Genetica-II

E o mare primejdie să ajungi a fi mulţumit de tine însuţi.” E o mare primejdie să ajungi a fi mulţumit de tine însuţi.” N. IorgaN. Iorga

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Succesul unui organism depinde de caracteristicile fizico-chimice ale materialului genetic, pe de o parte, şi de modul cum se exprimă informaţia genetică în anumite condiţii de viaţă, pe de altă parte.

Genotipul reprezintă totalitatea factorilor ereditari, (informţiei genetice), dar nu este simpla sumă a “efectelor” genelor izolate.

Fenotip reprezintă totalitatea caracterelor observabile ale organismelor.

Fenotipul unui organism este rezultatul interacţiunii dintre genotip şi mediul de viaţă.

Genele se manifestă în anumite condiţii de mediu. Din interacţiunea complexă a genotipului cu mediul pot să apară diferenţe determinate nu numai de natura genelor, ci şi de variaţia condiţiilor de mediu.

Produsul unei gene (de exemplu, o enzimă) poate fi implicat în unul sau mai multe procese metabolice care contribuie la realizarea mai multor funcţii ale unui organism.

Studiul gemenilor monozigoţi reprezintă o modalitate de investigare a interacţiunii complexe dintre genotip şi mediu

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Gradul de implicare a fiecărei din cele două componente (genetică şi mezologică) în realizarea unui fenotip se poate stabili pe baza procentului de concordanţă.

La gemenii monozigoţi diferenţele fenotipice se datorează exclusiv componentei mezologice (mediul de viaţă).

Procentul de concordanţă a unor caractere, malformaţii congenitale şi boli la gemeni (monozigoţi şi dizigoţi) este prezentat în tabelul următor.

Gemenii monozigoţi

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Caracterul, malformaţia congenitală Caracterul, malformaţia congenitală sau boala analizatesau boala analizate

Procentul de concordanţă laProcentul de concordanţă la

monozigoţimonozigoţi dizigoţidizigoţi

Grupa sanguinăGrupa sanguină 100%100% 64%64%

Luxaţia congenitală de şoldLuxaţia congenitală de şold 40%40% 3%3%

Buza de iepureBuza de iepure 40%40% 5%5%

Poliartrita reumatoidăPoliartrita reumatoidă 50%50% 5%5%

Guşa endemicăGuşa endemică 70%70% 71%71%

TuberculozaTuberculoza 74%74% 28%28%

RujeolaRujeola 95%95% 94%94%

Studiul gemenilor monozigoţi reprezintă o modalitate de investigare a interacţiunii complexe dintre genotip şi mediu, dar un astfel de studiu nu este suficient.

De asemenea, componenta mezologică trebuie să fie identică pentru cele două categorii de gemeni.

Într-un astfel de studiu, nu se pot preciza nici numărul genelor şi nici modul de acţiune al acestora în determinarea unui anumit caracter fenotipic.

În acest context, sunt necesare şi alte tehnici sau metode de investigare.

Interacţiunile complexe ale componentei genetice cu componenta mezologică pot duce, în anumite condiţii, la manifestarea puternică numai a unei componente.

Astfel, manifestarea unei gene se caracterizează prin noţiunile de penetrabilitate şi expresivitate.

Penetrabilitatea şi expresivitatea genelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

O genă se poate manifesta în anumite condiţii de mediu la toţi indivizii care o poartă, caz în care se spune că ea manifestă o penetranţă completă sau de 100%.

In alte condiţii de mediu, deşi prezentă la toţi indivizii, ea nu se manifestă decât la unii dintre ei şi în acest caz se spune că o asemenea genă are o penetranţă incompletă sau sub 100%.

Prin penetranţă se înţelege deci frecvenţa cu care o genă sau o combinaţie de gene este exprimată fenotipic.

.

Penetrabilitatea genelor reflectă heterogenitatea unei populaţii pentru genele modificatoare, care condiţionează exprimarea altor gene.

Influenţa mediului se exercită nu numai asupra numărului de indivizi care exprimă în fenotip o anumită genă, ci şi asupra intensităţii exprimării în fenotip a acelui caracter, aspect care se numeşte expresivitate genică.

Penetrabilitatea se referă la frecvenţa cu care se manifestă o genă în cadrul unei populaţii şi se exprimă în procente.

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Expresivitatea măsoară gradul în care o anumită alelă se exprimă la nivel fenotipic.

Diferite grade de exprimare a unei gene la diferiţi indivizi se pot datora variabilităţii compoziţiei alelice a restului genomului sau factorilor de mediu.

Astfel, expresivitatea măsoară intensitatea fenotipului.

La fel ca penetrabilitatea, expresivitatea se integrează în conceptul de “normă de reacţie”.

Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Figurile următoare exemplifică diferenţa între expresivitate şi penetrabilitate, respectiv variabiltatea expresivităţii genei SP la rasa de câini “beagle”.

