UNIVERSITATEA DE TIINE AGRICOLE I MEDICINVETERINAR CLUJ-NAPOCA DEPARTAMENTUL NVMNT LA DISTAN I FRECVEN REDUS FACULTATEA DE AGRICULTUR SPECIALIZAREA BIOLOGIE ANUL I

GENETICAPROF. DR. ELENA TMA

SUPORT DE CURS SEMESTRUL II

ACADEMICPRES CLUJ-NAPOCA 2009-2010

1

Capitolul

1

GENETICA - TIIN A EREDITII I VARIABILITII ORGANISMELOR VII 1.1. Obiectul de studiu al geneticii Genetica este o tiin biologic al crui obiect de studiu l constituie ereditatea i variabilitatea organismelor, stabilind mecanismele care asigur conservarea informaiei genetice precum i cele ale modificrii ereditare. Denumirea de genetic a fost introdus de biologul englez WILLIAM BATESON cu ocazia celui de al III-lea Congres de genetic (1906). Ereditatea (de la hereditas - transmitere, lat.) este proprietatea organismelor de a transmite la descendeni caracteristici specifice ascendenilor. Ereditatea are un caracter conservator i determin legtura ntre generaii. Variabilitatea (de la variare - a schimba, lat.) determin apariia n anumite condiii la descendeni a unor caracteristici deosebite de cele ale ascendenei. Variabilitatea poate fi ereditar, atunci cnd modificrile aprute au cauze genetice i se transmit la descendeni i neereditar, cnd modificrile sunt rezultatul influenei condiiilor de mediu, modificri ce nu se transmit la descendeni. Variabilitatea ereditar are ca surs recombinarea genelor n procesul de formare a gameilor i fecundare (variabilitate recombinativ) precum i modificarea materialului genetic sub aciunea unor factori mutageni (variabilitate mutaional). W.JOHANSEN (1909) a introdus noiunile de genotip i fenotip. Genotipul reprezint totalitatea genelor unui organism viu, aflate n stare manifest sau latent. Fenotipul reprezint totalitatea caracteristicilor unui organism ca urmare a interaciunii dintre genotip i condiiile de mediu. 1.2. Scopul i importana geneticii Studiul geneticii prezint interes din dou motive. n primul rnd, genetica a devenit o plac turnant n cadrul tiinelor biologice, fiind esenial pentru toi cei care studiaz viaa plantelor, a animalelor sau microorganismelor. n al doilea rnd, genetica ocup o poziie central n diverse sectoare ale activitii umane (agricultur, alimentaie, medicin, ecologie etc.).

2

Pentru obinerea unei producii agricole maxime este necesar ameliorarea materialului biologic existent. Orice program de ameliorare ncepe cu studiul potenialului biologic i studiul determinismului genetic al materialului iniial pentru stabilirea metodei de ameliorare precum i a tipului de material ameliorat. Genetica se constituie astfel ca baz teoretic a ameliorrii plantelor. Concepiile i descoperirile din domeniul geneticii moleculare i n special al ingineriei genetice sunt n prezent tot mai utile, fiind dirijate n elucidarea problemelor care intereseaz societatea, resursele i economia. Obiectivul principal al ingineriei genetice este modificarea genomului unor plante sau animale prin introducerea unor gene sau a unor fragmente de ADN de la o celul donatoare la o celul receptoare, obinndu-se astfel specii transgenice. Pe aceast cale se poate mbogi randamentul fotosintetic al plantelor, ameliorarea calitii i a productivitii, obinerea de forme rezistente la boli i duntori, la stresuri climatice, la pesticide etc. Prin metode ale ingineriei genetice au fost obinute sue bacteriene capabile de a produce proteine specifice mamiferelor, cum ar fi insulina, hormoni de cretere, interferon. Un rol major al acestei tiine biologice este prevenirea riscului genetic, determinat de factorii mutageni din mediul nconjurtor precum i mpiedicarea rspndirii unor maladii ereditare umane. Genetica a influenat profund toate activitile umane. Majoritatea alimentelor provin din organisme ameliorate genetic. Cercetrile din domeniul geneticii au schimbat poziia omului n raport cu lumea organic i cu restul universului. Genetica a revoluionat biologia, demonstrnd c majoritatea organismelor acestei planete utilizeaz acelai sistem de stocare i expresie a informaiei genetice bazat pe ADN, un sistem unde informaia circul de la ADN la ARN i de la ARN la proteine. 1.3. Cteva momente importante din istoria geneticii 1865 - Elaborarea primelor legi ale ereditii de ctre GREGOR MENDEL. 1882 - Descoperirea cromozomilor de ctre FLEMMING. 1900 - Redescoperirea legilor mendeliene ale ereditii - HUGO DE VRIES, C.CORRENS i E.TSCHERMAK. 1902 - Descoperirea primelor maladii genetice umane - A.GARROD. 1902 - Elaborarea ipotezei potrivit creia genele sunt plasate pe cromozomi - W.SUTTON i T.BOVERI. 1908 - Descoperirea linkage-ului - BATESON i PUMMET. 1908 - Elaborarea legii HARDY-WEINBERG privind frecvena genelor ntr-o populaie. 1909 - Descoperirea meiozei n relaie cu recombinarea genetic JANSSENS. 1910 - Introducerea noiunii de gen pentru factorii mendelienii, definirea genotipului i a fenotipului - JOHANSEN. 1927 - Inducerea artificial a mutaiilor - MULLER.

3

1941 - Elaborarea ipotezei "o gen - o enzim" - G.BEADLE i E.TATUM. 1944 - Descoperirea fenomenului de trasformare genetic cu ajutorul ADN-ului la pneumococi - O.AVERY, MCLEOD i MCCARTY. 1952 - Definirea genei ca unitate de funcie, de mutaie i de recombinare - G.PONTECORVO. 1953 - Apariia geneticii moleculare prin determinarea structurii macromoleculare a ADN-ului - J.WATSON, F.CRICK, M.WILKINS. 1956 - Descoperirea elementelor genetice mobile - B.MCCLINTOCK. 1956 - ntocmirea cariotipului uman - H.J.TYIO i A.LEVAN. 1958 - Elaborarea modelului de replicare semiconservativ a ADNului - M.MESELSOHN i F.STAHL. 1960 - Primele cercetri de hibridare somatic "in vitro" - G.BARSKI. 1961 - Descoperirea fenomenului de reglaj genetic la procariote F.JACOB i J.MONOD. 1966 - Descifrarea codului genetic - M.NIRENBERG i G.KHORANA. 1969 - Izolarea artificial a unei gene bacteriene - J.BACKWITH. 1970 - Descoperirea enzimei revertranscriptaza care permite transcripia ARN ADN - H.TEMIN i D.BALTIMORE. 1974 - Descoperirea ribozomilor i a mecanismului biosintezei proteice - G.E.PALADE. 1977 - Descoperirea enzimelor de restricie - G.ARBER, C.SMITH i M.NATHANS. 1978 - Realizarea ADN recombinat - P.BERG. 1978 - Descoperirea structurii discontinue a genelor eucariote W.GILBERT. 1980 - Stabilirea metodologiei de determinare a secvenelor nucleotidice n cadrul moleculei de ADN i ARN - GILBERT i SANGER. 1983 - Elaborarea metodei PCR (Polymerase Chain Reaction) K.MULLIS. 1.4. Metode de cercetare utilizate n genetic Genetica fiind o disciplin experimental, dezvoltarea ei a fost condiionat de metodele i posibilitile de cercetare, proprii, iar altele proprii altor discipline de care genetica se poate folosi pentru nelegerea i explicarea legitilor i fenomenelor sale. Acest fapt a condus la diversificarea geneticii i constituirea unor noi ramuri ale geneticii. Metoda hibridologic, proprie geneticii, const n ncruciarea unor organisme cu ereditate diferit i analiza statistico-matematic a motenirii caracterelor la urmai. Aceast metod a fost utilizat i de ctre MENDEL pentru stabilirea legilor ereditii i de aceea ramura geneticii care face apel la aceast metod aparine geneticii mendeliene sau geneticii clasice.

4

Metoda citologic utilizat n genetic presupune studiul componenetelor celulare cu rol ereditar. Aceast metod combinat cu metoda hibridologic a condus la dezvoltarea unei noi ramuri a geneticii, citogenetica. Metoda radiologic utilizat n genetic presupune utilizarea diferitelor tipuri de radiaii asupra materialului biologic experimentat i stabilirea modificrilor ereditare suferite de acesta. Utilizarea acestei metode a condus la dezvoltarea unei noi ramuri a geneticii, radiogenetica. Metoda biochimic utilizat n genetic a permis nelegerea fenomenelor genetice la nivel molecular i posibilitatea evidenierii variabilitii ereditare de mare finee la nivel biochimic. Utilizarea acestei metode n genetic a dus la dezvoltarea unei noi ramuri a geneticii genetica moelcular. Genetica molecular este o ramur a biologiei specializat n cunoaterea substratului material i funcional a ereditii la nivelul molecular (ANTOHI i GAVRIL, 1981). Alte ramuri ale geneticii care utilizeaz metode specifice altor discipline sunt: imunogenetica studiaz rolul ereditii n aprarea organismului contra infeciilor sau probleme de histoincompatibilitate determinate genetic, deosebit de importante n experimentele de transplant; farmacogenetica studiaz relaia dintre ereditate i reacia la medicamente; genetica comportamental studiaz relaia dintre ereditate i comportament; genetica medical studiaz relaia dintre ereditate i patologie; genetica medico-legal permite determinarea paternitii n caz de litigiu (mai exact cine nu poate fi tat); genetica cultural studiaz influena factorilor de civilizaie asupra frecvenei genelor, n special asupra frecvenei genelor detrimentale cu posibilitatea reducerii lor prin profilaxie genetic (sfat genetic). n raport cu materialul biologic utilizat n experienele de genetic se poate vorbi de urmtoarele ramuri ale geneticii: genetica microorganismelor, genetica uman, genetica animal, genetica vegetal sau mai la amnunt genetica porumbului, genetica soiei etc. Materialul biologic utilizat, n special n studiile de genetic clasic trebuie s prezinte urmtoarele particulariti: s posede caracteristici bine conturate, uor de urmrit (markeri genetici); s aib ciclu scurt de dezvoltare; s permit obinerea unui numr mare de descendeni; s posede un numr relativ mic de cromozomi ns de dimensiuni ct mai mari; s fie susceptibili la aciunea factorilor mutageni; s nu fie foarte scump i s fie relativ uor de ntreinut. Ca teste genetice ce ndeplinesc condiiile de mai sus, ntr-o msur mai mare sau mai mic, se poate utiliza: Drosophila; Neirospora; Escherichia; diferite virusuri, mai ales fagi; porumbul; bobul .a. n cercetrile genetice la nivel celular i molecular se poate face apel la o serie de tehnici de mare finee i complexitate precum i la o aparatur modern cum ar fi: microscopul electronic, ultracentrifugarea, spectroscopia de mas, electroforeza n gel de poliacrilamid, rezonana magnetic nuclear i rezonana electronic de spin, difracia razelor X, autoradiografia etc.

