Variabilitatea geneticaVariabilitatea genetica

Recombinarea genetica

DEFINITIE

(1) Tendinta caracteristicilor genetice individuale de a fi diferite la nivel populational

(2) Potentialul unui genotip de a se modifica atunci cand este supus actiunii unor factori de mediu sau genetici

Definitie

Variabilitatea genetica trebuie diferentiata

in raport cu diversitatea genetica (sau

variatiavariatia genetica).

Daca variabilitatea cuantifica masura in

care un genotip sau caracter tinde sa fie

diferit (sa varieze) variatiavariatia genetica

masoara numarul efectiv de modificari la

nivelul populatiilor.

DEFINITIE

Variatia genetica a unei populatii este masurata prin gradul de polimorfism, respectiv heterozigozitate

Desi deseori folosite ca sinonime cele doua notiuni difera.

Variatia se refera la actualele diferente prezente la indivizii unei populatii sau grup studiat si poate fi direct observata ca o colectie de trasaturi/caracteristice.

DEFINITIE

Variabilitatea descrie insa potentialul

sau capacitatea de a varia, de a fi diferit.

Comparativ variabilitatea genetica este

mai dificil de masurat.

La nivel molecular, de ex. variabilitatea

genetica poate fi estimata prin

determinarea ratei mutatiilor.

Surse de variabilitate

Pentru ca selectia naturala sa poata actiona in cadrul unei populatii, este nevoie ca indivizii ce o alcatuiesc sa fie diferiti.

Variabilitatea la eucariote are urmatoarele 5 mecanisme posibile: 1. Aparitia mutatiilor 2. Diploidia 3. Reproducerea sexuata 4. Incrucisarile in afara speciei 5. Polimorfismele fenotipice echilibrate in populatia

studiata

Mutatiile asigura aparitia unor noi variante alelice.

Diploidia, adica prezenta celor doi cromozomi omologi in celule, contribuie la pastrarea in genofond (= totalitatea genelor unei populatii) a alelelor recesive. In stare de heterozigotie aceste alele nu sunt supuse selectiei naturale, raman “ascunse” si “depozitate” pentru generatiile viitoare, pentru descendenti.

Reproducerea sexuata creeaza indivizi cu noi combinatii alelice. Aceste rearanjamente sau aceasta recombinare genetica isi are originea in 3 evenimente care au loc in timpul acestui tip de reproducere: 1. crossing-overul 2. asortarea independenta a

omologilor 3. cuplarea intamplatoare a gametilor

Recombinarea intracromozomica

1. Crossing - overul sau schimbul de fragmente

egale de ADN intre cromatidele nesurori ale

cromozomilor omologi din pahitenul si

diplotenul profazei meiozei

reductionale/heterotipice are drept urmare

modificarea continutului informational al

cromozomilor recombinanti. Acesti cromozomi

nu vor mai aduce informatia de la un singur

ascendent/predecesor.

Recombinarea intercromozomica

2. Asortarea independenta a omologilor in metafaza primara creeaza celule fiice avand combinatii intamplatoare de cromozomi materni si paterni

Dispunerea cromozomilor in placa metafazica va influenta orientarea lor spre un pol sau celalalt al celulei in anafaza.

Daca unii cromozomi vor fi de origine materna, altii vor fi de origine paterna in ovocitele de ordin II si spermatocitele de ordin II.

Ovocitul de ordin II sauspermatocitul de ordin II

Recombinarea genomica

3. Combinarea intamplatoare a gametilor in cursul fertilizarii contribuie la diversificarea combinatiilor genice la nivelul zigotului.

Desi se considera ca fiind un eveniment in mare masura supus intamplarii, nu toti spermatozoizii au aceeasi viteza de deplasare (legat se pare de forma lor).

Importanta recombinarii

1. mareste rata starii de heterozigotie 2. determina dinamica evolutiei

biologice, prin amplificarea diversitatii 3. capacitate de adaptare (raspuns)

diferentiata a indivizilor la variatia factorilor de mediu (de ex. medicamente)

4. intervine in realizarea tipului genetic constitutional individual

 

Cycle

de vie

de l'être humain

(http://www.cartage.org.lb/en/themes/Sciences/Zoology/

Biologicaldiverstity/Ani

malsI/humanlifecyc.jpg)

