UNIVERSITATEA DE ŞTIINŢE AGRICOLE ŞI MEDICINĂ VETERINARĂ “ION IONESCU DE LA BRAD” IAŞI

FACULTATEA DE ZOOTEHNIE

ŞTEOFIL CREANGĂ

GENETICĂ

ANUL II, SEMESTRUL I+II

MATERIAL DE STUDIU I.D.

IAŞI, 2011

- 1 -

CUPRINS CAPITOLUL 1 - GENETICA - BAZ| A AMELIOR|RII {I EXPLOAT|RII POPULA}IILOR DE ANIMALE 1.1. Definiţia, conţinutul şi importanţa studiului geneticii CAPITOLUL 2 - BAZELE CITOLOGICE ALE EREDIT|}II

2.1. Celula şi elementele celulare cu rol genetic 2.2. Cromozomii 2.2.1. Structura cromozomilor 2.2.2. Benzile cromozomale 2.2.3. Însuşirile fundamentale ale cromozomilor 2.2.4. Tipuri speciale de cromozomi 2.2.5. Cariotipul {i cariograma 2.3. Ciclul celular 2.3.1. Mitoza (cariochineza) 2.3.2. Meioza 2.3.3. Gametogeneza CAPITOLUL 3 ACIZII NUCLEICI, STRUCTUR|, ORGANIZARE {I FUNC}II 3.1. Structura acizilor nucleici 3.1.1. Structura acidului dezoxiribonucleic (ADN) 3.1.1.1. Tipuri de adn celular 3.1.1.2. Denaturarea şi renaturarea ADN-ului 3.1.2. Structura acidului ribonucleic (ARN) 3.1.2.1. Tipuri de arn celular 3.1.3. Repararea şi restaurarea structurii ADN-ului 3.2. Funcţiile acizilor nucleici CAPITOLUL 4 - CODUL GENETIC 4.1. Descifrarea şi structura codului genetic 4.2. Caracteristicile codului genetic CAPITOLUL 5 STRUCTURA ŞI FUNCŢIILE GENELOR 5.1. Structura genei la procariote 5.2. Structura genei la eucariote 5.3. Tipuri de gene 5.3.1. Elemente genetice mobile sau transpozabile CAPITOLUL 6 - EXPRESIA INFORMAŢIEI EREDITARE ŞI REGLAJUL EXPRIMĂRII GENELOR 6.1. Fluxul de informaţie genetică 6.2. Structura proteinelor 6.3. Ribozomii, sediul sintezei proteice 6.4. Transcripţia informaţiei genetice 6.4.1. Evidenţierea transcripţiei genice. “Genele în acţiune” 6.5. Translaţia informaţiei genetice CAPITOLUL 7 - TRANSMITEREA CARACTERELOR {I ~NSU{IRILOR DE LA O GENERA}IE LA ALTA 7.1. Legile mendeliene despre ereditate 7.1.1. Teoria factorilor ereditari 7.1.2. Terminologia utilizată în genetica mendeliană

- 2 -

7.1.3. Monohibridarea de tip pisum 7.1.4. Dihibridarea şi polihibridarea 7.1.5. Retroîncrucişarea sau backcrossul 7.2. Abateri de la raporturile mendeliene de segregare fenotipică 7.2.1. Interacţiunea dintre genele alele 7.2.1.1. Dominanţa completă şi recesivitatea 7.2.1.2. Monohibridarea de tip zea (dominanţa incompletă sau semidominanţa) 7.2.1.3. Codominanţa 7.2.1.4. Supradominanţa 7.2.1.5. Acţiunea pleiotropică a genelor 7.2.1.6. Gene letale 7.2.1.7. Alele multiple (polialelia) 7.2.2. Interacţiunea dintre genele nealele 7.2.2.1. Interacţiunea complementară a genelor 7.2.2.2. Interacţiunea de epistazie a genelor 7.2.2.3. Interacţiunea modificatoare a genelor 7.2.2.4. Interacţiunea polimeră a genelor 7.3. Transmiterea înlănţuită a caracterelor 7.3.1. Teoria cromozomală a eredităţii 7.3.2. Înlănţuirea genelor (linkage) 7.3.3. Schimbul de gene dintre cromozomii omologi (crossing-over) 7.3.4. Dispunerea liniară a genelor în cromozomi 7.3.5. Hărţile genetice cromozomale 7.3.6. Importanţa teoriei cromozomale a eredităţii CAPITOLUL 8 - EREDITATEA EXTRACROMOZOMAL| (CITOPLASMATIC|) 8.1. Merogonia 8.2. Ereditatea extracromozomală în hibridări şi încrucişări reciproce 8.3. Androsterilitatea CAPITOLUL 9 - EREDITATEA SEXULUI 9.1. Cromozomii sexului 9.2. Cromatina sexuală 9.3. Tipuri de determinare a sexului 9.4. Ereditatea caracterelor legate de sex (sex - linkage) 9.4.1. Ereditatea caracterelor legate de sex la tipul Drosophila 9.4.2. Ereditatea caracterelor legate de sex la tipul Abraxas 9.4.3. Ereditatea legat| de cromozomul y (ereditatea holandrică) 9.5. Ereditatea caracterelor controlate de sex 9.6. Anomalii în ereditatea sexului 9.6.1. Nondisjuncţia cromozomilor sexului 9.6.2. Ginandromorfismul 9.6.3. Intersexualitatea 9.6.4. Inversiunea sexului

- 3 -

CAPITOLUL 1

GENETICA - BAZ| A AMELIOR|RII {I EXPLOAT|RII POPULA}IILOR DE ANIMALE

1.1. DEFINI}IA, CON}INUTUL {I IMPORTAN}A STUDIULUI GENETICII

Termenul de “genetic\” (de la grecescul “gennein” = a da na[tere), a fost introdus `n 1906 de englezul W. Bateson la Londra, cu ocazia celei de a treia “Conferin]e despre hibridarea [i ameliorarea plantelor”, care a propus ca noua [tiin]\ a eredit\]ii, ce cuno[tea o dezvoltare extraordinar\, s\ ia aceast\ denumire. Apari]ia geneticii ca [tiin]\ a avut loc la `nceputul secolului al XX-lea, când H. de Vries, C. Correns [i E. Tschermack, au redescoperit legile lui Mendel. Legile lui Mendel, formulate `nc\ din 1865, au reprezentat nucleul `n jurul c\ruia s-a format [i dezvoltat genetica modern\. Toate procesele de baz\ ale organismelor vii se bazeaz\ pe o `nsu[ire fundamental\ a acestora [i anume ereditatea. Termenul de ereditate a fost introdus `n anul 1863 de H. Spencer, pentru a defini procesul prin care se realizeaz\ asem\narea biologic\ `ntre p\rin]i [i descenden]i. Ereditatea nu este `ns\ o `nsu[ire predeterminat\, sau fix\, ci este rezultatul unui nesfâr[it [ir de modific\ri, de adapt\ri la condi]iile de mediu, suferite `n succesiunea genera]iilor, `n cadrul fiec\rei specii. Deci, de[i ereditatea organismelor, se mo[tene[te, se transmite din genera]ie `n genera]ie, dar `n acela[i timp, poate suferi modific\ri `n decursul genera]iilor . Astfel, organismelor le este proprie `nc\ o `nsu[ire fundamental\, [i anume variabilitatea. Variabilitatea studiaz\ diferen]ele (de nivel calitativ sau cantitativ), cauzate genetic sau nu, consemnate `n structura celulei - varia]ii intraindividuale; `ntre indivizii unei popula]ii - varia]ii individuale; sau `ntre diversele popula]ii - varia]ii de grup. Atât varia]iile individuale, cât [i cele de grup, pot fi determinate de influen]a diferen]elor genetice ca rezultat al muta]iilor sau al recombin\rilor genetice, sau de influen]a factorilor ecologici. Dac\ varia]iile condi]ionate genetic au caracter “permanent”, factorii de mediu provoac\ doar modific\ri temporare `n exprimarea fenotipic\ a caracterelor unui organism, care de regul\ se transmit `n descenden]\. {tiin]a care se ocup\ cu studiul dezvolt\rii organismelor, al eredit\]ii [i variabilit\]ii acestora, poart\ denumirea de genetic\. Complexitatea aspectelor cuprinse `n sfera de studiu a geneticii, a determinat concretizarea unor ramuri, care ulterior au devenit domenii de cercetare distincte, fiind definite ca discipline de sine st\t\toare. Dintre aceste ramuri men]ion\m:

genetica clasic\ sau fenomenologic\ - care studiaz\ mecanismele [i legile de transmitere a caracterelor;

citogenetica - care studiaz\ elementele materiale ale eredit\]ii la nivel citologic, fiind rodul interferen]ei dintre citologie [i genetic\;

- 4 -

genetica molecular\ - care define[te la nivel fizico-chimic, natura informa]iei genetice;

genetica procesului de dezvoltare ontogenetic\ a organismelor - care urm\re[te mecanismele prin care informa]ia genetic\ este “tradus\” `n formarea structurilor anatomice ale organismelor, `n diferen]ierea [i dezvoltarea organismelor;

genetica popula]iilor - care studiaz\ structura genetic\ a popula]iilor [i dinamica frecven]ei genelor la nivel popula]ional;

genetica cantitativ\ - care studiaz\ determinismul genetic [i transmiterea ereditar\ a caracterelor cantitative de produc]ie, care formeaz\ un domeniu cu aplica]ii practice `n ameliorarea structurii genetice a animalelor;

ingineria genetic\ - care s-a conturat ca disciplin\ [tiin]ific\ de sine st\t\toare la `nceputul anilor 1970, fiind una din cele mai noi ramuri ale geneticii [i biologiei [i care studiaz\ un ansamblu de metode [i tehnologii efectuate in vitro, cu gene, cromozomi [i uneori cu celule `ntregi, `n scopul “construirii” unei structuri genetice cu propriet\]i ereditare premeditate, (L. Popa, R. Repanovici - 1982).

Genetica se `nscrie `n contextul celor mai actuale [tiin]e, datorit\ importan]ei pe care o are cunoa[terea mecanismelor de transmitere a caracterelor, datorit\ necesit\]ii cunoa[terii substratului material al eredit\]ii, precum [i al manifest\rii caracterelor [i `nsu[irilor organimelor, ca rezultat al interac]iunii bazei ereditare cu factorii mediului natural [i antropic. Fundamentarea sistemelor de ameliorare genetic\ a popula]iilor de animale, `mbun\t\]irea structurii genetice a popula]iilor de animale de la o genera]ie la alta, inducerea unor muta]ii “favorabile” asupra unor organisme, profilaxia genetic\ a bolilor sau anomaliilor ereditare, nu pot fi realizate `n practica zootehnic\ f\r\ cunoa[terea geneticii, a bazei ereditare [i legilor care guverneaz\ formarea organismelor vii. De aceea `n domeniul cre[terii animalelor, genetica de]ine un rol hot\râtor `n fundamentarea [i concretizarea acestor domenii de baz\ `n cre[terea animalelor. Genetica utilizeaz\ mijloace de investiga]ie [i de interpretare proprii, interferându-se `n acela[i timp cu alte discipline, precum [i cu metodica lor, cum ar fi: biochimia, biologia celular\, biofizica, reproduc]ia [i embriologia, matematica [i statistica biologic\. De asemenea, are leg\turi cu [tiin]ele biologice aplicate, cum ar fi cu zootehnia [i diversele ramuri ale acestora, ramuri ale [tiin]elor agronomice, cu patologia, asigurându-le acestora bazele teoretice ale form\rii [i dezvolt\rii organismelor [i preluând de la acestea un vast material biologic.

- 5 -

CAPITOLUL 2

BAZELE CITOLOGICE ALE EREDIT|}II

2.1. CELULA {I ELEMENTELE CELULARE CU ROL GENETIC

Celula este unitatea elementar\ de organizare a materiei vii, având o structur\ atât de complex\, `ncât poate constitui ea singur\ organismul unor plante [i animale Organismele realizeaz\ manifest\rile vitale prin procesul de metabolism, iar prin procesul de reproducere asigur\ continuitatea materiei vii. Ereditatea ca `nsu[ire fundamental\ a materiei vii, asigur\ autoreproducerea acesteia, prin procesul de `nmul]ire al organismelor, precum [i continuitatea ereditar\ prin leg\turile dintre genera]iile succesive. Autoreproducerea materiei vii, respectiv reproducerea organismelor [i continuitatea ereditar\, se realizeaz\ de fapt prin `nmul]irea celulelor. Iat\ de ce metabolismul, reproducerea [i ereditatea organismelor constituie o unitate de procese [i fenomene `n strâns\ interdependen]\. Pentru studiul [i `n]elegerea eredit\]ii, cunoa[terea celulei, a elementelor sale constitutive cu func]ii ereditare este absolut necesar\, deoarece modul `n care se asigur\ succesiunea genera]iilor este `n strâns\ interdependen]\ cu fenomenele ereditare. ~n figura 1 este reprezentat\ schema general\ a unei celule animale, cu elementele structurale care o caracterizeaz\.

Fig. 1. Structura celulei: 1 – mitocondriile; 2 – aparatul Golgi; 3 - lizozomi; 4 – membrana celular\ 5 – vacuol\ de secre]ie; 6 – por al membranei nucleare; 7 – cromatina nuclear\; 8 – cariolimfa; 9 – nucleol; 10 – membrana nuclear\; 11 – reticul endoplasmatic; 12 – ribozmi.

- 6 -

~n general, membranei i se atribuie un rol de `nveli[ [i de selector al schimb\rilor dintre celul\ [i mediul ambiant. Citoplasma asigur\ realizarea func]iilor vegetative [i secretorii, iar nucleul dirijeaz\ reproducerea fiind de]in\tor al informa]iei ereditare. Structurile constitutive ale celulei, sunt `n marea lor majoritate capabile de autoreproducere, jucând un rol important dar diferen]iat `n transmiterea ereditar\. Membrana celular\. Reprezint\ `nveli[ul extern [i de protec]ie al celulei, men]inându-i unitatea structural\. Datorit\ sistemului de canalicule al acesteia, asigur\ permeabilitatea selectiv\ a celulei. De asemenea mai are [i propriet\]i antigenice, reac]iile imunologice având loc la acest nivel. Citoplasma. Are o structur\ complex\, fiind alc\tuit\ din plasm\ [i organite citoplasmatice. Cea mai mare parte din organitele citoplasmatice fac parte din sistemul ereditar al celulei. Dintre constituien]ii citoplasmatici cu rol important `n ereditate fac parte: mitocondriile, reticulul endoplasmatic, ribozomii, centrozomul (fig. 2), iar la celulele vegetale [i la bacterii mai exist\ plasmidele [i cloroplastele. La nivel citoplasmatic mai exist\ [i alte organite cum ar fi: aparatul Golgi, lizozomii [i microzomii, care nu sunt implicate `n mod direct `n sistemul ereditar al celulei, `ndeplinind func]ii de eleminare a unor produse de secre]ie, de reglare a presiunii osmotice [i de digestie celular\. 1 2 B

Fig.2. Reprezentarea schematic\ a aspectului microelectronografic al unor organite citoplasmatice:

M – mitocondrii; RE – reticul endoplasmatic; R – ribozomi; B –structura spa]ial\ a ribozomului, cu subunitatea mic\ (1) [i mare (2).

Mitocondriile, sunt forma]iuni citoplasmatice sferice sau mai frecvent elipsoidale, cu diametrul de 0,2-0,7 microni [i lungimea de 1-4 microni, fiind capabile de autoreplicare. Morfologic, sunt formate dintr-o membran\ extern\, care delimiteaz\ o membran\ intern\ având numeroase invagin\ri numite criste mitocondriale, iar la interior o matrice mitocondrial\, (fig. 2). Sunt constituite din proteine, lipide, nucleotide, ADN [i ARN, precum [i o multitudine de enzime. Mitocondriile sunt organite indispensabile pentru via]a celulei eucariote, la nivelul acesteia desf\[urându-se procesele respiratorii de baz\ care conduc la producerea de energie `nmagazinat\ `n substan]a macroergic\ - ATP. Datorit\ aparatului genetic pe care `l de]in, mitocondriile se bucur\ de o relativ\ autonomie genetic\, intervenind `n fenomenele ereditare extracromozomale, `n special al celor legate de influen]a matern\ a unor `nsu[iri. Reticulul endoplasmatic, face parte din sistemul membranal al celulei, fiind o component\ celular\ deosebit de important\. Denumirea i-a fost dat\ `n 1953 de K. Porter [i G. Palade. La microscopul electronic se prezint\ sub dou\ `nf\]i[\ri: reticul endoplasmatic neted [i reticul endoplasmatic rugos. Reticulul endoplasmatic neted, este format dintr-un sistem de canale [i canalicule cu diametru de circa 500 Å ce se deschid `n cisterne mai mari cu diamtrul de 1500 Å. Realizeaz\ leg\tura dintre membrana celular\ [i membrana nuclear\, cu rol `n

- 7 -

p\trunderea substan]elor din exteriorul spre interiorul celulei. De asemenea mai are rol `n contrac]ia muscular\ [i sinteza hormonilor steroizi. Reticulul endoplasmatic rugos, este asem\n\tor `n totalitate cu cel neted, dar membrana acestuia are afinit\]i deosebite pentru ionii de Ca++ [i Mg++, ceea ce permite ata[area spre exterior, din loc `n loc, a ribozomilor. Prezen]a ribozomilor la suprafa]a reticulului endoplasmatic, confer\ acestuia func]ii suplimentare, implicându-l `n sinteza produselor de secre]ie celular\ de natur\ proteic\. Ribozomii, sunt forma]iuni citoplasmatice cu dimensiuni moleculare de 150-300 Å, fiind fie ata[a]i de reticulul endoplsmatic, fie liberi `n citoplasm\. Au fost descoperi]i de G. Palade [i K. Porter (1953 - 1954). Ribozomii sunt prezen]i la toate organismele celulare de la procariote la eucariote, fiind foarte numero[i `n celulele tinere [i `n cele care realizeaz\ o sintez\ intens\ de proteine (pancreas, ficat, neuroni, etc.). Ribozomii `n func]ie de coeficientul de sedimentare se clasific\ `n: - ribozomii de tip 70 S, cu diametrul de 140-240 Å [i un con]inut de ARN de 65%, specifici celulelor procariote; - ribozomii de tip 80 S, cu diametrul de 200-300 Å [i un con]inut de ARN de 45%, specifici eucariotelelor. Fiecare ribozom este constituit din dou\ subunit\]i: una mai mare aproape rotund\, cu diametrul de 140-160 Å denumit\ subunitatea 60 S [i o subunitate mai mic\, de form\ elipsoidal\ cu diametrul de 70-100 Å, denumit\ 40 S. ~n ceea ce prive[te compozi]ia chimic\, ace[tia sunt boga]i `n ARN (80-90% din totalul ARN-ului celular), ap\, ioni de Mg [i Ca. Sub ac]iunea ionilor de Mg++, ribozomii au capacitatea de a forma structuri polimere, sau de a se disocia `n subunit\]i simple. Structurile polimerice ale ribozomilor, denumite poliribozomi (polizomi), reprezint\ unitatea func]ional\ `n procesul de sintez\ al proteinelor, ribozomul singular fiind considerat ca form\ inactiv\. Poliribozomii sunt lega]i prin filamente sub]iri de 1-2 nm, considerate a fi molecule de ARN-m. De asemenea ribozomii pot fi liberi `n citoplasm\, fiind implica]i `n special `n sinteza proteinelor necesare procesului de diferen]iere celular\ sau a proteinenzimelor, sau pot fi ata[a]i reticulului endoplasmatic sub influen]a ionilor de Mg, fiind implica]i `n sinteza proteinelor destinate secre]iei celulare. Centrozomul, reprezint\ o forma]iune cilindric\, identic\ la toate tipurile de celule, fiind foarte bogat\ `n ADN [i ARN. Centrozomul formeaz\ centrul cinetic al celulei, deoarece la `nceputul diviziunii celulare se divide `n cei doi centrioli, formând locurile de inser]ie al fibrelor fusului nuclear de diviziune. Nucleul. Constituie forma]iunea prezent\ `n toate celulele eucariote, având `n esen]\ dou\ roluri principale: - depozitar al informa]iei genetice `n ADN-ul nuclear; - reglarea [i controlul activit\]ii celulare. Celulele enucleate (hematiile, trombocitele), sunt excep]ii `n corpul uman, fiind incapabile de a sintetiza proteine. Structura nucleului variaz\ foarte mult `n func]ie de perioada ciclului celular. ~n interfaz\ se descrie nucleul a[a numit metabolic, format din membran\ nuclear\, nucleoli, cromatin\ [i carioplasm\. ~n timpul diviziunii celulare, `n nucleul a[a numit genetic, dispare `nveli[ul nuclear [i nucleolii, iar cromatina se condenseaz\ devenind vizibili cromozomii. ~n general dimensiunile nucleului sunt cuprinse `ntre 5-12 µm, cu un minim de 4 µm la spermatozoizi [i un maxim de 20-25 µm la ovocite. Cu cât celula este mai tân\r\, cu activitate metabolic\ mai intens\, nucleul este mai mare iar citoplasma mai redus\. Celulele degenerate sau `mb\trânite au nucleul mai mic, putându-se astfel stabili dac\ o celul\ este tân\r\ sau adult\. Acesta este un criteriu important `n practica stabilirii diagnosticului celulelor maligne, care sunt celule foarte tinere cu un nucleu deosebit de mare. Membrana nuclear\ (sau `nveli[ul nuclear), este o forma]iune fin\, abia vizibil\ la microscopul optic. Studiat\ cu ajutorul microscopului electronic, s-a constatat c\ este o

- 8 -

membran\ dubl\ groas\ de 50-100 Å, separat\ printr-un spa]iu perinuclear. Membrana nuclear\, are din loc `n loc pori, cu diametrul de 150-1000 Å, care asigur\ schimburile de substan]\ dintre nucleu [i citoplasm\. La unele celule, membrana nuclear\ se racordeaz\ cu sistemul reticulului endoplasmatic, realizând astfel leg\tura direct\ cu exteriorul celulei. Continuitatea cu reticulul endoplasmatic, explic\ modific\rile rapide ale `nveli[ului nuclear `n cursul mitozei, dispari]ia lui la `nceputul mitozei [i refacerea la sfâr[itul acesteia. Porii nucleari permit trecerea unor macromolecule sau chiar a unor complexe macromoleculare, importante pentru desf\[urarea func]iilor celulei. Astfel din citoplasm\ sunt “importate” `n nucleu enzimele care asigur\ sinteza ADN-ului, precum [i proteinele ce intr\ `n constitu]ia cromatinei. Nucleul “export\” `n citoplasm\ precursorii ribozomali, particule ribonucleoproteice formate din ARN-mesager [i proteine speciale [.a. Trecerea acestor componente, cu dimensiuni mai mari decât diametrele porilor, este posibil\ prin adaptarea unei conforma]ii speciale a acestor complexe macromoleculare. Carioplasma (sucul nuclear, matricea nuclear\), este constituit\ dintr-un lichid transparent [i omogen, care con]ine un amestec de substan]e proteice, la nivelul acesteia aflându-se cromatina [i nucleolul. Aceast\ parte a nucleului are rol esen]ial `n sinteza ADN-ului [i ARN-ului. Cea mai mare parte a proteinelor din matricea nuclear\, o reprezint\ proteinele nehistonice, o clas\ foarte heterogen\, cu mas\ molecular\ `ntre 10.000-300.000 daltoni. Unele din aceste proteine, au rol important `n structura cromatinei, iar altele `n reglarea expresiei genelor. Din aceast\ clas\ de proteine heterogene, fac parte [i enzime ca nucleazele, ADN- [i ARN-polimerazele, proteinkinazele [.a. Con]inutul `n ap\ al carioplasmei este de circa 80%, iar la acest nivel se mai g\sesc ioni de Ca2+, Mg2+, Na+ [i K+. Con]inutul `n ATP al nucleului este mai mare decât al citoplasmei, ceea ce reflect\ dinamismul acestei forma]iuni. Nucleolul, se `ntâlne[te `n toate celulele eucariote, cu excep]ia celulelor embrionare, unde lipse[te atâta vreme cât embrionul nu `[i sintetizeaz\ `nc\ propriile proteine. Nucleolul se observ\ `n interfaz\, dispare la `nceputul mitozei [i reapare la sfâr[itul acesteia. Nucleolul joac\ un rol esen]ial `n biogeneza ribozomilor. ~n nucleol se sintetizeaz\ ARN-ul ribozomal de care se ata[eaz\ proteinele ribozomale venite din citoplasm\. ~n acest fel se formeaz\ precursorii ribozomilor, care trec apoi prin porii nucleului `n citoplasm\, unde se matureaz\, formându-se ribozomii capabili de a sintetiza proteine. Sinteza ARN-ului ribozomul se face `n anumite zone din cromozomi, denumite organizatori nucleolari. Nucleolul are dimensiuni de 1-2 µm, fiind de form\ oval\ sau rotund\, iar pozi]ia sa `n interiorul nucleului poate varia `n func]ie de starea func]ional\ a celulei, de obicei având o pozi]ie central\ sau paracentral\. ~n privin]a compozi]iei chimice, nucleolul con]ine trei componente principale [i anume ADN `n propor]ie de circa 3%, ARN circa 7% [i proteine `n propor]ie de aproximativ 90%. ADN-ul este reprezentat de cel existent `n organizatorii nucleolari, ce p\trunde ca ni[te bucle de ADN `n nucleoli. ARN-ul este reprezentat de ARN-ul ribozomal aflat `n diferite faze de maturare. Se presupune c\ nucleolul ar fi o sta]ie intermediar\ `n tranzitul spre citoplasm\ al ARN-ului mesager [i al celui de transport. Proteinele nucleolare sunt “importate” din citoplasm\, fiind reprezentate de proteinele ribozomale, de unele enzime necesare sintezei de ARN, precum [i de alte tipuri de enzime. Datorit\ concentra]iei mari de substan]\ uscat\, nucleolul are structura cea mai dens\ din celul\ (densitatea 1,35). Func]ia principal\ a nucleolului este de biogenez\ a ribozomilor, prin sinteza ARN-ului ribozomal [i stocarea precursorilor ribozomali, `nainte de a fi trecu]i `n citoplasm\. Se mai atribuie nucleolului [i func]iile de “sta]ie” de tranzit a ARN mesager [i a ARN de transport spre citoplasm\, precum [i de preg\tire a mitozei, dup\ cum reiese din experien]ele de distrugere a nucleolului. Nucleolul este o component\ esen]ial\ a celulei. Au fost descoperite forme mutante la broasc\ (Xenopus laevis) f\r\ nucleoli, care nu sunt viabile, mormolocii murind la vârsta de o s\pt\mân\.

- 9 -

Cromatina nuclear\, reprezint\ forma interfazic\ de existen]\ a materialului genetic nuclear, nefiind altceva, decât forma relaxat\, extins\, a cromozomilor. ~n timpul diviziunii celulare cromatina se reorganizeaz\, formând structurile condensate caracteristice cromozomilor. Deci cromozomii sunt prezen]i tot timpul `n nucleu, dar nu sunt vizibili la microscopul optic sub forme carcateristice, decât `n timpul diviziunii celulare, când sunt complet condensa]i. Din punct de vedere chimic, cromatina are aceia[i structur\ ca [i a cromozomilor, fiind compus\ din ADN complexat cu proteine histonice, având [i mici cantit\]i de ARN.

Profaz\ CROMATIN| CROMOZOMI Telofaz\ Cromatina se coloreaz\ intens cu coloran]i bazici (ex. hematoxilin\), datorit\ con]inutului mare `n ARN. Se prezint\ `n interfaz\ sub dou\ forme tinctoriale: o re]ea foarte fin\ de filamente slab colorate, ce formeaz\ eucromatina, sau sub o form\ mai condensat\, colorat\ intens, care se nume[te heterocromatin\. Eucromatina, este format\ din mult ADN nerepetitiv, care se replic\ precoce `n faza S, fiind activ\ genetic prin transcriere `n ARN-m [i formând astfel fondul de gene structurale al unui organism. Heterocromatina, este puternic condensat\, prezentându-se sub forma unor corpusculi denumi]i cromocentrii, se coloreaz\ intens, con]ine foarte pu]in ADN nerepetitiv, având o mare cantitate de ADN repetitiv, se replic\ târziu `n faza S [i este pu]in activ\ genetic. Heterocromatina este de dou\ tipuri: constitutiv\ [i facultativ\. Heterocromatina constitutiv\, reprezint\ o caracteristic\ structural\ permanent\ a tuturor celulelor, `n orice perioad\ ontogenetic\. Cantitatea [i localizarea ei variaz\ de la un individ la altul, f\r\ s\ modifice fenotipul, deoarece este inactiv\ genetic. Heterocromatina facultativ\, apare `n diferite stadii de dezvoltare, `n diferite celule, la sexe diferite. Exemplul cel mai tipic `l constituie cromatina sexual\, sau cromatina X. De[i heterocromatina este considerat\ a fi inactiv\, ea pare s\ joace un rol important `n organism. Func]iile sale nu sunt `nc\ bine cunoscute, dar se pare c\ are rol `n reglarea genetic\, `n procesul de diferen]iere celular\ [i `n desf\[urarea diviziunii celulare.

2.2. CROMOZOMII

Cromozomii sunt forma]iunile structurale nucleare de cea mai mare `nsemn\tate din punct de vedere citologic [i genetic, fiind cele mai dinamice elemente ale celulei [i `n acela[i timp cele mai constante. Cromozomii, datorit\ structurii lor, fiind constitui]i din ADN, ARN [i proteine, precum [i capacit\]ii lor de autoreproducere `n timpul diviziunii celulare, asigur\ conservarea informa]iei ereditare [i transmiterea acesteia de la o genera]ie la alta de indivizi. ~n perioada dintre diviziunile celulare (interfaza), cromozomii `[i pierd identitatea, nefiind observabili la microscop. ~n cursul diviziunii `[i recap\t\ identitatea, iar `n metafaz\, cromozomii `[i etaleaz\ morfologia caractereistic\ fiec\rei specii, fiind cel mai u[or de studiat. Prezen]a cromozomilor `n celul\ a fost sesizat\ pentru prima dat\ de c\tre W. Hofmeister `n 1848, fiind descoperi]i de E. Strasburger `n 1875 [i denumi]i ca atare de W. Waldeyer `n 1888 (gr. chroma = culoare, soma = corp), dup\ propriet\]ile lor tinctoriale. Dup\ principalele lor func]ii, cromozomii unei celule somatice sunt de dou\ feluri: autozomi, (fiind `n num\r diferit de la o specie la alta) [i heterocromozomi sau cromozomii sexului, (fiind `n majoritatea cazurilor `n num\r de doi).

- 10 -

2.2.1. STRUCTURA CROMOZOMILOR Structura cromozomilor se studiaz\ `n mod obi[nuit `n profaz\ sau `n metafaza mitozei, când aspectele lor morfologice sunt bine eviden]iate. Elementele morfologice [i structurale ale cromozomilor sunt prezentate `n figurile 3 [i 4.

Fig. 3. Modelul morfologic al unui cromozom.

Cromatidele. Reprezint\ cele dou\ subunit\]i longitudinale ale cromozomului [i care se men]in cuplate la nivelul centromerului. Separarea complet\ a cromatidelor are loc la sfâr[itul metafazei [i `nceputul anafazei, dup\ care fiecare din ele se `ndreapt\ spre un pol al celulei.

Fig. 4. Structura cromozomului:

1 – centromer; 2 – cromatid\; 3 – cromonem\; 4 – cromomer\; 5 – matrix; 6 – nucleol;7 [i 10 – zone heterocromatice; 8 – satelit; 9 – strangulare primar\; 11 – zone eucromatice; 12 – strangulatie secundar\.

- 11 -

Examinând cromozomii `ntr-un ciclu celular complet, ace[tia vor fi monocromatidici `n anafaz\, talofaz\ [i stadiul G1 al interfazei, iar `n stadiul G2, profaz\ [i metafaz\ sunt bicromatidici, (fig. 5). ~n stadiul S al interfazei, nu se poate vorbi de cromozomi mono sau bicromatidici, deoarece are loc replicarea semiconservativ\ a cromozomilor, dublându-se cantitatea de ADN, iar cromozomii monocromatidici devin bicromatidici. Centromerul sau constric]ia primar\. Reprezint\ puntea de leg\tur\ dintre cele dou\ cromatide surori, dup\ replicare. ~n apropierea centromerului cromatidele sunt mai sub]iate, astfel c\ zona centromeric\ poart\ numele [i de constric]ie primar\ sau kinetocor.

Fig. 5. Alternan]a cromozomilor mono [i bicromatidici. Centromerului, prezen]\ permanent\ `n morfologia cromozomului, i se atribuie urm\toarele func]ii: men]ine unitatea structural\ a cromozomului (fragmentele lipsite de centromer `[i pierd “func]ia” genetic\); asigur\ men]inerea cuplat\ a celor dou\ cromatide surori, dup\ replicarea semiconservativ\; permite ata[area cromozomilor de fibrele fusului de diviziune formând placa metafazic\, precum [i deplasarea cromozomilor nou forma]i, dup\ clivajul longitudinal, spre polii celulei. Bra]ele cromozomului. De-a lungul cromozomului, centromerul se poate afla `n orice pozi]ie, `ns\ `ntotdeauna aceast\ pozi]ie este constant\ pentru un cromozom dat. Prin pozi]ia sa, centromerul `mparte cromatidele `n dou\ bra]e: bra]ul scurt notat conven]ional cu “p” (pétit) [i bra]ul lung “q”, (litera din alfabet imediat urm\toare dup\ p). Aceast\ nomenclatur\ este unanim acceptat\ `n citogenetica uman\ [i animal\. Pozi]ia centromerului poate fi stabilit\ prin folosirea a trei indici de exprimare:

indicele centromeric:

Ic = lung. bra] scurt 100

lung. totala a cromozomului

×=

×+(

pp q

100

raportul dintre bra]e:

r = qp

diferen]a de lungime a bra]elor: d = q – p

Constric]iile secundare. O tr\s\tur\ morfologic\ vizibil\ pe unii cromozomi, `n colora]ie conven]ional\, este prezen]a unor zone constric]ionale de m\rime diferit\, `ns\ `n limite caracteristice pentru fiecare cromozom dat. Aceste zone sunt despiralizate, f\r\ diminuarea cantit\]ii de ADN.

- 12 -

Unele constric]ii secundare delimiteaz\ zone satelitice de restul cromozomului, cu rol `n organizarea nucleolar\. Sateli]ii. Sunt por]iuni de cromozom, individualizate gra]ie constric]iilor secundare [i care r\mân legate de cromozom printr-un peduncul sub]ire. La nivelul filamentelor satelitice, sunt prezente genele care codific\ sinteza ARN-ribozomal [i tot aici are loc asocierea cu organizatorii nucleolari. Organizatorul nucleolar. Reprezint\ regiunea cromozomic\ de “contact”, unde se formeaz\ nucleolul. Fiecare set haploid de cromozomi, cuprinde cel pu]in un organizator nucleolar. Dele]ia complet\ a organizatorilor nucleolari este letal\ pentru celul\ [i individ. Organizatorii nucleolari sunt responsabili de sinteza diverselor tipuri de ARN-ribozomal. Telomerele. Reprezint\ structura din zona terminal\ liber\ a cromozomilor, asigurând individualitatea [i nefuziunea `ntre cromozomi. Prin dele]ia talomerelor, cromozomii devin instabili, fiind posibil\ fuziunea intercromozomic\ sau formarea cromozomilor inelari. ~n zona talomerelor se g\sesc secven]e de ADN foarte simple, repetate `n tandem. Cromonemele. Reprezint\ filamentele foarte fine, spiralizate, prezente `n interiorul cromatidelor, constituind elementul structural de baz\ al cromozomilor. Cromomerele. Sunt zonele puternic spiralizate ale cromonemelor, colorându-se intens. Acestea sunt `n num\r mare, fiind dispuse liniar [i transversal `n cromozomi [i apar la `nceputul profazei mitotice sau meiotice. Dimensiunea [i num\rul acestora, variaz\ `n limite foarte largi de la un cromozom la altul fiind caracteristice fiec\rui individ. Compozi]ia chimic\ a cromozomilor. ~n cromozomii celulelor eucariote se g\sesc urm\toarele componente: ADN (circa 30%), ARN (circa 5%), proteine histonice (30 - 40%), proteine nehistonice (10 - 25%), fosfolipide, ioni de Ca2+, Mg2+ [.a.

2.2.2. BENZILE CROMOZOMALE Cu ajutorul metodelor specifice de colorare, se eviden]iaz\ pe cromozomi o alternan]\ de zone mai intens sau mai pu]in intens colorate, constituind astfel un model caracteristic pentru fiecare pereche de cromozomi omologi. Tehnicile prin care se eviden]iaz\ benzile cromozomale se numesc tehnici de bandare. “Banda”, este definit\ ca parte din cromozom, clar delimitat\ de segmentele adiacente, prin zone mai `ntunecate sau mai luminate. Nomenclatura benzilor [i dispozi]ia lor pe fiecare cromozom a fost standardizat\ la om (fig. 6), dar [i la unele specii de animale.

Fig. 6. Prezentarea [i numerotarea benzilor pe cromozomul 1 uman:

p – bra]ul scurt; q – bra]ul lung.

- 13 -

Sunt puse la punct mai multe tehnici care produc bandarea cromozomilor, benzile primind denumiri `n func]ie de procedura opera]ional\ utilizat\. Benzile Q. Primele tehnici de eviden]iere a benzilor cromozomale, au folosit clorura de quinacrin\, substan]\ care produce un model de benzi fluorescente, denumite - benzi Q, (Casperson, 1969). Benzile Q prezint\ un polimorfism transmis mendelian. Acestea apar `n zone bogate `n baze azotate adenin\ - timin\, precum [i `n zonele bogate `n ADN repetitiv. Benzile C. Este utilizat\ tehnica de denaturare a cromozomilor cu NaOH [i renaturarea termic\ a acestora utilizându-se apoi colora]ia Giemsa . Cu ajutorul acestor benzi este localizat\ heterocromatina constitutiv\ a cromozomilor. Astfel aceste benzi apar `n zona centromerului, a constric]iilor secundare, `n regiunea distal\ a bra]ului q al cromozomul Y, precum [i `n zona organizatorilor nucleolari. Regiunile cu benzi C, sunt bogate `n ADN `nalt repetitiv [i `n citozin\. Benzile G. Tehnicile sunt bazate pe hidroliza enzimatic\ a cromozomilor [i colora]ie Giemsa (de unde [i denumirea lor), fiind identice cu benzile Q. Benzile R. Sunt eviden]iate prin denaturarea termic\ moderat\ a cromozomilor [i colora]ie Giemsa, rezultând benzi de tip R (reversibile). Benzile R dau modele opuse benzilor G, colorând intens zonele bogate `n guanin\ - citozin\. Benzile T. Sunt eviden]iate prin utilizarea tratamentului termic [i colorarea cromozomilor cu acridin - orange. Astfel zonele telomerice apar eviden]iate printr-o florescen]\ verde de intensitate variabil\. Respectivele zone sunt denumite benzi T sau telomerice. Aceast\ metod\ permite cunoa[terea cu exactitate a rearanj\rilor structurale din zona distal\ a cromozomilor, cum ar fi: transloca]ii, inversii, recombin\ri etc. Exist\ [i alte metode de colorare [i de eviden]iere a benzilor, cum ar fi: benzile N - care eviden]iaz\ regiunile organizatoare nucleolare (NOR); tehnica SCE - care eviden]iaz\ replicarea semiconservativ\ a macromoleculei de ADN [i schimbul de fragmente cromatidice [.a. Factorii implica]i `n formarea benzilor. ~n adi]ia discontinu\ a coloran]ilor [i delimitarea zonelor intens colorate [i slab colorate, sunt implica]i urm\torii factori, care vor fi studia]i pe larg `n capitolele urm\toare: ADN-ul repetitiv; diferen]e `n componen]a de baze azotate a ADN-ului; diferen]e `n dispozi]ia proteinelor [i a gradului de pliere sau de condensare a ADN-ului sau a fibrei de cromatin\ `n cromozom.

2.2.3. ~NSU{IRILE FUNDAMENTALE ALE CROMOZOMILOR

Rolul cromozomilor `n ereditate rezult\ din `nsu[irile lor fundamentale, care se refer\ la: constan]a numeric\, m\rimea [i forma cromozomilor, dispunerea `n perechi [i individualitatea acestora. a. Stabilitatea numeric\ a cromozomilor. Num\rul de cromozomi este caracteristic fiec\rei specii [i acela[i `n condi]ii normale, `n toate celulele organismului. Ast\zi, num\rul de cromozomi se cunoa[te la câteva mii de specii de plante [i animale, (tabelul 1). Num\rul de cromozomi este o caracteristic\ constant\ la indivizii unei specii [i se realizeaz\ datorit\ capacit\]ii cromozomilor de autoreproducere `n cursul diviziunii celulare. b. Stabilitatea m\rimii [i formei cromozomilor. Constituie de asemenea o caracteristic\ de specie. M\rimea cromozomilor variaz\ `n func]ie de specie [i de perechea de cromozomi, de la 0,1 - 25 microni ca lungime, iar ca grosime de la 0,1 - 0,2 microni. Forma cromozomilor se stabile[te dup\ aspectul lor `n metafaz\, constituind un caracter de gen [i de specie. Cromozomii pot avea form\ sferic\, de bastona[e, asem\n\tor literelor V, U, L, I etc.

- 14 -

Tabelul 1

Num\rul de cromozomi din celulele somatice (2n), la câteva specii de animale [i plante

Nr. crt. Specia de animale 2n Nr.

crt. Specia de plante 2n

1 Homo sapiens 46 1 Triticum monoccocum 14

2 Phesus Macaca mulatta (maimu]a) 42 2 Triticum durum 28

3 Equus caballus 64 3 Triticum aestivum 42 4 Equus przewalski 66 4 Secale cereale 14 5 Equus asinus 62 5 Hordeum sativum 14 6 E. zebra hortmanae 32 6 Zea mays 20 7 Bos taurus 60 7 Solanum tuberosum 48 8 Bubalas bubalus (bivol) 50 8 Helianthus annuus 34 9 Bison bison (bizon) 60 9 Avena sativa 42

10 Sus scrofa domesticus 38 10 Brassica oleracea 18 11 Sus scrofa scrofa 36 11 Beta vulgaris 18 12 Ovis aries 54 12 Canabis sativa 20 13 Capra hircus (capra) 60 13 Glycine soya 40 14 Capra ibex (]ap s\lbatic) 60 14 Lupinus luteus 52 15 Canis familiaris 78 15 Medicago sativa 32 16 Canis lupus (lup) 78 16 Nicotiana tabacum 48 17 Canis latrus (coiot) 78 17 Oryza sativa 24 18 Felis domestica (pisica) 38 18 Papaver somniferum 22 19 Felis tigris (tigru) 38 19 Phaseolus vulgarus 22 20 Vulpes vulpes (vulpea) 38 20 Pisum sativum 14 21 Gallus domesticus (g\in\) 77 21 Trifolium pratense 14 22 Meleagris gallopavo (curc\) 82 22 Trifolium hibridum 16

23 Coturnix coturnix (prepeli]a japonez\) 80 23 Trifolium repens 28

24 Columbia livia (porumbei) 68

25 Oryctolagus cuniculus (iepurele domestic) 44

26 Lepus timidus (iepurele s\lbatic) 48

27 Apis mellifica 32 28 Bombyx mori 28 29 Cyprinus carpio 104 30 Drosophila melanogaster 8 31 Musca domestica 12 32 Plasmodium malarie 2

Cele dou\ bra]e ale cromozomilor pot fie egale sau inegale, `n func]ie de pozi]ia centromerului. ~n func]ie de pozi]ia centromerului, cromozomii pot fi de mai multe feluri, (fig. 7): metacentrici, când au centromerul plasat la mijlocul cromozomului, `mp\r]indu-l `n dou\ bra]e egale, cromozomii având astfel forma literei V;

e d c a b

Fig. 7. Tipuri de cromozomi: a – metacentric; b – submetacentric; c – subtelocentric; d - acrocentric; e – telocentric.

submetacentrici, când centromerul este amplasat `n apropierea zonei mediane,

`mp\r]ind cromozomul `n dou\ p\r]i inegale, un bra] scurt “p” [i un bra] distal lung “q”;

- 15 -

subtelocentrici, cu centromerul plasat `n apropierea zonei terminale a cromozomului; acrocentrici, cu centromerul plasat `n regiunea subterminal\ pe cromozom, acesta prezentând un singur bra] “q” foarte lung (circa 9/10 din lungime) [i un bra] “p” foarte scurt, având forma de bastona[e. O alt\ categorie morfologic\, cromozomii telocentrici, având centromerul plasat chiar terminal pe cromozom, s-a dovedit dup\ 1980 c\ nu pot exista, cromozomii telocentrici fiind instabili. Cromozomii care par telocentici, posed\ bra]e terminale minuscule, neobservabile la microscopul optic, (Swanson – 1981; citat de C`rlan M. – 1996). c. Dispunerea `n perechi a cromozomilor. Este o alt\ caracteristic\ de baz\ a cromozomilor, determinat\ de faptul c\ fiecare organism nou format este rezultatul contopirii celor doi game]i, fiecare contribuind cu un num\r egal de cromozomi. Astfel `n celulele somatice, cromozomii sunt dispu[i `n perechi - unul de origine matern\, cel\lalt de origine patern\, de aceea[i form\, m\rime [i valoare genetic\, numindu-se cromozomi omologi. Aceasta este starea diploid\ [i se noteaz\ cu 2n. ~n game]i, se g\se[te câte un cromozom din fiecare pereche de omologi, num\rul fiind redus la jum\tate fa]\ de celulele somatice. Aceasta va fi starea haploid\, fiind notat\ cu n. Un set haploid de cromozomi, poart\ denumirea de genom. Refacerea num\rului de cromozomi caracteristic speciei, are loc prin procesul de fecundare, `n urma c\ruia prin unirea celor dou\ genomuri din game]i, zigotul devine diploid (2n). d. Individualitatea cromozomilor. Este o `nsu[ire care permite identificarea cu precizie a lor, `n celulele indivizilor din cadrul aceleia[i specii. Pe parcursul ciclului celular, cromozomii sufer\ modific\ri mari ca form\ [i dimensiuni. Cu toate acestea ei apar la genera]ia urm\toare, `n acela[i num\r [i sub aceea[i form\. Acest lucru apare evident `n cazul hibrid\rilor, când speciile se deosebesc sub aspectul formei [i m\rimii cromozomilor. La hibridul rezultat, se poate identifica cu u[urin]\ cromozomii celor dou\ specii, `ntrucât ei `[i p\streaz\ individualitatea. Individualitatea cromozomilor se manifest\ [i ca strucrur\ [i ca efecte genetice.

2.2.4. TIPURI SPECIALE DE CROMOZOMI Pe lâng\ tipul obi[nuit de cromozomi, au fost puse `n eviden]\ [i alte tipuri, care se deosebesc prin m\rime, form\, comportare [i valoare genetic\. Din aceast\ categorie pot fi aminti]i: cromozomii uria[i (cromozomii politeni), cromozomii de tip perie de lamp\ (lampbrush) [i microzomii (cromozomii suplimentari). Cromozomii uria[i (politeni). Se g\sesc `n glandele salivare ale larvelor de diptere. Ace[ti cromozomi sunt mult mai mari decât cei din celulele somatice, fiind observa]i pentru prima dat\ de E.G. Balbiani (1881), `n glandele salivare ale larvelor de Chironomus. Cromozomii uria[i din glandele salivare de la Drosophila melanogaster(fig. 8), dep\[esc de circa 100 de ori dimensiunea cromozomilor normali, având o lungime total\ de 1.200 – 2.000 µ. Cromozomii uria[i, sunt constitui]i din benzi transversale, alternative ca intensitate de colorare, denumite inelele sau discurile lui Balbiani. Pe aceste benzi pot fi localiza]i cu precizie locii diferitelor gene. Observa]i la microscop, cromozomii uria[i la Drosophila melanogaster apar `ntr-o dispozi]ie `n care se observ\ [ase bra]e, din care unul scurt (cromozomul IV) [i cinci lungi, fiind uni]i printr-o mas\ amorf\ de heterocromatin\, denumit\ cromocentru. ~n anumite locuri din cromozomii uria[i se observ\ c\ benzile acestora sufer\ o expandare lateral\, cu apari]ia unui aspect caracteristic de “puffuri”. Fiecare puf\ reprezint\ o zon\ intens\ de transcriere a mesajului genetic (sintez\ de ARN-m), iar m\rimea pufelor este corelat\ cu intensitatea acestui proces transcrip]ional.

- 16 -

Fig. 8. Cromozomii uria[i din glandele salivare a larvelor de Drosophila; X - cromozomul sexului; 2-3 - nr. cromozomului.

La Drosophila melanogaster, studiul benzilor cromozomale din cromozomii uria[i, a permis stabilirea coresponden]ei dintre activitatea lor [i sinteza proteic\, identificându-se amplasarea genelor `n cromozomi, alc\tuindu-se astfel harta genetic\ la aceast\ specie. Cauza apari]iei cromozomilor uria[i, o reprezint\ duplicarea semiconservativ\ a cromonemelor, f\r\ a mai avea loc separarea lor `n cromozomi independen]i, fenomen denumit endoreplicare. ~n acest fel apar cromozomii politeni, ace[tia con]inând de circa 1024 de ori mai mult ADN, decât cromozomii normali. Cromozomii tip perie de lamp\ (lampbrush). Ace[ti cromozomi au fost depista]i `n nucleii ovocitelor la pe[ti, reptile [i p\s\ri. Ace[tia reprezint\ perechi de cromozomi omologi care sunt conjuga]i prin câteva chiasme. Cromonemele din cadrul fiec\rei cromatide, formeaz\ din loc `n loc ni[te bucle filiforme, dispuse perpendicular pe axul cromozomului, dându-i astfel aparen]a periei de sticl\ de lamp\, (fig. 9).

a b c

Fig. 9. Cromozom perie de lamp\ (lampbrush): a - schema unui bivalent; b - sec]iune printr-un cromozom;

c - structura unei bucle.

- 17 -

Aceast\ form\ caracteristic\ a cromozomilor lampbrush este `ntâlnit\ doar `n profaza I meiotic\. Ansele laterale ale acestor cromozomi, reprezint\ o anumit\ secven]\ de AND cu o activitate sintetic\ foarte intens\, fiind modific\ri reversibile ale structurii cromozomilor la nivelul unor gene foarte active. La nivelul acestor centre active de transcrip]ie, are loc fenomenul de amplificare genic\. Prin amplificare genic\ se m\re[te selectiv num\rul de exemplare ale unor gene, datorit\ necesit\]ii deosebit de mari pentru unele proteine, `ntr-un anumit stadiu de dezvoltare. Cromozomii perie de lamp\ pot ajunge la dimensiuni foarte mari, la broasc\ (Rana temporaria) pot atinge 800-1000 µ iar `n ovocitul de triton la 500 – 800 µ.

Microzomii (cromozomii suplimentari). Reprezint\ o serie de cromozomi de dimensiuni foarte mici, fiind pu[i `n eviden]\ la p\s\ri, porumb, secar\, sorg etc. Majoritatea speciilor de p\s\ri au un num\r diploid de cromozomi 2n = 80. Dintre ace[tia circa 3/4 sunt microzomi de dimensiuni foarte mici, `n cele mai multe situa]ii neidentificabili individual, con]inând 15 - 20% din cromatina nuclear\. Microzomii sunt cromozomi adev\ra]i, de[i unii citologi sugereaz\ existen]a aneuploidiei sau a altor abera]ii cromozomale `n apari]ia acestora `n num\r a[a de mare. Deoarece sunt foarte mici, identificarea lor `n totalitate `ntr-o singur\ metafaz\, este aproape imposibil\. ~n majoritatea cazurilor microzomii sunt constitui]i din cromatin\ dens\, neavând omologie cu macrocromozomii.

2.2.5. CARIOTIPUL {I CARIOGRAMA Studiul cromozomilor ca num\r, form\ [i structur\ a f\cut posibil\ identificarea lor cu precizie [i alc\tuirea cariotipului fiec\rei specii. Cariotipul, reprezint\ o ordonare a setului diploid de cromozomi caracteristic speciei, definit prin num\rul [i morfologia cromozomilor `n metafaza mitotic\. Cariotipul `n condi]ii normale, este constant pentru fiecare specie de-a lungul genera]iilor. Idiograma (sau cariograma), este reprezentarea schematic\ a cromozomilor, rezultat\ prin prelucrarea m\sur\torilor efectuate pe cromozomi din mai multe celule metafazice, (fig. 10). Idiogramele sunt utilizate `n studiul citogenetic comparativ al diferitelor specii.

