TRANSMITEREA INFORMAŢIEI GENETICETRANSMITEREA INFORMAŢIEI GENETICE
TRANSMITEREA INFORMAŢIEI EREDITARE
U.M.F IAŞI
Informaţia ereditară se transmite în succesiunea generaţiilor – de celule şi organisme – în două etape:
replicare semiconservativă = biosinteza unor noi molecule
de ADN identice cu molecula iniţială → dublarea cantităţii de ADN;
diviziune celulară = distribuţia egală, totală şi precisă a materialului genetic dublat.
U.M.F IAŞI
Ambele procese: riguros controlate → se desfăşoară de obicei cu mare
exactitate → stabilitatea proceselor ereditare;
Se pot produce însă erori de replicare sau erori de distribuţie → BOLI
U.M.F IAŞI
A. REPLICAREA ADN.
1. Date generale
Mecanismul de copiere şi transmitere a informaţiei genetice a fost intuit de Watson şi Crick :
Fiecare catenă a ADN serveşte drept matriţă sau tipar pentru formarea unei noi catene:
Dezoxiribonucleotidele activate se aranjează complementar (A-T, G-C), în direcţia 5’→3’, şi sunt polimerizate, sub acţiunea ADN polimerazei.
U.M.F IAŞI
Date generale despre replicarea ADN
Sinteza a două molecule de ADN identice prin copierea unei molecule de ADN iniţiale (parentale) = re(du)plicare.
Pentru că cele două catene ale ADN parental se separă şi fiecare moleculă sintetizată are o catenă parentală şi o catenă neoformată – replicarea este semiconservativă.
U.M.F IAŞI
Replicarea – proces fundamental pentru toate organismele vii = esenţa eredităţii.
S Ochoa şi A. Kornberg – Premiul Nobel (1959).
Descifrarea mecanismului replicării → obţinerea celor mai puternice antibiotice şi antivirale – prin blocarea replicării genomului procariotelor
Date generale despre replicarea ADN
U.M.F IAŞI
Procesul de replicare la eucariote: foarte complex – datorită structurii genomului:
enorm (+ fragmentat în cromozomi) asociat cu proteine, compactat în fibre de cromatină
se desfăşoară în condiţii stricte: în fază S a ciclului celular, înaintea diviziunii, rapid (faza S = 8 ore), impecabil, cu foarte mare fidelitate – deoarece erorile = mutaţii.
Date generale despre replicarea ADN
U.M.F IAŞI
Pentru realizarea replicării există un APARAT DE REPLICARE (REPLIZOM) – implică un număr mare de proteine şi enzime.
Cele mai importante sunt ADN polimerazele:
U.M.F IAŞI
ADN polimerazele: Familie de enzime pentru toate formele de replicare. Sintetizează o catenă nouă de ADN, în direcţia 5’→3’. ADN polimerazele NU POT însă să înceapă sinteza unei
catene, ci numai să o alungească, adăugând fiecare nou nucleotid (complementar c. matriţă) la gruparea 3’OH a nucleotidului deja încorporat;
Sinteza unei catene noi de ADN începe cu sinteza unei amorse (“primer”) ARN (de către o primază) pe care ADN polimeraza o va extinde; în final amorsele vor fi îndepărtate şi înlocuite cu ADN
U.M.F IAŞI
2. MECANISMUL MOLECULAR AL REPLICĂRII
(1) Iniţierea replicării.
(2) Elongaţia.
(3) Terminarea replicării.
