Genetica clasica

GENETICA CLASICA

1. GENETICA MENDELIANA

Metoda experimentala a lui Mendel

• J.G. Mendel - lot experimental - indivizi din specia Pisum sativum   

o       prima etapa - selectie riguroasa pe linii pure din punct de vedere genetic

o       etapa urmatoare - incrucisrea indivizilor din generatia parentala (P)

o       a II-a generatie - generatia filiala 1(F₁) = hibrizi

o       ultima etapa - a III-a generatiie - generatia filiala 2 (F₂)

1.a Incrucisarea monohibrida

Tabelul 2-1. Rezultatul unor experimente de monohibridare, facute de Mendel.

Figura 2-1. Monohibridarea intre homozigoti cu fenotip bob galben si bob verde.

Figura 2- Monohibridarea intre homozigoti cu fenotip bob neted si bob zbarcit.

1.b Incrucisarea monohibrida

• Mendel a testat transmiterea "factorilor ereditari" si prin :

o       autopolenizare - lot 750 plante din F₂ rezultate din monohibridare

• caracterul bob neted - bob zbarcit
• 1/4 din plante produc numai seminte netede
• 1/2 produc ambele tipuri
• 1/4 produc numai seminte zbarcite

o       retroincrucisare - hibrizi F₁ si descendenti recesivi ai liniei parentale

distributie 1 : 1 (1/2 + 1/2) intre caracterul dominant si cel recesiv

1.3. Determinismul ereditatii. Paradigma geneticii clasice

• Trasatura comuna a experimentelor lui Mendel

o       incrucisarea intre linii parentale pure (deosebite printr-un singur caracter)

o       F₁ - apare numai caracterul mostenit de la un singur genitor

o       F₂ - apar ambele caractere de la ambii genitori in raport de 3 : 1

• Concluziile extrase din experimentele de monohibridare au fost urmatoarele:

o       intodeauna descendentii din F₁ prezinta numai caracterul unui parinte

o       in F₂ reapar la descendenti diferiti ambele trasaturi parentale

o       caracterul care este prezent in F₁ apare in F₂ in proportie de ¾

o       caracterul care nu apare in F₁ este prezent in F₂ in proportie de 1/4

• caracterul unui genitor din P sarea peste F₁ si reaparea in generatia F₂
• Mendel a postulat - existenta unor particole materiale - "factori ereditari"

asociati in perechi pentru a determina caracterele

factor ereditar = gena

Paradigma geneticii mendeliene: o gena = un caracter

1.4. Dominanta si recesivitate

• genele care se manifesta in fiecare generatie = gene dominante
• apar la toti descendentii din F₁ si    la 3/4 din indivizii din F₂
• genele care sar peste o generatie = gene recesive
• nu apar in F₁ - reapar in proportie de 25% in generatia F₂

• variante alternative pentru aceeasi gena = alele
• simbolizare - prin caracterul italic al unei litere sau grupari de litere
• alela dominanta = majuscula (prima) litera latina / + dupa acronim
• alela recesiva = minuscula litera latina / grupare de minuscule

1.5. Genotip si fenotip

• genotip = perechea de alele care determina un caracter
• fenotip = trasatura observabila codificata de o pereche de alele
• combinatii genotipice:

o       alele dominante = genotip homozigot dominant → fenotip dominant

o       alela dominanta - alela recesiva = genotip heterozigot → fenotip dominant

o       alele recesive = genotip homozigot recesiv → fenotipul recesiv

1.6. Principiul segregarii

• concluziile lui Mendel:
• pentru fiecare caracter exista o pereche de alele specifice
• perechea de alele poate fi constituita din forme identice sau din variante
• pentru fiecare caracter gametii contin numai o singura alela
• partea esentiala a transmiterii ereditatii
• separarea alelelor dintr-o pereche atunci cand individul produce gameti
• separare = segregare - are caraccter probabilistic
• exemplu - fenotip dominant B + fenotip recrsiv O   
• F₁ (parinti) - descendenti cu fenotip dominant B (heterozigoti)
• F₂ (nepotii) - segregare:

cu genotip I^BI^B si fenotip dominant B (25%)

cu genotip I^Bi si fenotip dominant B (50%)

cu genotip ii si fenotip recesiv O (25%)

• legea I-a a lui Mendel

• orice caracter este determinat de o pereche de alele
• alelele segrega atunci cand individul produce gameti
• gametii transmit genele neschimbate de la o generatie la alta
• fiecare alela provine de la cate unul din cei doi genitori

Figura 2-3. Monohibridarea intre homozigoti cu fenotip de grupe sanguine B si 0.