Fig. 10. Idiograma cromozomilor la bovine (Bos taurus). Una din caracteristicle citogenetice ale celor mai multe specii de animale domestice o constituie slaba diferen]iere morfologic\ a cromozomilor. La canine, ecvine, bovine [i ovine, cromozomii au aproximativ aceea[i talie [i morfologie, ceea ce constituia pân\ de curând un mare impediment `n identificarea cu precizie a fiec\rei perechi de cromozomi. Tehnicile de colorare speciale, ap\rute relativ recent, fac posibil\ punerea `n eviden]\ a unui model de benzi cromozomale, caracteristic pentru fiecare pereche de

- 18 -

cromozomi ai unei specii. Utilizarea acestor metode, a permis identificarea cu precizie a perechilor de cromozomi omologi, la cele mai multe specii de animale domestice. ~n plus s-a putut stabili [i gradul de omologie a cromozomilor `ntre speciile `nrudite. De asemenea, prin alc\turiea cariotipului exist\ posibilitatea identific\rii unor abera]ii cromozomale, ceea ce prezint\ importan]\ `n evaluarea efectelor lor fenotipice. O mare parte din cuno[tin]ele de citogenetic\ s-au ob]inut prin studiul cariotipului la pas\re, existând numeroase studii pe aceast\ specie. ~n ceea ce prive[te num\rul total de cromozomi din cariotipul diverselor specii de p\s\ri de importan]\ zootehnic\, acesta este:

la g\in\ (Gallus bankiva) - 2n = 78 cromozomi; la curc\ (Meleagris gallopavo) - 2n = 82 cromozomi, (dup\ unii autori 78 de

cromozomi); la bibilic\ (Mumida meleagris) - 2n = 78 cromozomi; la ra]\:

ra]a comun\ (Anas platyrhynchas) - 2n = 80 cromozomi; ra]a le[easc\ (Cairina moscata) - 2n = 78 cromozomi;

la gâsc\ (comun\ [i chinezeasc\) - 2n = 82 cromozomi; la prepeli]a japonez\ (Coturnix coturnix) - 2n = 80 cromozomi; la porumbei (Columbia livia) - 2n = 68 cromozomi, existând varia]ii `n cazul

altor popula]ii de porumbei, cu origine diferit\.

2.3. CICLUL CELULAR

Perioada de timp scurs\ de la terminarea diviziunii ce a dat na[tere unei celule [i pân\ la momentul `n care se `ncheie diviziunea acelei celule se nume[te ciclu celular. Ciclul de via]\ al unei celule se compune din dou\ mari faze: diviziunea celular\ [i perioada dintre dou\ diviziuni succesive, numit\ interfaz\. Mult\ vreme s-a considerat c\ interfaza este o perioad\ de “lini[te”, de “repaus celular”. Odat\ cu introducerea metodelor biologiei moleculare, s-a remarcat c\ interfaza este o perioad\ de maxim\ activitate metabolic\, `n aceast\ faz\ având loc sinteza ADN-ului, ARN-ului [i a proteinelor. ~ntreg ciclul celular este compus din patru perioade: G1 (perioada de timp dintre sfâr[itul mitozei [i `nceputul sintezei de ADN); S (perioada `n care se sintetizeaz\ ADN-ul); G2 (perioada dintre sfâr[itul sintezei de ADN [i `nceputul diviziunii) [i M (diviziunea sau mitoza propriu-zis\), (fig. 11).

Fig. 11. Diagrama ciclului celular.

Durata ciclului celular, este variabil\ `n func]ie de specie [i tipul de celule, fiind variabil\ de la o celul\ la alta, chiar [i `n cadrul aceluia[i ]esut. La eucariotele superioare ciclul celular dureaz\ 10 - 25 ore, din care diviziunea propriu-zis\ dureaz\ 1 or\. La o durat\ total\ a ciclului celular de 16 ore, durata celor patru perioade este

- 19 -

G1 = 5 ore; S = 7 ore, G2 = 3 ore [i M = 1 or\. Faza G1 are durata cea mai variabil\ de la o celul\ la alta, `n timp ce faza S este cea mai constant\, pentru un anumit tip de celule. ~n organism exist\ celule care se divid foarte rapid, parcurgând un ciclu celular `n 8 - 10 ore, iar altele se divid rar având un ciclu celular de 100 de zile sau mai mult. Dup\ modul cum parcurg ciclul celular, celulele din organismul mamiferelor se pot clasifica `n trei categorii: categoria I: - celule care [i-au pierdut capacitatea de diviziune dup\ na[tere, fiind oprite `n faza G1: neuronii, celula muscular\; categoria II: - celule care se divid rapid: celulele din m\duva osoas\ hematogen\, celule splenice, celulele epiteliale; categoria III: - celule cu o capacitate redus\ de diviziune, care `ns\ `n condi]ii deosebite se pot divide rapid: hepatocitele, celulele glandelor hormonale. ~n cazul organismelor superioare, diviziunea celular\ este indirect\, fiind de dou\ feluri: - mitoza (cariochineza), specific\ `nmul]irii celulelor somatice; - meioza (diviziunea reduc]ional\), specific\ form\rii celulelor sexuale maturate.

2.3.1. MITOZA (CARIOCHINEZA) Mitoza, este diviziunea celular\ specific\ celulelor somatice, fiind un mecanism biologic care asigur\ o repartizare identic\ a materialului genetic. ~n ciclul de via]\ al unei celule somatice capabil\ de multiplicare, se disting dou\ faze: a. - faza sintetic\ (interfaza); b. - faza citologic\ (mitoza propriu-zis\).

a. Faza sintetic\ (interfaza). Reprezint\ perioada dintre dou\ diviziuni celulare, `n care are loc duplicarea componentelor esen]iale ale celulei, necesare intr\rii acesteia `n diviziune. Principalul proces de sintez\ este replicarea semiconservativ\ a ADN-ului, cu duplicarea componentelor cromozomale. Interfaza reprezint\ perioada de activitate sintetic\ a celulei, iar `n timpul mitozei propriu-zise se reorganizeaz\ structura celulei [i are loc segregarea cromozomilor `n celulele nou formate. Cercet\rile au eviden]iat c\ [i `n interfaz\ cromozomii `[i men]in individualitatea, dar sunt mult extin[i, alungi]i, filamento[i, formând a[a – numita “cromatin\”. Interfaza este `mp\r]it\ `n trei perioade: Perioada presintetic\ (faza G1), `n care celula are un set de cromozomi monocromatidici, corespunzând preg\tirii sintezei ADN-ului. Se remarc\ sinteza intens\ de ARN - mesager [i de proteine citoplasmatice. Sfâr[itul fazei G1, este considerat când `ncepe sinteza histonelor, care se intensific\ progresiv, atingând maximum `n faza S. Perioada de sintez\ (faza S), `n care are loc replicarea semiconservativ\ a ADN-ului, rezultând `n final dublarea materialului cromozomal. ~n aceast\ faz\ se sintetizeaz\ atât ADN-ul cromozomal cât [i componentele proteice ale cromozomilor. Cromatidele surori r\mân strâns asociate prin intermediul constric]iilor primare [i secundare. Sinteza proteinelor histonice decurge `n paralel cu sinteza ADN-ului, adic\ numai `n faza “S”. Perioada postsintetic\ (faza G2), este delimitat\ de sfâr[itul sintezei de ADN [i apari]ia primelor semne vizibile ale diviziunii celulare. Sinteza ADN-ului [i a componentelor proteice ale cromozomilor `nceteaz\ o dat\ cu `ncheierea fazei S, sinteza ARN-ului [i a altor componente proteice ale celulei continu\ pe parcursul `ntregii interfaze. De regul\, celulele somatice care `nceteaz\ s\ se mai divid\ se g\sesc `n faza G1, deci `n stare diploid\ normal\. b. Faza citologic\ sau mitoza propriu-zis\. Cuprinde patru faze: profaza (cu o durat\ de circa 30 min. sau 50% din durata total\ a mitozei); metafaza (circa 8 min), anafaza (circa 4 min) [i telofaza (circa 18 min), (fig. 12).

- 20 -

Profaza - reprezint\ stadiul cel mai lung al mitozei, `n care are loc condensarea crescând\ a cromozomilor, care devin astfel vizibili la microscopul optic sub forma unor filamente lungi [i sub]iri, care `ncep s\ se scurteze [i s\ se `ngroa[e. Cromozomii `[i p\streaz\ strucrura lor dubl\ format\ din cele dou\ cromatide alipite longitudinal, care se r\sucesc una `n jurul celeilalte având ca punct comun centromerul, astfel c\ linia de demarcare a celor dou\ cromatide surori devine tot mai greu vizibil\.

Fig. 12. Diviziunea mitotic\: A – interfaza; B, C, D – profaza; E, F – metafaza; G – anafaza; H – telofaza; I – interfaza.

~n citoplasm\ centrozomul se divide `n doi corpusculi denumi]i centrioli, ce vor migra spre polii celulei. Spre sfâr[itul profazei dispar nucleolii, membrana nuclear\ se dizolv\ iar cromozomii ajung `n masa celular\. ~ntre cei doi centrioli se formeaz\ fusul de diviziune, care va avea câte un filament pentru fiecare cromozom. Metafaza - este stadiul `n care cromozomii ating maximul de condensare, ace[tia orientându-se c\tre planul ecuatorial al celulei [i fiecare se ata[eaz\ prin intermediul centromerului de câte o fibr\ a fusului de diviziune formând placa ecuatorial\. Acest moment este foarte important pentru cercet\rile de citogenetic\; deoarece prin tehnici specifice cromozomii pot fi individualiza]i, fiind u[or de cercetat la microscop `n vederea alc\tuirii cariotipului. Aranjamentul spa]ial al cromozomilor `n placa ecuatorial\ a constituit obiectul a numeroase investiga]ii. Astfel s-a constatat c\ acei cromozomi care au talie mare, tind s\ ocupe pozi]ii la periferia pl\cii metafazice astfel `ncât doar regiunile centromerice se g\sesc `n cadrul fusului mitotic, bra]ele lungi g\sindu-se plasate `n citoplasm\. Cromozomii mici tind s\ ocupe arealul central al pl\cii metafazice. Ordonarea ne`ntâmpl\toare a cromozomilor metafazici `n placa ecuatorial\, a fost demonstrat\ la mai multe specii (om, hamster, iepure). Cromozomii sexului sunt `ntâlni]i la periferia pl\cii metafazice. ~n finalul metafazei are loc diviziunea longitudinal\ a celor dou\ cromatide surori, inclusiv a centromerilor, fiecare cromatid\ devenind un cromozom independent, care sunt atra[i spre polii celulei prin contractarea fibrelor fusului de diviziune.

- 21 -

Sub ac]iunea diver[ilor factori cu efect mutagen (radia]ii, substan]e chimice, temperaturi sc\zute etc), cele dou\ cromatide pot s\ nu se separe, dând na[tere la manifest\ri patologice (trisomii, monosomii etc). ~n lucr\rile curente de citogenetic\, celulele sunt tratate cu colchicin\ care inhib\ formarea fusului mitotic, astfel `ncât nucleii sunt bloca]i `n stadiul metafazic, fiind mai u[or de studiat Anafaza - este etapa de clivare total\ a celor dou\ cromatide surori [i de mi[care a cromozomilor prin intermediul fusului de diviziune, spre polii celulei. ~n acest fel, fiecare cromatid\ devine cromozom monocromatidic independent. Când fiecare set de cromozomi a ajuns la polii celulei, anafaza se `ncheie, rezultând `n jurul fiec\rui pol celular acela[i num\r de cromozomi câ]i au existat la celula mam\, adic\ un set diploid specific de cromozomi (2n). La sfâr[itul anafazei, celula prezint\ o u[oar\ [trangulare `n zona median\. Telofaza - `ncheie fazele diviziunii, cromozomii suferind un proces de despiralizare [i decondensare, devenind sub]iri [i pierzând propriet\]ile tinctoriale. Fusul de diviziune dispare, apar nucleolii [i se formeaz\ membrana nuclear\ care delimiteaz\ câte un nucleu la fiecare pol al celulei, cu acela[i num\r de cromozomi ca [i celula mam\. Apoi are loc separarea complet\ a citoplasmei [i reorganizarea membranelor celulare, rezultând `n final dou\ celule fiice. Acestea intr\ apoi `n interfaz\, timp `n care se realizeaz\ condi]iile necesare unei noi diviziuni. Durata mitozei, este foarte variabil\ de la o categorie de celule la alta, fiind dependent\ de specie, vârst\, temperatur\ etc. Durata complet\ a unui ciclu mitotic, variaz\ de la câteva zeci de minute, la câteva zeci de ore. Mitoza poate fi stimulat\ sub ac]iunea unor substan]e specifice, denumite substan]e mitogene (exemplu - eritropoietina, factori de cre[tere, hormonii cum sunt cei estrogeni etc). Exist\ [i factori tisulari inhibitori ai diviziunii celulare, cum sunt unele peptide [i glicoproteine. ~n func]ie de tipul specific de ]esut al organismului, celulele se divid din timp `n timp, astfel c\ fiec\rui ]esut `i este specific un indice mitotic (rat\ mitotic\), care reprezint\ propor]ia de celule aflate `n diviziune, din num\rul total de celule. Semnifica]ia genetic\ a mitozei. Mitoza este diviziunea celulelor somatice, `n urma c\reia rezult\ dou\ celule fiice, care au acela[i num\r de cromozomi [i aceea[i structur\ genetic\ ca [i cromozomii celulei mam\. Astfel mitoza asigur\ constan]a numeric\ [i informa]ional\ a cromozomilor `n succesiunea genera]iilor de celule a unui organism. Din acest punct de vedere, mitoza este considerat\ drept mecanismul biologic care atinge exactitatea absolut\ `n celulele normale. ~n timp ce meioza induce permanent variabilitate, mitoza conserv\ `n modul cel mai rigid cu putin]\ informa]ia ereditar\. Men]inerea constant\ a num\rului de cromozomi [i a informa]iei ereditare, este asigurat\ de mecanismul de biosintez\ a cromatidelor surori. Datorit\ biosintezei semiconservative a cromatidelor `n cursul perioadei de sintez\, cele dou\ cromatide surori sunt `ntotdeauna identice sub raportul informa]iei ereditare de]inute, atât una fa]\ de cealalt\, cât [i fa]\ de cromatida mam\. ~n cursul ciclului celular, are loc o varia]ie a cantit\]ii de AND, (fig. 13).

Astfel `n stadiul G1 al interfazei `n anafaz\ [i telofaz\, cantitatea de ADN va fi de 2Q. ~n perioada de sintez\ (S) a interfazei are loc o dublare a cantit\]ii de ADN (4Q), men]inându-se la acest nivel [i `n stadiul G2 precum [i `n profaz\ [i metafaz\. Spre finalul metafazei are loc separarea celor dou\ cromatide surori, care devin cromozomi independen]i, iar cantitatea de ADN revine la nivelul specific de 2Q. Mitoza prin multiplicarea continu\ a celulelor unui organism, asigur\ cre[terea [i dezvoltarea organismelor pluricelulare. Prin mecanismele specifice procesului de diferen]iere celular\ `n perioada embrionar\, precum [i datorit\ reglajului genetic, mitoza permite `n cursul procesului de ontogenez\ formarea de ]esuturi [i organe cu func]ii specifice. Exactitatea replic\rii [i separ\rii cromatidelor, asigur\ cantitativ [i calitativ aceea[i structur\ genetic\ a celulelor fiice, cu a celulei mam\. ~n acest mod, mitoza asigur\ continuitatea ereditar\ `n cadrul fiec\rui organism. Orice modificare a structurii cantitative [i calitative a cromozomilor `n cursulul procesului de mitoz\, sub ac]iunea factorilor mutageni, fizici, chimici sau biologici (radia]ii, influen]a temperaturii, substan]e chimice cu efect mutagen, oncovirusuri etc), va determina consecin]e deosebit de negative asupra diverselor ]esuturi sau organe, cu modific\ri pregnante a sintezei diver[ilor compu[i biologici la nivel celular.

- 22 -

Cant. de ADN 4Q

2Q G1 S G2 Mitoza G1 .....etc (P; M; A; T) 5 7 3 1 Fazele ciclului 16 h celular [i durata lor (h)

Fig. 13. Cantitatea de ADN [i fazele ciclului celular: Interfaza (G1; S; G2), mitoza propriu-zis\ (Profaza, Metafaza, Anafaza [i Telofaza).

2.3.2. MEIOZA Meioza sau diviziunea reduc]ional\, reprezint\ tipul de diviziune celular\ caracteristic\ organismelor care se reproduc pe cale sexuat\. ~n urma meiozei se formeaz\ celulele sexuale sau game]ii (spermatozoizii [i ovulele), care vor avea un num\r de cromozomi redus la jum\tate fa]\ de celula din care au provenit. Celulele astfel rezultate vor avea un nucleu haploid (cu n cromozomi), specific tuturor celulelor sexuale. Prin fecundarea a dou\ celule sexuale, cu un num\r haploid de cromozomi, rezult\ zigotul care are o garnitur\ cromozomal\ dubl\ (stare diploid\ = 2n cromozomi), specific\ celulelor somatice. Meioza [i fecundarea sunt astfel fenomene compensatorii, care asigur\ constan]a num\rului de cromozomi caracteristic fiec\rei specii, de-a lungul genera]iilor de indivizi. ~n meioz\ se succed dou\ diviziuni succesive. ~n prima diviziune meiotic\ se produce conjugarea cromozomilor omologi, duplicarea fiec\rui omolog `n cromatidele surori [i separarea cromozomilor omologi `n dou\ celule cu un num\r haploid de cromozomi (n), fiind deci o diviziune reduc]ional\. A doua diviziune meiotic\ decurge dup\ o mitoz\ obi[nuit\ [i const\ `n separarea fiec\rui cromozom `n cele dou\ cromatide surori, fiind deci o diviziune homotipic\ sau de matura]ie. ~n urma celor dou\ diviziuni, din celula primar\ vor rezulta patru celule haploide, care vor forma game]ii, (fig. 14). Prima diviziune meiotic\ (Meioza I), se desf\[oar\ `n patru etape (profaza I, metafaza I, anafaza I [i telofaza I). Este un proces foarte complex, meioza I poate dura zile, luni [i chiar ani de zile, (`n func]ie de specie). Profaza I. Este o faza ce dureaz\ deosebit de mult, ocupând 90% din durata meiozei totale. ~n timpul profazei I se m\re[te volumul nuclear de 3 - 4 ori fa]\ de profaza mitotic\, are loc `mperecherea cromozomilor omologi [i manifestarea fenomenul de crossing-over, realizându-se un schimb reciproc de fragmente cromatidice `ntre cromozomii omologi. Prezint\ cinci etape succesive: leptonem, zigonem, pachinem, diplonem [i diachinez\. Leptonem (gr. Lepton = sub]ire; nema = filament), este prima etap\ a profazei I meiotice caracterizat\ prin aspectul cromozomilor care apar ca ni[te filamente lungi [i sub]iri. Cromozomii sunt `n num\r diploid [i bicromatidici, cromatidele fiind strâns asociate. Cromatidele surori sunt sintetizate semiconservativ, `n interfaza care precede

- 23 -

intrarea celulelor `n meioz\. O tr\s\tur\ caracteristic\ a acestei etape este dispozi]ia polarizat\ a cromozomilor, dând impresia c\ pornesc dintr-un singur punct cu ambele extremit\]i, punct plasat la nivelul membranei nucleare.

Fig. 14. Diviziunea meiotic\: a - leptonem; b - zigonem; c - pachinem; d - diplonem; e - diachinez\; f - metafaza I; h - interfaz\; i - metafaza II; j - celule haploide.

Zigonem (gr. zygosis = unire, `mbinare), `n aceast\ etap\ cromozomii `ncep procesul de spiralizare, devenind mai scur]i [i gro[i. Cromozomii omologi se alipesc unul de altul, unindu-se `ntre ei (conjungarea omologilor) pe direc]ie longitudinal\, formând perechi de bivalen]i fenomen denumit sinapsis. Conjugarea cromozomilor omologi se face punct cu punct pe toat\ lungimea lor, `ncepând de la un cap\t (conjugare terminal\), sau simultan din mai multe puncte (conjugare local\). Mecanismul molecular al conjug\rii cromozomilor omologi este mai pu]in cunoscut, presupunându-se c\ `n mare parte complexul sinaptic este format din proteine [i `ntr-o m\sur\ mai mic\ din ADN. Conjugarea cromozomilor omologi este precedat\ de formarea chiasmelor, care sunt puncte de contact `ntre ace[tia. Datorit\ faptului c\ sinapsa este deosebit de exact\ (fiecare element structural alipindu-se exact pe elementul similar din cromozomul omolog), aparent num\rul de cromozomi pare redus la jum\tate. Faza de zigonem are o deosebit\ importan]\ genetic\. Datorit\ conjug\rii perechilor de omologi, se poate stabili cu certitudine identitatea cromozomilor dintr-o pereche, fapt important pentru studiile de citogenetic\. De asemenea, datorit\ conjug\rii perfecte a perechilor de omologi, se poate eviden]ia cu u[urin]\ cazurile de cromozomi anormali, care au suferit un proces de rupere sau pierdere a unor segmente. ~n cazul când de pe un cromozom lipse[te un segment intercalat, cromozomul omolog va suferi `n por]iunea respectiv\ o `ndoire, o buclare, iar `n cazul când segmentul este terminal, cromozomul omolog va prezenta o por]iune terminal\ liber\. Pachinemul (gr. pachys = gros), este o etap\ `n care scurtarea [i `ngro[area cromozomilor omologi se accentueaz\, `ncât cu greu se poate sesiza structura dubl\ a cromozomilor, num\rul acestora devenind aparent haploid. Perechile de cromozomi astfel intim uni]i, poart\ denumirea de bivalen]i.

- 24 -

La sfâr[itul acestui stadiu `ncepe fenomenul de respingere a cromozomilor omologi `ntre ei, proces care continu\ [i `n stadiul urm\tor. Diplonem (gr. diplos = dublu), cromozomii omologi `[i restabilesc structura lor dubl\ [i `n plus fiecare cromozom se divide longitudinal `n cele dou\ cromatide, astfel `ncât o pereche de cromozomi apare ca fiind format\ din patru cromatide, unite dou\ câte dou\ prin centromerul comun, forma]iunea respectiv\ fiind denumit\ tetrad\ cromozomal\. Separarea celor doi cromozomi omologi nu este `ns\ complet\, ei r\mân conjuga]i prin unul sau mai multe puncte de-a lungul cromatidelor, constituind puncte de contact denumite chiasme. Chiasmele localizeaz\ punctele `n care pot avea loc schimburi de fragmente cromatidice `ntre cromatidele nesurori, fenomen denumit de Morgan crossing-over. Formarea chiasmelor este un proces destul de des `ntâlnit `n `mperecherea cromozomilor omologi, dar frecven]a acestora variaz\ de la o pereche de cromozomi la alta, fiind determinat\ de lungimea [i particularit\]ile de structur\ ale cromozomilor. ~n cazul heterozomilor (cromozomii X [i Y), la majoritatea speciilor de mamifere `mperecherea se face cap la cap [i nu longitudinal ca `n cazul autozomilor, ceea ce exclude formarea chiasmelor, precum [i existen]a crossing-overului. ~n continuarea diplonemului, cromatidele se contract\ [i mai mult, iar reac]ia de respingere dintre ele cre[te, acestea r\mânând `ns\ legate prin centromer [i alte puncte de contact. Diachinez\ (dia = divergent; kinesis = mi[care), reprezint\ ultimul stadiu al profazei I meiotice, `n care continu\ procesul de contractare [i `ndep\rtare a cromozomilor omologi, l\rgindu-se astfel spa]iile dintre ace[tia, iar chiasmele se deplaseaz\ spre extremit\]ile cromozomilor. Cromatidele surori se unesc foarte strâns, devenind aproape inobservabile. ~n finalul diachinezei membrana nuclear\ se dizolv\, nucleolii dispar `n masa celulei [i se formeaz\ fusul nuclear de diviziune. Spre deosebire de mitoz\ când num\rul fibrelor fusului nuclear de diviziune era egal cu num\rul de cromozomi, `n cazul meiozei I num\rul fibrelor fusului de diviziune va fi egal cu num\rul de perechi de cromozomi. Metafaza I. Are loc ata[area cromozomilor bivalen]i de fibrele fusului nuclear de diviziune formându-se placa metafazic\ sau placa ecuatorial\, `n cadrul c\reia cromozomii bivalen]i sunt orienta]i cu centromerii spre poli, iar chiasmele sunt orientate spre planul ecuatorial al celulei. ~n continuare are loc o repulsie activ\ `ntre cei doi cromozomi omologi, care se `ndep\rteaz\ activ unul de altul pân\ la desfacerea total\ a chiasmelor. Anafaza I. ~ncepe odat\ cu dispari]ia ultimelor chiasme care leag\ perechile de cromozomi omologi `ntre ei, astfel c\ spre fiecare pol al celulei se `ndreapt\ câte un cromozom din fiecare pereche de bivalen]i. Cromatidele surori, spre deosebire de mitoz\, nu se despart `n aceast\ faz\, ele r\mân legate la nivelul centromerului [i a altor puncte de contact. Având `n vedere predispozi]ia spre crossing-over a cromozomilor, `n fazele anterioare, cromozomii care vor migra spre polii celulei nu mai sunt identici cu cei de la `nceputul diviziunii. Ace[tia vor fi restructura]i, fiind alc\tui]i dintr-un mozaic de material genetic de origine matern\ [i patern\. Un alt fenomen genetic care se manifest\ `n aceast\ faz\ este segregarea independent\ a perechilor de cromozomi, fenomen cunoscut [i sub denumirea de dansul cromozomilor, care constituie o contribu]ie important\ la recombinarea genetic\ [i la inducerea permanent\ a variabilit\]ii `n descenden]\. Telofaza I. Se caracterizeaz\ prin reorganizarea membranei nucleare, a celorlalte componente celulare [i `n final a membranei celulare, care izoleaz\ cele dou\ celule haploide astfel rezultate. Dup\ o scurt\ interfaz\, f\r\ sinteza de ADN, urmeaz\ meioza II `n care intr\ cele dou\ celule haploide rezultate la finalul meiozei I. ~n meioza II, are loc separarea cromatidelor surori care devin cromozomi independen]i, deplasarea lor spre polii celulei, la finalul acesteia rezultând patru celule cu un num\r haploid (n) de cromozomi. Dac\ prima diviziune a procesului meiotic este o diviziune heterotipic\, deoarece porne[te de la celule diploide [i se ajunge la celule haploide, a doua diviziune a procesului meiotic este o diviziune homotipic\, deoarece porne[te de la celule haploide [i se ajunge tot la celule haploide.

- 25 -

Meioza II, const\ `n succesiunea celor patru faze ale unei mitoze obi[nuite, f\r\ diferen]ieri fa]\ de aceasta, aceste faze fiind denumite: profaza II, metafaza II, anafaza II [i telofaza II. Durata meiozei, este mult mai mare decât a mitozei, putând ajunge la zile, luni sau chiar ani de zile. Semnifica]ia genetic\ a meiozei. Meioza reprezint\ fenomenul de importan]\ capital\ `n transmiterea poten]ialit\]ii ereditare a genera]iei parentale, la genera]ia descendent\. Prin intermediul meiozei se formeaz\ game]ii, ce au un num\r haploid de cromozomi, iar prin fecundarea acestora se realizaeaz\ una din cele mai importante `nsu[iri ale cromozomilor: continuitatea [i succesiunea lor `n genera]iile succesive de indivizi. De asemenea, meioza este principalul fenomen biologic, responsabil de inducerea permanent\ a variabilit\]ii genetice `n popula]iile de animale. Variabilitatea genetic\ realizat\ `n cursul meiozei are dou\ surse: a. segregarea probabilistic\ a cromozomilor materni [i paterni, la sfâr[itul meiozei I, (sau dansul cromozomilor); b. schimbul de fragmente cromatidice, (crossing -over). a. Segregarea independent\ a perechilor de cromozomi la sfâr[itul meiozei I, (fenomen denumit de H. J. Müller dansul cromozomilor). Este rezultatul fenomenului prin care cromozomii materni [i paterni ai celulelor diploide, se `mperecheaz\ la `nceputul meiozei I , `n func]ie de omologia lor [i apoi se separ\ pe baza legilor probabilit\]ii. Fenomenul este condi]ionat de dispunerea pe baza legilor hazardului, a perechilor de bivalen]i `n placa ecuatorial\ a metafazei I. Hazardul face ca unii bivalen]i s\ se dispun\ `n placa ecuatorial\, cu centromerul matern spre un pol al celulei [i cu cel patern spre cel\lalt pol celular, iar alte perechi de cromozomi s\ fie dispu[i invers, iar segregarea `n una sau cealalt\ celul\ haploid\ ce rezult\ la finalul meiozei I, s\ se fac\ dup\ aceast\ dispunere. Num\rul de combina]ii posibile ale cromozomilor ce rezult\ `n urma acestui fenomen este de 2n (n reprezentând num\rul de perechi de cromozomi; la om 223; la taurine 230 etc). Probabilitatea ca un gamet s\ fie diferit de al]ii sub raportul informa]iei genetice pe care o de]ine este de (1/2)n, `n urma manifest\rii acestui fenomen. Dac\ se iau `n considerare `ntr-un exemplu ipotetic, un organism cu dou\ perechi de cromozomi, atunci posibilit\]ile de combinare a cromozomilor `n game]i, sunt de 22, realizându-se 4 tipuri de game]i diferi]i, având fiecare informa]ie genetic\ diferit\ de a celuilalt. La taurine, `n urma segreg\rii independente a perechilor de cromozomi, combina]iile gametice cu structur\ genetic\ diferit\ ce vor rezulta, vor fi de 230, valoare ce se ridic\ la peste 1,73 miliarde de clase de game]i cu structura genetic\ diferit\. Probabilitatea ca un gamet s\ fie identic cu altul, va fi de 1/1,73 miliarde, ceea ce asigur\ o posibilitate infim\ de identitate genetic\ a game]ilor. Acest mecanism al segreg\rii cromozomilor `n meioza I, reprezint\ sursa cea mai important\ a varia]iilor ereditare, determinând o permanent\ restructurare a patrimoniului ereditar al organismelor. b. Al doilea mecanism de inducere a variabilit\]ii este reprezentat de fenomenul de crossing-over, care are loc `n diplonemul meiozei I, asigurând schimbul de fragmente cromatidice `ntre cromozomii omologi. Crossing-overul, se realizeaz\ cu o frecven]\ constant\ [i caracteristic\ fiec\rei perechi de cromozomi, determinând un schimb de informa]ie ereditar\ `ntre cromozomii materni [i paterni. Datorit\ acestui proces, cromozomii rezulta]i la sfâr[itul profazei I meiotice, vor fi un mozaic de material genetic matern [i patern, fiind astfel restructura]i fa]\ de cromozomii care au intrat `n diviziune Fenomenul de crossing-over adaug\ la variabilitatea genetic\ generat\ de combinarea independent\ [i `ntâmpl\toare a cromozomilor, variabilitatea de structur\ a acestora, m\rind la infinit posibilit\]ile de manifestare a diferitelor caractere [i `nsu[iri `n cadrul fiec\rei genera]ii.

- 26 -

2.3.3. GAMETOGENEZA

Procesul de formare al celulelor sexuale la mamifere, poart\ denumirea de gametogenez\, proces care `n cazul organismelor mascule se nume[te spermatogenez\, iar a organismelor femele ovogenez\.

Gonocitele, se divid mitotic dând na[tere spermatogoniilor, care printr-o nou\ diviziune mitotic\ vor da na[tere la spermatocitele primare.

Urmeaz\ o serie de transform\ri citologice caracteri-stice intr\rii `n diviziunea meiotic\, spermatocitele primare parcurgând meioza I, `n urma c\reia rezult\ spermatocitele secundare ce vor avea un num\r haploid de cromozomi.

A doua diviziune meiotic\ `ncepe dup\ o scurt\ interfaz\, dup\ care din fiecare speramtocit primar rezult\ câte dou\ celule numite spermatide. A[adar dintr-un spermatocit primar diploid, rezult\ `n urma celor dou\ diviziuni meiotice, patru spermatide haploide, care dup\ o serie de modific\ri morfologice duc la formarea a patru spermatozoizi ap]i pentru fecundare, constitui]i `n cea mai mare parte din nucleu [i având o mic\ cantitate de citoplasm\, (fig. 15).

Fig. 15. Spermatogeneza: a – spermatocit primar; b – prima diviziune meiotic\; c – spermatocit secundar; d - a doua diviziune meiotic\;e – spermatide; f – spermatozoizi. Ovogeneza, are loc `n ovar la nivelul foliculilor ovarieni sau foliculilor de Graaf. Mecanismul cromozomal este asem\n\tor cu cel din spermatogenez\, diferen]e mari fiind `n privin]a proceselor care au loc `n citoplasm\, (fig. 16). Celula germinal\ primordial\ numit\ ovogon, d\ na[tere prin diviziune mitotic\ ovogoniilor, iar printr-o nou\ diviziune mitotic\ vor rezulta ovocitele primare.

- 27 -

Fig. 16. Ovogeneza: a - ovocit primar; b - prima diviziune meiotic\;c - globul polar; d - ovocit secundar; e - a doua diviziune meiotic\; f - globulii polari secundari;g – ovul\. ~n aceast\ etap\ au loc profunde modific\ri la nivelul celulei, nucleul deplasându-se spre o extermitate a celulei, iar citoplasma cre[te mult `n volum. ~n acela[i timp `n nucleu se succed toate fazele caracteristice primei diviziuni meiotice, rezultând dou\ celule haploide (cu n cromozomi), una care prime[te aproape toat\ citoplasma ovocitul secundar, [i una cu foarte pu]in\ citoplasm\ primul globul polar. Dup\ o scurt\ interfaz\ urmeaz\ a doua diviziune meiotic\ a ovocitului secundar, din care rezult\ la fel dou\ celule haploide inegale ca m\rime, una de dimensiuni mari care con]ine aproape toat\ citoplasma ovulul, iar una mic\ aproape f\r\ citoplasm\ al doilea globul polar. Uneori primul globul polar sufer\ [i el a doua diviziune meiotic\, dând na[tere la al]i doi globuli polari. Deci, `n ovogenez\ vor rezulta tot patru celule haploide, din care doar una este apt\ de fecundare - ovulul, celelalte trei - globulii polari fiind resorb]ie de ]esuturile ovariene. Fecundarea (singamia), constituie procesul de unire a celor doi game]i proveni]i de la cele dou\ sexe, `ntr-o singur\ celul\, rezultând zigotul, care `[i reface setul diploid de cromozomi specific speciei. Astfel meioza, respectiv gametogeneza [i fecundarea, sunt fenomene compensatorii, care permit reducerea la jum\tate a num\rului de cromozomi [i refacerea st\rii diploide specific speciei, men]inând num\rul de cromozomi constant de la o genera]ie la alta de indivizi.

- 28 -

CAPITOLUL 3

ACIZII NUCLEICI, STRUCTUR|, ORGANIZARE {I FUNC}II

3.1. STRUCTURA ACIZILOR NUCLEICI Acizii nucleici sunt biomolecule cu grad `nalt de polimerizare, unitatea de structur\ fiind nucleotidul. O nucleotid\ este constituit\ dintre trei componente: baza azotat\, pentoza [i radicalul fosforic. Bazele azotate - din macromolecula acizilor nucleici sunt de dou\ tipuri purinice [i pirimidinice: - bazele azotate purinice - din structura acizilor nucleici sunt adenina (A) [i guanina (G); - bazele azotate pirimidinice - sunt reprezentate de timin\ (T), citozin\ (C) [i uracil (U). Pentoza - din componen]a acizilor nucleici sunt dezoxiriboza (dR) pentru ADN [i riboza (R) pentru ARN. Radicalul fosforic (P) - este acela[i pentru ambii acizi nucleici. Propor]ia pentru cele trei componente de structur\ ale acizilor nucleici (radical fosforic, pentoz\ [i baz\ azotat\), pentru fiecare nucleotid este de 1 : 1 : 1. Componen]a de baz\ a acizilor nucleici se structureaz\ `n felul urm\tor: - pentoza (dR sau R) se leag\ cu o baz\ azotat\ printr-o leg\tur\ N-glucidic\ [i formeaz\ nucleozidul; - nucleozidul legat cu o molecul\ de acid fosforic formeaz\ nucleotidul, (fig. 17). Baza Azotat\ H la ADN OH la ARN

Pentoz\ Radical fosforic

NUCLEOZID

NUCLEOTID Fig. 17. Unit\]ile structurale ale unei nucleotide.

- 29 -

3.1.1. STRUCTURA ACIDULUI DEZOXIRIBONUCLEIC (ADN)

Constituie componentul chimic principal al nucleului, cantitatea de ADN din nucleul celulelor somatice, fiind constant\ la indivizii aceleia[i specii. ADN-ul este o macromolecul\ polimeric\, alc\tuit\ din subunit\]i nucleotidice, denumite dezoxiribonucleotide.

Dezoxiribonucleotidele - sunt alc\tuite din: - radicalul fosforic; - dezoxiriboza; - baze azotate - purinice: adenina (A) sau guanina (G);

- pirimidinice: timina (T) sau citozina (C). Macromolecula de ADN se caracterizeaz\ printr-o structur\ primar\, secundar\ [i

ter]iar\.

Structura primar\. Reprezint\ rezultatul gradului de polimerizare [i ordonare a patru tipuri de nucleotide (unitatea de baz\ structural\ - tetranucleotidul), formându-se monocatena polinucleotidic\ din componen]a macromoleculei de ADN, (fig. 18).

Fig. 18. Structura primar\ a ADN-ului. Nucleotidele se cupleaz\ prin leg\turi fosfodiesterice `ntre radicalul fosforic al unui nucleotid [i hidroxilul de pozi]ie -3’ sau -5’ al nucleotidului adiacent. ~n acest mod se formeaz\ scheletul chimic pentru fiecare caten\ din structura ADN-ului. Prin esterificarea 3’-5’-3’-5’-3’-5’ ........etc, `ntre nucleotidele componente ale fiec\rei catene, se asigur\ polaritatea moleculei de ADN, polaritate important\ pentru propriet\]ile fizico-chimice [i biospecifice ale ADN-ului. Pozi]ia unui nucleotid `n catena de ADN, nu impune cu necesitate `n vecin\tatea sa prezen]a unui anumit nucleotid, pozi]iile adiacente pot fi ocupate de oricare din cele patru tipuri de dezoxiribonucleotide:

...A-T-C-C-A-T-G-C-A-T-G-T-A-A-T-G-A-T ........ 1 2 3 4 5 6.............n

Succesiunea aperiodic\ a nucleotidelor `n lungul moleculei de ADN, reprezint\ practic informa]ia genetic\ codificat\, existând 4n secven]e posibil de realizat, (n = num\rul de nucleotide, din genomul speciei).

- 30 -

~n aceste condi]ii, structura primar\ a ADN-ului, asigur\ stocarea unei cantit\]i inepuizabile de informa]ie genetic\. Spre exemplificare poate fi utilizat urm\torul ra]ionament: considerându-se o secven]\ de ADN din 1.000 de nucleotide, `n care se `ntâlnesc cele patru baze azotate - A, T, C, G, se pot realiza combina]ii de ordinul 41.000, adic\ aproape 10600. Aceast\ cifr\ este mult superioar\ num\rului de atomi din univers, care dup\ Einstein ar fi de 0,88 x 1079 atomi, (Isvoranu - 1993).

Structura secundar\. Molecula de ADN este format\ din dou\ catene polinucleotidice, cu excep]ia unor bacteriofagi (exemplu bacteriofagul ∅ X 174, [i a unor virusuri infec]ioase), la care ADN-ul este monocatenar. Monocatenele polinucleotidice, sunt legate prin pun]i de hidrogen `ntre bazele azotate pe baz\ de complementaritate, `ntre o baz\ purinic\ [i una pirimidinic\. Astfel `ntre adenin\ [i timin\ se realizeaz\ o leg\tur\ dubl\ (A = T), iar `ntre guanin\ [i citozin\ o leg\tur\ tripl\ (G ≡ C), de natur\ electrostatic\, (fig. 19).

Fig. 19. Reprezentarea schematic\ a structurii secundare a ADN-ului.

~n acest mod, structura unei catene determin\ cu necesitate structura celeilalte catene, fiecare din ele fiind “o copie negativ\” a celeilalte catene, ambele catene fiind strict codeterminate. Complementaritatea bazelor azotate din molecula de ADN, a fost pus\ `n eviden]\ de E. Chargaff (1955). Prin analize chimice, Chargaff a g\sit valori apropiate de unitate `ntre adenin\ - timin\ (A/T = 1) [i guanin\ - citozin\ (G/C = 1). Aceste coresponden]e valorice sunt posibile numai `n cazul complementarit\]ii bazelor azotate, principiu de baz\ `n structura ADN-ului. Structura secundar\, prin existen]a leg\turilor de hidrogen `ntre bazele azotate complementare, ofer\ ADN-ului func]ii biologice deosebite [i anume: structura complementar\ asigur\ macromoleculei de ADN un mecanism de replicare semiconservativ. Adic\, fiecare caten\ din molecula de ADN, poate servi ca matri]\ (tipar) pentru sinteza unei noi molecule complementare, rezultând `n final molecule de ADN ce vor avea o caten\ veche [i una nou sintetizat\, conservându-se astfel fidel informa]ia ereditar\; prin structura complementar\ se asigur\ ”repararea” moleculei de ADN, dac\ aceasta a suferit disfunc]ii pe parcursul procesului de sintez\; complementaritatea ADN-ului poate fi utilizat\ ca principiu, `n procesele de “hibridare” ale acestuia, de la specii diferite.

Structura ter]iar\. Se refer\ la dispozi]ia spa]ial\ a catenelor complementare din macromolecula de ADN. Modelul structurii spa]iale, a fost propus `n 1953 de Watson [i Crick [i confirmat prin cercet\ri “in vivo” de M. Wilkins.

- 31 -

Conform acestui model, cele dou\ catene se `nf\[oar\ una `n jurul celeilalte [i amândou\ se ruleaz\ `n jurul unui ax ipotetic central, formând o dubl\ spiral\ helicoidal\ coaxial\ cu rota]ie spre dreapta, (fig. 20). Aceast\ structur\, asociat\ func]iei majore pe care o `ndepline[te ADN-ul, a fost denumit\ “elicea vie]ii” (J. D. Watson), fiind considerat\ simbolul [i esen]a lumii vii. ~n cadrul lan]ului de dublu helix al macromoleculei de ADN, bazele azotate se afl\ `n interiorul helixului, iar grup\rile fosfat spre exterior. Bazele azotate sunt situate la 3,4 Å una fa]\ de alta, iar fiecare tur complet al elicei (pasul elicei), este format din 10 perechi de baze azotate, având astfel dimensiunea de 34 Å. Macromolecula de ADN posed\ dou\ adâncituri externe, una mai adânc\ [i mai larg\ - incizia mare [i alta mai pu]in adânc\ [i mai `ngust\ - incizia mic\. Incizia mare reprezint\ locul de legare al proteinelor histonice.

Baze azotate Incizia Incizia mic\ mic\ Incizia Incizia mare mare

20 Å

Fig. 20. Structura ter]iar\ a ADN-ului. Structura bicatenar\ sub form\ de dublu helix a macromoleculei de ADN, asigur\ o mare stabilitate fizic\ a acesteia, dat\ pe vertical\ de leg\turile fosfodiesterice intracatenare, iar pe orizontal\ de pun]ile de hidrogen intercatenare, precum [i de for]ele van der Waals realizate `ntre bazele azotate succesive. ~n cadrul celulei, ADN-ul este localizat `n cromozomi, de]inând rolul principal `n ereditate. ~n afar\ de ADN cromozomal, se mai g\se[te ADN [i la nivelul organitelor celulare cum ar fi `n plasmide unde reprezint\ 1 - 3% din totalul ADN-ului celular [i `n mitocondriii, reprezentând circa 1% din ADN-ul celular. M\rimea macromoleculei de ADN, este diferit\ `n func]ie de specie. Unitatea de lungime a ADN-ului este perechea de baze azotate notat\ prescurtat pb, ceea ce corespunde unei perechi de nucleotide. Multiplii perechii de baze sunt kilobaza (Kb), care este alc\tuit\ din 1.000 pb [i megabaz\ (Mb) care este format\ din 1.000.000 pb. La procariote, ADN-ul se g\se[te sub forma unei molecule bicatenare foarte mari, având de la 47.000 pb la unii bacteriofagi, pân\ la 4 x 106 pb la Esherichia coli, ceea ce corespunde unei lungimi de circa 1 mm. La majoritatea mamiferelor, lungimea total\ a ADN-ului din celula diploid\ este de aproximativ 6 x 109 pb, existând varia]ii mari de la o specie la alta (4,7 x 109 pb la

- 32 -

[oarece; 7,1 x 109 pb la om), f\r\ s\ existe o leg\tur\ direct\ `ntre cantitatea de ADN [i gradul de evolu]ie filogenetic\ a unei specii. Reprezentat\ `n unit\]i de m\sur\, lungimea total\ a ADN-ului dintr-o celul\ somatic\ la maifere, este de aproximativ 2 metri. ~n cadrul celulelor somatice, ADN-ul se asociaz\ cu proteinele de tip histonic, care `mpreun\ cu ionii de Ca2+ asigur\ o arhitectur\ spa]ial\ specific\ moleculei de ADN, scurtând foarte mult lungimea acesteia.

3.1.1.1. TIPURI DE ADN CELULAR Atât la procariote, cât [i la eucariote, pe lâng\ ADN-ul nuclear (cromozomal) se mai g\se[te [i ADN cu localizare citoplasmatic\ (extranuclear). 1. ADN-ul nuclear. Este localizat `n cromozomi, la nivelul fiec\rei cromatide existând câte un dublu helix de ADN, care se extinde de la un cap\t pân\ la cel\lalt cap\t al cromatidei, prin centromer. La procariote este eviden]iat\ o corela]ie direct\ `ntre cantitatea de ADN [i num\rul de gene. ~n cazul eucariotelor, datorit\ structurii complexe a genomului, s-a eviden]iat o neconcordan]\ `ntre cantitatea de ADN nuclear [i num\rul genelor cu semnifica]ie [i func]ie genetic\. De exemplu, celula somatic\ uman\ cuprinde circa 7,1 x 109 perechi de nucleotide, ceea ce `n condi]iile unor dimensiuni medii ale genei de aproximativ 1.000 de nucleotide, ar corespunde existen]ei a 3 milioane de gene. ~n realitate omul are `ntre 50.000 [i 100.000 de gene, care controleaz\ manifestarea diversele caractere [i `nsu[iri ale organismului. Asemenea neconcordan]e au fost eviden]iate la toate organismele eucariote, la care exist\ o mai mare cantitate de ADN nuclear, fa]\ de num\rul genelor func]ionale. Prin metodele de denaturare [i renaturare a ADN-ului nuclear [i prin metoda ob]inerii hibrizilor moleculari intraspecifici ADN - ADN [i ADN - ARN, s-a eviden]iat c\ circa 50% din ADN-ul nuclear eucariot este reprezentat de secven]e nucleotidice informa]ionale, diferen]a reprezentând secven]e nucleotidice necodate sau noninforma]ionale. Astfel, exist\ tipuri diferite de ADN: ADN-ul repetitiv [i ADN-ul nerepetitiv.

ADN-ul repetitiv - este format din secven]e nucleotidice (de tip A - T sau G - C), repetate de ordinul a zecilor sau sutelor de mii `ntr-un lan] polinucleotidic. ~n general aceste secven]e sunt considerate lipsite de “informa]ie genetic\”. ~n func]ie de num\rul repet\rilor, ADN repetitiv se clasific\ `n: ADN `nalt repetitiv [i ADN moderat repetitiv. ADN `nalt repetitiv - reprezint\ 5 - 10% din totalul ADN-ului celular, fiind reprezentat de secven]e nucleotidice `n medie de 1.500 pb, care se repet\ `ntre 50.000 [i 1 milion de ori. Aceste secven]e `nalt repetate sunt localizate mai ales `n regiunile telomerice [i centromerice ale cromozomului. ADN moderat repetitiv - reprezint\ 15 - 40% din totalul ADN-ului celular, cuprinzând secven]e mediu repetate, `ntr-un num\r de copii de 500 - 5.000 de ori. ADN-ul mediu repetat are o aranjare caracteristic\ `n genom, fiind reprezentat de secven]e mediu repetate, separate cu secven]e de ADN nerepetitiv (secven]e informa]ionale).

Aceasta clas\ de secven]e dezoxiribonucleotidice este destul de heterogen\, f\când parte din cadrul ei [i o serie de gene func]ionale reprezentate `n copii multiple, cum ar fi genele pentru sinteza ARN-ribozomal [i a histonelor, ale c\ror num\r de copii este cuprins `ntre 500 [i 2.000 `n genom. Din categoria ADN-ului moderat repetitiv, fac parte [i elementele genetice mobile, care se pot deplasa `n interiorul genomului, fiind denumite elemente transpozabile. Secven]ele repetitive din molecula de ADN, au func]ii `nc\ insuficient cunoscute. Mult timp s-au considerat a fi secven]e genetice inactive, dar recent s-a emis ipoteza c\ au un rol reglator [i intervin `n procesul de diferen]iere celular\.

ADN-ul nerepetitiv - este reprezentat de macromolecule cu secven]e unice de nucleotide, reprezentând 30 - 80% din totalul ADN-ului celular. Secven]ele de ADN nerepetitiv constituie fondul de gene structurale, operatoare [i reglatoare, asigurând sinteza [i controlul genetic al sintezei de proteine.

- 33 -

Func]iile secven]elor de ADN-nerepetitiv, s-au stabilit prin hibridarea molecular\ ADN - ARN mesager. A fost confirmat\ astfel complementaritatea moleculelor de ARN-mesager cu secven]ele nerepetitive din molecula de ADN-nuclear. Rezultatele ob]inute au condus la urm\toarele concluzii cu privire la ADN-ul repetitiv [i nerepetitiv: - cantitatea de ADN repetitiv cre[te pe m\sur\ ce cre[te cantitatea de ADN nuclear; - cantitatea de ADN repetitiv cre[te [i varia]ia lui se accentuiaz\ la speciile evoluate, speciile mai pu]in evoluate pe scar\ filogenetic\ având mai pu]in ADN repetitiv. 2. ADN-ul extranuclear (citoplasmatic). Atât la procariote cât [i la eucariote, `n afar\ de ADN-ul nuclear, care se g\se[te la nivelul cromozomilor, se mai g\se[te ADN la nivelul unor organite citoplasmatice. Astfel la procariote exist\ forma]iuni citoplasmatice, cu replicare autonom\ care de]in ADN, denumite plasmide iar la eucariote ADN se `ntâlne[te `n mitocondrii, precum [i `n plasmidele celulelor eucariote [i `n cloroplaste.

ADN plasmidic procariot - este bicatenar de form\ circular\ sau liniar\, replicându-se independent de cromozomul bacterian, posedând un num\r variabil de secven]e nucleotidice cu rol informa]ional (gene). ADN-ul plasmidic reprezint\ 1 - 3% din cantitatea total\ de material genetic al bacteriei, iar con]inutul `n baze azotate este diferit de cel cromozomal, datorit\ prezen]ei unei informa]ii genetice diferite. Informa]ia genetic\ con]inut\ de ADN-ul plasmidic, este neesen]ial\ pentru multiplicarea bacteriilor `n mediul lor natural, de aceea pot fi pierdute f\r\ a prejudicia viabilitatea bacteriilor respective. Plasmidele bacteriene sunt de mai multe tipuri, având un rol divers `n cadrul bacteriei, acestea fiind studiate pe larg `n cadrul organiz\rii genomului bacterian.

ADN mitocondrial (ADN-mt) - are o structur\ primar\ [i secundar\ asem\n\toare ADN-nuclear, existând diferen]e care constau `n distribu]ia bazelor azotate, fiind astfel `mpiedicat\ orice hibridare `ntre ADN-mitocondrial [i ADN-nuclear. Aceasta dovede[te c\ ADN-mt are origine [i structur\ independent\ de cel nuclear, replicându-se independent fa]\ de acesta [i mai tardiv `n cursul fazei S a interfazei. Cantitativ ADN-mt reprezint\ 1 - 2% din totalul ADN celular.

La mamifere, ADN-mt are o lungime de aproximativ 16 kb (16.296 pb la taurine, 16.338 pb la ovine, 16.575 pb la crap). fiind format dintr-o caten\ grea (H), bogat\ `n guanin\ [i o caten\ u[oar\ (L), bogat\ `n citozin\. ADN-ul mitocondrial la orice specie de mamifere are 37 de gene, care codific\ enzime, ARN ribozomal [i ARN de transport, capabile s\ sintetizeze polipeptide (proteine) `n interiorul mitocondriilor.

ADN-ul mitocondrial este de tip procariot, iar activitatea genelor din ADN-mt se afl\ `n mare parte [i sub control nuclear.

ADN plasmidic eucariot. Existen]a plasmidelor `n sistemele eucariote este `nc\ controversat\. Exist\ date certe privind existen]a plasmidelor la unele specii de plante, cum ar fi Zea mays, Beta vulgaris, Vicia faba etc.

Cele mai studiate sunt plasmidele descrise la Saccharomyces cerevisiae, (Watson [i colab. - 1982). Acestea con]in ADN dublu catenar circular, cu o lungime de circa 6.300 pb, care este complexat cu proteine histonice. Molecula de ADN codific\ o serie de polipeptide cu rol specific.