5

6

Capitolul 2 BAZELE CITOLOGICE ALE EREDITII Celula, ca form superioar a materiei vii, este unitatea morfologic i funcional de constituire a tuturor organismelor vii, cu excepia virusurilor. Celula posed metabolism individual, ciclu de via i energie proprie, fiind capabil de cretere i autoreproducere independent. 2.1. Virusurile Sunt forme acelulare de viata, strict parazite intracelular, lipsite de organizare celular si echipament enzimatic propriu, dar capabile de autoreproducere pe baza informatiei genetice coninute de genom. Sunt complexe moleculare, ce contin AND sau ARN i proteine. Un virus este alcatuit din genom, capsida si peplos. Dupa natura materialului genetic, virusurile sunt de doua feluri: adenovirusuri,care conin ADN si ribovirusuri, care conin ARN. Genomurile virale de tip ADN sau ARN pot fi monocatenare sau bicatenare. Virusurile ADN au genomuri cuprinse intre 3 si 200 kb, iar virusurile ARN au genomuri cuprinse intre 7 si 20 kb. Capsida este alcatuita din unitati elementare, de natura proteica, numite capsomere, dispuse dupa o anumita simetrie, alcatuind invelisul care protejeaza genomul. Capsida plus genomul alcatuiesc nucleocapsida. Peplosul este ntlnit la unele virusuri, fiind reprezentat de o membran de natur lipoproteic, derivat din sistemul de membrane al celulei gazda. Uneori peplosul prezinta o serie de prelungiri filamentoase cu rol de fixare pe celula gazda. 2.2. Organizarea celular a materiei vii n raport cu complexitatea structural a celulei, mai ales a nucleului, organismele vii aparin la dou tipuri de organizare: tipul procariot i tipul eucariot. 2.2.1. Organizarea celular la procariote Organizarea procariot este caracteristic bacteriilor (Schizomicetelor) i algelor albastre-verzi (Schizoficeelor). La procariote, celula este constituit din perete celular, membran plasmatic, citoplasm i nucleu (care ns nu este conturat de membran).

7

Citoplasma procariotelor nu este difereniat structural n organite (cu excepia ribozomilor). Ribozomii procariotelor cu constanta de sedimentare 70 S, au o densitate foarte mare. Nucleul este reprezentat printr-o singur macromolecul de ADN circular (cromozomul bacterian) mpachetat sub form de nucleotid.

Fig. 2.1. Schema de organizare a unei celule procariote (1 membrana celular; 2 perete celular; 3 citoplasma; 4 cromozom; 5 plasmide; 6 cili; 7 flageli)

La procariote materialul genetic cuprinde dou sisteme genetice: sistemul genetic nuclear i sitemul genetic citoplasmatic. Sistemul genetic nuclear cuprinde un singur grup de linkage, fiind constituit dintr-o macromolecul de ADN circular (cromozomul bacterian, genoforul sau lineomul) mpachetat sub form de nucleotid. Diviziunea celular este precedat de replicarea semiconservativ a ADN-ului, ns lipsesc fazele de spiralizare i despiralizare a cromozomului. Sistemul genetic citoplasmatic reprezentat prin plasmide, este un sistem genetic accesoriu. Plasmidele sunt uniti de replicare independente, formate din molecule de ADN de dimensiuni mici, circulare, ce poart un numr mic de gene implicate n unele procese metabolice i n rezistena la antibiotice. Unele plasmide au capacitatea de integrare n cromozomul bacterian (episomii), condiii n care funcioneaz odat cu acesta, ca de exemplu factorul de fertilitate (F).

8

2.2.2. Organizarea celular i a materialului genetic la eucariote Tipul eucariot cuprinde algele verzi, brune i roii, ciupercile, muchii, ferigile, gimnospermele, angiospermele i organismele animale. n linii mari, o celul eucariot este alctuit din membran, citoplasm i nucleu . Membrana celular (plasmalema) la plante este protejat de peretele celular de natur celulozo-pectic, avnd un rol scheletic. La animale, plasmalema reprezint un strat superficial de condensare plasmatic, peretele celular lipsind. Citoplasma nalt difereniat structural i funcional, este alctuit dintr-un complex de substane ce i confer o consisten semifluid i cuprinde: citosolul, sistemul de membrane sau reticolul endoplasmatic (neted i rugos) i organitele celulare (mitocondriile, aparatul Golgi, lizozomii, ribozomii, plastidele). Nucleul sau carionul este formaiunea cea mai reprezentativ a celulei din punct de vedere genetic i reprezint 1/4 - 1/3 din volumul total al celulei. Nucleul ca entitate morfologic, este alctuit din membran nuclear, cariolimf, nucleol, cromocentru i cromatin (cromozomi).

9

Fig. 2.2. Structura celulei vegetale

Membrana nuclear se ntlnete n interfaz. Este format din dou membrane lipoproteice, prevzute cu pori prin care se realizeaz schimburile dintre cariolimf i citoplasm. Membrana exterioar se racordeaz cu reticolul endoplasmatic, prin care realizeaz legtura ntre membrana nuclear i membrana celular. Are rol important n organizarea i funcionarea cromozomilor, precum i n procesul de replicare i transcriere a ADN. Cariolimfa, nucleoplasma sau matrixul nuclear este mediul n care sunt incluse formaiunile nucleare, putnd exista n stare de gel sau sol. Nucleolul este prezent n nucleu ca un corp sferic, vizibil n interfaz i profaz ataat la unii cromozomi n zona strangulaiei secundare. Numrul nucleolilor este caracteristic fiecrei specii.

10

Cromatina reprezint starea n care se gsete materialul cromozomal n interfaz, sub forma fibrei elementare de cromatin. Prin condensarea fibrei elementare de cromatin, n cursul diviziunii celulare se pot evidenia cromozomii.Regiunile din cromozom cu cromatina intens colorat (regiunile nvecinate cu centromerul, satelitul sau telomerii) sunt alctuite din heterocromatin, iar regiunile mai puin colorate din eucromatin.

Materialul genetic al eucariotelor aparine la dou sisteme genetice: sistemul genetic nuclear i sistemul genetic citoplasmatic. Sistemul genetic nuclear este reprezentat de mai muli cromozomi, care n celulele somatice sunt dispui n perechi omoloage. Sistemul genetic citoplasmatic este reprezentat de molecule de ADN circulare, localizate n principal la nivelul mitocondriilor i al plastidelor, cu dimensiuni de pn la 2500 kb n cazul mitocondriilor i pn la 190 kb n cazul plastidelor. Este independent de sistemul genetic nuclear, avnd mecanism propriu de transcriere i traducere a informaiei genetice. 2.2.2.1. Cromozomii organismelor eucariote Principalii purttori ai informaiei genetice la eucariote sunt cromozomii, structuri prezente n nucleul celular. Acetia sunt constituii din cromatin, ce conine aproximativ 60% proteine, 35% acid dezoxiribonucleic (ADN) i 5% acid ribonucleic (ARN). Dup funciile lor, cromozomii sunt de dou tipuri: autozomi, ce variaz ca numr de la o specie la alta i heterozomi sau cromozomi ai sexului. Celulele somatice conin dou seturi de autozomi i doi heterozomi XX i XY, iar celulele sexuale conin un set de autozomi i un heterozom. Morfologia cromozomului eucariot se refer la aspectul exterior al cromozomului metafazic, vizibil la un microscop optic. Din punct de vedere morfologic, cromozomul eucariot prezint urmtoarele formaiuni: cromatidele surori, centromerul, constricia secundar, telomerii, satelitul i knobul. Cromatidele surori sunt dou uniti structurale identice genetic, unite la nivelul centromerului. Fiecare cromatid are la baza o macromolecul de ADN. Centromerul (chinetocorul, strangulaia sau constricia primar) este zona cu care cromozomul se fixeaz de fibrele fusului de diviziune n cadrul ciclului celular i care mparte cromozomul n dou brae: braul scurt sau proximal (p) i braul lung sau distal (q). Poziia centromerului, definit de valoarea indicelui centromeric, determin diferitele tipuri morfologice de cromozomi (metacentrici, submetacentrici, acrocentrici sau telocentrici). Strangulaia sau constricia secundar este asemntoare centromerului, ns la nivelul ei cromatidele nu se unesc. Aceast zon a cromozomului se numete i organizator nucleolar, la acest nivel fiind ataat de obicei nucleolul. Telomerii sunt formaiuni terminale ale cromozomilor, ce le confer stabilitate. n lipsa telomerilor apare fuziunea acestora, avnd ca i consecin restructurrile cromozomale i modificarea morfologiei.

11

Satelitul sau trabantul este o formaiune facultativ, separat de restul cromozomului prin strangulaia secundar. De regul este dispus pe braul proximal al cromozomului. Knobul este o formaiune terminal sau subterminal heterocro-matic, dispus pe anumii cromozomi, cu valoare de marker citologic. Structura cromozomului eucariot se refer la alctuirea lui intrinsec. Elementul structural de baz al cromozomului este nucleosomul, alctuit dintr-un miez histonic (octamer) cu nlimea de 57 i diametrul de 110 , pe care se nfoar dou spire de ADN, ce corespund la 146 pb. ntre doi nucleosomi exist elemente de legtur, constituite din segmente scurte de ADN de 60 pb asociate cu componenta histonic H1 (fig.2.3.). Succesiunea mai multor nucleosomi determin formarea fibrei simple de cromatin, care la rndul ei se spiralizeaz sub form de solenoid i formeaz fibra elementar de cromatin, cu diametrul de 300 , care constituie elementul de baz al cromozomului. n interfaz cromozomii se gsesc sub aceast form elementar de cromatin.

Fig. 2.3. Formarea fibrei simple i a fibrei elementare de cromatin Compoziia chimic a cromozomului eucariot. Cromozomii sunt alctuii din cromatin, substana fundamental, ce conine acizi nucleici i proteine, lipide i poliglucide, ioni de calciu i magneziu. ADN-ul nuclear reprezint aproximativ 95% din totalitatea ADN-ului celular, este rspunztor de stocarea informaiei genetice i continuitatea ei de la o generaie la alta. Cantitatea constant de ADN din fiecare cromozom este supus unei variaiuni ciclice, determinat de separarea cromatidelor n cadrul ciclului celular. ADN-ul din care este constituit cromatina poate fi de dou feluri: ADN cu coresponden de codare i ADN fr coresponden de codare. ARN-ul cromozomal se gsete n cantitate diferit n celulele diferitelor organe, reprezentnd aproximativ 10% din cantitatea de ADN.

12

Proteinele se prezint sub form de nucleoproteine i sunt de dou feluri: histone i nonhistone. E.HEITZ (1928) a clasificat cromatina sub raport ontogenetic n dou categorii: eucromatina i heterocromatina. Eucromatina prezint n cursul ciclului celular un proces tipic, normal de condensare i despiralizare, precum i o capacitate normal de colorare. Este despiralizat n interfaz i condensat n timpul diviziunii celulare, este transcris n interfaz. n raport cu dinamica procesului de transcripie, eucromatina poate fi activ, ce cuprinde gene transcrise continuu i permisiv ce cuprinde gene transcrise doar sub aciunea unor ageni inductori (hormoni). Heterocromatina este permanent condensat, att n interfaz, ct i n timpul diviziunii celulare, de regul nu este transcris, posed o structur dens, care se coloreaz intens. S.BROWN (1975) clasific heterocromatina n constitutiv i facultativ. Heterocromatina constitutiv este localizat n zona centromerului i a telomerilor. n interfaz apare sub forma cromocentrilor nucleolari. Heterocromatina facultativ, care se observ la unul din cei doi cromozomi X de la femelele de mamifere care se inactiveaz n primele 3-4 zile dup formarea zigotului, putnd fi identificat sub forma corpusculului Barr sau a cromatinei sexuale. Caracteristicile cariotipului la eucariote Caracteristicile cromozomilor sunt exprimate prin numrul, forma i mrimea acestora, alturi de elementele morfologice. Numrul, forma i mrimea cromozomilor dintr-o celul somatic constituie cariotipul unui individ sau al unei specii. Acesta reprezint un criteriu de identificare a speciilor. Numrul cromozomilor variaz de la o specie la alta i este relativ stabil pentru indivizii aparinnd unei uniti taxonomice. n celulele somatice cromozomii sunt dispui n perechi, unul de origine matern i altul de origine patern (cromozomi omologi) avnd aceeai form, aceeai mrime i aceeai valoare genetic, alctuind garnitura diploid, notat 2n. n celulele sexuale sau gamei exist un singur set de cromozom, adic cte un cromozom din fiecare pereche, numrul lor fiind redus la jumtate. Aceasta este starea haploid care se noteaz cu n. Forma cromozomilor se stabilete n metafaza diviziunii mitotice, cnd cromozomii ating maximum de contracie, n funcie de poziia centromerului. n anafaz, ca urmare a ndoirii braelor cromozomale la nivelul centromerului, pot apare configuraii n forma literei V, L sau I. Mrimea cromozomilor difer de la o specie la alta i de la un cromozom la altul. Lungimea lor variaz ntre 2 i 220 microni, iar grosimea ntre 0,2 i 2 microni. Datorit caracteristicilor morfologice, fiecare cromozom poate fi identificat n celulele indivizilor. Astfel, cu toate modificrile care apar pe parcursul diviziunilor celulare, cromozomii apar n celulele fiice i n celulele generaiilor urmtoare n acelai numr, cu aceeai form i mrime, ceea ce permite individualizarea i recunoaterea lor n cadrul complexului cromozomal.

