunt dependente de numrul de factori ereditari implicai n hibridare. n principiu, fiind vorba de o relaie strict matematic, vom avea 2n tipuri de gamei, n fiind 1/2 din numrul de factori ereditari aflai n stare heterozigot. Spre exemplu, dac avem un factor ereditar pentru culoarea galben i unul pentru cea verde, n=2/2=1. Prin urmare, 21=2, vom avea 2 tipuri de gamei. Recurgnd la o simbolistic universal, n care notm determinantul unui caracter cu A pentru expresia dominant i a pentru cea recesiv, cellalt determinant cu B i b etc., conform relaiei matematice precizate situaia se va prezenta astfel: - n cazul monohibridrii, prinii vor fi AA i aa, cu gameii A i respectiv, a. Hibridul va fi Aa, cu gameii A i a.

- n cazul dihibridrii, prinii AABB i aabb vor avea gamei de tipul AB i ab, hibridul fiind AaBb. De data aceasta ns, avnd n vedere legea segregrii independente a caracterelor, gameii vor fi AB, ab, Ab i aB (deci, 2n=22=4 tipuri de gamei).

2.3. Universalitatea legitilor descoperite de MendelEvident, se pune problema dac legitile sesizate i formulate de Mendel sunt universale, adic dac sunt aplicabile totalitii speciilor existente. n consecin, cercetri similare celor efectuate de Mendel au vizat i alte specii, inclusiv omul. Un exemplu n acest sens l constituie ncrucirile dintre cobai de culoare diferit: tipul slbatic, de culoare gri i tipul albinos (aprut prin mutaie). n hibridarea dintre o femel de tip albinos (cu blana de culoare alb), cu un mascul slbatic (cu blana de culoare gri), indivizii din generaia F 1 (puii din prima generaie) aveau n totalitate blana de culoare gri. Indivizii din F 1, ncruciai ntre ei, au dat generaia F2, n care s-a produs segregarea celor dou fenotipuri n raportul de 3 gri: 1 alb, adic 3: 1. n F1 s-a manifestat dominana fenotipului unui printe (i recesivitatea celuilalt), fenotipizarea genei estompnd fenotipizarea alelei. n consecin hibrizii erau uniformi (sub aspect fenotipic). n F2 s-a produs segregarea, fenotipic, n raportul de 3 dominant la unu recesiv Evident, ca i la mazre, fenomenul a fost explicat pe baza legii puritii gameilor. Fr a intra n alte detalii care converg spre aceeai interpretare, n concluzie, se impune precizarea: legile descoperite de Mendel au caracter de universalitate, fiind aplicabile i, deci, valabile pentru plante i animale, inclusiv pentru om.

2.4. Abateri de la principiul dominanei i recesivitii din F1 i de la raportul de segregare de tip mendelian din F 2Aa cum am precizat i demonstrat n paginile anterioare, pe baza experimentelor de hibridare ntre diferite soiuri ale speciei Pisum sativum L., Mendel a legiferat segregarea caracterelor n descendena hibrizilor de F 1 (perpetuai prin autofecundare sau reproducere de tipul frate x sor, n cazul speciilor alogame) i, n plus, segregarea independent a caracterelor n cazul hibrizilor pentru mai mult dect un caracter. Ulterior, prin experimente i observaii efectuate n hibridri la alte specii de plante sau animale, s-a ajuns la concluzia c exist abateri de la principiul dominanei i recesivitii fenotipurilor parentale n F1 i de la raportul de segregare din F 2 sau, altfel spus, c exist alte tipuri de segregare (fa de tipul mendelian). Este evident c abaterile de la tipul mendelian de segregare se datoreaz manifestrii altor tipuri i raporturi de dominan/recesivitate. n mod normal, determinismul profund al unui caracter se datoreaz activitii unei gene. Dar, sub impactul factorilor de mediu, o gen se poate transforma ntr-o alel (prin mutaie). De obicei, genele domin asupra alelelor, n sensul c la heterozigoi se manifest fenotipul datorat genei, i numai la homozigoii recesivi, la haploizi i n cazul hemizigoiei se manifest fenotipul determinat de alela recesiv. Abaterile de la aceste reguli induc modificri ale fenomenului dominan/recesivitate i schimbri n raporturile de segregare.

2.4.1. Dominana incomplet (semidominana)Recurgnd la o simbolistic general i unificatoare, putem nota o gen oarecare cu A i alela ei, rezultat prin mutaie, cu a. n cazul hibridrii AA x aa va rezulta individul Aa, heterozigot. Aa cum precizam, de obicei A domin pe a, fenotipul heterozigotului Aa fiind identic celui al homozigotului AA. Sunt ns i cazuri n care AA Aa. Un exemplu, devenit clasic de acum, este cel al hibrizilor dintre varieti de Mirabilis jalapa, observat n experimentele efectuate de C. Correns (n 1912). ncrucind varietatea cu floare de culoare roie, cu varietatea avnd flori de culoare alb, n F1 s-au obinut indivizi uniformi dar toi cu flori roz. ncrucind aceti indivizi ntre ei, n F2 s-au obinut indivizi cu flori roii (25%), cu flori roz (50%) i cu flori albe (25%) (deci un raport de segregare de 1:2:1, heterozigoii fiind fenotipic diferii de ambii homozigoi). n F 3 indivizii

din F2 care aveau flori roii, interncruciai, au dat doar descendeni cu flori roii, cei cu flori albe, doar descendeni cu flori albe, iar descendena celor cu florile roz a segregat n continuare, n raportul de 1:2:1.RxA rxr R + r + A 25% 50% 25% R = rou r = roz A = alb

n acest caz (al motenirii culorii florii), absena dominanei este explicat prin mecanismele metabolice ale formrii pigmentului rou. Pigmentul se formeaz printr-o succesiune de reacii enzimatice. Gena, notat cu I n cazul de fa (de la ivory = ivoriu, alb), determin producerea pigmentului rou, iar alela i determin absena pigmentului (nu determin producerea lui). n heterozigotul Ii se asigur o concentraie redus a enzimei ce determin sinteza pigmentului. La o concentraie redus a enzimei (probabil 1/2 din concentraia normal ntlnit la homozigotul II), sinteza pigmentului este, de asemenea, redus n timpul dezvoltrii florii, deoarece pigmentul este produs n cantiti fixe i limitate per gena I.Prinii II x ii Gameii I x i F1 Ii Gameii I i i F2 II + Ii + ii 25%+50%+25%

Un asemenea efect nu apare ns n toate sistemele, deoarece 1/2 din cantitatea de enzim este suficient pentru a asigura sinteza unei cantiti adecvate de pigment, determinnd manifestarea fenotipului dominant, n cazul heterozigoilor. Exemple de manifestare a semidominanei pot fi date pentru multe alte specii de plante sau animale. De pild, n ncruciri ntre soiuri de Zea mays cu bob albastru i cu bob galben, n F 1 rezult indivizi cu bob violaceu. n F 2 segregarea este de 1 albastru: 2 violet: 1 galben. n literatura de specialitate, pentru segregarea de acest fel se folosete expresia "segregare de tip Zea" (1:2:1), tocmai spre a o deosebi de segregarea tipic (tip Pisum, 3:1). n lumea animal, un exemplu bine cunoscut de semidominan este cel referitor la rezultatul hibridrii ntre o ras de gini cu penajul negru i o ras cu penajul alb, hibridare n urma creia rezult tipul Andaluzia, cu penajul de culoare albstruie. n F 2, din ncruciarea ntre indivizi ai tipului Andaluzia, iau natere indivizi cu penaj negru (25%), indivizi tip Andaluzia (50%) i indivizi cu penaj alb (25%). Evident, tipul Andaluzia nefiind constant, nu se poate vorbi de rasa Andaluzia (rasele la animale i soiurile la plante trebuie s fie stabile ereditar).

2.4.2. CodominanaCodominana reprezint un fenomen genetic complex datorat n esen, polialeliei. Cel mai elocvent exemplu este furnizat de situaia grupelor sanguine umane, mai ales cele din sistemele ABO i MN. n codominan se constat un comportament difereniat al alelelor, n sensul c unele dintre ele se afl n raport de dominan i recesivitate, n timp ce altele sunt codominante, n sensul c au "trie" egal i contribuie n mod egal la fenotipizarea unui nou caracter. n 1900, K. Landsteiner a remarcat c prin amestecul globulelor roii prelevate de la o persoan cu serul sanguin prelevat de la o alt persoan, se produc dou fenomene diferite - n unele cazuri, amestecul nu are repercusiuni, iar n altele se soldeaz cu aglutinarea globulelor roii. Prin aprofundarea cercetrilor s-a constatat c n serul sanguin uman exist dou tipuri de anticorpi (notai cu anti A i anti B, sau i ) i dou tipuri de antigeni (notai cu A i B) pe

globulele roii. Pe criteriul prezenei sau lipsei celor dou categorii de molecule s-a ajuns la concluzia c oamenii aparin la patru grupe sanguine, notate cu A, B, AB i 0 (zero). De fapt alelele determinante ale grupelor sanguine, notate n unele nomenclaturi cu IA, IB i I0, n altele cu LA, LB i l (n onoarea lui Landsteiner), determin sau nu sinteza unor mucopolizaharide (protein identic + grup terminal de zahr, care difer) localizate pe suprafaa globulelor roii. Alela IA determin sinteza polizaharidului A, alela IB determin sinteza polizaharidului B, iar alela I0 recesiv nu determin sinteza nici unui polizaharid. n consecin, indivizii IAIA i IAI0 produc antigenul A, indivizii IBIB i IBI0 produc antigenul B, n timp ce indivizii I0I0 nu produc antigeni (globulele lor roii sunt fr polizaharide). Interesant este faptul c descendena cuplului IAIA x IBIB (care va fi IAIB) produce ambele tipuri de polizaharide, adic ambii antigeni (A i B). Acesta este tocmai fenomenul de codominan, adic alelele IA i IB sunt dominante (fiecare) asupra alelei I0, dar sunt codominante una fa de cealalt, adic ambele contribuie n mod egal i plenar la determinarea unui nou fenotip (AB, n cazul de fa). n consecin, grupele de snge din sistemul AB0 pot fi redate schematic, ca n tabelul de mai jos. Cunoaterea grupei sanguine a unui individ este extrem de important, din dou considerente - medical i juridic. Sub aspect medical, cunoaterea grupelor sanguine este obligatorie n cazul transfuziilor. n situaia n care antigenul A vine n contact cu anticorpul (adic, globulele roii de la un individ din grupa A cu serul sanguin al unui individ din grupa B), anticorpul (proteina) se leag la antigen (polizaharid) i l inactiveaz. Concomitent, se produce agregarea (aglutinarea) globulelor roii. n consecin, transfuziile de snge pot fi efectuate doar n sensul redat n schema care urmeaz.Antigen (polizaharid de pe globulele roii) A B A+B Anticorp (proteina din serul sanguin) Anti B () Anti A () anti A()+anti B()