ADN-ul cloroplastic (ADN-cl). Cloroplastul este un organit caracteristic organismelor fotosintetizante. Cloroplastul de]ine ADN propriu, reprezentând 1 - 10% din genomul nuclear. ADN-ul cloroplastic are o compozi]ie specific\ de nucleotide diferit\ de cea a ADN-ului nuclear, fiind mai bogat `n baze azotate de tip adenin\ - timin\, pe când cel nuclear este mai bogat `n baze azotate de tip guanin\ - citozin\.

De regul\ ADN-cl este circular, dar poate fi [i liniar cu includerea [i a unor forme circulare tranzitorii.

Capacitatea de codificare a ADN-cl este suficient de mare pentru câteva sute de polipeptide, având [i gene care codific\ ARN de transport, ARN ribozomal cloroplastic, diverse enzime etc. ADN-cl se replic\ semiconservativ, iar biogeneza cloroplastelor se afl\ sub un dublu control, al genomului nuclear [i al genomului cloroplastic.

- 34 -

~n func]ie de structura ter]iar\ (modelul de structur\ Watson-Crick), cu ajutorul difrac]iei cu raze X, s-a demonstrat existen]a ADN-ului sub patru tipuri conforma]ionale (numite [i forme canonice), notate A, B [i C care se deosebesc `n special printr-o serie de particularit\]i fizice, la care se adaug\ ADN-ul levogir (ADN-z), care are o r\sucire a dezoxiribonucleotidelor spre stânga. 1. Conforma]ia de tip B. Corespunde modelului original Watson - Crick, fiind un dublu helix cu r\sucire spre dreapta, ale c\rei catene au o polaritate opus\. Con]ine 10 nucleotide pe un pas al elicei, dispuse perpendicular pe axul moleculei iar secven]a bazelor azotate de pe o caten\ determin\ `n mod obligatoriu secven]a bazelor azotate de pe cealalt\ caten\. 2. Conforma]ia de tip A. Corespunde de asemenea unui dublu helix cu orientare spre dreapta. Spre deosebire de forma B la care bazele azotate au o pozi]ie orizontal\, la aceasta bazele azotate au o pozi]ie `nclinat\ `ntr-un unghi de 200 fa]\ de perpendiculara axului. Are loc o modificare [i `n pasul elicei, care este de 28 Å, fa]\ de 34 Å la tipul B, iar `ntr-un tur al elicei sunt cuprinse 11 nucleotide. Cercet\rile au relevat c\ tranzi]ia de la tipul B la tipul A se realizeaz\ “in vivo” sub ac]iunea unor proteine, iar “in vitro” `n prezen]a solven]ilor organici. 3. Conforma]ia de tip C. Este reprezentat\ tot de un dublu helix cu rota]ie spre dreapta, dar la care for]ele de “stivuire” ale bazelor azotate (for]ele van der Waals) sunt mult diminuate, determinând distan]a mai mare a pasului elicei, iar num\rul de nucleotide `ntr-un pas complet al elicei este mai mic, fiind de 9 nucleotide. 4. ADN-ul levogir (ADN-z). A fost eviden]iat prin utilizarea tehnicii de difrac]ie cu raze X de mare rezolu]ie, relativ recent (Rich - 1980), având o r\sucire a dezoxiribonucleotidelor spre stânga. Denumirea de ADN-z, provine din aspectul caracteristic de zig - zag al axului glucido - fosforic, ceea ce determin\ deformarea [i alungirea moleculei de ADN (existând [ase nucleotide pe spir\ `n loc de zece), precum [i o reducere a diametrului ei. ADN-ul levogir, spre deosenire de ADN-ul dextrogir (cel normal cu rota]ie spre dreapta), este bogat `n baze azotate de tip guanin\ - citozin\ (G-C) care sunt legate prin secven]e lungi [i sunt situate spre exteriorul moleculei, fapt ce favorizeaz\ producerea muta]iilor cu o frecven]\ mult mai mare. O alt\ particularitate a ADN-ului levogir, este c\ `n cadrul acestuia se `ntâlnesc [i zone cu ADN-dextrogir (cu rota]ie normal\), acestea nefiind stabile putându-se trece u[or de la o form\ la alta. In vitro, trecerea de la forma B la forma Z, se realizeaz\ `n prezen]a unei concentra]ii mari de MgCl2. Pân\ `n prezent forma Z a ADN-ului a fost descris\ `n pu]ine ]esuturi normale, semnifica]ia acestei conforma]ii nefiind `nc\ pe deplin elucidat\, fiind sugerate urm\toarele semnifica]ii biologice poten]iale ale acestuia: modific\rile structurale ale ADN-z, pot determina interac]iuni diferite ale ADN-ului cu sistemele enzimatice [i proteice ale celulei, cu implica]ii importante `n expresia genelor, precum [i `n procesele de reglare [i control a activit\]ii acestora, fapt deja confirmat de unele cercet\ri; dup\ unii cercet\tori (Rich, Felsenfeld - 1982), prezen]a ADN-ului levogir, ar constitui puncte slabe ale ADN-ului, aceste zone manifestând afinitate fa]\ de unele substan]e cancerigene, ceea ce va determina sinteza unor proteine modificate [i multiplicarea anarhic\ a celulelor; date recente (Dikerson - 1982), atest\ c\ datorit\ expunerii spre exteriorul moleculei de ADN a bazelor azotate, frecven]a muta]iilor `n secven]ele de ADN levogir este mai mare, ceea ce ar putea de asemenea m\ri procesele celulare proliferative, ca etap\ precursoare a procesului malign.

3.1.1.2. DENATURAREA {I RENATURAREA ADN-ului

Moleculele de ADN dublu catenare pot suferi modific\ri importante ale propriet\]ilor lor fizice, ca rezultat al ac]iunii unor factori fizici temperatura sau chimici modific\ri de pH, prezen]a unor substan]e de tipul alcoolilor, cetonelor etc. Prin `nc\lzire la temperaturi cuprinse `ntre 63 [i 1000 C, timp de circa 10 minute, moleculele de ADN dublu catenare având diverse provenien]e, sufer\ o rupere a

- 35 -

leg\turilor de hidrogen dintre catenele complementare, precum [i a leg\turilor van der Waals dintre bazele azotate stivuite, determinând trecerea la structura monocatenar\ a ADN-ului, proces denumit denaturare. Denaturarea termic\ este denumit\ [i “topire”, deoarece `nc\lzirea ADN-ului, furnizeaz\ energia necesar\ rupeii leg\turilor de hidrogen. Zonele din ADN bogate `n guanin\ sau citozin\ se topesc la temperaturi mai `nalte, deoarece `ntre G - C exist\ trei legturi de hidrogen, fiind astfel mai rezistente la denaturare. ~ntre adenin\ [i timin\ exist\ 2 leg\turi de hidrogen, denaturarea zonelor bogate `n A - T realizându-se la temperaturi mai joase. Dovada `n acest sens o constituie faptul c\ denaturarea `ncepe `n zone bogate `n A - T, iar temperatura de topire poate oferi indicii asupra compozi]iei `n baze azotate a ADN-ului. Dac\ dup\ denaturarea complet\, catenele separate sunt r\cite brusc, leg\turile de hidrogen nu se mai refac, ADN-ul r\mânând sub form\ monocatenar\, fiind a[a numitul ADN denaturat. Când r\cirea este lent\, leg\turile de hidrogen se refac `ntre catenele complementare, ref\cându-se [i dublu helix al moleculei de ADN, proces numit renaturarea ADN-ului. Dup\ denaturare - renaturare ADN-ul `[i p\streaz\ propriet\]ile biologice. Aplica]ii practice ale fenomenului de denaturarare - renaturare: permite aprecieri asupra compozi]iei `n perechi A - T [i C - G, a unor molecule de ADN. Prin urm\rirea procesului la microscopul electronic, se poate alc\tui o adev\rat\ hart\ a regiunilor instabile bogate `n perechi A - T [i a celor stabile bogate `n G - C; procesul este utilizat `n hibridarea molecular\ de tip ADN - ADN sau ADN - ARN inter [i intraspecific. Datorit\ acestui procedeu se poate stabili gradul de similitudine a informa]iilor genetice dintre specii diferite, stabilindu-se astfel `nrudirea dar [i evolu]ia filogenetic\ a diverselor specii; permite eviden]ierea cu acurate]e a dele]iilor [i substitu]iilor provocate de muta]ii, dând informa]ii privind gradul de extindere [i pozi]ia acestora;

fenomenul este utilizat `n cartarea genic\ la diverse specii, reu[indu-se cartarea genelor pentru ARN-ul ribozomal, de transport etc.

3.1.2. STRUCTURA ACIDULUI RIBONUCLEIC (ARN) Al doilea acid nucleic prezent `n toate celulele este acidul ribonucleic. Ca [i ADN-ul, ARN-ul este o macromolecul\ polimeric\ alc\tuit\ din subunit\]i numite nucleotide. Spre deosebire de ADN, nucleotidele ARN-ului con]in riboz\, fiind denumite ribonucleotide. Ribonucleotidele, sunt alc\tuite din : - radical fosforic; - riboza; - baze azotate:- purinice: adenina (A) sau guanina (G); - pirimidinice: uracilul (U) sau citozina (C). Deci structura chimic\ a ARN-ului se deosebe[te de cea a ADN-ului prin aceea c\ `n locul dezoxiribozei se g\se[te riboza, iar timina este `nlocuit\ cu uracilul. Celelalte elemente ale structurii fundamentale sunt similare cu cele descrise la ADN, cu excep]ia urm\toarelor elemente: molecula de ARN nu are dispozi]ia spa]ial\ bicatenar\, ci este monocatenar\. Se poate vorbi `n acest caz de un helix simplu format dintr-un singur lan] polinucleotidic, de[i circa 50% din structura ARN-ului este reprezentat\ de zone dublu catenare (dublu helix), deoarece lan]urile ribonucleotidice se pliaz\ sub forma unor bucle care permit ca nucleotidele complementare (adenin\ - uracil [i guanin\ - citozin\), s\ ajung\ fa]\ `n fa]\ [i s\ se uneasc\ prin leg\turi slabe (ex. leg\turi de hidrogen); molecula de ARN are lungime [i mas\ molecular\ mai mici decât ADN-ul, num\rul ribonucleotidelor care intr\ `n structura diferitelor tipuri de ARN variaz\ `ntre 75 [i 10.000. Acizii ribonucleici se caracterizeaz\ printr-o heterogenitate structural\ mare, fiecare tip având func]ii precise `n sinteza proteinelor.

- 36 -

3.1.2.1. TIPURI DE ARN CELULAR Dup\ func]iile care le `ndeplinesc, gradul de polimerizare, masa molecular\ [i dispozi]ia spa]ial\, `n celulele organismelor eucariote exist\ trei tipuri de ARN: ARN-mesager (ARN-m); ARN-ribozomal (ARN-r) [i ARN de transport (ARN-t), la care se adaug\ ARN-viral, la unele virusuri vegetale, animale [i la bacteriofagi. 1. ARN-mesager (ARN-m). ~n procesul sintezei proteice, ADN-ul ca depozitar al informa]iei genetice, folose[te ca intermediar ARN-ul mesager. Astfel ARN-m transport\ informa]ia genetic\ a genelor, la locul de sintez\ al polipeptidelor, având o structur\ complementar\ cu a secven]elor de ADN-cromozomal, pe baza c\rora s-a format. Cu ajutorul enzimei ARN - polimeraza, care recunoa[te secven]ele specifice din ADN, are loc procesul de sintez\ a ARN-m, proces denumit transcrip]ie sau transcriere. La procariote, molecula de ARN-m astfel sintetizat\, este utilizat\ direct [i imediat f\r\ nici o modificare, `n sinteza polipeptidelor. La eucariote, ARN-m ini]ial sintetizat, denumit transcript primar sau ARN-m prematur, va suferi modific\ri, intronii fiind exciza]i iar exonii fiind reuni]i, rezultând ARN-m matur care va fi apt pentru traducerea mesajului genetic. Dup\ terminarea acestui proces, ARN-m traverseaz\ porii membranei nucleare, ajungând la nivelul ribozomilor, sediul sintezei proteice. Dup\ traducerea mesajului genetic `n secven]e polipeptidice, ARN-m este degradat enzimatic cu ajutorul exonucleazelor. Durata de via]\ a ARN-m este 2 - 4 minute la procariote [i de 3 - 12 ore la mamifere, având o capacitate de reânoire foarte rapid\. ARN-m este deosebit de heterogen, cele mai mici molecule cuprind circa 150 de ribonucleotide, iar cele mai mari pân\ la 12.000 de nucleotide. Cantitativ, ARN-m reprezint\ 2 - 5% din totalul ARN-ului celular. 2. ARN-ribozomal (ARN-r). Reprezint\ 80 - 85% din totalul ARN-ului celular, fiind localizat `n masa ribozomilor care reprezint\ sediul sintezei proteice, ribozomi care con]in 60% ARN-ribozomal [i 40% proteine. ARN-r se caracterizeaz\ printr-o mare heterogenitate, stabilit\ prin coeficientul de sedimentare [i masa molecular\, având un con]inut mai mare de baze purinice [i mai mic de baze pirimidinice. Moleculele de ARN-r prezint\ zone dublu catenare, legate prin zone monocatenare, structur\ care este dat\ de capacitatea acestuia de r\sucire [i interca]iune complementar\ a bazelor azotate, (fig. 21).

Fig. 21. Structura ARN-ului ribozomal. ARN-r este transcris de gene specifice aflate `n mai multe copii. De exemplu la Esherichia coli exist\ 5 - 10 gene pentru ARN-r, iar la eucariote genele pentru ARN-r se g\sesc `n sute sau chiar mii de copii. Zonele `n care sunt genele pentru ARN-r, se g\sesc `n majoritatea cazurilor la nivelul organizatorilor nucleolari din cromozomi [i corespunde zonei unde `n interfaza celular\, cromatina se asociaz\ cu nucleolul.

- 37 -

Func]ia ARN-r nu este bine cunoscut\. Este presupus\ participarea indirect\ la sinteza proteinelor, atribuindu-i-se urm\toarelor func]ii: orientarea moleculei de ARN-m pentru decodificarea corect\ a mesajului genetic de c\tre ARN-t; reprezint\ un suport molecular al „asambl\rii“ aminoacizilor `n proteine. 3. ARN de transport (ARN-t). A fost descoperit `n anul 1957, la `nceput `n celula eucariotelor, la scurt timp fiind identificat [i la bacterii. Este sintetizat la nivelul ADN-ului nuclear, existând mai multe gene pentru sinteza ARN-t, remarcându-se cre[terea num\rului de gene implicate `n sinteza ARN-t, `n cursul evolu]iei filogenetice a speciilor. Astfel, dac\ la organismele inferioare sunt doar câteva gene implicate `n sinteza ARN-t, la mamifere, exist\ peste 40 de gene care sintetizeaz\ ARN-t. Dup\ sinteza ARN-t, transcriptul primar astfel realizat, sufer\ procese de transformare [i maturare, rezultând ARN-t matur care migreaz\ `n citoplasm\. La nivel citoplasmatic, `ndepline[te rolul de a lega `n mod specific un anumit aminoacid [i de a-l transporta la locul sintezei proteice. ~n citoplasma celulei exist\ `ntre 30 - 60 de tipuri diferite de ARN-t, fiind mai mul]i ARN-t pentru fiecare din cei 20 de aminoacizi componen]i ai lan]urilor polipeptidice. Pentru leucin\ de exemplu, sunt 6 tipuri de ARN-t (leucina fiind specificat\ [i de 6 codoni diferi]i). ~n celulele `n care au loc procese de sintez\ proteic\ intense, num\rul de molecule de ARN-t poate fi mai mare decât `n celulele `n care procesele de sintez\ sunt mai reduse. ARN-t sunt cele mai scurte molecule de acizi nucleici, fiind constituite din 70 - 80 de nucleotide, cu o mas\ molecular\ de circa 25.000 de daltoni. Structura ARN-t a fost clarificat\ de Holley `n 1965, pentru care a primit premiul Nobel `n 1968. ARN-t este constituit dintr-o singur\ caten\, cu numeroase zone pliate [i al\turate pe baz\ de complementaritate a bazelor azotate (A - U; G - C) [i cu por]iuni neasociate sub forma unor bucle. Din acaeast\ cauz\ dispozi]ia spa]ial\ a moleculei de ARN-t are aspectul unei frunze de trifoi, (fig. 22). Bucla 3 Regiunea acceptoare

Regiunea acceptoare

Bucla 1 Bucla 3 Bucla 1 Nucleotide modificate

Anticodon

Anticodon

Fig. 22. Structura ARN-ului de transport. ARN-t prezint\ patru regiuni de `mperechere a bazelor azotate complementare [i trei bucle care reprezint\ regiuni ne`mperecheate. Importan]\ `n activarea aminoacizilor prezint\ urm\toarele regiuni din ARN-t: regiunea acceptoare - fiind la una din extremit\]i, la nivelul bra]ului liber lung, ce se termin\ cu o secven]\ de nucleotide CCA. La acest nivel, datorit\ interven]iei unei enzime are loc ata[area aminoacizilor `n vederea transportului lor la ribozomi; bucla 1 - (bucla dehidrouracil - DHU); bucla 3;

- 38 -

bucla anticodonului - care este bucla central\ a ARN-t, existând o secven]\ de trei nucleotide cu rol de anticodon. Anticodonul din ARN-t, este complementar cu codonul din ARN-m, având rol de a recunoa[te codonul complementar din ARN-m unde pozi]ioneaz\ aminoacidul. Nici un ARN-t normal, nu are un anticodon complementar pentru codonii stop din ARN-m; regiunea de recunoa[tere - asigur\ identificarea sa de c\tre o enzim\ aminoacil - ARN-t - sintetaza, corespunz\tor anticodonului. Regiunea de recunoa[tere este alc\tuit\ din - bucla anticodon, bucla 1 (DHU) [i extremitatea liber\ având nucleotidele CCA. Diferitele molecule de ARN-t sunt desemnate prin numele aminoacidului pe care `l transport\: prolin ARN-t; valin ARN-t, (`n sens larg aminoacid ARN-t). Dup\ ce complexul aminoacid ARN-t, transport\ aminoacidul la ribozom [i se formeaz\ leg\tura peptidic\, ARN-t [i-a `ndeplinit func]ia, devine liber [i se desprinde de ribozom. 4. ARN-viral. ARN-ul viral este singurul tip de ARN cu func]ie genetic\ de stocare [i transmitere a informa]iei areditare. ARN-ul viral reprezint\ miezul de acid nucleic la ribovirusurile vegetale, la unele virusuri animale (ex. al poliomelitei) [i la unii bacteriofagi (ex. M55, MS2, R17 etc). ARN-ul viral poate fi de mai multe tipuri (ARN monocatenar pozitiv, negativ, dublu catenar segmentat, etc.), care vor fi analizate pe larg `n subcapitolul 5.1.1. Un fenomen deosebit de important `n cazul ARN-ului retrovirusurilor (virusurile oncogenice), `l constituie reverstranscrierea. ~n cazul acestor virusuri, informa]ia genetic\ poate fi transcris\ [i `n direc]ia ARN→ADN→proteine. Aceasta constituie o infirmare a dogmei centrale a geneticii, propus\ de F. Crick `n 1958, conform c\reia informa]ia genetic\ se poate transmite `ntr-o singur\ direc]ie, ADN→ARN-m →proteine. Fenomenul a fost intuit `nc\ din anul 1963 de Cavalieri, iar `n anul 1970 H. Temin, S. Mizutani [i respectiv D. Baltimore, descoper\ enzima reverstranscriptaz\, care asigur\ copierea informa]iei genetice din ARN-ul viral `n ADN-ul celulei gazd\. Cuno[tin]ele actuale despre aceast\ enzim\ sunt limitate, se pare c\ ARN-ul viral posed\ informa]ia genetic\ pentru sinteza reverstrancriptazei, dar nu este exclus s\ fie folosit\ o ADN-polimeraz\ celular\, transformat\ `n timpul infec]iei. Biosinteza ARN-ului. Se realizeaz\ enzimatic fiind necesar\ existen]a diferitelor categorii de enzime. La procariote reac]ia este catalizat\ de c\tre o enzim\ ARN-polimeraza ADN-dependent\, denumit\ [i transcriptaz\, fiind o singur\ transcriptaz\ care sintetizeaz\ ARN-m, ARN-r [i ARN-t. La eucariote exist\ trei tipuri de ARN-polimeraze denumite ARN-polimeraza I, II [i III, având localizare [i func]ii diferite. ARN-polimeraza I, este localizat\ `n nucleol [i catalizeaz\ sinteza precursorului ARN-r. ARN-polimeraza II, este localizat\ `n nucleoplasm\ catalizând sinteza ARN-m primar care ulterior este supus unui proces de prelucrare, rezultând ARN-m matur. ARN-polimeraza III, este localizat\ `n nucleoplasm\ [i citoplasm\, cu rol `n sinteza precursorilor ARN-t.

3.1.3. REPARAREA {I RESTAURAREA STRUCTURII ADN-ului

Pentru c\ ADN-ul s\ reprezinte func]iile de conservare [i transmitere a informa]iei ereditare, `n succesiunea genera]iilor, trebuie s\ `ndeplineasc\ condi]iile:

replicarea s\ se desf\[oare corect; s\ se p\streze integritatea structural\ [i func]ional\ a ADN-ului, asigurându-se organismului un morfotip normal.

Datorit\ interven]iei `n procesul de replicare a ADN-ului a numeroase sisteme enzimatice, existen]a unui num\r mare de sisteme de reglaj a replic\rii, a vitezei mari de replicare, precum [i datorit\ interven]iei factorilor cu efect distructiv sau mutagen, pot s\ apar\ `n structura ADN-ului numeroase erori de replicare. Dac\ aceste erori de replicare r\mân necorectate, rata modific\rilor de structur\ a ADN-ului ar cre[te foarte mult `n celulele somatice, f\când imposibil\ func]ionalitatea normal\ a acestora.

- 39 -

~n prezent este cunoscut c\ celulele organismului posed\ [i func]ii “reparatorii”, care s\ asigure integritatea structural\ [i func]ional\ a ADN-ului. Leziunile existente `n structura ADN-ului pot fi de tip punctiform, `n care este afectat\ una sau un num\r redus de nucleotide, fiind datorate erorile de replicare, sau pot fi modific\ri majore de structur\ [i morfologie care `mpedic\ fizic desf\[urarea transcrip]iei, (exemplu formarea dimerilor pirimidinici necomplementari sub ac]iunea razelor ultraviolete). Sistemele de restaurare a structurii ADN-ului sunt de mai multe tipuri cum ar fi: sisteme de reparare direct\ (fotoreactivitatea la plante), sistemul de reparare prin excizie [i sistemul de reparare postreplicativ. Sistemul de reparare prin excizie, presupune recunoa[terea zonelor `n care bazele azotate s-au `mperechiat gre[it, sau alte mici segmente catenare defecte cu ajutorul helicazelor. Urmeaz\ incizia cu ajutorul enzimei endonucleaza, care cliveaz\ catena de ADN de ambele p\r]i ale zonei defecte. Cu ajutorul exonucleazei se realizeaz\ excizia zonei respective, iar sinteza unei zone complementare normale se realizeaz\ cu enzima ADN-polimeraza III. ~n final, integrarea fragmentului nou sintetizat `n lan]ul polinucleotidic se realizeaz\ cu ajutorul enzimei ADN-ligaza. Sistemul de reparare postreplicativ, se realizeaz\ `n cazul “leziunilor” majore ale ADN-ului, sau când acesta nu a putut fi reparat prin excizie. Presupune corectarea acestor leziuni ale ADN-ului `n urm\torul ciclu de replicare celular\. Rezultatele experimentale conduc la concluzia c\ `n cazul mamiferelor ac]ioneaz\ sisteme de reparare postreplicative, care au loc la un urm\tor proces replicativ al ADN-ului. ~n cazul când celulele `[i pierd capacitatea de corectare a diverselor leziuni ale ADN-ului, apar disfunc]ii majore la nivel celular, care pot sta la baza procesului de proliferare malign\ a acestora.

3.2. FUNC}IILE ACIZILOR NUCLEICI

1. Func]iile acidului dezoxiribonucleic. ADN-ul celular `ndepline[te un rol esen]ial `n conservarea [i transmiterea informa]iei ereditare, f\r\ de care apari]ia organismelor vii nu ar fi posibil\. Astfel, func]iile ADN-ului sunt:

func]ia autocatalitic\, care reprezint\ capacitatea ADN-ului de replicare semiconservativ\. Prin aceast\ func]ie este conservat\ informa]ia ereditar\, asigurându-se puntea de leg\tur\ `ntre genera]ii succesive de indivizi;

func]ia heterocatalitic\, reprezint\ capacitatea ADN-ului de a transcrie informa]ia genetic\ `n form\ codificat\ `n ARN-mesager, care la rândul lui o `nscrie `n structurile proteice ale celulei [i organismului. Aceast\ func]ie se realizeaz\ datorit\ structurii ADN-ului. ~n acest mod ADN-ul de]ine controlul `n determinismul genetic a caracterelor;

func]ia de variabilitate, asigur\ posibilitatea de recombinare sau de muta]ie a ADN-ului, ceea ce a determinat [i determin\ `n continuare suportul evolu]iei speciilor, dar având ca rezultat [i modificarea caracterelor `n cadrul fiec\rei specii sau apari]ia manifest\rilor patologice.

2. Func]iile acizilor ribonucleici. Acizii ribonucleici `ndeplinesc urm\toarele func]ii la nivel celular:

func]ia de transmitere a informa]iei ereditare, realizat\ de ARN-mesager, care este veriga de leg\tur\ dintre ADN-ul nuclear sau mitocondrial [i secven]a aminoacizilor dintr-un lan] polipeptidic;

func]ia de transport specific al aminoacizilor, realizat\ de ARN-de transport, care asigur\ activarea [i transportul aminoacizilor la locul sintezei proteice (ribozomi). ARN-t cu ajutorul anticodonului, identific\ codonul complementar din ARN-m, pozi]ionând aminoacidul `n lan]ul peptidic;

func]ia de suport al sintezei proteice, realizat\ de ARN-ribozomal, care reprezint\ constituentul principal al ribozomilor, asigurând suportul molecular sintezei proteice [i orientarea moleculelor de ARN-m, pentru decodificarea corect\ a mesajului genetic.

- 40 -

CAPITOLUL 4

CODUL GENETIC “Codul genetic este o piatr\ de hotar major\ pe drumul lung al biologiei moleculare”, spunea F. H. C. Crick (1968). ~ntradev\r, dup\ elucidarea structurii ADN-ului, problema principal\ `n dezvoltarea geneticii moleculare, a fost stabilirea modului `n care ADN-ul poate servi ca matri]\ pentru formarea proteinelor. Codul genetic reprezint\, ansamblul regulilor [i principiilor `n acord cu care informa]ia genetic\ codificat\ `n ADN (sau `n ARN, `n cazul unor virusuri), este “transcris\” pentru a fi transmis\ de la locul ei de origine (genom [i respectiv cromozom), la ribozomi unde are loc sinteza proteinelor, precum [i modul `n care mesajul genetic “transcris”, poate fi “citit” [i “tradus” `n secven]e specifice de aminoacizi. Func]ia codului genetic const\ `n: conservarea criptografic\ a informa]iei genetice; transmiterea informa]iei genetice de la “surs\” (succesiunea nucleotidelor din genom), prin anumite “canale” la locul de “recep]ie”, unde mesajul genetic este decodificat (tradus) [i utilizat `n procesul de biosintez\ al proteinelor, (la ribozomi). Exist\ astfel o analogie evident\, cu modalit\]ile de transmitere a informa]iei, `n sens general.

4.1. DESCIFRAREA {I STRUCTURA

CODULUI GENETIC Pentru explicarea codului genetic s-a recurs la teoria informa]iei, care studiaz\ procesele de recep]ie, `nregistrare [i transmitere a informa]iei. Codul genetic reprezint\ pe lâng\ informa]ia genetic\ `nscris\ `n genom [i “dic]ionarul bilingv”, necesar “traducerii” informa]iei din ADN prin intermediul ARN-mesager, `n “limbajul” celor 20 de aminoacizi ai proteinelor. Orice informa]ie genetic\ este reprezentat\ conven]ional prin semne, sau simboluri. Totalul simbolurilor utilizate pentru ob]inerea unui mesaj genetic reprezint\ alfabetul genetic. Simbolurile se asociaz\ `ntre ele formând “cuvinte de cod”, pentru a putea decodifica mesajul genetic. Succesiunea cuvintelor de cod formeaz\ “fraze logice”, codificate, iar prin asocierea mai multora, se ob]ine mesajul genetic pentru definirea unui caracter exprimat fenotipic. Simbolurile genetice sunt reprezentate de cele patru baze azotate din alc\tuirea nucleotidelor. Aceste simboluri sunt: A pentru adenin\, G pentru guanin\, T pentru timin\ [i C pentru citozin\.

O grupare de simboluri genetice, formeaz\ un cuvânt de cod sau codon. No]iunea de codon, a fost introdus\ de Crick, care considera codonul ca o succesiune de baze azotate pentru codificarea unui aminoacid din structura proteinelor.

- 41 -

Cunoscându-se elementele de baz\ care asigur\ informa]ia genetic\, s-a pus problema modului `n care un alfabet genetic compus din cele patru simboluri (A, G, T [i C), traduce informa]ia genetic\ `ntr-un limbaj proteic, `n structura c\ruia se g\sesc 20 de aminoacizi, adic\ 20 de simboluri. ~n acest sens o problem\ deosebit\ a constituit-o stabilirea dimensiunii unit\]ii de func]ie a codului genetic, respectiv a codonului. Ini]ial s-a crezut c\ unitatea de func]ie a codului genetic ar fi reprezentat\ de un singur nucleotid, fiind deci codonul univoc. ~n acest caz, num\rul de codoni ce se vor ob]ine ar fi de 41 = 4 codoni, care nu vor putea specifica decât patru aminoacizi. De aceea codonul univoc nu a putut fi acceptat. Aceea[i situa]ie este valabil\ [i pentru codonul biunivoc format din dou\ nucleotide. ~n acest caz vor rezulta 42 = 16 codoni, care vor codifica tot atâ]ia aminoacizi, 4 aminoacizi r\mânând nespecifica]i. ~n aceast\ privin]\, o contribu]ie decisiv\ a avut-o matematicianul George Gamow, care `n anul 1954 a lansat ideea c\ fiecare aminoacid ar fi codificat de o triplet\, o succesiune de trei nucleotide, deci un codon triunivoc. ~n cazul codonului triunivoc, num\rul posibil de combina]ii este de 43 = 64, num\r de combina]ii care dep\[e[te pe cel al aminoacizilor. La `nceput nu s-a putut explica excedentul de 44 de codoni (64 codoni - 20 aminoacizi = 44). ~n 1961, Crick arat\ c\ acela[i aminoacid poate fi codificat de mai mul]i codoni diferi]i, justificând astfel excedentul de codoni. Nirenberg [i Matthaei (1961, 1964), au realizat prima descifrare a codului genetic, demonstrând c\ o anumit\ secven]\ de ARN-m, produce un polipeptid cu o secven]\ specific\ de aminoacizi. Deoarece codul genetic pentru cei 20 de aminoacizi a fost descifrat prin utilizarea ARN-m, a intrat `n uz ca `n desemnarea codonilor s\ se foloseasc\ uracilul (U) `n loc de timin\ (T). Ansamblul codonilor care specific\ setul de aminaocizi standard, `mpreun\ cu codonii de punctua]ie (start [i stop), formeaz\ dic]ionarul codului genetic (tabelul 2).

Tabelul 2

CODUL GENETIC “UNIVERSAL”*

Prima pozi]ie A doua pozi]ie A treia pozi]ie (cap\tul 5’) U C A G (cap\tul 3’)

Phe Ser Tyr Cys U

Phe Ser Tyr Cys C

Leu Ser STOP STOP A U

Leu Ser STOP Trp G

Leu Pro His Arg U

Leu Pro His Arg C

Leu Pro Gln Arg A C

Leu Pro Gln Arg G

Ile Thr Asn Ser U

Ile Thr Asn Ser C

Ile Thr Lys Arg A A

Met Thr Lys Arg G

Val Ala Asp Gly U

Val Ala Asp Gly C

Val Ala Glu Gly A G

Val Ala Glu Gly G

* Fiecare set de trei baze nucleotidice din ARN (deci fiecare codon), este tradus `ntr-un aminoacid legat `n lan]ul polipeptidic `n cursul biosintezei proteinelor, (exemplu, codonul GUG este tradus `n valin\; GAG `n acid glutamic etc.). Prescurt\rile aminoacizilor sunt urm\toarele: Phe = fenilalanin\; Ser = serin\; Tyr = tirozin\; Cys = cistein\; Leu = leucin\; Trp = triptofan; Pro = prolin\; His = histidin\; Arg = arginin\; Gln = glutamin\; Ile = izoleucin\; Thr = treonin\; Asn = asparagin\; Lys = lizin\; Val = valin\; Ala = alanin\; Glu = acid glutamic; Gly = glicocol. Aminoacizii `n chenar sunt cei care ini]iaz\ lan]ul polipeptidic.

- 42 -

Din cei 64 de codoni, 61 codific\ unul sau altul din cei 20 de aminoacizi, iar 3 codoni - UAA, UAG [i UGA, sunt codoni “non-sens”, neavând rolul de a codifica aminoacizi, ei indicând sfâr[itul sintezei polipeptidice, fiind numi]i codoni “stop” sau “terminatori” ai sintezei proteice. Codul genetic posed\ [i un codon start sau de ini]iere, cu el `ncepe sinteza unui lan] polipeptidic. Acest codon este AUG, care codific\ metionina. Fiecare aminoacid, cu excep]ia triptofanului [i metioninei, este specificat de cel pu]in doi codoni diferi]i, iar 3 aminaocizi (arginina, leucina [i serina) sunt codifica]i de 6 codoni. Codonii diferi]i care codific\ acela[i aminoacid se numesc codoni sinonimi. Existen]a codonilor sinonimi, care difer\ doar prin al treilea nucleotid, are o mare valoare biologic\ [i evolutiv\, deoarece muta]iile care ar modifica al treilea nucleotid r\mân deseori f\r\ “sens”, ducând la un codon sinonim, nemodificând proteina sintetizat\. ~n schimb modificarea primului sau celui de al doilea nucleotid `n codon, determin\ codificarea unui alt aminoacid sau apari]ia unui codon “stop”, alterând sau oprind sinteza proteinelor. O secven]\ de ADN, alc\tuit\ dintr-o `n[iruire de codoni constituie un cadru de citire. Cadrul de citire al informa]iei genetice trebuie stabilit cu rigurozitate la `nceputul unei molecule de ARN-m, fiind marcat de codonul start (AUG). Citirea codonilor sau decodificarea ARN-m, se face secven]ial de la o triplet\ la alta, de-a lungul moleculei de ARN-m `n direc]ia 5’ → 3’, care este aceea[i cu direc]ia de biosintez\ a ADN-ului [i ARN-ului, pân\ `ntâlne[te un codon “stop”, care semnific\ terminarea sintezei lan]ului polipeptidic.

4.2. CARACTERISTICILE CODULUI GENETIC

Codul genetic are câteva caracteristici esen]iale: 1. Codul genetic este universal, sau cel pu]in `n mare m\sur\ universal. Aceasta `nseamn\ c\ un anume aminoacid este codificat de acela[i codon, atât la regnul animal cât [i la cel vegetal, practic atât la bacterii cât [i la mamifere sau la om. De exemplu codonul AAA codific\ lizina, atât la procariote cât [i la organismele superioare, la mamifere. Ceea ce difer\ `ns\, de la o specie la alta, este pozi]ia codonilor `n structura fiec\rui acid nucleic al speciei, conferind astfel mesaje genetice caracteristice speciei [i `n final specificitatea genetic\ a speciei. Caracterul de universalitate, arat\ c\ odat\ format codul genetic, a fost fixat `n cursul evolu]iei, sugerând o origine comun\ a vie]ii terestre. Dar exist\ [i excep]ii. Astfel codul genetic din mitocondrii [i de la unele protozoare, prezint\ unele abateri fa]\ de cel standard. De[i deosebirile `n cadrul codului genetic mitocondrial nu sunt numeroase, sunt suficiente pentru ca ARN-mitocondrial s\ nu poat\ fi tradus decât `n mitocondrii. 2. Codul genetic este degenerat, reprezint\ faptul c\ acela[i aminoacid este specificat de mai mul]i codoni. Codonii diferi]i care codific\ acela[i aminoacid sunt numi]i codoni sinonimi sau codegenera]i. Specificarea unui aminoacid de mai mul]i codoni se prezint\ astfel:

trei aminoacizi (arginina, serina [i leucina), sunt codifica]i fiecare de 6 codoni; cinci aminoacizi (valina, prolina, treonina, alanina [i glicina), sunt specifica]i

fiecare de 4 codoni; izoleucina este codificat\ de 3 codoni.

Caracterul de degenerat, nu reprezint\ o imperfec]iune, `n termeni informa]ionali fiind un fenomen de redundan]\, (redundan]a reprezint\ excesul de informa]ie `ntr-un sistem pentru a asigura transmiterea f\r\ erori a informa]iei `n condi]ii perturbatoare). 3. Codul genetic nu este suprapus, reprezint\ rezultatul succesiunii codonilor, f\r\ s\ aib\ `n comun nici un nucleotid. Deci codonii sunt independen]i, neavând baze comune.

- 43 -

De exemplu luându-se `n considerare urm\toarea secven]\ de nucleotide:

5’-ATG ACA GGA TTA - 3’ direc]ia de citire

citirea este `ntotdeauna secven]ial\, `n grupuri de câte trei nucleotide, f\r\ existen]a de nucleotide comune. 4. Codul genetic este lipsit de virgule, adic\ `ntre sfâr[itul unui codon [i `nceputul codonului urm\tor nu exist\ hiatusuri (sau virgule) reprezentate de nucleotide, care s\ separe codonii sau s\ joace rolul de virgule sau alte semne specifice. De exemplu: -cod normal: 5’-ATG-ACA-GGA-TTA-3’; -cod cu virgule: 5’-ATG-A-ACA-A-GGA-T-TTA-3’. 5. Codul genetic are un grad redus de ambiguitate, ceea ce `nseamn\ c\ un codon din ARN-m poate specifica numai pozi]ia unui singur aminoacid `n lan]ul polipeptidic. Exist\ semnalate [i câteva cazuri de ambiguitate. De exemplu, codonul UUG dac\ se g\se[te la `nceputul moleculei de ARN-m codific\ metionina (sub form\ formilat\), iar dac\ se g\se[te la mijlocul moleculei de ARN-m codific\ leucina, (Nirenberg [i Matthaei - 1963). Totu[i concluzia este c\ `n condi]ii normale, un codon specific\ `ntotdeauna pozi]ia aceluia[i aminoacid, iar codul genetic este extrem de rar ambiguu. Modificarea codului genetic prin muta]ie. Sub ac]iunea factorilor externi de mediu, ac]ionând asupra unor secven]e de codoni din alc\tuirea unei gene, se poate produce substitu]ia unei baze azotate, inser]ia sau eliminarea unei baze. Prin asemenea modific\ri ale secven]ei de nucleotide din cadrul genelor, se ob]ine o mare cantitate de informa]ie genetic\. Astfel Wright (1966), arat\ c\ `n condi]iile unei gene medii, format\ din 1.000 de nucleotide, posibilit\]ile de schimbare a nucleotidelor sunt de 41.000 sau de 10602 ~n aceste condi]ii posibilit\]ile de a induce informa]ie genetic\ sunt imense, ceea ce explic\ variabilitatea deosebit de mare existent\ `n lumea vie.

- 44 -

CAPITOLUL 5

STRUCTURA {I FUNC}IILE GENELOR

5.1. STRUCTURA GENEI LA PROCARIOTE

La procariote, un grup de gene structurale, `mpreun\ cu o gen\ reglatoare [i cu o secven]\ denumit\ operator, alc\tuiesc o unitate de func]ie denumit\ operon. Operonul reprezint\ o unitate de transcrip]ie [i o unitate de reglaj genetic. Segmentul structural, (genele structurale). Reprezint\ o succesiune de codoni informa]ionali, care vor fi transcri[i `n ARN mesager [i vor determina succesiunea aminoacizilor `n lan]ul polipeptidic. La procariote gena are o structur\ continu\ [i va fi transcris\ `n bloc `n ARN-m, spre deosebire de genele eucariotelor care au o structur\ discontinu\. De obicei, la procariote mai multe gene structurale sunt asociate `mpreun\ `n unitatea func]ional\ reprezentat\ de opreon. Fiecare gen\ dintr-un segment structural al operonului, are codonul start [i codonul stop, iar `ntre gene exist\ câte o scurt\ secven]\ nucleotidic\ intercalat\. Segmentul structural al unei gene `ncepe `ntotdeauna cu un codon start ATG, care va fi transcris `n ARN-m ca triplet AUG, codificând metionina. Uneori `n locul codonului AUG este un alt codon ini]iator GUG, care codific\ valina. Cap\tul terminal al segmentului structural este semnalat de unul din codonii stop (sau non - sens) - UAA, UAG sau UGA, care au func]ia de stopare a sintezei proteice. Segementul reglator al operonului. Este alc\tuit din: o gen\ reglatoare; promotorul genei reglatoare; promotorul operonului; operatorul; ini]iatorul; o secven]\ denumit\ loc de legare de ribozom [i terminatorul, (fig. 23). Gena reglatoare (i), poate fi situat\ pe aceea[i caten\ `n cadrul operonului pe care `l regleaz\ (efectul cis), dar se poate g\si [i la distan]\, pe cealalt\ caten\ a ADN-ului (efectul trans). Ca pozi]ie este `n amonte de promotorul operonului. Gena reglatoare realizeaz\ sinteza unui produs proteic denumit represor, care are o structur\ alosteric\, suferind astfel modific\ri conforma]ionale corespunz\toare activit\]ii lor. ~n func]ie de starea sa, represorul se poate ata[a de operator blocându-l, sau poate s\-l lase liber, permi]ând astfel activitatea de transcrip]ie a mesajului genetic `n ARN mesager. Promotorul genei reglatoare (Pi), controleaz\ activitatea genei reglatoare, fiind situat `n amonte de aceasta. Promotorul operonului (P), prin secven]ele nucleotidice specifice pe care le con]ine, reprezint\ locul pe care-l utilizeaz\ enzima ARN-polimeraza pentru a `ncepe transcrip]ia mesajului genetic. Promotorul operonului con]ine circa 80 pb, la rândul lui fiind alc\tuit din trei scurte secven]e nucleotidice, deosebit de bine conservate la diverse specii de tip procariot [i eucariot. Aceste secven]e sunt: - secven]a - 10, (5’-TATAAT-3’), denumit\ [i cutia Tata sau cutia Pribnow. Aceast\ secven]\ nucleotidic\ se g\se[te la distan]\ de 10 pb de locul de ini]iere al transcrip]iei (de aceea este denumit\ [i secven]a - 10);

- 4

5 -

SE

CV

EN

}E

CU

FU

NC

}IE

DE

RE

GL

AR

E

SE

GM

EN

T T

RA

NSC

RIP

TIB

IL

GE

NA

S

TR

UC

TU

RA

L|

OP

ER

AT

OR

(O

)

IN

I}IA

TO

R

TE

RM

INA

TO

R

P

RO

MO

TO

R O

PE

RO

N (

P)

L

OC

LE

GA

RE

CA

TE

NA

CO

DIF

ICA

TO

AR

E

RIB

OZ

OM

ST

AR

T

ST

OP

-8

0

-

35

-10

0

P

i ...i

...C

AA

T .

... T

TG

AC

A …

TA

TA

AT

.....

......

.. C

AT

...

GA

GG

.…A

TG

CT

T G

CC

GG

A T

GT

..…

GT

G A

AG

TA

A

AA

A

A

DN

G

TT

A .

.... A

AC

TG

T ..

.. A

TA

TT

A ..

......

.....

GT

A .

.. C

TC

C .

.. T

AC

GA

A C

GG

CC

T A

CA

.....

.. C

AC

TT

C A

TT

T

T T

SE

CV

EN

}A

C

AT

EN

A M

AT

RI}

|

C

UT

IA

PR

IBN

OW

P

T. C

OA

D|

TR

AN

SCR

IER

E

LO

C L

EG

AR

E

C

AP

-AM

PC

A

RN

G

AG

G -

- A

UG

CU

UG

CC

GG

AU

GU

.....

GU

G A

AG

UA

A

LO

C L

EG

AR

E

A

RN

-PO

LIM

ER

AZ

A I

I

TR

AD

UC

ER

E

P

rote

in\

Met

Leu

Ala

G

li C

is

....V

al

Lis

ST

OP

C

OL

INE

AR

ITA

TE

A G

EN

| -

PR

OT

EIN

|

Fig

. 23.

Str

uctu

ra g

enei

de

tip

proc

ario

t; P

i = p

rom

otor

ul g

enei

reg

lato

are;

i =

gen

a re

glat

oare

, (

adap

tat d

up\

Flo

resc

u M

. – 1

988)

.

- 46 -

- secven]a - 35, (5’-TTGACA-3’), denumit\ [i secven]a de recunoa[tere. Se afl\ la distan]\ de 35 pb de locul de ini]iere al transcrip]iei. Secven]ele - 10 [i - 35 din promotorul operonului, care se deosebesc de secven]ele strâns `nrudite prezente `n alte locuri din genom, prin cel mult 1 - 2 nucleotide se numesc secven]e consensus. Una din subunit\]ile enzimei ARN-polimeraza, factorul sigma, recunoa[te secven]a -35 al promotorului, ceea ce permite ata[area puternic\ a enzimei ARN-polimeraza de secven]a -10 (cutia TATA), pentru a-[i putea exercita apoi func]ia de ini]iere a sintezei de ARN mesager. - Cea de-a treia secven]\ din cadrul promotorului, se afl\ `n amonte de secven]a -35, fiind denumit\ secven]a - 80. Pentru ca transcrip]ia s\ `nceap\ `n segmentul structural, trebuie s\ se formeze un complex CAP - AMPc (CAP = protein\ reglatoare; AMPc = acidul adenozinmonofosforic), complex care la rândul lui se ata[eaz\ de secven]a -80 (5’-CAAT-3’), stimulând astfel legarea enzimei ARN-polimeraza. ~n ultimii ani s-a reu[it sinteza “in vitro”, a unor secven]e specifice de promotori, foarte eficien]i `n reglarea activit\]ii genelor. Un astfel de promotor specific pentru ARN-polimeraza bacteriofagului T7 este:

5’-TAATACGACTCACTATAGGG-3’ 3’-ATTATGCTGAGTGATATCCC-5’.

Operatorul (O), este situat `n aval de regiunea promotorului, fiind foarte aproape de locul `n care `ncepe transcrip]ia (sinteza de ARN mesager). Este format din circa 20 de nucleotide, având rol principal de a oferi un loc specific de legare a represorului, el mai numindu-se [i “locul de legare al represorului”. ~n acest mod operatorul este acela care permite sau nu func]ionarea enzimei ARN-polimeraza. Ini]iatorul, reprezint\ o secven]\ specific\ format\ din trei nucleotide (CAT), denumit\ [i locul de ini]iere. Din acest loc, enzima ARN-polimeraza `ncepe transcrip]ia. Locul de legare de ribozomi, reprezint\ o secvern]\ alc\tuit\ din 3 - 9 nucleotide, fiind cunoscut\ [i sub denumirea de secven]a Shine-Dalgano (SD). Aceast\ secven]\ este localizat\ `ntre operator [i gena structural\ [i are urm\toarea structur\:

5’-TAAGGAGGT-3’ 3’-ATTCCTCCA-5’

Aceast\ secven]\ din catena de ADN, determin\ transcrierea `n ARN-m a unei secven]e nucleotidice complementare, cu ajutorul c\reia ARN-m se fixeaz\ de ribozomi (de subunitatea ribozomal\ 30S), prin intermediul ARN-r, pentru a `ncepe sinteza proteinei specifice. ~nceputul segmentului structural este marcat de codonul start (ATG), iar cap\tul genei este semnalat de unul din codonii non-sens (stop), cu func]ia de a stopa sinteza proteic\. Terminatorul, este situat `n aval de ultima gen\ structural\ [i determin\ `ntreruperea activit\]ii ARN-polimerazei, prin recunoa[terea de c\tre enzim\ prin intermediul factorului sigma, a unor secven]e nucleotidice specifice din terminator. ~n acest moment, atât ARN polimeraza cât [i molecula de ARN-mesager sintetizat\, se desprind [i se eliberaz\ de pe catena de ADN. Terminatorul este format din dou\ secven]e distincte: o secven]\ de 15 - 20 de nucleotide, care se g\se[te `nainte de codonul stop al unei gene structurale, având o structur\ polindromic\, (secven]\ de nucleotide repetate inversat, fa]\ de secven]a complementar\). Secven]ele polinucleotidice repetate inversat (polindromice), sunt bogate `n perechi de baze G, C; o secven]\ de 6 nucleotide de adenin\, dispuse dup\ codonul stop al ultimei gene structurale. Din cadrul unui operon, exist\ un segment care este transcris `n ARN mesager, format din: locul de legare de ribozomi [i genele structurale [i un segment

- 47 -

netranscriptibil `n ARN mesager, format din: promotor, gene reglatoare [i promotorul genei reglatoare, operator [i terminator. Datorit\ existen]ei mai multor gene structurale `ntr-un operon, ARN-ul mesager sintetizat este unic pentru genele structurale respective, fiind denumit ARN-m poligenic sau ARN-m policistronic.

5.2. STRUCTURA GENEI LA EUCARIOTE

Din punct de vedere structural [i func]ional la eucariote ca [i la procariote se distinge la nivelul genei un segment structural [i un segment cu rol reglator sau de control. La eucariote, spre deosebire de procariote, `n structura [i func]ionalitatea unui segment genic exist\ urm\toarele deosebiri:

spre deosebire de procariote, la eucariote nu sunt reunite mai multe gene `ntr-o structur\ compact\ de tipul operonului. Fiecare gen\ este independent\ [i are propriile ei elemente de reglaj;

la procariote transcrip]ia (AND ARN-m) [i transla]ia (ARN-m proteine), se fac `n acela[i spa]iu, (nu exist\ membran\ nuclear\ care s\ delimiteze un nucleu) [i aproximativ `n acela[i timp, (principiul coliniarit\]ii). La eucariote, transcrip]ia are loc `n nucleu, ARN-m trece `n citoplasm\, iar transla]ia are loc `n citoplasm\, cele dou\ procese desf\[urându-se `n perioade de timp diferite;

`n procesul de sintez\ al ARN-m, la procariote intervine o singur\ enzim\ ARN-polimeraza, care catalizeaz\ sinteza tuturor tipurilor de ARN. La eucariote intervin cel pu]in 3 tipuri diferite de ARN-polimeraze, respectiv ARN-polimeraza II, care transcrie ARN-m; ARN-polimeraza I care particip\ la sinteza ARN-r [i ARN-polimeraza III care particip\ la sinteza ARN-t;

o caracteristic\ foarte important\ este c\ genele la eucariote au o structur\ discontinu\, spre deosebire de procariote la care structura genelor este continu\.