U.M.F IAŞI
(1). Iniţierea replicării
Replicarea începe în mai multe puncte, bine definite, ale genomului = origini ale replicării (“ori”),
Ele sunt recunoscute de proteinele ce iniţiază replicarea (complexul pre-RC) care facilitează: despiralizarea ADN ← topoizomeraze; desfacerea catenelor ← helicaze →
“furci” de replicare; menţinerea separată a catenelor ←
proteinele SSB (sau RPA) → prevenirea respiralizării
U.M.F IAŞI
De la “origini” replicarea progresează în ambele direcţii (bidirecţional) pe anumite segmente = repliconi
Replicarea unor repliconi diferiţi este asincronă (eucromatina – R precoce; hetrocromatina → R tardivă) şi se face într-o anumită ordine bine definită
U.M.F IAŞI
(2). Elongaţia = formarea replizomului şi sinteza unei catene de
ADN în sensul 5’→3’, de către ADN polimerază
ADN polimeraza NU poate începe sinteza ci numai extinde catena de acid nucleic – adăugând dezoxiribonucleotide complementare catenei matriţă
sinteza unei amorse ARN (“primer”) de către primază facilitează acţiunea ADN-polimerazei
U.M.F IAŞI
Elongaţia
Ambele catene matriţă sunt copiate prin aranjarea secvenţială şi complementară de
dezoxiribonucleotide activate, în direcţia 5’→3’ şi polimerizarea lor
U.M.F IAŞI
Elongaţia Deoarece catenele matriţă sunt antiparalele, sinteza catenelor noi (în direcţia 5’→3’) se va face diferit pe fiecare catenă:
Pe o catenă (3’→5’, “directă” sau “precoce”) sinteza este continuă şi rapidă (pe măsură ce se formează furca de replicare);
Pe cealaltă catenă (5’ →3’, “indirectă” sau “întârziată”) sinteza este discontinuă (în fragmente scurte = piese Okazaki) şi lentă;
amorsele ARN vor fi hidrolizate de ARNaza H si înlocuite cu secvenţe de ADN ce vor fi unite de către ADN ligază
U.M.F IAŞI
(3). Terminarea replicării
Replicarea se opreşte atunci când furcile de replicare (a doi repliconi vecini) se întâlnesc sau când o furcă de replicare întâlneşte un semnal de terminare (“ter”).
Replicarea capetelor ADN (ce formează telomerele cromozomilor) este incompletă (!!!): Eliminarea ultimei amorse lasă la capătul 5’ al catenei noi
sintetizate o mică regiune ne replicată
U.M.F IAŞI
3. TELOMERELE, SENESCENŢA ŞI CANCERUL
Telomerele = regiuni de ADN repetitiv – (TTAGGG)n –care asigură protecţia şi stabilitatea cromozomilor.
Replicarea ADN la nivelul capetelor cromozomilor este incompletă: la capătul 5’ al catenei noi sintetizate există o mică regiune ne
replicată; prelungirea monocatenară (25-200 pb) a catenei 3’→5’ se
pierde (!!!). “telomerele sunt călcâiul lui Achile al ADN”
U.M.F IAŞI
Telomerele, senescenţa şi cancerul
La fiecare ciclul replicare / diviziune → scurtarea progresivă a telomerelor → la un anumit moment se produce oprirea diviziunii: previne instabilitatea genomică şi rearanjarile cromozomilor →
prevenire cancer; începe bătrâneţea.
Lungimea telomerelor = posibil biomarker al senescenţei (“ceas molecular”) În sindroamele cu îmbătrînire accelerată (progerie) – telomerele
bolnavilor < ca la persoanele normale de aceeaşi vârstă; Radicalii liberi de oxigen accelerează pierderea telomerelor →
îmbătrânire precoce. Clonele de mamifere (realizate pe baza celulelor somatice adulte)
îmbătrânesc şi mor mai repede decât persoanele născute natural Totuşi NU este sigur dacă relaţia dintre scurtarea telomerelor şi
îmbătrânire este o relaţie cauzală.
U.M.F IAŞI
Telomerele, senescenţa şi cancerul
Pierderea telomerelor este compensată de telomerază – enzima ce asigură replicarea ADN telomeric şi “repară” telomerele. Activă în celulele germinale şi la embrion; inactivată postnatal
(excepţie celulele stem) → senescenţă. Prevenirea senescenţei şi … prelungirea vieţii ?!