Fenotip A B AB 0

Genotip IAIA i IAI0 sau LALA i LAl B B I I i IBI0 sau LBLB i LBl A B I I sau LALB I I sau ll0 0

00 / \ AA BB \ / AB AB

Grupa 0 este donator universal, iar grupa AB este primitor universal. Grupa A poate dona grupei A i AB i poate primi de la A i 0. Grupa B poate primi de la B i 0 i poate dona grupei B i AB. Fiind genic determinate, evident, grupele sanguine sunt ereditare. Cele trei alele LA, LB i l ocup acelai locus pe cromosomii omologi. Alela LA prezint mai multe mutaii, dou dintre ele fiind mai frecvente - LA1 i LA2, ntre ele fiind un raport de dominan (LA1 domin pe LA2). n consecin, fenotipic, grupele sanguine din sistemul AB0 sunt A1, A2, B, A1B, A2B i 0, conform tabelului:Fenotip A1 A2 B A1B A2B 0 Genotip L L ,L L ,L l L L ,L l L L ,L l A1 B L L LA2LB LlB B B A2 A2 A2 A1 A1 A1 A2 A1

Fr ndoial, innd cont de raportul de dominan, codominan i recesivitate dintre alelele precizate, este simplu s se prevad grupele de snge posibile ale descendenilor. n cazul n care se cunosc grupele sanguine ale prinilor (i invers), se pot stabili relaiile de paternitate i filiaie, cu repercusiuni pentru demersuri medico-legale i juridice. De pild, doi prini cu fenotipul

0 nu vor putea da natere dect la copii cu acelai fenotip (ll x ll = ll). Doi prini din grupa B, dac vor fi heterozigoi, vor putea da natere la copii din grupele B sau 0 (LBl x LBl = LBLB, LBl i ll) etc.

2.4.3. SupradominanaReprezint fenomenul datorit cruia heterozigoii depesc ambii prini n fenotipizarea unor caractere (mai ales cantitative, cum ar fi habitusul, productivitatea etc., inclusiv viabilitatea), ca o component a capacitii de a da rspunsuri adecvate la presiunea seleciei. Schematic, supradominana poate fi redat astfel:AA < Aa > aa

Se apreciaz c n supradominan sunt implicate mai multe gene cu caliti aditive. n mod frecvent, supradominana reprezint rezultanta interaciunii a dou alele, rezultant ce face ca heterozigoii s se situeze n afara amplitudinii de variabilitate a fiecruia dintre cei doi homozigoi. Selecia favoriznd heterozigoii, asigur frecvena constant a unei gene. ntr-o populaie care nu este consangvinizat, cel mult 50% dintre indivizi pot fi heterozigoi pentru un anumit locus. Numai atunci cnd exist supradominan pentru un anumit caracter (pentru o anumit pereche genalel), consangvinizarea i ncruciarea pot realiza ceea ce selecia fr consangvinzare nu poate. n condiii normale de dominan i recesivitate, cel mai bun genotip este homozigotul dominant, toi indivizii unei populaii putnd fi adui, prin selecie, n stare homozigot.

2.4.4. Gene letaleO alt cauz a modificrii raportului mendelian de segregare n descendena hibrizilor din F1 o constituie prezena genelor letale. Noiunea de gen letal a fost introdus de L. Cunot (1911). El a observat c ncrucind oareci de culoare galben, ntotdeauna n descenden rezult un amestec de indivizi de culoare galben i de alt culoare, n raport de 2: 1. Rezultatele au impus dou concluzii. n primul rnd, faptul c descendena segreg nseamn c oarecii galbeni sunt heterozigoi. n al doilea rnd, segregarea fiind continuu n raport de 2: 1 i descendena indivizilor de culoare galben segregnd mereu, nseamn c o parte dintre descendenii indivizilor de culoare galben i anume cei homozigoi (a cror descenden ar trebui s nu segrege), nu iau natere. Prin urmare, gena dominant n stare homozigot este letal. Aceasta a fost presupunerea lui Cunot. Sacrificarea femelelor gestante a confirmat aceast presupunere, deoarece s-au identificat embrioni mori care corespundeau ca numr procentului indivizilor necesari pentru asigurarea raportului de segregare de 3 : 1. Dac notm gena pentru culoarea normal a blnii cu a i mutanta care determin apariia culorii galbene cu Ay (Y de la cuvntul englezesc yellow = galben), situaia se va prezenta astfel: - indivizii galbeni heterozigoi au genotipul Aya. Prin ncruciarea lor rezult: Aya x Aya = AyAy (25%) + 2Aya (50%) + aa (25%) nseamn c, n mod continuu, indivizii AyAy mor n stare embrionar.

2.4.5. Interaciunea genelor (epistazia)Este un alt fenomen care determin modificarea raportului de segregare i chiar apariia de noi fenotipuri n descendena hibrizilor din F 1. Interaciunea genelor a fost constatat la ncruciarea dintre dou rase de gini, ambele albe: Leghorn i Wyandotte. Prin experimente i observaii multiple s-a demonstrat c la rasa Leghorn culoarea alb este dominant, n timp ce la rasa Wyandotte este recesiv. n consecin, dac rasa Leghorn este ncruciat cu o ras de culoare nchis, F 1 va fi de culoare alb. Dac se ncrucieaz indivizi ai rasei Wyandotte cu indivizii unei rase colorate, indivizii din F 1 vor fi, n totalitate, colorai. Prin urmare, la cele dou rase, Leghorn i Wyandotte, culoarea alb a penajului este determinat de gene diferite, nealele (Fig.1).

Se consider c Leghorn la origine avea penajul colorat (CC; C = simbolul pentru gena determinant a culorii, de la cuvntul englezesc colour = culoare). Exprimarea genelor determinante ale culorii este blocat ns de alt gen inhibitoare (II; I = simbolul pentru respectiva gen, de la cuvntul englezesc inhibitory = inhibitor). Deci, genotipic, rasa Leghorn este CCII. Rasa Wyandotte de culoare alb (ca i rasele White, Plymonth etc.) dar recesiv, are genotipul ccii. Prin ncruciarea dintre cele dou rase CCII x ccii, rezult hibrizii din F1, de culoare alb, cu genotipul CcIi. Acetia formeaz gameii CI, cI, Ci, ci i prin ncruciare dau hibrizii din F2, conform tabelului.Gameii CI Ci cI ci CI CCII Alb CCIi Alb CcII Alb CcIi Alb Ci CCIi Alb CCii Colorat CcIi Alb Ccii Colorat cI CcII Alb CcIi Alb ccII Alb ccIi Alb ci CcIi Alb Ccii Colorat ccIi Alb ccii Alb

Prin urmare, raportul de apariie a indivizilor cu penaj colorat este de 3/16. Genotipul lor conine gena inhibitoare n stare recesiv homozigot, iar gena pentru culoare, n stare dominant, homozigot sau heterozigot. Fenomenul se numete epistazie, iar gena inhibitoare, a crei aciune mpiedic manifestarea aciunii genei pentru culoare, se numete epistatic. Gena inhibat se numete hipostatic. Un alt fenomen interesant de interaciune genic, n care nu se modific raportul mendelian de segregare i care determin apariia de noi fenotipuri, a fost constatat tot la gini de ctre W. Bateson i R.C. Punnett. Cei doi au efectuat ncruciri ntre gini caracterizate prin forme specifice ale crestei: rasa Leghorn cu creasta de form simpl, rasa Brahmas cu creasta de tip mazre i rasa Wyandotte cu creasta de tip trandafir (Fig.2).

Rasa neagr

x

Rasa Leghorn =

F1

Rasa neagr

x

Rasa Wyandotte =

F1

Rasa Leghorn

x Rasa Wyandotte =

F1

+F2Fig. 1. Rezultatele ncrucirilor dintre o ras cu penaj de culoare neagr i rasele Leghorn i Wyandotte, precum i ale ncrucirii dintre Leghorn i Wyandotte

Forma crestei este ereditar, fiind determinat de dou gene nealele, notate cu R i P. Forma crestei rasei Leghorn este recesiv. Prin urmare, genotipic rasa Leghorn se noteaz rrpp. Rasa Brahmas domin rasa Leghorn, avnd genotipul rrPP. La fel i rasa Wyandotte domin asupra rasei Leghorn, avnd genotipul RRpp. Prin urmare, dominana celor dou rase asupra rasei Leghorn este datorat altor gene. La aceast concluzie s-a ajuns deoarece, dac se ncrucieaz cele dou rase dominante ntre ele, rezult hibrizii de F 1 cu un nou tip de creast, tipul nuc, cu genotipul RrPp. n F2 segregarea se produce n raportul:9/16 indivizi cu creasta n form de nuc; 3/16 indivizi cu creasta n form de trandafir; 3/16 indivizi cu creasta n form de mazre; 1/16 indivizi cu creasta de form simpl.

Tipul simplu

Tipul trandafir

Tipul nuc

Tipul mazre

Fig. 2. Tipuri de creast

Astfel, ca o concluzie final, din interaciunea ntre cele dou gene n stare dominant apare un nou tip de creast (tipul nuc), inexistent la genitori. Din interaciunea ntre alelele celor dou gene, recesive, apare creasta de tip simplu, tot inexistent la genitori.

2.4.6. Polialelia sau alelia multiplFr a intra n profunzimea problemei, amnuntele urmnd a fi analizate n capitolul de genetic molecular, precizm c gena, care este responsabil de determinarea unui caracter, ocup o poziie bine definit pe un cromosom (ocup un locus). Orice gen, pe parcursul existenei ei, a putut suferi una sau mai multe mutaii. n consecin, pentru o gen au putut aprea una sau mai multe alele (n limba greac, alelon = altul). Rezult deci, cu claritate, c o alel sau o serie de alele ale unei gene sunt implicate n determinismul aceluiai caracter (evident, asigurndu-i fenotipizri diferite) i ocup acelai locus n cromosomul omolog (adic poziia din cromosomul n care se gsete gena). Evident, din acest punct de vedere, o gen poate avea o alel sau mai multe (A poate avea alelele a1,a2,..,an), dar un individ nu poate avea dect una dintre strile posibile (AA, Aa sau aa, sau alte combinaii care s desemneze statutul de homozigot recesiv sau heterozigot). ntr-o populaie ns, genotipic i, bineneles, fenotipic, poate exista o multitudine de indivizi, cu o multitudine de combinaii, att ntre gena slbatic i alelele ei, ct i ntre alele.