Astfel genele la eucariote sunt alc\tuite din secven]e cu rol informa]ional numite exoni, intercalate de secven]e genice cu rol noninforma]ional denumite introni. Deci discontinuitatea segmentului structural al genei la eucariote const\ din alternan]a exonilor [i intronilor din componen]a sa. Num\rul intronilor non-informa]ionali variaz\ de la o gen\ la alta `n limite largi, `ntre 1 - 16 introni, iar num\rul nucleotidelor din secven]a intronic\ variaz\ `n limite [i mai largi, `ntre 60 – 1.000 de perechi de nucleotide. ~n cadrul unei gene, lungimea total\ a intronilor este mai mare decât lungimea exonilor, fiind [i mai important\ decât cea a exonilor pentru func]ionalitatea unei gene. Cât prive[te num\rul exonilor care codific\ molecula de ARN-mesager precursor, acesta variaz\ de asemenea `n func]ie de tipul de gen\ de la 1 - 50 de exoni [i chiar mai mult. Astfel gena β-globinei la [oarece are 2 introni [i 3 exoni, gena ovalbuminei la g\in\ 7 introni [i 8 exoni, gena colagenului α-2 de la g\in\ are 51 de introni. O excep]ie exist\ `n acest sens la eucariote, genele pentru proteinele histonice [i pentru interferoni, fiind alc\tuite din secven]e cu rol informa]ional (exoni) pe toat\ lungimea lor, neavând introni. ~n cadrul procesului de transcrip]ie al mesajului genetic, ini]ial `n nucleu se sintetizeaz\ ARN-m precursor (primar), care a copiat informa]ia genetic\ a genei structurale integral, având atât intronii cât [i exonii transcri[i. Intronii transcri[i `n ARN-m precursor sunt apoi exciza]i, iar exonii sunt asambla]i `n ARN-m matur, proces care se desf\[oar\ `n nucleu, dup\ care ARN-m matur migreaz\ `n citoplasm\. Procesul de excizare al intronilor [i asamblare al exonilor are loc treptat, fiind un proces deosebit de complex cu participarea multor complexe enzimatice. Intronii, de[i cu rol non-informa]ional, prin mecanismul de excizie al lor [i de asamblare al exonilor `n mod treptat, pot realiza noi secven]e func]ionale, cu apari]ia de noi caractere micromorfologice. Astfel exonii pot avea un rol important `n adaptarea

- 48 -

organismelor la condi]iile variabile ale mediului sau chiar `n evolu]ia biologic\. Este posibil, ca un mecanism de evolu]ie al proteinelor s-ar datora acumul\rii treptate a exonilor, ceea ce ar asigura o structur\ ter]iar\ diferit\ [i chiar func]ii diferite acestora. De asemenea, poate fi [i unul din mecanismele genetice care s\ stea la baza exprim\rii fenomenului de heterozis. Dup\ eliminarea intronilor din ARN-m precursor, are loc [i o modificare a celor dou\ extremit\]i ale ARN-m. Astfel, la cap\tul -5’ al moleculei are loc adi]ia unor nucleotide metilate, aranjate `ntr-o conforma]ie special\ denumit\ “cap”, precum [i ata[area la cap\tul -3’ a unei prelungiri formate din circa 150 - 200 de nucleotide ce con]in adenin\ (complexul poli -A) denumit\ “coad\”. Prin aceast\ procesare se realizeaz\ [i o reducere a dimensiunilor ARN-m Conforma]ia “cap” astfel realizat\, serve[te la prinderea unui ribozom pe ARN-m, iar “coada” probabil mediaz\ urm\toarele etape de maturare a ARN-m [i trecerea sa `n citoplasm\. Dup\ eliminarea intronilor, are loc trecerea ARN-m `n citoplasm\, proces care este strâns corelat cu procesul de eliminare al intronilor, fapt demonstrat `n cazul unor gene artificiale f\r\ introni, la care de[i a avut loc transcrip]ia mesajului genetic `n ARN-m, acesta nu a fost transportat `n citoplasm\. Segmentul structural al genelor la eucariote, posed\ de asemenea un codon start AUG, precum [i unul din codonii stop UAA, UAG, UGA. Segmentul reglator al genelor la eucariote, se g\se[te `n amonte de codonul start [i este compus din promotor; locul de legare de ribozom sau antileaderul; iar la cap\tul terminal al segmentului structural se g\se[te secven]a pentru trailer [i terminatorul, (fig. 24). Promotorul, reprezint\ locul de ata[are al enzimei ARN-polimeraza II [i cuprinde dou\ regiuni specifice: - cutia Hogness (cutia TATA sau secven]a -25), situat\ la aproximativ 25 de nucleotide `n amonte fa]\ de locul de `ncepere a transcrip]iei, fiind cu localizare similar\ cutiei Pribnow de la procariote. Este reprezentat\ de secven]a 5’-TATAAAT-3’, având un A `n plus fa]\ de cutia Pribnow de la procariote; - cutia CAAT (secven]a -75), fiind situat\ la cica 75 de nucleotide fa]\ de locul de ini]iere a transcrip]iei. Cutia CAAT este reprezentat\ de o secven]\ 5’-GGCCAATCT-3’. Aceste regiuni ale promotorului sunt absolut necesare pentru un start adecvat al transcrip]iei, iar promotorii eucariotelor sunt mult mai complec[i decât promotorii procariotelor, cuprinzând [i locuri de legare pentru unii factori proteici accesorii denumi]i factori de transcrip]ie, f\r\ de care ARN-polimeraza II nu poate ini]ia transcrip]ia. Segmentul reglator nu este transcris `n ARN-m. Locul de legare de ribozom (antileaderul), reprezint\ o secven]\ de 20 pân\ la câteva sute de nucleotide, situate `ntre promotor [i codonul start AUG. Antileaderul este transcris `ntr-un segment de ADN care este denumit leader, având rol de a asigura deta[area de ribozomi a ARN-m. Secven]a pentru trailer, este situat\ imediat dup\ codonul stop al segmentului structural [i este reprezentat\ de o secven]\ de nucleotide 5’-AATAA-3’, reprezentând semnalul pentru poliadenilarea cap\tului 3’ al ARN mesager precursor, [i formarea secven]ei “coad\” sau “trailer”. Terminatorul, este identic cu secven]a similar\ de la procariote, fiind o secven]\ de nucleotide de tip polindromic.

- 4

9 -

SE

GM

EN

TU

L

SEG

ME

NT

UL

RE

GL

AT

OR

TR

AN

SCR

IPT

IBIL

TE

RM

INA

TO

R

PR

OM

OT

OR

A

nti-

-75

-2

5

0

le

ader

E1

I1

E

2

I2

E

3

I 3

E

4 S

TO

P

5

’

3’

CA

AT

TA

TA

AA

T

CA

T

AU

G

U

AG

A

AT

AA

(HO

GN

ESS

)

S

TA

RT

U

GA

U

AA

SE

CV

EN

}A

L

OC

LE

GA

RE

PT

. C

OA

D|

A

RN

-PO

LIM

ER

AZ

A I

I

F

ig. 2

4. S

truc

tura

une

i gen

e la

euc

ario

te;

E =

exo

n; I

= in

tron

, (d

up\

C`r

lan

M. –

199

6).

- 50 -

5.3. TIPURI DE GENE

Genele care activeaz\ `n sinteza proteic\, `n func]ie de efectele func]ionale sau fenotipice pe care le genereaz\ pot fi de mai multe tipuri, astfel: 1.Gene reglatoare, specific\ natura sistemului de reglaj genetic, controlând rata de sintez\ a proteinelor prin intermediul unor factori de reglare. Ca r\spuns la schimb\rile mediului celular sau a func]iilor celulare, sistemul de reglaj este responsabil de schimb\ri reversibile `n concentra]ia unei proteine, prin sinteza unor factori polipeptidici cu rol de reglare; 2.Gene structurale, reprezint\ secven]ele polinucleotidice capabile de a fi transcrise `n ARN-mesager, care ulterior va fi implicat `n sinteza unui lan] polipeptidic determinându-i astfel structura primar\. De asemenea genele care determin\ structura secundar\, ter]iar\ sau cuaternar\ a polipeptidului respectiv, apar]in aceluia[i grup de gene. La eucariote, grupul genelor structurale pot fi clasificate `n mai multe categorii, `n func]ie de gradul de exprimare, perioada ontogenetic\ de ac]iune, precum [i `n func]ie de al]i factori, astfel: gene constitutive (sau menajere – “housekeeping”), se exprim\ permanent, pe toat\ durata de via]\ a indivizilor, `ndeplinind func]ii absolut necesare pentru via]a tuturor categoriilor de celule. ~n genotipul mamiferelor sunt circa 10.000 de astfel de gene, cum ar fi spre exemplu genele pentru sinteza enzimelor respira]iei celulare; gene de lux, sunt reduse la num\r [i se exprim\ numai `n celulele puternic specializate, de[i sunt prezente `n toate celulele din organism. A[a este gena pentru insulin\, care se exprim\ numai `n celulele insulelor Langerhans din pancreas; gene “domestice”, men]ionate de Kaplan [i Delpech (1990), fiind active numai `n anumite ]esuturi din organism, presupuse a sta la baza mecanismelor genetice de cito- [i histodiferen]iere, la baza organogenezei `n perioada embrio - fetal\. De asemenea se presupune a fi genele responsabile [i implicate `n diferen]ierea pe diverse etape de dezvoltare ontogenetic\ a organismului. Aceste gene au o transcrip]ie slab\ dar continu\, fiind bogate `n secven]e de baze CG; gene “egoiste”, sunt constituite din ADN care are doar func]ia de replicare - semiconservativ\, aceste gene fiind afunc]ionale. Ele nu servesc direct celulei sau organismului, dar ocup\ locusuri `n cromozom, fiind integrate `n genotip. Din acest punct de vedere sunt considerate ca un sistem de tip “parazitar” pentru genom, nefiind `ns\ d\un\tore pentru organismul gazd\; gene arhitecturale, care sunt responsabile de integrarea unei proteine `n structura celulelor. F\r\ o integrare corespunz\toare, proteina respectiv\ nu `[i poate `ndeplini func]ia; gene temporale, care controleaz\ timpul [i locul de ac]iune a altor categorii de gene structurale, stabilind programul fundamental al succesiunii de evenimente `n cursul procesului de diferen]iere celular\; pseudogenele, sunt gene nefunc]ionale, care prezint\ mari similitudini cu anumite gene func]ionale din alt locus. Datorit\ defectelor acumulate `n structura lor, pseudogenele nu poat fi transcrise. Pseudogenele se consider\ c\ sunt e[ecuri ale evolu]iei genelor; gene mutante, care iau na[tere prin modificarea unei structuri nucleotidice ini]ial existente `ntr-o gen\. Muta]ia genic\ odat\ produs\, poate fi transmis\ `n descenden]\, de cele mai multe ori stând la baza unei manifest\ri anormale a unui caracter, dar fiind implicat\ [i `n evolu]ia biologic\ a organismelor; genele pentru ARN ribozomal [i ARN de transport, se g\sesc pe cromozomi `n copii multiple, aranjate `n tandem. Celulele umane con]in circa 200 de copii ale genei pentru ARN ribozomal. Num\rul mare al acestor gene se datoreaz\ necesit\]ii acestor produ[i genici `n cantit\]i foarte mari, `n vederea desf\[ur\rii sintezei

- 51 -

proteinelor. Transcrierea genelor pentru ARN-r este realizat\ de c\tre enzima ARN-polimeraza I, iar a celor pentru ARN-t de c\tre enzima ARN -polimeraza III.

5.3.1. ELEMENTE GENETICE MOBILE

SAU TRANSPOZABILE Elementele genetice mobile au fost descoperite `nc\ din 1940 de c\tre cercet\toarea american\ Barbara McClintock, pe baza unor experien]e efectuate la porumb. Pentru aceast\ descoperire, confirmat\ ulterior la nivel molecular, Barbara McClintock a primit premiul Nobel `n 1983. Studiind leg\tura dintre pigmenta]ia boabelor de porumb [i modific\rile cromozomilor acestei plante, Barbara McClintock a ajuns la concluzia c\ modificarea pigmenta]iei boabelor de porumb se datoreaz\ unor elemente genetice mobile, care circul\ `n interiorul genomului, având posibilitatea de a se insera `n interiorul diverselor gene, determinând blocarea sau inactivarea par]ial\ a acestora. Elementele genetice mobile au fost semnalate atât `n genomul procariotelor, cât [i cel al eucariotelor. ~n prezent, genele mobile sunt considerate a fi secven]e nucleotidice din genomul procariotelor sau eucariotelor, purtând informa]ia genetic\ necesar\ propriei mobilit\]i sau o informa]ie care dep\[e[te aceast\ necesitate. Aceste gene mobile sunt denumite: elemente genetice mobile sau elemente genetice transpozabile, iar fenomenul de migrare al lor `n interiorul genomului se nume[te transpozi]ie. Fenomenul de transpozi]ie se consider\ a fi un fenomen general `n natur\, iar elementele transpozabile pot afecta func]ionarea sau non - func]ionarea unor gene, `n cursul dezvolt\rii ontogenetice. Natura elementelor transpozabile a devenit clar\ `n urma studiilor unor fenomene genetice la bacterii, drojdii [i Drosophila.

- 52 -

CAPITOLUL 6

EXPRESIA INFORMA}IEI EREDITARE {I REGLAJUL EXPRIM|RII GENELOR

Func]ia fundamental\ a genei, este aceea de a asigura instrumentele necesare sintezei proteice. Activit\]ile biologice, morfologice, biochimice, fiziologice ale organismelor, care `n final asigur\ conturarea unui fenotip specific, sunt sub directa determinare a diverselor categorii de proteine, molecule dotate cu capacit\]i func]ionale. ~mpreun\ cu acizii nucleici, proteinele alc\tuiesc substan]ele fundamentale ale materiei vii, f\r\ de care via]a nu ar fi posibil\. ~n organismul mamiferelor exist\ cel pu]in 30.000 de proteine diferite, care pe lâng\ rolul lor structural, ac]ioneaz\ [i ca enzime sau catalizatori biologici, dirijând astfel numeroasele reac]ii chimice desf\[urate la nivel celular.

Sinteza proteinelor, care constituie activitatea fundamental\ a celulelor, este condi]ionat\ de fluxul de informa]ie genetic\, programat\ [i `nscris\ `n acizii nucleici, ADN [i ARN.

6.1. FLUXUL DE INFORMA}IE GENETIC|

Caracterele unui individ sunt determinate de informa]ia genetic\, `nscris\ specific `n structura acizilor nucleici. Fiecare dintre caracterele morfologice sau moleculare, ce se manifest\ la un individ, reprezint\ “ultima verig\” din seria etapelor biochimice, aflate sub control ontogenetic [i filogenetic. ~ntre informa]ia genetic\ [i forma final\ de manifestare a caracterului, sunt interpuse o serie de etape obligatorii, (Ruffie - 1974). Prima etap\ const\ `n transferul informa]iei genetice din ADN-ul cromozomal `n citoplasma celulei, ceea ce presupune sinteza ARN-ului mesager, procesul de maturare al acestuia [i migrarea lui `n citoplasm\. A doua etap\ `ncepe cu formarea poliribozomilor, suportul mecanic al sintezei proteice. ~n procesul de sintez\ polipeptidic\, conlucreaz\ cele trei tipuri de ARN celular, (mesager, ribozomal [i de transport). ~n a treia etap\ polipeptidele sintetizate, asigur\ “morfologia molecular\” a individului, asigurându-se astfel substratul reac]iilor moleculare [i enzimatice la nivel celular. ~n etapa a patra are loc finalizarea caracterelor anatomo - structurale. Realizate ontogenetic, controlate genetic [i influen]ate de factorii de mediu, caracterele morfologice sunt particulare fiec\rui individ `n cadrul speciei. Urm\rindu-se fluxul informa]iei genetice, conform teoriei semanticii, (semantica reprezint\ [tiin]a care studiaz\ raportul semnelor cu obiectul de semnifica]ie specific, `n procesele de comunicare), biopolimerii celulari dup\ gradul de semnifica]ie genetic\ [i participare la edificarea unui caracter, se pot clasifica astfel, (Zuckernandl [i Pauling), (fig.25):

ADN-ul cromozomal, care con]ine informa]ia genetic\ sub forma succesiunii de nucleotide, formând genele. Molecula de ADN cromozomal este numit\ “semantida primar\”, deoarece con]ine informa]ia primar\ a sistemelor biologice;

- 53 -

SEMANTID| PRIMAR| ADN

SEMANTID| SECUNDAR| ARN-m

SEMANTID| TER}IAR| Proteine

CARACTERE SUBSTAN}E EPISEMANTICE Glucide Lipide

Fig. 25. Fluxul informa]iei genetice a sistemelor biologice

ARN-ul mesager, care copiaz\ informa]ia genetic\ din ADN, utilizând-o `n citoplasm\ la sinteza unui lan] polipeptidic. Astfel, ARN-m (precum [i celelalte tipuri de ARN celular), este numit “semantid\ secundar\”;

proteinele, care sunt lan]uri polipeptidice cu structur\ [i func]ii specifice, fiind considerate dup\ gradul de informa]ii, “semantide ter]iare”;

polizaharidele [i lipidele, care sunt sintetizate cu ajutorul enzimelor specifice (care au o structur\ polipeptidic\), fiind sub controlul “semantidei ter]iare”. Aceaste substan]e sunt considerate “episemantice”, deoarece aceste molecule ca produs final, nu exprim\ total informa]ia ob]inut\ din primele trei tipuri de semantide.

6.2. STRUCTURA PROTEINELOR

Proteinele reprezint\ “suportul biochimic” al manifest\rilor fenotipice a caracterelor unui organism, biosinteza acestora fiind strict determinat\ genetic. Pentru a elucida procesul complex al expresiei informa]iei ereditare, sunt utile câteva no]iuni despre structura proteinelor. Proteinele sunt alc\tuite din una sau mai multe catene de aminoacizi, structurate `ntr-o structur\ spa]ial\ (ter]iar\) specific\, care le confer\ func]iile biologice. ~n structura proteinelor intr\ 20 - 22 de aminoacizi (tabelul 3), care au o structur\ de tipul COOH-CH-NH2. R

~n cadrul unui lan] polipeptidic, aminoacizii sunt lega]i prin leg\turi peptidice. Structura global\, de ansamblu a macromoleculelor proteice este rezultatul coexisten]ei [i interac]iunii mai multor tipuri de structuri, sau niveluri de organizare, care sunt: primar, secundar, ter]iar [i cuaternar.

Structura primar\, este rezultanta con]inutului [i secven]elor de aminoacizi; Structura secundar\, reprezint\ dobândirea unei conforma]ii de α-helix a

anumitor p\r]i din catena polipeptidic\, ca urmare a unor leg\turi de hidrogen; Structura ter]iar\, reprezint\ configura]ia spa]ial\ complex\ a

macromoleculei proteice, datorat\ unor for]e de stabilizare [i unor leg\turi multiple, `ntre catenele polipeptidice;

- 54 -

Tabelul 3

Aminoacizii care particip\ `n structura proteinelor codific\rile uzuale sunt cu 3 litere [i cu 1 liter\,

(dup\ Lehninger -1987)

Aminoacidul Simbol cu 3 litere

Simbol cu o liter\

Aminoacidul Simbol cu 3 litere

Simbol cu o liter\

Alanin\ Ala A Izoleucin\ Ile I Arginin\ Arg R Leucin\ Leu L Asparagin\ Asn N Lizin\ Lys (Lis) K Acid aspartic Asp D Metionin\ Met M Asn [i/sau Asp Asx B Fenilalanin\ Phe F Cisteina Cys (Cis) C Prolin\ Pro P Glutamin\ Gln Q Serin\ Ser S Acid glutamic Glu E Treonin\ Thr T Gln [i/sau Glu Glx Z Triptofan Trp W Glicocol (Glicin\) Gly (Gli) G Tirozin\ Tyr (Tir) Y Histidin\ His H Valin\ Val V

Structura cuaternar\, este specific\ proteinelor globulare, alc\tuite din mai

multe catene polipeptidice care se leag\ `ntre ele, iar uneori `n structura acestor proteine intr\ [i unele molecule neproteice, formând complexe macromoleculare, (ex. hemoglobina, enzimele alosterice, anticorpii, etc), (fig. 26).

Fig. 26. Organizarea cuaternar\ a structurii hemoglobinei.

Structura ter]iar\ [i cuaternar\ a unei proteine, este caracteristic\ [i deosebit de important\, `ntrucât `i determin\ activitatea biologic\ specific\. Structura primar\, datorat\ succesiunii aminoacizilor `n lan]ul polipeptidic, este de asemenea foarte important\. ~nlocuirea unui aminoacid cu un altul `n urma unei muta]ii, determin\ pierderea activit\]ii specifice a proteinei. Secven]ializarea specific\ a aminoacizilor `n cadrul unei proteine, `ndepline[te câteva func]ii esen]iale: este strict determinat\ genetic de structura nucleotidic\ a unei gene; este unic\, constant\ [i specific\ pentru fiecare protein\; determin\ caracteristicile [i func]iile unei proteine. Toate aceste considerente, relev\ importan]a structurii primare a proteinelor, care este rezultatul secven]elor de nucleotide (de baze azotate) din gena corespunz\toare.

6.3. RIBOZOMII, SEDIUL SINTEZEI PROTEICE

Ribozomii coordoneaz\ traducerea codului genetic `n secven]e nucleotidice specifice, interac]ionând `n acest scop cu diversele categorii de ARN celular, precum [i cu celelalte biomolecule necesare `n sinteza proteinelor. ~n ribozomi se realizeaz\ legarea aminoacizilor `n lan]urile polipeptidice, fiind astfel “uzinele” celulare de fabricare a proteinelor. Ribozomii sunt prezen]i `n toate celulele organismului fiind `ntr-un num\r mare de exemplare pe celul\. La eucariote pot fi liberi `n citoplasm\ sau ata[a]i de reticulul endoplasmatic.

- 55 -

Au fost denumi]i pe rând granule ribonucleoproteice, granulele lui Palade (acesta descoperindu-i pe suprafa]a reticulului endoplasmtic), ultima denumire de ribozomi fiind dat\ de Roberts. La microscopul electronic, ribozomii apar sub form\ granular\, cu dimensiuni de 20/30 nm, c\rora nu li se pot distinge structura. Ribozomii sunt forma]i din dou\ subunit\]i, atât la procariote cât [i la eucariote. Ribozomul bacterian, are o mas\ de circa 2,4 x 106 daltoni [i este numit 70S, dup\ viteza de sedimentare când este centrifugat, (constant\ de sedimentare, m\surat\ `n unit\]i Svedberg). Cele dou\ subunit\]i sunt numite 50S, (subunitatea mare) [i 30S, (subunitatea mic\), (fig. 27). Con]inutul `n ARN-r al acestora este de 65%. Subunitatea mic\ 30S, este compus\ dintr-un singur tip de ARN-r, denumit ARN 16S [i din 21 de proteine distincte, iar subunitatea mare 50S este compus\ din dou\ tipuri de ARN-r, (5S [i 23S) [i 34 de proteine diferite. Ribozomii eucariotelor, sunt de tip 80S, fiind constitui]i de asemenea din dou\ subunit\]i, subunitatea mare 60S (care con]ine trei tipuri de ARN-r, respectiv 5S; 5,8S [i 28S) [i subunitatea mic\ 40S ce con]ine ARN-r de tip 18S. Proteinele componente ale acestora sunt `n num\r de 33 pentru subunitatea mic\ [i 45 pentru subunitatea mare. Con]inutul `n ARN-r al acestor ribozomi este de 45%. a b c

Fig. 27. Structura ribozomilor; a, b - Ribozomii 70S, de la Esherichia coli; c - Diagrama componentelor unui ribozom 70S, (dup\ Hartl - 1988, Lehninger - 1992).

Ribozomii eucariotelor afla]i `n mitocondrii [i cloroplaste, sunt foarte asem\n\tori ribozomilor bacterieni fiind tot de tipul 70S. ~n anumite condi]ii specifice, are loc autoasamblarea componentelor ribozomale, pentru a reconstitui complexul cu structur\ ini]ial\ [i cu acelea[i func]ii. Acela[i proces poate avea loc [i `n sens invers. S-a demonstrat c\ ARN-ul ribozomal are un rol esen]ial `n asamblarea ribozomilor, pe când unele componente proteice ribozomale pot fi excluse, dar totu[i asamblarea ribozomilor având loc. Asamblarea ribozomilor `ncepe `n nucleol. La acest nivel are loc sinteza ARN-ribozomal care imediat dup\ sintez\ este `mbr\cat `n proteine, formând precursorii ribozomali. Ace[ti precursori trec apoi `n citoplasm\ unde vor forma ribozomii. Pe lâng\ acest rol, ARN-ribozomal joac\ un rol crucial `n procesul de recunoa[tere ribozom – ARN mesager - ARN de transport. Poliribozomii. Ribozomii se pot `ntâlni `n celul\ sub forma celor dou\ subunit\]i separate, asocierea celor dou\ subunit\]i se produce numai când `ncepe sinteza polipeptidic\ formând ribozomul func]ional. La rândul lor ace[tia se asociaz\ prin filamente sub]iri de 1 - 2 nm care sunt molecule de ARN-mesager, formând poliribozomii (polizomi). ~n reticulocite care sintetizeaz\ hemoglobina, polizomii sunt constitui]i din 6 ribozomi, dispu[i la distan]\ de 34 nm de o parte [i de alta a unei molecule de ARN-mesager, lung\ de circa 150 nm.

- 56 -

6.4. TRANSCRIP}IA INFORMA}IEI GENETICE Transcrip]ia informa]iei genetice, reprezint\ un proces complex, prin care se realizeaz\ copierea pe baz\ de complementaritate a informa]iei genetice din ADN `n ARN -mesager, (fig. 28).

Fig. 28. Reprezentarea schematic\ a sintezei de ARN-mesager. Transcrip]ia se realizeaz\ `n interfaza ciclului celular, procesul asigurând un permanent transfer al informa]iei genetice din ADN-ul nuclear `n citoplasm\, informa]ie care va fi utilizat\ la sinteza proteinelor specifice activit\]ii celulare. Procesul de transcrip]ie se desf\[oar\ `n trei etape distincte: preini]ierea [i ini]ierea, elongarea moleculei de ARN-m [i terminarea transcrip]iei. Preini]ierea [i ini]ierea. Presupune recunoa[terea secven]elor promotorului de c\tre enzima ARN-polimeraza [i ata[area enzimei de catena matri]\. ARN-polimeraza are o mare afinitate pentru ADN, indiferent de originea sa biologic\, fiind o enzim\ alosteric\ ce are posibilitatea de a recunoa[te `nceputul [i sfâr[itul genelor, precum [i de a reac]iona la ac]iunea unori factori de reglare. La procariote, sub ac]iunea factorului sigma, ARN-polimeraza recunoa[te promotorul, ata[ându-se puternic de cutia Pribnow. La eucariote, ata[area enzimei ARN-polimeraza II de promotor necesit\ asocierea cu factorii de transcrip]ie. Muta]iile punctiforme la nivelul promotorilor, atrag imposibilitatea de ata[are a enzimei [i respectiv inactivarea promotorului respectiv. Dup\ formarea complexului ADN - ARN-polimeraza, are loc desfacerea leg\turilor de hidrogen pe o por]iune de circa 10 pb dup\ codonul “start”, f\când catena apt\ pentru transcriere. Procesul de desfacere (“de topire”), a leg\turilor de hidrogen este u[urat [i de faptul c\ promotorul este bogat `n perechi de baze A-T, `ntre care exist\ doar dou\ leg\turi de hidrogen. Elongarea moleculei de ARN-mesager. Dup\ ce au fost legate primele dou\ nucleotide, ARN-polimeraza “alunec\” de-a lungul matri]ei de ADN, asigurând cre[terea catenei de ARN-m, prin ad\ugarea secven]elor de nucleotide la cap\tul 3’-OH al moleculei. ~n timp ce ARN-polimeraza se deplaseaz\ pe catena matri]\ `n direc]ia 3’-5’, cre[terea lan]ului poliribonucleotidic are loc `n direc]ia 5’-3’, ca [i `n cazul replic\rii ADN-ului, (fig. 29).

Fig. 29. Elongarea lan]ului poliribonucleotidic de ARN-mesager.

- 57 -

Pe m\sur\ ce transcrierea progreseaz\, ARN-m are tendin]a s\ se separe de matri]\, care `[i reface astfel structura sa dubl\. Terminarea transcrip]iei. Când complexul de transcriere `ntâlne[te un semnal de terminare “stop”, se realizeaz\ eliberarea enzimei ARN-polimeraza [i a ARN-mesager format. La procariote cel mai adesea terminarea transcrierii necesit\ interven]ia unei proteine specifice, denumit\ factorul ρ. Molecula de ARN-mesager astfel sintetizat\, este monocatenar\ [i complementar\ matri]ei de ADN, este mult mai scurt\ decât `ntreaga caten\ de ADN, are o greutate molecular\ mai mic\, substituie timina prin uracil [i dezoxiriboza prin riboz\. ARN-mesager este de mai multe tipuri, fiind câte unul pentru fiecare molecul\ diferit\ de protein\. La procariote ARN-m este policistronic, con]inând informa]ia genetic\ dintr-un `ntreg operon. Procesul de transcrip]ie este asimetric, transcrip]ia având loc doar pe o caten\ a ADN-ului, denumit\ caten\ de codare, de sens sau matri]\. Procesul de trancrip]ie a dou\ gene chiar vecine fiind, nu se desf\[oar\ pe aceea[i caten\ `ntotdeauna. ~n acela[i timp pot fi molecule de ARN-mesager care se alungesc `ntr-o direc]ie, iar altele `n cealalt\ direc]ie, depinzând de catena care func]ioneaz\ ca matri]\. ARN-mesager astfel sintetizat, poart\ denumirea de transcript primar sau ARN-m prematur, con]inând atât exonii cât [i intronii [i secven]a leader la cap\tul 5’. Posttranscrip]ional la extermitatea 5’ se adug\ secven]a “cap” (alc\tuit\ din guanin\ metilat\), iar la extermitatea 3’ se adaug\ secven]a “coad\” (100 - 2.000 de secven]e de acid adenilic). Acest transcript primar este supus proces\rii (sau matur\rii), care const\ `n scurtarea secven]elor “coad\” [i `n eliminarea intronilor, proces care are loc `n nucleu. Eliminarea intronilor se poate realiza prin trei modalit\]i distincte: excizia autocatalitic\, printr-o reac]ie mediat\ de `nsu[i ARN-mesager respectiv; excizia prin clivare de c\tre o endonucleaz\ [i `mbinarea cu ajutorul unei endonucleaze cu propriet\]i ligazice; excizia cu ajutorul unor particule ribonucleoproteice denumite splaisozom. Procesul de excizare al intronilor, poate fi realizat `ntr-o anumit\ ordine specific\, sau excizarea poate s\ nu fie `ntr-o ordine strict\. Se poate realiza astfel o eliminare alternativ\ a intronilor, proces care poate genera forme alternative ale aceleia[i proteine, care poate s\ difere prin func]iile ei biologice.

6.4.1. EVIDEN}IEREA TRANSCRIP}IEI GENICE. “GENELE ~N AC}IUNE”

~n anul 1970, a fost eviden]iat la microscopul electronic pentru prima dat\, procesul de transcrip]ie al informa]iei genetice [i sinteza ARN-mesager sub catalizarea enzimei ARN-polimeraza, precum [i formarea poliribozomilor care servesc la sinteza lan]urilor proteice, (fig. 30). Aceast\ performan]\ a `nregistrat-o Miller, Hamkalo [i Thomas de la Universitatea Harvard, prin studii efectuate pe oocite de amfibieni (Triturus viridescens), precum [i la bacteriile Esherichia coli [i Salmonella typhimurium. Tehnica const\ `n spargerea peretelului celular prin [oc osmotic, iar con]inutul este preparat pentru observare la microscopul electronic. Pe microfotografiile ob]inute s-au pus `n eviden]\ fibrile cu diametrul de 40 Å, care corespund moleculei de ADN (la care se asociaz\ proteine), la acestea se ata[eaz\ filamente care sunt molecule de ARN-mesager. De-a lungul filamentelor, se dispun din loc `n loc granule cu diametru de 200 - 250 Å, acestea fiind ribozomii pe cale de a traduce informa]ia genetic\. Un poliribozom, este conectat de fibrile de ADN prin intermediul unei granule de form\ neregulat\ cu un diametru de circa 75 Å, aceasta fiind enzima ARN-polimeraza. Observa]iile efectuate, au condus la câteva concluzii deosebit de importante: legarea permanent\ a poliribozomilor de ADN, `n strâns\ asociere cu ARN-polimeraza iar ribozomii care traduc din aproape `n aproape informa]ia genetic\ `n lan]urile proteice, pledeaz\ pentru cuplarea proceselor de transcrip]ie [i transla]ie genetic\ `n timp [i spa]iu;

- 58 -

A B

Fig. 30. Eviden]ierea transcrip]iei genice [i a form\rii poliribozomilor. A - Segmente genetic active din cromozomul E. coli, cu poliribozomi ata[a]i. S\geata indic\ enzima ARN-polimeraza, situat\ `n situsul de ini]iere al transcrip]iei genice;B - Schi]a unei gene func]ionale la E. coli; (dup\ Miller Jr. [i Hamkalo - 1972; cita]i de Zarnea - 1986).

exist\ segmente de ADN destul de lungi (circa 3 µm), care sunt `n activitate, ceea ce sugereaz\ ideea existen]ei operonilor policistronici; `n acela[i timp anumite segmente de ADN par a fi transcrise, altele nu, fapt remarcat din dispunerea neregulat\ a poliribozomilor, f\r\ a exista o periodicitate anume.

6.5. TRANSLA}IA INFORMA}IEI GENETICE

Transla]ia, reprezint\ procesul complex prin care informa]ia genetic\ con]inut\ `n ADN [i transmis\ la ribozomi prin intermediul ARN-mesager, este “tradus\” `ntr-o secven]\ polipeptidic\, prin asamblarea aminoacizilor `ntr-o ordine specific\, prescris\ de informa]ia genetic\. Procesul de transla]ie al informa]iei genetice, implic\ activitatea mai multor constituien]i preforma]i, iar procesul se desf\[oar\ `n mai multe etape succesive. Structurile moleculare angajate `n transla]ie sunt: ARN-mesager ce con]ine informa]ia caracteristic\ fiec\rui polipeptid; ribozomii, care sunt sediul sintezei proteice; ARN de transport care cupleaz\ aminoacizii din citoplasm\, `i conduce la ribozomi [i pe baza anticodonului (complementar codonului din ARN-m), `i ordoneaz\ `n lan]ul polipeptidic; cei 20 de aminoacizi existen]i `n citoplasma celulei; cofactorii energetici ATP [i GTP; enzimele existente `n mai multe tipuri biochimice, care sunt factori caracteristici pentru ini]iere, alungire [i terminare a transcrip]iei. Procesul de transla]ie poate fi divizat `n patru faze succesive; 1. activarea aminoacizilor [i formarea complexelor aminoacil - ARN-t; 2. ini]ierea sintezei proteinelor; 3. elonga]ia catenei polipeptidice; 4. terminarea sintezei.

- 59 -

1. Activarea aminoacizilor [i formarea complexelor aminoacil-ARN-t. Formarea leg\turilor peptidice este condi]ionat\ de activarea prealabil\ a fiec\rui aminoacid. Activarea aminoacizilor se realizeaz\ `n prezen]a factorilor energetici de tip ATP [i a unei enzime activatoare denumit\ aminoacil – ARN-t - sintetaza. Exist\ 20 de enzime pentru fiecare din cei 20 de aminoacizi. Fiecare enzim\ recunoa[te specific un anumit aminoacid [i dup\ activare `l transfer\ ARN-t corespunz\tor, formând complexul aminoacil – ARN-t (AA - ARN-t) , care este dirijat spre ribozomi. 2. Ini]ierea sintezei proteinelor. Reprezint\ un proces complex datorit\ necesit\]ii de a asigura legarea corect\ a ARN-t ini]iator, care determin\ traducerea fidel\ a mesajului genetic. ARN-mesager se leag\ de subunitatea mic\ a ribozomilor (subunitatea 30S la procariote [i 40S la eucariote), având codonul ini]iator (start) AUG, la cap\tul 5’. ~n dreptul acestui codon se a[eaz\ primul ARN-t, care are anticodonul UAC (complementar codonului AUG “start”) [i este purt\tor al aminoacidului metionin\ la eucariote [i formilmetionin\ (la procariote). Apoi se fixeaz\ [i subunitatea mare a ribozomului, acesta devenind activ `n procesul de sintez\ proteic\. Pe subunitatea mare a ribozomului se g\sesc dou\ situsuri (centre), denumite centrul P (peptidil sau donator) [i centrul A (aminoacil sau acceptor), (fig. 31). 3. Elonga]ia catenei polipeptidice. Sinteza unei catene polipeptidice `ncepe `n centrul P al ribozomului, centru care va fi ocupat de complexul aminoacil - ARN-t ini]iator, care transport\ metionina. Al doilea aminoacil - ARN-t, corespunz\tor codonului din ARN-m, va ocupa centrul A care este liber. ~n acel moment ribozomul avanseaz\ cu trei nucleotide de-a lungul ARN-m, iar primul ARN-t este eliberat din centrul P care va fi ocupat de cel de-al doilea aminoacil - ARN-t. Totodat\ are loc [i realizarea leg\turii peptidice `ntre aminoacidul 1 [i aminoacidul 2, cu ajutorul enzimei peptidiltransferaza. ~n urm\toarea etap\ urmând acela[i mecanism, un AA - ARN-t 3 ocup\ centrul A, ribozomul avanseaz\ cu 3 nucleotide, ARN-t 2 este eliberat din centrul P care va fi ocupat de AA - ARN-t 3, iar AA 3 este legat de dipeptidul deja format. Astfel se produce elonga]ia lan]ului polipeptidic, (fig. 32). 4. Terminarea sintezei. Se realizeaz\ `n momentul `n care pe molecula de ARN-mesager apare un codon “stop” sau “non sens” (UAG, UGA, UAA), care nu semnific\ nici un aminoacid. Simultan intervin doi factori de eliberare R1 [i R2. Ribozomul `[i `ncheie astfel rolul `n sinteza lan]ului polipeptidic, p\r\se[te polizomul se scindeaz\ `n cele dou\ subunit\]i ale sale, care devin astfel libere pentru o nou\ ini]iere a transla]iei. Proteina astfel sintetizat\, se organizeaz\ spa]ial, devenind biologic activ\. Majoritatea catenelor de ARN-mesager sunt traduse simultan de mai mul]i ribozomi, situa]i la intervale variabile de-a lungul filamentului de ARN-m, formând complexe denumite poliribozomi sau polizomi. Lungimea poliribozomilor este dat\ de lungimea ARN-m, fiecare ribozom corespunde la circa 80 de nucleotide ale ARN-m. Biosinteza proteinelor se realizeaz\ cu un consum energetic foarte mare. La Esherichia coli `ntre 50 - 80% din energia metabolic\ a bacteriei va fi investit\ `n sinteza proteinelor.

Fig. 31. Formarea complexului de ini]iere `n centrul P al ribozomului, (dup\ C`rlan M. - 1996).

- 60 -

Fig. 32. Elonga]ia catenei polipeptidice. Viteza de asamblare aminoacizilor `n lan]ul polipeptidic este variabil\, fiind cuprins\ `ntre 15 - 20 AA/secund\, pân\ la circa 50 AA/secund\ la procariote, iar la eucariote fiind de circa 1 AA/secund\, (ex. sinteza hemoglobinei dureaz\ circa 3 minute). La procariote procesele de transcrip]ie [i de transla]ie sunt intim coordonate, producându-se cvasisimultan, iar viteza de transla]ie este controlat\ de viteza de transcrip]ie. La eucariote, datorit\ existen]ei membranei nucleare, transcrip]ia este separat\ `n spa]iu [i timp de transla]ie. La procariote se manifest\ fenomenul de coliniaritate, succesiunea aminoacizlor fiind asigurat\ de succesiunea nucleotidelor din ADN-ul cromozomal. La eucariote gena este discontinu\, fiind format\ dintr-o alternan]\ de exoni [i introni, ceea ce nu violeaz\ concep]ia coliniarit\]ii, demonstrând doar c\ succesiunea nucleotidelor dintr-o gen\ care condi]ioneaz\ succesiunea ribonucleotidelor din ARN-m [i a aminoacizilor dintr-un polipeptid, nu sunt `ntotdeauna `ntr-o succesiune ne`ntrerupt\. Dup\ realizarea procesului de sintez\ proteic\, ARN-mesager este degradat enzimatic `n citoplasm\, fiind o biomolecul\ cu o activitate foarte scurt\. Cu cât stabilitatea ARN-ului mesager este mai mare (fenomen specific ARN-m de la eucariote), cu atât are loc o amplificarea a produsului biologic rezultat `n urma procesul de sintez\.

- 61 -

CAPITOLUL 7

TRANSMITEREA CARACTERELOR {I ~NSU{IRILOR DE LA O GENERA}IE LA ALTA

7.1. LEGILE MENDELIENE DESPRE EREDITATE

7.1.1. TEORIA FACTORILOR EREDITARI Modul de transmitere a caracterelor de la o genera]ie la alta, a preocupat din cele mai vechi timpuri pe cresc\torii de animale [i cultivatorii de plante. Ace[tia urm\reau ob]inerea unor noi soiuri de plante sau a unor noi rase de animale prin `ncruci[area celor existente . Mai târziu, o serie de cercet\tori ca, Kölreuter `n 1763, Kgnight `n 1799, Louis [i Henry de Vilmorin `n perioada 1856 - 1860, Goss `n 1824, Naudin 1863 [.a., analizând rezultatele ob]inute `n urma `ncruci[\rii unor soiuri de plante, nu `[i pot explica [tiin]ific fenomenele interesante observate, `n privin]a modului de transmitere al caracterelor de la p\rin]i la descenden]i. ~nsu[i Darwin, constat\ c\ dac\ se `ncruci[eaz\ dou\ rase de animale, produ[ii primei genera]ii sunt to]i la fel, dar `nmul]i]i `ntre ei dau `n genera]ia urm\toare o diversitate surprinz\toare. Aceste cercet\ri, dar [i multe altele, de[i au eviden]iat `n bun\ m\sur\ aspecte ale modului de transmitere al caracterelor de la o genera]ie la alta, nu au reu[it s\ stabileasc\ legile dup\ care se transmit aceste caractere. Aceasta, datorit\ `n special faptului c\ indivizii `ncruci[a]i se diferen]iau `ntre ei, printr-un num\r prea mare de perechi de caractere, al c\ror mod de comportare nu mai putea fi urm\rit `n descenden]\. ~n anul 1865 c\lug\rul Gregor Mendel (1822 - 1884), de la m\n\stirea din Brno, profesor de [tiin]e naturale la liceul german din aceea[i localitate, comunic\ `n cadrul Societ\]ii Naturali[tilor, rezultatele ob]inute de el `n urma `ncruci[\rii diferitelor soiuri de Pisum, Phaseolus, Linaria, Zea, Mirabilis [.a. ~nainte de a prezenta modul cum Mendel a c\utat s\ explice rezultatele pe care le-a ob]inut `n câmpul experimental, trebuie de precizat urm\toarele:

Mendel nu [tia nimic despre existen]a cromozomilor (Strassburger, 1875); nu [tia c\ substratul material al eredit\]ii se afl\ `n nucleu (Strassburger, 1875); nu cuno[tea diviziunea celular\ (Fleming, 1882); nu avea cuno[tin]e cu privire la fenotip [i genotip (Johannsen, dup\ anul 1900); nu avea cuo[tin]e cu privire la starea homozigot\ [i heterozigot\ (W. Bateson,

1902). ~n schimb, cercet\rile lui Mendel au fost concepute dup\ un sistem original, iar el a avut o capacitate de previziune uimitoare, o minte clarv\z\toare, o preg\tire multilateral\. De asemenea, Mendel a teoretizat numai dup\ ce a fost ferm convins c\ rezultatele practice oglindeau realitatea obiectiv\ [i a procedat la interpretarea statistic\ a rezultatelor ob]inute, ceea ce a permis s\ sintetizeze multitudinea de valori rezultate. Datorit\ acestor aspecte, lui Mendel `i revine meritul de a fi primul care a stabilit precis modul de transmitere a caracterelor `n descenden]\, el fiind considerat `ntemeietorul geneticii. Recunoa[terea meritelor lui s-a realizat `ns\ abia dup\ anul 1900, când trei cercet\tori, independent unul de altul, Hugo de Vries `n Olanda, Carl Correns `n

- 62 -

Germania [i Erich von Tschermak - Seyseneg `n Austria, au redescoperit lucr\rile lui Mendel [i regulele stabilite de el, `n hibridare care au c\p\tat ulterior denumirea de “Legile lui Mendel” [i care sunt formulate astfel:

Legea domina]iei sau uniformit\]ii hibrizilor `n prima genera]ie, (F1); Legea segreg\rii sau disjunc]iei caracterelor `n genera]ia a doua, (F2); Legea segreg\rii independente a perechilor de caractere [i liberei combin\ri a factorilor ereditari, sau legea purit\]ii game]ilor.

Mendel `n explicarea rezultatelor practice pe care le-a ob]inut, s-a condus dup\ ideea c\ `n celulele sexuale ale tuturor vie]uitoarelor, exist\ pentru fiecare caracter, respectiv pentru una din manifest\rile acestuia, un element material denumit de el “factor ereditar” sau “esen]\ ereditar\”. Game]ii fiind pun]ile de leg\tur\ dintre dou\ genera]ii succesive, sunt purt\tori ai unui singur factor ereditar, iar prin combinarea lor liber\ pe baza hazardului, `n descenden]\ vor rezulta diferite tipuri de organisme, care pot fi asem\n\toare cu unul din p\rin]i, sau care pot fi hibride, deci s\ `ntruneasc\ factorii ereditari ai ambelor forme parentale. Mendel a notat fiecare organism cu dou\ litere, (manifestarea dominant\ cu liter\ mare - A; iar pe cea recesiv\ cu liter\ mic\ - a) pe considerentul c\ organismul respectiv, fiind rezultatul contopirii a doi game]i, are de la fiecare p\rinte câte un factor ereditar pentru caracterul urm\rit, sau mai corect spus pentru forma `n care acesta se va manifesta. Ansamblul cercet\rilor lui Mendel, au dus la elaborarea teoriei factorilor ereditari, care sus]ine c\ ereditatea organismelor este dependent\ de un num\r mare de factori (denumi]i ulterior gene de Johannsen - 1909), care se transmit prin game]i la descenden]i. Teoria factorilor ereditari [i legile mendeliene, au fost confirmate apoi de teoria cromozomal\ a eredit\]ii [i acceptate de genetica modern\. Mendel a studiat comportarea eredit\]ii formelor hibride la plantele mai multor genuri, dar cele mai concludente rezultate le-a ob]inut `n urma `ncruci[\rii mai multor soiuri de maz\re (Pisum), care este o plant\ autogam\.

7.1.2. TERMINOLOGIA UTILIZAT| ~N GENETICA MENDELIAN|

~n cadrul geneticii mendeliene, precum [i `n hibridologie `n general, sunt utilizate o serie de no]iuni specifice, ce vor fi definite `n continuare. Hibridare, reprezint\ `ncruci[area dintre indivizi care se deosebesc `ntre ei prin unul sau mai multe caractere, (culoarea robei, a ochilor, lipsa sau prezen]a coarnelor etc). Dup\ num\rul de caractere care deosebesc formele utilizate la `ncruci[are, hibridarea se poate clasifica `n: monohibridare, dihibridare, trihibridare sau polihibridare. Produ[ii rezulta]i `n urma hibrid\rii se numesc hibrizi (lat. “hibrida” = din sânge amestecat). Formele parentale, ale hibrizilor se noteaz\ cu P, iar genera]iile de hibrizi ob]inute se noteaz\ cu F (de la latinescul “filii” = copii), la care se adaug\ o cifr\ care reprezint\ num\rul de ordine al genera]iei, (F1 = prima genera]ie, F2 = a doua genera]ie, etc). Segregare (lat. “segregare” = a separa, a izola), denumire dat\ de Bateson [i Saunders - 1902, pentru a defini procesul separ\rii `ntâmpl\toare a alelelor provenite de la cei doi p\rin]i `n timpul form\rii game]ilor (meioza I), ceea ce are drept consecin]\ apari]ia unui num\r foarte mare, (practic infint) de combina]ii genotipice `n game]i. Factor ereditar, denumire dat\ de Mendel determinantului unui caracter, (elementul material care determin\ un caracter). Gena, denumire dat\ de Johannsen - 1909, `nlocuind termenul de factor ereditar [i definind segmentul de ADN, care determin\ sinteza unui produs celular specific. Locus (plural “loci”), denumire dat\ de Morgan [i colab. - 1915, pentru a defini pozi]ia ocupat\ de o gen\ `n cromozom. Alel\ (gr. “allelon” - unii [i al]ii), denumire dat\ de Johannsen - 1909, pentru a defini formele alternative `n care se g\se[te o gen\. Alelele ocup\ acela[i locus `n cromozomii omologi [i controleaz\ diferite expresii ale aceluia[i caracter. Alela care determin\ expresia normal\, (original\) sau standard a unui caracter, se nume[te alel\ de tip s\lbatic sau standard.

- 63 -

Din gena ancestral\ prin muta]ii succesive, pot rezulta mai multe alele, care s\ influen]eze acela[i caracter. Alela care determin\ expresia standard a caracterului se noteaz\ cu liter\ mare sau cu semnul “+”, celelalte alele mutante sunt notate cu liter\ mic\. Un organism diploid are câte dou\ alele pentru fiecare locus. ~n situa]ia prezen]ei a cel pu]in trei alele diferite pentru aceea[i gen\, `n cazul unei popula]ii de indivizi, se manifest\ fenomenul de alelism multiplu. Alelomorfe, reprezint\ manifest\ri opuse ale aceluia[i caracter, determinate de existen]a a dou\ alele diferite la un anumit locus `n cromozomii omologi, (ex. culoarea boabelor, galben-verde; talia plantelor, `nalt-pitic etc). Homozigot (gr. “homoios + zygotos” = `mpreunat), denumire dat\ de Bateson [i Saunders - 1902), pentru a defini situa]ia `n care cele dou\ alele de pe cromozomii omologi sunt identice, (AA sau aa). Heterozigot, situa]ie `n care alelele din cei doi cromozomi omologi, sunt diferite (Aa). Dominan]\ (lat. “dominari” = a st\pâni), fenomen prin care caracterele determinate de o gen\ se exprim\ fenotipic, indiferent de rela]iile cu alte gene alele. Recesivitatea (lat. “recessus” = retragere), fenomen opus domina]iei, `n care un anumit caracter se manifest\ doar `n stare de homozigo]ie, r\mânând `n stare “latent\” `n situa]ie de heterozigo]ie. Genele se noteaz\ de cele mai multe ori, cu simboluri dup\ numele caracterului respectiv, (ex. “vg” - de la vestigial, gena pentru aripi vestigiale la Drosophila melanogaster). Pentru formele mutante recesive, simbolurile se scriu cu liter\ mic\ (ex. “vg”), iar pentru formele mutante dominante simbolurile sunt cu liter\ mare, (ex. “B” - de la Bar, ochi bara]i la Drosophila melanogaster). Alela de tip s\lbatic se noteaz\ cu semnul “+”, fie prin al\turarea semnului “+” la simbolul genei recesive, (ex. “W+” - pentru alela s\lbatic\ a culorii ochilor la Drosophila melanogaster).

7.1.3. MONOHIBRIDAREA DE TIP PISUM Monohibridarea, presupune `ncruci[area a doi indivizi din aceea[i specie, care se deosebesc `ntre ei printr-o singur\ pereche de caractere opuse, (alelomorfe). Monohibridarea de tip Pisum a fost pus\ `n eviden]\ de c\tre Mendel `n experien]ele efectuate cu maz\rea (Pisum sativum). El a folosit la `ncruci[are plante care `n prealabil, timp de 5 - 6 genera]ii au fost `nmul]ite prin autofecundare, deci a folosit `n experien]e un material verificat sub raport genetic. Mendel a urm\rit pentru `nceput, modul de comportare a caracterelor de culoare, `ncruci[ând maz\rea cu boabe galbene (AA), cu maz\rea cu boabe verzi (aa), constatând c\ `n prima genera]ie, to]i produ[ii rezulta]i au avut boabe de culoare galben\. ~nmul]ind `ntre ei indivizii din F1, ob]ine `n genera]ia a doua (F2), atât plante cu boabe galbene cât [i plante cu boabe verzi dar `ntr-un anumit raport [i anume 3/4 plante cu boabe galbene [i 1/4 plante cu boabe verzi. ~ncruci[ând maz\rea cu bobul neted (NN), cu maz\rea cu bobul zbârcit (nn), `n prima genera]ie ob]ine doar plante cu bobul neted. ~n F2 ob]ine acela[i raport de segregare de 3:1 `n favoarea indivizilor cu bob neted, (fig. 33). Acelea[i rezultate le-a ob]inut [i prin `ncruci[area plantelor de maz\re ce aveau portul `nalt, cu cele cu portul pitic, `n F1 toate plantele având portul `nalt, iar `n F2 segregarea fiind de 3:1 `n favoarea plantelor cu portul `nalt. Din aceste experien]e ca [i din altele, Mendel trage concluzia c\ acel caracter care se transmite neschimbat `n prima genera]ie (F1), este dominant (culoare galben\, bobul neted, portul `nalt), iar cel\lalt caracter care nu se manifest\ `n F1, este recesiv (culoare verde, bobul zbârcit, portul pitic). ~n plus `n prima genera]ie (F1), to]i indivizii au fost uniformi (plante cu bobul galben, neted sau cu portul `nalt). Astfel Mendel ajunge la enun]area primei legi: Legea dominan]ei sau a uniformit\]ii hibrizilor `n prima genera]ie (F1). Apari]ia ambelor caractere `n genera]ia a doua (F2), a fost numit\ segregare sau disjunc]ie [i presupune separarea celor dou\ caractere alelomorfe unul de altul.

- 64 -

Fig. 33. Schema monohibrid\rii de tip Pisum.