Incrucisarile in afara speciei

Liger = hibrid intre un leu (Panthera leo) si o tigroaica (Panthera tigris), avand parinti apartinand aceluiasi gen dar unor specii diferite. Este diferit de tiglon. Este cea mai mare felina cunoscuta.Inoata precum tigrii si este sociabil precum leii.Exista doar in captivitate deoarece habitatul speciilor parentale nu se suprapune.De observat, tipic ei cresc atat cat sunt ambii parinti pusi la un loc.

http://en.wikipedia.org/wiki/Liger

Polimorfismele fenotipice echilibrate in populatia studiata

Deseori un singur fenotip asigura cea mai buna adaptare, in timp ce altele sunt mai putin avantajoase

In astfel de cazuri, frecventa alelelor pentru caracterul avantajos va creste in populatie in detrimentul frecventei celorlalte alele

Polimorfismele fenotipice

In general insa, in multe populatii se observa coexistenta a doua sau mai multe fenotipuri diferite

Prezenta polimorfismelor in cadrul populatiilor se explica prin 3 mecanisme: - avantajul heterozigotilor - heterosis (hibrizi vigurosi) - avantajul minoritatii

Polimorfismele fenotipice Heterosisul consta din selectarea prin

hibridare a unor loci avantajosi desi heterozigoti ; de ex. porumbul va fi mai rezistent la imbolnaviri urmare a reducerii locilor cu alele recesive homozigote ce il predispun la boala.

Avantajul minoritatii apare cand cel mai putin obisnuit fenotip reprezinta un avantaj selectiv; de ex., atunci cand o prada prezentand caracteristici rareori intalnite este evitata de pradator, acesta avand o “imagine de cautare” sau reprezentare standard a vanatului.

Polimorfismele fenotipice

Avantajul heterozigotilor apare atunci cand starea de heterozigot acorda un avantaj selectiv superior starii de homozigot, a.i toate cele 3 fenotipuri se vor pastra in cadrul populatiei.

In cursul evolutiei de obicei la un moment dat au predominat insa heterozigotii.

Un exemplu la om este anemia falciforma

Hemoglobinopatiile

reprezentate in principal de talazemii si anemia falciforma (drepanocitoza, sicklemia – ‘sickle- cell anaemia’)

sunt raspandite pe tot globul

aproape 5% din populatia globului este purtatoare de gene responsabile de aparitia hemoglobinopatiilor

prezenta mutatiei punctiforme ( A T) in codonul 6 al genei ß-globinei este insa foarte mare in anumite zone, ceea ce are drept urmare o rata crescuta a drepanocitozei comparativ cu talazemiile (prin casatorii se intalnesc mai frecv. heterozigotii)

Anemia falciforma

Boala este prezenta mai ales in Africa Sahariana, India,

Arabia Saudita si tarile din jurul Mediteranei

Initial s-a crezut ca originea mutatiei este in Peninsula

Araba, de unde s-ar fi raspandit catre Asia si Africa.

Astazi se stie, ca au fost cel putin 4 evenimente

mutationale diferite, 3 in Africa si al patrulea fie in

Arabia Saudita fie in centrul Indiei. Aceste evenimente

independente au avut loc in urma cu 3.000 - 6.000 de

generatii, adica cu aproximativ 70-150.000 de ani.

Distributia reflecta faptul ca boala confera avantaj

selectiv impotriva malariei, cauzata de Plasmodium

(malariae, falciparum, etc)

Tipurile de Hb si cz. implicati: 11 si 16

cz

16

Electroforeza hemoglobinei la un heterozigot, un bolnav cu anemie falciforma si o persoana normala. Petele de culoare arata pozitiile in care au migrat hemoglobinele in gelul de agaroza fata de punctul de origine

Hematii normale si una in forma de secera.(dg.= drepanocitoza)

In conditii

speciale,

de

presiune

scazuta a

O2 celulele

normale se

deformeaz

a dovedind

starea de

heterozigot

!

Parazitului

Plasmodium

falciparum

nu ‘ii plac’

nici

eritrocitele

homozigotului

/

persoanei

bolnave (SS)

si nici ale

heterozigotulu

i/

persoanei

purtatoare

(AS).

mor

selectati

mor

Moleculele de Hb din eritrocite transporta oxigen catre toate tesuturile.

Hb (S) = hemoglobina anormala, ce cristalizeaza in interiorul hematiei conferindu-i forma de secera, ea pierzand capacitatea de a se deforma pentru a strabate capilarele sanguine; aa 6 al β-globinei (ac. glutamic) este inlocuit de valina

Aceste celule in forma de secera sunt fragile, nu pot transporta suficient O2 si nu pot traversa peretele capilarelor, pentru a

ajunge la tesuturi producand dureri (osoase,viscerale), anemie,  stare generala alterata, ajungand fara tratament chiar la deces.