Figura 2-4. Monohibridarea intre homozigoti cu fenotip Rh⁺ si Rh^-.

1.7.a. Incrucisarea dihibrida

• P - incrucisarea de linii parentale pure pentru 2 caractere diferite (dihibridare)
• fenotip dublu dominant: boabe galbene (G) - netede (N) (genotip GGNN)

o       fenotip dublu recesiv: boabe verzi (g) - zbarcite (n) (genotip ggnn)

• F₁ - toti urmasii prezentau caracterele unui singur genitor - dublu heterozigoti
• caracterele dominante: bob galben - neted (fenotip GN) (genotip GgNn)
• F₂ - apar 4 fenotipuri

• 2 existente la genitorii din generatia P: fenotip GN sau fenotip gn
• 2 asocieri noi de caractere: fenotip Gn sau gN - raport segregare = 3 : 1
• raport de segregare la dihibridare = 9 : 3 : 3 : 1

Tabelul 2- Raportul de segregare a unui caracter in experimente de dihibridare.

Tabelul 2-3. Rezultatele experimentelor de dihibridare facute de Mendel.

Figura 2-5. Dihibridarea intre indivizi cu fenotip dublu homozigot-dominant (N/G) si dublu homozigot-recesiv (zv).

1.7.b. Incrucisarea dihibrida

• dihibridare cu linii homozigot - rezultate identice

• dominante pentru un caracter
• recesive pentru al doilea caracter

Tabelul 2-4. Combinatiile genotipice posibile in dihibridare.

• 9 combinatii genotipice:

1) GGNN = 1/16

2) GGNn = 2/16

3) GgNN = 2/16

4) GGnn = 1/16

5) GgNn = 4/16

6) ggNN = 1/16

7) Ggnn = 2/16

8 ) ggNn = 2/16

9) ggnn = 1/16

• 4 combinatii fenotipice:

1. GN - genotipuri GGNN (1), GGNn (2), GgNN (2) si GgNn (4) =    9/16
2. Gn - genotipuri GGnn (1) si Ggnn (2) = 3/16
3. gN - genotipuri ggNN (1) si ggNn (2) = 3/16
4. gn - genotip ggnn (1) = 1/16

Tabelul 2-5. Testul incrucisarii dihibride (retroicrucisarea) a lui Mendel.

1.8. Principiul asortarii independente

• Concluziile lui Mendel din experimentele de dihibridare:

o       raportul de segregare a unui singur caracter in dihibridare este 3 : 1

o       raportul 9 : 3 : 3 : 1 din dihibridare = combinatie de 2 raporturi 3 : 1

reflecta existenta in proportii egale a 4 tipuri de gameti

o       alelele dintr-o pereche segrega independent fata de cele din alta pereche

• Legea a-II-a a lui Mendel: atunci cand individul produce gameti segregarea unei perechi de alele se face independent de segregarea altei perechi de alele
• intr-o alta formulare asortarea unei alele a unei gene nu este influentata de asortarea altei alele a altei gene
• exemplu:

• generatia P (bunici):

fenotipul B si Rh - genotip I^BI^BDD

fenotip O si Rh - genotip iidd

• generatia F₁ (parinti): se obtin dublu-heterozigoti cu fenotip dominant BRh
• generatia F₂ (nepotii): icrucisare dublu-heterozigoti fenotip BRh

segrega conform principiului asortarii independente

v     fenotip BRh - genotip I^BI^BDD (1), I^BI^BDd (2), I^BiDD (2), I^BiDd (4) = 9/16

v     fenotip BRh - genotip I^BI^Bdd (1), I^Bidd (2) = 3/16

v     fenotip ORh - genotip iiDD (1), iiDd (2) = 3/16

v     fenotip O Rh - genotip iidd = 1/16

Tabelul 2-6. Dihibridarea intre homozigotii I^BI^BDD si iidd.

- aplicatii practice - arbore genealogic (pedigree), analiza segregationala

Figura 2-6. Dihibridarea intre indivizi cu fenotip dublu homozigot-dominant (B/Rh⁺ si dublu homozigot-recesiv (0/ Rh^-).