Concomitent deci, exist o multitudine de izoalele sau alele izomorfe, a cror activitate determin diferene fenotipice minore, aproape insesizabile prin metode normale. Un exemplu n acest sens l furnizeaz variabilitatea culorii ochilor la Drosophila melanogaster. n unele cazuri, nuanele culorii ochilor nu pot fi determinate dect prin analiza spectrofotometric a cantitii de pigment. Prin urmare, relund i analiznd n detaliu problema, rezult c ntr-o populaie, pentru o anumit gen, pot exista mai multe alele. Aa cum am precizat, acestea provin prin mutaii succesive, fie ale genei normale, fie ale uneia sau unora dintre alele. ntruct notaia alelelor poate duce la confuzii, este bine s redm cteva dintre modalitile de desemnare (notare) a lor. La modul general, gena slbatic se noteaz cu A, iar alelele cu a1, a2, a3...an. Dar gena normal (slbatic) se mai poate nota i cu prima, primele sau un grup de litere din denumirea n englez a primei mutante (care a fost descoperit i descris) pentru caracterul respectiv, nsoit de indicele +, alelele fiind notate cu aceleai indicative, dar fr indicele +. O alt notaie prevede folosirea unei singure abrevieri, rezultat de la denumirea primei mutante, cu indicele + pentru gena slbatic i a aceleiai abrevieri, avnd mereu alt indice format din literele ce desemneaz mutantele decelate ulterior, pentru restul alelelor. S exemplificm. Culoarea normal a ochiului la Drosophila melanogaster este roie. Mutanta cu ochi albi se noteaz cu w (de la cuvntul englezesc white = alb). Gena slbatic, n acest caz, se noteaz cu w+. Alelele mutante, altele dect white, se noteaz cu we (eosin), wa (apricot), wch (cherry), wco (corai). Prin urmare, culoarea ochilor la drosofila cuprinde o gam larg de mutante ntre alb i rou. Fiecare nuan se datoreaz unei alele, fapt pentru care se consider c, la aceast musculi, exist un sistem polialelic, o serie alelomorf. n aceast serie alelomorf fenotipul slbatic este dominant, toate fenotipurile mutante fiind recesive. i ntre alelele mutante exist raporturi de dominan i recesivitate. Ordinea dominanei este determinat de intensitatea culorii ochilor, pe care o confer o alel. Prin urmare, alela w, care determin culoarea alb a ochilor (deci, lipsa complet a pigmentului) este recesiv, n raport cu toate celelalte alele. Demn de remarcat este faptul c numrul mutantelor depistate a crescut, concomitent cu punerea la punct a unor metode de laborator pentru determinarea exact a coninutului de pigment i, mai ales, faptul c exist mai multe fenotipuri normale (slbatic tip Steillenbusch w+sw+s, slbatic tip Couton, w+cw+c, slbatic tip Graaf-Reinet, w+Gw+G etc.). Valoarea coninutului n pigmeni, spectrofotometric determinat, la ochii mutantelor, variaz ntre 0,0044 i 0,1636, iar la ochii indivizilor normali ntre 0,6854 i 1,2548. Iat de ce heterozigoii prezint cantiti intermediare de pigmeni i se poate aprecia c, de fapt, exist un fenomen de dominan incomplet i nu de dominan/recesivitate de tip mendelian. ntruct cantitatea de pigment este variabil, inducnd o variabilitate chiar n cadrul tipului normal, n funcie de gena concret pe care o deine individul, alelele pentru fenotipul normal s-au numit izoalele normale, iar alelele pentru fenotipurile mutante s-au denumit izoalele mutante. n final, referitor la polialelie putem sublinia cteva particulariti, i anume: - polialelele ocup acelai locus n cadrul unui cromosom (grup de linkage); - polialelele fiind, de fapt, mutante ale unei singure gene, afecteaz ntotdeauna acelai caracter. n ncruciare ntotdeauna domin gena slbatic. Concomitent, unele alele sunt dominante fa de altele. De aceea, cnd se ncrucieaz doi indivizi alelici, n F 1 nu apare tipul slbatic, ci domin unul dintre genitori. Sunt i situaii n care una dintre alele domin asupra tipului slbatic. Este cazul animalelor agouti i al unor culori sau forme de ochi la Drosophila melanogaster. Evident, fiind plasate n acelai locus, ntre polialele nu poate avea loc fenomenul de crossing-over.

2.4.7. Poligenia sau polimeriaVizeaz mai ales expresia fenotipic a caracterelor cantitative (nlime, greutate, producie de fructe sau semine, producie de alcaloizi, vitamine, uleiuri etc.). nc din secolul XVIII, prin experimentele sale de hibridare, J. Klreuter a constatat c hibrizii din F 1 rezultai din ncruciarea ntre Nicotiana tabacum pitic i Nicotiana tabacum nalt, aveau nlimea intermediar. n F 2

aprea o segregare gradual, n sensul c se identific o adevrat scar a indivizilor, de la cel pitic, pn la cel nalt. Cercetrile efectuate de suedezul H. Nilson Ehle pe gru i americanul E. M. East pe porumb, ntre anii 1910-1913, au permis descoperirea fenomenului poligeniei. n urma acestor cercetri s-a conchis c determinismul caracterelor cantitative este poligenic, n sensul c ele sunt determinate de mai multe gene nealele. Segregarea genelor nealele este independent (ca i caracterele independente), doar efectul lor fiind cumulativ. Un exemplu tipic de efect cumulativ ni-l furnizeaz manifestarea culorii pielii la om. Culoarea pielii n cazul omului este determinat de coninutul de melanin, care variaz ntre 0 11% pentru rasa alb, 12 - 25% la mulatrii deschii, 25 - 40% la mulatrii adevrai, 41 - 55% la mulatrii de culoare nchis, 56 - 78% la rasa negroid. Prin cstoria ntre un individ din rasa alb (europoid) i unul din rasa neagr (african), n F1 rezult indivizi de tip mulatru (relativ uniformitate). Prin cstoria ntre mulatri, n F 2 se obine o segregare de 1 alb: 4 mulatri deschis: 6 mulatri propriu-zis: 4 mulatri nchis: 1 negru. Pentru a explica acest raport, C.B. Davenport, care a studiat problema (mai ales, n Jamaica i insulele Bermude), a considerat c n apariia culorii pielii sunt implicate dou perechi de gene cu alelele lor - P1p1 i P2p2. Negrii au genotipul P1P1P2P2, iar albii p1p1p2p2. Din cstoria alb x negru, rezult:P1P1P2P2 x p1p1p2p2 F1 P1p1P2p2

Cstoria ntre mulatri induce apariia a mai multe tipuri de indivizi n F2, i anume:Gameii P1P2 P1p2 p1P2 p1p2 P1P2 P1P1P2P2 Negru P1P1P2p2 Mulatru nchis P1p1P2P2 Mulatru nchis P1p1P2p2 Mulatru P1p2 P1P1P2p2 Mulatru nchis P1P1p2p2 Mulatru P1p1P2p2 Mulatru P1p1p2p2 Mulatru deschis p1P2 P1p1P2P2 Mulatru nchis P1p1P2p2 Mulatru p1p1P2P2 Mulatru p1p1P2p2 Mulatru deschis p1p2 P1p1P2p2 Mulatru P1p1p2p2 Mulatru deschis p1p1P2p2 Mulatru deschis p1p1p2p2 Alb

Dac se face un back-cross ntre un alb p1p1p2p2 i un mulatru P1p1P2p2, descendenii vor fi: 25% P1p1P2p2; 25% p1p1p2p2 i 50% mulatri, intermediari ntre prini (adic P1p1p2p2 i p1p1P2p2). Retroncruciarea unui negru P1P1P2P2 cu un mulatru P1p1P2p2 induce apariia a 25% negri, 50% mulatri nchii, intermediari ntre cei doi prini i 25% mulatri. Davenport a conchis c acumularea cantitativ a pigmentului n piele este determinat de efectul cumulat al genelor P1 i P2 i al alelelor. Astfel, negrii au genele n stare homozigot, mulatrii nchii au o gen homozigot i celelalte n stare heterozigot (P1p1P2P2, P1P1p2P2), mulatrii propriu-zii sunt heterozigoi pentru ambele gene sau homozigoi pentru ambele, dar una n stare dominant i cealalt n stare recesiv (P1p1P2p2; P1P1p2p2; p1p1P2P2), mulatrii deschii au o singur gen dominant n stare heterozigot (P1p1p2p2 sau p1p1p2P2). Ulterior, au fost elaborate i alte ipoteze n care s-a presupus existena a mai mult de 2 perechi de gene - ntre 3 (R.R.Gotes, 1953) i 20 (C. Stern, 1960). INTREBARI DE VERIFICARE 1. Definiti termenii: hibridare, caracter, factor ereditar 2. Enuntati legile mendeliene ale ereditatii 3. Intocmiti schema monohibridarii 4. Intocmiti schema dihibridarii 5. Care sunt cauzele aparitiei si a altor raporturi de segregare decat cele precizate de catre Mendel 6. Ce reprezinta semidominanta si supradominanta

7. Care este importanta grupelor de sange la om si care este determinismul lor genetic 8. Cum se defineste fenomenul de poligenie 9. Ce reprezinta epistazia 9. Intocmiti schema unei hibridari intre doua persoane apartinand tipului mulatru propriu-zis TEME PENTRU EXAMINAREA FINALA 1. Dobandirea si operarea corecta a notiunilor fundamentale de genetica 2. Intelegerea legitatilor mendeliene si prezentarea schemelor de hibridare in mono- si dihibridare 3. Argumentarea caracterului universal al legilor mendeliene 4. Caracterizarea fenomenelor care produc abateri de la legitatile mendeliene de transmitere a caracterelor