Ocluzia capilarelor de catre hematiile anormale conduce la microinfarcte

Hemoliza este urmata de splenomegalie si scaderea imunitatii infectii bacteriene

Variabilitatea

Transferul ADNului poate sa se faca si prin alte mecanisme, in afara de reproducere sexuata, recombinare si anume prin: - conjugarea bacteriana - transductia dintre bacteriofagi si

bacterii - transformarea bacteriilor prin plasmide - transfectia in culturi de celule eucariote

Recombinarea la bacterii

In 1946, Lederberg si Tatum au aratat ca informatia genetica poate fi schimbata/ transmisa de la o bacterie la alta sau de la o tulpina de bacterii la alta.

Aceasta ar corespunde unei asa numite “sexualitati” si ar conduce la recombinarea materialului genetic la procariote

Recombinarea la procariote

Bacteriile sunt avantajos de studiat caci:o - sunt organisme haploideo - au un timp de viata reduso - se multiplica rapid (timp redus per

generatie)o - organismele mutante pot fi usor

identificate

Prin urmare, un numar aproape nelimitat poate fi testat in scurt timp, ceea ce le face utile in studiul mutatiilor.

In 1952 Joshua si Esther Lederberg au folosit o ‘stampila’

acoperita cu catifea pentru a muta coloniile din culturile

originare pe mediu normal si respectiv cu antibiotic.

In al doilea caz au crescut doar coloniile rezistente la antibiotic.

Experimentul identifica bacteriile mutante: daca primul vas Petricontine colonia martor/normala, in al doilea este cultura cu mediu mai putin nutritiv (= minimal), iar in urmatoarele doua este mediu minimal imbogatit diferentiat. Bacteriile care lipsesc in al doilea vas sunt fie deficitare in Thr, fie in Arg.

Recombinarea la bacterii

In experimentul lor devenit clasic, Lederberg si Tatum au folosit 2 tulpini bacteriene diferite, ambele auxotrofice (mutante, nu pot creste fara anumite substante din mediul de cultura)

Cand se amesteca cele 2 tulpini, fara a adauga aminoacizi in mediul de cultura, vor creste colonii.

Neasteptatul fenomen apare destul de rar (aprox.1 din 107 celule cultivate in Petri), dar a fost evident datorita numarului mare de bacterii puse pe placa.

Tulpina A necesita metionina si biotina, iar cea B treonina si leucina. Apar insa colonii pe un mediu minimal, fara a.a.Interpretare: a avut loc o recombinare intre tulpinile A si B.Proprietatile genetice ale celulelor din tulpinile parentale s-au completat reciproc (“complementare genetica”)

Recombinarea la bacterii

Schimbul de material genetic intre bacterii (CONJUGAREA) a fost evidentiat la microscopul optic.

Transferul de ADN bacterian decurge numai intr-un singur sens: materialul cromozomial “masculin” este introdus intr-o celula “feminina”

Bacteriile Escherichia coli difera in functie de prezenta/absenta factorului de fertilitate F

Cand sunt mixate celule F+ si F-, se formeaza niste perechi ‘conjugale’: un pil(us) sexual al bacteriei masculine (F+) se ataseaza la suprafata celulei F-.

Recombinarea la bacterii

Factorul F (de fertilitate) poate fi integrat in cz. bacterian printr-un crossing-over specific.

Cz. nou format se numeste Hfr (“high frequency of

recombination”), deoarece are o frecventa mare de recombinare cu genele altor bacterii in urma procesului de conjugare.

Recombinareabacteriana

Bacteriile pot contine factorul F de fertilitate sub

forma unui cz. mic aditional, respectiv o molecula

circulara de ADN de aprox. 94 000pb, plasmidul F

Acesta reprezinta cam 1/40 din totalul informatiei genetice continute in cz. bacterian.

Intr-o celula apare un singur plasmid si el poate fi transferat altei bacterii.

Aprox. 1/3 din ADNulfactorului F (plasmidului) consta din gene de transfer,inclusiv gene pentru formarea pililor sexuali.

Transferul factorului F incepe dupa ce se deschide dubla catena. O monocatena este transferata celulei acceptoare, se replica si devine dubla. Si monocatena ramasa in celula donoare se replica redevenind dubla.