13

2.3. Reproducerea celular Substratul material al ereditii se caracterizeaz prin continuitate. Aceast proprietate se realizeaz la nivel celular i se asigur prin reproducerea sa cu fidelitate, transmindu-se odat cu diviziunea, de la o celul la alta i n procesul de reproducere, de la o generaie la alta. 2.3.1. Ciclul celular mitotic i semnificaia sa genetic Ciclul celular mitotic se desfoar n celulele somatice i poate fi definit ca fiind diviziunea celular n urma cruia plecnd de la o celul mam cu un anumit numr de cromozomi, rezult dou celule fiice cu acelai numr de cromozomi ca i celula mam, identice genetic ntre ele, identice i cu celula mam de la care au provenit. Este diviziunea care asigur nmulirea celulelor i creterea organismelor. n cadrul ciclului mitotic se disting dou etape: diviziunea nucleului sau cariochineza i diviziunea citoplasmei sau citochineza.

Fig.2.4. Ciclul celular mitotic: 1 interfaza; 2 profaza; 3 metafaza; 4 anafaza; 5- telofaza

Cariochineza. Procesele care afecteaz materialul genetic n cariochinez sunt mprite n interfaz i mitoza propriu-zis. Interfaza sau interchineza este faza dintre dou mitoze succesive.

14

La microscopul optic se observ nucleul conturat de membrana nuclear, cromozomii fiind prezeni sub forma fibrei elementare de cromatin, nu pot fi individualizai. n cadrul nucleului pot fi vzui unul sau mai muli nucleoli. n funcie de momentul sintezei ADN-ului, interfaza se mparte n trei etape: G1, S i G2. Faza G1 sau prereplicativ se caracterizeaz prin sinteza proteinelor i a ARNului. Cromozomii sunt monocromatidici. Faza S, faza de sintez sau faza replicativ este perioada de biosintez a ADNului concomitent cu sinteza proteinelor histonice, astfel c fiecare cromozom devine bicromatidic, cele dou cromatide surori fiind identice. Faza G2 sau postreplicativ este perioada de postsintez n care are loc maturarea nucleului i pregtirea sa pentru diviziunea propriu-zis. Procesele care au loc n interfaz i, ca urmare, interfaza nsi, ocup majoritatea ciclului celular, reprezentnd aproape dou treimi din durata acestuia. Mitoza (mitos = filament, osis = condiie, gr.)cuprinde patru faze: profaza, metafaza, anafaza i telofaza. Profaza (pro = nainte, phasis = faz, gr.). Debutul profazei este marcat de apariia n cadrul nucleului a cromozomilor sub forma unor fibre subiri i lungi. n profaz dispar nucleoli, se dezorganizeaz membrana nuclear i se constituie fusul de diviziune. Metafaza (meta =dup, gr.). Cromozomii ajuni la condensarea maxim se ataeaz cu ajutorul centromerului de fibrele fusului de diviziune i se aliniaz la centrul celulei, formnd placa metafazic sau placa ecuatorial. n metafaz se poate determina numrul, forma i mrimea cromozomilor, elemente ce definesc cariotipul unei specii. Anafaza (ana = n urm, gr.). Se caracterizeaz prin clivarea longitudinal a cromozomilor, dup ce n prealabil s-a produs clivarea centromerilor. Cromozomii monocromatidici se deplaseaz cu centromerul nainte spre polii celulei. n anafaz se asigur repartizarea aceleai informaii genetice la celulele fiice, avnd n vedere faptul c cele dou cromatide surori sunt identice. Telofaza (telos = capt, gr.). Este un proces invers profazei. n cursul telofazei fibrele fusului de diviziune dispar, iar cromozomii monocromatidici ajuni la cei doi poli se despiralizeaz, se subiaz i iau aspectul unui ghem (spirem). Are loc procesul de reconstituire a membranei nucleare i a nucleotidelor. Citochineza. n esuturile somatice, n condiii normale, cariochineza este urmat de diviziunea citoplasmei. La celula vegetal, care prezint perei celulari rigizi, diviziunea citoplasmatic are loc prin apariia la centrul celulei a unui corpuscul plasmatic denumit fragmoplast, de forma unui inel, care treptat i umple lumenul cu substane celulozo-pectice, care se transform n perete celular. La animale, citochineza const n apariia unei strangulaii n zona ecuatorial a celulei, care asigur separarea celulelor fiice. Anterior separrii celulelor fiice are loc repartiia organitelor citoplasmatice din celula mam n citoplasma celor dou celule fiice. Ciclul celular, prin sporirea numrului de celule i procesele de biosintez ce le implic asigur creterea organismului. n cadrul ciclului celular se asigur

15

continuitatea genetic n ontogenez, de la o celul la alta, prin copierea mesajului genetic n interfaz odat cu sinteza replicativ semiconservativ a ADN-ului i repartizarea acestui mesaj n cantiti riguros exacte celulelor fiice prin mecanismul mitozei, n anafaz. n consecin, n privina informaiei genetice nucleare, toate celulele sunt identice. Prin desfurarea mitozei se asigur, de asemenea, constana numeric, morfologic i structural a cromozomilor. n cazul organismelor ce se multiplic vegetativ precum i n cazul organismelor unicelulare prin desfurarea ciclului celular se asigur continuitatea genetic de la o generaie la alta n filogenez. 2.3.2. Ciclul celular meiotic i semnificaia sa genetic Ciclul celular meiotic sau diviziunea meiotic este un tip particular de diviziune celular, caracteristic organismelor ce se nmulesc pe cale sexuat i n urma creia dintr-o celul somatic cu 2n cromozomi se formeaz 4 celule fiice cu n cromozomi, diferite genetic ntre ele, diferite i fa de celula mam de la au provenit. Diviziunea meiotic se desfoar n celulele specializate, numite i celule germinale, localizate n organele de reproducere. Acest tip de ciclu celular implic dou diviziuni succesive, meioza I i meioza II, interfaza fiind prezent o singur dat, la nceputul ciclului celular, avnd ca finalitate formarea gameilor (fig.2.5.). Meioza I (meioza primar, heterotipic sau reducional). n meioza I are loc reducerea la jumtate a numrului de cromozomi, precum i fenomene de recombinare genetic. Diviziunea meiotic are aceleai faze ca i diviziunea mitotic, att pentru meioza I ct i pentru meioza II, ns profaza I este mai complex. Profaza I. n aceast faz cromozomii parcurg o serie de procese sinaptice, ce se realizeaz n urmtoarele subfaze: letonem, zigonem, pachinem, diplonem i diachinez. n leptonem (leptos = subire, gr.) nucleul se mrete n volum, cromozomii apar sub forma unor filamente subiri, n lungul crora se pot distinge cromomerele. n zigonem (zygosis = unire, gr.), cromozomii omologi, unul de provenien matern i altul de provenien patern, se altur i se unesc doi cte doi, formnd cromozomi bivaleni. Fenomenul de conjugare a cromozomilor omologi se numete sinaps. mperecherea cromozomilor omologi este controlat genetic, realizndu-se strict gen alel la gen alel i se concretizeaz prin formarea complexului sinaptonemal, care permite realizarea recombinrii genetice prin crossin-over. Pachinemul (pachys = gros, gr.) se caracterizeaz prin condensarea cromozomilor, legtura dintre ei devine din ce n ce mai intim, devenind posibile fenomenele de recombinare prin crossing-over. Diplonemul (diplos = dublu, gr.) este definit de faptul c la fiecare bivalent se pot observa 4 cromatide, datorit tendinei omologilor de a se separa, ns ei rmn unii la nivelul chiasmelor. Aceast configuraie poart denumirea de tetrad cromatidic.

16

Diachineza (dia = prin, kinesis = micare, gr.) este reprezentat de condensarea i scurtarea puternic a cromozomilor. Spaiile dintre chiasme se mresc, chiasmele fiind deplasate spre extremitile cromozomilor, fenomen denumit terminalizare. La sfritul profazei I nucleolul i membrana nuclear dispar, formndu-se fusul nuclear, pe care se ataeaz configuraiile cromozomale bivalente. Metafaza I. Cromozomii bivaleni se aeaz pe fibrele fusului de diviziune, orientai cu centromerii spre polii opui, formnd placa ecuatorial. n metafaz sunt vizibile nc chiasmele care leag cromozomii fiecrei perechi. Anafaza I. Legtura dintre cromozomii omologi se diminueaz, nemaiexistnd complexul sinaptonemal care s menin bivalenii, astfel c acetia se separ n cromozomi bicromatici, ce migreaz spre polii celulei. n anafaza I are loc reducerea la jumtate a numrului de cromozomi i recombinarea genetic intracromozomal, datorit segregrii libere a perechilor de cromozomi. Telofaza I. Cromozomii, n numr haploid, se grupeaz n cei doi nucleoli, se formeaz membrana nuclear, se reorganizeaz nucleolii i apar dou celule haploide (o diad). Meioza a II-a (homotipic sau equaional) este asemntoare unei mitoze. Deoarece se petrece n celule cu numr haploid de cromozomi, mai poart i numele de mitoz haploid. Deci, toate procesele i etapele pe care le vor parcurge cromozomii sunt similare celor din mitoza normal. Fiecare din cele patru celule nou formate, conine combinaii diferite de gene, asigurndu-se astfel variabilitatea genetic. Ciclul celular meiotic este, de fapt, un ciclu nchis n sensul c celulele rezultate n urma meiozei nu mai reiau ciclul ntruct, la animale, acestea nu se mai divid urmnd a funciona ca i gamei n procesul de fecundare, sau, la plante, sufer un numr limitat de diviziuni mitotice haploide n procesul de formare a gameilor. Ciclul celular meiotic contribuie la realizarea a dou funcii biologice majore: diversitatea lumii vii, asigurnd variabilitatea genetic a gameilor i continuitatea genetic de la o generaie la alta n procesul de fecundare, asigurnd constana numrului de cromozomi a descendenilor. Variabilitatea genetic a gameilor se asigur n cadrul proceselor de recombinare intracromozomal prin crossing-over n profaza meiozei I i intercromozomal la nivelul setului haploid de cromozomi prin segregarea independent a perechilor de cromozomi omologi n anafaza meiozei I.