GENETICA POSTMENDELIANA

1. Spectrul dominantei

1.1. Dominanta incompleta

• monohibridarea unor plante intre linii parentale pure

o       F₁ nu mai apar caractere dominant si recesiv, ci unul intiermediar

• Planta - barba imparatului (Miriabilis jalapa)

o       P - fenotip flori rosii + fenotip flori albe

o       F₁ - descendenti cu flori roz

o       F₂ - incrucisarea hibrizilor = segregare

flori rosii - flori roz - flori albe in raport 1 : 2 : 1

o       F₃ - prin autopolenizarea indivizilor din F₂ au aparut:

fenotip flori rosii → descendenti cu flori rosii = genotip RR

fenotip flori albe → descendenti cu flori albe = genotip rr

fenotip flori roz → descendenti cu fenotip diferit

v     rosu, roz si alb in proportie 1 : 2 : 1

v     indivizii din F₁ au fost heterozigoti Rr

v     in F₂ - segregarea alelelor in gameti conform legii I-a a lui Mendel

v     reasocierea la fecundare = genotipuri RR (1/4), Rr (1/2) si rr (1/4)

v     caracter intermediar intre dominanta completa - recesivitatea completa

v     dominanta incompleta (dominanta partiala, semidominanta)

• exemplu din genetica umana = heterozigotii pentru anemie falciforma
• homozigotii Hb^AHb^A - fenotip celular normal = discocit
• homozigotii Hb^SHb^S - fenotip celular patologic = siclemie
• heterozigotii Hb^AHb^S - exprima ambele fenotipuri - nu sunt bolnavi
• nivel de organism = fenotip normal - subiect sanatos
• nivel celular = asocierea fenotipuri celulare discocit - siclemie

Figura 2-7. Spectrul dominantei.

1. Codominanta

• codominanta = exprimarea egala a 2 variante fenotipice unei perechi de alele
• exemplu - grupele eritrocitare A si B
• determinate de Ag A si B = fenotipul A, respectiv B
• variante de fenotip - codificate de doua alele dominante I^A si I^B
• P - 2 genitori cu fenotip AB→ urmasi cu urmatoarele fenotipuri:

A (1/4) ← genotip homozigot dominant I^AI^A

AB (1/2) ← genotip heterozigot codominant I^AI^B

B (1/4) ← genotip homozigot dominant I^BI^B

v     raport de segregaare 1 : 2 : 1

exemplul - heterozigoti pentru anemie falciforma - genotip Hb^AHb^S

o       efectul de dominanta este diferit in functie de nivel:

de organism = dominanta completa a alelei Hb^A fata de alela Hb^S

v     fenotip normal - subiect sanatos

celular = dominanta incompleta a alelei Hb^A fata de alela Hb^S

v     asocierea fenotip celular normal - patologic

v     discocit - siclemie, fara efect patologic

molecular = codominanta celor doua alele Hb^A si Hb^S

v     se produc in cantitati egale ambele tipuri de hemoglobina

Alelismul multiplu

la un singur individ pot exista pentru un caracter cel mult doua alele

la indivizi diferiti pot exista pentru un caracter mai multe alele

o       mai mult de doua variante alelice pentru o gena = serie alelica

o       exemplul cel mai cunoscut

grupele sanguine: I^A, I^B si i

in cadrul alelelor I^A exista o subserie alelica: I^A-1 - I^A-6

in cadrul alelelor I^B exista o subserie alelica: I^B-1 - I^B-3

• exemplu - genele globinei umane = circa 300 de alele

o       alelele dominante - caracter normal = alele salbatece

larg raspandite avantajul selectiv

o       alelele modificate (dominante / recesive: rare) = alele mutante

3. Interactiunea dintre gene

dominanta si recesivitatea = proprietati intrinseci ale alelelor

alela dominanta nu o inhiba pe cea recesiva

efectele fenotipice confera caracterul de dominanta sau recesivitate

interactiunile genice = activitatea unei gene - influentate de o gena nealelica

o       epistaziea = influenta unei gene nealelice asupra exprimarii altei gene

o       pleiotropiea = influenta unei gene mutante asupra unor caractere diferite

exemplu - sindromul Marfan mutatie

v     statura inalta-gracila / defecte cardio-vasculare / miopie

exemplu - fibroza chistica de pancreas

v     mutatie CFTR F 508 proteina transportoare de Cl^-

v     functia anormala a glandelor exocrine: plaman, ficat, pancreas, mucoase, piele sau gonade

penetranta variabila = lipsa fenotipului specific codificat de genotipul specific