In final ambele celule sunt de tip F+

Recombinarea bacteriana

Uneori cromozomul se rupe in timpul transferului. Astfel, bacteriile F- receptoare mostenesc o copie

incompleta a elementului F. Daca transferul este complet, bacteria receptoare va

mosteni un element F complet si proprietatea Hfr; descendentii sai vor fi celule Hfr.

In final, cand cromozomii bacterieni au diferiti markeri genetici, celulele sunt frecvent recombinante.

De aceea celulele capabile sa doneze material cromozomial celulelor recipiente/receptoare sunt numite Hfr (high frequency of recombination).

Celulele F- , care au primit doar o parte din cz. donor se numesc zigoti partiali sau hemizigoti, deoarece au una sau mai multe gene care provin de la 2 celule diferite: un zigot partial este initial diploid pt genele transferate, curand participa insa la schimburi genetice nereciproce a.i. o parte a ADNului de la donor este inclus in cromozomul receptor.

Bacteriofag =Virus bacterian

Desi initial (1941) s-a crezut ca s-a identificat o modalitate de combatere a infectiilor bacteriene, de fapt acestia au fost utilizati pt a analiza bacteriile.

Reproducerea bacteriofagilor nu are loc totdeauna imediat dupa infectarea celulei. Ocazional, ADNul fagic este integrat in cz. bacterian si replicat odata cu acesta (ciclul lizogenic) (imaginea B)

Fagul Lambda este inserat printr-un crossing-over intre ADNul sau si al bacteriei E.coli, dupa formarea unui inel. Atasarea se face la o secventa cu omologie din cz.bacterian. Fagul induce ciclul litic si apoi se elibereaza prin mecanismul invers.

In 1952 Zinder si Lederberg au descris un nou tip de recombinare intre 2 tulpini de bacterii. Fagi care au infectat anterior bacterii, care produceau lactoza, au transferat aceasta proprietate noilor gazde.

Transductia = transferul unui mic fragment de ADN dintr-un cz. bacterian prin inter-mediul unui bacteriofag in alta celula bacteriana. Ea poate fi de 2 feluri:

- T. Generala: fagul se insera oriunde in genomul gazdei

-T. Speciala: fagul se insera numai la nivelul unui segment de ADN cz. particular

Celulele modificate genetic prin incorporarea de ADN sunt considerate “transformate”. Termenul se refera de obicei la rezultat si nu la mecanism.

Transformarea prin plasmide

Plasmidele = molecule mici, circulare de ADN, care se replica autonom si care nu intra in componenta cz. din celula bacteriana in care se gasesc

Deseori contin gene de rezistenta la antibiotice (de ex. la ampicilina)

Incorporarea plasmidului transforma celula bacteriana initial sensibila la ampicilina in una rezistenta.

Plasmidele sunt utile pentru a fi utilizate ca si vectori intransferul de ADN .Pentru aceasta se utilizeazaun mediu selectiv a.i vor creste pe el doar bacteriilecare au incorporat plasmidul recombinantcontinand ADNul de investigat.

Transfectia = transferul de ADN intre celule eucariote in cultura

- Poate fi folosita in analiza transmiterii unor caracteristici genetice

In cele 2 cazuri alaturate fibroblastele normale pierd “contactul de inhibitie” si se transforma asemanator celulelor cu care vin in contact.

Astfel de studii au fost initial utilizate pentru a identifica oncogene (gene cauzatoare de cancere)

Geneticienii americani lucreaza asiduu pentru a

obtine o pasare mai mare si mai sanatoasa pentru

Ziua Recunostintei Aproape 90% din genom este cunoscut, ceea

ce va ajuta crescatorii in vederea obtinerii

unor curcani a caror carne va fi mai ieftina.

In urmatorii ani din sangele exemplarelor

tinere se va analiza ADNul si se vor selecta

genele dorite, precum cele implicate intr-o

fertilitate inalta, rezistenta la imbolnaviri, o

carne mai slaba si mai alba. (To Breed A Better Bird By

John H. Tucker , Scientific American, November 12, 2010)

INCHEIERE

NOUTATI

Prin interventia genomica se pot:

1. observa, analiza

2. selecta

mai usor caracteristicile dorite.

Procesul sprijinit de cunostintele acumulate din

studiul genomic este mult mai eficient decat

observarea procesului natural de selectie naturala,

( care implica o lunga asteptare a rezultatelor).