17

Fig. 2.5. Ciclul celular meiotic

18

Capitolul 3

CICLUL DE VIA I RECOMBINAREA GENETIC

Prin ciclu de via (evolutiv) se asigur continuitatea genetic de la o generaie la alta n filogenez i cuprinde alternarea unor generaii celulare haploide consecutive meiozei, n procesul de formare a gameilor (gametogeneza) cu a unor generaii celulare diploide, consecutive fecundrii. Gradul de reprezentare a celor dou generaii celulare, haploid i diploid, difer la plante i animale. 3.1. Ciclul de via la animale La animale generaia haploid este reprezentat exclusiv de celule sexuale, meioza suprapunndu-se aproape n totalitate procesului de gametogenez. Gametogeneza la animale cuprinde spermatogeneza sau procesul de formare a gameilor masculi i ovogeneza sau procesul de formare a gameilor femeli . Spermatogeneza are loc n epiteliul germinal al tubilor seminiferi ale gonadelor (testicule) ce este alctuit din celule diploide primordiale numite gonocite. Aceste celule cresc acumulnd substane de rezerv i prin diviziuni mitotice dau natere spermatogoniilor care n urma unor procese fiziologice de maturare se difereniaz n spermatocite de ordinul I capabile de a se divide meiotic. Spermatocitele de ordinul I sufer prima diviziune meiotic n urma creia rezult cte dou spermatocite de ordinul II haploide (n) care n urma celei de a doua diviziuni meiotice formeaz cte patru spermatide. Spermatidele n urma unui proces de maturare (spermiogenez) se transform n celule spermatice sau spermatozoizi ce reprezint propriu-zis gameii masculi maturi. Ovogeneza are loc n epiteliul germinal al gonadelor (ovare) ce este alctuit din celule primordiale diploide numite gonocite. Acestea prin diviziuni mitotice dau natere ovogoniilor care n urma unor procese fiziologice de maturare se difereniaz n ovocite de ordinul I capabile de a se divide meiotic. Acestea sufer modificri profunde att n citoplasm ct i n nucleu. Citoplasma crete n volum iar nucleul ia o poziie excentric, ovocitul de ordinul I suferind prima diviziune meiotic n urma creia rezult dou celule haploide diferite ca mrime: ovocitul de ordinul II, care primete aproape toat citoplasma, i primul globul polar, cu foarte puin citoplasm. n urma celei de a doua diviziuni meiotice ovocitul de ordinul II d natere, de asemenea, la dou celule simetrice, ovotida ce nglobeaz aproape toat citoplasma i al doilea globul polar, care se altur celorlalte dou celule asemntoare rezultate n urma celei de a doua diviziuni meiotice a primului globul19

polar. Ovotida n urma unui proces de maturare se transform n ovul ce reprezint gametul femel matur. Ambele tipuri de globuli polari se resorb n esuturile ovariene i nu particip la fecundaie. Ovulul conine o cantitate incomparabil mai mare de citoplasm comparativ cu spermatozoidul. Fecundaia (fecundus = roditor, lat.) reprezint un proces fiziologic complex ce const n unirea a dou celule specializate haploide (gamei) cu potene diferite (mascul i femel), urmat de contopirea nucleilor lor (cariogamie), n urma creia rezult o celul nou diploid, zigotul ce va da natere noului individ. Cariogamia se realizeaz n prima metafaz a diviziunii nucleilor dicarionului. La animale fecundaia este simpl, spermatozoidul unindu-se cu ovula. n cadrul acestui proces capul spermatozoidului, ce cuprinde mai ales nucleul, ptrunde n ovul, n timp ce coada, care conine aproape ntreaga citoplasm, rmne afar, degenernd rapid. Organismul ce urmeaz a se forma va avea o ereditate unic, dar provenit de la formele parentale prin intermediul gameilor. Prin diviziuni mitotice zigotul va da natere noului organism, evident n cadrul unui proces complex de difereniere celular, organism diploid care la maturitate, n urma meiozei va forma din nou gamei haploizi, ncheind astfel de via. Fecundaia are o semnificaie deosebit. Prin fecundaie se reface starea diploid. n procesul de fecundaie, prin unirea ntmpltoare a diferitelor tipuri de gamei se poate asigura o mare variabilitate a descendenilor. Dac considerm o specie cu "n" perechi de cromozomi, aceasta poate s produc n urma meiozei 2n tipuri genetice de gamei care unii n procesul de fecundare nedescriminatoriu, cu aceeai probabilitate, poate s dea natere la 2n x 2n zigoi i deci indivizi diferii. La om de pild, deoarece numrul diploid de cromozomi 2n =46, numrul posibil al tipurilor genetice de gamei este 223 = 8.388.608 iar numrul posibil al tipurilor de zigoi este enorm (223 x 223). Deci fecundaia producndu-se i ea randomizat, amplific i mai mult variabilitatea genetic rezultat n urma meiozei. Trebuie subliniat faptul c dei contribuia celor doi gamei n procesul de fecundaie, n ceea ce privete genele nucleare, este egal, n ceea ce privete genele citoplasmatice gametul femel are o pondere mult mai important de aceea caracterele controlate de gene citoplasmatice se transmit predominant pe linie matern. 3.2. Ciclul de via la plante La plante gradul de reprezentare a nivelului haploid i diploid difer n raport cu poziia pe care o ocup un anumit grup de plante pe scar evolutiv. n urma meiozei rezult celule haploide, care nu reprezint gamei ca i n cazul animalelor ci spori din care n urma unor mitoze haploide succesive va rezulta gametofitul (generaia haploid), formaiunea care va da natere sau va cuprinde gameii. Gameii n urma procesului de fecundaie vor da natere zigotului diploid i apoi prin diviziuni mitotice succesive se va forma sporofitul (generaia diploid), care n urma meiozei va produce din nou celule haploide (sporii), ncheindu-se astfel ciclu de via.

20

3.2.1. Ciclul de via la ciuperci Neurospora crassa, o ciuperc din clasa Ascomycetes este una din speciile mult utilizate n cercetrile de genetic, fapt pentru care ciclul su de via este foarte bine cunoscut. n urma meiozei rezult celule haploide numite ascospori care prin germinare, n urma unor mitoze haploide succesive vor da natere gametofitului haploid, foarte bine reprezentat prin nsi miceliul ciupercii (corpul ciupercii). Acesta se poate multiplica i vegetativ prin spori asexuai sau conidii. Miceliul haploid va da natere, n corpi de fructificaie numite protoperitecii, gameilor, masculi i femeli. Trebuie precizat faptul c miceliul este de dou tipuri (A i a) care nu se deosebesc morfologic dar acre se comport ca avnd potenialiti sexuale diferite, fecundaia fiind sub controlul alelelor A i a. n procesul de fecundaie are loc mai nti plasmogamia adic fuziunea citoplasmei celor doi gamei cu formarea unei celule cu doi nuclei numit dicariont. Dicariontul se poate divide mitotic de cteva ori formnd filamentele ascogene tot dicarionte. n urma fuzionrii nucleilor prin singamie rezult zigotul sau asca, adic sporofitul diploid. Nucleul ascei se divide meiotic i formeaz patru nuclei haploizi. Fiecare nucleu se mai divide odat mitotic astfel c rezult opt nuclei haploizi care dup ce se nconjoar cu citoplasm i membran celular se difereniaz n ascospori, ncheind astfel ciclul de via. Faptul c cei opt ascospori din fiecare asc sunt dispui n ordinea formrii lor uureaz efectuarea experienelor de analiz genetic, oferind posibilitatea evidenierii directe a raporturilor de segregare gametofitic. 3.2.2. Ciclul de via la plantele superioare Pentru ilustrarea acestui proces se va prezenta ciclul de via la porumb . S-a artat c meioza este caracteristic procesului de formare a gameilor (gametogeneza) ns n urma meiozei la plantele superioare rezult spori. n cazul n care din spori, n procesul de gametogenez urmeaz a se forma gamei masculi, sporii se mai numesc microspori iar procesul de meioz n urma cruia rezult se numete microsporogenez. Microsporogeneza se realizeaz la celulele specializate diploide difereniate din esutul subepidermal al anterelor, celule numite microscporocite. n cazul n care de la spori, n procesul de gametogenez urmeaz a se forma gamei femeli, sporii se mai numesc mega sau macrospori iar procesul de meioz n urma cruia rezult se numete mega sau macrosporogenez. Megasporogeneza are loc la celulele specializate diploide difereniate din esutul generativ al ovulului, celule numite megasporocite. Gametogeneza la plantele superioare cuprinde microgameto-geneza sau procesul de formare a gameilor masculi i mega sau macrogametogeneza adic procesul de formare a gameilor femeli. Microgametogeneza se realizeaz n urma a dou diviziuni mitotice haploide pe care le sufer nucleul fiecrui microspor. n urma primei diviziuni mitotice rezult doi nuclei haploizi i anume nucleul generativ i cel vegetativ. Cea de-a doua diviziune o sufer numai nucleul generativ n urma creia rezult ali doi nuclei haploizi sau spermatiile ce reprezint de fapt gameii masculi. Microsporul mpreun cu cei trei21

nuclei haploizi, n urma unui proces de maturare se difereniaz n grunciori de polen sau gametofitul mascul. Megagametogeneza se realizeaz n urma a trei diviziuni mitotice haploide pe care le sufer nucleul unui singur megaspor din cadrul celor patru rezultai n urma meiozei. Ceilali trei se resorb. n urma celor trei diviziuni mitotice rezult opt nuclei haploizi dintre care doi urmeaz a fuziona pentru a forma nucleul secundar diploid, trei nuclei se repartizeaz n apropierea micropilului reprezentnd oosfera cu cele dou sinergide, iar trei nuclei la polul opus reprezint antipodele. Megasporul mpreun cu nucleii menionai reprezint sacul embrionar al ovulului sau gametofitul femel. Elementele sexuale propriu-zise sunt reprezentate de oosfer i nucleul secundar. Fecundaia la plantele superioare (Angiosperme), cum este i cazul porumbului, este dubl. Dup germinarea grunciorilor de polen pe stigmat, prin tubul polenic ce strbate stilul spermatiile ajung n sacul embrionar unde una va fuziona cu nucleul secundar rezultnd un nucleu triploid de la care se va diferenia endospermul, iar cea de-a doua spermatie va fuziona cu oosfera rezultnd zigotul diploid de la care se va forma embrionul i apoi planta ntreag (sporofitul). n esutul generativ al anterelor i ovarelor celulele specializate vor intra din nou n diviziune meiotic n urma creia vor rezulta sporii, ncheindu-se astfel ciclul de via. Menionm faptul c la Gimnosperme precum i la celelalte plante inferioare, ca i n cazul animalelor, fecundaia este simpl. 3.3. Semnificaia biologic i genetic a ciclului de via Prin ciclul de via se asigur legtura ntre generaii, constana numrului de cromozomi i continuitatea genetic de la o generaie la alta n filogenez. Ciclul de via, prin fenomenele de recombinare genetic ce se realizeaz n cadrul meiozei i a procesului de fecundare, reprezint o important surs de variabilitate genetic, asigurnd materia prim pentru evoluie n cadrul procesului de selecie natural. Sporirea fazei diploide la plantele superioare a nsemnat un important salt evolutiv, conferind mai mult stabilitate speciilor n procesul de evoluie. Starea diploid permite acumularea n stare recesiv a unei importante rezerve de gene. Uneori mutaii recesive cu efecte detrimentale n condiii obinuite de mediu, se pot dovedi utile n condiii de mediu schimbate, contribuind la supravieuirea speciei. Faza diploid foarte bine reprezentat la ciuperci prin nsi corpul ciupercii i mai puin reprezentat la ferigi (prin protal) sau la muchi (prin protonem), este mult mai susceptibil influenelor condiiilor de mediu conferind speciilor o stabilitate mai redus. Orice modificare a informaiei genetice se poate manifesta plenar imediat dup producere, neexistnd alele dominante care s mascheze eventualele efecte negative ale acestor modificri. Ca o consecin direct, variabilitatea fenotipic i genetic la aceste organisme este deosebit de mare, variabilitatea ce ar putea constitui ansa supravieuirii speciei n condiii de mediu schimbate (DARLINGTON, 1963).