Unitatea de invatare 2 3. Structura si functiile suportului material al ereditatii, variabilitatii si determinismului caracterelor3.1. Cromosomii seiful informaiei ereditare3.5.1. Materialul genetic al virusurilor, viroizilor si plasmidelor Primele forme de via aprute pe Terra erau, probabil, de tip acelular fiind reprezentate de macromolecule de ARN si apoi de ADN i aveau capacitatea de autoreplicare, autoreglare i autodezvoltare. Apariia primelor gene, alctuitela nceput din ARN i apoi din ADN, a insemnat trecerea de la evoluia chimic la cea biologic. Desigur c primele forme de via cuprindeau in programul lor genetic un numr foarte redus de gene. n care era codificat informaia necesar realizrii structurilor i funciilor caracteristice acestor organisme primitive. Apariia codului genetic, prin care informaia ereditar stocat n macromoleculele de acizi nucleici putea fi decodificat i transformat intr-o secven de aminoacizi, a fcut posibil asamblarea nucleoproteinelor, mai stabile i cu o capacitate de evoluie mai rapid. Studiul organismelor procariote acelulare actuale, cum sunt virusurile, viroizii i plasmidele a facut posibil cunoaterea mai aprofundat a proceselor care au dus la apariia vieii, deoarece ele sunt extrem de simple ca organizare structural si ca funcii, fiind oarecum similare cu protobionii aprui in negura timpurilor. Materialul genetic al virusurilor este reprezentat de un singur molecul de acid nucleic n care sunt dispuse, in ordine liniar, un numr variabil de gene. Virusurile cu genom ADN, numite si dezoxiribovirusuri, prezint apte tipuri principale de structur i anume: cu genom ADN mono-catenar. liniar, ntlnit la Parvovirus, fagul M13; cu genom ADN mono-catenar circular, ca la fagul X174, la fagul filamentos fd i la unele virusuri ale plantelor; cu genom ADN dublu-catenar liniar repetitiv (redundant), datorit secvenelor terminale repetate, identic situate la fiecare extremitate a moleculei; ca la fagul T7; cu genom ADN dublu-catenar liniar repetitiv (redundant) terminal (ca la Adenovirusuri), fapt care-i confer proprietatea ca dup denaturare, moleculele monocatenare s se poat circulariza prin unirea extremitilor repetate invers; cu genom ADN dublu-catenar liniar redundant terminal, permutat circular, caracteristic fagilor din seria T - pari, care au la fiecare extremitate secvene terminale provenite ins din regiuni diferite ale genomului. Genomul liniar al fagilor T - pari se poate circulariza in vivo datorit structurii extremitilor, care au o secven terminal repetat; cu genom ADN dublu-catenar liniar, cu extremiti monocatenare complementare (adezive), caracteristic fagului . n particula fagic ADN-ul rmne totdeauna liniar, dar in interiorul bacteriei gazd (Escherichia coli) cele dou extremiti adezive complementare

se leag i formeaz o molecul circular de ADN dublu-catenar, care prezint cte o singur bre pe fiecare caten; cu genom ADN dublu-catenar circular inchis covalent, prezentnd aproximativ 20 de rsuciri superhelicale suplimentare sau rsuciri teriare, care dau natere unei molecule suprarsucite. Acest cromosom care nu are nici o extremitate liber, deoarece toate legturile dintre nucleotide sunt covalente, este caracteristic pentru virusurile polioma si SV 40. Virusurile ARN, care au genomul reprezentat de o macromolecul de ARN, sunt numite ribovirusuri i prezint patru tipuri principale de structuri: cu genom ARN mono-catenar liniar, dispus helical, corespunztor structurii proteice a capsidei, ca n cazul virusului mozaicului tutunului (VMT); cu genom ARN mono-catenar intens pliat, care se impacheteaz uor i se intlnete la fagii ARN mici - R17 , MS2, f2; cu genom ARN mono-catenar circular, intlnit la virusul encefalomiocarditei de la oareci; cu genom ARN dublu-catenar divizat, format dintr-un anumit numr de segmente, ca la Reovirus (10 segmente) sau Myxovirus (8 segmente). Cromosomul viral, constituit din ADN sau ARN, conine toat informaia ereditar necesar pentru formarea particulei virale. Dar, informaia ereditar a virusurilor devine activ numai atunci cnd ADN-ul sau ARN-ul lor se afl in sistemul celulei gazd. Cnd se afl n particula viral, toate genele cantonate pe cromosom tac, sunt nefuncionale, inactive. i in spermatozoizii animalelor, genele sunt inactive. i n diferite esuturi vegetale sau animale, unele gene tac (sunt inactive), n timp ce altele funcioneaza intens. Infeciozitatea acizilor nucleici virali a fost demonstrat, pentru ADN-ul fagic, de ctre Hershey si Chase in 1952 i, ulterior, pentru ARN-ul VMT de ctre Gierer i Schramm, n 1956. In cazul virusurilor animale sunt infectioi toi acizii nucleici care sunt transmii n ARNm de ARN polimerazele celulei gazd sau care acioneaz ei inii ca ARNm (ca de ex. Picorna-, Toga-, Papova-, Adeno si Herpesvirus). Acizii nucleici virali care sunt transcrii in ARNm de polimeraze codificate de virus (de exemplu ARN provenii de la Myxo-, Rhabdovirus si ADN dublu-catenar de la Reovirus, nu sunt infecioi). Acizii nucleici virali izolai au o infeciozitate de 10 3 - 106 ori mai mic dect aceea a virusurilor din care sunt extrai, datorit degradrii lor rapide de ctre nucleazele prezente n lichidele extracelulare, ca i n membranele celulare, precum i datorit faptului c sunt slab fixai de celule (n absorbia i fixarea virusurilor pe celule un rol important l are capsida). Spectrul de gazde ale acizilor nucleici virali izolai este ns mult mrit n comparaie cu cel al particulei virale mature, la care intervine specificitatea interactiunii dintre capsid i receptorii specifici celulari. Teoretic, acizii nucleici virali, dac nu sunt degradai de nucleaze se pot replica in orice celul n care au ptruns. De exemplu, n timp ce virionii de Poliovirus infecteaz numai celulele umane sau de primate, ARN-ul izolat se replic in celulele de pui de gin sau oarece, care in mod normal nu sunt permisive pentru acest virus. O form acelular de organizare, mai simpl dect virusurile i de dimensiuni incomparabil mai mici, este reprezentat de viroizi. Denumirea lor le arat inrudirea cu virusurile, ei fiind in esen molecule mici de acid nucleic neprotejat de inveli proteic (de capsid) i nici de inveliul exterior ce conine lipide i proteine, asa cum este cazul la unele virusuri. In anul 1971 au fost evideniate, pentru prima dat, nite boli ale plantelor provocate de un tip special de ageni patogeni subvirali, denumii viroizi. Printre aceste maladii ale plantelor pot fi citate: boala stelrii tuberculilor de cartof, cloroza castraveilor, nanismul i ptarea clorotic a crizantemelor, boala cadang-cadang a palmierilor de cocos etc. Primul viroid a fost descoperit de Dienner, din USA, pe baza cercetrilor efectuate la cartof. Viroizii sunt un tip special de ageni patogeni, similari virusurilor, dar cu o organizare mai simpl i de dimensiuni mult mai mici. Viroizii sunt alctuii din molecule mici de ARN. neprotejate de proteine. Viroidul cartofului, care provoac deformarea tuberculilor, are un genom reprezentat printr-o molecul circular de ARN, cu regiuni mono- i dublu- catenare, alcatuit dintr-o secven de 359 de nucleotide. A fost pentru prima dat cnd s-a identificat o astfel de structur circular, format din ARN monocatenar.

S-a constatat c viroizii sunt localizai n nucleul celulelor, unde se replic cu ajutorul unei enzime de tipul replicazelor din celula-gazd. La plante s-au identificat secvene de nucleotide din ADN-ul nuclear complementare cu ARN-ul viroizilor, dar se pare c replicaia viroizilor nu se realizeaz prin intermediul ADN. Date experimentale de ultim or arat c n celulele vegetale exist o multitudine de enzime care pot asigura replicarea moleculelor de ARN, folosind ca matri chiar moleculele de ARN ale viroidului. Originea viroizilor nu este prea bine cunoscut. Pornindu-se de la observaia c genele plantelor si animalelor sunt alctuite din regiuni informaionale, denumite exoni si regiuni noninformaionale, denumite introni, care sunt eliminai in procesul de activare a genelor, s-a emis ipoteza c viroizii ar fi introni nedegradai. Caracterul patogen al viroizilor se datoreaz interreaciei lor cu genomul celulei-gazd, probabil prin perturbarea mecanismelor de reglaj genetic al acesteia. Ca urmare, se consider c viroizii sunt la limita inferioar a vieii, fiind sisteme autoreplicative, care posed un program genetic puternic redus. In anul 1952, J. Lederberg, laureat al premiului Nobel, a descoperit plasmidele din celulele bacteriene. Acestea sunt nite minicromosomi de form circular sau linear, alcatuii din ADN bicatenar care se replic independent de cromosomul bacteriei gazd i posed un mic numr de gene. In celula bacterian se gsesc ntre 10 i 200 de copii ale unei anumite plasmide, regula fiind urmtoarea: plasmidele de dimensiuni mici se pot gsi intr-un numr mai mare de copii, iar cele mari intr-un numr mic de copii. Ulterior s-au descoperit plasmide i in celulele eucariote, asociate cu nucleul sau cu organitele celulare (mitocondrii i cloroplaste). Plasmidele sunt mai simple ca organizare dect virusurile, fiind alctuite dintr-o molecul de ADN cu capacitate autoreplicativ. Ele se gsesc la toate speciile de bacterii dar prezena lor nu este obligatorie. Pn n prezent au fost identificate peste 1000 de tipuri , dintre care 269 numai la bacteria Escherichia coli. De regul, ADN-ul plasmidial reprezint 1-3% din cantitatea total de material genetic vbacterian. Plasmidele au un rol foarte important n celula bacterian. Unele dintre ele sunt capabile s determine conjugarea bacteriilor. Astfel plasmidul denumit factor de fertilitate (F), se poate gsi n celula bacterian sub form liber i atunci celula este notat F+, sau poate fi integrat n cromosomul bacterian, celula respectiv fiind notat Hfr (high frequency of recombination), sau poate fi absent, situaie n care celula se noteaz F- . Bacteriile de tip Hfr sunt capabile s realizeze recombinarea genetic, adic transferul unui segment cromosomial de la celula mascul (F +) la cea femel (F-), cu o mare frecven. Exist i plasmide F care au inclus un segment din cromosomul bacterian, fapt pentru care acest tip de factor de fertilitate este considerat recombinat genetic. Plasmida F este reprezentat de o macromolecul de ADN alcatuit din cca. 100.000 perechi de nucleotide. Un alt tip de plasmide bacteriene este constituit de plasmidele pentru rezisten (R). Ele sunt alctuite dintr-o macromolecul circular de ADN, pe care se gsesc gene ce determin rezistena la compuii toxici ai unor metale grele (mercurul, cadmiul, bismutul, antimoniul etc.), rezistena la unele insecticide i la unele produse petroliere etc. Plasmidele R pot trece de la o bacterie la alta, cu ajutorul virusurilor bacteriene, printr-un fenomen denumit transducie. Plasmidele F si R fac parte din grupa plasmidelor conjugative: favorizeaz transferul de material genetic, posednd capacitatea de a induce n celulele bacteriene formarea de structuri necesare conjugrii (pili de sex). Plasmidele Col (factorii colicinogenici) sunt un alt tip de plasmide, care posed gene ce determin sinteza unei clase de proteine ce se numesc colinice sau bacteriocine. Acestea, secretate n mediu, au aciune bactericid asupra altor bacterii, care sunt lipsite de astfel de plasmide. Astfel, bacteria Escherichia coli produce colicine, Bacillus subtilis produce subtilizine, Pseudomonas aeruginosa produce pyocine. Fiecare tip de bacteriocin este codificat intr-un anumit segment de ADN din plasmidul respectiv. Plasmidele sunt cromosomi in miniatur, alctuii din ADN dublu-catenar, circular nchis. Circularitatea este o condiie esenial pentru supravieuirea plasmidei in celula gazd deoarece altfel ADN-ul plasmidial ar fi cu usurin atacat de nucleaze. Plasmidele au cteva proprieti distincte: - dimensiunea mic a moleculei: reprezinta 1-2% din mrimea cromosomului bacterian; - secvena de baze azotate difer de cea a ADN-ului cromosomului bacterian; - prezint proprieti structurale aparte;