Astfel Mendel a fundamentat a doua lege: Legea segreg\rii sau disjunc]iei caracterelor `n genera]ia a doua. Raportul de segregare fenotipic ob]inut de Mendel `n experien]ele efectuate cu maz\rea a fost de 3:1, adic\ trei p\r]i sau aproximativ 75% plante care manifest\ caracterul dominant [i o parte sau aproximativ 25% plante care manifest\ caracterul recesiv [i este cunoscut `n genetic\ sub denumirea de raport de segregare de tip Pisum. Cultivând mai departe plantele din F2 `n genera]ia a treia (F3), plantele au exteriorizat caracterele `n felul urm\tor: 25% din plantele cu bobul galben au dat `n F3 [i `n genera]iile urm\toare numai plante cu bobul galben; 50% din plantele tot cu bobul galben, au dat descenden]i cu bobul galben [i verde `n raport de 3:1; 25% din plantele cu bobul verde au dat `n F3 [i `n genera]iile urm\toare numai plante cu bobul verde. Aceea[i comportare au avut-o `n F3 [i celelalte caractere analizate, respectiv bobul neted [i zbârcit [i portul `nalt [i pitic. Gregor Mendel a explicat genetic aceast\ comportare fenotipic\, atât `n prima genera]ie, cât [i `n genera]iile urm\toare, pe baza distribuirii factorilor ereditari [i a segreg\rii acestora astfel:

formele parentale (P) utilizate de Mendel, au fost homozigote, adic\ fiecare individ prezint\ aceea[i factori ereditari, `n perechea ce determin\ un caracter. Caracterele dominante au fost notate cu AA, (bobul galben, neted, portul `nalt) iar cele recesive cu aa, (bobul verde, zbârcit, portul pitic);

game]ii forma]i, atât `n cazul formelor parentale cât [i a urm\toarelor genera]ii, con]in un singur factor ereditar, deci sunt puri din punct de vedere genetic;

indivizii din prima genera]ie (F1), con]in atât factorul ereditar provenit de la mam\, cât [i pe cel provenit de la tat\, expresia fenotipic\ apar]inând celui dominant;

game]ii forma]i de indivizii primei genera]ii, vor fi de dou\ tipuri, jum\tate vor de]ine factorul ereditar A, iar cealalt\ jum\tate factorul ereditar a;

- 65 -

din combinarea acestora prin autofecundare, `n a doua genera]ie (F2) vor rezulta: 1/4 AA, 2/4 Aa, 1/4 aa;

factorul ereditar A (corespunz\tor culorii galbene, formei netede, portului `nalt), fiind dominant, `n F2 vor rezulta 75% din indivizi ce vor manifesta fenotipic caracterele dominante, iar 25% din indivizi ce vor avea formula genetic\ aa, vor manifesta caracterele recesive. (bobul verde, forma zbârcit\ a bobului, portul pitic al plantelor).

Deci raportul de segregare `n F2 de 3:1 `n favoarea caracterului dominant este fenotipic, din punct de vedere genetic `ns\, segregarea `n F2 se produce `n raport de 1:2:1, `ntrucât 25% din indivizi sunt homozigo]i pentru culoarea galben\ cu formula ereditar\ AA, 50% sunt heterozigo]i cu formula ereditar\ Aa, dar care vor manifesta caracterul dominant (galben) [i 25% homozigo]i pentru culoarea verde, cu formula ereditar\ aa. Acelea[i raporturi de segregare fenotipice [i genotipice se `nregistreaz\ [i `n cazul `ncruci[\rii plantelor de maz\re ce se deosebesc prin alte caractere, (bobul neted x zbârcit; portul `nalt x pitic) [i nu numai `n aceste cazuri. Acela[i mod de transmitere a caracterelor a fost eviden]iat ulterior [i la animale. ~n 1901, W. Bateson public\ rezultatele ob]inute prin `ncruci[area unor rase de g\ini ce se deosebesc prin forma crestei. Astfel a ar\tat c\ prin `ncruci[area g\inilor cu creasta `nflorat\ sau b\tut\ (rasa Wyandotte), cu g\ini ce au creasta simpl\ din]at\ (rasa Leghorn), `n F1 dominant\ este tipul de creasta b\tut\. ~n F2 are loc segregarea celor dou\ caractere alelomorfe `n raport de 3:1, `n favoarea crestei b\tute sau `nflorate. Zoologul francez L. Cuénot (1902), `ncruci[eaz\ [oareci de culoare gri cu [oareci de culoare alb\, ob]inând `n F1 numai [oareci de culoare gri, iar `n F2 are loc segregarea `n raport de 3:1 `n favoarea culorii gri care este dominant\. La taurinele din rasa Holstein - Friz\, prin `ncruci[area variet\]ii de culoare neagr\ cu varietatea de culoare ro[ie, `n prima genera]ie se ob]in numai produ[i de culoare neagr\. ~n F2 are loc segregarea `n raport de 3:1, `n favoarea culorii negre care este dominant\. Tot la taurine, culoarea uniform\ a robei [i lipsa coarnelor sunt caractere dominante, fa]\ de desenul b\l]at al robei [i prezen]a coarnelor, raporturile de segregare fenotipice `nregistrate `n F2 fiind tot de 3:1 `n favoarea caracterului dominant. La nutrie (Myocastor coypus), blana de culoare crem este determinat\ de o pereche de alele recesive (kk), iar blana de culoare standard este determinat\ de o gen\ alel\ dominant\ (K), iar din `ncruci[area celor dou\ variet\]i, raporturile de segregare sunt de tip Pisum. Dup\ anul 1900, acumulându-se noi descoperiri [i rezultate `n biologie `n general [i genetic\ `n special, cele dou\ legi fundamentate de Mendel au fost confirmate de noile descoperiri, dar [i completate. Principiul uniformit\]ii hibrizilor `n prima genera]ie (legea dominan]ei), considerat\ o proprietate intrinsec\ a genelor, s-a dovedit a fi o dominan]\ complet\. Dar s-a demonstrat c\ dominan]a nu este `n toate cazurile complet\, existând numeroase cazuri `n care apar raporturi de segregare diferite, ca urmare a interac]iunii dintre gene chiar alele fiind. Principiul segreg\rii independente a caracterelor a devenit legea fundamental\ a mendelismului dobândind o explica]ie obiectiv\, dup\ ce `n 1903 W. Sutton arat\ c\ exist\ un paralelism `ntre comportarea cromozomilor `n cursul meiozei, prin separarea cromozomilor omologi `n meioza I [i separarea caracterelor opuse (alelomorfe), postulat\ de Mendel.

7.1.4. DIHIBRIDAREA {I POLIHIBRIDAREA Dihibridarea, presupune `ncruci[area `ntre indivizi din soiuri sau rase diferite, care se deosebesc `ntre ei prin dou\ perechi de caractere. Mendel folose[te tot maz\rea `n experien]ele de dihibridare. El `ncruci[eaz\ maz\rea cu bobul galben (G) [i neted (N), ambele fiind caractere dominante, cu maz\rea cu bobul verde (g) [i zbârcit (n), amândou\ fiind caractere recesive, (fig. 34). ~n F1 to]i hibrizii vor fi uniformi, manifestând caracterele dominante (plante cu bobul galben [i neted), de[i din punct de vedere genetic sunt heterozigo]i, (GgNn).

- 66 -

~n cursul form\rii game]ilor caracterele alelomorfe galben - verde se separ\ [i se transmit independent de caracterele alelomorfe neted - zbârcit. Pe de alt\ parte, caracterele parentale galben - `nalt [i neted - zbârcit, nu r\mân nici ele cuplate, repartizându-se o dat\ cu formarea game]ilor, `n patru combina]ii. ~n felul acesta, game]ii ce vor rezulta vor fi de patru tipuri pentru fiecare sex: galben - neted; galben - zbârcit; verde - neted [i verde - zbârcit. Din `ncruci[area probabilistic\ a 4 tipuri de game]i masculi, cu 4 tipuri de game]i femeli din F1, vor rezulta `n F2 16 combina]ii genotipice, care sub raport fenotipic se vor grupa `n 4 clase fenotipice, `n urm\toarele propor]ii:

9/16 plante cu boabe galbene [i netede; 3/16 plante cu boabe galbene [i zbârcite; 3/16 plante cu boabe verzi [i netede; 1/16 plante cu boabe verzi [i zbârcite.

Astfel, raportul de segregare fenotipic `n F2 este de 9:3:3:1.

Fig. 34. Schema dihibrid\rii la maz\re, `n `ncruci[area dintre plante cu bobul galben [i neted (GGNN), cu plante cu bobul verde [i zbârcit (ggnn [i ob]inerea unui raport de segregare de 9:3:3:1.

Dac\ se consider\ fiecare caracter separat, atunci raportul de segregare este tot de 3:1. Deci raportul de segregare fenotipic `n dihibridare, este p\tratul raportului de segregare fenotipic din monohibridare (3+1)2 = 9:3:3:1. Sub raport genotipic cele 16 combina]ii ob]inute sunt de dou\ tipuri: 4 homozigote [i 12 heterozigote, iar din cele 12 tipuri heterozigote, 8 vor fi monoheterozigote [i 4 diheterozigote. Astfel, combina]iile 1 [i 16 sunt homozigote asem\n\toare p\rin]ilor, iar 6 [i 11 sunt homozigote având cuplul de caractere repartizat invers decât la p\rin]i [i reprezint\ forme noi (galben - zbârcit [i verde - neted). Celelalte combina]ii sunt heterozigote, unele fiind monoheterozigote pentru caracterul de culoare sau pentru forma boabelor (2, 3, 5, 8, 9, 12, 14, 15), iar altele diheterozigote (4, 7, 10, 13).

- 67 -

Aceste rezultate [i `ndeosebi apari]ia formelor noi galben - zbârcit [i verde - neted, l-au condus pe Mendel la formularea celei de-a 3-a legi: Legea segreg\rii independente a perechilor de caractere [i liberei combin\ri a factorilor ereditari. Rezultate similare au fost ob]inute la mai multe specii de plante [i pentru diferite alte perechi de caractere, iar aceast\ lege a fost demonstrat\ [i `n cazul dihibrid\rilor la animale. Astfel dac\ se `ncruci[eaz\ taurine dintr-o ras\ f\r\ coarne (P) [i cu roba de culoare neagr\ (E), caractere dominante, cu indivizi dintr-o ras\ cu coarne (p) [i cu roba de culoare ro[ie (e), caractere recesive, indivizii din F1 vor fi uniformi, adic\ f\r\ coarne [i cu roba de culoare neagr\, (PpEe). ~n F2, `n urma segreg\rii, se ob]in 16 combina]ii genotipice, care se grupeaz\ `n patru clase fenotipice astfel: 9/16 combina]ii la care indivizii sunt f\r\ coarne [i de culoare neagr\, raportul [i structura genotipic\ fiind: 1/16 PPEE; 2/16 PPEe; 2/16 PpEE; 4/16 PpEe; 3/16 combina]ii la care indivizii sunt f\r\ coarne [i de culoare ro[ie, raportul [i structura genotipic\ fiind: 1/16 PPee; 2/16 Ppee; 3/16 combina]ii la care indivizii sunt cu coarne [i de culoare neagr\, raportul [i structura genotipic\ fiind: 1/16 ppEE; 2/16 ppEe; 1/16 combina]ii la care indivizii sunt cu coarne [i de culoare ro[ie, raportul [i structura genotipic\ fiind: 1/16 ppee. Rezult\ deci, o segregare fenotipic\ `n raport de 9:3:3:1 ca [i la maz\re, iar fiecare pereche de `nsu[iri segreg\ `n raport de 3:1. Se remarc\ [i `n acest caz apari]ia a dou\ combina]ii noi homozigote, PPee [i ppEE. Polihibridarea, presupune `ncruci[area indivizilor care se deosebesc prin mai multe perechi de caractere alelomorfe [i poate fi: trihibridare - cu 3 perechi de caractere opuse, tetrahibridare - cu 4 perechi de caractere alelomorfe opuse, etc. ~n cazul trihibrid\rii, Mendel a `ncruci[at maz\rea cu bobul galben (A), neted (B) [i flori ro[ii (C), cu maz\rea cu bobul verde (a), zbârcit (b) [i flori albe (a). Genotipurile celor dou\ forme parentale vor fi AABBCC [i aabbcc. ~n prima genera]ie heterozigo]ii vor manifesta caracterele dominante, iar `n F2 vor rezulta 64 de combina]ii genotipice, care se grupeaz\ `n 8 clase fenotipice, `ntr-un raport de segregare de 27:9:9:9:3:3:3:1, ceea ce reprezint\ dezvoltarea binomului (3+1)3. ~n cazul tetrahibrid\rii, hibrizii din F1 formeaz\ 16 tipuri de game]i, care asigur\ 256 de posibilit\]i genetice de combinare, grupate `ntr-un raport fenotipic de segregare de (3:1)4. Practic, pe m\sur\ ce num\rul perechilor de caractere cre[te, segregarea este din ce `n ce mai greu de urm\rit, pentru c\ fa]\ de cre[terea `n progresie aritmetic\ a num\rului de perechi de caractere, num\rul tipurilor de game]i posibili cre[te `n progresie geometric\, iar num\rul de combina]ii care pot rezulta cre[te `n progresie logaritmic\. O certitudine statistic\ `n cazul hibrid\rilor, se poate ob]ine numai când se lucreaz\ cu un num\r mic de caractere alelomorfe, iar pe de alt\ parte, trebuie lucrat cu un num\r mare de indivizi pentru a ob]ine raporturile de segregare a[teptate, iar combina]ia game]ilor trebuie s\ fie liber\, f\r\ influen]a altor factori `n special a selec]iei, lucruri care `n practic\ rar se `ntâmpl\. Modul `n care num\rul de caractere, (sau al perechilor de gene alele) implicate `n `ncruci[are, determin\ sporirea num\rului de genotipuri, rezult\ din tabelul 4.

Tabelul 4

Num\rul perechilor de gene alele implicate `n `ncruci[are, num\rul de game]i `n F1 [i num\rul de combina]ii care rezult\ F2

Num\rul perechilor de gene

alele

Num\rul combina]iilor posibile `n F2

Num\rul combina]iilor

genotipic dominante `n F2

Num\rul grupelor

fenotipice `n F2

Num\rul combina]iilor homozigote

`n F2

Num\rul formelor

homozigote noi `n F2

1 4 3 2 2 - 2 16 9 4 4 2 3 64 27 8 8 6 4 256 81 16 16 14 5 1.024 243 32 32 30 10 1.048.576 59.094 1.024 1.024 1.022 n 4n 3n 2n 2n 2n - 2

- 68 -

~n polihibridare, când se iau `n considerare n perechi de caractere, raportul fenotipic de segregare va fi de (3+1)n.

7.1.5. RETRO~NCRUCI{AREA SAU BACKCROSSUL

~n lucr\rile de ameliorare este foarte important de cunoscut genotipul indivizilor utiliza]i la `ncruci[are, pentru anumite caractere luate `n considerare. Acesta deoarece, sub raportul valorii genetice, indivizii homozigo]i sunt mult diferi]i de cei heterozigo]i. Datorit\ fenomenului de dominan]\ pentru o anumit\ alel\, indivizii heterozigo]i nu se pot deosebi de cei homozigo]i pe alela respectiv\. Spre exemplu la ovine, indivizii cu lân\ alb\ pot fi homozigo]i dominan]i (AA), dar pot fi [i heterozigo]i (Aa), valoarea lor genetic\, precum [i modul `n care `[i transmit `n descenden]\ caracterul de culoare al lânii, fiind diferit la cele dou\ genotipuri. ~n scopul cunoa[terii genotipului indivizilor care manifest\ un caracter dominant (ace[tia putând fi homozigo]i sau heterozigo]i), se procedeaz\ la retro`ncruci[are sau backross. Formele parentale sunt AA [i aa, iar indivizii supu[i analizei pot fi de tip AA sau Aa, manifestând caracterul dominant. Cazul a: ~ncruci[area indivizilor analiza]i (AA sau Aa), cu forma parental\ homozigot dominant\, (fig. 35). P AA x AA

(individ analizat) (forma parental\)

A G A A A A

FT AA; AA; AA; AA

(uniformitate fenotipic\)

P Aa x AA

(individ analizat) (forma parental\)

B G A a A A

FT AA; AA; aA; aA

(uniformitate fenotipic\)

Fig. 35. Variant\ de backross, `ntre forma parental\ homozigot dominant\ [i individ analizat homozigot dominant (varianta A), sau heterozigot (varianta B).

~n ambele situa]ii, descenden]a rezultat\ va manifesta caracterul dominant, fiind uniform\ fenotipic [i nu se poate stabili starea de homozigo]ie sau heterozigo]ie a indivizilor supu[i analizei. Cazul b: ~ncruci[area indivizilor analiza]i (AA sau Aa), cu forma parental\ homozigot recesiv\, (fig. 36).

- 69 -

P AA x aa

(individ analizat) (forma parental\)

A G A A a a

FT Aa; Aa; Aa; Aa

(uniformitate fenotipic\)

P Aa x aa

(individ analizat) (forma parental\)

B G A a a a

FT Aa; Aa; aa; aa

50% 50%

Fig. 36. Variant\ de backcross, `ntre forma parental\

homozigot recesiv\ [i individ analizat homozigot dominant (varianta A), sau heterozigot (varianta B).

~n cazul acestui tip de retro`ncruci[are se ob]in rezultate care pot eviden]ia structura genetic\ a individului supus analizei. ~n situa]ia `n care individul analizat este homozigot pe alela dominant\, descenden]a rezultat\ va manifesta `n mod uniform caracterul dominant, de[i din punct de vedere genetic va fi heterozigot\, (fig. 36A). ~n cazul `n care individul analizat este heterozigot, `n descenden]\ va avea loc fenomenul de segregare, descenden]a va manifesta `n propor]ie de 50% caracterul dominant [i 50% vor fi homozigo]i recesivi, (fig. 36B). Deci `n cazul retro`ncruci[\rii (backcross-ului), dac\ descenden]a va manifesta `n mod uniform caracterul dominant individul supus analizei este homozigot dominant, iar dac\ `n descenden]\ se produce segregarea `n raport de 1:1, individul supus analizai este heterozigot.

7.2. ABATERI DE LA RAPORTURILE

MENDELIENE DE SEGREGARE FENOTIPIC| Pe lâng\ raporturile de segregare mendeliene, se `ntâlnesc numeroase cazuri care fac excep]ii de la aceste raporturi de segregare. Analiza acestor excep]ii de la raporturile mendeliene de segregare, fie c\ sunt aparente sau reale, nu au fost `n opozi]ie cu principiile stabilite de Mendel [i au permis aprofundarea cercet\rilor `n acest domeniu, contribuind la dezvoltarea geneticii mendeliene. Principala cauz\ a abaterilor de la raporturile mendeliene de segregare, o constituie interac]iunile genice.

- 70 -

Interac]iunea genic\, reprezint\ fenomenul prin care o gen\ `n ac]iunea sa, influen]eaz\ `n diferite grade chiar pân\ la anulare, efectul altei gene. Interac]iunile genice sunt de dou\ tipuri:

interac]iuni alelice - care se manifest\ numai `ntre genele alele; interac]iuni nealelice (nonalelice) - care au loc `ntre gene situate `n loci diferi]i.

Cunoa[terea tipurilor de interac]iuni genice, atât `n formarea caracterelor, cât [i `n modul lor de transmitere, este o problem\ important\ `n elaborarea celor mai eficiente metode de dirijare a evolu]iei animalelor. Fundamentul prin care ac]ioneaz\ ameliorarea genetic\ a animalelor este variabilitatea genetic\ [i numai cunoscând modul de formare al varia]iilor ereditare, se poate alege [i fundamenta metoda de ameliorare cea mai eficient\, pentru o anumit\ popula]ie.

7.2.1. INTERAC}IUNEA DINTRE GENELE ALELE Interac]iunea alelic\, se realizeaz\ `n situa]ia `n care la un anumit locus de pe cromozomii omologi, se g\sesc dou\ gene alele cu efecte diferite, deci `n stare de heterozigo]ie. ~n acest caz este posibil ca una dintre alele prin efectul ei, s\ influen]eze `n diferite grade efectul celeilalte alele. Fenomenul a fost semnalat [i definit pentru prima dat\ de Mendel, care l-a denumit dominan]\. Gena care influen]eaz\ a fost denumit\ gen\ dominant\, iar gena al c\rei efect este influen]at gen\ recesiv\. Fenomenul de dominan]\ a fost mult studiat [i ast\zi se poate spune c\ acest fenomen se prezint\ sub diferite forme. Interac]iunile dintre genele alele sunt: dominan]a complet\ [i recesivitatea; dominan]a incomplet\ (semidominan]a); codominan]a; supradominan]a; ac]iunea pleiotropic\ a genelor; gene letale [i alele multiple.

7.2.1.1. DOMINAN}A COMPLET| {I RECESIVITATEA Dominan]a complet\, reprezint\ situa]ia `n care o gen\ anuleaz\ efectul alelei sale [i ca urmare genotipul heterozigot (Aa), determin\ un fenotip identic cu cel produs de genotipul homozigot pe gena dominant\ (AA). ~n cazul recesivit\]ii, unei gene alele `i este anulat efectul de alela sa dominant\. Dominan]a complet\ [i recesivitatea au fost prezentate pe larg `n subcapitolul anterior

7.2.1.2. MONOHIBRIDAREA DE TIP ZEA (DOMINAN}A INCOMPLET| SAU SEMIDOMINAN}A)

Fenomenul a fost pus `n eviden]\ pentru prima dat\ de botanistul german Carl Correns, care verificând experien]ele lui Mendel, constat\ c\ `n unele cazuri rezultatele ob]inute difer\ de cele stabilite de acesta. Astfel efectuând hibrid\ri `ntre dou\ soiuri de Mirabilis jalapa, unul cu flori ro[ii [i altul cu flori albe, constat\ c\ `n prima genera]ie se ob]ine o descenden]\ cu flori de culoare roz\, deci o culoare intermediar\ formelor parentale. Procedând la `nmul]irea prin autofecundare a hibrizilor din F1 a ob]inut `n F2, 25% plante cu flori ro[ii, 50% plante cu flori roz intermediare formelor parentale [i 25% plante cu flori albe. ~n acest caz, raportul de segregare fenotipic este de 1:2:1, care corespunde cu constitu]ia genotipic\ a descenden]ei, respectiv cu segregarea genotipic\, care este tot de 1:2:1.

~n cazul acestui tip de segregare, cele dou\ gene alele nu se afl\ `n raporturi de dominan]\ complet\ sau de recesivitate una fa]\ de alta, ci ele au o echipoten]\ ereditar\ egal\, iar genotipul heterozigot (Aa), determin\ un fenotip intermediar celor determinate de genotipurile homozigote (AA; aa), `ns\ mai apropiat de fenotipul determinat de genotipul homozigot pe alela dominant\.

Fenomenul este cunoscut sub denumirea de dominan]\ incomplet\ sau semidominan]\. Acest tip de transmitere intermediar\ a fost `ntâlnit [i la alte specii de plante cum ar fi la porumb (Zea mays), hibridarea fiind denumit\ de tip Zea.

- 71 -

Tipul de transmitere intermediar\ se `ntâlne[te [i la animale. La p\s\ri sunt bine cunoscute g\inile de Andaluzia, care au penajul de culoare alb\struie, ele provenind din `ncruci[area unei rase cu penaj negru cu o ras\ cu penaj alb. Produ[ii din F1 vor avea deci culoare alb\struie, intermediar\ p\rin]ilor. ~n F2 se produce segregarea ob]inându-se 25% g\ini cu penaj negru, 50% g\ini de culoare alb\struie [i 25% g\ini albe, raportul de segregare fiind de 1:2:1. G\inile de Andaluzia sunt deci din punct de vedere genetic heterozigote (Bb). Tot dup\ tipul intermediar se transmite [i culoarea robei la taurinele din rasa Shorthorn, `n cadrul c\reia se `ntâlnesc trei variet\]i de culoare: ro[ie, alb\ [i piersicie. Dac\ se `mperecheaz\ tauri de culoare ro[ie cu vaci de culoare alb\, produ[ii din F1 vor avea culoarea piersicie, iar ace[tia `mperechea]i `ntre ei vor segrega `n F2 `n raport de 1:2:1: adic\ 1/4 de culoare alb\; 2/4 de culoare piersicie [i 1/4 de culoare ro[ie. Indivizii de culoare ro[ie [i alb\ sunt homozigo]i, iar cei piersicii vor fi heterozigo]i, (fig. 37). 1 : 2 : 1

Fig. 37. Fenomenul de dominan]\ incomplet\, `n cazul `ncruci[\rii

dintre taurinele Shorthorn de culoare ro[ie (AA) [i de culoare alb\ (aa). ~n cazul tipului de transmitere intermediar\ a caracterelor, fenotipul concord\ cu genotipul, fapt deosebit de important `n lucr\rile de ameliorare. ~n aceste situa]ii este suficient\ aprecierea fenotipic\, pentru a se cunoa[te starea de homozigo]ie sau heterozigo]ie a indivizilor.

7.2.1.3. CODOMINAN}A Unele caractere sunt determinate de gene plasate `n acela[i locus, f\r\ ca vreuna din gene s\ fie `n raport de dominan]\ complet\, intermediar\ sau par]ial\ cu alela sa. ~n cazul fenomenului de codominan]\ sunt prezente ambele caractere existente la p\rin]i. Transmiterea codominant\ este caracteristic\ tuturor tipurilor de proteine din lapte, sânge, ou\ precum [i transmiterii grupelor sangvine. Spre exemplu, hemoglobina adult\ cunoscut\ la majoritatea speciilor sub dou\ forme fenotipice tipul A [i B, este determinat\ de gene cu ac]iune codominant\. Aceasta deoarece din `mperecherea indivizilor homozigo]i pentru tipul A, cu indivizii homozigo]i pentru tipul B, rezult\ descenden]i cu fenotipul ambelor tipuri parentale A [i B, (fig. 38). Din `nmul]irea descenden]ilor heterozigo]i AB `ntre ei vor rezulta trei categorii de produ[i: 1/4 cu tipul A; 2/4 cu tipul AB [i 1/4 cu tipul B.

- 72 -

Po x Start

Homozigot Hb A/A Homozigot Hb B/B x F1

Heterozigo]i Hb A/b

Homozigot Heterozigot Homozigot Hb A/A Hb A/B Hb B/B

Fig. 38. Ac]iunea codominant\ a genelor, `n cazul `ncruci[\rii dintre indivizi cu hemoglobin\ A [i B.

7.2.1.4. SUPRADOMINAN}A

Reprezint\ fenomenul de interac]iune alelic\ a genelor, prin care organismele heterozigote (Aa), dep\[esc pentru un anumit caracter, sau pentru mai multe caractere, formele parentale homozigote (AA [i aa). Supradominan]a este dat\ `n majoritatea cazurilor de interac]iunea [i stimularea reciproc\ a celor dou\ gene alele, A [i a. Supradominan]a poate fi pozitiv\, atunci când valoarea heterozigo]ilor dep\[e[te valoarea ambelor forme parentale homozigote (dominant\ [i recesiv\), sau poate fi negativ\, când heterozigo]ii dep\[esc doar valoarea formelor parentale homozigot recesive, (fig. 39). AA Aa aa Aa (pozitiv\) (negativ\)

Fig. 39. Schema manifest\rii supradominan]ei pozitive [i negative.

- 73 -

Supradominan]a este specific\ caracterelor cantitative [i foarte rar `ntâlnit\ `n cazul caracterelor calitative. Un exemplu este heterozisul, determinat de ac]iunea supradominant\ a genelor aflate `n stare heterozigot\, ceea ce permite ca cele dou\ gene (sau genomuri), s\ se completeze reciproc [i s\ determine efecte fenotipice superioare celor aflate `n stare homozigot\.

7.2.1.5. AC}IUNEA PLEIOTROPIC| A GENELOR Pe lâng\ determinarea `n fenotip a unui caracter de c\tre o singur\ gen\ sau de mai multe gene, s-a constatat c\ sunt [i cazuri când o singur\ gen\, determin\ fenotipic dou\ sau mai multe caractere diferite, fenomen denumit pleiotropism, (fig. 40). Gena respectiv\ care determin\ influen]area mai multor caractere se nume[te gen\ pleiotropic\.

P1 P2 A1 P3

P4 P5

Fig. 40. Schema ac]iunii pleiotropice a genelor;

A1= gena care determin\ efecte multiple (P1......P5). Mendel a fost primul care a observat c\ la maz\re acela[i factor ereditar a influen]at culoarea florilor [i culoarea tegumentului la semin]e. Kühn a observat la molia de f\in\ c\ aceea[i gen\ A, ce determin\ pigmentarea `nchis\ a ochilor, epidermei [i testiculelor influen]eaz\ [i dezvoltarea, `n timp ce alela sa recesiv\ determin\ ochii ro[ii, epiderma [i gonadele depigmentate, reducând [i ritmul de dezvoltare [i vitalitatea. La [oareci, pigmentarea p\rului, a irisului [i a pielii sunt determinate de un singur factor ereditar. La Drosophila, gena mutant\ (vg) determin\ apari]ia aripilor vestigiale, precum [i sc\derea fecundit\]ii, a longevit\]ii [i modific\ri morfofunc]ionale. Din cele prezentate, apare `ntradev\r evident faptul c\ o gen\ poate s\ determine mai multe efecte fenotipice, dat fiind interac]iunile ce se stabilesc la nivel genic. Aceasta este pleiotropia adev\rat\. Dar sunt [i cazuri când o gen\ determin\ sinteza unei proteine-enzime, care ac]ioneaz\ `n metabolismul celular la locul unui nod metabolic. Dac\ apare o gen\ mutant\, determinând sinteza unei alt tip de enzim\ sau hormon, va influen]a mai multe c\i metabolice care stau la baza dezvolt\rii altor `nsu[iri fenotipice, cu totul diferite. Aceasta atrage dup\ sine modific\ri care aparent nu au nici o leg\tur\ `ntre ele. Aceasta este pleiotropia fals\. Un exemplu de pleiotropie fals\ `ntâlnit\ la animalele domestice este piticismul. {oarecii pitici, taurinele pitice (mai ales la rasa Hereford), g\inile pitice, pe lâng\ faptul c\ se deosebesc de cele normale prin greutatea vie [i dezvoltarea corporal\, au [i o fecunditate redus\, o dezvoltare mai [tears\ a caracterelor sexuale secundare, un procent mai mare de mortalitate. Piticismul este datorat unei gene mutante (dw), ce determin\ lipsa, (sau reducerea) celulelor acidofile din structura lobului anterior al hipofizei, responsabil\ de secre]ia hormonilor adenohipofizari. Efectele pleiotropice multiple ale acestei gene sunt false. Aceasta deoarece gena (dw) `n stare homozigot\, are efect numai asupra diferen]ierii [i cre[terii celulelor ce secret\ hormoni adenohipofizari. Cum ace[tia au multiple efecte (somatotropi, gonadotropi, tireotropi), vor duce la influen]area negativ\ a tuturor acestor func]ii sau “organe ]int\”. Deci toate aceste efecte multiple ale genei “dw” sunt efecte secundare celei principale: lipsa celulelor acidofile antehipofizare. Afirma]ia este sus]inut\ [i de faptul c\

- 74 -

implantarea unei hipofize de la [oarecii cu cre[tere normal\ la [oarecii pitici, redreseaz\ cre[terea normal\, precum [i celelalte manifest\ri.

7.2.1.6. GENE LETALE Raporturile de segregare normale, pot suferi abateri [i datorit\ lipsei de viabilitate a zigo]ilor sau indivizilor, fapt care se datoreaz\ unor gene care determin\ moartea zigotului sau individului `n cursul dezvolt\rii sale, gene care se numesc letale, iar fenomenul letalitate. Acest fenomen a fost pus `n eviden]\ pentru prima data de L. Cuénot (1905), `n urma `ncruci[\rii `ntre ei a [oarecilor de culoare galben\, (fig. 41). ~n genera]ia urm\toare ob]ine atât produ[i de culoare galben\ cât [i produ[i de culoare neagr\, tr\gând astfel concluzia c\ formele parentale ce au fost `ncruci[ate erau heterozigote. Verificând `n continuare transmiterea culorii prin `ncruci[are de `ntoarcere, constat\ c\ dominant\ este culoarea galben\, iar culoarea neagr\ este recesiv\.

Fig. 41. Segregarea `n cazul manifest\rii letalit\]ii de dominan]\, `n `ncruci[area [oarecilor de culoare galben\.

L. Cuénot ob]ine `ns\ un raport de segregare de 2/1 (adic\ 2/3 [oareci galbeni, 1/3 [oareci negri), fa]\ de raportul de segregare de 3/1 `n favoarea [oarecilor galbeni, raport care ar fi fost normal s\ se ob]in\. Ajunge astfel la concluzia c\ produ[ii homozigo]i dominan]i (AA) nu sunt viabili, el g\sind embrioni mor]i la femelele gestante `n faze timpurii ale gesta]iei. Deci raportul de segregare de 2/1, se explic\ prin faptul c\ 1/3 din [oarecii galbeni homozigo]i (AA), mor `n stadiul embrionar. ~n cazul [oarecilor galbeni heterozigo]i (Aa) gena A nu-[i poate manifesta letalitatea, datorit\ prezen]ei genei recesive a. Fenomenul de letalitate de dominan]\, se `ntâlne[te [i la vulpile platinate, precum [i la oile Karakul sau }urcan\ varietate brum\rie. Fenomenul de letalitate la Karakulul brum\riu, a fost remarcat `nc\ din anul 1932 de c\tre G. K. Constantinescu. Mai târziu s-a stabilit c\ gena care determin\ culoarea brum\rie (S), `n stare homozigot\ (SS), determin\ pe lâng\ culoarea brum\rie [i o dezvoltare func]ional\ insuficient\ a nervului vag. Reducerea func]ional\ a nervului vag, determin\ atonia prestomacelor, lipsa tranzitului piloric [i fermenta]ii gazoase. Dac\ la f\tare mieii brum\rii [i negri sunt `ntr-un raport de 3:1, `n perioada de vârst\ pân\ la 10 luni odat\ cu consumul de furaje fibroase, din mieii brum\rii mor circa 25% (cei homozigo]i SS), cu simptome complexe de afec]iuni digestive, mai ales timpanit\ cronic\. Mieii viabili care dep\[esc vârsta de 10 luni sunt heterozigo]i (Ss), deoarece din `ncruci[area acestora rezult\ un raport de segregare de 3:1.

- 75 -

Datorit\ manifest\rii fenomenului de letalitate la mieii Karakul, imediat dup\ f\tare se caut\ s\ se identifice mieii homozigo]i pentru culoarea brum\rie (SS), pe baza culorii mucoaselor (bucal\, nazal\), care este mai deschis\ comparativ cu a mieilor heterozigo]i (Ss). Mieii homozigo]i vor fi destina]i sacrific\rii pentru ob]inerea pielicelii. Mai frecvent, letalitatea este provocat\ de gene recesive `n stare homozigot\. Procesul este similar cu cel provocat de o gen\ dominant\ `n stare homozigot\. Dup\ gradul de ac]iune [i penetran]\, genele letale se `mpart conven]ional `n:

gene letale, care determin\ mortalitatea indivizilor homozigo]i `n propor]ie de peste 90% din cazuri;

gene semiletale, care determin\ o letalitate a homozigo]ilor `ntre 50 - 90%; gene subvitale, cu o letalitate cuprins\ `ntre 10 [i 50% gene cvasinormale, cu o letalitate sub 10%.

Letalitatea este un fenomen total nedorit, pentru c\ indivizii purt\tori de gene letale folosi]i la reproduc]ie, difuzeaz\ gena `n popula]ie astfel putându-se `nregistra pierderi foarte mari. De aceea este necesar\ identificarea indivizilor purt\tori de gene letale, pentru a-i exclude categoric de la reproduc]ie.

7.2.1.7. ALELE MULTIPLE (POLIALELIA) Fenomenul de polialelie este definit de cazul `n care trei sau mai multe gene alternative, sunt plasate pe acela[i locus `n cromozomi [i determin\ varia]ii ale aceluia[i caracter. Perechile de caractere opuse au corespondent `n cromozomi, respectiv `n genele alelomorfe (sau alele), care se g\sesc situate pe aceia[i loci `n cromozomii omologi, iar efectul acestora este exprimat prin dou\ fenotipuri contrastante (ex. `nalt - pitic, galben – verde, etc). ~n cazul unui organism diploid nu pot exista decât dou\ alele (homozigot dominante AA, recesive aa sau heterozigote Aa). Dintre cele dou\ gene alele, cea dominant\ (A), reprezint\ “tipul s\lbatic” sau “standard”, iar cea recesiv\ este o mutant\ a acesteia, fiind deci recesiv\. Când trei sau mai multe gene, cu toate c\ sunt plasate pe acela[i locus `n cromozomii omologi, prezint\ st\ri alternante [i determin\ fenotipuri diferite la indivizi diferi]i, toat\ grupa de gene poart\ denumirea de alele multiple sau serii de alele, iar fenomenul polialelie. Fenomenul de polialelie se manifest\ `n cadrul popula]iilor de indivizi, iar seriile de alele multiple sunt rezultatul muta]iilor succesive care au avut loc `n popula]ia respectiv\. Alela de tip s\lbatic care este dominant\ se noteaz\ cu A sau a+, iar seria de alele ce apare prin muta]ie se noteaz\ cu acelea[i litere la care se adaug\ un indice de ordine numeric\ (ex. A1, A2, A3, A4 sau a1, a2, a3), indice ce reprezint\ ordinea `n care au ap\rut, sau indicele expresiei fenotipice care o determin\. ~ntr-o serie alelic\ (ex. A1, A2, A3), prima alel\ este dominant\ fa]\ de urm\toarele, a doua fa]\ de a treia [i urm\toarele [.a.m.d. Aceasta `nseamn\ c\ prin procesul de `mperechere `ntâmpl\toare a alelelor dintr-o serie alelic\, pot ap\rea la descenden]i expresii fenotipice diferite, `n func]ie de apropierea dintre ele, adic\ de ordinea `n care au ap\rut `n cursul evolu]iei. Num\rul de genotipuri care pot ap\rea ca urmare a combina]iilor dintre genele unei serii alelice, este egal cu 1/2 (n2 + n), `n care n reprezint\ num\rul de alele din cadrul seriei. Morgan a pus `n eviden]\ seria de alele pentru culoarea ochilor la Drosophila melanogaster, (tabelul 5). Indivizii normali care sunt de tip s\lbatic sau standard, au ochii de culoare ro[ie ce se transmite dominant, fiind determinat\ de alela standard notat\ w+. Forma total recesiv\ o reprezint\ ochii de culoare alb\ (w), iar `ntre cele dou\ fenotipuri extreme (dominant - recesiv total), exist\ numeroase forme intermediare, rezultat al muta]iilor succesive al alelei “standard”. Toate aceste manifest\ri ale culorii ochilor la Drosophila melanogaster constituie o serie alelic\, fiind notate cu simboluri derivate din cuvintele engleze[ti, acceptate `n nomenclatura interna]ional\. Serii de alele multiple se `ntâlnesc la majoritatea roz\toarelor, cel mai cunoscut exemplu fiind cel pentru pigmentarea bl\nii la iepuri. Tipul s\lbatic este intens colorat [i are genotipul CC, gena C determinând culoarea aguti. Tipul Chinchilla are culoarea gri, dat\ de genotipul cchcch, iar tipul himalaian care are blan\ alb\ [i botul, vârful cozii, al

- 76 -

urechilor [i al picioarelor negre, are genotipul chch. Exist\ [i tipul albino, complet depigmentat, determinat de alelele caca. Deci cele 4 gene C cch ch ca, constituie o serie alelic\, `n care prima alel\ este dominant\ fa]\ de celelalte trei, a doua (cch) este dominat\ de prima alel\ [i le domin\ pe urm\toarele [.a.m.d.

Tabelul 5

Seria de alele pentru culoarea ochilor la Drosophila melanogaster

Simbolul alelelor Denumirea aleleor Aspectul fenotipic al culorii ochilor W Wild – type Tipul s\lbatic: ro[u intens `nchis Ww White – wine Ro[u `nchis Wco White – coral Ro[u – rubiniu – aprins Wbl White – blood Ro[u – rubiniu - g\lbui We White – cosin Roz - g\lbui Wch White – chery Roz - g\lbui – pai Wa White – apricot Glaben - ro[cat WP White – pearl Culoarea perlei - slab ro[cat Wi White – iwory Sidefiu - u[or g\lbui Wec White – ecrue Alb - u[or g\lbui W White Alb

Studiul grupelor sangvine [i a tipurilor de transferine care sunt determinate de asemenea de serii alelice, au aplicabilitate practic\ `n stabilirea paternit\]ii descenden]ilor, ce provin din mame ce au fost montate cu doi reproduc\tori masculi.

7.2.2. INTERAC}IUNEA DINTRE GENELE NEALELE Legile mendeliene au explicat ereditatea, bazându-se pe considerentul c\ o pereche de caractere sunt determinate de o singur\ pereche de gene alele, independente una de alta `n ceea ce prive[te modul de combinare, segregare [i transmitere `n genera]iile urm\toare. Sunt `ns\ numeroase cazuri, când pentru exteriorizarea unui singur caracter colaboreaz\ mai multe perechi de gene, din interac]iunea c\rora pot ap\rea `n F1 caractere cu totul noi, iar `n F2 apar alte raporturi de combinare, care aparent se abat de la cele mendeliene. Perechile de gene care `n interac]iune nu ocup\ acela[i locus `n cromozomi, ci loci diferi]i, se numesc gene nealele, iar fenomenul interac]iunea dintre genele nealele. Fenomenul de interac]iune dintre genele nealele a fost sesizat `ntr-o serie de hibrid\ri, stabilindu-se c\ principalele forme de interac]iune de acest tip sunt: complementaritatea de dominan]\ [i recesivitate; epistazia; interac]iunea modificatoare a genelor [i interac]iunea polimer\ a genelor.

7.2.2.1. INTERAC}IUNEA COMPLEMENTAR| A GENELOR Reprezint\ fenomenul prin care dou\ sau mai multe gene nealele interac]ioneaz\, dând na[tere unui caracter nou, diferit de cel realizat de fiecare gen\ `n parte. Astfel de gene se numesc gene complementare [i pot fi dominante sau recesive. Complemetaritatea de dominan]\ - este forma de interac]iune `n care dou\ gene nealele dominante determin\ un caracter nou, pe care o singur\ gen\ nu `l poate determina. Apari]ia noului caracter schimb\ [i raporturile mendeliene de segregare. Acest fenomen a fost observat pentru prima dat\ de W. Bateson [i Punnett (1908), atât la plante cât [i la animale. Prin `ncruci[area a dou\ forme diferite de Lathyrus odoratus cu flori albe având genotipurile, AAbb [i aaBB, ei au ob]inut `n F1 o form\ nou\ cu flori ro[ii, (cu genotipul heterozigot AaBb). ~n F2 s-au ob]inut dou\ grupe fenotipice `ntr-un raport de segregare de 9:7. Astfel plantele care vor de]ine cele dou\ gene dominante nealele [i complementare `n stare homozigot\ sau heterozigot\, sunt de culoare ro[ie (cu genotipul A-B-), `n timp ce combina]iile care de]in numai una dintre cele dou\ alele dominante, sau nu le de]in deloc, sunt de culoare alb\, (având genotipurile A-bb; aaB-; aabb). Din aceste rezultate ob]inute, rezult\ c\ formele parentale de culoare alb\ sunt determinate de prezen]a separat\ a genelor dominante A [i B, iar culoarea ro[ie este dat\ de interac]iunea complementar\ a genelor dominante A [i B.

- 77 -

Fenomenul complementarit\]ii de dominan]\ a fost observat [i la p\s\ri, situa]ie `n care determin\ apari]ia unor fenotipuri noi, deosebite de ale genitorilor. Astfel, `ncruci[area g\inilor din rasa Negerhühn care au penajul de culoare alb\ (având genotipul pentru culoarea penajului AAbb), cu g\ini din rasa Dorking care de asemenea au penajul alb (dar genotipul pentru culoarea penajului aaBB), va determina apari]ia la descenden]ii heterozogo]i (AaBb) din F1, a penajului maro - ro[cat, (fig. 42).

Trebuie men]ionat c\ `n cadrul formelor parentale culoarea alb\ se transmite ca atare `n descenden]\, iar fenotipul maro - ro[cat apare ca rezultat al interac]iunii complementare a genelor dominante A [i B, provenite de la cele dou\ forme parentale. Din `ncruci[area probalistic\, a celor patru categorii de game]i pentru fiecare sex, (AB, Ab, aB, [i ab) produ[i de indivizii primei genera]ii, `n F2 raportul de segragare va fi de 9:7. Astfel 9/16 combina]ii fenotipice cu genotipurile A-B-, vor avea culoarea maro-ro[cat, iar 7/16 combina]ii fenotipice având geriotipurile A-bb; aaB-; aabb, vor avea culoarea alb\, fiind identici cu formele parentale. Un alt exemplu clasic al interac]iunii complementare de dominan]\ dintre gene, este redat de Bateson [i Punnett, privitor la transmiterea ereditar\ a formei de creast\ la p\s\ri. Astfel, `ncruci[ând rasa Wyandotte cu creasta sub form\ de rozet\ (cu genotipul AAbb), cu rasa Brahma care are creasta b\tut\, (genotipul aaBB), a rezultat `n F1 o descenden]\ cu un nou fenotip, având creasta sub form\ de miez de nuc\, (genotipul AaBb), (fig. 43). ~n F2 s-a produs segregarea `ntr-un raport fenotipic de tip mendelian de 9:3:3:1, dar `ntre combina]iile fenotipice a ap\rut o combina]ie nou\, creast\ simpl\ din]at\, inexistent\ la genitori. Astfel 9/16 vor avea creast\ sub form\ de miez de nuc\ (sau nuciform\), având genotipurile A-B-, 3/16 vor fi cu creast\ sub form\ de rozet\ (genotipurile A-bb), 3/16 cu creast\ b\tut\ (genotipurile aaB-) [i 1/16 cu creast\ simpl\ din]at\ (genotipul aabb). A[adar tipul de creast\ nuciform\ apare din interac]iunea complementar\ a celor dou\ gene dominante A [i B, iar din interac]iunea genelor recesive a [i b rezult\ creasta simpl\ din]at\.

Fig. 42. Interac]iunea complementar\ dominant\ dintre genele nealele, `n `ncruci[area raselor de g\ini Negerhühn [i Dorking cu penajul de culoare alb\ [i segregarea `n genera]ia F2 `n raport de 9:7, (culoarea maro – ro[cat : alb\).

- 78 -

Fig. 43. Interac]iunea complementar\ dominant\ dintre gene, `n `ncruci[area g\inilor din rasa Wyandotte cu creasta sub form\ de rozet\ [i a g\inilor din rasa Brahma cu creasta b\tut\, cu apari]ia `n F2 a unui raport de segregare de 9:3:3:1.

Complementaritatea de recesivitate - reprezint\ tipul de interac]iune `n care dou\ gene nealele recesive interac]ioneaz\ complementar, determinând un fenotip nou, diferit de al formelor parentale. Acest fenomen a fost observat pentru prima dat\ de Shull (1914), cu prilejul cercet\rii eredit\]ii formelor de capsule la Capsella bursa-pastoris. Dac\ se `ncruci[eaz\ dou\ variet\]i ale acestei specii una cu capsula sub form\ triunghiular\ (AABB), determinat\ de prezen]a uneia sau mai multor gene nealele dominante A [i B, cu o alt\ varietate care are capsul\ ovoidal\ (aabb), determinat\ de prezen]a `n stare homozigot\ a celor dou\ gene recesive a [i b, se ob]ine la descenden]a din F1 doar capsule triunghiulare (genotipurile fiind heterozigote AaBb), (fig. 44). ~n F2 vor rezulta16 combina]ii ce segreg\ `n dou\ grupe fenotipice `ntr-un raport de 15:1, adic\ 15/16 combina]ii cu capsule triunghiulare, acestea având cel pu]in o gen\ dominant\ ce determin\ acest caracter, [i o combina]ie cu capsule sub form\ ovoidal\, determinat\ de interac]iunea dintre cele dou\ gene recesive a [i b, aflate `n stare homozigot\. Specia Capsella bursa-pastoris fiind tetraploid\, posed\ gene duplicate, care pot determina interac]iunea complementar\ de recesivitate. Acest caz este considerat asem\n\tor cu polimeria aditiv\, dar este clar c\ se deosebe[te de aceasta, deoarece cele 15 combina]ii cu capsul\ triunghiular\ sunt asem\n\toare fenotipic.

- 79 -

Fig. 44. Complementaritatea de recesivitate `n cazul `ncruci[\rii celor dou\ forme de Capsella bursa-pastoris [i segregarea `n F2 `ntr-un raport de 15:1.

7.2.2.2. INTERAC}IUNEA DE EPISTAZIE A GENELOR

Epistazia, reprezint\ fenomenul de interac]iune dintre genele nealele, prin care o gen\ `mpiedic\ manifestarea altei gene. Gena care `mpiedic\ manifestarea altei gene se nume[te gen\ epistatic\, iar gena al c\rei efect este `mpiedicat s\ se manifeste se nume[te gen\ hipostatic\, supresoare sau inhibitoare. Fenomenul de epistazie duce la modificarea raportului de segregare `n F2 [i la apari]ia unor caractere pe care nu le-au avut genitorii. Epistazia poate fi rezultatul ac]iunii unei gene dominante, sau se poate manifesta sub ac]iunea unei gene recesive. Epistazia de dominan]\ - a fost observat\ [i explicat\ de Nilson - Ehle (1911), `n urma `ncruci[\rii `ntre Avena fatua cu boabe negre (cu genotipul AABB), [i Avena sativa (ov\zul cultivat), cu boabe galbene (cu genotipul pentru culoarea boabelor aabb). ~n F1 formele heterozigote (AaBb), vor avea culoarea neagr\. ~n F2, segregarea se produce `n raport de 12:3:1, respectiv 12/13 combina]ii vor avea bobul negru (având genotipurile A-B-; A-bb), 3/16 combina]ii vor fi boabe cenu[ii (având genotipurile aaB-) [i 1/16 cu boabe galbene (cu genotipul recesiv aabb). Interpretarea genetic\ a fenomenului este c\ gena dominant\ A este o gen\ epistatic\, care nu permite manifestarea genei B care este o gen\ hipostatic\, iar `n absen]a genei epistatice A, se manifest\ gena hipostatic\ B, care va determina culoarea cenu[ie a boabelor. Fenomenul a fost observat [i la unele specii de animale. Astfel din `ncruci[area câinilor de culoare alb\ (având genotipul pentru culoare AABB), cu câinii de culoare maron (genotipul aabb), `n F1 se ob]in indivizi heterozigo]i (AaBb), de culoare alb\. Din `mperecherea acestora `n genera]ia F2 vor rezulta câinii albi, negrii [i maron `ntr-un raport fenotipic de 12:3:1, (fig. 45). Interpretarea genetic\ este urm\toarea: câinii de culoare alb\ au prezent\ `n genotip cel pu]in una din genele dominante A, care este o gen\ epistatic\. ~n prezen]a acesteia manifestarea genei B care determin\ culoarea neagr\, sau a genei b care determin\ culoarea maron, este `nhibat\. ~n lipsa genei epistatice A, se manifest\ genele hipostatice B sau b, determinând apari]ia culorii negre sau maron a p\rului.

- 80 -

Fig. 45. Epistazia de dominan]\ `n cazul `ncruci[\rii câinilor de culoare alb\ [i maron,

cu ob]inerea `n F2 a unui raport fenotipic de segregare de 12:3:1. {i la p\s\ri a fost remarcat fenomenul epistaziei de dominan]\, `n `ncruci[area a dou\ rase de g\ini cu penajul alb: rasa Leghorn [i Wyandotte. Culoarea alb\ a penajului la rasa Leghorn se manifest\ dominant, `n `ncruci[area cu rase ce au penajul colorat, iar culoarea alb\ a rasei Wyandotte se comport\ recesiv `n asemenea `ncruci[\ri. Din `ncruci[area celor dou\ rase, heterozigo]ii din F1 vor manifesta culoarea alb\, iar `n F2 se ob]in indivizi de culoare alb\ [i neagr\ `ntr-un raport de 13/3 (fig. 46). Explica]ia genetic\ a raporturilor de segregare rezultate este c\ `n cazul rasei Leghorn, culoarea alb\ a penajului este determinat\ de o gen\ epistatic\ A. De fapt la origine rasa Leghorn a fost o ras\ cu penajul colorat, iar `n evolu]ia rasei a ap\rut aceast\ gen\ epistatic\, ce a fost favorizat\ prin selec]ie, cresc\torii preferând culoarea alb\. ~n lipsa genei epistatice, se manifest\ gena hipostatic\ B, care este o gen\ color [i determin\ apari]ia culorii negre a penajului. Genotipul homozigot total recesiv (aabb), va avea de asemenea culoarea alb\. Epistazia de recesivitate - reprezint\ ac]iunea epistatic\ a unei perechi de gene homozigote recesive asupra altor gene nealele, indiferent dac\ acestea sunt `n stare dominant\ sau recesiv\. Fenomenul a fost observat `n cazul `ncruci[\rii [oarecilor de culoare alb\ (având genotipul aaCC), cu [oareci de culoare neagr\ (AAcc) (fig. 47). ~n F1 heterozigo]ii AaBb, vor avea culoarea cenu[ie. ~n F2 se produce segregarea `n urm\toarele propor]ii: 9/16 de culoare gri (cu genotipurile A-C-); 3/16 de culoare neagr\ (având genotipurile A-cc) [i 4/16 de culoare alb\ (cu genotipurile aaC-; aacc).

- 81 -

Fig. 46. Epistazia de dominan]\ `n cazul `ncruci[\rii g\inilor de culoare alb\ din rasa Leghorn [i Wyandotte, cu ob]inerea `n F2 a unui raport de segregare de 13:3.