22

3.4. Ciclul de via la microorganisme Dac ciclul de via este privit sub aspectul consecinelor lui i anume aspectul recombinrii genetice care o determin, se poate vorbi de ciclu de via i la microorganisme, bacterii i virusuri, dei acestea nu prezint o meioz i o fecundaie caracteristic (SRB i colab., 1965). 3.4.1. Ciclul de via la virusuri n cele ce urmeaz ne vom referi mai n detaliu la ciclul de via a bacteriofagilor, virusurile celulelor bacteriene, deoarece la acetia ciclul de via a fost studiat mai n detaliu, bacteriofagii fiind direct implicai n unele fenomene de recombinare genetic bacterian. Bacteriofagii, posibil i alte virusuri, pot s prezinte dou tipuri de cicluri de via: ciclul de via litic i ciclul de via lizogenic. Ciclul de via litic, specific anumitor tipuri de fagi numii viruleni, se caracterizeaz prin nsuirea acestora de a produce, dup multiplicarea lor, liza celulei bacteriene gazd. Fazele ciclului de via litic sunt urmtoarele : Adsorbia fagilor la suprafaa celulei bacteriene, fagii fixndu-se de celula bacterian prin intermediul fibrelor cozii; Infecia prin injectarea materialului genetic n celula bacterian; Eclipsa (faza vegetativ), faz n care fagii nu pot fi observai deoarece n celula bacterian a ptruns numai materialul genetic de dimensiuni moleculare. n aceast faz are loc depolimerizarea ADN din celula gazd cu ajutorul dezoxiribonucleazei sintetizat pe baza informaiei genetice virale, precum i sinteza acizilor nucleici virali i a proteinelor virale structurale ce particip la formarea capsidei. Concomitent are loc i sinteza lizozimului, enzim ce va determina liza bacteriei n faza urmtoare. Liza este faza n care, sub aciunea lizozimului, celula bacterian este lizat elibernd fagii maturi capabili de noi infecii, ncheindu-se astfel ciclul litic de via. Ciclul de via lizogenic, specific anumitor tipuri de fagi temperai simbiotici sau lizogeni (de exemplu fagul lambda), se caracterizeaz prin proprietatea acestora, de fapt a materialului lor genetic, de a se integra n cromozomul bacterian sub form de profag. Integrarea n cromozomul bacterian este consecina unui crossing over, adic a unei recombinri genetice unice, fenomen numit reducie. La virusul lambda ataarea i apoi integrarea este specific la situl att (attachment, engl.) al bacteriei Echerichia coli, ntre genele gal i trp. Profagul se replic odat cu cromozomul bacterian, genele proprii pentru sinteza proteinelor structurale fiind represate, lizogenia fiind transmis urmtoarelor generaii celulare. Bacteriile ce poart fagi integrai (profagi) se numesc bacterii lizogene, deoarece n condiii speciale, sub aciunea unor substane mutagene (mitomicina, azotiperite) sau a razelor ultraviolete, mai rar spontan, sunt capabile de a produce liza bacteriei, n urma exciziei profagilor din cromozomul bacterian i sintezei particulelor fagice mature. Acest fenomen se mai numete inducia (inducia profagului). Inducia

23

se datoreaz blocrii sintezei ADN-ului celulei gazd i implicit al represorului ce blocheaz informaia genetic a fagului, astfel c condiia lizogen nu mai poate fi meninut. Inducia mai poate fi consecina conjugrii unei bacterii lizogene cu o bacterie nelizogen, dac bacteria lizogen este donor. n aceste condiii bacteria lizogen poate transfera odat cu cromozomul bacterian i profagul. Deoarece n bacteria receptor represorul lipsete urmeaz excizia profagului, formarea particulelor virale mature i liza bacteriei. Aceast inducie se mai numete inducie zigotic fiind consecina unirii a dou celule prin conjugare. 3.4.2. Recombinarea genetic la virusuri Fenomenul de recombinare genetic la virusuri a fost pus n eviden pentru prima dat de ctre DELBRCK i HERSEY n anul 1946, independent unul de cellalt (dup TUDOSE, 1982). Pentru aceasta au fost efectuate infecii mixte cu mutante ale fagului T2 (rh+ x r+h). Mutanta r (rapid, engl.)provoac o liz rapid a celulelor bacteriene de E.coli pe care le paraziteaz, provocnd pe mediul de cultur plaje de liz mari cu marginile clare, fr halou spre deosebire de tipul slbatec care formeaz plaje de liz mici cu halou. Mutanta h (host range =irul de gazde, engl.) are capacitatea de a liza att sua de E.coli, n mod obinuit sensibil la infecia fagic, ct i sua B2, n mod obinuit rezistent la infecia fagic. Tipul slbatec h+ nu este capabil de a infecta numai sua B. Prin infectarea unei culturi de E.coli n amestec de sue, formele parentale (fagii) pot s determine urmtoarele fenotipuri (aspect al plajelor de liz): Forma parental (rh+) determin plaje mari, ca urmare a prezenei genei mutante r ce determin liza rapid a bacteriilor, dar tulburi deoarece gena slbatec h+ nu permite liza bacteriilor aparinnd suei B2 care determin aspectul mat al plajei; Forma parental (r+h) determin plaje mici, ca urmare a prezenei genei slbatice r+ ce determin liza nceat a bateriilor, dar clare deoarece gena mutant h permite liza ambelor sue bacteriene. Spre surprinderea cercettorilor s-au obinut i fenotipuri recombinate care manifestau cte una din caracteristicile fiecrei gene parentale dup cum urmeaz: - plaje mari clare, probabil datorit prezenei genelor rh, genotip recombinat; - plaje mici tulburi, probabil datorit prezenei genelor r+h+, genotip recombinat.De regul acestea sunt gene mutante condiionat letale care n anumite condiii, de temperatur de exemplu, n cazul mutantelor termosensibile (ts), determin moartea organismului (fagului), datorit incapacitii de a ncepe sinteza ADN sau datorit incapacitii de a forma fibrele cozii n cazul n care este afectat gena responsabil de acest caracter .a. Dup cum s-a demonstrat harta genetic la fagul T4 este circular.

3.4.3. Recombinarea genetic la bacterii

24

La bacterii recombinarea genetic presupune un transfer de material genetic de la o bacterie la alta. Acest transfer se poate realiza pe patru ci, prin transformare bacterian, conjugare bacterian, sexducie (F ducie) i transducie. Indiferent de calea prin care se realizeaz transferul materialului genetic prezint cteva caracteristici mai generale: Transferul de material genetic este unidirecional, de la o form donoare la una receptoare; Transferul este secvenial, putnd s fie transferate gene izolate sau fragmente cromozomale ce nglobeaz mai multe gene; n mod obinuit materialul genetic transferat (exogenotul) se integreaz pe baz de omologie prin crossing over unilateral n locul materialului genetic propriu celulei gazd (endogenot), avnd ca i consecin genetic recombinarea. naintea realizrii integrrii, materialul genetic ce corespunde exogenotului este prezent n stare diploid formnd merozigotul. La nivelul unui locus alelele pot fi identice (homogenote) sau diferite (heterogenote). Pentru punerea n eviden a recombinailor (formele recombinate) este necesar s se lucreze cu tulpini bacteriene marcate i cu anumite medii de selecie. Ca markeri genetici se pot utiliza unele gene mutante ce controleaz unele caractere individuale i clonale. Caracterele individuale pot fi caractere morfologice: forma celulei, dimensiunile ei, pigmentaia, particulariti ale peretelui celular; caractere biochimice: particulariti ale compoziiei chimice ale celulei evideniate prin metode de colorare, prezena unor pigmeni. Caractere clonale ale coloniei de indivizi sau a clonelor, pot fi: caractere morfologice: forma, dimensiunile, caracterul suprafeei sau culoarea coloniei; caractere biochimice i culturale: capacitatea de a elimina n mediu unele substane; tipul de respiraie; tipul de nutriie; auxotroficitatea (necesitatea celulelor fa de anumii factori de cretere aminoacizi, vitamine, baze azotate ale acizilor nucleici pe care celula, spre deosebire de formele slbatece prototrofe, nu este capabil s-i sintetizeze astfel c trebuie adugai la mediul minimal); reacia fa de factorii fizici ai mediului (temperatura, lumina); rezistena la antimetabolii i antibiotice; unele reacii biologice ca patogenitatea fa de alte organisme, specificitatea virusurilor n raport cu gazda, rezistena la fagi; caractere imunologice: nsuiri antigenice (capacitatea de induce formarea de anticorpi); specificitatea serologic (reacia de aglutinare i precipitare a celulelor prin amestec cu anumite seruri), n experienele de recombinare genetic la bacterii frecvent se utilizeaz mutani auxotrofi complementari, n amestec pe un anumit mediu minimal de selecie pe care nici una din colonii nu se poate dezvolta. De exemplu, dac se cultiv mpreun mutante auxotrofe leucin dependente cu forme mutante metionin dependente ce au formula genetic: leu met+ respectiv leu+ met, pe un mediu de selecie deficitar n leucin i metionin, coloniile care se dezvolt pe acest mediu nu pot fi dect rezultatul recombinrii genetice avnd formula genetic leu+ met+.

25

1. Transformarea bacterian ca prim cale de realizare a recombinrii genetice, reprezint modificarea ereditar a unor bacterii prin intermediul unor fragmente de ADN strin (exogen), provenit de la o alt tulpini bacterian nrudit. Fenomenul transformrii bacteriene a fost observat pentru prima oar de GRIFFITH (1928) n cadrul experienelor cu pneumococi (Diplococcus pneumoniae) efectuate pe oareci. n experien a utilizat dou sue de pneumococi: viruleni care formeaz colonii netede capsulate de tipul serologic S III (smooth = neted, engl.) care prin inoculare mbolnvete animalele i neviruleni ce formeaz colonii rugoase datorit absenei capsulei polizaharidice de tipul serologic R II (rough = rugos, engl.) care prin inoculare nu mbolnvete animalele. n urma inoculrii unor oareci cu un amestec de pneumococi vii de tip R II i pneumococi de tip S III omori prin cldur, n mod neateptat oarecii s-au mbolnvit iar din sngele lor s-au izolat pneumococi vii de tipul S III. Se pare c tipul virulent, dei omort, a donat capacitatea de infecie tipului nevirulent. Transformarea este o hibridare bacterian de tip primitiv care se efectueaz prin tarnsferul determinanilor genetici ai unor caractere de la o bacterie donor la o bacterie receptor prin intermediul ADN-ului n cadrul unui proces de crossing over unilateral ce are ca i consecin recombinarea genetic. Pentru ca transformarea s aib loc bateria receptoare trebuie s se gseasc ntr-o stare fiziologic particular numit competen. Transformarea este un proces complex care se petrece n mai multe faze: adsorbia sau fixarea fragmentului de ADN la suprafaa celulei receptoare care posed receptori specializai acestei funcii. Fragmentul de ADN implicat n transforma nu reprezint dect 0,5% din genomul bacteriei receptoare; penetraia fragmentului de ADN n celula receptoare care devine rezistent la dezoxiribonucleaz; eclipsa este faza n care fragmentul de ADN dublu catenar este desfcut, sub aciunea unei endonucleaze, una din catene urmnd a fi degradat enzimatic. integrarea fragmentului de ADN monocatenar al donorului n molecula de ADN a receptorului, pe baz de omologie prin crossing over unilateral la nivel molecular. Catena omoloag a endogenotului este excizat enzimatic, fragmentul ADN al donorului (exogenotul) fiind integrat n cromozomul bacterian sub aciunea ligazei n condiiile sintezei ADN reparatorii, cu formarea temporar a unui heteroduplex, heterogenot pentru alelele implicate n transformare. n timpul replicrii ulterioare vor rezulta molecule de ADN segregante, homogenote de tipul donorului i homogenote de tipul receptorului (fig.3.7.). Frecvena cu care se realizeaz transformarea la bacterii este, de regul, foarte redus, sub 1%, frecvena fiind mai mic n cazul speciilor mai puin nrudite. Capacitatea de transformare a ADN-ului ntre specii demonstreaz gradul de nrudire filogenetic a acestor specii. n cazul n care datorit lipsei de omologie ADN-ul nu se integreaz n ADN-ul receptorului, genele donorului nu funcioneaz. Frecvena de recombinare prin transformare este funcie i de distana dintre gene, fapt ce poate permite ntocmirea hrilor genetice, distana ntre gene fiind exprimat n uniti procente de recombinare. Sub aspect teoretic fenomenul de transformare constituie un argument de baz n favoarea rolului genetic al ADN-ului, ca purttor i transmitor al informaiei