- reprezint informaie ereditar accesorie, fr importan vital pentru bacterie; bacteriile pot s piard plasmidele; - reprezint repliconi - structuri capabile de replicare independent dar, in general, corelat i controlat de cromosomul bacterian. ADN-ul plasmidial poate exista sub mai multe forme: a. covalent nchis, circular i superrsucit. Aceast stare faciliteaz izolarea plasmidelor prin centrifugare in gradient de densitate; b. circular deschis; c. ADN multimer. Diferite date experimentale au permis stabilirea hrilor genetice ale plasmidelor, demonstrndu-se existena, n ADN-ul plasmidial, a mai multor categorii de determinani (gene): - gene necesare pentru replicare; - secvene de inserie (poriuni de ADN ce au funcia de a se cupla cu ADN-ul cromosomului bacterian, n cazul n care plasmida se inser n acesta); - gene implicate in corelarea replicrii plasmidei concomitent cu diviziunea celulei i repartizarea plasmidelor n celulele rezultate dup diviziune; - n unele cazuri exist un operon de transfer, reprezentat de un grup de gene pentru sinteza pililor de sex si a antigenelor celulare de recunoatere, obligatoriu prezente n conjugare; - gene structurale ce determin funcii noi, manifestate n fenotipul gazdei: rezisten la antibiotice, rezisten la metale grele (mercur, plumb, cadmiu etc), producerea de bacteriocine, inducerea de tumori la plante, capacitatea de a face fermentaie lactic, capacitatea de a produce anumite antibiotice (cloramfenicol i metilenomicina), etc. In ultima vreme au fost identificate plasmide i n celulele eucariotelor, unele asociate cu nucleul i altele cu mitocondriile i cloroplastele. Prima plasmid asociat cu genomul celular a fost identificat la Saccha-romyces cerevisiae. Aceasta este alcatuit dintr-o secven de 6300 perechi de nucleotide, este de tip circular i se gsete n aproximativ 50-100 copii per celul. Plasmida, cunoscut sub numele 2m ADN, posed 3 gene, din care dou sunt necesare pentru replicarea sa i una este implicat n procesul de recombinare genetic intramolecular, precum i dou secvene inversate de nucleotide, cu ajutorul crora se poate integra n cromosomii celulei gazd. O alt plasmid circular, asociat nucleului celular, a fost identificat la ciuperca Cephalosporium acramonium, i are mrimea de 21 Kb. Un al doilea tip de plasmide, n celula eucariot, este asociat cu mitocondriile i cloroplastele. La ciuperca Podospora anserina a fost identificat o plasmid cu o mrime de 2,4 Kb, care prezint analogie cu genomul mitocondrial. Aceast plasmid se consider c a provenit prin amplificarea unui segment din genomul mitocondrial. La plantele superioare au fost identificate unele plasmide mitocondriale. La Vicia faba indivizii normali conin 5 tipuri de plasmide mitocondriale mici (1-2 Kb.). La liniile androsterile, unul din aceste tipuri de plasmide este absent. Plasmidele din celula eucariot, asociate cu nucleul sau mitocondriile i cloroplastele, sunt componente normale ale genomului celular i sunt foarte variate ca structur i greutate molecular. Ele contribuie la mrirea variabilitaii genotipice i flexibilitii acestor sisteme genetice. Se sper c va fi posibil utilizarea lor ca vectori n programele de ameliorare a plantelor, prin transfer de gene. 3.5.2. Structura cromosomului bacterian Celula bacterian, spre deosebire de celulele organismelor eucariote, nu are un nucleu adevrat ci un nucleu cu o organizare primitiv, fiind lipsit de membran i inclus direct in citoplasm, n partea central a celulei. Acest nucleu nu parcurge procesele de tip mitotic, de aceea el este numit nucleoid sau pur si simplu cromosom bacterian. Genomul bacterian este alctuit din dou categorii de gene: gene eseniale eucromosomale, localizate n cromosomul bacterian si gene accesorii, prezente in plasmide, elemente genetice transpozabile (SI si TN) si n unii fagi (Campbell, 1981) Cromosomul bacterian are form circular i este alctuit dintr-o singur molecula de ADN bicatenar, cu o lungime de 1400 m i un diametru de 2,5 nanometri (nm), corespunznd diametrului moleculei de ADN dublu catenar, o lungime de cca. 1360 m si o mas molecular de

cca. 2,5 0,3x109 Daltoni. La Escherichia coli i la majoritatea celorlalte bacterii, cromosomul este format dintr-o unic molecul de ADN dublu-catenar, circular nchis i superhelical. Respectiva molecul const din aproximativ 4 milioane pb (perechi de baze nucleotidice) care alctuiesc aproximativ 3000 de gene, dispuse liniar pe cromosomul circular, alctuind un singur grup de linkage. Lungimea total a cromosomului bacterian este de cca 1300, in condiiile in care o bacterie are forma cilindric cu un diametru de 1 si o lungime de maximum 3. Este normal ca, n condiiile dimensionale menionate, acest cromosom s fie superrsucit pentru a putea incpea n celul. A.Worcel i E.Burgi, n 1972 i Pettijohn in 1974, au reuit s studieze structura cromosomului la Escherichia coli. S-a demonstrat c el const din 40-50 bucle care i pstreaz structura cu ajutorul ARN. Fiecare bucl este bogat n ARN i poate funciona relativ independent de altele. Cele 40-50 de bucle mari au superrsuciri secundare alctuite din cca. 400 perechi de nucleotide. Meninerea acestor bucle de mrimi diferite, se pare c se face nu numai cu ajutorul ARN, ci i cu ajutorul unor proteine i enzime de tipul endonucleazelor. Aceste enzime sunt capabile s determine rupturi n una dintre catenele ADN-ului, fapt care impiedic (blocheaz) dersucirea buclelor superrsucite. In acest fel structura cromosomial este stabil, iar cromosomul bacterian si pstreaz continuitatea. Enzimele de tipul ribonucleazelor pot hidroliza unele molecule de ARN, fapt care duce la ruperea legturilor dintre dou bucle succesive. Una dintre enzimele care joac un rol esenial n replicarea ADN bacterian i este responsabil de suprarsucirea sa, este aa-numita ADN-giraza. Dac ntr-o cultur de E. coli se adaug, n mediu, coumeromicina, un antibiotic cu rol de inhibitor al funciei ADN-girazei, cromosomul celulei respective i va pierde constituia superhelical. Din motive inc necunoscute, E. coli posed mecanisme de reglaj al gradului de superrsucire a cromosomului. Alturi de ADN-giraz exist i o a II-a enzim implicat n rsucirea cromosomului - topoizomeraza I. Aceast enzim produce relexarea regiunilor superhelicale. Au fost izolate i mutante lipsite de topoizomeraz sau care produc o form inactiv a topoizomerazei. Nucleoidul izolat de la astfel de mutante prezint un grad nalt de superrsucire, cu cca 32% mai mult dect normalul. Paradoxal ns, aceste mutante nu sufer defecte de cretere i, n plus, sufer frecvent mutaii ale genei pentru ADN-giraza, care conduc la producerea unei giraze mai puin eficiente. n consecin cromosomul prezint un grad normal de superspiralizare. n mod normal, bacteriile aflate n faza de repaus, n culturi staionare i vechi, au un singur cromosom, fiind uninucleate. n faza de cretere activ, n culturi tinere meninute pe medii optime, ele apar ca multinucleate, avnd 2-4 cromosomi, care sunt ns identici, deoarece provin prin replicare dintr-un singur cromosom parental. De aceea, indiferent de aspectul morfologic al materialului nuclear, din punct de vedere genetic, bacteriile sunt organisme haploide, cu n cromosomi. Atunci cnd, prin recombinare, o celul bacterian primete un aport de material nuclear exogen, diploidia nu este dect parial i tranzitorie. Aceast stare se numete merozigot. Deci, cromosomul bacterian poart n structura sa toat informaia ereditar necesar pentru existena unei celule, adic poart toate genele (genomul) necesare pentru desfurarea metabolismului i pentru reglarea activitii celulare. Cromosomul bacterian determin i arhitectura celulei care-l conine, ereditatea i capacitatea ei de evoluie. n prezent nu se cunoaste exact mecanismul molecular prin care cromosomul bacterian, mai lung de 100-400 de ori dect lungimea celulei bacteriene, este mpachetat ntr-un volum att de mic, cum este cel al nucleoidului n care se afl. Dac mpachetarea s-ar face la ntmplare, s-ar produce inevitabil ncurcarea moleculei de ADN, o parte din informaia ereditar ar fi prins n zonele mai ascunse i ar deveni inaccesibil pentru transcripie. nc din anul 1966, Maale i Kjeldgaard, bazndu-se pe structura constant limitat la un volum mic din celul, fr s se rspndeasc n citoplasm, a ADN bacterian i pe faptul c informaia genetic este totdeauna accesibil sistemelor de transcripie i translaie, au emis ipoteza meninerii fibrilelor de ADN nvecinate ntr-o structur organizat, prin intermediul poliaminelor, care ar forma legturi tranzitorii cu ADN. Problema modului de mpachetare a cromosomului bacterian este deosebit de important pentru biologia bacterian deoarece este strns corelat cu unele funcii eseniale ale materialului genetic (ca replicarea, transcrierea si recombinarea). Fong (1967) a propus un mecanism de mpachetare prin suprarsucire. Dup ipoteza sa modificrile proprietilor dielectrice ale mediului nuclear afecteaz forele de atracie