Fig. 47. Epistazia de recesivitate `n cazul `ncruci[\rii [oarecilor de culoare alb\ [i neagr\, cu ob]inerea `n F2 a unui raport de segregare de 9:3:4.

Din analiza genetic\ a rezultatelor segreg\rii, se remarc\ ac]iunea epistatic\ a genei recesive a, care `n stare homozigot\ (aa), `nhib\ manifestarea genei color C, astfel c\ fenotipurile rezultate vor fi de culoare alb\. Culoarea alb\ o au [i indivizii homozigo]i recesivi aacc.

- 82 -

7.2.2.3. INTERAC}IUNEA MODIFICATOARE A GENELOR Reprezint\ tipul de interac]iune nealelic\, prin care este modificat\ ac]iunea unor gene dispuse `n diferi]i loci care determin\ o anumit\ expresie fenotipic\, de c\tre gene localizate `n al]i loci care se numesc gene modificatoare. Genele modificatoare pot influen]a pozitiv intensificând ac]iunea unor gene, acestea fiind denumite gene intensificatoare sau amplificatoare, sau pot diminua capacitatea de expresie fenotipic\ a altor gene, fiind denumite gene reduc\toare sau restrictive. Deci genele modificatoare au capacitatea de a amplifica cantitativ activitatea unor gene de baz\, sau de a le diminua efectul, chiar pân\ la anulare. Ac]iunea [i efectele genelor modificatoare pot fi exemplificate `n cazul rasei de porci Hampshire. La aceast\ ras\ apari]ia brâului de culoare alb\ `n jurul spetelor, este dat\ de o pereche de gene alele cu ac]iune dominant\, ce va asigura o anumit\ l\]ime constant\ a brâului. La unele popula]ii de porcine din rasa Hampshire, acest brâu poate lua dimensiuni de la foarte `ngust, pân\ la extrem de lat, sub ac]iunea unor gene modificatoare, care astfel pot amplifica sau reduce efectul genelor ce determin\ caracterul principal. La nurc\ (Mustella vison), culoarea standard brun\ `nchis este dat\ de 20 de perechi de gene, din care 15 sunt dominante [i 5 recesive. ~n cazul indivizilor care prezint\ `n genotip aceste gene pentru culoarea standard, intensitatea de culoare difer\ foarte mult de la un individ la altul, de[i `n condi]iile unui genotip identic pentru aceast\ varietate de culoare, culoarea ar fi trebuit s\ fie identic\. Aceste nuan]e de culoare sunt date de prezen]a unor gene modificatoare, dispuse `n diferi]i loci, care pot influen]a manifestarea fenotipic\ a celor 20 de gene implicate `n exprimarea culorii standard. ~n procesul de ameliorare genetic\ a popula]iilor de animale domestice, trebuie s\ se ]in\ cont de ac]iunea genelor modificatoare, deoarece pot determina modific\ri `n nivelul de exprimare cantitativ al unei `nsu[iri productive.

7.2.2.4. INTERAC}IUNEA POLIMER| A GENELOR Polimeria, reprezint\ fenomenul de determinare ereditar\ a unui caracter cantitativ sau a unei `nsu[iri cantitative prin ac]iunea simultan\ a mai multor gene nealele [i echivalente. Seria de gene care determin\ formarea unuia [i aceluia[i caracter cantitativ, poart\ denumirea de gene polimere, poligene sau factori multiplii. Polimeria poate fi aditiv\, atunci când genele polimere `[i `nsumeaz\ efectul `n exprimarea fenotipic\ a unui caracter, sau neaditiv\ situa]ie `n care manifestarea unui fenotip este identic\, indiferent de num\rul de gene polimere care sunt prezente `n genotip. Polimeria aditiv\ - reprezint\ forma cea mai important\ de manifestare a polimeriei, deoarece toate caracterele cantitative, de produc]ie, sunt determinate dup\ acest tip de interac]iune genic\, ceea ce determin\ ca prezen]a `n genotip a cât mai multe gene polimere cu efect favorabil, s\ amplifice nivelul de manifestare al caracterului. De fapt [i procesul de selec]ie artificial\ a animalelor, este un proces de “c\utare” a genelor cu efect aditiv pentru anumite produc]ii urm\rite, cumularea acestora `n genotipul indivizilor prin `ncruci[are [i transmiterea lor `n succesiunea genera]iilor de indivizi. Fenomenul de polimerie aditiv\ a fost remarcat pentru prima dat\ de H. Nilsson - Ehle (1908), la grâu [i de E. M. East (1910 - 1913), la porumb. Ei au obseravat c\ unele caractere cantitative, sunt determinate de mai multe gene nealele care segreg\ independent, dar care influen]eaz\ `n mod cumulativ acela[i caracter. Exemplificarea acestui fenomen, poate fi dat\ de rezultatele ob]inute de Nilsson - Ehle `n `ncruci[area soiurilor de grâu cu boabe ro[ii cu soiuri de grâu cu boabe albe. ~n prima genera]ie hibrizii erau uniformi având boabele de culoare roz\, intermediar\ formelor parentale. ~n F2 ob]ine o segregare `n raport de 15:1, adic\ 15/16 combina]ii fenotipice cu boabe colorate [i 1/16 combina]ie cu boabe de culoare alb\. Din examinarea combina]iilor cu boabe colorate, remarc\ c\ intensit\]ile de culoare erau diferite. Pe baza acestor constat\ri, s-a emis teoria polimeriei aditive, iar intensitatea de culoare diferit\ este dat\ de num\rul de gene dominante prezente `n genotip, care [i-au manifestat efectul cumulativ, descenden]a dihibrid\ din F2 fiind grupat\ `n cinci clase fenotipice astfel:

- 83 -

Num\rul de gene dominante:

4

3

2

1

0

Raport de segregare: 1

4

6

4

1

Fenotipul: Ro[u ro[u deschis roz ro[u

`nchis alb.

Se remarc\ astfel, cu cât cre[te num\rul de gene cu efect aditiv `n genotip, cu atât se amplific\ caracterul de culoare al boabelor. Consecin]ele ac]iunii aditive a genelor sunt deosebit de importante `n transmiterea caracterelor cantitative, de produc]ie, care intereseaz\ `n mod deosebit `n procesul de selec]ie artificial\. ~n primul rând trebuie luat `n considerare faptul c\ segregarea genotipurilor se produce dup\ legile mendeliene, dar num\rul de fenotipuri care rezult\ este foarte mare, cu atât mai mare cu cât num\rul de gene polimere implicate `n determinarea caracterului este mai mare. Deoarece majoritatea caracterelor cantitative sunt determinate de un num\r mare de gene alele, iar efectele fiec\rei gene sunt mici, practic este aproape imposibil de a separa pe grupe fenotipice distincte, rezultatele unei segreg\ri. Distribu]ia frecven]elor pentru combina]iile fenotipice ce rezult\ `n urma unei astfel de segreg\ri, se apropie de cea a distribu]iei normale, cu toate propriet\]ile [i caracteristicile ei. O alt\ caracteristic\ a caracterelor poligenice, este puternica influen]\ pe care condi]iile de mediu le exercit\ asupra lor, ceea ce m\re[te curba de varia]ie a caracterului respectiv. ~n acest fel distribu]ia varia]iilor genotipice vor interfera cu varia]iile determinate de condi]iile de mediu, ceea ce determin\ ca sesizarea diferen]elor dintre genotipuri s\ fie [i mai dificil\. ~n aceste condi]ii, sesizarea genotipului dup\ efectul fenotipic devine deosebit de dificil\, ceea ce impune utilizarea de metode combinate, `n aprecierea corect\ a genotipului. Aceste importante consecin]e ale ac]iunii aditive a genelor, impune utilizarea unor metode adegvate de studiu [i interpretare a acestora. Problematica caracterelor poligenice este deosebit de important\ `n ameliorarea genetic\ a animalelor, iar tratarea acestora se va face mai pe larg `n studiul eredit\]iii caracterelor cantitative. Polimeria neaditiv\ - este proprie caracterelor calitative, iar nivelul de manifestare al unui caracter este acela[i, indiferent de num\rul genelor cu ac]iune dominant\ prezente `n genotip. ~n cadrul acestui tip de interac]iune polimer\, `n urma `ncruci[\rilor dihibride dintre p\rin]i homozigo]i pentru alele dominante [i recesive, raportul de segregare `n F2 este de 15:1. Toate genotipurile care con]in o gen\, dou\, trei sau patru cu ac]iune dominant\, vor determina manifestarea identic\ a caracterului. O astfel de interac]iune polimer\ neaditiv\ se `ntâlne[te la g\ini, `n `ncruci[area unor rase cu picioare `mbr\cate cu penaj, caracter dominant (având genotipul AABB), cu g\ini cu picioare ne`mbr\cate, caracter recesiv (cu genotipul aabb). ~n prima genera]ie indivizii prezint\ picioarele `mbr\cate cu penaj, iar `n F2 raportul de segregare este de 15:1 `n favoarea fenotipului picioare `mbr\cate cu penaj, acestea manifestând caracterul identic indiferent de num\rul genelor dominante prezente `n genotip.

7.3. TRANSMITEREA ~NL|N}UIT| A CARACTERELOR

7.3.1. TEORIA CROMOZOMAL| A EREDIT|}II

Dup\ anul 1900, s-au adus `n aten]ia cercet\torilor din domeniul biologiei, un sistem de evenimente despre ereditate, un ansamblu de no]iuni [i argumente experimentale care au contribuit la dezvoltarea ulterioar\ a cercet\rilor asupra mecanismului ereditar. Descoperirea diviziunii celulare, mitoza dar mai ales meioza, au dat posibilitatea interpret\rii citogenetice a legilor lui Mendel, care de altfel considera c\ transmiterea ereditar\ a caracterelor [i `nsu[irilor se datoreaz\ unor factori ereditari. Ulterior W. Johannsen (1903), `nlocuie[te termenul de factor ereditar cu no]iunea de gen\, care a fost definit\ ca fiind cea mai mic\ unitate func]ional\, de muta]ie [i recombinare prin care se realizeaz\ caracterele individuale ale organismelor.

- 84 -

Argumente experimentale `n sprijinul tezei conform c\reia factorii ereditari (genele), sunt localiza]i `n cromozomi au fost aduse `n anul 1902 de W.S. Sutton `n S.U.A [i de T. Boveri `n Germania. Walter S. Sutton, `n cercet\rile `ntreprinse a observat comportamentul cromozomilor pe parcursul diviziunii mitotice [i meiotice, iar prin compararea evolu]iei cromozomilor cu modul de comportare al factorilor ereditari studia]i de Mendel, a emis ideea c\ genele se g\sesc localizate `n cromozomi. Bazându-se pe faptul c\ num\rul cromozomilor este mai mic, iar num\rul caracterelor este mare, a conchis c\ nu pot fi confundate genele cu cromozomii, genele fiind unit\]i ale acestora [i se g\sesc `n num\r mai mare pe fiecare cromozom. Theodor Boveri, ocupându-se de studiul procesului de diviziune celular\ la Ascaris megalocephala, semnaleaz\ individualitatea cromozomilor, identitatea morfologic\ [i fiziologic\ a cromozomilor omologi, existen]a `n celulele somatice a perechilor de cromozomi, iar `n game]i a unui num\r redus la jum\tate de cromozomi, argumente care l-au condus la ideea c\ purt\torii eredit\]ii sunt cromozomii. Concluziile la care au ajuns Sutton [i Boveri sunt de o importan]\ deosebit\ [i pun bazele teoriei cromozomale a eredit\]ii. Teoria cromozomal\ a eredit\]ii - se ocup\ cu studiul mecanismelor de transmitere a caracterelor de c\tre genele localizate `n acela[i cromozom, perecum [i cu consecin]ele acestor mecanisme ereditare. Aceast\ teorie este formulat\ definitiv, intrând `n patrimoniul geneticii moderne de c\tre zoologul american Thomas Hunt Morgan (1866-1945) [i colaboratorii s\i A. H. Sturtevant, C. B. Bridge [i H. J. Müller, teorie care este cunoscut\ [i sub numele de morganism. ~n investiga]iile lor, Morgan [i colaboratorii s\i au ales ca obiect de cercetare Drosophila melanogaster, care prezint\ o serie de avantaje cum ar fi: o succesiune rapid\ a genera]iilor, ciclul de via]\ al acesteia fiind la 12 zile; num\rul mic de cromozomi (2n = 8), foarte diferi]i `ntre ei din punct de vedere morfologic; existen]a unui num\r mare de mutante, u[or de identificat; posibilitatea de a fi `nmul]it\ u[or `n laborator. Analiza fenomenelor ereditare [i a numeroaselor rezultate experimentale ob]inute, au permis eviden]ierea unor principii [i legi privitor la localizarea genelor `n cromozomi [i a comportamentului acestora `n mecanismele de transmitere ereditar\, care au fost confirmate ulterior de metodele moderne de citologie [i genetic\ molecular\. Ansamblul acestor principii [i legi fundamenteaz\ teoria cromozomal\ a eredit\]ii, care dezvolt\ [i clarific\ urm\toarele probleme:

fiecare gen\ ocup\ o pozi]ie bine definit\ pe cromozom denumit\ locus (plural loci). Fiecare individ posed\ pentru fiecare locus dou\ gene, corespunz\tor st\rii diploide [i de omologie a cromozomilor, una provenit\ de la genitorul matern [i alta de la genitorul patern, iar la rândul lui va transmite `n descenden]\ copia uneia dintre cele dou\ gene;

genele sunt dispuse liniar pe cromozomi, ca m\rgelele pe un fir de a]\, ocupând `n mod constant acela[i locus, pe care-l p\streaz\ atât `n cursul procesului de formare a game]ilor, cât [i dup\ fecundare;

unitatea de segregare `n gametogenez\ nu este gena ci cromozomul, care segreg\ `mpreun\ cu toate genele pe care le de]ine, fenomen care poart\ denumirea de `nl\n]uire a genelor sau linkage;

`n timpul meiozei I, pot avea loc schimburi de segmente cromatidice `ntre cromozomii omologi, având ca rezultat apari]ia game]ilor recombina]i, fenomen ce poart\ denumire de crossing-over.

7.3.2. ~NL|N}UIREA GENELOR (LINKAGE)

Fenomenul de `nl\n]uire a genelor a fost intuit pentru prima dat\ de W. Sutton (1902), dar a fost demonstrat pe cale experimental\ de c\tre W. Bateson [i R. C. Punnett (1906) la plante [i de T. Morgan (1910) la Drosophila melanogaster. ~nl\n]uirea genelor plasate pe acela[i cromozom (sau linkage-ul), reprezint\ fenomenul prin care genele existente pe acela[i cromozom segreg\ [i se transmit `mpreun\ `n procesul meiozei, fiecare cromozom migrând `n celula sexual\ cu toate genele de care dispune. Deci unitatea de segregare `n gametogenez\ nu este gena ci cromozomul. Caracterele [i `nsu[irile controlate de gene localizate pe acela[i cromozom

- 85 -

se transmit `mpreun\, nefiind posibil\ libera combinare [i transmiterea independent\ a lor, ca `n cazul caracterelor determinate de gene plasate pe cromozomi diferi]i. Transmiterea `nl\n]uit\ a genelor plasate pe acela[i cromozom, demonstreaz\ c\ legea segreg\rii independente a factorilor ereditari a lui Mendel are o valabilitate limitat\. Fenomenul de linkage poate s\ fie complet sau incomplet, dup\ cum `ntre genele linkate nu se produce niciodat\ crossing-over, sau se produce `ntr-o anumit\ propor]ie. Linkage complet. Acest fenomen a fost explicat de c\tre T. H. Morgan prin experien]e numeroase [i de detaliu efectuate pe Drosophila melanogaster, la care pe lâng\ tipul s\lbatic (standard) exist\ mai multe mutante. Una din formele mutante la Drosophila se refer\ la culoarea corpului [i dimensiunile aripilor. Astfel tipul standard sau s\lbatic este caracterizat prin culoarea cenu[ie a corpului (B) [i aripi normal dezvoltate (V), iar o form\ mutant\ prezint\ culoarea neagr\ a corpului (b) [i aripi scurte sau vestigiale (v). Morgan a `ncruci[at musculi]e cu corpul cenu[iu [i aripi normale BBVV (tipul normal sau s\lbatic), cu musculi]e cu corpul negru [i aripi vestigiale, bbvv, (forma mutant\) (fig 48). ~n F1 heterozigo]ii (BbVv), manifest\ caracterele dominante, corp cenu[iu [i aripi normale. Urm\rind prin `ncruci[area formelor hibride din F1, modul de transmitere a celor dou\ caractere `n F2, Morgan a constatat c\ apare o abatere de la legile mendeliene, cele dou\ caractere transmi]ându-se dup\ modelul monohibrid\rii ob]inându-se un raport de segregare de 3:1, fa]\ de un raport de segregare de 9:3:3:1, specific `ncruci[\rii indivizilor care se deosebesc prin dou\ perechi de caractere (fig. 48A). Acest mod de comportare ereditar\ se explic\ prin faptul c\ genele care determin\ caracterele luate `n studiu (culoarea corpului [i forma aripilor), sunt dispuse pe acela[i cromozom. Descenden]a hibrid\ din F1, de]ine pe cei doi cromozomi omologi câte

dou\ gene dominante [i recesive(VB

;vb

), exteriorizând caracterele dominante. Indivizii

heterozigo]i din F1 nu produc patru tipuri de game]i, ci numai dou\ tipuri, `n fiecare

gamet g\sindu-se câte unul din cei doi cromozomi cu cele dou\ gene (VB

) [i (vb

), game]i

similari cu cei ai genera]iei parentale. Deci genele (VB

) [i (vb

), migreaz\ `mpreun\ `n

cursul form\rii game]ilor, iar prin `ncruci[are combinarea lor probalistic\ ne mai are loc. Aceast\ constatare a dus la concluzia c\ cele dou\ caractere sunt determinate de gene dispuse `n acela[i cromozom, deci sunt `nl\n]uite, se transmit `mpreun\ [i au tendin]a s\ r\mân\ asociate la descenden]i, fenomen care poart\ denumirea de linkage sau `nl\n]uire a genelor. Procedând la retro`ncruci[area masculilor heterozigo]i pentru culoarea corpului [i

forma aripilor (VB

;vb

) din F1, cu femele parentale homozigot recesive (vb

;vb

), `n F2 s-au

ob]inut numai dou\ grupe fenotipice `n propor]ie egal\ 1:1, asem\n\toare formelor ini]iale, fa]\ de patru grupe fenotipice, cum se ob]ineau `n analizele dihibrid\rii mendeliene (fig. 48B). ~n F2 nu au ap\rut forme noi, determinate de libera combinare a factorilor ereditari, de tipul corp cenu[iu [i aripi vestigiale sau corp negru [i aripi normale. Deci [i `n acest caz transmiterea genelor pentru culoarea corpului [i forma aripilor, gene care sunt dispuse pe acela[i cromozom, se realizeaz\ complet `nl\n]uit. Fenomenul de `nl\n]uire complet\ a genelor se `ntâlne[te foarte rar, având loc fie pentru toate genele dispuse `ntr-un cromozom sau numai pentru anumite segmente ale acestuia. Linkage-ul complet este influen]at de o serie de factori cum ar fi sexul indivizilor, vârst\, temperatur\ etc. Dac\ num\rul de gene care se transmit complet `nl\n]uit ar fi foarte mare, fenomenul ar fi nedorit deoarece s-ar mic[ora considerabil variabilitatea, reducându-se astfel capacitatea de adaptare a organismelor [i limitându-se posibilit\]ile de selec]ie.

-

86 -

A

B

3

1

1

1

Fig

. 48.

Lin

kage

com

plet

al g

enel

or p

entr

u cu

loar

ea c

orpu

lui [

i m\

rim

ea a

ripi

lor

la D

roso

phil

a m

elan

ogas

ter:

A

) R

ezul

tate

le `

ncru

ci[\

rii t

ipul

ui s

\lb

atic

cu

form

a m

utan

t\;

B)

Rez

ulta

tele

ret

ro`n

cruc

i[\

rii.

- 87 -

Grupele de `nl\n]uire a genelor. Studiul fenomenului de linkage, a dus la concluzia c\ genele fiec\rui genotip se grupeaz\ [i se `nl\n]uie `ntotdeauna `n mod constant, formând grupe de `nl\n]uire sau grupe de linkage. Genele care apar]in unui grup de `nl\n]uire se transmit independent de genele celorlalte grupe de `nl\n]uire ale aceluia[i genotip, iar genele din cadrul aceluia[i grup de `nl\n]uire au tendin]a de a se transmite `nl\n]uit. Astfel, prin `ncruci[area organismelor care au caractere determinate de gene ce apar]in la dou\ grupe diferite de linkage, segregarea se produce dup\ legile mendeliene, iar prin `ncruci[area organismelor care au caractere determinate de gene ce apar]in aceleia[i grupe de linkage, se realizeaz\ tendin]a de transmitere `nl\n]uit\ a caracterelor. La Drosophila melanogaster, Morgan [i colaboratorii s\i au stabilit c\ cele peste 500 de mutante c\rora le corespund tot atâtea gene, se grupeaz\ `n patru grupe de `nl\n]uire, corespunz\toare celor 4 perechi de cromozomi omologi, astfel:

grupa I, cromozomii sexului - 141 de mutante; grupa a II-a, perechea a doua de cromozomi - 228 de mutante; grupa a III-a, perechea a treia de cromozomi - 156 de mutante; grupa a IV-a, - perechea a patra de cromozomi - 12 mutante.

Num\rul grupelor de `nl\n]uire, corespunde cu num\rul de cromozomi [i de asemenea num\rul de gene `nl\n]uite dispuse pe cromozom, este `n corela]ie cu m\rimea acestuia. Aceste descoperiri au eviden]iat `nc\ odat\ c\ genele sunt dispuse `n cromozomi [i au un amplasament liniar de-a lungul cromozomilor. Cunoa[terea grupelor de linkage [i a genelor care au tendin]a de a se transmite `nl\n]uit, pentru principalele caractere ale unei specii, are importan]\ atât pentru cercet\rile genetice cât [i pentru cele de ameliorare.

7.3.3. SCHIMBUL DE GENE DINTRE CROMOZOMII OMOLOGI

(CROSSING-OVER) Cercet\rile efectuate asupra caracterelor [i `nsu[irilor determinate de genele dispuse pe acela[i cromozom, au eviden]iat faptul c\ este posibil\ manifestarea unui linkage incomplet, adic\ apari]ia pe lâng\ fenotipurile parentale [i a unor fenotipuri rezultate din recombin\rile de gene, din cadrul aceleia[i grupe de `nl\n]uire. Explica]ia acestui fenomen, dat\ tot de Morgan [i colaboratorii s\i, const\ `n schimburile de fragmente cromatidice `ntre cromozomii omologi, `n diplonemul primei diviziuni meiotice. Acest fenomen, care presupune un schimb de material genetic (deci de gene), `ntre cromozomii omologi, a fost numit crossing-over, (engl. “crossing” = `ntret\iere, `ncruci[are, hibridare; “over” = peste, a trece dincolo), (Morgan - 1912). Existen]a crossing-overului, demonstreaz\ c\ `nl\n]uirea genelor nu este `n toate cazurile complet\ sau absolut\ [i ca urmare apare un linkage incomplet, care face posibil\ includerea genelor `n game]i `n alte combina]ii decât cele `n care se g\sesc la p\rin]i, ceea ce asigur\ apari]ia formelor noi recombinate, cu implica]ii majore asupra variabilit\]ii `n lumea vie. Morgan a pus `n eviden]\ acest fenomen tot `n experien]ele cu Drosophila [i anume chiar cu mutantele cu care a demonstrat fenomenul de linkage, deci cu musculi]e care aveau corpul cenu[iu [i aripi normal dezvoltate (tipul normal sau s\lbatic), `ncruci[ate cu tipul mutant cu corp negru [i aripi vestigiale. Fenomenul de linkage total s-a manifestat atunci când s-au retro`ncruci[at masculi heterozigo]i din F1, cu femele homozigot receseive din genera]ia parental\. ~n cazul retro`ncruci[\rii femelelor heterozigote din F1, cu masculii homozigo]i recesivi din genera]ia p\rin]ilor, se vor ob]ine `n F2 toate cele patru combina]ii posibile, dar nu `n raport egal, ci `n urm\toarele propor]ii, (fig. 49):

41,5% musculi]e cu corp cenu[iu [i aripi normale, (tipul s\lbatic); 41,5% musculi]e cu corp negru [i aripi scurte, (tipul mutant);

-83% caractere `nl\n]uite; 8,5% musculi]e cu corp cenu[iu [i aripi scurte, (recombinan]i); 8,5% musculi]e cu corp negru [i aripi normale, (recombinan]i);

-17% caractere recombinate.

- 88 -

41,5% 8,5% 8,5% 41,5%

Fig. 49. Rezultatele retro`ncruci[\rii unei femele heterozigote cu un mascul homozigot recesiv la Drosophila melanogaster, cu manifestarea fenomenului de crossing-over.

Aceast\ propor]ie de 83%, indivizi cu caractere `nl\n]uite [i 17% indivizi cu caractere recombinate, demonstreaz\ existen]a unui linkage incomplet, având loc manifestarea fenomenului de crossing-over, prin care se realizeaz\ un schimb de gene `ntre cromozomii omologi. Apar astfel cromozomi noi, diferi]i de ai formelor parentale, fiecare con]inând numai câte una din cele dou\ gene pân\ atunci `nl\n]uite.

Explica]ia genetic\ a fenomenului este urm\toarea: femelele heterozigote din F1 utilizate la retro`ncruci[are, au produs patru tipuri de game]i, dou\ tipuri identici cu cei parentali (BV [i bv) [i dou\ tipuri de game]i recombina]i (Bv [i bV). Morgan explic\ existen]a tipurilor de game]i recombina]i, ca rezultat al fragment\rii cromozomilor omologi la nivelul genelor `nl\n]uite [i regruparea acestora prin alipirea segmentului unui cromozom la cel\lalt cromozom [i invers, rezultând astfel dou\ tipuri noi de cromozomi, fiecare con]inând câte dou\ gene, care pân\ atunci se transmiteau `nl\n]uit. Aceasta este `n fond fenomenul de crossing-over, care reprezint\ una din formele recombin\rii genetice la eucariote, fenomen care mai târziu `[i va g\si demonstrarea [tiin]ific\ prin studii citologice [i analize genetice detaliate. Frecven]a crossing-overului sau valoarea de schimb. Este dat\ de procentul formelor noi recombinate, care apar `n descenden]\. Deoarece crossing-overul se produce `ntre dou\ din cele patru cromatide ale cromozomilor omologi, celelalte dou\ p\strându-[i structura ini]ial\, frecven]a de crossing-over este `ntotdeauna mai mic\ de 50%. Frecven]a crossing-overului pentru `ncruci[area efectuat\ de Morgan este de 17% (adic\ 8,5% + 8,5%), ceea ce `nseamn\ c\ dintr-o sut\ de indivizi, la 17 se manifest\ fenomenul de crossing-over. Mecanismul citologic al crossing-overului. Cauzele [i mecanismele de manifestare a crossing-overului sunt date de comportamentul cromozomilor `n timpul diviziunii meiotice. Dintre ipotezele emise asupra cauzelor crossing-overului, s-au impus:

ipoteza ruperii cromatidelor [i schimbului reciproc de segmente cromatidice sau teoria chiasmatipiei (considerat\ a fi cea real\);

ipoteza copierii inverse, `n timpul replic\rii cromozomilor. Teoria chiasmatipiei a fost elaborat\ de F. A. Jannsens (1909 - 1924), dezvoltat\ de C. D. Darlington [i K. Mather (1932) [i verificat\ cu ajutorul izotopilor radioactivi de J. H. Taylor (1958, 1963). Conform teoriei chiasmatipiei, crossing-overul este rezultatul complexului sinaptic realizat `ntre cromozomii omologi [i a chiasmelor realizate `ntre cromatidele

- 89 -

nesurori. ~n profaza primei diviziuni meiotice, `ntre fazele leptonem [i pachinem, cromozomii omologi de origine patern\ [i matern\ se conjug\ formând sinapse. La sfâr[itul pachinemului [i `nceputul diplonemului, cromozomii se cliveaz\ longitudinal formând tetrada cromatidelor. ~ntre cromatidele nesurori exist\ puncte de contact denumite chiasme. La `nceputul diplonemului are loc un schimb de segmente cromatidice `ntre cromatidele cromozomilor omologi, la nivelul chiasmelor. Este destul de dificil de `n]eles modul `n care se produce schimbul de segmente cromatidice `ntre cromozomii omologi. Darlington, cel care a dezvoltat teoria chiasmatipiei, a emis ipoteza existen]a unor for]e de atrac]ie [i respingere care ac]ioneaz\ `ntre cromozomii omologi, `n profaza meiozei I. Astfel `n zygonem are loc spiralizarea strâns\ a omologilor, iar datorit\ tensiunii mari care se produce asupra cromatidelor externe, acestea se rup [i apoi se realipesc fie pe aceea[i cromatid\ (f\r\ a se eviden]ia crossing-over), fie pe cromatida pereche, producându-se astfel crossing-overul. M. J. White (1942), emite ipoteza existen]ei unei atrac]ii `ntre cromatidele nesurori `n timpul sinapsei, urmat\ de o repulsie care produce despiralizarea. Aceast\ ipotez\ presupune existen]a unor diferen]e de tensiune rezultate din tendin]a de desp\r]ire a cromozomilor omologi, precum [i derularea separ\rii mai târzie a cromatidelor. Presiunile care iau na[tere `n acest mod, produc rupturi la nivelul cromatidelor `n puncte identice pe ambele cromatide. Cap\tul rupt al unei cromatide care se despiralizeaz\, `ntâlne[te cap\tul segmentului rupt al cromatidei cromozomului omolog. Are loc fuzionarea lor [i realizarea crossing-overului. Dovezi f\r\ echivoc `n veridicitatea teoriei chiasmatipiei implicate `n crossing-over, au fost aduse de studiile autoradiografice ale lui J. H. Taylor asupra spermatocitelor la l\cust\, `n perioada 1958 - 1962. Utilizând izotopul radioactiv al hidrogenului, (tritiul -3H) pentru a marca cromozomii, Taylor a constatat c\ la `nceputul profazei I, ambii cromozomi ai unei perechi sunt radioactivi. Datorit\ producerii crossing-overului, nu to]i cromozomii r\mân cu organizarea intact\ pe toat\ lungimea lor. Astfel unii cromozomi r\mân `n `ntregime neradioactivi sau `n cea mai mare parte radioactivi, iar al]ii prezint\ un amestec de segmente cromatidice radioactive [i neradioactive. S-a eviden]iat astfel c\ exist\ o corela]ie direct\ `ntre schimbul segmentelor radioactive, frecven]a chiasmelor [i frecven]a crossing-overului. Tipuri de crossing-over. Procesul de crossing-over se poate clasifica `n mai multe tipuri, dup\ o serie de criterii specifice.

A. ~n func]ie de num\rul punctelor de ruptur\ [i de combinare a segmentelor cromatidice, crossing-overul poate fi simplu, dublu sau multiplu fig. (50). Crossing-overul simplu se realizeaz\ `ntr-un singur loc al celor dou\ cromatide, `n intervalul dintre dou\ gene. Crossing-overul dublu, reprezint\ producerea concomitent\ pe acelea[i cromatide a dou\ crossing-overuri simple. Crossing-overul multiplu, reprezint\ realizarea simultan\ a mai mult de dou\ crossing-overuri simple, fiind antrenate `n proces mai mult de trei gene. ~n acest sens, tipul specific de crossing-over simplu, dublu sau multiplu este influen]at de o serie de factori cum ar fi: lungimea cromozomilor; densitatea genic\ de pe un cromozom; distan]a dintre gene; gradul de condensare al cromozomilor; existen]a eucromatinei sau heterocromatinei precum [i de apropierea sau dep\rtarea de centromer a segmentului cromatidic. Astfel cu cât cromozomii sunt mai lungi cre[te num\rul chiasmelor, distan]a mai mare dintre gene implic\ producerea mai facil\ a crossing-overului, cu cât num\rul de gene este mai mare pe un cromozom fiind corelat\ cu lungimea cromozomului [i crossing-overului poate fi mai facil multiplu, etc.

B. Crossing-overul inegal. ~n cadrul fenomenului de crossing-over, nu `ntotdeauna are loc un schimb egal de segmente cromatidice. Exist\ situa]ii când `n zigonemul primei diviziuni meiotice, asocierea cromozomilor omologi nu se realizeaz\ simetric [i ca urmare se produce un schimb inegal de segmente cromatidice. Un astfel de crossing-over se nume[te crossing-over inegal. Crossing-overul inegal are ca rezultat dublarea locusului unei gene pe unul din cromozomii omologi [i dispari]ia locusului respectiv de pe cel\lalt cromozom. Acest fenomen poate fi considerat ca stând la baza duplica]iei genelor, proces prin care s-a realizat existen]a poligenelor `n cazul caracterelor cantitative, cu implica]ii majore `n asigurarea posibilit\]ilor de ameliorare genetic\ a acestor caractere.

- 90 -

Fig. 50. Schema crossing-overului simplu (A), dublu (B) [i multiplu (C). C. Existen]a crossing-overului somatic. Pe lâng\ crossing-overul meiotic, cel mai r\spândit `n lumea animal\ [i cu implica]ii deosebite `n recombinarea genetic\ [i inducerea variabilit\]ii `n descenden]\, exist\ posibilitatea realiz\rii crossing-overului `n diviziunea mitotic\, caz `n care crosing-overul este mitotic sau somatic. Crossing-overul somatic este posibil `n cazuri cu totul excep]ionale la animalele superioare, fiind `ns\ destul de frecvent la unele microorganisme. Cercet\rile efectuate de Curt Stern (1936), la Drosophila melanogaster [i de J. H. Taylor (1957), la alte specii, au relevat c\ `n cursul diviziunii mitotice se poate produce un schimb de fragmente cromatidice `ntre cromozomii omologi. ~n urma separ\rii cromatidelor la care s-a manifestat fenomenul de crossing-over, pot ap\rea `n acela[i organism unele celule homozigote pentru un caracter [i alte celule homozigote pentru alt caracter. Diviziunea `n continuare a acestora va determina formarea de ]esuturi care transmit caracterele respective `n mozaic. ~n acest sens, exist\ tendin]a de a explica prezen]a ochilor de culoare diferit\ la acela[i organism, prin existen]a crossing-overului mitotic la `nceputul dezvolt\rii embrionare. Pe lâng\ existen]a crossing-overului `ntre cromatidele nesurori, s-a determinat [i existen]a crossing-overului `ntre cromatidele surori. Cea mai conving\toare dovad\ `n acest sens a fost adus\ de J. H. Taylor (1957), prin marcarea cromozomilor cu izotopi radioactivi. Existen]a crossing-overului `ntre cromatidele surori, nu produce modific\ri de structur\ ale cromozomilor, deoarece cromatidele surori `n mod normal au aceea[i structur\. Factorii care influen]eaz\ crossing-overul. Frecven]a cu care se realizeaz\ crossing-overul este influen]at\ de numero[i factori, dintre care cei mai semnificativi sunt: sexul; regiunea centromerului [i a heterocromatinei; genotipul; vârsta organismului; temperatura; abera]iile cromozomale etc. O parte din ace[ti factori au fost discuta]i pe parcurs, `n continuare fiind prezenta]i câ]iva dintre ei. Sexul. S-a demonstrat c\ la Drosophila [i la alte specii de diptere, la sexul mascul pentru anumite caractere nu are loc crossing-overul, pe când la sexul femel se manifest\ fenomenul de crossing-over.

- 91 -

~n acela[i mod se comport\ [i viermele de m\tase (Bombyx mori), fenomenul fiind sesizat [i la alte specii, ([oareci, [obolani, porumbei, etc.) Regiunea centromerului [i a heterocromatinei. ~n apropierea centromerului, frecven]a chiasmelor este mai redus\, datorit\ `n special prezen]ei zonelor heterocromatice. Crossing-overul nu are loc `ntâmpl\tor de-a lungul cromatidelor. De obicei prezen]a unui crossing-over `ntr-o regiune a unui cromozom, reduce posibilitatea producerii simultane a unui crossing-over, `n alt\ regiune a aceluia[i cromozom, fenomen denumit interferen]\. Vârsta organismului. La organismele tinere, frecven]a crossing-overului este mult mai mare decât la organismele b\trâne. Fenomenul a fost eviden]iat de Bridges (1915, 1927), la Drosophila melanogaster, la care frecven]a crossing-ov\rului este maxim\ `n prima perioad\ de via]\, iar dup\ 10 - 11 zile recombin\rile sunt minime. Temperatura. S-a constatat prin experiment\ri efectuate pe Drosophila, c\ temperatura are o influen]\ mare [i foarte variabil\ asupra fiec\rei perechi de cromozomi [i chiar a fiec\rei regiuni cromatidice, `n privin]a frecven]elor de recombinare prin crossing-over.

7.3.4. DISPUNEREA LINIAR| A GENELOR ~N CROMOZOMI Cercetarea [i constatarea fenomenelor de `nl\n]uire a genelor [i de schimb al lor, prin intermediul segmentelor cromatidice din cromozomii omologi, au confirmat pe deplin teza dispunerii liniare a genelor `n cromozomi. Morgan [i colaboratorii s\i au presupus aceast\ a[ezare a genelor, pe baza unor constat\ri din experien]ele `ntreprinse. Teza dispunerii liniare a genelor `n cromozomi, presupune urm\toarele aspecte de mare importan]\: genele `nl\n]uite sunt dispuse `n cromozom la distan]e diferite; distan]a dintre gene determin\ o anumit\ frecven]\ a chiasmelor [i ca atare a crossing-overului; frecven]a de crossing-over depinde de num\rul de gene `nl\n]uite de-a lungul cromozomului [i de lungimea acestuia. Dispunerea liniar\ a genelor `n cromozomi, a prilejuit formularea celei de-a treia teze a teoriei cromozomale a eredit\]ii, contribuind astfel considerabil la `ntregirea [i impunerea acestei teorii. De asemenea, aceast\ tez\ ofer\ explica]ii cu privire la fenomenele de conjugare longitudinal\ a cromozomilor omologi, clivare [i autoreproducere longitudinal\ a acestora. Imaginea fizic\ astfel creat\ a cromozomilor, a sugerat posibilitatea de cartare a cromozomilor, prin stabilirea pozi]iei fiec\rei gene `n cromozom [i a distan]ei dintre gene, fiind puse astfel bazele elabor\rii h\r]ilor cromozomale. Fundamentarea structurii chimice a materialului genetic [i a secven]\rii nucleotidelor din macromolecula de ADN, au confirmat `n mod absolut adev\rul acestei teze.

7.3.5. H|R}ILE GENETICE CROMOZOMALE Cercetarea fenomenului de linkage [i crossing-over [i teza a[ez\rii liniare a genelor `n cromozomi, au dus la elaborarea h\r]ilor cromozomale. H\r]ile cromozomale, constituie reprezent\ri grafice a locilor `n care se g\sesc localizate genele `n cromozomii unui organism. Pentru `ntocmirea h\r]ilor cromozomale se parcurg urm\toarele etape: identificarea grupelor de `nl\n]uire a genelor; identificarea locilor, respectiv a genelor localizate `ntr-un cromozom; stabilirea distan]ei dintre gene [i determinarea ordinii genelor `ntr-un cromozom. Identificarea grupelor de `nl\n]uire a genelor, se realizeaz\ prin `ncruci[\ri [i retro`cruci[\ri, prin analiza segreg\rilor mendeliene, prin analiza rela]iilor de linkage dintre diver[i loci ai unui cromozom etc. ~n cazul h\r]ilor genetice, ce stabilesc grupele de `nl\n]uire prin luarea `n considerare a recombin\rilor, ce rezult\ ca urmare a fenomenului de crossing-over. Identificarea locilor [i localizarea fiec\rei gene `ntr-un cromozom, s-a realizat pe baza corela]iei propor]ionale existente `ntre frecven]a crossing-overului dintre gene [i distan]a dintre acestea.

- 92 -

Stabilirea distan]ei dintre genele apar]inând aceluia[i grup de `nl\n]uire, se realizeaz\ prin considerarea formelor noi recombinate ce rezult\ `n descenden]\. Aceasta deoarece frecven]a crossing-overului este o func]ie direct propor]ional\ cu distan]a dintre gene, având [i propriet\]i aditive astfel `ncât exprimarea raporturilor de linkage, se poate face sub forma distan]elor dintre gene. Distan]ele dintre gene se exprim\ `n unit\]i de recombinare sau unit\]i Morgan (morgani). O unitate de recombinare este egal\ cu 1% crossing-over, corespunzând frecven]ei de recombinare constat\ `ntre o pereche de gene. Stabilirea ordinii genelor `ntr-un cromozom, se realizeaz\ pe baza propor]ionalit\]ii [i a frecven]ei constante a crossing-overului `ntre genele plasate `n acela[i cromozom. Astfel, dac\ `ntre dou\ gene `nl\n]uite A – B, exist\ o frecven]\ a crossing-overului de 10%, iar `ntre alte dou\ gene C – D, exist\ o frecven]\ de schimb de 20%, deci dubl\ fa]\ de prima, `nseamn\ c\ [i distan]a `ntre genele C - D va fi dubl\, fa]\ de distan]a dintre genele A - B, toate cele patru gene f\când parte din acela[i grup de `nl\n]uire. ~n mod practic, principiul metodei de stabilire a ordinii genelor `n cadrul unui grup de `nl\n]uire este urm\torul: dac\ genele A [i B sunt `nl\n]uite [i se determin\ o `nl\n]uire [i `ntre gena A [i o alt\ gen\ C, atunci [i genele B [i C sunt `nl\n]uite. Dac\ frecven]a crossing-overului `ntre gena A [i gena B este de 20% [i `ntre gena B [i C este de 10%, pe baza propriet\]ii de aditivitate a frecven]elor de gen\, distan]a `ntre gena A [i C va fi de 30%, (sau de 30 de morgani). Pozi]ia celor trei gene va fi:

A 20% B 10% C

30% Dac\ `ns\ frecven]a de recombinare `ntre genele A [i C va fi de 10%, atunci pozi]ia genelor A, B [i C va fi:

A 10% B 20% C

30% Cu ajutorul acestei metode, redat\ doar sub form\ de principiu, s-a reu[it `ntocmirea h\r]ilor cromozomale la diverse specii. Astfel la `nceput, datorit\ eforturilor depuse de un mare num\r de cerecet\tori `n frunte cu C. B. Bridges, a fost `ntocmit\ harta cromozomal\ la porumb. Ulterior s-au alc\tuit h\r]ile cromozomale [i la alte specii, porumb, viermele de m\tase (Bombyx mori), la p\s\ri sau la unele specii de mamifere, la care sunt doar par]ial `ntocmite h\r]ile genetice. ~n figura 51 este redat\ harta cromozomal\ la g\in\, `ntocmit\ pentru 10 grupe de `nl\n]uire. Pe lâng\ h\r]ile genetice cromozomale, alc\tuite pe baza raporturilor de linkaj dintre gene, se pot `ntocmi [i h\r]i fizice, care se realizeaz\ prin reprezentarea grafic\ a distribuirii genelor `n cromozom. ~n realizarea h\r]ilor fizice, se utilizeaz\ metodele citogenetice moderne, cum ar fi: hibridarea celulelor somatice; hibridarea “`n situ” prin florescen]\; electroforeza `n gel cu câmp pulsat; restric]ia enzimatic\, ceea ce permite cartarea genelor la mamiferele superioare, inclusiv la om, specii la care utilizarea studiilor de linkaj sunt insuficiente.

- 93 -

Fig. 51. Harta cromozomal\ a zece grupe de `nl\n]uire, la g\in\.

7.3.6. IMPORTAN}A TEORIEI CROMOZOMALE A EREDIT|}II

Teoria cromozomal\ a eredit\]ii, elaborat\ de T. H. Morgan [i colaboratorii s\i, `nscrie o nou\ lege a eredit\]ii - transmiterea `nl\n]uit\ a unor caractere [i existen]a recombin\rii dintre gene, ca urmare a existen]ei crossing-overului. Elaborarea acestei noi legi, aduce complet\ri importante teoriei factorilor ereditari a lui Mendel, demonstrând complexitatea determinismului genetic al caracterelor [i `nsu[irilor [i formulând excep]ii de la legea combin\rii libere [i a transmiterii independente a caracterelor. Prin demonstrarea pozi]iei liniare a genelor `n cromozomi, ceea ce determin\ o anumit\ secven]\ specific\ a genelor, o anumit\ ordine, fiecare gen\ ocupând un anumit locus, prin demonstrarea existen]ei distan]elor specifice [i constante dintre gene [i prin ilustrarea `nl\n]uirii [i recombin\rilor dintre genele plasate `n acela[i cromozom, se stabilesc modalit\]i concrete de transmitere ereditar\ a genelor [i respectiv a caracterelor care le determin\. Datorit\ acestor considerente, ansamblul activit\]ii lui T. H. Morgan [i a colaboratorilor s\i, este considerat\ o [coal\ de cercetare, care constituie dup\ etapa mendelist\, a doua etap\ de dezvoltare a geneticii, iar prin adev\rul rezultatelor experimentale ce au fost confirmate de cerect\rile ulterioare la nivel molecular, au asigurat premisele dezvolt\rii geneticii moderne.

- 94 -

CAPITOLUL 8

EREDITATEA EXTRACROMOZOMAL| (CITOPLASMATIC|) Rolul primordial al cromozomilor [i respectiv al materialului genetic nuclear `n erediate, este indiscutabil. Totu[i unele structuri citoplasmatice prin intermediul ADN-ului pe care-l con]in, particip\ la fenomenele ereditare. Acest fenomen poart\ denumirea de ereditate extracromozomal\ sau citoplasmatic\. Astfel s-a reu[it explicarea unor fenomene genetice, care `n mod obi[nuit prin ereditatea cromozomal\ nu se puteau explica. Materialul genetic celular este `mp\r]it `n genom (materialul ereditar situat `n cromozomi, respectiv `n nucleu) [i plasmon (materialul ereditar situat `n afara cromozomilor, respectiv `n citoplasm\). Plasmonul (sau genomul extranuclear) - este alc\tuit din materialul genetic dispus `ntr-o serie de organite citoplasmatice cum ar fi: mitocondriile [i centriolii `n cazul eucariotelor, cloroplastele `n cazul plantelor verzi [i plasmidele, cel pu]in `n cazul procariotelor. Fenomenul eredit\]ii extranucleare are un comportament nemendelian, caracterele manifestând o transmitere preferen]ial\ pe linie matern\. Genele citoplasmatice nu prezint\ linkaj cu genele nucleare, iar majoritatea acestor structuri citoplasmatice au un aparat replicativ propriu, totu[i unele din ele fiind [i sub un control nuclear din acest punct de vedere. Primii cercet\tori care au remarcat rolul citoplasmei `n ereditate au fost: Th. Boveri (1899), C. Correns (1908), E. Wettstein (1937), iar mai târziu M. M. Rhoades (1946), E. Caspari (1948), G. Eriksson (1963) [i al]ii. Ereditatea extracromozomal\ a fost pus\ `n eviden]\ `n principal prin fenomenele de merogonie, `n hibrid\ri [i `ncruci[\ri reciproce [i androsterilitate.

8.1. MEROGONIA

Reprezint\ ob]inerea unor organisme cu caractere materne, prin fecundarea unui ovul f\r\ nucleu, de c\tre un spermatozoid normal. Se ob]in astfel descenden]i haploizi, care pe lâng\ caracterele paterne, exteriorizeaz\ [i o serie de caractere materne. Caracterele paterne sunt transmise de nucleul spermatozoidului, iar cele materne prin intermediul citoplasmei gametului femel. Primele cerecet\ri `n acest domeniu au fost efectuate de Th. Boveri `n anul 1899. El a enucleat ovulele de la specia Ariciul de mare, prin centrifugare, pe care le-a fecundat cu spermatozoizi de la alt\ specie, Crinul de mare. A ob]inut larve haploide, care aveau o singur\ garnitur\ cromozomal\ provenit\ prin intermediul nucleului patern, larve care prezentau `ns\ [i caractere materne transmise prin citoplasma ovulei. Cu timpul tehnica enucle\rii ovulelor s-a perfec]ionat, elaborându-se metode de absorbire a nucleului cu ajutorul unei micropipete, sau de distrugere a nucleului cu ajutorul razelor X. Ca urmare experien]ele merogonice au fost efectuate la mai multe specii (ex. la triton, la amib\ [.a.), demonstrându-se capacitatea de transmitere a eredit\]ii prin citoplasm\.

- 95 -

8.2. EREDITATEA EXTRACROMOZOMAL| ~N HIBRID|RI {I ~NCRUCI{|RI RECIPROCE

A fost studiat\ pentru `nceput la plante, `n special la porumb, mu[chi, ciuperci, ulterior [i la animale. ~n mod normal, descenden]ii acelora[i p\rin]i, ale c\ror caractere sunt determinate genetic de factori cromozomali, sunt identici `n cazul hibrid\rilor, indifernt care dintre genitori va fi folosit ca mascul sau ca femel\, deoarece participarea genomurilor nucleare ale acestora este egal\. ~n cazul eredit\]ii extracromozomale `ns\, pus\ `n eviden]\ prin hibrid\ri reciproce, descenden]ii nu sunt identici. Astfel, dac\ doi genitori A [i B, sunt folosi]i la hibridare reciproc\, A x B [i B x A, descenden]ii rezulta]i din cele dou\ combina]ii sunt diferi]i fenotipic, fiind mai asem\n\tori formei materne. Aceste diferen]e se datoreaz\ eredit\]ii extracromozomale. Astfel, `n procesul de fecundare cei doi game]i con]in citoplasm\ `n cantit\]i diferite. Gametul matern are cu mult mai mult\ citoplasm\, decât gametul patern, deci [i mai multe organite citoplasmatice, purt\toare de material genetic. Acest fenomen de transmitere a unor caractere prin intermediul citoplasmei materne se nume[te matroclinie. Un exemplu `n acest sens `l constituie hibrizii reciproci `ntre specia calului (Equus caballus) [i specia asinului (Equus asinus), care se deosebesc net `ntre ei. Astfel din hibridarea unei iepe cu un asin rezult\ catârul (Equus mullus), iar prin hibridarea reciproc\ dintre o femel\ din specia asinului cu un arm\sar rezult\ bardoul (Equus hinnus). Specia calului are 2n = 64 de cromozomi [i cea a asinului are 62 de cromozomi. De[i ambele categorii de hibrizi au 63 de cromozomi, fenotipic se deosebesc mult `ntre ei. Astfel, dezvoltarea corporal\, culoarea, for]a de trac]iune, rezisten]a etc, sunt mult mai apropiate de a formei materne. Acela[i fenomen se remarc\ [i `n cazul `ncruci[\rii cailor grei cu caii mici sau cu poney, descenden]ii având greutatea corporal\ influen]at\ de greutatea corporal\ a mamei. ~n cre[terea animalelor, hibrid\rile reciproce fiind frecvente, este foarte important de stabilit tipul de `ncruci[are cel mai indicat, pentru a realiza maximizarea fenomenului de heterozis. Astfel, descenden]ii pot fi destul de diferi]i, `n func]ie de genitorul femel sau mascul utilizat la `ncruci[are. ~n cre[terea p\s\rilor [i a porcilor, toate aceste informa]ii sunt indispensabile, acestea fiind specii care se cresc aproape exculsiv sub form\ hibrid\. De exemplu, hibrizii rezulta]i din vier Landrace [i scroaf\ Marele alb sunt superiori ca vitalitate, energie de cre[tere, rezisten]\ etc, fa]\ de hibrizii reciproci rezulta]i din `ncruci[area vierului Marele alb cu scroaf\ Landrace. Existen]a acestor diferen]ieri `ntre hibrizii reciproci, pot fi explicate prin:

cantitatea mai mare de citoplasm\, deci [i de organite citoplasmatice, (`n special mitocondrii) purt\toare de material genetic, a ovulelor fa]\ de spermatozoizi care sunt aproape lipsi]i de citoplasm\;

la mamifere, organismul matern influen]eaz\ dezvoltarea hibridului, `n perioada vie]ii intrauterine, prin intermediul mediului intrauterin cu care vine `n contact, poten]ându-i astfel dezvoltarea.

8.3. ANDROSTERILITATEA

Reprezint\ un fenomen `ntâlnit la plante, androsterilitatea sau sterilitatea mascul\ reprezentând `nsu[irea unor plante de a nu produce polen sau de a produce polen steril. De regul\ acest fenomen apare la plantele alogame supuse consangviniz\rii sau hibrid\rii `ndep\rtate, fiind determinat\ de factori de natur\ nuclear\, de factori de natur\ citoplasmatic\ sau de ac]iunea combinat\ a celor dou\ categorii de factori, astfel c\ `n func]ie de factorul determinant poate fi de trei tipuri: nuclear\; citoplasmatic\ [i citoplasmatic\ - nuclear\. Cauzele androsterilit\]ii sunt date de unele anomalii cromozomale, de ac]iunea unor factori ereditari sau de unele `nsu[iri ale citoplasmei. Toate aceste categorii de cauze pot determina dezvoltarea asincron\ a game]ilor, incompatibilitatea dintre game]i, sau unele anomalii `n formarea game]ilor.