26

genetice. De asemenea prin determinarea frecvenei de recombinare pe baza fenomenului de transformare au putut fi ntocmite hri genetice la bacterii. 2. Conjugarea bacterian este un proces sexuat de unire a dou celule bacteriene, una mascul i alta femel, prin intermediul unor puni citoplasmatice, urmat de transferul unidirecional de material genetic, ce poate s aib ca i consecin recombinarea genetic. Bacteria mascul se caracterizeaz prin prezena unor plasmide numite factor de fertilitate F fiind notat (F+), celula femel nu conine astfel de plasmide fiind notat (F). Transferul de material genetic se face de la celula mascul spre cea femel. Materialul genetic transferat poate fi reprezentat din plasmide, cromozomul bacterian mpreun cu factorul de fertilitate integrat sau factorul de fertilitate mpreun cu un numr limitat de gene cromozomale. n cazul transferului plasmidelor bacteriene de tipul F celula femel devine mascul (F+). n cazul transferului cromozomului bacterian mpreun cu factorul de fertilitate integrat, rezult ca i consecin recombinarea genetic cu o frecven destul de mare, de aceea bacteriile ce posed factorul de fertilitate F integrat n cromozomul bacterian se mai numesc bacteriile Hfr (high frequency recombination = nalt frecven de recombinare, engl.). Acest fenomen de recombinare genetic a fost descoperit n legtur cu faptul c n culturile mixte de mutani auxotrofi au aprut tulpini prototrofe cu o frecven mult mai mare dect se putea presupune n urma fenomenului mutaional. Transferul se realizeaz n cadrul procesului de replicare a ADN-ului, n celula femel fiind transferat o copie a cromozomului bacterian din celula mascul, reprezentat prin ADN monocatenar. n urma acestui transfer cromozomul din celula receptoare se gsete ntr-o stare de diploidie parial i temporar numit merozigot. n urma unui proces de crossing over unilateral genele exogenotului sunt integrate n ADN-ul celulei receptoare (endogenot). Transferul ncepe, ntotdeauna, de la un punct de origine notat 0, situat n apropierea locului de integrare a factorului F, ultimul care se transfer fiind acest factor. 3. Sexducia (F ducia) reprezint transferul de material genetic de la o celul bacterian la alta prin intermediul factorului de fertilitate F modificat (F'). Modificarea const n faptul c acesta poate s poarte cteva gene cromozomale. Factorul F' provine prin detaarea factorului F din cadrul cromozomului bacterian al tulpinilor Hfr, n urma creia acest factor poate s preia un anumit numr de gene cromozomale. Genele transferate receptorului pot fi integrate n cromozomul acestuia n urma unui proces de crossing over unilateral, conducnd la apariia recombinrii genetice. Fenomenul de sexducie a fost depistat n legtur cu faptul c n cadrul experienelor de conjugare la E.coli transferul genei lac s-a produs mult mai devreme dect se atepta pe baza poziiei ei n grupul linkage. Celulele bacteriene care poart factorul F' pot fi convertite n celule Hfr n urma integrrii acestui factor n cromozomul bacterian. Transferul de material genetic reprezentat de gene izolate mai poate fi realizat i de ctre alte plasmide cum ar fi plasmida Cf ce poart informaia genetic necesar pentru sinteza colicinelor (substane proteice prezente la E.coli cu efecte nocive asupra altor bacterii nrudite) sau plasmide RTF (factorul de transfer al rezistenei la

27

antibiotice). Plasmida RTF mediaz transferul genelor de rezisten la antibiotice (R), avnd uneori capacitatea de a se integra n cromozomul bacterian. n urma detarii de acesta poate prelua i alte gene pe care le poate transfera unei bacterii receptoare n genomul creia pot fi integrate prin crossing over unilateral. Conjugarea bacterian are o importan deosebit datorit fenomenelor de recombinare genetic pe care le favorizeaz i care reprezint o surs foarte important de variabilitate n procesul de evoluie. n urma experienelor de conjugare bacterian au putu fi ntocmite hri genetice la bacterii. Hrile genetice obinute pe baza rezultatelor determinate de conjugarea ntrerupt sunt similare cu acelea alctuite pe baza analizei frecvenei de recombinare. 4. Transducia reprezint transferul de material genetic de la o celul bacterian la alta mediat de fagi, transfer ce poate s aib ca i consecin genetic recombinarea. Ca i ageni transductani pot funciona numai fagii temperai (lizogeni), transducia realizndu-se de la o baterie donor lizogen la o bacterie receptor neliozogen. n cadrul procesului de inducie fagic fagii eliberai din starea de profag pot s preia una sau mai rar dou gene din cromozomul bacterian pe care le poate transfera unor baterii receptoare nelizogene. Cantitatea de material genetic transferat prin transducie este foarte mic, nedepind 1% din cromozomul bacterian. De cele mai multe ori se transfer o singur gen i mai rar dou. Fenomenul prin care dou gene sunt transferate concomitent se numete cotransducie. Frecvena fenomenului de cotransducie este funcie de distana dintre gene, fiind cu att mai mare cu ct genele sunt mai apropiate. Pe aceast baz au putut fi ntocmite hri genetice la bacterii. Transducia poate s fie de patru feluri n raport cu specificitatea fenomenului i posibilitatea integrrii genei transferate n cromozomul bacterian al celulei receptoare: transducie specializat; transducie generalizat; transducie complet; transducie abortiv. Transducia specializat presupune transferul specific a anumitor gene, fagul integrndu-se n cromozomul bacteriei donoare pe baz de omologie, gena transferat fiind integrat n cromozomul bacteriei receptoare tot pe baz de omologie, prin crossing over unilateral. Transducia generalizat presupune transferul nespecific al diferitelor gene bacteriene, integrarea acestora n cromozomul bacteriei donoare fcndu-se nespecific, pe baz de ntmplare. Gena transferat este, de regul, integrat n cromozomul bacteriei receptoare tot pe baz de crossing over unilateral. Transducia complet caracterizat prin integrarea genelor bacteriene transferate de fagi n genomul bacteriei receptoare, gene care vor intra n aparatul genetic al acestora funcionnd normal, exprimndu-se fenotipic ca orice gen proprie, fapt ce conduce la manifestarea fenomenelor recombinative. Transducia abortiv caracterizat prin faptul c genele bacteriene transferate nu se integreaz n cromozomul bacteriei receptoare. Aceste gene nu se pot replica dar pot s funcioneze n procesul de transducie manifestndu-se fenotipic. Segmentul de ADN neinclus n cromozomul bacterian, neavnd posibilitatea de replicare, se transmite cteva generaii i numai la una din celulele fiice. Din aceast cauz pe un

28

mediu minimal se formeaz colonii mai mici numrul de celule care pot s supravieuiasc fiind mai mic, rezumndu-se doar la celulele ce poart genele transferate care fiind n stare diploid se manifest ca gene dominante n stare heterozigot. Fenomenul de transducie, ca i celelalte fenomene de recombinare genetic la bacterii prezint importan datorit fenomenelor de recombinare pe care le poate produce i care contribuie la sporirea variabilitii speciilor. Dup cum s-a mai artat, pe baza fenomenului de cotransducie este posibil ntocmirea hrilor genetice la bacterii.

29

Capitolul 4 EREDITATEA MENDELIAN

n concepia geneticii clasice, caracterele sunt particulariti morfologice ale unui organism, iar nsuirile se refer la particularitile fiziologice. La rndul lor, caracterele pot fi calitative i cantitative. Caracterele calitative sau caracterele mendeliene sunt acelea care prezint fenotipuri distincte, contrastante, cum ar fi: culoarea florilor i a seminelor, forma frunzei, prezena sau absena aristelor, pubescent-nepubescent etc. Caracterele cantitative se refer la particularitile care pot fi msurate i cuantificate, de exemplu: talia plantelor, masa fructelor, numr de boabe n spic, coninut n proteine etc. Caracterele calitative sau caracterele mendeliene sunt acelea care prezint fenotipuri distincte, contrastante, cum ar fi: culoarea florilor i a seminelor, forma frunzei, prezena sau absena aristelor, pubescent-nepubescent etc. Caracterele cantitative se refer la particularitile care pot fi msurate i cuantificate, de exemplu: talia plantelor, masa fructelor, numr de boabe n spic, coninut n proteine etc.. 4.1. Transmiterea ereditar a caracterelor calitative Cnd se urmrete transmiterea ereditar a caracterelor, trebuie stabilit determinismul genetic, influena mediului nconjurtor, variabilitatea i modul de analiz al transmiterii ereditare. Determinismul genetic n cazul caracterelor calitative este monogenic (adic o gen determin un caracter) sau oligogenic (un numr mic de gene dou sau trei realizeaz un caracter). Genele care controleaz caracterele calitative sunt gene majore, deoarece contribuia fiecreia asupra fenotipului este evident, puternic. Genele care controleaz caracterele calitative sunt puin influenate n expresia lor fenotipic de condiiile de mediu sau chiar deloc. Caracterele calitative prezint o variabilitate discontinu, contrastant, alternativ, adic indivizii din generaiile segregante pot fi grupai n clase fenotipice distincte, ntr-o anumit proporie, proporie care definete raporturile de segregare.30

Analiza transmiterii ereditare se face n experiene de analiz genetic, care presupune hibridarea i analiza transmiterii caracterelor sau nsuirilor de la prini la urmai. Hibridarea este ncruciarea pe cale sexuat a unor organisme care se deosebesc ntre ele prin una, dou, trei sau mai multe trsturi individuale, distincte, bine conturate i analiza descendenilor obinui. Indivizii care se supun ncrucirii se numesc genitori sau prini i se noteaz cu P. Hibrizii care se obin din ncruciarea prinilor constituie prima descenden sau prima generaie hibrid i se noteaz cu F1 (filiaia nti). Generaiile care vor rezulta prin autofecundare sau ncruciarea indivizilor hibrizi din F1 se noteaz cu F2, descendenii lor cu F3 .a.m.d. Transmiterea monogenic n cazul transmiterii monogenice, specifice caracterelor calitative, un caracter este determinat de o singur gen. Exist situaii cnd o gen poate controla mai multe caractere (pleiotropia) sau cnd un caracter este determinat de un numr mare de gene (caracterele cantitative). Dup tipul relaiilor ce se stabilesc ntre genele alele (relaii de alelism), transmiterea monogenic poate fi dominant, intermediar i parial dominant, codominant i supradominant. 4.1.1. Transmiterea dominant (tip Pisum) n cazul transmiterii dominante, la un organism heterozigot, ntre genele alele se stabilesc relaii de dominan i recesivitate, n sensul c alela recesiv nu se manifest, fiind mascat de alela dominant. n acest caz hibridul F1 (Aa) are acelai fenotip cu printele homozigot dominant (AA) sau altfel spus Aa = AA (din punct de vedere fenotipic). Monohibridarea const n ncruciarea a doi indivizi din aceeai specie, care se deosebesc ntre ei printr-un singur caracter. Mendel a ncruciat dou soiuri de mazre, unul cu bobul neted i altul cu bobul zbrcit. n prima generaie hibrid, uniform, au aprut numai boabe netede. Acest caracter a fost denumit dominant, n timp ce caracterul bob zbrcit, care nu a aprut n prima generaie a fost numit recesiv. n generaia a doua (F2) indivizii formai au fost: 75% plante cu boabe netede i 25% plante cu boabe zbrcite, deci o segregare fenotipic n raportul 3:1. Prin autofecundarea plantelor din F2 s-a obinut generaia F3 care i-au manifestat caracterul respectiv astfel: - 25% din plante cu boabe netede au dat n generaia F3 i n generaiile urmtoare numai plante cu boabe netede; - 50% din plante, tot cu boabe netede, au dat n F3 descendeni cu boabe netede i zbrcite n raportul de 3:1, exact ca i hibrizii din F1; - 25% din plante, avnd boabe zbrcite, au dat n F3 i n generaiile urmtoare numai plante cu boabe zbrcite.