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Exemplificarea noţiunilor de penetrabilitate şi expresivitate

Penetrabilitate variabilă

Expresivitate variabilă

Penetrabilitate şi expresivitate variabile

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Variabilitatea expresivităţii demonstratăprin 10 grade de intensitate a petelor larasa de câini beagle. Ficare exemplarare alela SP responsabilă de pete.

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

La individul Q, alela dominantă nu se manifestă la nivelul fenotipului, dar a trecut la cel puţin doi urmaşi. Deoarece penetrabilitatea este incompletă, alţi urmaşi (de ex., individul R) au moştenit sau nu alela dominantă.

Pedigriul pentru o alelă dominantă cu penetrabilitate incompletă

Genotipul stabileşte potenţialul de dezvoltare, dar exprimarea sa într-un fenotip depinde de condiţiile de mediu.

Fiecare fenotip este rezultatul exprimării unui genotip în anumite condiţii de mediu.

Practic, un genotip poate da naştere la mai multe fenotipuri diferite în condiţii diferite de mediu.

De exemplu, genotipul GG poate produce o plantă care are 10 cm înălţime la 20ºC, dar acelaşi genotip poate produce o plantă de 18 cm la 25ºC.

Gama de fenotipuri produse de un genotip în diferite condiţii de mediu (de ex., înălţimea plantei) se numeşte normă de reacţie.

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Interacţiunea dintre gene şi mediu

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Penetrabilitatea şi expresivitatea pot depinde, de asemenea, de condiţiile mediului extern.

La temperaturi mai scăzute, această genă nu se manifestă deloc sau numai la un număr mic de indivizi.

La Habrobracon hebetor există gena k (kidney), care la 30ºC este letală pentru toţi indivizii; penetrabilitatea este de 100%.

Iepurele de Himalaia, pur din punct de vedere genetic pentru culoarea blănii, este complet alb la 34ºC.

Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Interacţiunea dintre gene şi mediu

La iepurele de Himalaia, pigmentaţia neagră la nivelul nasului, urechilor şi picioarelor, apare numai la temperaturi de 25ºC sau mai mici; la temperaturi mai mari de 30ºC nu mai apare această pigmentaţie.

Exprimarea unor genotipuri depinde fundamental de prezenţa unui mediu specific.

Alela himalaiană este un exemplu de alelă sensibilă la temperatură, o alelă al cărei produs este funcţional numai la anumite temperaturi.

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Interacţiunea dintre gene şi mediu

La orz, o alelă recesivă autozomală inhibă sinteza de clorofilă, producând albinism atunci când planta creşte la temperaturi sub 7°C.

Unele tipuri de albinism la plante sunt dependente de temperatură.

La temperaturi peste 18°C, o plantă homozigotă pentru alela albino sintetizează normal clorofila şi este verde.

În mod similar, la Drosophila melanogaster, homozigoţii pentru mutaţia autozomală aripi vestigiale, până la 25°C aripile sunt rudimentare, dar la temperaturi mai ridicate aripile au dimensiuni normale.

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Interacţiunea dintre gene şi mediu

Norma de reacţie pentru aripi vestigiale la D. melanogaster.

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Glucozo-6-fosfat dehidrogenaza este o enzimă implicată în furnizarea de energie necesară unei celule.

Factorii de mediu joacă, de asemenea, un rol important în exprimarea unor boli genetice la om.

La om, există mai multe variante genetice de glucozo-6-fosfat dehidrogenază, unele dintre ele inducând hemoliza atunci când organismul este stresat ca urmare a unei infecţii sau după consumul anumitor medicamente sau alimente.

Practic, simptomele unei boli genetice apar numai în prezenţa acestor factori de mediu specifici.

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Interacţiunea dintre gene şi mediu

Boala are la bază o enzimă “defectă”, care în stare normală metabolizează aminoacidul fenilalanină (Phe, F).

O altă boală genetică, fenilcetonuria (PKU), se datorează unei alele autozomale recesive, care în final se manifestă prin retardare mintală.

Când enzima nu funcţionează normal, fenilalanina se acumulează şi determină leziuni cerebrale la copii.

Dacă în dieta unui copil cu acest defect se reduce sau se elimină fenilalanina, retardarea este evitată.

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Interacţiunea dintre gene şi mediu

În anumite situaţii, factorii de mediu singuri pot produce un fenotip identic cu fenotipul produs de un genotip; acest fenotip se numeşte fenocopie (phenocopy).

Aceste exemple demonstrează că genele şi produşii acestora nu acţioneză în afara factorilor de mediu, ci foarte frecvent interacţioneză cu aceştia.

De exemplu, la Drosophila mutaţia autozomală recesivă eyeless produce ochi foarte mici.