- 96 -

~ntrucât este un fenomen genetic important, având [i implica]ii practice deosebite, va fi redat\ `n continuare pe scurt, modul de ac]iune al acestor factori. Androsterilitatea nuclear\, este determinat\ de factori nucleari, (rf/rf) [i se comport\ `n general ca un caracter recesiv, dând na[tere la plante f\r\ polen. Acest tip de androsterilitate se transmite de indivizii heterozigo]i, (Rf/rf) sau homozigo]i recesivi, (rf/rf). Deoarece efectul factorului recesiv care o determin\ (rf), poate fi inhibat de factorul dominant (Rf), acest tip de androsterilitate nu prezint\ importan]\ practic\, nefiind utilizat\ la producerea de s\mân]\ hibrid\. Androsterilitatea citoplasmatic\, este determinat\ de factori citoplasmatici, (S) [i se comport\ ca un caracter dominant fa]\ de plantele care au aceea[i formul\ genotipic\ [i care con]in `n citoplasm\ factorul de fertilitate, (F). Ca urmare, prin polenizarea plantelor androsterile (S), cu polen de la plante fertile (F), `n F1 vor rezulta numai plante androsterile (S), deoarece citoplasma lor provine `n `ntergime din gametul femel. Sterilitatea mascul\ citoplasmatic, poate fi transmis\ prin `ncruci[\ri repetate de la un soi la altul, folosindu-se ca soi patern soiul care trebuie transformat. Cu toate avantajele sale, utilizarea practic\ a acestui tip este limitat\ [i de cunoa[terea incomplet\ a mecanismelor sale de determinare, folosindu-se doar la unele plante ornamentale cu `nflorire mai `ndelungat\ [i la unele plante la care se folosesc organele vegetative. Androsterilitatea citoplasmatic\ - nuclear\, este determinat\ de factori ereditari localiza]i atât `n citoplasm\ cât [i `n nucleu. Plantele care con]in ace[ti factori au posibilitatea de a manifesta atât fenomenul de androsterilitate, cât [i pe cel de restaurare al fertilit\]ii. Acest tip de androsterilitate, este determinat\ de factorul citoplasmatic (S), care se manifest\ doar `n prezen]a factorilor nucleari `n stare recesiv\, (rf/rf). Androsterilitatea citoplasmatc\ - nuclear\, se poate men]ine la descenden]i, având importan]\ practic\ `n crearea de linii consangvinizate androsterile, care s\ fie utilizate la `ncruci[are `n vederea producerii hibrizilor. Fenomenul este utilizat cu deosebit succes `n producerea semin]elor hibride de porumb, sorg etc. Spre exemplu, porumbul care se cultiv\ doar sub form\ hibrid\, s\mân]a necesar\ se ob]ine din linii consangvinizate care se seam\n\ alternativ, fiind necesar\ castrarea plantelor materne `nainte de `nflorire. Prin `ndep\rtarea inflorescen]ei mascule, forma matern\ va fi polenizat\ exclusiv cu polen de la genitorul patern, nu cu polen de la inflorescen]a mascul\ de pe aceea[i plant\. Castrarea plantelor este o opera]iune dificil\, solicitând for]\ de munc\ numeroas\, deci cu o influen]\ economic\ considerabil\. Folosirea ca genitor matern a unor linii cu plante androsterile (adic\ cu inflorescen]\ mascul\ steril\), elimin\ opera]ia de castrare, determinând o cre[tere a eficien]ei economice.

- 97 -

CAPITOLUL 9

EREDITATEA SEXULUI

Determinarea sexului la organismele superioare, adic\ factorii [i mecanismele biologice care asigur\ apari]ia unui organism mascul sau femel, a constituit una din cele mai interesante probleme `n biologie, având importan]\ teoretic\ [i practic\. Preocup\ri `n aceast\ problem\ sunt `nc\ din antichitate, astfel c\ num\rul teoriilor existente `n acest domeniu este multiplu. ~nc\ din antichitate, Aristotel de exemplu, considera c\ sexul este determinat de locul de unde provine materialul seminal, dac\ provine din testiculul drept va fi mascul, dac\ provine din cel stâng va fi femel\. Alte teorii ap\rute de-a lungul timpului, sus]ineau c\ sexul este influen]at de diferen]a de vârst\, de gradul de maturitate al ovulului `n momentul fecund\rii, de vigoarea sexual\ a animalelor, de tipul de metabolism al ovulului sau de modul de nutri]ie. Abia la `nceputul secolului, o dat\ cu aprofundarea mecanismelor fenomenului ereditar, s-a constatat c\ determinarea sexelor este de natur\ cromozomal\, dar nici ast\zi nu sunt clarificate toate aspectele acestei importante probleme.

9.1. CROMOZOMII SEXULUI

Primele informa]ii cu privire la rolul cromozomilor `n determinarea sexului au fost furnizate de citologul german H. von Henking `n 1891. El a descoperit c\ insectele din genul Pyrhocoris au dou\ tipuri de game]i, jum\tate care au ni[te forma]iuni nucleare deosebite pe care le-a denumit X, iar cealalt\ jum\tate din num\rul game]ilor nu posed\ structura nuclear\ respectiv\. Pe baza acestor constat\ri s-au f\cut unele referiri privitoare la diferen]ierea genetic\ a sexelor. ~n 1902, C. E. McClung pe baza observa]iilor citologice efectuate la diferite specii de l\custe, a descoperit c\ femelele au un cromozom suplimentar, care la masculi nu se g\se[te. Ulterior `n anul 1905, E. B. Wilson [i W. N. Stevens, experimentând pe diverse specii de insecte, au constatat c\ unul din cromozomii masculilor este mult mai mic decât cromozomul X de la femele, denumindu-l pe baza omologiei algebrice, cromozomul Y. Ace[ti cromozomi care sunt determinan]i ai sexului au fost denumi]i cromozomii sexului, heterocromozomi sau gonozomi, spre deosebire de restul cromozomilor care au fost denumi]i autozomi. Cromozomii sexului se g\sesc `n garnitur\ cromozomic\ diferit\, `n func]ie de sex. La unul din sexe sunt sub form\ de pereche XX sau ZZ, iar la cel\lalt sex complementul heterocromozomal este XY, XO, ZW sau ZO, fiind deci cazuri `n care lipse[te unul din heterocromozomi. Din acest punct de vedere, unul din sexe se comport\ asem\n\tor unui homozigot, formând un singur tip de game]i `n timpul diviziunii meiotice, `n fiecare gamet fiind distribuit câte un cromozom X sau Z, fiind denumit sex homogametic. Cel\lat sex, la care heterocromozomii sunt diferi]i sau lipse[te un heterocromozom, va produce dou\ tipuri de game]i `n meioz\ [i anume 50% din game]i vor primi un heterocromozom [i restul de

- 98 -

50% din game]i cele\lalt heterocromozom (sau nu vor avea heterocromozom), comportându-se astfel asem\n\tor unui heterozigot, fiind denumit sex heterogametic. Observa]iile statistice asupra repartiz\rii sexelor la diverse specii, eviden]iaz\ frecven]a egal\ a masculilor [i femelelor, (tabelul 6). Valorile raportului dintre sexe sunt `ntotdeauna foate apropiate de 1:1 sau de 50% pentru fiecare sex, oscilând pentru speciile [i popula]iile analizate, foarte pu]in `n jurul acestor valori.

Tabelul 6

Raportul sexelor la unele specii analizate, (dup\ Pipernea N. – 1977)

Specia Procentul de masculi fa]\ de num\rul total de na[teri

Num\rul aproximativ de na[teri studiate

Cabaline 49,7 49,7 48,7

1.111.908 62.002 34.497

Taurine 51,5 49,9 52,2

124.000 20.579 11.450

Ovine 49,0 49,5

127.587 91.640

Capre de Angora 50,1 3.000

Porcine 50,6 52,3

48.000 23.000

Câini 52,4 52,8

324.323 159.304

G\ini 49,4 50,8

102.143 23.273

Iepuri 51,1 - {obolan 51,2 - Cobai 49,4 2.014

Om 50,7 51,7

- -

Men]inerea unui raport egal `ntre cele dou\ sexe (sex-ratio), este rezultatul segreg\rii perechilor de heterocromozomi `n timpul diviziunii reduc]ionale, (fig. 52).

P Ε XX x Γ XY Game]i X X X Y

Ε Ε Γ Γ F1 XX XY

Ε Γ

1 : 1

Fig. 52. Mecanismul distribuirii heterocromozomilor `n game]i [i al form\rii celor dou\ sexe `n raport de 1:1.

Astfel, sex-ratio poate fi interpretat ca un fenomen genetic redus la schema mendelian\ de transmitere a caracterelor, pentru c\ `n procesul de reproduc]ie, cromozomii sexului se comport\ ca [i caracterele `ntr-o `ncruci[are de `ntoarcere, rezultând un raport de 1:1, adic\ 50% femele [i 50% masculi.

- 99 -

Cromozomii sexului prezint\ unele particularit\]i morfologice, structurale [i genetice fa]\ de autozomi, `n special cromozomul Y [i respectiv W, iar m\rimea [i morfologia lor variaz\ mult de la o specie la alta. ~n ceea ce prive[te m\rimea, cromozomul X este mult mai mare decât Y, putând fi chiar cel mai mare cromozom din cariotip `n cazul unor specii la care autozomii sunt numero[i [i mici, cum ar fi la speciile Bos taurus [i Canis familiaris. Ca morfologie, cromozomul X poate fi metacentric, submetacentric sau acrocentric. Se pare c\ m\rimea cromozomului X nu s-a schimbat prea mult `n cursul evolu]iei vertebratelor. Prin studii efectuate s-a constatat c\ la om, pisic\ [i iepure m\rimea cromozomului X variaz\ `ntre 0,8 - 1,1 microni, iar la câine, taur [i m\gar m\rimea este aproximativ aceea[i, (S. Ohno - 1969). ~n ceea ce prive[te cantitatea de ADN din cromozomul X, se apreciaz\ c\ la mamifere, specii la care cantitatea de ADN din nucleu este aproximativ egal\, `n cromozomul X se g\se[te circa 5% din cantitatea de ADN nuclear a speciei respective. La p\s\ri, care au circa 50% din cantitatea de ADN existent\ la mamifere, cromozomul Z (omologul cromozomului X), de]ine 10% din cantitatea total\ de ADN a genomului. Deci din punct de vedere al m\rimii [i cantit\]ii de ADN de]inute, cromozomul X de la mamifere [i Z de la p\s\ri, sunt aproximativ identici. Cromozomul Y la mamifere este mult mai mic decât cromozomul X, fiind complet sau par]ial heterocromatic. La cele mai multe specii, cromozomul Y este inert din punct de vedere genetic, iar dac\ de]ine gene active, acestea sunt `n num\r foarte mic [i nealele ale celor de pe cromozomul X. Cromozomul Y este necesar `n cazul unei specii, numai atunci când cromozomul X are nevoie de un partener de `mperechere pentru o segregare normal\ `n meioz\, sau când cromozomul Y de]ine gene esen]iale `n formarea sexului heterogametic, cum este cazul la mamifere.

Cromozomul Y are o mare for]\ de masculinizare. Un mic fragment din cromozomul Y, poate masculiniza fenotipul `n cazul mamiferelor, la fel ca un cromozom Y `ntreg. Cromozomul Y ac]ioneaz\ numai la nivelul testiculului [i numai prin acesta, fapt dovedit prin extirp\ri experimentale ale testiculului imediat dup\ formare, rezultând un fenotip sexualizat dup\ tipul feminin. La mamifere, apari]ia sexului mascul este condi]ionat\ obligatoriu de cuplul heterocromozomal XY. ~n prezen]a cromozomului Y, indiferent de num\rul cromozomilor X se organizeaz\ ]esut testicular. ~n schimb, al\turi de garnitura autozomal\, prezen]a chiar a unui singur cromozom X, garanteaz\ apari]ia fenotipului femel. Dar pentru asigurarea procesului normal de sexualizare feminin (gonadogeneza [i gametogeneza), este obligatorie prezen]a ambilor cromozomi X. A[adar genele de pe un singur cromozom X, nu sunt suficiente pentru a forma ovarul. La majoritatea speciilor evoluate, indivizii care prezint\ ambii heterocromozomi YY, nu sunt viabili. Perechea de cromozomi XX sau ZZ, se comport\ `n timpul meiozei ca orice pereche de autozomi, conjugându-se longitudinal [i formând perechi de bivalen]i `ntre care poate avea loc fenomenul de crossing-over. Perechea de cromozomi XY sau ZW, la cele mai multe specii nu se conjug\ `n profaza meiozei (sau se conjug\ cap la cap), iar `ntre ace[tia nu are loc fenomenul de crossing-over. Aceasta denot\ c\ `ntre cromozomii X [i Y (respectiv [i `ntre Z [i W), nu sunt segmente omoloage. Heterocromozomii se coloreaz\ mai intens pe parcursul diviziunii celulare, fenomen denumit heteropicnoz\. La unele specii (exemplu la Drosophila [i om), cromozomii sexului sunt asocia]i cu nucleolul, având forma]iuni denumite organizator nucleolar. Studiul comparativ al determin\rii sexului la vertebrate, a oferit date interesante privitor la apari]ia [i evolu]ia cromozomilor sexului. La vertebratele inferioare exist\ o omologie aproape perfect\ `ntre cromozomii X [i Y, care con]in acelea[i perechi de gene. La pe[ti care sunt vertebratele cel mai pu]in evoluate, nu s-a putut pune `n eviden]\ citologic cromozomii sexului, de[i transmiterea ereditar\ a unor caractere legate de sex este prezent\. Aceasta arat\ c\ la pe[ti, cromozomii sexului sunt la limita inferioar\ a diferen]ierii [i specializ\rii, cromozomii X [i Y fiind `n mare m\sur\ omologi. La pe[ti ca [i la alte vertebrate inferioare, determinarea sexului se realizeaz\ cu ajutorul uneia sau mai multor perechi de gene.

- 100 -

Aceste analize au relevat faptul c\ heterocromozomii sunt rezultatul unui proces de evolu]ie a unei perechi de autozomi. Procesul de transformare a unei perechi de autozomi `n cromozomi ai sexului nu este cunoscut, fiind men]ionate ca posibile fenomene implicate: manifestarea unor abera]ii cromozomale; existen]a unor inversiuni de segmente cromozomale; pierderea unor por]iuni din cromozom (`n cazul cromozomului Y); transloca]iile cromozomale sau crossing-overul nereciproc, `ntâmpl\tor. Tipul specific de heterocromozom `n game]i, creaz\ posibilitatea deosebirii uneori a spermatozoizilor purt\tori ai cromozomului X, de cei care de]in cromozomul Y. La mamiferele superioare, deoarece cromozomul Y este mult mai mic decât cromozomul X, influen]eaz\ [i m\rimea spermatozoizilor. Astfel, spermatozoizii care posed\ cromozomul Y, sunt mai mici, au capul rotund [i se numesc androspermatozoizi. Spermatozoizii cu cromozomul X, sunt mai mari, cu capul alungit [i se numesc ginospermatozoizi.

9.2. CROMATINA SEXUAL|

La mamifere, `n cazul sexului femel sunt prezen]i doi cromozomi X, care ar putea asigura diferen]ieri cantitative `n privin]a produselor generate de cromozomul X, fa]\ de sexul mascul. Totu[i aceste diferen]ieri `ntre sexul mascul [i femel nu exist\, pe parcursul evolu]iei dezvoltându-se un mecanism care asigur\ un dozaj genetic egal [i constant la cele dou\ sexe. Acest mecanism const\ `n inactivarea unui cromozom X la femele, r\mânând doar un singur cromozom X activ. Cromozomul X inactiv este condensat, devenind inert genic, el formând cromatina sexual\ sau cromatina X. Existen]a unor forma]iuni de cromatin\ condensat\, a fost remarcat\ `nc\ din anul 1910 de R. Cajal, `n nucleii celulelor nervoase de la câine, pisic\ [i om. ~n 1925 Wilson, denume[te forma]iunile de cromatin\ observate de Cajal cromatin\ sexual\. ~n 1949 a fost studiat\ de Barr [i Bertram `n neuronii motori de la pisic\, denumindu-o de asemenea - cromatin\ sexual\ sau cromatina Barr. Stabilirea substratului cromozomal al acesteia se datoreaz\ studiilor intense ale cercet\toarei Mary Lyon `n anii 1961 - 1962, care a fundamentat principiile form\rii cromatinei sexuale. ~n general cromatina sexual\ apare sub forma unui corpuscul intens colorat, de form\ convex\, concav\, triunghiular\, de clopot sau semilun\, situat\ ata[at de partea interioar\ a membranei nucleare. M\rimea granulelor de cromatin\ nuclear\ variaz\ `ntre 0,5 - 1,2 microni (`n medie 1 micron). La mamifere poate fi pus\ `n eviden]\ aproape `n toate celulele corpului, mai u[or fiind eviden]iat\ din celulele musculare, din epiderm\, din mucoasa bucal\ [i vaginal\, din r\d\cina firului de p\r. Structura cromatinei nucleare este identic\ cu a cromozomului X din care provine, aceasta putând fi de origine matern\ sau de origine patern\. Prezen]a cromatinei sexuale este corelat\ cu sexul femel, ace[ti corpusculi fiind identifica]i `n 55 - 75% din celulele diverselor ]esuturi. ~ntr-o celul\ normal\ diploid\ la femele, cromatina sexual\ se g\se[te sub forma unei singure granule, iar la masculi lipse[te. Prezen]a mai multor granule `ntr-o celul\ denot\ existen]a unor abera]ii cromozomale. Num\rul corpusculilor de cromatin\ sexual\, se poate stabili dup\ rela]ia:

B = X - 2P

;

`n care: B = num\rul corpusculilor de cromatin\ sexual\; X = num\rul de cromozomi X [i P = gradul de poliploidie al nucleului.

Num\rul corpusculilor de cromtin\ sexual\, variaz\ `n func]ie de sex [i de cazul unor anomalii `n determinismul sexului, dup\ cum rezult\ din tabelul 7. Testele de eviden]iere a cromatinei sexuale sunt facile, fiind utilizate `n practica medical\ curent\, pentru depistarea rapid\ [i facil\ a sexului femel [i eviden]ierea unor eventuale anomalii cromozomale. ~n cazul unor tumori, se eviden]iaz\ abera]ii de form\ [i

- 101 -

num\r a cromatinei nucleare. ~n practica medico-legal\ (`n special `n criminalistic\), s-a reu[it stabilirea sexului nuclear al celulelor aflate pe diferite obiecte, sau din petele de sânge. La p\s\ri, s-a remarcat c\ acest mecanism de dozaj genic prin inactivarea unui heterocromozom, nu ac]ioneaz\ la masculi, care este sexul homogametic (ZZ). Astfel, `n cazul desenului barat, (culoarea porumbac\) la rasa Plymouth - Roch, culoare determinat\ de o gen\ dominant\ B, la masculii homozigo]i pe aceast\ gen\ (ZB ZB), benzile de culoare alb\ sunt duble fa]\ de coco[ii heterozigo]i. (ZB Zb).

Tabelul 7

Num\rul corpusculilor de cromatin\ sexual\, `n func]ie de sex [i de unele anomalii `n determinarea sexului

Nr. crt. Cromozomii sexului Fenotipul Num\rul corpusculilor

de cromatin\ sexual\ 1 XX Femel normal 1 2 XY Mascul normal 0

3 XO

(monosomie) Sindromul Turner 0

4 XXX

(trisomie) Sindromul de superfemele

2

5 XXXX Idem 3 6 XXY; XXXY Sindromul Klinfelter 1; 2

9.3. TIPURI DE DETERMINARE A SEXULUI

Datorit\ prezen]ei cromozomilor sexuali `n perechi homozigote sau heterozigote, la diferite specii se `ntâlnesc mai multe tipuri de determinare a sexului, (tabelul 8). Tipul Drosophila, este cel mai r\spândit tip de determinism a sexului, fiind caracteristic tutror tipurilor de mamifere, precum [i unor specii de insecte. La acest tip sexul femel este homogametic, având `n cariotip pe lâng\ setul de autozomi (2A), doi cromozomi ai sexului identici (XX), iar sexul mascul este heterogametic, (2A + XY). Subtipul Lygaeus, denumirea deriv\ de la hemiptera Lygaeus bicrucis, dar fiind studiat mai mult la Drosophila melanogaster. Acest subtip este caracteristic tuturor mamiferelor, inclusiv omului, multor specii de nevertebrate [i chiar la plante. ~n cazul acestui subtip, femelele produc un singur tip de ovule ce con]in pe lâng\ complementul autozomal [i câte un cromozom X, iar masculii produc dou\ tipuri de spermatozoizi, jum\tate cu cromozomul X [i jum\tate cu cromozomul Y. ~n procesul de fecundare apar dou\ posibilit\]i de unire a game]ilor; - ovule cu X, cu spermatozoizi cu Y, zigo]ii XY fiind masculi; - ovule cu X, cu spermatozoizi cu X, zigo]ii XX fiind femele. ~n acest mod se asigur\ o reparti]ie egal\ a celor dou\ sexe, (1:1). Subtipul Protenor, denumit astfel dup\ numele insectei Protenor bleifragei, la care a fost descoperit de Wilson. Femelele sunt de asemenea homogametice (XX), iar masculii heterogametici (XO), la ace[tia lipsind cromozomul Y. Reparti]ia heterocromozomilor `n game]i este identic\ ca la subtipul Lygaeus, doar c\ `n cazul masculilor spermatozoizii forma]i, jum\tate vor avea heterocromozomul X, iar cealalt\ jum\tate vor avea doar autozomii, (A + O). Din unirea probabilistic\ a game]ilor masculi [i femeli, se asigur\ un raport egal `ntre sexe. Subtipul Protenor este mai pu]in r\spândit `n natur\, fiind `ntâlnit la unele specii de insecte [i nematode. Tipul Abraxas, a fost observat pentru prima dat\ de L. Doncaster (1906), la fluturele Abraxas grossulariata. ~n cadrul acestui tip, cromozomii sexului poart\ denumirea de Z [i W, fiind echivalen]ii cromzomului X [i respectiv Y. La acest tip femela este heterogametic\ (ZW sau ZO) [i masculul este homogametic (ZZ), fiind un mecansim de determinare al sexului opus tipului Drosophila. Are dou\ subtipuri, subtipul pas\re [i fluture. Subtipul pas\re, este `ntâlnit la unele nevertebrate, la unii amfibieni, la unele reptile [i la p\s\ri. Femelele sunt heterogametice (ZW), iar masculii sunt homogametici (ZZ). Mecanismul de reparti]ie al heterocromozomilor `n game]i, este inversat `ntre masculi [i femele fa]\ de subtipul Lygaeus, permi]ând men]inerea raportului de 1:1 `ntre sexe.

-

10

2 -

Tab

elul

8

T

IPU

RI

DE

DE

TE

RM

INA

RE

A S

EX

UL

UI

33

Cro

mo

zom

ii d

in c

elu

lele

so

mat

ice

(2n

) C

rom

ozo

mii

din

gam

e]ii

(n)

Tip

ul [

i su

bti

pu

l de

det

erm

inar

e C

rom

ozo

mii

din

cel

ule

le

som

atic

e (2

n)

Cro

mo

zom

ii d

in g

ame]

i (n

)

Tip

ul

Su

bti

pu

l F

emel

e M

ascu

li F

emel

e M

ascu

li

Lyg

aeu

s 2

A +

XX

2

A +

XY

A

+ X

A

+ X

A

+ X

A

+ Y

Dro

sop

hyl

a P

rote

no

r 2

A +

XX

2

A +

XO

A

+ X

A

+ X

A

+ X

A

+ O

Pas

\re

2A

+ Z

W

2A

+ Z

Z

A +

Z

A +

W

A +

W

A +

Z

A

bra

xas

Flu

ture

2

A +

ZO

2

A +

ZZ

A

+ Z

A

+ O

A

+ Z

A

+ Z

Hap

loid

ie m

ascu

l\

2n

n

n

n

n

n

Go

no

zom

i mu

ltip

lii

2n

+ X

1X

1X

2X

2

2n

+ X

1Y

1X

2Y

2

n +

X1X

2

n +

X1X

2

n+

X1X

2

n +

Y1Y

2

- 103 -

Subtipul fluture, se caracterizeaz\ prin aceea c\ sexul femel este heterogametic (ZO), [i produce game]i A + Z [i A + O. Sexul mascul este homogametic (ZZ), iar game]ii rezulta]i sunt de un singur tip A + Z. Subtipul fluture este inversul subtipului Protenor, fiind eviden]iat la unele specii de fluturi [i nevertebrate. Tipul de haploidie mascul\, este un tip particular de determinism al sexului, fiind `ntâlnit la albine [i viespi. La aceste specii sexul nu este determinat de existen]a cromozomilor sexului, ci de num\rul seturilor de cromozomi. Astfel femelele au un set diploid de cromozomi (2n) [i provin din ovule fecundate, iar masculii sunt haploizi (n) [i provin din ovule nefecundate. Fenomenul prin care se dezvolt\ organisme normale din ovule nefecundate se nume[te partenogenez\. La albine spre exemplu, matca [i albinele lucr\toare au o garnitur\ diploid\ de cromozomi (2n = 32), iar trântorii sunt haploizi (n = 16 cromozomi), ace[tia dezvoltându-se din ou\ nefecundate, prin fenomenul de partenogenez\. Determinarea sexului de cromozomi ai sexului multiplii, este `ntâlnit la unele specii de roz\toare (ex. [oarecele de câmp), de marsupiale, precum [i la unele specii de plante. Se caracterizeaz\ prin prezen]a mai multor cromozomi X care se noteaz\ X1, X2, X3, etc. [i a mai multor cromozomi Y, respectiv Y1, Y2, Y3, etc. Se pare c\ existen]a gonozomilor multiplii, se datoreaz\ unor duplica]ii succesive ale unor cromozomi ini]ial existen]i. Determinarea sexului de gene sexuale. La unele specii de plante [i animale nu exist\ cromozomi ai sexului specializa]i, care s\ poat\ fi identifica]i morfologic la microscop. La astfel de specii, determinarea sexelor se realizeaz\ prin ac]iunea uneia sau mai multor perechi de gene, care se g\sesc pe unii cromozomi care poart\ denumirea de cromozomi ai sexului, fiind nediferen]ia]i citologic de restul cromozomilor sau pot fi plasate `n to]i cromozomii care compun garnitura cromozomal\ a speciei respective. C. M. Rick [i G. C. Hauna (1943), prin experiment\ri la plantele din genul Asparagus, au descoperit c\ sexele la aceast\ specie de plante, sunt controlate de o singur\ pereche de gene (Pp), din care gena pentru masculinizare este dominant\. A[a se explic\ apari]ia `n F2, a unei segreg\ri mendeliene `n propor]ie de de 3:1. La porumb, specie ce are 2n = 20 de cromozomi, nu pot fi identifica]i heterozomii. La aceast\ plant\, exist\ gene specializate `n determinarea sexului plasate pe to]i cei 10 cromozomi ai complementului [i care influen]eaz\ formarea inflorescen]elor mascule [i femele, raportul dintre sexe, fertilitatea florilor etc. La animalelele vertebrate inferioare, cum sunt pe[tii [i amfibienii, heterozomii nu sunt de regul\ diferen]ia]i morfologic [i nu pot fi identifica]i citologic. Determinarea sexelor se realizeaz\ cu ajutorul uneia sau mai multor perechi de gene plasate pe autozomi. Din aceast\ cauz\ sexele prezint\ o stabilitate relativ\, ele putând fi influen]ate de vârsta indivizilor, prezen]a unor hormoni, anotimp, temperatur\ etc. ~n determinarea genetic\ a sexelor la albine, pe lâng\ existen]a st\rii diploide sau haploide ca baz\ cromozomal\ `n apari]ia sexului femel sau mascul, intervin [i o serie de gene alele aflate pe unul din cromozomi, care poart\ denumirea de cromozom sexual, (cromozom X). Se remarc\ astfel, c\ la albine nu exist\ o diferen]iere a cromozomilor sexului, ei fiind identici cu restul garniturii cromozomale, fenomen caracteristic `n general organismelor inferioare. ~n aceste condi]ii diferen]ierea sexelor la albine, apare [i sub influen]a unor alele sexuale multiple, notate Xa; Xb; Xc; Xd; Xe.....etc, situate pe cromozomii sexului, nediferen]ia]i citologic. Prezen]a `n stare homozigot\ sau heterozigot\ a alelelor sexuale, condi]ioneaz\ aparti]ia sexului mascul sau femel dup\ cum urmeaz\, (fig. 53):

dac\ se realizeaz\ starea de heterozigo]ie a alelelor sexuale (XaXb; XaXc; XaXd....etc), vor rezulta organisme femele diploide, (albine lucr\toare);

dac\ se manifest\ fenomenul de partenogenez\, vor rezulta organisme mascule haploide viabile, (trântori);

- 104 -

`n cazul st\rii de homozigo]ie pentru una din alele sexuale (XaXa; XbXb; XcXc.... etc), vor rezulta masculi, (trântori) diploizi, dar care `nc\ din stadiul larvar sunt elimina]i, (devora]i) de albinele lucr\toare.

Trântor Matc\ Trântor (n = 16) (2n = 32) (n = 16) Game]i Femel\ Femel\ Mascul Mascul Femel\ Mascul diploid diploid\ diploid\ partenogenetic partenogenetic diploid\ neviabil heterozigot\ heterozigot\ haploid normal haploid normal heterozigot\

Fig. 53. Schema de transmitere a alelelor sexuale la albin\, cu formarea organismelor mascule [i femele `n descenden]\, (adaptat dup\ Prost – 1987).

Trântorii homozigo]i diploizi sunt devora]i de albinele lucr\toare din stup `nc\ din stadiul larvar, datorit\ producerii de c\tre aceste larve a unui hormon canibalic, pe care lucr\toarele `l percep imediat ce tân\ra larv\ iese din ou, incitând lucr\toarele la devorarea lor. ~ntr-o colonie obi[nuit\, indivizii diplozi homozigo]i nu ating niciodat\ maturitatea.

9.4. EREDITATEA CARACTERELOR LEGATE DE SEX (SEX -

LINKAGE) Cromozomii sexuali, con]in pe lâng\ genele care condi]ioneaz\ formarea sexului [i o serie de gene care nu sunt implicate `n diferen]ierea sexului, dar determin\ o serie de caractere care sunt “legate” sau “`nl\n]uite” cu sexul, determinând manifestarea fenomenului de sex - likage. Caracterele sex – linkate se transmit prin intermediul cromozomului X ce de]ine astfel de gene, iar de[i acestea se transmit atât prin intermediul game]ilor femeli [i masculi purt\tori ai cromozomului X, se manifest\ de preferin]\ la unul din sexe. Caracteristicile transmiterii acestor caractere, sunt diferite de cele determinate de genele autozomale [i la care prin `ncruci[\ri, indivizii din F1 manifest\ fenomenul de dominan]\, iar `n F2 are loc segregarea ap\rând ambele caractere. ~n cazul caracterelor legate de sex, uniformitatea sau neuniformitatea indivizilor, apare atât `n prima genera]ie, cât [i `n genera]iile urm\toare, `n func]ie de modul de transmitere al sexului. ~n general caracteristicile transmiterii acestor caractere sunt:

se transmit atât prin intermediul game]ilor masculi cât [i femeli, numai prin intermediul cromozomului X (Z la tipul Abraxas), de la sexul homogametic `n ascenden]\, la ambele sexe `n descenden]\, iar de la sexul heterogametic `n ascenden]\, numai la sexul homogametic `n descenden]\;

se manifest\ de preferin]\ doar la unul din sexe [i anume la sexul heterogametic, datorit\ fenomenului de hemizigo]ie. Acest fenomen reprezint\ determinarea unui caracter sex - linkat, doar de o singur\ gen\ situat\ pe cromozomul X, deoarece cromozomul omolog Y, nu de]ine gene alele ale celor de pe cromozomul X.

- 105 -

Ereditatea caracterelor legate de sex se manifest\ diferit, dup\ modul specific de determinare al sexului, respectiv la tipul Drosophila sau la tipul Abraxas.

9.4.1. EREDITATEA CARACTERELOR LEGATE DE SEX LA TIPUL DROSOPHILA

Acest tip de ereditate a fost observat [i explicat de Morgan, `nc\ din anul 1909 [i se refer\ la speciile la care sexul femel este homogametic [i sexul mascul heterogametic. La Drosophila melanogaster sunt cunoscute 141 de gene, care se transmit prin intermediul cromozomului X, determinând caractere cum ar fi: caracteristici ale ochiului (alb, carmin, purpuriu, romboid, bar etc), ale culorii corpului (galben, argintiu, cenu[iu), ale formei [i m\rimii aripilor (vestigiale sau scurte, normale sau largi etc), acestea urmând segregarea cromozomului X. Cromozomul Y este de natur\ heterocromatic\, nefiind purt\tor de gene alele ale celor de pe cromozomul X. Schema general\ de transmitere a genelor sex - linkate (gene localizate pe cromozomul X), este prezentat\ `n figura 54, cu litere mari fiind prezentate genele dominante, iar cu litere mici genele recesive. Schema prezentat\, reprezint\ generalizarea rezultatelor ob]inute `n transmiterea caracterelor sex – linkate la Drosophila melanogaster [i constituie modelul general valabil de manifestare a fenomenului de sex - linkage, la tipul Drosophila de determinism al sexului.

P F1 F2

A B

Fig. 54. Schema general\ de transmitere ereditar\ a caracterelor `nl\n]uite cu sexul.

~ncruci[area `ntre femele homozigot dominante (XAXA), cu masculi recesivi (XaY), (fig. 82A), va determina `n F1 apari]ia de femele heterozigote care manifest\ fenotipul dominant (XAXa) [i de masculi cu fenotipul dominant (XAY). Dac\ se `ncruci[eaz\ femelele heterozigote (XAXa), cu masculi recesivi (XaY), atunci vor rezulta 25% femele heterozigote (XAXa), 25% femele homozigot recesive (XaXa), 25% masculi dominan]i (XAY), [i 25% masculi recesivi (XaY). ~n cazul `ncruci[\rii femelelor homozigot recesive (XaXa), cu masculi dominan]i (XAY), (fig. 82 B), are loc o transmitere caracteristic\ a acestor gene [i respectiv caractere, deoarece `n F1 acestea se inverseaz\ cu sexul, trecând de la femel\ la mascul [i de la mascul la femel\. Astfel descenden]a femel\ din F1 va fi heterozigot\ (XAXa), manifestând fenotipul dominant al tat\lui, iar masculii vor avea genotipul XaY, manifestând fenotipul recesiv al mamei. Modul de transmitere a caracterelor sex-linkate, de la mam\ la fii [i de la tat\ la fiice se nume[te mo[tenire `n cruci[ sau criss-cross. Acest comportament `n transmiterea caracterelor sex-linkate, are o deosebit\ semnifica]ie `n transmiterea unor boli ereditare `nl\n]uite cu sexul, care sunt binecunoscute

- 106 -

la om, iar unele din acestea se pot manifesta [i la animale. Astfel din acest\ categorie fac parte o serie de boli cum ar fi: hemofilia; daltonismul (care se manifest\ la 5 - 9% din b\rba]i [i 0,5% din femei); unele forme de miopie; stenoza mitral\; surzenia congenital\; atrofia muscular\ etc. Aceste boli sunt determinate de gene recesive, ap\rute ca rezultat al muta]iilor, gene care odat\ ap\rute `n genotipul masculilor, se vor manifesta datorit\ fenomenului de hemizigo]ie. ~n cazul femelelor, pentru a-[i manifesta efectul gena trebuie s\ fie `n stare homozigot\, situa]ii care sunt mai rare. De aceea de cele mai multe ori femelele sunt doar purt\toare ale acestor gene, iar masculii manifest\ boala. Spre exemplu hemofilia, care se `ntâlne[te la om dar [i la câine, este determinat\ de o gen\ sex-linkat\ recesiv\ h, care determin\ absen]a unor factori antihemofilici din sânge, cu rol esen]ial `n transformarea protrombinei `n trombin\. Datorit\ acestui fapt, coagularea sângelui se prelunge[te excesiv de mult, iar `n cazul celor mai mici leziuni se pot produce hemoragii foarte grave. Modul de transmitere [i de manifestare al hemofiliei este diferit, `n func]ie de categoriile de indivizi care particip\ la formarea genera]iei filiale (femele purt\toare, s\n\toase sau care manifest\ boala, masculi bolnavi sau s\n\to[i) [i `n func]ie de sexul la care este prezent\ gena recesiv\ h, posibilit\]ile existente fiind redate `n figura 55.

Fig. 55. Transmiterea ereditar\ a hemofiliei. Genotipurile au urm\toarea semnifica]ie: XX – femele s\n\toase; XhX – femele purt\toare; XhXh- femele care manifest\ boala; XY – masculi s\n\to[i; XhY– masculi bolnavi.

9.4.2. EREDITATEA CARACTERELOR LEGATE DE SEX

LA TIPUL ABRAXAS Tipul de determinare al sexului Abraxas, cuprinde speciile la care sexul femel este heterogametic [i sexul mascul homogametic, interesând `n mod deosebit transmiterea unor caractere la p\s\ri, la care femelele de]in heterozomii ZW iar masulii doi heterozomi identici ZZ. Particularit\]ile de transmitere a caracterelor sex-linkate la tipul Abraxas, sunt identice cu cele definite `n cazul tipului Drosophila, `n cadrul tipului Abraxas cromozomul Z fiind purt\torul acestor gene, iar cromozomul W nu de]ine alele ale genelor dispuse `n cromozomul Z. La p\s\ri, prin intermediul cromozomilor sexului se transmit o serie de caractere [i `nsu[iri care prezint\ importan]\ economic\, cum ar fi:

- 107 -

anomalii ereditare cauzate de gene heterozomale; ereditatea unor culori, determinate de gene heterozomale; viteza de `mbr\care cu penaj; piticismul heterozomal.

Anomalii ereditare cauzate de gene heterozomale. Toate anomaliile determinate de gene heterozomale sunt recesive, manifestându-se cu o frecven]\ mult mai mare la femele, fa]\ de masculi, deoarece acestea sunt heterogametice (ZW), iar prezen]a genei `n doz\ simpl\ este suficient\ pentru exteriorizarea ei `n fenotip, (fenomenul de hemizigo]ie).

Dintre anomaliile ereditare cauzate de gene heterozomale amintim: lipsa aripilor; degenerarea cerebral\; necroza ficatului; nuditatea legat\ de sex; letalitatea legat\ de sex; restric]ionarea ovula]iei; paroxismul; tulbur\ri legate de sex; tremuratul continuu, etc.

Ereditatea unor culori [i a vitezei de `mbr\care cu penaj determinate de gene heterozomale. Cele dou\ categorii de caractere sex-linkate, sunt utilizate `n practica cre[terii p\s\rilor, `n vederea cre\rii de linii de p\s\ri autosexabile.

~n avicultur\, pentru ob]inerea ou\lor de consum sau de reproduc]ie, se re]in pentru cre[tere doar puicu]ele coco[eii fiind elimina]i. Aceasta presupune sexarea puilor de o zi, opera]iune dificil\ [i costisitoare. Având `n vedere transmiterea unor culori [i a vitezei de `mbr\care cu penaj prin intermediul heterocromozomului Z, s-au format linii de p\s\ri autosexabile, la care femelele se deosebesc de masculi pe baza unor caractere de exterior `nc\ de la vârsta de o zi. Autosexarea, apare ca o consecin]\ a mecanismului ereditar de `nl\n]uire cu sexul, al unor caractere de exterior. Conform acestui mecanism, la un anumit locus de pe cromozomii sexului femelele hemizigote (cu heterocromozomii ZW - la p\s\ri), primesc singura gen\ ce o posed\ prin intermediul cromozomului Z de la tat\ [i o vor transmite fiilor, iar masculii primesc câte o gen\ (tot prin intermediul cromozomului Z), de la fiecare p\rinte [i transmit câte una atât fiilor, cât [i fiicelor. Având `n vedere, un caracter controlat de gene plasate pe cromozomii sexului, dac\ tat\l manifest\ fenotipul recesiv [i mama fenotipul dominant, se creeaz\ premiza diferen]ierii fenotipice a descenden]ilor, chiar de la ecloziune. ~n acest sens rasa Plymouth Rock barat, este autosexabil\ `n mod “natural”. Prezen]a la masculi a genei “B”, (care determin\ culoarea barat\ sau porumbac\), `n doz\ dubl\, le confer\ acestora un puf mai deschis la culoare decât al femelelor, `n plus ace[tia au [i o pat\ de culoare deschis\ pe cap, mai clar delimitat\ decât a femelelor. ~n vederea cre\rii de linii autosexabile pentru hibrizii colora]i, cei mai utiliza]i loci, sunt cel care controleaz\ penajul barat sau nebarat [i cel ce controleaz\ penajul argintiu sau auriu. ~n cazul locusului pentru culoarea barat\ sau nebarat\ a penajului, o `ncruci[are tipic\ este `ntre masculi din rasa Cornish, având culoarea alb\ recesiv\, (Zb+ Zb+) [i femele din rasa Plymouth Rock de culoare barat\ dominant\, (ZBW), (fig. 56). Descende]a femel\ va prezenta o pat\ de culoare mai deschis\ pe puful de pe cap, iar masculii nu vor prezenta aceast\ pat\ la ecloziune.

P Γ Zb+Zb+ x ZBW Ε alb uniform culoare barat\

F1 Γ ZBZb+ Zb+W Ε culoare barat\ culorat uniform (puf cu pat\ pe cap) (puf f\r\ pat\)

Fig. 56. Schema de `ncruci[are pentru autosexarea hibrizilor, prin fenotip barat sau nebarat.

- 108 -

Pentru locusul care controleaz\ culoarea aurie sau argintie, (silver sau golden) a penajului, o `ncruci[are tipic\ este `ntre masculi Rhode Island de culoare ro[ie recesiv\, (Zs+ Zs+) [i femele din rasa Leghorn de culoare alb\ dominant\, (ZSW), (fig. 57). La ecloziune diferen]ierea sexelor se face u[or, pe baza culorii pufului.

P Γ Zs+Zs+ x ZSW Ε auriu (golden) argintiu (silver)

F1 Γ ZSZs+ Zs+W Ε culoare argintie culoare aurie

Fig. 57. Schema de `ncruci[are pentru autosexarea hibrizilor, prin fenotip auriu sau argintiu, (silver sau golden).

Pentru hibrizii care se prefer\ s\ aib\ penaj alb, autosexarea se poate realiza pe baza unei gene heterozomale, care controleaz\ viteza de `mbr\care cu penaj. Viteza de `mbr\care `nceat\ cu penaj este dat\ de o gen\ dominant\ (K), iar viteza de `mbr\care rapid\ cu penaj de o alel\ a acesteia care este recesiv\, (k+). Din `ncruci[area masculilor recesivi pentru viteza de `mbr\care cu penaj (zk+ zk+), cu femelele dominante (ZKW), (fig. 86), se creaz\ premiza diferen]ierii celor dou\ sexe dup\ dezvoltarea remigelor primare, `nc\ de la vârsta de 1 zi.

P Γ Zk+Zk+ x ZKW Ε `mbr\care rapid\ `mbr\care `nceat\

F1 Γ ZBZb+ Zb+W Ε `mbr\care `nceat\ `mbr\care rapid\

Fig. 57. Schema de `ncruci[are pentru autosexare, prin viteza de `mbr\care cu penaj

Prima ras\ autosexabil\ a fost creat\ de Punett `n 1920, pe baza culorii barate a penajului. Fiind ob]inut\ la Cambridge, a fost denumit\ Cambar. Ulterior s-au ob]inut mai multe asemenea rase sintetice, dar care nu s-au impus economic, cum ar fi: Legbar (Punett - 1940); Oklabar (Jaap - 1940); Ancobar (Lamoreaux - 1941); Dorbar, Wybar (Pease - 1941) [.a. Denumirea lor sugereaz\ locii utiliza]i `n vederea autosex\rii.

Piticismul heterozomal. Este determinat de o gen\ recesiv\ “dw”, care dac\ este prezent\ `n genotipul g\inilor (ZdwW), se manifest\ ca atare, datorit\ fenomenului de hemizigo]ie. Pentru a manifesta piticismul, masculii trebuie s\ posede gena `n stare homozigot\, (Zdw Zdw). La noi `n ]ar\ s-a reu[it transferul unei gene “dw” de la rasa New-Hampshine la care a ap\rut, la rasa Plymouth-Rock care este utilizat\ ca ras\ matern\ `n producerea hibridului de carne “Robro-70”. S-a ob]inut astfel linia de g\ini “Mini - Mas - Rok”, cu o greutate mai mic\ decât a rasei de baz\, dar cu acela[i nivel al produc]iei de ou\, ceea ce `i confer\ avantaje economice substan]iale.

- 109 -

9.4.3. EREDITATEA LEGAT| DE CROMOZOMUL Y (EREDITATEA HOLANDRIC|)

Acest mod de transmitere ereditar\ a caracterelor, se realizeaz\ prin intermediul unor gene situate exclusiv pe cromozomul Y. Astfel de gene, situate pe cromozomul Y, se transmit numai pe linie mascul\ [i se manifest\ exclusiv la masculi. La pe[tele de acvariu Lebistes reticulatus, la care determinarea sexului este de tip Drosophila (femelele XX [i masculii XY), unele culori se transmit numai la indivizii de sex mascul, prin intermediul unor gene plasate pe cromozomul Y. }inând cont de mecanismul eredit\]ii holandrice, s-a reu[it inducerea acestui fenomen la viermele de m\tase (Bombyx mori). Luându-se `n considerare c\ larvele mascule produc gogo[i de m\tase mai mari [i respectiv m\tase mai mult\, comparativ cu larvele femele, s-a pus problema cre\rii posibilit\]ii de a separa cele dou\ sexe `nc\ din stadiul de ou. Prin experien]e laborioase de iradiere, japonezul Tazima a reu[it translocarea unui segment autozomal ce poart\ o gen\ pentru culoarea neagr\ a oului, pe cromozomul W. Deoarece sexul femel este heterogametic (ZW), din ou\le de culoare neagr\ vor rezulta femele, iar masculii fiind homogametici (ZZ), pigmenta]ia ou\lor `n cadrul acestui sex va fi alb\. Astfel separarea ou\lor pe culori (respectiv pe sexe) se face u[or, fiind crescu]i cu predilec]ie masculii, situa]ie `n care produc]ia de m\tase cre[te cu circa 30%. ~n acest caz de ereditate holandric\, gena responsabil\ de culoarea neagr\ a ou\lor, se transmite pe linie femel\, deoarece femelele sunt heterogametice (ZW), iar aceast\ gen\ se manifest\ exclusiv la femele. La om, sunt citate o serie de afec]iuni care se presupune c\ sunt determinate de gene dispuse pe cromozomul Y, dar exist\ probe genealogice doar `n cazul hipertricozei urechilor, (existen]a perilor lungi [i numeo[i `n pavilionul urechilor).

9.5. EREDITATEA CARACTERELOR CONTROLATE DE SEX

~n afar\ de caracterele care se transmit `nl\n]uit cu sexul (determinate de gene plasate `n heterozomi), sunt o serie de caractere [i `nsu[iri care sunt determinate de gene autozomale, prezente la ambele sexe, dar sunt controlate de sex `n manifestarea lor fenotipic\. Acest control poate s\ determine manifestarea caracterului doar la unul din sexe, fiind denumite caractere limitate de sex, sau `n alte cazuri aceste caractere apar mai evidente la unul din sexe, fiind denumite caractere influen]ate de sex. Caracterele limitate de sex. Sunt determinate de gene autozomale prezente la ambele sexe, cu manifestare fenotipic\ doar la unul din sexe. Dintre caracterele limitate de sex, unele sunt de mare importan]\ economic\, cum ar fi produc]ia de lapte [i de ou\, proprii numai sexului femel. Aceste caractere sunt determinate de complexe genice autozomale, prezente `n egal\ m\sur\ la femele [i masculi. Deoarece masculii particip\ la transmiterea acestor caractere, prin intermediul complexelor genice autozomale dar nu le manifest\ fenotipic, este necesar\ testarea lor dup\ performan]ele propriilor fiice, pentru a le stabili valoarea genetic\. ~n afar\ de aceste caractere, unele boli ereditare sunt limitate de sex, cum ar fi: hernia inghinal\, criptorhidia, disgenezia gonadal\ la femele, boala junincilor albe [.a. Caracterele influen]ate de sex. Reprezint\ categoriile de caractere determinate de complexe genice autozomale prezente la ambele sexe, dar care se manifest\ fenotipic `n mod diferit `n func]ie de sex. ~n general acestea sunt caractere sexuale secundare, fiind influen]ate `n dezvoltarea lor de prezen]a hormonilor sexuali. La rasa de ovine Romney Marsch, prezen]a coarnelor este dat\ de o gen\ autozomal\ mutant\. Aceast\ gen\ este influen]at\ `n manifestarea sa, de prezen]a hormonilor androgeni. Astfel, `n caz de heterozigo]ie pentru aceast\ gen\, `n timp ce femelele nu posed\ coarne, masculii vor avea coarne, dar mai mici decât `n cazul masculilor homozigo]i pe gena mutant\. Aceast\ manifestare diferit\ la femele [i masculi a genei care determin\ prezen]a coarnelor, denot\ c\ dominan]a genei respective este influen]at\ de sex, respectiv de prezen]a hormonilor androgeni.

- 110 -

9.6. ANOMALII ~N EREDITATEA SEXULUI ~n determinarea [i dezvoltarea normal\ a sexului pot interveni o serie de anomalii, care vor determina manifest\ri fenotipice anormale. Dup\ cauzele care le determin\ [i modul lor de manifestare acestea se pot grupa astfel: anomalii datorate nondisjunc]iei (nesegreg\rii) heterocromozomilor; ginandromorfismul; intersexualitatea [i inversiunea sexului.

9.6.1. NONDISJUNC}IA CROMOZOMILOR SEXULUI Const\ `n nesepararea heterocromozomilor `n timpul diviziunii reduc]ionale, ceea ce va determina apari]ia al\turi de game]ii normali [i de game]i care vor prezenta ambii heterocromozomi, precum [i de game]i f\r\ heterozomi. Astfel `n profaza meiozei primare, sinapsa heterocromozomilor poate fi atât de puternic\, `ncât procesul ulterior de separare al lor, nu poate avea loc. Acest fenomen poate avea loc atât `n spermatogenez\, cât [i `n ovogenez\, fiind pus `n eviden]\ pentru prima dat\ de C. B. Bridges (1916), la Drosophila melanogaster. Din fecundarea unor astfel de game]i, descenden]a rezultat\ va prezenta cazuri de trisomie sau monosomie la perechea de heterozomi. De[i deficien]ele cromozomale sunt incompatibile cu via]a, iar excesul de cromozomi deregleaz\ dezvoltarea `nc\ din stadiul embrionar, `n cazul unor astfel de abera]ii la nivelul heterozomilor efectele sunt diferite. Fenomenul nondisjunc]iei heterozomilor a fost semnalat la om [i la alte mamifere, implica]iile diferitelor sindroame asupra manifest\rii fenotipice fiind multiple [i diferite, (tabelul 9).

Tabelul 9

Descenden]a rezultat\ `n urma fenomenului de nondisjunc]ie al heterozomilor

Masculi Femele

A + X

A + Y

A + XX

2A + XXX (superfemele – trisomia X)

2A + XXY (Sindromul Klinefelter)

A + 0

2A + X0 (Sindromul Turner)

2A + Y0 (neviabili)

La om, excesul de cromozomi X are consecin]e negative asupra dezvolt\rii mintale, fiind afectate [i alte manifest\ri fenotipice. Indivizii cu trisomie X sunt de sex femel, prezint\ debilitate mintal\, tulbur\ri psihice [i sterilitate. Indivizii cu genotipul 2A + XXY, prezint\ sindromul Klinefelter, fiind organisme mascule, cu manifest\ri fenotipice complexe de dezvoltare anormal\ [i sterilitate. Indivizii cu genotipul 2A + XO, prezint\ sindromul Turner, fiind organisme femele [i manifestând malforma]ii somatice cum ar fi: anomalii cardiace, renale, scheletice, sterilitate, precum [i debilitate mintal\. Un caz mai rar de trisomie `l constituie prezen]a unui cromozom Y supranumerar (sindromul XYY), `ntâlnit la b\rba]i, subiec]ii afecta]i având talia mai mare, o dezvoltare somatic\ armonioas\, dar prezentând un comportament agresiv.

9.6.2. GINANDROMORFISMUL

Presupune apari]ia pe acela[i individ unisexuat, atât a caracterelor femele cât [i mascule. Ginandromorfismul pote fi de trei tipuri: lateral, când o jum\tate a corpului prezint\ caracterele sexului femel [i cealalt\ jum\tate a sexului mascul (acest tip afecteaz\ [i organele genitale); antero-posterior, când partea anterioar\ a corpului prezint\ caracterele unui sex iar partea posterioar\ caracterele sexului opus [i mozaicat, când caracterele unui sex sunt diseminate pe caracterele celuilalt sex. Ginandromorfismul poate fi cauzat de fenomenul de crossing-over, situa]ie anormal\ `n care poate avea loc schimburi de fragmente cromatidice `ntre cromozomii sexului.