31

Din punct de vedere genotipic, n F2 segregarea se produce n raportul 1:2:1 (1 homozigot dominant AA, 2 heterozigot Aa, 1 homozigot recesiv aa), iar din punct de vedere fenotipic raportul este de 3:1. Rezultatele obinute la monohibridare i-au permis lui Mendel formularea primelor legi ale ereditii: 1. legea uniformitii primei generaii hibride datorit dominanei i recesivitii; 2. legea separrii factorilor ereditii n procesul de formare a gameilor, care consider c gameii sunt puri din punct de vedere genetic, nefiind influenai de coabitarea lor n organismul hibrid. Se remarc faptul c n cazul transmiterii dominante heterozigoii nu se pot deosebi de homozigoii dominani. Pentru a putea stabili constituia genetic a unui individ se poate recurge la autopolenizare sau ncruciare analizatoare. ncruciarea analizatoare este tipul de ncruciare care permite s se determine genotipul unor indivizi care au acelai fenotip (n cazul relaiilor de dominan i recesivitate) i const n retroncruciarea individului analizat cu forma parental recesiv (backcross) sau cu un alt tester, homozigot recesiv pentru caracterul analizat (testcross). Dac individul analizat este homozigot, descendena testcross va fi uniform (fig.3.1.a), iar dac individul analizat este heterozigot, n descendena testcross va apare segregarea n raport de 1:1 (fig.3.1.b). a) P:A

AAA

x x a

aaa

b)

P:

AaA a

x x

aaa a

gamei: Tc

gamei: Tc

Aa

Aa

Aa

aa

Fig. 3.1. ncruciarea analizatoare la monohibridare Determinarea constituiei genetice prin intermediul ncrucirii analizatoare prezint importan att pentru studiile de genetic ct i n lucrrile de ameliorare, n cazul alegerii genitorilor sau n cazul analizei genetice a rezultatelor obinute prin hibridare. Dihibridarea este ncruciarea ntre doi prini care se deosebesc prin dou caractere. Mendel a ncruciat mazre cu bobul de culoare galben (notat GG) i form rotund (notat RR) cu mazre cu bobul verde (notat gg) i form zbrcit (notat rr). Urmrite individual cele dou caractere, s-a stabilit c galbenul domin verdele, iar forma neted domin forma zbrcit. n prima generaie (F1) s-a obinut o descenden uniform, care manifest ambele caractere ale printelui dominant (boabe galbene i netede). Generaia F2, rezultat prin autopolenizarea plantelor din F1 a relevat faptul c este neuniform fenotipic, fiind alctuit din patru clase fenotipice: dou de tip32

parental - galben, neted i verde, zbrcit i dou fenotipuri noi - galben, zbrcit i verde, neted, rezultate din combinarea ntre ele a caracteristicilor prinilor. Pentru fiecare caracter, segregarea n F2 s-a produs n raport de 3:1, deci fiecare caracter segreg independent unul de cellalt. Urmrite n F2 dup felul cum apar mpreun cele dou caractere, s-a stabilit c acestea se recombin liber, fapt ce determin ca alturi de formele parentale s apar i forme recombinate, n urmtoarea proporie: - 9/16 - fenotip parental dublu dominant, G-N (3/4 x 3/4); - 3/16 - fenotip recombinat dominant-recesiv, G-nn (3/4 x 1/4); - 3/16 - fenotip recombinat recesiv-dominant, gg-N (1/4 x 3/4); - 1/16 - fenotip parental dublu recesiv gg nn (1/4 x 1/4). Hibridul F1 formeaz patru tipuri de gamei masculi i patru tipuri de gamei femeli (GN, Gn, gN i gn) din combinarea crora apare generaia F2. Din combinarea ntmpltoare a celor patru grupe de gamei se obin n F2 cele 16 feluri de combinaii, care grupate dup fenotip, dau raportul de segregare 9:3:3:1. Apariia unor clase fenotipice noi, diferite de formele parentale (tipuri recombinate cu semine galben, zbrcite i semine verzi i netede), l conduce pe Mendel la formularea celei de a treia legi i anume legea transmiterii independente i a liberei combinri a caracterelor. ncruciarea analizatoare n cazul dihibridrii se realizeaz prin ncruciarea individului analizat cu forma parental dublu recesiv sau cu un alt tester, homozigot recesiv pentru caracterul analizat (fig.3.2.). Dac individul analizat este dublu homozigot, descendena testcross este uniform. Dac individul analizat este heterozigot pentru o pereche de caractere, n descendena testcross apar dou clase fenotipice n proporie de 1:1, segregarea producndu-se pentru gena heterozigot. Cnd individul analizat este dublu heterozigot n descendena testcross apar patru clase fenotipice, n proporie egal, 1:1:1:1. a) P: gamei: Tc AABB xAB

aabbAB

x

AaBb (descenden uniform) x x aabbab

b) gamei: Tc

P:

AABbAB Ab

P: gamei: Tc

AaBBAB aB

x x

aabbab

AaBb Aabb 1:1

AaBb 1:1

aaBb

33

c)

P: gamei: TcAB

AaBbAb aB ab

x

aabbab

AaBb 1 :

Aabb 1 :

aaBb 1 :

aabb 1

Fig. 3.2. ncruciarea analizatoare n cazul dihibridrii a) Individul analizat este dublu homozigot b) Individul analizat este heterozigot pentru o pereche de gene c) Individul analizat este dublu heterozigot Prin experiene de polihibridare cnd se urmresc "n" perechi de factori alelici se pot obine urmtoarele rezultate: indivizi heterozigoi din generaia F1 pot forma 2n tipuri genetice de gamei, care n urma fecundrii pot da natere la 4 n combinaii genetice i pot rezulta 3n clase de segregare genotipic. Rezult 2n clase de segregare fenotipic, ntr-un raport de segregare ce rezult din dezvoltarea binomului (3/4 + 1/4)n.

4.1..2. Transmiterea intermediar i parial dominant n cazul experienelor lui Mendel, datorit fenomenului de dominan complet, heterozigoii (Aa) prezentau acelai fenotip ca i organismele homozigote (AA), ereditate dominant de tip Pisum. Transmiterea intermediar (sau ereditatea de tip Zea) este o relaie intraalelic n care heterozigotul din F1 (Aa) are un fenotip intermediar ntre cele dou forme parentale. Cercetrile privind transmiterea intermediar au fost efectuate de CORRENS (1909) la Mirabilis jalapa i de BAUR (1930) la Antirrhinum majus. Cazul clasic de analiz a ereditii de tip Zea implic studiul culorii florii, la gura leului, pe baza ncrucirii unor genitori homozigoi i anume: plante cu flori roii x plante cu flori albe. n generaia F1 plantele au produs flori de culoare intermediar, roz. Autopolenizarea plantelor din generaia F1 a determinat obinerea n F2 a 25% plante cu flori de culoare roie, 25% plante cu flori de culoare alb i 50% plante cu flori de culoare roz, deci un raport de segregare de 1:2:1. Rezult c heterozigoii prin fenotipul intermediar se disting de ambii prini homozigoi, iar segregarea fenotipic i cea genotipic apar n acelai raport de 1:2:1. Se poate concluziona c n cazul acestui tip de transmitere ereditar valoarea fenotipic a hibrizilor este egal cu media formelor parentale. n cazul dominanei pariale valoarea fenotipic a heterozigotului se apropie de valoarea unuia din prini. i n aceste condiii, heterozigoii se deosebesc de homozigoi.

34

4.1.3. Transmiterea codominant Codominana indic fenomenul ereditar n care ntre genele alele se stabilesc relaii de dominan simultan, fiecare alel avnd capacitatea de a-i exprima fenotipul propriu. Hibridul prezint caracterele ambilor prini homozigoi. n generaia F2 raportul de segregare fenotipic este egal cu raportul de segregare genotipic, adic 1:2:1. O interaciune alelic de codominan se manifest ntre alelele locusului care controleaz la om grupele sanguine din sistemul ABO. Acest locus are o serie de trei alele: IO, IA i IB. Heterozigotul IAIO produce grupa sanguin A, iar heterozigotul IBIO produce grupa sanguin B. IOIO produce grupa sanguin O, iar heterozigotul IA IB produce grupa sanguin AB, adic un fenotip nou, la care se manifest codominana. n cazul sistemului antigenic la om homozigoii LMLM produc antigene de tip M; homozigoii LNLN produc antigene de tip N, iar heterozigoii LMLN produc att antigene M ct i N. 4.1.4. Transmiterea supradominant Supradominana este un fenomen de relaie interalelic, n care un individ n stare heterozigot (Aa) determin o sporire sau o cretere a valorii fenotipice fa de indivizii homozigoi de tip parental (Aa>AA>aa). Acest fenomen este mai pregnant n cazul unor caractere cantitative, determinate poligenic, avnd importan n apariia heterozisului.

35

Capitolul

5

ABATERI DE LA RAPORTURILE DE SEGREGARE MENDELIENE n afar de experienele care confirm legile sau principiile mendeliene au aprut i rezultate care nu au putut fi explicate prin schemele propuse de Mendel pe baza rezultatelor obinute de el la mazre, majoritatea abaterilor viznd raporturile de segregare. Abaterile pot fi aparente sau reale, n funcie de cauzele care le genereaz. Aceste explicaii au dus treptat la ideea c fiecare caracter nu are o determinare genetic simpl, c este rezultatul aciunii unui ansamblu de factori genetici interni n interaciune cu factori externi ai organismului. 5.1. Abateri aparente Abaterile aparente de la segregarea mendelian presupun modificarea raporturilor de segregare, fie datorit unor relaii speciale ntre genele nealele fie datorit influenei condiiilor de mediu, dar cu pstrarea nealterat a suportului citologic, legat de formarea gameilor i zigoilor. 5.1.1. Pleiotropia Fenomenul de pleiotropie indic capacitatea unei singure gene de a determina la acelai organism dou sau mai multe caractere diferite ntre ele. Efectele pleiotrope au fost observate prima dat de Mendel la mazre, care a constat c o gen a afectat n acelai timp culoarea florilor (rou i alb), culoarea seminelor (gri i brun) i prezena sau absena petelor roietice de pe stipele. La Vicia faba L. s-a gsit o gen pleiotrop care determin lipsa total a pigmentaiei florale, absena taninului din tegumentul seminal i lipsa vicinelor i covicinelor din semine. La Drosophila au fost puse n eviden numeroase gene pleiotrope. Astfel, gena recesiv care determin apariia aripilor vestigiale, determin i micorarea numrului de ou, scderea fertilitii i modificarea poziiei periorilor pe corp. O particularitate a unor gene pleiotrope o constituie faptul c n experienele de hibridare relaiile de alelism se manifest specific, dominant sau recesiv pentru fiecare caracter n parte.36