încetinirea ratei de scurtare a telomerelor (vitamina D; antioxidanţi)
activarea telomerazei (ipoteză neverificată; risc creştere a vulnerabilităţii la cancer)
U.M.F IAŞI
Telomerele, senescenţa şi cancerul
În 90% din cancere se produce o activare a telomerazei
→ imortalizare → proliferare celulară necontrolată.
Aplicaţii practice: Determinarea telomerazei = test de diagnostic
precoce; Inhibitorii de telomerază – terapie performantă.
U.M.F IAŞI
4. REGLAREA REPLICĂRII ADN
Replicarea ADN → în faza S În punctul de control G1/S se
stabileşte dacă celula poate începe replicarea. În caz contrar proteina p53
induce sinteza p21 care blochează replicarea şi celula este oprită în faza Go.
Intrarea în faza S este determinată de complexul CDK2-ciclina E.
Progresia prin faza S şi replicarea ADN sunt reglate de CDK2-ciclina A.
U.M.F IAŞI
Reglarea replicării ADN
Deoarece replicarea este asincronă există riscul ca anumite regiuni să fie replicate repetat.
Anumiţi factori inhibitori se fixează pe cromatina replicată şi nu permit replicarea ei repetată până ce celula nu trece prin mitoză (ei sunt îndepărtaţi după diviziune)
U.M.F IAŞI
5. FIDELITATEA REPLICĂRII ADN
Acurateţea replicării este critică pentru transmiterea informaţiei genetice.
În cursul replicării se produc frecvent erori de împerechere (“mismatch”) →1:10.000 nucleotide = 10-4 → mutaţii. DEZASTRU !??
Organismul uman are posibilitatea corecţiei lor.
(1) ADN polimerazele recunosc erorile de împerechere (prin variaţia diametrului moleculei de de ADN) şi le corectează → nr. erorilor scade de la 10-4 la 10-6
U.M.F IAŞI
FIDELITATEA REPLICĂRII ADN
(2). Mecanismul de reparare prin excizie-resinteză – ce implică:
recunoaşterea erorii, excizia şi îndepărtarea fragmentului de ADN. resinteza catenei ce corespunde breşei, legătura dintre fragemente
Mecanism multienzimatic (enzime de reparare)În final: o eroare la 109- 1010 nucleotide, deci
o eroare per genom/ciclu de replicare; erorile se acumulează cu vîrsta→cancer
U.M.F IAŞI
FIDELITATEA REPLICĂRII ADN
Enzimele de reparare sunt codificate de anumite gene (MSH, MLH, PMS) numite şi gene “mutator”
Mutaţiile acestor gene → predispoziţie la cancer
Ex. Cancerul de colon nonpolipozic ereditar (HNPCC) – 5% din toate cancerele colorectale
Apare sub 45-50 de ani Pe flexura splenică a colonului (70%) Cancer mucinos Marker genetic = instabilitatea microsateliţilor Determinat de mutaţii ale genelor MLH1, MSH2
în 70% cazuri
U.M.F IAŞI
B. TRANSMITEREA INFORMAŢIEI GENETICE DE LA O CELULĂ LA CELULE FIICE
În celulele somatice, materialul genetic dublat în interfază, se distribuie în mod egal şi total celulelor fiice, prin MITOZĂ.
Rezultă două celule noi („fiice”),
identice din punct de vedere genetic, atât între ele, cât şi cu celula („mamă”) din care provin.
U.M.F IAŞI
1. CICLUL CELULAR
Procesele prin care o celulă îşi replică materialul genetic, şi îl transferă celulelor fiice se desfăşoară într-o ordine progresivă, precis reglată, ce formează ciclul celular.
CC → interfaza (faza G1, S, G2) şi mitoza (faza M) → vezi LP.
Evoluţia celulelor după diviziune: proliferare: începerea unui nou
ciclu; diferenţiere celulară; stare de repaus proliferativ GO
U.M.F IAŞI
CONTROLUL CICLULUI CELULAR
Realizat de multiple kinaze ciclin-dependente (CDK)(1-7) activate prin fixarea unor cicline (A-H).