Acelaşi fenotip poate rezulta după expunerea larvelor de Drosophila normală la metaborat de sodiu.

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Interacţiunea dintre gene şi mediu

Gama de fenotipuri produsă de un genotip în diferite condiţii de mediu se numeşte normă de reacţie.

Exprimarea multor gene este modificată de factorii de mediu.

O fenocopie este un caracter rezultat în urma acţiunii factorilor de mediu şi “mimează” un fenotip produs de un genotip.

Complexitatea determinării genetice a caracterelorPenetrabilitatea şi expresivitatea genelor

Interacţiunea dintre gene şi mediu

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Majoritatea genelor se poate exprima numai la un moment dat (exprimare eşalonată) sau exprimarea lor este temporară sau intermitentă (gene pentru enzime, endorfine, hormoni, anticorpi etc).

Caracterele sexuale secundare sau distrofia musculară se manifestă numai după vârsta de 10-15 ani.

La om, polidactilia se observă deja la embrionul de 2 luni. Culoarea reală a ochilor se stabilizează numai după naştere.

Chelia, cu determinare genetică, începe să se manifeste numai după 25 de ani.

Acţiunea temporală şi temporară a genelor

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Situaţia în care una şi aceeaşi genă poate determina simultan mai multe caractere ale unui organism se numeşte pleiotropie.

Culoarea albă a ochiului la Drosophila este determinată de gena white (w), care este responsabilă şi de culoarea şi forma unor organe interne, precum şi de fecunditatea şi durata de viaţă scăzute.

La Aquilegia vulgaris (căldăruşa), gena responsabilă de culorea roşie a florilor, de culoarea antocianică a ambelor feţe ale limbului şi de coloritul intens al endospermului determină, de asemenea, lungimea tulpinii şi greutatea seminţelor.

La om, anomalia “degete păianjeniforme” merge împreună cu anomalii ale cristalinului.

Acţiunea fenotipică multiplă a genelor - pleiotropia

În 1905, Lucien Cuenot a descoperit un “pattern” anormal de ereditate la şoareci.

O alelă letală este una care provoacă moartea în stadiile timpurii ale dezvoltării - adesea înainte de naştere - şi astfel un anumit genotip poate să nu mai apară la urmaşi.

Când a încrucişat doi şoareci galbeni, aproximativ 2/3 din urmaşi au fost cu blana de culoare galbenă şi 1/3 nu.

Analiza genotipurilor a demonstrat că toţi şoarecii cu blana de culoare galbenă erau heterozigoţi (Gg sau Yy); nu a reuşit niciodată să identifice un genotip homozigot (GG sau YY).

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Acţiunea genelor asupra viabilităţii organismelor

Alele letale

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Acţiunea genelor asupra viabilităţii organismelor

Alele letale

În mod normal, această încrucişare ar trebui să producă:¼ YY, ½ Yy, ¼ yy.

Iniţial, Cuenot a încrucişat doi şoareci heterozigoţi pentru culoarea galbenă a blănii: Yy x Yy.

Şoareci homozygoţi pentru genotipul YY sunt “concepuţi”, dar nu ajung niciodată la o dezvoltare completă şi aşa se explică raportul de 2:1 (Yy:yy) la urmaşi.

Toţi şoarecii cu blana de culoare galbenă sunt heterozigoţi (Yy).

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Acţiunea genelor asupra viabilităţii organismelor

Alele letale

Când două plante cu frunze galbene sunt încrucişate, 2/3 din urmaşi au frunze galbene şi 1/3 frunze verzi.

Un alt exemplu de alelă letală, a fost descrisă de Erwin Baur în 1907, la gura leului.

Când plante verzi se încrucişează între ele, toţi urmaşii au frunze verzi; totuşi, când o plantă galbenă se încrucişează cu o plantă verde, ½ din urmaşi sunt verzi şi ½ sunt galbeni, ceea ce confirmă că toate plantele cu frunze galbene sunt heterozigote.

Un raport de 2:1 este produs aproape totdeauna de o alelă recesivă letală.

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Acţiunea genelor asupra viabilităţii organismelor

Alele letale

Spre deosebire de efectul asupra viabilităţii, efectul alelei asupra culorii este dominant; atât la şoareci cât şi la gura leului, o singură copie a alelei la heterozigoţi produce culoarea galbenă.

În ambele exemple, alelele letale sunt recesive deoarece ele provoacă moartea numai în stare homozigotă.

Alelele letale pot fi, de asemenea, dominante; în acest caz, atât homozigoţii cât şi heterozigoţii mor.

Alelele letale dominante adevărate nu pot fi transmise decât dacă se exprimă după ce se ajunge la maturitate sexuală ca în cazul bolii Huntington.

Complexitatea determinării genetice a caracterelor

Acţiunea genelor asupra viabilităţii organismelor

Alele letale