intermolecular dintre perechile de baze i, ca urmare, molecula circular dublu elical se rsucete intr-o superelice de gradul I (o dubl helice n care fiecare helice este o dubl helice, provenit din molecula iniial). n felul acesta, molecula circular, s-ar transforma intr-o structur liniar a crei lungime este jumtate din circumferina iniial. Procesul ar continua prin formarea de superhelixuri de gradul 2,3,4, s.a.m.d. O superhelice de gradul 10 ar avea o dimensiune liniar de 210 ori mai mic dect lungimea originar a ADN (respectiv de 1024 ori mai mic), ceea ce corespunde aproximativ dimensiunilor nucleoidului de E.coli. Dup Fong, acest proces ar necesita introducerea a ~ 1000 ture de suprarsucire n ADN, schimbare teoretic posibil, deoarece ar corespunde o tur supraelical, la fiecare 300-400 ture ale ADN originar. Ulterior, Pettijhon i Hecht (1974) au elaborat un model de mpachetare a ADN cromosomial, bazat pe un proces dublu de pliere i formare de superelice, n care structura condensat a ADN ar fi meninut prin aciunea asociat a ARN i a proteinelor din nucleoid. Modelul este susinut de urmtoarele observaii: a. Nucleoidul se deruleaz daca este tratat cu ageni care degradeaz sau denatureaz proteinele, ceea ce arat c acestea sunt eseniale pentru meninerea stabilitii cromosomului izolat in stare compact (Pettijohn 1973, 1979, Drilica si Worcel, 1975); b. In mod similar, tratarea cu RN-az sau suprimarea sintezei ARN prin cultivarea n medii cu rifampicin duc la apariia unor molecule cromosomiale mai mult sau mai puin depliate i aproape lipsite de structuri superelicale detectabile (Hecht i colaboratorii, 1977). Deplierea total are loc cnd fie ARN, fie proteinele nucleoidale sunt complet disociate de ADN; c. Din cercetarile lui Vinograd (1965) este cunoscut faptul c producerea unei incizii monocatenare cu ajutorul ADN-azei, n structura AND, suprim constrngerile rotaionale i, ca urmare, catena sectionat se rotete liber n jurul celei intacte, determinnd suprimarea suprarsucirilor. Ori, n cazul nucleoidului de E. coli incizia monocatenar elimin brusc constrngerile i structura supraelical numai ntr-un segment localizat al ADN, ca i cum anumite restricii ar mpiedica propagarea rotaiei catenei secionate n regiunile adiacente. Aceasta demonstreaz c ADN cromosomial este imprit ntr-o serie de domenii de suprarsucire, fiecare supus unor constrngeri topologice separate. In conformitate cu aceste fapte de observaie, modelul propus de Pettijohn i Hecht (1973) consider c moleculele de ARN n curs de formare se leag de dou situsuri separate de pe molecula de ADN cromosomial, mprind-o intr-o serie de domenii de pliere (folding) i suprarasucire (supercoiling). Un domeniu de suprarsucire este deci reprezentat de o regiune a ADN dublu elicoidal delimitat de cele dou situsuri de legare ale ARN. Datorit lor, producerea unei incizii monocatenare cu DN-aza desface superelicea numai n bucla respectiv, fr a afecta structura superhelical a altor domenii. Degradarea a dou molecule de ARN, aparinnd unor domenii adiacente, cu RN-aza, unete cele dou domenii, fr pierderea structurii lor superelicale. Fiecare molecul de ARN leag ntre ele dou regiuni indeprtate ale dublei elici cromosomiale n aa fel inct o serie de interaciuni de acest gen separ ntregul cromosom ntr-o serie de domenii succesive de-a lungul lui. ARN n curs de sintez este legat de extremitatea 3 a ADN prin intermediul unei molecule de ARN - polimeraz, cellalt situs de legare putnd fi un hibrid ARNADN, o legtur triplu elical sau mediat de o protein specific (Lydersen si Pettejohn, 1977). Numrul de domenii estimat prin tehnica mai exact de producere de incizii monocatenare cu ajutorul radiatiilor gama este de 100 30 per echivalent genomic. Deoarece nucleoizii conin n medie 2,2 echivaleni genomici, Pettijohn si Carlton (1979) apreciau c n medie ar exista ~200 domenii per nucleoid. Ca o consecin a legrii ARN, cromosomul bacterian circular avnd de ~ 350 m, este pliat, formnd un numr de ~ 80 bucle care sufer formarea de superelici rsucite spre stnga, dup modelul Worcel si Burgi (1972). 3.5.3. Cromosomii la eucariote Studiul diviziunii celulare indirecte (Francis, Dudith & Inz, 1997) a evideniat att existena ct i comportamentul cromosomilor. Cromosomii au fost denumii astfel, n 1888, de ctre W. Waldeyer i, apoi, au fost identificai ca purttori (substrat) ai informaiei ereditare. Morfologia cromosomilor este variabil, att n funcie de faza din ciclul diviziunii celulare, ct i n funcie de specia la care aparin indivizii (plante sau animale) analizai. nc o precizare,

extrem de important, este aceea n conformitate cu care cromosomii eucariotelor sunt cu totul altfel structurai n comparaie cu cei ai procariotelor. n interfaz, cromosomii celulelor somatice normale sunt invizibili la microscopul optic, deoarece au o extensie maxim, care le confer un aspect filiform. Sunt alctuii din dou filamente paralele, alipite, numite cromatide. Examinate la microscopul optic, cromatidele etaleaz o structur helicoidal. O rotaie a helixului alctuiete un gir. Girii determin o suprapunere, n spaiu, a spirelor i, ca o consecin, o suprapunere de material cromatic. De aceea, cnd sunt privite dintr-o anumit direcie, cromatidele dau impresia c sunt alctuite dintr-o succesiune de granule, numite cromomere. De aici a pornit o mare confuzie i anume: un timp s-a considerat c cromomerele reprezint o materializare a genelor. n consecin, cromatidele erau considerate ca fiind alctuite din uniti discrete - cromomerele numite (la acea dat) i gene - avnd, deci, o structur discontinu. Probe de ordin electronografic i genetic au dovedit c structura cromatidelor este continu. Cele dou cromatide ce alctuiesc cromosomul se numesc cromatide surori. Ele se unesc ntr-un singur punct al cromosomului, n zona centromerului - formaiune cu diametrul mai mic dect al cromosomului. Din cauza diametrului inferior celui al cromosomului, centromerul realizeaz constricia cromosomial primar. 3.5.3.1. Morfologia cromosomilor eucariotelor Centromerul nu se coloreaz cu colorani bazici. Poziia acestuia n cromosom este variabil, mprind cromosomul n dou brae. n funcie de lungimea real a braelor i, apoi, a raportului dintre ele, se stabilete tipul cromosomului. Dac centromerul este situat exact n centrul cromosomului, delimitnd dou brae perfect egale (raportul dintre brae - r - fiind 1), cromosomul este metacentric (prescurtat se noteaz cu M). Cnd centromerul mparte cromosomul n dou brae inegale, cu r avnd valori cuprinse ntre 1 i 1,7 , cromosomul este median (m), iar cnd r are valori cuprinse ntre 1,7 i 3, cromosomul este submedian (sm). Cnd raportul braelor este cuprins ntre 3 i 7 cromosomul este subtelocentric (st), iar cnd raportul este mai mare dect 7 (r > 7) cromosomul este telocentric (T) (Fig.3). n ceea ce privete poziia terminal a centromerului (adic n ceea ce privete posibilitatea existenei cromosomilor telocentrici) prerile sunt contradictorii. Unii autori afirm c centromerul nu se poate gsi niciodat n poziie terminal, n timp ce ali autori admit aceast posibilitate. Se cunosc, de asemenea, mai multe ipoteze explicative i de modelare a structurii moleculare a cromatidei. Orice ipotez, orice model molecular, trebuie s satisfac urmtoarele cerine: - cromatida s fie format din dou subuniti, care s-i asigure posibilitatea de a se replica semiconservativ, - cromatida s acioneze ca o singur unitate, n schimburile reciproce de material genetic. Cromosomii reprezint un caracter de diagnoz, de delimitare a speciei asemenea oricrui alt caracter de natur morfo-anatomic, fiziologo-biochimic, fenologic sau reproductiv. n acest sens, trebuie precizat c cromosomii fiecrei specii eucariote, de plante sau de animale, au particulariti morfologice i numerice caracteristice speciei. Pe lng constricia primar, determinant a poziiei centromerului, cromosomii au i constricii secundare, cu rol n formarea nucleolului, fapt pentru care au primit i denumirea de organizatori nucleolari. Uneori, cromosomii au la unul din capete o constricie secundar prin care se delimiteaz un segment numit satelit (trabant). Asemenea cromosomi se ntlnesc la speciile Secale cereale (2n=14 - cromosomii perechii a VII-a), i Zea mays (cromosomii perechii a VI-a). Numrul nucleolilor dintr-un nucleu este egal cu numrul cromosomilor cu satelit. Cele dou specii menionate mai sus au, deci, cte doi nucleoli n nucleu. Centromerul are rolul de a fixa cromosomul pe fibra fusului acromatic, n timpul diviziunii celulare. Prin diviziunea sa, care precede diviziunea cromosomului i separarea cromatidelor, n mitoz sau n cea de-a doua diviziune meiotic, se asigur partiia cromosomului n cele dou cromatide surori. n cazurile n care, din diverse motive, cromosomul se rupe, fragmentele fr centromer (numite acentrice) nu se pot reface i se resorb.