Fiecare fază a CC este controlată de un anumit complex CDK-ciclina care fosofrilează proteinele specifice necesare fazei CC.
Hartwell, Hunt, Nurse – Pr.Nobel 2001
U.M.F IAŞI
Controlul ciclului celular
Trecerea de la o fază la alta a CC se face prin anumite puncte de control unde se verifică: dacă anumite procese sunt
terminate înaintea începerii altora;
nu există alterări ale componentelor sau “maşinăriilor” de replicare sau diviziune.
Identificarea unor defecte: blocarea progresiei (prin CKI) şi
repararea (dacă este posibilă); apoptoză
Puncte de control:
- G1 / S : se verifică calitatea ADN şi se decide replicarea (rol TP53)
- G2 / M: se verifică corectitudinea replicării şi se decide intrarea în mitoză;
- M/A: se verifică alinierea perfectă a CRZ înaintea disjuncţiei anafazice
U.M.F IAŞI
Controlul ciclului celular
Perturbarea controlului ciclului celular va genera: O creştere celulară anormală →
anomalii congenitale, cancer;
Apoptoză; Erori de segregare mitotică → anomalii cromozomiale
U.M.F IAŞI
Mitoza asigură: creşterea organismului (1014) reînoirea celulară repararea leziunilor.
Mitoza→ transmiterea cu mare fidelitate a informaţiei genetice în succesiunea generaţiilor de celule → toate celulele somatice sunt identice genetic.
(1). Fazele mitozei: P, PM, M, A, T → vezi
LP
2. MITOZA
P M
A T
U.M.F IAŞI
(3). Erori de distribuţie a materialului genetic în mitoză: Nedisjuncţia cromatidiană Întârzierea anafazică anomalii Clivarea transversală a centromerului cromozomiale Absenţa citokinezei (vezi LP)
Consecinţe: celulele viabile cu anomalii cromozomiale produc o clonă anormală → MOZAIC CROMOZOMIAL
Efectele depind de: momentul ontogentic – în care s-a produs eroarea, distribuţia lor în diferite ţesuturi.
U.M.F IAŞI
C. TRANSMITEREA INFORMAŢIEI GENETICE DE LA PĂRINŢI LA DESCENDENŢI
Două etape: formarea gameţilor + fecundarea lor
1. GAMETOGENEZA
Formarea gameţilor prin meioză. Meioza = două diviziuni succesive, neseparate de interfază
(ADN se replică o singură dată), care generează 4 celule haploide (!) şi diferite genetic* Meioza I – primară; reducţională; Meioza II – secundară; ecuaţională
Funcţii: reduce la jumătate (n=23) numărul de cromozomi; generează diversitatea / variabilitatea genetică
Meioza primară (vezi LP)
PROFAZA I Leptoten Zigoten: sinapsa “genă la
genă” a cromozomilor omologi;
Pahiten Diploten Diakineză
METAFAZA I
încrucişarea cromozomilor omologi (CO) → schimb reciproc de fragmente egale = recombinare genică omologă sau recombinare intracromozo-mială → sursă majoră de variabilitate
U.M.F IAŞI
ANAFAZA I:
Disjuncţia cromosomică + migrarea (simultană şi cu aceeaşi viteză) → reducerea nr cromozomilor: 2n →n.
Segregarea aleatorie a fiecărei perechi de omologi → asortarea independentă a cromozomilor (recombinare intercromosomică) → sursă majoră de variabilitate
(223 combinaţii)
TELOFAZA I
U.M.F IAŞI
2. ERORI ÎN DESFĂŞURAREA MEIOZEI
Erori de recombinare genică ← CO inegal
Erori de segregare (distribuţie) anafazică ale cromozomilor
CO INEGAL:împerechere greşită a unor secvenţe asemănătoare dar neomolage, situate pe cromosomii omologi (RECOMBINARE OMOLOAGĂ NEALELICĂ)prin CO → schimbul inegal de segmente → deleţii şi duplicaţii genice → BOLI GENOMICE.