Un exemplu n acest sens l poate constitui gena pleiotrop ce controleaz culoarea blnii i culoarea ochilor la oareci, alela c (albino) determinnd culoarea roz a ochilor i culoarea alb a blnii n timp ce alela ei c e (chinchilla) determin ochi negri i blan cafenie. n urma ncrucirii indivizilor homozigoi pentru cele dou alele, n F1 toi indivizii au fost cu ochi negri i blan alb ceea ce nseamn c n privina culorii ochilor dominant este alela ce, determinnd la heterozigoi ochi negri, iar n privina culorii blnii dominant este alela c, determinnd la heterozigoi blana alb. Concluzia a fost confirmat de raportul de segregare obinut n F 2 pentru fiecare din cele dou caractere. Dac se analizeaz indivizii generaiei F2, ce au segregat n privina ambelor caractere n raport de 1:2:1 oareci cu ochi negri i blan cafenie (cece); ochi negri i blan alb (cec); ochi roz i blan alb (cc), n privina raportului de segregare pentru fiecare caracter n parte, se constat c pentru culoarea ochilor segregarea s-a produs n raport de 3:1 (negru-roz) iar pentru culoarea blnii 3:1 (albcafeniu). Genele pleiotrope determin corelaii genetice foarte strnse ntre diferite caracteristici i menin aceste corelaii de-a lungul generaiilor. n afar de efectul lor uor de evideniat, corelaiile genetice permit realizarea unei selecii indirecte pentru unele caractere care se evideniaz mai greu (ex. caracteristici biochimice) pe baza unor caractere cu manifestare evident la nivelul fenotipului. 5.1.2. Interaciunea dintre genele nealele Pentru a fi obinute raporturile de mendeliene de segregare este necesar lipsa interaciunilor ntre genele nealele, localizate pe cormozomi diferii. Dac ntre genele nealele se stabilesc anumite interaciuni, raporturile de segregare vor fi alterate, alterare ce se constituie ca o abatere aparent de la legile de segregare mendelian. Se cunosc mai multe tipuri de interaciune ntre genele nealele i anume: complementaritatea, epistazia i criptomeria. 5.1.2.1. Complementaritatea Complementaritatea este fenomenul de interaciune ntre genele nealele n cadrul creia dou sau mai multe gene nealele coopereaz pentru a determina un caracter nou, specific, pe care nici una din ele nu-l poate determina singur. Complementaritatea poate fi de dominan, de recesivitate sau de dominan i recesivitate dup cum genele coopereaz prin alelele lor dominate, recesive sau dominante i recesive. Complementaritatea de dominan apare atunci cnd genele nealele coopereaz prin alelele lor dominante. Pentru exemplificare se consider modul de motenire a culorii florilor la Lathyrus odoratus, plant care are, n general, flori de culoare roie, dar i varieti cu flori albe. ncrucindu-se dou varieti cu flori de culoare alb s-au obinut n F1 plante cu flori de culoare roie, prin autopolenizarea crora n F2 au rezultat plante ce segregau n raportul de 9:7 (9/16 plante cu flori roii; 7/16 plante cu flori albe).

37

Raportul de segregare obinut 9:7 sugereaz un raport de segregare dihibrid alterat, deoarece suma proporiilor diferitelor clase fenotipice (9 + 7) este 16, cifr ce corespunde numrului de combinaii genetice n cadrul dihibridrii.

P: F1: F2:

Flori albe AAbb Genotip A B A bb aa B aa bb

Flori albe aaBB Aa Bb flori roii Raport genotipic 9/16 3/16 3/16 1/16 Fenotip rou alb Raport fenotipic 9:7

Fig. 5.1. Efectele complementaritii de dominan ntr-un sistem de doi loci. ncruciarea unor forme de Lathyrus odoratus, ambele cu flori albe i obinerea n generaia F2 a raportului de segregare 9 : 7 Complementaritatea de recesivitate nseamn apariia unui fenotip nou n urma interaciunii a dou sau mai multe gene nealele recesive n stare homozigot. Acest fenomen a fost observat de SHULL (1914) cu ocazia ncrucirii ntre Capsella bursapastoris, cu capsula n form triunghiular (AABB) i Capsella haegeri, cu capsula n form ovoidal (aabb). n descendena F1 a rezultat o descenden cu capsule triunghiulare (AaBb). n F2 s-au obinut 16 combinaii care segreg n dou grupe fenotipice, n raport de 15:1, adic 15 combinaii cu capsul triunghiular, deoarece conin cel puin o gen dominant i o combinaie cu capsula de form ovoidal, determinat de interaciunea genelor recesive n stare homozigot. Complementaritatea de dominan i recesivitate se caracterizeaz prin faptul c att genele nealele dominante ct i cele recesive coopereaz pentru a determina un fenotip nou specific. De menionat c n acest caz fiecare gen dominant, luat separat poate controla un fenotip propriu. Pentru exemplificare se consider modul de motenire a formei crestei la gini, fenomen constatat de BATESON i PUNNETT. Prin ncruciarea rasei Wyandotte, cu creasta n form de rozet i rasa Brahmas, cu creasta btut, n descendena F 1 s-au obinut indivizi cu creasta nuciform, cu caracter fenotipic nou. n generaia F2, rezultat n urma inter-ncrucirilor indivizilor din generaia F1, pe lng fenotipul generaiei F1, creasta nuciform i fenotipurile parentale, cu creasta rozet i creasta btut, s-au

38

obinut i indivizi cu creasta simpl, un nou caracter fenotipic, realizndu-se un raport de segregare 9:3:3:1.

5.1.2.2. Epistazia Epistazia const n mascarea expresiei fenotipice a unei gene numit hipostatic de ctre o alt gen nealel numit epistatic. Epistazia poate fi de dominan sau de recesivitate, dup cum gena epistatic este dominant sau recesiv. Epistazia de dominan se caracterizeaz prin faptul c gena epistatic este dominant. n acest caz exist dou situaii: a) cnd gena dominant poate s determine un fenotip propriu i b) cnd gena dominant nu poate determina un fenotip propriu. Raportul de segregare n cazul epistaziei de dominan cnd gena epistatic dominant are capacitatea de a determina un fenotip propriu este de 12:3:1. Un exemplu l ofer modul de motenire a culorii florilor la Dahlia variabilis. S-au ncruciat dou varieti de Dahlia, una cu flori galbene (YYII) i alta cu flori albe (yyii). La aceast specie exist dou gene independente: Y - culoare galben a florii; y - culoare alb a florii; Y - culoare ivoriu (fildeiu); i - alb. n generaia F1 s-au obinut numai plante cu flori galbene, iar n generaia F2 s-a obinut raportul de segregare tipic epistaziei de dominan, n proporie de 12 (plante cu flori galbene) : 3 (plante cu flori fildeii) : 1 (plante cu flori albe). Raportul de segregare rezultat sugereaz un raport dihibrid alterat. Apariia culorii fildeii n F2 presupune faptul c gena ce controleaz acest caracter (hipostatic) a fost purtat de printele cu flori galbene, ns nu s-a putut manifesta datorit prezenei unei gene dominante epistatice. n F2 proporia de segregare de 3/16 pentru flori fildeii corespunde proporiei genotipurilor recesiv-dominante (fig.4.2.). n cazul n care gena epistatic dominant nu are capacitatea de a determina un fenotip propriu, raportul de segregare n F2 este de 13:3. Acest tip de epistazie se manifest la ncruciarea ntre rasele de gini albe, Leghorn x Wyandotte. n F1 se obin gini albe, iar n F2 un raport de: 13/16 indivizi albi : 3/16 indivizi negri. P: F1: F2: Genotip Y I Y ii yy I yy ii YY II x yy ii flori galbene flori albe Yy Ii flori galbene Raport genotipic Fenotip Raport fenotipic 9/16 galben 3/16 galben 12 : 3 : 1 3/16 fildeiu 1/16 alb

39

Fig. 5.2. Evidenierea epistaziei de dominan, cnd gena epistatic poate determina fenotip propriu Raportul de segregare ce rezult sugereaz tot un raport dihibrid alterat, adic totalul de 16 combinaii indic aciunea a dou perechi de gene. Apariia culorii negre sugereaz faptul c gena ce determin acest caracter a fost purtat de unul din prini (Leghorn), alturi de o gen epistatic care inhib manifestarea aciunii genei pentru culoare. Culoarea neagr apare numai n prezena genei dominante ce produce culoarea i a genei recesive ii (fig. 4.3.). Notnd cu I gena epistatic i cu C gena hipostatic rezult: P: F1: F2: Genotip I C I cc ii C ii cc II CC Laghorn alb x ii cc Wyandotte alb Raport fenotipic 13 : 3

Ii Cc alb Raport genotipic Fenotip 9/16 alb 3/16 alb 3/16 negru 1/16 alb

Fig. 5.3. Evidenierea epistaziei de dominan, cnd gena epistatic nu are capacitatea de a determina fenotip propriu Epistazia de recesivitate se caracterizeaz prin faptul c o alel recesiv homozigot mascheaz aciunea altei gene reprezentat de alela dominant. Acest fenomen a fost observat la modul de motenire a culorii blnii la iepuri. S-au ncruciat dou rase: una de culoare neagr (Aa cc) i alta de culoare alb (aa CC), care poart (dar nu exteriorizeaz) genele pentru fenotipul slbatic (cenuiu). n F1 toi indivizii au fost de culoare cenuie (Cc Aa), culoarea tipului slbatic. Dac indivizii din F1 au fost ncruciai ntre ei, au rezultat n F2 trei fenotipuri i anume: 9/16 indivizi de culoare cenuie, 3/16 indivizi de culoare neagr i 4/16 indivizi de culoare alb (fig.4.4.). P: F1: F2: Genotip A C A cc aa C AA cc negru x aa CC alb Raport fenotipic 9:3:4

Aa Cc cenuiu Raport genotipic Fenotip 9/16 cenuiu 3/16 negru 3/16 alb

40

aa cc

1/16

alb

Fig. 5.4. Evidenierea epistaziei de recesivitate

5.2. Abateri reale de la raporturile de segregare mendelian Abaterile reale de la raporturile de segregare mendelian sunt determinate de participarea inegal sau lipsa de participare a unor factori alelici la structura genetic a descendenei, ca urmare a unor deranjuri n cadrul procesului de formare a gameilor sau zigoilor, precum i datorit supravieuirii inegale a descendenilor. Cele mai frecvente cauze ale abaterilor reale sunt: segregarea preferenial a cromozomilor, nondisjuncia cromozomilor omologi n meioz, formarea nerandomizat a zigoilor i letalitatea. Segregarea preferenial reprezint un deranj n procesul de formare a gameilor i const n includerea preferenial a unui cromozom n macrosporul bazal care va participa la formarea gametofitului femel. Consecina este reprezentat de modificarea raportului de segregare n favoarea genei alele purtate de cromozomul respectiv. Nondisjuncia cromozomilor n meioz reprezint incapacitatea unor cromozomi omologi de a se separa la anafaza meiozei I. Consecina nondisjunciei este formarea unui nucleu haploid cu un cromozom n plus i a celuilalt cu un cromozom n minus. Dac un gamet cu un cromozom n minus fecundeaz un gamet normal va rezulta n descenden un zigot cu un cromozom n minus, denumit monosom (2n-1), iar dac un gamet cu un cromozom n plus va fecunda un gamet normal va rezulta un zigot cu un cromozom n plus, denumit trisom (2n+1). Formarea nerandomizat a zigoilor reprezint fenomenul de unire preferenial, nerandomizat a gameilor n procesul de formare a zigoilor. Cauzele fecundrii prefereniale pot fi de natur genetic (cazul autoincompatibilitii, determinat de o serie alelic multipl, care nu permite grunciorilor de polen ce poart aceleai alele cu gametofitul femel s participe la fecundare) i cauze biologice (electivitatea n procesul de fecundare). Letalitatea reprezint moartea zigotului sau a unor indivizi nainte de maturitatea sexual, determinat genetic. Genele care determin moartea se numesc gene letale, se pot transmite dominant sau intermediar, respectiv pot fi gene dominante sau gene recesive, n stare homozigot sau heterozigot. n cazul transmiterii dominante efectul letal poate fi cauzat de gene dominante sau gene recesive. Genele dominante letale se elimin repede dintr-o populaie, deoarece se manifest att la homozigoi ct i la heterozigoi, n timp ce genele recesive se elimin mai greu, deoarece se manifest numai n stare homozigot. Indivizii heterozigoi, la care gena letal recesiv nu se manifest, dei exist, se numesc purttori.

41

Fenomenul de letalitate se ntlnete att la plante ct i la animale. La om, gena Epiloia, cauzeaz creterea anormal a pielii, afeciuni mintale i tumori, astfel c are efect letal, nc din tineree. Pentru exemplificare se consider varietatea brumrie a rasei Karakul, care are gena pentru culoarea brumrie (Br), dominant fa de gena pentru culoarea neagr (br), nlnuit cu o gen letal recesiv (l). Din