Fig. 3. Tipurile de cromosomi. 1 - cromosom M (metacentric); 2 - cromosom m (median); 3 - cromosom sm (submedian); 4 - cromosom st (subterminal = subtelocentric); 5 - cromosom T (telocentric). Prin culoarea gri a coloanei se red zona n care se poate gsi centromerul. Desigur, braul de sus se scurteaz cu poriunea cu care se alungete cel de jos, n aa fel nct raportul dintre ele s se situeze ntre limitele precizate anterior (dup Bra, 1999)

Un fragment acentric se pstreaz doar atunci cnd se ataeaz de un cromosom cu centromer. Sunt ns i cazuri (coccidii, scorpioni, specii de Luzula) n care unii cromosomi, extrem de scuri, ndeplinesc funcii centromerice n totalitate sau pe mare parte din lungimea lor. De fapt aceti cromosomi au centromerul difuz i poart denumirea de cromosomi policentrici. Ei sunt api, ns, de a se fixa pe toat lungimea lor de fibrele fusului acromatic. La capetele cromosomilor exist o zon (o poriune) care le mpiedic unirea. Respectiva poriune poart numele de telomer (telomere). Dincolo de rolul de a mpiedica unirea cromosomilor prin capetele lor, telomerele au i un rol, din ce n ce mai bine definit, n determinismul longevitii organismelor. Fiind zone heterocromatice ale cromosomilor, telomerele au acidul dezoxiribonucleic super condensat (super rsucit). S-a constatat c, la diverse specii, lungimea telomerelor este foarte diferit i c numrul de diviziuni succesive ale unei celule este n relaie de direct proporionalitate cu lungimea telomerelor. Cnd, n succesiunea de diviziuni, telomerul dispare, cromosomul se autolizeaz iar celulele se distrug. Schematic (Fig.4), deci, un cromosom apare astfel: telomer, satelit, constricie secundar, bra scurt, centromer (constricie primar), bra lung, telomer (vezi schema anterioar). Fiecare bra este alctuit din dou cromatide, fiecare cromatid coninnd dou cromoneme. Regiunea cromosomial din vecintatea centromerului poart numele de regiune proximal, iar cea de la capetele braelor poart numele de regiune distal. Aa cum am precizat anterior, cromomerele sunt, de fapt, nite artefacte. n ultimul timp (detaliile vor fi date n paginile urmtoare) este contestat i realitatea cromonemei. Precizam anterior c tipul cromosomilor reprezint un caracter de diagnoz, o caracteristic a speciei. Fr a contrazice aceast afirmaie, se cuvine precizat c tipul (forma) cromosomilor poate varia ntre anumite limite, n funcie de specializarea i starea fiziologic a celulei. Uneori, n cadrul aceluiai individ, se constat i o variabilitate numeric a cromosomilor, tot n corelaie cu structura i funciile anumitor esuturi. De regul, cel mai propice stadiu pentru investigarea numrului i tipului cromosomilor l reprezint metafaza diviziunii mitotice. Puternic spiralizai, ataai de fibrele fusului n zona ecuatorial, n aceast faz cromosomii etaleaz conformaia lor specific, form caracteristic speciei creia i aparine individul (pot avea form de bastona sau forma literelor V, J ,I ,O etc.)

Fig. 4. Reprezentarea schematic a morfologiei i organizriii cromosomului la eucariote (prelucrare dup Tudose, 1992)

3.5.3.2. Mrimea cromosomilor eucariotelor Este o caracteristic de specie, dei poate varia destul de mult n cadrul unei populaii, n cadrul unui individ i chiar n aceeai celul, n funcie de faza de diviziune n care se afl aceasta din urm. Lungimea cromosomilor variaz i n funcie de biotopul pe care-l ocup o populaie n cadrul arealului speciei, fiind influenat de temperatur, anumite substane chimice etc.. n general, mrimea cromosomilor variaz ntre 1 i 50 microni pentru lungime i ntre 0,1 i 2 microni pentru diametru. n principiu se admite c lungimea cromosomilor este direct proporional cu numrul de gene pe care le conin. Realitatea este, ns, mult mai complicat. 3.5.3.3. Numrul cromosomilor la eucariote Este un alt caracter de diagnoz, dei cunoate i el o amplitudine de variabilitate suficient de larg. n lumea vie numrul de cromosomi variaz ntre 2, la Ascaris megalocephala i cteva sute, la Amoeba proteus. Pentru caracterizarea unei specii, sub aspectul numrului de cromosomi, se folosesc simbolurile: x, n, 2n i NF. - 2n reprezint numrul de cromosomi din celulele somatice ale indivizilor oricrei specii eucariote; - prin n se desemneaz numrul haploid de cromosomi, caracteristic celulelor gametice (sexuale) ale indivizilor speciilor eucariote; De regul, n cadrul unui gen, totalitatea speciilor provine dintr-o specie ancestral, prin evoluie divergent. Procesul a implicat, printre altele i modificarea numrului de cromosomi, prin autopoliploidizare, pseudopoliploidizare, aneuploidizare, amfipoliploidizare etc.. Numrul cromosomial de la care s-a plecat, n cazul unei serii poliploide de pild, reprezint numrul cromosomial de baz, notat cu x. La diploidul de origine, numrul de baz coincide cu numrul haploid (x = n). Evident, x rmne acelai pentru triploid, tetraploid etc., n modificndu-se n concordan cu 2n. Spre exemplu, n genul Papaver, secia Oxytona exist speciile Papaver

bracteatum (2n = 14, n = 7, x = 7), Papaver orientale (2n = 28, n = 14, x = 7) i Papaver pseodoorientale (2n = 42, n = 21, x = 7). Este clar c n variaz n funcie de 2n, n timp ce x (numrul fundamental de cromosomi) rmne acelai, cele trei specii fiind 2x, 4x i 6x. Alteori, o serie poliploid nu provine printr-o poliploidizare real, ci prin pseudopoliploidie. De exemplu, dac o specie are 2n = 8 cromosomi metacentrici, mediani, submediani sau subterminali, prin fisionarea cromosomilor dintr-o pereche, dou, trei sau toate perechile, vor rezulta 2n = 10, 2n = 12, 2n = 14, sau 2n = 16 cromosomi. Dac, ns, se va determina cantitatea de ADN per nucleu, se va constata c rmne constant, la toate aceste numere de cromosomi. Pe de alt parte, dac se vor numra braele cromosomiale, din cariotipurile efectuate pe baza numerelor menionate, se va constata c cifra este aceeai 16. Prin urmare NF (numrul fundamental de brae) a rmas constant, sugernd c speciile din respectiva serie nu sunt aneuploizi sau poliploizi adevrai ci pseudoaneuploizi sau pseudopoliploizi. 3.5.3.4. Structura intern a cromosomilor la eucariote Un real progres n studiul cromosomilor mamiferelor s-a nregistrat concomitent cu punerea la punct a metodei Giemsa de colorare i examinare a cromosomilor. Apoi, definitivarea metodelor de bandare a cromosomilor, de ctre Arrighi i Hsu, n 1971, urmat de unele modificri aduse metodei Giemsa, au permis stabilirea existenei diferitelor tipuri de cromosomi, n cadrul unuia i aceluiai genom. Mileniul 3 a debutat cu cea mai mare realizare n domeniu descifrarea genomului uman. S-a stabilit, cu aceast ocazie, c omul nu deine peste 100.000 de gene, cum se afirma frecvent, ci aproximativ 35.000. Prin urmare, extraordinara complexitate a organismului uman nu poate fi pus pe seama unui numr mare de gene ci pe interaciuni multiple i complexe ntre un numr de gene aproape egal cu numrul genelor deinute de o musc. n ceea ce privete compoziia chimic a cromosomilor eucariotelor, nc din anul 1920 s-a stabilit c principala component o constituie substana cromatic, denumit cromatin, alctuit, la rndul ei, din aciizi nucleici i proteine, n proporii egale (cte 50% pentru fiecare dintre ele). Organizarea structural intim a acestor dou componente a fost descifrat abia n jurul anilor 1960. Un progres considerabil l-a reprezentat identificarea componentelor proteice majore ale cromatinei. S-a constatat c acestea sunt proteine histonice, de cinci tipuri, notate cu H1, H2A, H2B, H3 i H4. Aceste cinci histone sunt prezente n cromosomii tuturor eucariotelor. Interesant este faptul c aceste proteine au secven aminoacidic asemntoare la majoritatea plantelor i animalelor, ceea ce poate sugera c gena care este responsabil de biosinteza lor are o origine foarte ndeprtat (este foarte veche) i nu a suferit prea multe mutaii, pe ntregul parcurs al procesului filogenezei. Un alt progres important a fost constatarea c patru dintre histonele menionate (H 2A, H2B, H3 i H4) formeaz octameri, particule n jurul crora se nfoar ADN-ul. Rezult o formaiune care, mpreun cu H1 alctuiete nucleosomul. Nucleosomul este considerat, deocamdat, structura de baz a cromosomului. Analizele cu raze X au dovedit c nucleosomii sunt legai ntre ei prin ADN neasociat cu histone (n unele manuale de specialitate sunt i alt tip de afirmaii), fiind sub forma unei fibrile de cca 10 nm grosime. Aceast fibril se continu de la un capt la altul al cromosomului, pliat (mpachetat) foarte compact. Cromosomii sunt, deci, cromatin suprastructurat. Cromatina este numele conferit substanei totale din care sunt alctuii cromosomii. n ciclul mitotic sau meiotic, cromatina se coloreaz rapid i este uor vizualizat. n interfaz este vizibil doar heterocromatina, partea vizibil n timpul diviziunii primind numele de eucromatin (ambele noiuni vor fi analizate, pe larg, ulterior). Regiunile heterocromatice ale cromosomilor sunt considerate ca fiind heteropicnotice (n limba greac pycnosis =dens). Intensitatea colorrii lor poate varia de la o etap a ciclului celular la alta. Fiecare cromosom dintr-o celul eucariot, conine o macromolecul lung de ADN, care se ntinde de la un capt al cromosomului la cellalt, prin centromer. Aceast macromolecul gigantic este supermpachetat, n cromosom, n numai civa microni. La om de exemplu, cel mai mare cromosom conine o macromolecul de ADN de aproximativ 85 mm (85.000 m sau 8,5 x 107 nm). Aceast macromolecul gigantic este mpachetat ntr-un spaiu care atinge, n metafaz, 0,5 m n diametru i 10 m n lungime, adic o mpachetare de aproxomativ 10 4 ori. Realizri remarcabile n descifrarea infrastructurii cromosomilor se datoresc cercetrilor efectuate de Hewish & Brugoyne (1973) care au constatat c prin tratarea cromatinei cu