U.M.F IAŞI
U.M.F IAŞI
Nedisjuncţia: cromozomială (în meioza I) →
toţi gameţii anormali cromatidiană (în meioza II) →
jumătate din gameţi anormali, cu disomie uniparentală.
Întârzierea anafazică Nesepararea citelor de
ordinul II → gameţi diplozi (diandrie / diginie) → zigoţi cu tripoidie (3n)
Erori de segregare (distribuţie) anafazică ale cromozomilor → gameţi cu anomalii cromozomiale
NEDISJUNCŢIA
ND este frecventă, mai ales în meioza maternă → 8% zigoţi au anomalii cromozomiale, majoritatea neviabile → 0,7-1% nn
Originea maternă sau paternă a ND se poate stabili cu markeri ADN polimorfici: ND este frecventă în ovogeneză, mai ales în MI (92% copii cu S.
Down) Riscul ND creşte odată cu creşterea vîrstei materne (peste 35 de ani) ND paternă este regulă în trisomia XYY şi 70% în sdr. Turner
Cauzele ND ??? Efectul vârstei materne este cert (“ovulele au vîrsta femeii) dar NU se
ştie de ce Factorii externi (radiaţii, infecţii, medicamente, cafea, alcool etc) NU au
un rol în ND NU s-au identificat factori genetici care să crească riscul de ND
A C C I D E N T
U.M.F IAŞI
3. PARTICULARITĂŢILE GAMETOGENEZEI LA BĂRBAT ŞI LA FEMEIE
BĂRBAT Începe la pubertate Este continuă toată viaţa
adultă. O spermatogonie → 4
spermatozoizi cu X şi Y Proces rapid – 64 zile.
Proces intens (70mil S/ml) Autoreglabil dar sensibil la
factori externi VP ↑ → erori de copiere→ ↑
gameţi cu mutaţii genice noi (AD)
FEMEIE Începe prenatal. Este discontinuă – se opreşte
luna VII (“capital” ovocite limitat) O ovogonie → 1 ovul cu X
Proces lent – (“ovulele au vârsta femeii”).
Proces redus (1 ovul / ciclu) Condiţionat de: factori hormonali,
ovulaţie, fecundare VM ↑→ erori de distribuţie → ↑
gameţi cu an.cromozomiale
U.M.F IAŞI
4. FECUNDAREA
Monospermică Evenimente genetice:
(1) La Zigot:- se reface numărul diploid (2n=46)- se stabileşte identitatea genetică a organismului
(2) Se determină sexul genetic: XX sau XY (raportul sexelor la naştere este ~ 1:1)
U.M.F IAŞI
FECUNDAREA
ERORI:(1). Dubla fecundare:
- zigoţi:
(2) Dispermia : n + n + n → triploidie
XX
XY
GEMENI DIZIGOŢI
HIMERĂ
CLONAREA REPRODUCTIVĂ şi EMBRIONARĂ
În 1997 s-a reuşit clonarea primului mamifer adult: oiţa DOLLY
Tehnică: transferul unui nucleu al unei celule somatice într-un ovul nefecundat, enuclea.
Tehnica a fost aplicată cu succes la clonarea altor mamifere
CLONAREA REPRODUCTIVĂ şi EMBRIONARĂ
O clonă NU este însă o copie identică a individului şi va fi afectată precoce de multiple boli: Multe caractere sunt determinate prin fenomene genetice
care NU mai au loc în cazul clonării; de ex., reglarea epigenetică, inactivarea unui X, amprentarea genomică.
ADN mitocondrial provine de la primitor Individualitatea biologică este şi rezultatul acţiunii mediului,
NU poate fi redusă la gene Telomerele cromozomilor din nucleul donor sunt mai scurte
→ îmbătrânire precoce ADN donor a suferit mutaţii somatice → risc crescut de
cancer Probleme etice majore: clonarea umană interzisă
prin lege. Clonarea embrionară – utilă pentru a obţine celule
stem embrionare → se pot transforma în orice tip de celulă diferenţiată; acceptată în mai multe ţări.
Top Related