datorita influentelor mediului sau dezvoltarii

o       se refera la proportia de indivizi care exprima gena respectiva

o       exemplu, nu toti purtatorii mutatiei pentru retinoblastom fac boala

expresivitatea variabila = exprimarea completa sau partiala a unei alele

o       exemplu - sindromul Marfan

numai fenotipul - talie inalta si desirata

in plus o boala cardiovasculara saqu la unii este prezenta si miopia

o       exemplu - fibroza chistica de pancreas

boala cu tabloul clinic complet, letala in prima copilarie

manifestare frusta, de exemplu o "simpla" sinuzita cronica

4.a. Teoria cromosomiala a ereditatii

Descoperirea cromosomilor

o       ignorata pana in 1900

o       nu a fost asociata cu legile lui Mendel

asocierea cromosomilor = factorii mendelieni - 1902, W. Suton si T.Boveri

o       cromosomii perechi (omologi) - perechi de alele (genotip)

o       omologii si alelele segrega in mod egal in gameti

o       neomologii si perechile nealelice segrega in mod independent una de alta

diferiti cercetatori au emis ipoteza ca genele sunt localizate pe cromosomi

locus = pozitia unei gene pe un anumit cromosom

o       loci = pozitiile diferitelor gene (pluralul de la locus)

Drosophyla melanogaster - prima specie cariotipata

o       N.Stevens (1905) - existenta a 8 cromosomi

o       4 perechi omoloage la indivizii de sex feminin

o       3 perechi omoloage si una neomoloaga la indivizii de sex masculin

o       perechile comune - cromosomi autosomi sau autosomi

o       perechea diferita - cromosomi heterosomi (heterosomi sau gonosomi) sau cromosomi de sex

sexul feminin - perechea 4 (omologi) - cromosomi X

sexul masculin - perechea 4 = un cromosom X + cromosom Y

o       determinismul cromosomial al sexelor teoria cromosomiala a ereditatii

4.b. Teoria cromosomiala a ereditatii

- T.Morgan, in experimente pe Drosophyla melanogaster

corelare segregare cr. X - segregare genea caracterul mutant: ochi albi

P - ochi albi (genotip X^wY) + ochi rosii (genotip X^w+X^w+)

F₁ toti indivizii: ochii rosii (heterozigoti - genotip X^w+Y sau X^w+X^w)

o       alela mutanta culoarea alba a ochilor = recesiva

F₂ fenotipul ochi rosii - ochi albi segrega in raport de 3 : 1

o       ? - toti indivizii cu ochi albi erau de sex masculin

o       gena culoarea ochilor - localizata pe cr. X - combinatii posibile:

genotip femel X^w+X^w+ fenotipul ochi rosii

genotip femel X^w+X^w fenotipul ochi rosii

genotip masculin X^w+Y fenotipul ochi rosii

genotip masculin X^wY fenotipul ochi albi

F₃ - cu ochi albi + descendentele lor - heterozigoti) cu ochi rosii

o       femele cu ochi rosii = 1/4

o       femele cu ochi albi = 1/4

o       masculi cu ochi rosii = 1/4

o       masculi cu ochi albi = 1/4

- Concluzii:

v     gena culoarea alba a ochilor se exprima la ambele sexe

v     gena culoarea ochilor este localizata pe cromosomul X

- scoala lui Morgan C.Bridges (1925) - teoria cromosomiala a ereditatii

- concluzie: legile lui Mendel = consecinta a repartitiei cromosomilor in meioza

o       repartitia cromosomilor distributia particulara a diferitilor loci

o       determinismul diferentelor fenotipice in ontogeneza

o       legea I-a segregarea unei perechi de omologi in anafaza I din meioza

o       legea a-II-a asortarea intamplatoare a omologilor in metafaza I

5. Fenomenul de linkage a genelor pe cromosom

descoperirea determinismului cromosomial al sexelor

o       localizarea genelor pe cromosomii de sex diferentierea sexuala

o       a complicat genetica mendeliana

principiul segregarii pentru loci situati pe un acelasi cromosom

segregarea acestor alele - segregarea determinismului sexual

v     gene sex-linkate (cuvantul englezesc linkage = inlantuite)

v     trasaturi X-dominante sau X-recesive doar la

v     la dominanta sau recesivitatea nu au sens - hemizigotie

v     genele X-recesive mutante boli hemofilia, daltonismul,

v     genele Y-linkate - linie masculina ereditatea holandrica

linkage genetic - W.Bateson, E.R.Saunders si R.Punnett (1905)

o       P - mazare - linii pure

dublu homozigot dominante - fenotip flori purpurii - polen alungit

linii dublu homozigot recesive - fenotip flori rosii - polen rotund

o       F₁ - dublu heterozigoti - fenotipuri flori purpurii - polen alungit

o       F₂ raportul de asortare a fost:

74,6% (in loc de 56,25% = 9/16) flori purpurii - polen alungit

5,5% (in loc de 18,75% = 3/16) flori purpurii - polen rotund

5,5% (in loc de 18,75% = 3/16) flori rosii - polen alungit

14,4% (in loc de 6,25% = 1/16) flori rosii - polen rotund

? procentul de asortare a fenotipurilor (din P) - mai mare decat se asteptau

o       frecventa a polenului cu asocierea de gene din P

o       asocieri de loci dominanti, respectiv recesivi ce pareau a fi cuplati

o       explicatie: scoala lui Morgan experiente pe D. melanogaster

genele X-linkate - fenotip ochi albi-aripi miniaturale = cuplate

6. Linkage si recombinare genetica

recombinarea genetica - asocieri ale unor alele, care la genitori nu erau cuplate

o       recombinarea genetica fenotip recombinant

Morgan - recombinarea = schimb de material genetic intre omologi in meioza

Harriet Creighton si Barbara McKlintock (1931) - crossing-over

o       recombinarea asociata cu schimb fizic de fragmente intre 2 omologi

7. Fenomenul de crossing-over si cartarea genelor

A.Sturtevant (1913) - a postulat ca:

o       daca distanta dintre gene este determinata experimental

o       se poate identifica si ordinea genelor pe cromosom

o       frecventa crossing-over: distanta dintre loci - procentul de recombinare

o       frecventa unui crossing-over este proportionala cu distanta dintre loci

o       aplicatie: cartarea genica-distanta dintre gene = procente recombinare

o       unitate de cartare genica - centimorganul [cM]

distanta dintre 2 loci la care frecventa de recombinare este 1% (recombinarea apare la 1% din procesele de crossing-over)

10 cM = 10 recombinari din 100 evenimente de crossing-over

grup de linkage = totalitatea genelor de pe un cromosom

o       numar grupuri de linkage = numar cromosomi dintr-un set haploid

o       determinarea localizarii unei gene - linii celulare hibride (hibridoame)

Figura 2-8. Relatia dintre fractia de recombinare si distanta dintre gene.

8. Conceptia clasica despre gene

8.1. Gena ca unitate de structura si functie

- unitatea structura: segment delimitat, continuu si indivizibil, dispus linear

- unitatea de functie: determina un anumit caracter fenotipic

pozitia genei pe un cromosom asociata cu un caracter fenotipic specific

genele se transmit de la o celula la alta prin cromosomi

8. Gena ca unitate de recombinare

profaza I - crossing-over = schimb reciproc de fragmente cromosomiale

o       genetica clasica - schimb de alele intregi

o       secventa de alele cuprinde gene ce proveneau de la cei doi genitori

crossing-over = principalul mecanism de recombinare (diversificare) genetica

o       responsabil de variabilitatea indivizilor unei specii

o       unitatea de recombinare

unitatea recombinare - segmental minim ce poate fi schimbat prin crossing-over

8.3. Gena ca unitate de mutatie

trasaturi avantajoase = caractere salbatece - codificate de alele salbatece

mutatiile alela mutanta - codifica un caracter mutant

o       fenotipic observabila - trasatura difera de cea salbateca

o       duc la aparitia de variante noi ale unui caracter in populatiile umane

unitatea de mutatie: fragmentul cel mai mic care poate fi modificat

9. Modificarea paradigmei geneticii clasice

genetica clasica - nu rezolva problema naturii genei si a mecanismelor ereditatii

Beadle si Tatum (1941) - studiul caii metabolice a Arg pe Neurospora

o       3 tulpini distincte - necesitau mediu cu Arg pentru crestere

arg-1 arg-2 arg-3

↓ ↓

Enzima 1 Ezima 2 Enzima 3

Precursor → Ornitina → Citrulina → Arginina

rezultate:

o       arg-1 creste in prezenta Orn si Cit - converteste precursorii in arginina

o       arg-2 nu creste in prezenta Orn, dar creste in prezenta Cit

nu poate transforma Orn Arg - poate converti Cit Arg

o       arg-3 nu creste in prezenta Orn si Cit - nu converteste substratele in Arg

concluzii:

o       gena arg-1 E-1 transformarea precursori Orn

o       gena arg-2 E-2 transformarea Orn Cit

o       gena arg-3 E-3 transformarea Cit Arg

ipoteza:

o       reactiile biochimice decurg in etape

o       fiecare etapa fiind catalizata de o enzima

o       fiecare enzima este controlata de o gena specifica

prima piatra de hotar care a marcat drumul spre genetica moleculara

paradigama geneticii: o gena = un caracter o gena = o proteina

proteinele - componente esentiale - nivelul celular de organizare al materiei vii