endonucleaze activate cu Ca ++ i prin supunerea produselor rezultate la electroforez, se obineau repetiii de fragmente de ADN de aproximativ 200 pb (perechi de baze), repetiii ce s-au dovedit a fi un constituient permanent i ubiquitar al cromosomilor, cunoscut sub numele de nucleosom. Pe de alt parte, prin microscopie electronic s-au identificat bobie elipsoidale de aproximativ 11 nm n diametru i 6 nm n nlime, legate ntre ele prin fire subiri de acid dezoxiribonucleic. Aceste bobie nu sunt altceva dect nucleosomii. Pe de alt parte, digestia cromatinei cu nucleaze a evideniat existena unor formaiuni de aproximativ 146 pb care nu sunt disociate prin digestie. Mai mult dect att, uneori, un set de asemenea formaiuni rmne intact. Conform datelor de microscopie electronic, aceste seturi sunt asociaii de nucleosomi. Nucleosomii reprezint peste 95% din greutatea cromatinei i sunt considerai a fi unitile structurale de baz ale cromatinei. Structura lor poate fi redat schematic (Fig.5). n celulele eucariotelor cu organizare superioar, nucleosomii conin aproximativ 195 - 200 pb de ADN, un octamer histonic alctuit din cte dou molecule de H2A, H2B, H3 i H4 i o molecul de H1. Acesta nu este ns un nucleosom complet deoarece n figur nu este precizat i un fragment de 27 pb, fragment care nu este direct asociat cu octamerul histonic. Acest fragment conecteaz, ntre ei, doi nucleosomi consecutivi. n majoritatea cazurilor ns, octamerul histonic are n jurul lui aproximativ 1,7 ture de ADN (adic 146 pb). Octamerul histonic mpreun cu cele 146 perechi de nucleotide alctuiesc miezul, smburele, particula central a nucleosomului, cunoscut sub numele de nucleosomal sau histone core particle (Richmond et al., 1984). Acesta este modelul nucleosomal propus pe baza determinrilor efectuate n soluie cu dispersie de neutroni, dar i pe baza analizelor efectuate prin difracia razelor X (Bradbury & Baldwin, 1966; Klug et al., 1985; Burlingame et al,1985). Astfel, n conformitate cu acest model, exist un disc de 11,0 nm n diametru i 5,5 - 6,0 nm nlime, care are 1,7 ture de acid dezoxiribonucleic, cu o grosime de 3,0 nm, nfurat n jurul lui. Cele 146 de pb ale acidului dezoxiribonucleic nu sunt repartizate uniform n jurul octamerului histonic. Tetramerii 2H 3 i 2H4 interacioneaz cu ADN-ul i-l rsucesc n jurul lor. n acest fel se completeaz structura nucleosomal. S-a demonstrat c partea central a octamerului are histonele H 3 i H4, celelalte dou histone fiind la exteriorul lor (pe feele discului) aa cum este redat n modelul structurii discului octameric (Fig.6).

Fig.5 Diagrama unui nucleosom n jurul cruia se nfoar ADN pe aproximativ dou ture (model propus de Brandbury, 1992)

Rezumnd, putem preciza c exist trei etape n structurarea unui nucleosom i anume: 1. inima nucleosomului, alctuit din 146 pb i octamerul histonic (cte 2 molecule de H 2A, H2B, H3 i H4); 2. inima plus nc 22 pb, dnd un total de 168 pb, plus histona H 1, alctuiete cromatosomul; 3. cromatosomul plus nc aproximativ 32 pb (ajungndu-se la un total de aproximativ 200 pb.), formeaz nucleosomul. Trebuie precizat c, deocamdat, nu este precis stabilit dac exist o singur molecul H1 per nucleosom. Lungimea linkerilor dintre cromatosomi variaz att de la specie la specie, ct i de la un tip celular la altul. S-au descris linkeri n lungime de numai 8 pb,dar i linkeri de 114 pb. Nucleosomul complet conine, spre deosebire de inima nucleosomului, dou ture complete de ADN. Se mai afirm c structura i rolul nucleosomilor difer n regiunile genetic active de cele din

regiunile inactive. Interaciunile dintre ADN i histone, n cadrul nucleosomului, sunt de natur electrostatic, implicnd prile aminice, cu bazicitate crescut, din lanurile de arginin i lizin, precum i unele legturi slabe ale histonelor bazice, cu prile fosfat ale ADN-ului (Nieto & Palacian, 1988).

Fig.6 Modelul structurii miezului octameric, cu aranjarea probabil a histonelor. a - ADN-ul reacioneaz cu tetramerii H3, H4 i formeaz smburele discului nucleosomal, b - discul cu histonele H2A i H2B, asociate n exteriorul discului nucleosomal (dup Wagner, Maguire & Stallings, 1993)

Nucleosomii mpreun cu acidul dezoxiribonucleic linker alctuiesc o fibr cromatic de 11 nm grosime care se spiralizeaz, la rndul ei, dnd un solenoid de 30 nm grosime. Cercetrile nu au dat nc un rspuns clar i definitiv relativ la structurarea solenoidului de 30 nm grosime (Fig.7). Cnd concentraia ionic a mediului crete, apare aa numita form nalt a cromatinei (Thoma & Koller, 1977). La concentraia de 2 mM de electrolit de MgCl 2 i n prezena histonei H1 se poate pune n eviden aceast fibr de 25 - 30 nm grosime. n literatura de specialitate sunt meniuni privitoare la aceste fibre (McGhee & co., 1983; Felsenfield & McGhee, 1986). Analiza acestor fibre, prin microscopie electronic, cu raze X i cu neutroni, a relevat o structur prezent la toate metazoarele i la toate embriofitele, structur existent n cromosomi - att n cei interfazici, ct i n cei metafazici. Se admite c aceast structur reprezint un element de baz n cromosomii tuturor eucariotelor, cu eventuale excepii pentru unele protiste i pentru unele talofite.

Fig. 7. Diagrama solenoidului. Sunt 6 nucleosomi per tur. Nucleosomii au o nlime de 5,7 nm i un diametru de 11 nm. ADN-ul se continu de la un nucleosom la altul (linia ntrerupt) (dup Widom & Klug, 1985)

ADN-ul din componena solenoidului este, la rndul lui, constituit din dou pri - o parte ataat la miezul histonic i o alt parte cu rol spaiator (ali autori consider, dimpotriv, c are rol de linker), care asambleaz nucleosomii n solenoid. Aa cum precizam mai sus, segmentele spaiatoare (sau linkeri) sunt de lungimi variabile. Se pune doar o problem - cum sunt organizate aceste segmente? Unii autori (McGhee et al., 1983) apreciaz c ADN-ul spaiator este superrsucit. Linia AB, care trece prin centrul cromatosomilor adiaceni, este nclinat cu peste 10 0 fa de linia CD, care este perpendicular pe axa solenoidului. Aceasta determin deschiderea unghiului ADN-ului spaiator supercondensat care, la rndu-i, determin distana dintre nucleosomii vecini (unghiul ). Pe de alt parte, se cuvine menionat faptul c structurile aparente la acest nivel de rezoluie microscopic, reprezint implicit i un rezultat al metodei de analiz folosite, metod care presupune tratamente specifice (metode specifice de preparare a materialului). Prin urmare, se pot atepta rezultate ntructva diferite, de la un laborator (grup de cercetare) la altul. Toate rezultatele, ns, converg spre concluzia c fibra de 30 nm este o realitate (exist n realitate), rmnnd deschis doar problema structurii sale. La data prezent, structura solenoidului pus n eviden cu raze X, neutroni, microscopie electronic etc., pare a avea un suport faptic suficient de solid. Structurarea ulterioar a cromatinei (organizarea solenoidului), pentru a forma cromosomii vizibili n metafaz (sau regiunile cromosomiale heteropicnotice vizibile i n interfaz) (Fig.8), este suficient de bine cunoscut i explicat. Prerile, ca i argumentele, celor mai muli cercettori converg ctre concluzia n conformitate cu care fibra cromatic de 30 nm grosime se pliaz i formeaz bucle (lauri), asigurnd astrfel structurarea cromosomilor. Pentru a avea o reprezentare ct mai real a ratei de compactare a fibrei cromatice n cadrul unui cromosom, recurgem la exemplul dat de Wagner, Maguire & Stallings (1993) i anume. Cromosomul 16 din genomul uman conine aproximativ 1,1 x 10 8 pb, ceea ce reprezint aproximativ 3,7 x 10 4 m lungime (pentru respectiva fibr de cromatin). Dar, n metafaz, cnd condensarea este maxim, lungimea atinge doar 3 m. Se asigur, deci, o scurtare (datorat compactrii) de peste 12.000 de ori (adic 3,7 x 104 m / 3 m = 12.000). n prometafaza timpurie, acelai cromosom (cromosomul 16) este de 4 m lungime (adic s-a scurtat, prin compactare, de 9250 de ori). Pe baza acestui tip de calcule s-a conchis (Manuelidis & Chen, 1990) c diferena ntre rata scderii lungimii fibrei cromatice de 30 nm, prin compactarea n interiorul cromosomului i rata scderii lungimii cromosomului de la interfaz la metafaz este de 7,5. De aceea cromosomul 16, n interfaz, are o lungime de aproximativ 23 m (corespunznd unei rate de condensare de aproximativ 1600).

Fig.48. a. Cromosomi metafazici de cine, vzui la microscopul electronic cu baleiaj (SEM); b. Cromosom metafazic de hamster chinezesc (dup Wagner et al., 1993)

Prin urmare, ntrebarea care se pune este urmtoarea: cum se ajunge de la o lungime de 3,7 x 104 m la una de 23 m? Cele mai multe imagini, obinute la microscopul electronic cu scanare, relev situaia compactrii fibrei de ADN. Se observ plieri i contorsionri ale fibrei de cromatin, care explic acceptabil scurtarea cromosomilor. Dinamica spiralizrii, de la solenoid la cromosomul metafazic, este conform cu conc