- 111 -

Nondisjunc]ia heterocromozomilor `n timpul meiozei primare, poate fi o alt\ cauz\ a ginandromorfismului. Alteori cauza ginandromorfismului poate fi `ntâlnit\ dup\ fecundare. Astfel un organism cu doi cromozomi X se dezvolt\ ca femel\, iar `n primele stadii de formare a zigotului, o celul\ poate pierde un cromozom X din diverse cauze. ~n continuare apar dou\ linii celulare, una cu heterozomii XX [i alta cu un singur heterozom X, din care se vor dezvolta ]esuturi cu caracteristici diferite, (femel [i respectiv mascul). Fenomenul de ginandromorfism a fost observat la insecte, la [oareci, la p\s\ri [i plante. Acest fenomen a fost observat [i la om, când `n organism se `ntâlnesc linii celulare cu cariotipuri diferite. Astfel pot fi cazuri: 2A XX/2A XXY; 2A XY/2A XXY; 2A XO/2A XY; 2A XO/2A XXY - când indivizii prezint\ aspecte masculine, sau abateri de tipul: 2A XO/2A XX; 2A XX/2A XXX; 2A XO/2A XY; 2A XO/2A XX; 2A XO/2A XXX - când indivizii prezint\ aspecte feminine. ~n toate cazurile, exist\ celule cu cariotip normal care au rolul hot\râtor `n determinarea sexului [i celule cu cariotip anormal, care determin\ abaterile.

9.6.3. INTERSEXUALITATEA

Reprezint\ forma cea mai evident\ de manifestare a tulbur\rilor `n morfostructura aparatului genital [i presupune apari]ia de organisme intermediare `ntre cele dou\ sexe, organisme denumite intersexe. ~n unele cazuri, la acela[i individ sunt prezente ambele glande sexuale, ovarul [i testiculul, dând na[tere la hermafroditism adev\rat, `n alte cazuri este prezent\ numai glanda sexual\ a unui sex, iar restul tractului genital prezint\ aspecte ale ambelor sexe, constituind pseudohermafroditism. Cele mai frecvente cazuri de intersexualitate se `ntâlnesc la porcine. Studiile efectuate la porcine au eviden]iat c\ majoritatea intersec[ilor cu cariotipul femel (2A + XX), indiferent dac\ erau hermafrodi]i adev\ra]i sau pseudohermafrodi]i. Exist\ [i cazuri de intersexualitate de natur\ hormonal\. Astfel, gemenii freemartini la taurine sunt de sex opus, iar `n perioada dezvolt\rii fetale datorit\ anastomozei membranelor fetale, are loc un schimb de hormoni. Hormonii androgeni ai embrionului mascul, intr\ `n circula]ia f\tului de sex femel, determinând la acesta apari]ia de ]esut testicular, anomalii ale tractului genital [i sterilitatea individului femel.

9.6.4. INVERSIUNEA SEXULUI Reprezint\ o anomalie, datorit\ c\reia unele organisme `[i `ncep via]a fie ca forme femele, fie ca forme mascule, dup\ care la un moment dat al dezvolt\rii ontogenetice `[i schimb\ sexul. Cazuri de inversiune a sexului se `ntâlnesc mai mult la plante [i la organismele inferioare, fiind cauzate de factori de natur\ hormonal\, condi]ii de via]\ (hrana `n mod special), sau vârst\. De exemplu spre b\trâne]e unii indivizi tind s\ capete caracteristicile sexului opus, cum ar fi femelele de fazan care `nceteaz\ ouatul [i se `mbrac\ cu pene de mascul, sau g\inile b\trâne care cânt\ coco[e[te. Asemenea cazuri sunt rare, sunt cauzate de factori hormonali (secre]ia de hormoni androgeni), iar dup\ `ncetarea ac]iunii factorului determinant, organismul revine la manifestarea ini]ial\. Un caz interesant `l reprezint\ determinarea sexului la viermele de mare (Bonellia viridis), sub influen]a mediului. La acest vierme femelele ajung pân\ la 15 cm lungime, iar masculii au doar câ]iva milimetrii [i tr\iesc `n oviductul femelei având doar rolul de a fecunda ovulele. Larvele care ies din ovulele fecundate dac\ se depun pe fundul apei se dezvolt\ ca femele, iar dac\ se depun pe trompa femelei [i p\trund treptat `n oviductul acesteia se dezvolt\ ca masculi. Asemenea cazuri de inversiune a sexului `n perioada dezvolt\rii ontogenetice, sunt frecvent `ntâlnite la diverse specii marine, inclusiv la unele specii de pe[ti, ceea ce indic\ o poten]ialitate bisexual\ a indivizilor acestor specii.

2

CUPRINS

Cap. 1 MUTATIILE {I MUTAGENEZA 1.1. Muta]iile genice 1.2. Muta]iile genomice (de num\r) 1.3. Muta]iile cromozomiale sau de structur\

Cap. 2 NO}IUNI DE EREDOPATOLOGIE 2.1. Bolile ereditare la taurine 2.2. Bolile ereditare la porcine 2.3. Bolile ereditare la p\s\ri

Cap. 3 INGINERIA GENETIC| {I APLICA}IILE SALE 3.1. Tehnologia adn recombinat 3.2. Hibridarea celular\ 3.3. Clonarea animalelor

Cap. 4 NO}IUNI DE GENETICA POPULA}IILOR 4.1. Structura genetic\ a popula]iilor

Cap. 5 PROCESELE CARE MODIFIC| STRUCTURA GENETIC| A POPULA}IILOR 5.1. Procesele sistematice care modific\ structura genetic\ a popula]iilor 5.1.1. Migra]ia 5.1.2. Muta]ia 5.1.3. Selec]ia 5.2. Procesele dispersive care modific\ structura genetic\ a popula]iilor 5.2.1. Driftul genetic 5.2.2. Consangvinizarea

Cap. 6 NO}IUNI DE GENETIC| CANTITATIV| 6.1. Determinismul genetic al caracterelor cantitative 6.2. Valoarea fenotipic\ [i componentele sale

Cap. 7 VARIAN}A FENOTIPIC| {I COMPONENTELE SALE 7.1. Componen]ii cauzali ai varian]ei 7.2. Componen]ii observa]ionali ai varian]ei fenotipice 7.2.1. Analiza de varian]\ cu dou\ surse de varia]ie 7.2.2. Analiza de varian]\ cu trei surse de varia]ie

Cap. 8 PARAMETRII GENETICI AI CARACTERELOR CANTITATIVE 8.1. Heritabilitatea caracterelor cantitative 8.2. Repetabilitatea caracterelor cantitative 8.3. Corela]ia caracterelor cantitative

3

Capitolul 1

MUTATIILE {I MUTAGENEZA

Defini]ia [i clasificarea muta]iilor. Muta]ia reprezint\ orice modificare `n structura [i func]ia

materialului genetic (cromozomi [i gene) [i ca urmare, orice modificare ap\rut\ `n fenotip.

O schimbare `n structura sau `n num\rul reprezint\ o abera]ie cromozomial\, iar o schimbare

`n structura chimic\ a ADN-ului dintr-o gen\ reprezint\ o muta]ie genic\.

Muta]iile pot fi clasificate dup\ mai multe criterii, `n urm\toarele categorii:

a) dup\ natura materialului genetic implicat `n muta]ii, muta]iile pot fi: muta]ii genomice

(de num\r), muta]ii cromozomiale (de structur\), muta]ii genice;

b) dup\ natura celulelor `n care au loc muta]ii, muta]iile pot fi: muta]ii somatice [i muta]ii

germinale sau gametice.

Muta]iile somatice apar `n celulele corpului unui organism [i sunt transmise la toate celulele

care provin din celula mutant\ original\. Niciodat\ muta]iile somatice nu se transmit la descenden]i.

Muta]iile germinale sau gametice apar `n celulele germinale ale unui organism (ovogonii [i

spermatogonii). Aceste muta]ii se reg\sesc [i `n game]i [i se transmit la descenden]i.

c) dup\ modul de apari]ie, muta]iile pot fi spontane [i induse sau provocate cu ajutorul

agen]ilor mutageni.

Muta]iile spontane sunt produse de radia]iile cosmice [i varia]iile bru[te de temperatur\ [i apar

cu o frecven]\ de 1/100000-1/1000000.

d) dup\ direc]ia de realizare, pot s\ existe muta]ii `nainte (directe), când gena normal\ (A)

se transform\ `n gen\ mutant\ (a) [i muta]ii `napoi (inverse), când gena mutant\ se transform\ `n gen\

normal\.

e) dup\ ac]iunea genei mutante, muta]iile pot fi dominante sau recesive.

f) dup\ efectul fenotipic sau gradul de viabilitate, muta]iile pot fi: d\un\toare, letale [i viabile.

1.1. MUTA}IILE GENICE

Gena este un fragment din macromolecula de ADN [i intr\ `n structura unui cromozom.

Fiecare gen\ este alc\tuit\ de la 900-1500 nucleotide. Num\ru [i secven]a nucleotidelor dintr-o gen\

reprezint\ informa]ia genetic\ sau mesajul genetic.

Dac\ din diferite cauze se produc modific\ri `n num\rul [i secven]a nucleotidelor dintr-o gen\

rezult\ o gen\ mutant\. Aceste modific\ri se pot realiza prin `nlocuirea, pierderea sau ad\ugarea unui

nucleotid sau grup de nucleotide sau prin inversarea ordinii nucleotidelor din structura unei gene.

4

Astfel de modific\ri care se produc `n num\rul [i secven]a nucleotidelor dintr-o gen\ poart\

numele de muta]ii genice sau punctiforme. Muta]ia la nivelul genei se manifest\ prin modificarea

func]iei acesteia. O gen\ mutant\ va determina un caracter diferit fa]\ de cel determinat de o gen\

normal\.

Agen]ii muageni [i mecanismul de producere a muta]iei genice

Orice agent sau substan]\ care prin ac]iunea sa asupra materialului genetic produce o muta]ie se

nume[te agent mutagen. Agen]ii mutageni pot fi de trei tipuri: chimici, fizici [i biologici.

Agen]ii mutageni chimici sunt reprezenta]i de substan]e chimice care ac]ioneaz\ asupra genelor

(acizii nucleici), modificându-le structura normal\. Ace[ti agen]i produc muta]ii `n structura genelor

prin urm\toarele mecanisme:

• substitu]ie, când o baz\ azotat\ este `nlocuit\ cu alt\ baz\;

• dele]ie, când se pierde una sau mai multe nucleotide din structura ADN-ului sau genei;

• adi]ie, când se adug\ una sau mai multe nucleotide `n structura unei gene;

• inversie, când se inverseaz\ ordinea nucleotidelor din structura unei gene.

Substan]ele chimice mutagene pot fi de trei feluri:

• substan]e chimice mutagene care ca]ioneaz\ direct asupra ADN-ului `n faza stabil\;

• substan]e chimice mutagene care ca]ioneaz\ direct asupra ADN-ului [i a sintezei ARN- m;

• substan]e chimice mutagene radiometrice.

a) Substan]ele chimice mutagene care ac]ioneaz\ direct asupra ADN-ului `n faza stabil\

sunt reprezentate de acidul azotos, hidroxilamina.

Acidul azotos sau nitros (HNO2) are proprietatea de a dezamina citozina, adenina [i guanina.

Prin dezaminare citozina este transformat\ `n uracil, adenin\ [i hipoxantin\, iar guanina `n xantin\.

Prin dezaminarea citozinei [i transformarea ei `n uracil, `n molecula de ADN, rezult\ `n loc de prechea

CG, perechea de baze AT. Acidul azotos produce substitu]ia de baze azotate prin tranzi]ie. Efectul

mutagen al acidului azotos const\ `n formarea unei molecule de ADN `n care o caten\ este mutant\

(A-T), iar cealalt\ este normal\ (G-C).

b) Substan]ele chimice mutagene care ac]ioneaz\ `n momentul replic\rii ADN sau

sintezei ARN-m - sunt cunoscute sub numele de analogi ai bazelor azotate, ei având structur\

asem\n\toare bazelor azotate.

Analogii bazelor azotate sunt reprezenta]i de 5-bromuracil, 5-bromdeoxiuridina, fluoruracil, 2-

aminopurina.

Dac\ `n cursul replic\rii ADN-ului `n loc de timin\ sunt `ncorporate aceste substan]e analoage,

atunci dup\ câteva replic\ri ale ADN-ului se vor produce modific\ri `n secven]a nucleotidelor.

5

~ncorporarea 5-bromuracilului sau 5-bromdeoxiuridinei va duce la apari]ia `n catena de ADN a perechi

de adenin\-bromuracil `n loc de perechea de baze G-C.

c) Substan]e chimice mutagene radiometrice- ac]ioneaz\ asem\n\tor radia]iilor ionizante

provocând rupturi [i restructur\ri ale acizilor nucleici.

Din aceast\ categorie fac parte substan]ele alchilante: dietilsulfatul, dimetilsulfatul,

metilmetansulfonatul, etilmetansulfonatul, iperita. Aceste substan]e posed\ gruparea alchil.

Substan]ele alchilante ac]ioneaz\ asupra moleculelor de ADN prin:

• alchilarea radicalului fosforic, ceea ce duce la ruperea leg\turilor dintre dezoxiriboz\

[i radicalul fosforic cu dezagregarea moleculei de ADN;

• alchilarea bazelor azotate [i transformarea lor `n anologi ai acestora, ceea ce are ca

urmare erori de replicare a moleculei de ADN;

• eliminarea bazelor purinice [i `nlocuirea cu baze pirimidinice (depurinizarea ADN-

ului), ceea ce duce la muta]ii prin substitu]ie de tipul transversiei.

Agen]ii mutageni fizici

Radiogenetica este ramura geneticii, care studiaz\ efectele mutagene [i teratogene ale

radia]iilor naturale [i ale celor artificiale.

Agen]ii mutageni sunt reprezenta]i de dou\ categorii de radia]ii: ionizante [i neionizante.

Radia]ii ionizante pot fi clasificate `n :

• radia]ii electromagnetice- razele X [i Gamma, a c\ror lungime de und\ este mic\ [i au

o putere de penetra]ie foarte mare, producând muta]ii la toate organismele, prin fenomenul de ionizare;

• radia]ii corpusculare - razele Alfa, Beta, protonii, neutronii len]i [i rapizi [i particule

grele, care sunt particule cu energie mare dar cu putere de penetra]ie mic\. Razele Alfa, Beta

penetreaz\ ]esuturile moi doar o frac]iune de mm sau câ]iva mm (razele Beta). Cantitatea de radia]ie

primit\ din ]esuturile iradiate este numit\ doz\ de iradiere [i se m\soar\ `n razi. Un rad reprezint\

cantitatea de energie absorbit\ de un gram de ]esut.

Radia]iile neionizante (ultarviolete) produc muta]ii atunci când ac]ioneaz\ asupra unor celule

a[ezate `n strat sub]ire, cum sunt culturile de microorganisme (Bacterii, mucegaiuri, alge, etc). Cea

mai mare absorb]ie pentru razele ultraviolete pe care o prezint\ molecula ADN se realizeaz\ la

lungimea de und\ 2600 Å.

1.2. MUTA}IILE GENOMICE (DE NUM|R)

Muta]iile genomice (de num\r) se pot clasifica `n dou\ categorii: euploidia, care presupune

existen]a unui set sau mai multor seturi de cromozomi `n celule [i aneuploidia, care presupune

existen]a unuia sau mai multor cromozomi `n plus sau `n minus fa]\ de num\rul normal.

6

Euploidia poate fi de mai multe feluri: monoploidia (`n nucleul celuleor somatice exist\ un

singur set de cromozomi), diploidia (indic\ existen]a a dou\ seturi de cromozomi -2n), triploidia (3n),

tetraploidia (4n), hexaploidia (6n).

Când `n celule exist\ mai mult de dou\ seturi de cromozmi este vorba despre poliploidie.

Poliploidia este frecvent `ntâlnit\ la plante. Propor]ia plantelor poliploide din flora spontan\ cre[te de

la ecuator spre poli. Aceasta dovede[te c\ poliploidia este o modalitate de adaptere a plantelor la

condi]iile aspre de clim\. Poliploidia este de dorit la plantele furajere, deoarece aceste plante

poliploide au partea vegetativ\ mai bogat\ [i `n acest fel ele asigur\ produc]ii mari de furaje la hectar.

La animale, poliploidia este rar `ntâlnit\. Se `ntâlne[te la organisme ce se reproduc asexuat.

Poliploidia este de dou\ feluri: autopoliploidia [i alloploidia.

Autoploidia - presupune existen]a `n celulele somatice a unor seturi de cromozomi identice.

Formele autopoliploide rezult\ `n urma multiplic\rii garniturii cromozomiale proprii `n timpul

diviziunii meiotice, fenomen denumit endoreplicare cromozomial\.

Alloploidia - presupune existen]a `n celulele somatice a unor seturi de cromozomi care nu sunt

identice. Allopoliploizii apar `n urma unor `ncruci[\ri `ntre indivizi care apar]in unor specii diferite.

Aneuploidia presupune existen]a unuia sau mai multor cromozomi `n plus sau `n minus fa]\

de starea normal\ (2n).

Aneuploidia poate fi de dou\ feluri: hipoploidie [i hiperploidie.

Hipoploidii

monosomia, lipsa unui cromozom dintr-o pereche de cromozomi omologi (2n-1);

nulisomia, lipsa unei perechi de cromozomi omologi (2n-2);

dubla monosomie, efecteaz\ mai multe perechi de cromozomi (2n-1-1).

Hiperploidii

trisomia, apari]ia unui cromozm `n plus, identic cu cromozomii unei perechi oarecare de

omologi (2n+1);

dubla trisomie (2n+1+1);

tetrasomia, prezen]a unei perechi de cromozomi `n plus (2n+2).

Aneuploidia este frecvent `ntâlnit\ la plante [i rar la animale. La animale cazurile de

aneuploidie determin\ st\ri anormale, duc la letalitate.

Aneuploidia poate avea trei cauze: nondisjunc]ia unor perechi de cromozomi `n timpul meiozei,

fenomenul de fuziune-fisiune centromeric\ [i `ntârzierea anafazic\ a unor cromozomi.

~n timpul diviziunii meiotice, dac\ are lor fenomenul de nondisjunc]ie cromozomial\ sau

nesegregare la nivelul unei perechi de cromozmi, vor rezulta la sfâr[itul meiozei game]i care au un

cromozom `n plus, iar al]ii care au un cromozom `n minus. Participarea la fecundarea unor game]i

neechilibra]i genetic conduce la ob]inerea de organisme aneuploide (trisomii [i monosomii).

7

Prin fuziune centromeric\ a doi cromozomi telocentrici rezult\ un cromozom metacentric (duce

la mic[orarea num\rului de cromozmi din celul\).

Prin fisiunea unui cromozom metacentric vor rezulta doi cromozomi telocentrici (m\rirea

num\rului de cromozomi din celul\).

Unii cromozomi `n timpul anafazei meiozei migreaz\ cu `ntârziere spre polii celulei [i nu vor

mai intra `n nucleul celulei sexuale, având ca efect reducerea num\rului de cromozomi din celulele

rezultate `n urma fecunda]iei.

1.3. MUTA}IILE CROMOZOMIALE SAU DE STRUCTUR|

~n timpul diviziunii celulare [i `n special `n timpul meiozei, anumi]i factori externi pot duce la

fragmentarea cromozomilor. Fragmentele rupte pot s\ se realipeasc\ de unde sau rupt [i atunci totul

reintr\ `n normal, dar altele pot s\ se realipeasc\ gre[it, ceea ce duce la modific\ri ale `nsu[irilor pe

care le determin\ genele con]inute `n fragmentele respective de cromozomi.

Muta]iile cromozomiale care afecteaz\ structura cromozomilor, sunt: dele]ia , duplica]ia, inversia [i

transloca]ia.

Dele]ia presupune ruperea [i pierderea unui segment intercalat dintr-un cromozom. Dele]ia

poate avea loc `n meioz\ [i mitoz\, `ns\ când se produce, la nivelul celulelor germinale are

repercursiuni grave [i duce la ob]inerea de game]i neviabili sau nefunc]ionali. Dele]ia poate fi

heterozigot\, când numai un cromozm din perechea de omologi pierde fragmentul respectiv [i

homozigot\, când ambii cromozomi omologi pierd acela[i fragment.

~n 1977 s-a constat, `n Belgia, c\ `nsu[irea numit\ culard (crup\ dubl\), pe care o manifest\

rasa de carne belgian\ Blanc Bleue Belge se datoreaz\ unei dele]ii de 11 nucleotide din gena

miostatinei (hormon tisular ce mediaz\ reflexele mu[chilor).

Duplica]ia presupune ruperea unui fragment dintr-un cromozom [i realipirea lui la cel\lalt

cromozom omolog. Cromozomul care prime[te fragmentul respectiv va avea dou\ seturi de gene de

acela[i fel. Deaorece genele de pe un cromozom se afl\ `n doz\ dubl\, `nsu[irile acestor indivizi se vor

dezvolta altfel decât la organisme f\r\ duplica]ie.

Duplica]iile pot provoca la indivizi care le posed\, accentuarea puternic\ a `nsu[irilor determinate de

genele duplicate. Duplica]iile genelor care determin\ rezisten]a la unii d\un\tori sau la unele boli

criptogamice (determinate de ciuperci) la plante poate duce la ob]inerea unor descenden]i deosebit de

valoro[i pentru practic\.

Inversia presupune ruperea unui fragment dintr-un cromozom [i replierea lui la locul de unde

s-a rupt dup\ cea f\cut o rota]ie de 180o.

Inversia poate fi homozigot\ [i heterozigot\ afecteaz\ ambii cromozomi dintr-o pereche, iar

cea heterozigot\ doar un cromozom. Inversiile homozigote nu au urm\ri grave `n mersul meiozei. Din

8

acest motiv inversiile homozigote constituie un factor de evolu]ie, deoarece prin schimbarea pozi]iei

genelor `ntr-un cromozom, se modific\ func]ia. Inversiile heterozigote care au loc `n cursul meiozei

conduc la ob]inerea de game]i neviabili [i de aici la cazuri de infecunditate.

Transloca]ia const\ `n deta[area unui fragment de la un cromozom dintr-o pereche [i alipirea

lui la un cromozm dintr-o alt\ pereche..

Transloca]ia poate fi terminal\, când segmentul de cromozom translocat se ata[eaz\ la unul din

capetele cromozomului neomolog [i intercalat\, când segmentul de cromozom translocat se ata[eaz\

la alt cromozom neomolog `n zona mijlocie a bra]ului.

Transloca]ia poate fi nereciproc\, când transformarea unui segment de cromozom este

unidirec]ional\ [i reciproc\, când au loc interschimburi de segmente cromozomiale `ntre cromozomi

neomologi.

Transloca]ia reciproc\ poate fi homozigot\, dac\ sunt afecta]i ambii cromozomi dintr-o pereche

de omologi sau heterozigot\, dac\ este afectat numai unul. ~n transloca]ia homozigot\ reciproc\

sinapsa cromozmilor `n meioz\ este normal\ [i gametogeneza decurge normal. ~n cazul transloca]ieie

reciproce heterozigote de obicei se ob]in game]i neviabili. Game]ii viabili se ob]in atunci când `ntr-un

gamet ajung ambii cromozomi care au suferit transloca]ia, iar `n cel\lat gamet ajung ambii cromozomi

ce nu au suferit transloca]ia. Transloca]ia heterozigot\ are ca efect semisterilitatea ({t. Popescu Vifor

[i col., 1979)

9

Capitolul 2

NO}IUNI DE EREDOPATOLOGIE

2.1. BOLILE EREDITARE LA TAURINE

Brevignatismul inferior - malforma]ie a sistemului osos, care se manifest\ prin scurtarea mandibulei,

caracterul fiind letal. Este determinat de o gen\ recesiv\ heterozomal\ (a[ezat\ pe cromozomul X).

Brevignatismul superior - se manifest\ prin scurtarea maxilarului superior, vi]eii au cap de

Buldog sau [tiuc\. Este determinat de o gen\ recesiv\, este o anomalie neletal\.

Caracterul congenital - anomalie neletal\, care se transmite recesiv, este caracterizat prin

opacitatea cristalinului, defect care se constat\ la na[tere sau dup\ primele luni de via]\.

Hidrocefalia- anomalie letal\, care se transmite recesiv, const\ `n acumularea de lichid `n cutia

cranian\, fapt care afecteaz\ ]esuturile cerebrale, provocând `n special atrofia creierului.

Achondroplazia- anomalie a scheletului, se poate prezenta sub mai multe forme. O astfel de

anomalie, la care moartea survine `n lunile 6-8 de gesta]ie, urmat\ de expulzarea imediat\ a f\tului, se

caracterizeaz\ prin scurtarea coloanei vertebrale, hernie inghinal\, fruntea rotund\ [i umflat\, capul de

buldog, v\lul palatin despicat [i membre scurte. Aceast\ stare anormal\ se transmite par]ial dominant,

astfel de cazuri fiind `ntâlnite la rasele Jersey, Hereford [i Friz\ britanic\. ~n alt\ form\ de

achondroplazie, vi]eii se nasc, `ns\ mor la câteva zile dup\ na[tere, datorit\ dificult\]iolor de respira]ie.

Anomalia este determinat\ de gene letale recesive.

Hidroplazia - const\ `n acumularea de lichid `n cavitatea abdominal\, toracic\ [i subcutanat.

Vi]eii se nasc mor]i sau mor imediat dup\ na[tere. Este o anomalie letal\, care se transmite recesiv,

fiind determinat\ de o gen\ autosomal\.

Herniile- constau `n deplasarea total\ sau par]ial\ a unui organ `n afara `nveli[ului s\u normal

sau a cavit\]ii `n care se afl\ `n mod fiziologic. Sunt hernii cervicale, inghinale, ombilicale,

diafragmatice. La taurine se semnaleaz\ mai frecvent hernia ombilical\, care apare la 8-10 zile dup\

f\tare [i este determinat\ de gene recesive.

Hipotricoza - se manifest\ prin lipsa p\rului de pe anumite regiuni corporale sau de pe `ntregul

corp al animalului. Este determinat\ de gene recesive.

Polimastia [i politelia - const\ `n prezen]a uneia sau mai multora glande mamare sau

mameloane, frecven]a este 15-50%, tipul de transmitere fiind cel dominant.

Epilepsia- este o boal\ ereditar\ a sistemului nervos. Se pare c\ este determinat\ de o gene\

autosomal\ cu ereditate dominant\.

Nanismul - se manifest\ sub forma unei cre[teri reduse a tuturor p\r]ilor corpului, datorit\ unui

defect de proliferare al celulelor la nivelul cartilajului de cre[tere. Este determinat de o gen\ recesiv\

`n stare homozigot\.

10

Polidactilismul - se manifest\ prin apari]ia unor ongloane supranumerare. Anomalia este

determinat\ de o gen\ dominant\.

Anchiloza- se caracterizeaz\ prin curbarea membrelor anterioare, datorit\ sud\rii oaselor la

nivelul articula]iilor. Este o anomalie ereditar\ care se transmite recesiv.

Paralizia- afecteaz\ `n special membrele posterioare. Vi]elul moare imediat dup\ na[tere. Se

transmite recesiv.

Sindactilia- se manifest\ prin prezen]a unui singur onglon, de regul\ la membrele posterioare.

Anomalia este determinat\ de o gen\ recesiv\.

2.2. BOLILE EREDITARE LA PORCINE

Atresia anal\ - lipsa orificiului anal. Moartea survine `n câteva zile de la na[tere, `ntrucât

animalele nu pot elimina fecalele. Dup\ unele date aceast\ anomalie este provocat\ de dou\ perechi de

gene alelice, cu interac]iune epistatic\.

Herniile ombilicale [i inghino-scrotale - apar evident imediat dup\ f\tare sau pân\ cel mult la

30 zile [i afecteaz\ mai mult partea stâng\. Unii cercet\tori consider\ c\ sunt determinate de dou\

perechi de gene recesive, iar herniile ombilicale se datoresc tipului de transmitere dominant\.

Polidactilia - sunt afectate cel mai des membrele anterioare. Transmiterea este dominant\.

Sindactilia- este o anomalie ereditar\ cu transmitere dominant\. Se carcaterizeaz\ prin prezen]a

unui singur onglon cu pozi]ie vertical\.

Membrele anterioare `ngro[ate - se datoresc unei infiltra]ii gelatinoase de ]esut conjunctiv la

locul ]esutului muscular. Este o anomalie letal\ [i se transmite recesiv.

Amelia - este o anomalie caracterizat\ prin absen]a tuturor membrelor. Se transmite recesiv.

2.3. BOLILE EREDITARE LA P|S|RI

Ataxia puilor de g\in\ - apare frecvent [i constituie o consecin]\ a tulbur\rilor func]ionale ale

cerebelului. Se transmite recesiv [i este letal\.

Alopecia - se caracterizaez\ prin absen]a total\ a penelor sau prin prezen]a unor pene

rudimentare pe cap, gât [i vârful cozii. Este o anomalie semiletal\ recesiv\.

Polidactilia- anomalie frecvent `ntâlnit\ la p\s\ri, se carcaterizeaz\ prin prezen]a unor falange

`n plus [i este determinat\ de factori letali recesivi.

Malforma]ii ale ciocului - ciocul de papagal, alungirea sau curbarea `n sus a ciocului.

Nanismul - este produs de ogen\ recesiv\ (dw) Z -lincat\. Nomalia apare evident\ la vârsta de

8-10 s\pt\mâni [i devine pregnant\ la vârsta de 5 luni când greutatea masculilor (Zdw Zdw) este mai

mic\ cu 40% [i a femelelor (ZdwW) cu 30% fa]\ de p\s\rile normale la aceea[i vârst\.

11

Capitolul 3

INGINERIA GENETIC| {I APLICA}IILE SALE

Defini]ia: Ingineria genetic\ este un ansamblu de opera]ii [i tehnologii efectuate `n vitro cu

gene, cromozomi [i uneori cu celule `ntregi, `n scopul ob]inerii unor organisme cu propriet\]i ereditare

premeditate sau prestabilite (A Popa [i col., 1982).

Tehnologiile inginerieie genetice sunt:

tehnologia ADN recombinat

Hibridarea [i cibridarea celular\.

3.1. TEHNOLOGIA ADN RECOMBINAT

Aceasta presupune introducerea [i func]ionarea unei gene numite pasager, `ntr-o celul\ sau

organism receptor, care sufer\ un proces de transformare. Pentru ca o gen\ str\in\ pasagerul s\ poat\

p\trunde `ntr-o celul\ receptoare [i s\ nu fie degradat\ enzimatic, ea trebuie introdus\ `ntr-un vehicul

adecvat (plasmid, virus), rezultând o molecul\ de ADN recombinat (A. Vlaic, 1997).

Pentru ob]inerea pasagerului ce con]ine informa]ia genetic\ necesar\ sintezei unei molecule

specifice, se pot utiliza urm\toarele metode:

a) izolarea pasagerului cu ajutorul enzimelor de restric]ie din celulele specializate `n care

pasagerul este func]ional (gena insulinei umane poate fi izolat\ din celulele pancreatice). Aceast\

metod\ presupune extragerea ADN, scindarea ADN izolat cu ajutorul enzimelor de restric]ie,

identificarea, izolarea [i preg\tirea pasagerului pentru a fi inclus `n vehicul.

b) metoda enzimatic\ de ob]inere a pasagerului - `n acest caz pasagerul sau gena dorit\ se

sintetizeaz\ pornind de la ARNm care a transmis informa]ia genetic\ a genei respective. Transcrip]ia

invers\ se face cu ajutorul unei enzime, revers transcriptaz\ [i se ob]ine la `nceput o molecul\ de

ADN complemetar monocatenar (ADN c). Cu ajutorul ADN polimerazei se sintetizeaz\ cea de-a doua

caten\ a ADN, rezultând un ADNc dublu catenar (gena).

Prin aceast\ metod\ a fost sintetizat\ gena insulinei umane [i gena ovalbuminei de g\in\,

folosind matri]e de ARNm extrase din celulele pancreatice [i respectiv din celulele zonei albuminifere

a oviductului de pas\re.

c) sinteza chimic\ a pasagerului se face cunoscând compozi]ia [i secven]a aminoacizilor,

ce alc\tuiesc o protein\, un hormon sau o enzim\. ~n acest mod a fost sintetizat\ gena somatostatinei

12

umane. Somatostatina este alc\tuit\ dintr-o secven]\ de 14 aminoacizi. Gena somatostatinei umane

con]ine 42 nucleotide (14 x 3). Prin aceast\ metod\ a fost sintetizat\ [i gena insulinei umane. Metoda

de sintez\ chimic\: metoda fosfodiesterilor, metoda fosfotriesterilor, sinteza chimic\ `n faza solid\.

Ca vectori sau vehicule pentru transferul genelor, pot fi utilizate plasmidele bacteriene sau

anumite virusuri (fagi sau bacterofagi).

Utilizând plasmmide ca vectori pentru transferul genelor, s-a reu[it transferul unor gene de

origine uman\ sau animal\ `n celule bacteriene de Escherichia coli, care devin capabile s\ sintetizeze

proteine de origine uman\ sau animal\: insulina uman\, somatostatina, hormonul de cre[tere,

interferonul, ovalbumina.

Prin utilizarea ca vectori a virusurilor bacteriene (bacterofagi), s-a reu[it transferul unor gene

de la bacterii `n celulele umane. Gena care permite metabolizarea galactozei a fost transferat\ de la

Escherichia coli `n celulele umane, provenite de la un bolnav ce prezenta galactozemie.

~n tehnologia ADN recombinat se folosesc mai multe tipuri de enzime cum sunt:

enzime de restric]ie, care au rolul de a t\ia moleculele de ADN ale vectorului [i ale

pasagerului la anumite situsuri sau locuri de restric]ie;

ADN ligazele, care au rolul de a lega sau suda fragmentele de ADN alecvectorului sau

pasagerului;

revers transcriptaza, care copiaz\ informa]ia genetic\ din ARNm `n ADN;

terminal transferazele, care au rol `n formarea unor cozi poli A la capetele vehicolului [i

pasagerului.

Aplica]iile tehnologiei ADN recombinat

`n ob]inerea animalelor transgenice;

`n mutageneza in vitro;

`n modificarea genetic\ a microorganismelor industriale prin transferul de gene

sintetizatoare de antibiotice de la tulpini de streptomicete la tulpini de E. coli.

modificarea genetic\ a unor bacterii care produc proteine biologice active;

terapia genic\.

Ob]inerea animalelor transgenice

Prin animal transgenic se `n]elege un organism modificat genetic (OMG), respectiv un

organism c\ruia i s-a transferat o gen\ str\in\ (Houdebine, L-M, 1998).

Tehnologia de ob]inere a animalelor [i plantelor transgenice poart\ numele de transgenez\.

Transgeneza presupune nu numai transferul unor gene, ci [i `nlocuirea sau inactivarea unor gene.

Metode de transfer a genelor `n vederea ob]inerii organismelor transgenice

1. Transferul de gene `n gonade.

13

2. Transferul de gene `n game]i.

3. Microinjec]ia genelor `n embrioni (pronucleul spermatozoidului) - a dat cele mai bune

rezultate.

4. Metode de introducere mecanic\ a ADN-ului `n embrioni: metode biolistice [i

electroporarea.

5. Transferul genelor prin intermediul celulelor embrionare.

6. Transferul genelor cu ajutorul vectorilor retrovirali.

Aplica]iile animalelor transgenice

1. Aplica]ii `n cercetarea fundamental\

a) pentru studiul modului de func]ionare a genelor transferate [i a mecanismului de reglaj

a func]iilor biologice.

b) crearea de modele animale utilizate pentru studiul unor boli genetice la om: hemofilia,

arteroscleroza. Astfel, s-au ob]inut câini [i ovine transgenice cu hemofilie, iepuri, porcine cu

arteroscleroz\.

2. Aplica]ii practice

a) producerea de proteine recombinate `n laptele animalelor transgenice.

Aceast\ direc]ie vizeaz\ trei obiective: modificarea componen]ilor naturali ai laptelui,

ad\ugarea de noi componente `n lapte, producerea de proteine de interes farmaceutic `n lapte.

Dintre proteinele de uz farmaceutic [i veterinar produse `n laptele animalelor transgenice putem

aminti:

- hormonul de cre[tere uman, ce se folose[te `n tratamentul piticismului;

- factorii VII, IX de coagulare a sângelui, care sunt folosi]i `n tratamentul hemofiliei A [i

B;

- interleucina 2, care este folosit\ `n tratamentul unor boli ale sistemului imunitar;

- α1 antitripsina, care este medicament pentru tratamentul emfizemului pulmonar;

- factorul 1 de cre[tere, asem\n\tor insulinei (IGF1), care este un regulator de cre[tere.

b) modificarea organelor de la porcii transgenici, care s\ fie destinate grefelor la om.

c) terapia genic\ vizeaz\ lupta contra bolilor, prin transferul de gene in vivo `n celulele

somatice ale unui animal ce sufer\ de o anumit\ boal\.

d) ameliorarea genetic\ a performan]elor de cre[tere la animale.

3.2. HIBRIDAREA CELULAR|

Hibridarea celular\ presupune fuzionarea unor celule somatice provenite de la specii diferite, `n

prezen]a unor agen]i care m\resc frecven]a celulelor care fuzioneaz\: polietilenglicolul, virusul Sendai

inactivat.

14

Prin hibridare celular\ s-a reu[it ob]inerea unor hibrizi celulari: om - ]ân]ar, celule umane -

protopla[ti de morcov, tomate - cartofi etc.

Celulele hibride nu pot regenera organisme hibride, ci ele pot numai s\ se `nmul]easc\ [i s\

formeze clone celulare hibride.

Aplica]ii ale hibrid\rii celulare

- `n alc\tuirea h\r]ilor genetice cromozomiale;

- formarea unor celule hibride numite hibridoma, care sintetizeaz\ diverse tipuri de

anticorpi monoclonali.

Celulele hibridoma sunt celule hibride `ntre celulele limfocitare, produc\toare de anticorpi [i

celulele tumorale sau mielomatoase. Aceste celule au capacitatea de a cre[te pe mediile de cultur\ [i de

a produce anticorpi monoclonali.

3.3. CLONAREA ANIMALELOR

Este considerat\ o biotehnologie asociat\ transferului de embrioni, iar dup\ unii o tehnic\ a

ingineriei genetice prin care se manipuleaz\ genomul la animale. Clonarea este o metod\ foarte

frecvent `ntâlnit\ la plante [i la microorganisme ce se `nmul]esc asexuat.

Clonarea la animale presupune transferul nucleului unei somatice embrionare sau de adult (2n)

`ntr-o ovocit\ enucleat\. ~n acest fel un embrion sau un animal adult poate fi multiplicat `ntr-un num\r

mare de copii. Toate animalele rezultate prin clonare sunt identice din punct de vedere genetic.

La animale, clonarea vizeaz\ multiplicarea unor animale foarte valoroase `ntr-un num\r mare

de exemplare.

Exist\ dou\ metode de clonare:

1. Clonarea embrionar\ prin transferul unor nuclei diploizi proveni]i din celule embrionare

(blastomere) `n ovocite enucleate. Primele rezultate s-au ob]inut la oaie, apoi la taurine, porcine,

iepuri.

2. Clonarea animalelor prin transferul unor nuclei diploizi proveni]i din celule de animal

adult. Prin aceast\ metod\ s-a ob]inut la sfâr[itul anului 1996, oaia Dolly. A fost ob]inut\ prin

transferul unor nuclei diploizi proveni]i din celulele epiteliale ale glandei mamare `n ovocite enucleate.

Celulele epiteliului mamar au fost la `nceput multiplicate pe medii de cultur\. Aceste celule au fost

oprite `n faza G0 a ciclului celular. Aceasta s-a f\cut prin `nfometarea celulelor aflate `n cultur\, adic\

s-a redus serul fetal de vi]el, determinând celulele s\ intre `n faza G0. Celulele sunt apoi stimulate prin

electrofuziune [i `ncep s\ se divid\, rezultând un embrion care este apoi transferat `ntr-o femel\

receptoare.

15

Capitolul 4

NO}IUNI DE GENETICA POPULA}IILOR

~n practica zootehnic\, de cele mai multe ori, intereseaz\ mai mult grupurile de indivizi decât

individul ca atare. O grupare de indivizi, similar adapta]i unui anumit ansamblu de condi]ii de mediu

(unei ni[e ecologice), poart\ numele de popula]ie.

Tipul de popula]ie care trebuie luat `n considerare `n studiile de genetic\ este acela care

corespunde criteriilor unei popula]ii mendeliene (izolarea reproductiv\, diferen]ierea morfologic\ [i

fiziologic\ [i diferen]ierea prin cerin]e fa]\ de mediu).

Popula]ia mendelian\ reprezint\ un grup de indivizi care au un fond de gene comun [i care se

`nmul]esc efectiv `ntre ei asigurând ob]inerea unei noi genera]ii filiale (W.L.Johannsen). ~n ultimul

timp, pentru astfel de grup\ri de indivizi se folose[te mai frecvent termenul de popula]ie genetic\ sau

dem\ (P.Raicu, 1991).

Genetica popula]iilor, una dintre cele mai importante ramuri ale geneticii, studiaz\ cu ajutorul

metodelor matematice legile care guverneaz\ evolu]ia popula]iilor naturale sau artificiale, `n care se

realizeaz\ reproduc]ia sexuat\. Prin reproduc]ia sexuat\ se realizeaz\ schimbul de informa]ie genetic\

`ntre membrii s\i, respectiv circula]ia sa `n cadrul unei popula]ii. Genetica popula]iilor studiaz\, `n

general, dou\ aspecte: structura genetic\ a popula]iei respective la un moment dat [i dinamica

popula]iei, respectiv modific\rile care survin `n structura genetic\ a popula]iilor `n decursul

genera]iilor ca urmare a ac]iunii proceselor sistematice (migra]ia, muta]ia [i selec]ia) [i a proceselor

dispersive (driftul genetic [i consangvinizarea).

Atunci când se studiaz\ din punct de vedere genetic o popula]ie se are `n vedere situa]ia

referitoare la un anumit caracter cantitativ sau calitativ. Datorit\ faptului c\ fiecare caracter este

determinat de un anumit genotip, aceea[i popula]ie poate prezenta structuri genetice diferite pentru

fiecare caracter `n parte.

4.1. STRUCTURA GENETIC| A POPULA}IILOR

Structura genetic\ a unei popula]ii se determin\ pentru fiecare locus (caracter) `n parte [i

poate fi exprimat\ valoric prin frecven]a genelor [i a genotipurilor de la acel locus.

Frecven]a unei gene - exprim\ propor]ia pe care o ocup\ gena respectiv\ din totalul genelor

existente la acel locus `ntr-o popula]ie.

16

Frecven]a unui genotip - exprim\ propor]ia pe care o ocup\ acel genotip din totalul

genotipurilor existente la acel locus `ntr-o popula]ie.

Frecven]a genelor [i a genotipurilor poate fi exprimat\ `n valri zecimale (valori de la 0 la 1),

sau `n procente (valori de la 0 la 100 %).

~n cazul unui caracter determinant de dou\ gene situate `n acela[i locus, una dominant\ A [i

cealalt\ recesiv\ a este posibil\ existen]a `n popula]ie a trei genotipuri: AA, Aa [i aa.

De obicei frecven]a unei gene dominante A se noteaz\ cu p, iar frecven]a genei recesive a se

noteaz\ cu q. Suma frecven]elor celor dou\ gene este egal\ cu 1 sau 100% (p+q=1 sau 100%).

~ntr-o popula]ie poate fi calculat\ frecven]a observat\ a genotipurilor [i frecven]a a[teptat\ a

acestora.

Frecven]a observat\ a genotipurilor se poate nota cu literele P, H [i Q [i se ob]ine raportând

num\rul de indivizi din fiecare genotip la num\rul total de genotiputi.

Frecven]a a[teptat\ a genotipurilor la descenden]i se noteaz\ cu p2, 2pq [i q2, aceasta fiind

rezultatul desf\[ur\rii binomului (p+q)2, `n care p [i q reprezint\ frecven]a genelor din game]ii

p\rin]ilor.

Genotipuri AA Aa Aa

Frecven]a observat\ a genotipurilor P H Q

Frecven]a a[teptat\ a genotipurilor p2 2pq q2

`n care: P+H+Q = 1 sau 100%

(p+q)2= p2+2pq+q2=1 sau 100%

Structura genetic\ a unei popula]ii, exprimat\ valoric prin frecven]a genelor [i a genotipurilor,

poate fi calculat\ `n mod diferit `n func]ie de interac]iunile care se stabilesc `ntre genele alele

(dominan]a complet\ sau dominant\ incomplet\) [i de num\rul alelelor la acela[i locus (dou\ sau

trei).

Frecven]a genelor `n cazul dominan]ei incomplete (semidominan]a)

Determinarea frecven]ei genelor de la acela[i locus `ntr-o popula]ie este relativ facil\ `n cazul

caracterelor care se transmit dup\ dominan]a incomplet\ (semidominan]\), deoarece fiec\rui fenotip

observat `i corespunde un anumit genotip. De exemplu culaorea penajului la g\inile de Andaluzia se

transmite dup\ dominan]a incomplet\, ceea ce `nseamn\ c\ g\inile cu penajul negru sunt homozigote

AA, g\inile cu penajul alb\strui sunt heterozigote Aa, iar cel cu penajul alb sunt homozigote aa.

S\ presupunem c\ o popula]ie de g\ini de Andaluzia este alc\tuit\ din N=1000 indivizi, dintre

care 300 cu penajul negru (NAA= 300), 600 de indivizi cu penajul de culoare alb\struie(NAa) = 600) [i

100 de indivizi de culoare alb\ (Naa= 100)

17

Frecven]a genelor [i a genotipurilor care determin\ culoarea penajului `n aceast\ popula]ie va

fi calculat\ `n continuare.

Calcularea frecven]ei observate a genotipurilor `n popula]ie (p,H [i Q):

P = NAA/N= 300/1000= 0,30

H= NAa/N = 600/1000=0,60

Q= Naa/N= 100/1000= 0,10

de unde:

P+H+Q= 0,30+0,60+0,10 =1

Calcularea frecven]ei genelor (p [i q) se pote face `n dou\ moduri:

a). `n func]ie de num\rul de indivizi observa]i din fiecare genotip

60,01000

6002/13002/1=

×+=

×+=

NNN

p AaAA

40,01000

6002/11002/1=

×+=

×+=

NNNq Aaaa

b) `n func]ie de frecven]a observat\ a genotipurilor (P,H,Q)

p = P + 1/2xH = 0,30 +1/2 x 0,60 = 0,60

q= Q+1/2 x H = 0,10 +1/2 x 0,60 = 0,40

Calcularea frecven]ei a[teptate a genotipurilor la descenden]i (p2, 2pq [i q2) se realizeaz\

desf\[urând binomul lui Newton:

(p+q)2= p2+2pq +q2= 1

(0,60 +0,40)2= 0,36 +0,48 +0,16 =1

p2= 0,36 - frecven]a a[teptat\ a genotipului homozigot (AA);

2pq = 0,48 - frecven]a a[teptat\ a genotipului heterozigot (Aa);

q2= 0,16 - frecven]a a[teptat\ a genotipului homozigot (aa).

Frecven]a genelor `n cazul dominan]ei complete

Când locusul considerat se instaleaz\ o interac]iune de dominan]\ [i recesivitate (dominan]\

complet\), genotipul heterozigot (Aa) nu mai poate fi identificat fenotipic, fiind asem\n\tor cu

genotipul homozigot dominant (AA) [i deci nu i se mai pote determina propor]ia. Cunoscând c\

genotipul homozigot recesiv (aa) se manifest\ fenotipic diferit de celelalte dou\ (AA [i Aa) [i c\

frecven]a acestuia este egal\ cu q2 sau Q, se pote determina frecven]a genei recesive a notat\ cu q,

conform rela]iei de mai jos:

q= 2q sau q= Q

`n care q2 sau Q reprezint\ frecven]a a[teptat\ [i respectiv observat\ a genotipurilor homozigote

recesive.

18

q2 sau Q =NNaa

[tiind c\ p+q= 1, se poate calcula frecven]a genei dominante, notat\ cu p:

p=1-q

~n cazul unui caracter care se transmite dup\ dominan]a complet\nu este posibil\ determinarea

frecven]elor observate ale genotipurilor homozigote dominante (P) [i ale genotipurilor heterozigote

(H).

Pentru aceste caractere se pote determina numai frecven]a a[teptat\ a genotipurilor prin

desf\[urarea binomului (p+q)2:

(p+q)2= p2+2pq+q2

Frecven]a genelor `n cazul alelismului multiplu (polialelismul)

Prin i alelism multiplu sau polialelism se `n]elege acea situa]ie `n care la un anumit locus `ntr-

o popula]ie exist\ mai mult de dou\ gene alele care detrmin\ acela[i caracter.

~ntre genele situate la acela[i locus (polialele) pot s\ existe interac]iuni de codominan]\, de

dominan]\ complet\ sau de domina]\ [i codominan]\ simultan.

Frecven]a genelor `n care alelismul multiplu, cân `ntre gene exist\ interac]iuni de

codominan]\, se calculeaz\ relativ simplu, luând `n considerare num\rul indivizilor homozigo]i pe

gena respectiv\ plus jum\tate din num\rul heterozigo]ilor care de]in gena respectiv\, raportat la

num\rul total de genotipuri.

De exemplu, la taurinele din rasele europene tipurile de transferine serice sunt controlate de trei

polialele A, D, [i E `ntre care exist\ interac]iuni de codominan]\ (adic\ lipsa de dominan]\). Cele trei

polialele pot forma [ase genotipuri: AA, DD, EE, AD, AE, DE, a c\ror frecven]\ poate fi estimat\.

Frecven]a genelor `nl\n]uite se sexul (sex-linkate)

Unele caractere sunt determinate de gene situate pe heterozomi (cromozomii sexului). La

mamifere numai cromozomul X este purt\tor de astfel de gene, iar la p\s\ri numai cromozomul Z.

Aceste gene poart\ numele de gene `nl\n]uite cu sexul, sau gene heterozomale. Frecven]a genelor

heterozomale se calculeaz\ diferit de frecven]a genelor situate pe autozomi. Dac\ la om se ia `n

considerare un locus heterozomal cu dou\ alele: alela D care determin\ vederea normal\ [i alela d

care determin\ daltonismul, la femei sunt posibile trei genotipuri, iar la msculi dou\ genotipuri. ~n

aceast\ situa]ie se poate calcula frecven]a genotipurilor [i frecven]a genelor separat pentru fiecare sex,

precum [i frecven]a medie a genelor pe `ntreaga popula]ie. Frecven]a genelor la femele se calculeaz\

bazându-ne pe principiu de la dominan]a incomplet\, iar la msculi frecven]a genelor este egal\ cu

frecven]a genotipurilor. Determinarea frecven]ei medii a genelor pe `ntreaga popula]ie (masculi +

femele), se va face prin `nsumarea frecven]elor genelor de la cele dou\ sexe, ]inându-se seama de

faptul c\ `n popula]ie 2/3 din genele legate de sex se g\sesc la sexul femel [i 1/3 la sexul mascul:

19

fpp 3/2= RHPpm 3/1)2/1(3/23/1 ++=+

fpq 3/2= SHQqm 3/1)2/1(3/23/1 ++=+

Sexul Femel Mascul

Genotipuri XDXD XDXd XdXd XDY XdY

Num\r de indivizi N1 N2 N3 N4 N5

Ferecven]a genotipurilor P=N1/Nf H=N2/Nf Q=N3/Nf R=N4/Nm S=N5/Nm

Frecven]a genelor pf=P+1/2H

qf=Q+1/2H

pm=R

qm=S

20

Capitolul 5

PROCESELE CARE MODIFIC| STRUCTURA GENETIC| A POPULA}IILOR

Procesele care conduc la scoaterea popula]iilor din echilibru genetic [i deci la modificarea

structurii genetice a unei popula]ii (frecven]ei genelor [i a genotipurilor), pot fi grupate `n dou\

categorii:

- procese sistematice care modific\ structura genetic\: selec]ia, migra]ia, muta]ia;

- procese dispersive care modific\ structura genetic\ a popula]iilor: driftul genetic (jocul

`ntâmpl\rii) [i consangvinizarea.

5.1. PROCESELE SISTEMATICE CARE MODIFIC| STRUCTURA GENETIC|

A POPULA}IILOR

Procesele sistematice modific\ atât frecven]a genelor cât [i a genotipurilor `ntr-o popula]ie.

Modificarea produs\ de aceste procese `n structura genetic\ a popula]iilor este ireversibil\.

5.1.1. Migra]ia

Migra]ia prezint\ dou\ forme:

- imigra]ia - intrarea unor indivizi `n popula]ie prin cump\r\ri de indivizi din alt\ popula]ie,

`ncruci[are cu alt\ ras\, `ns\mân]are artificial\ cu material seminal provenit de la reproduc\torii din

alte popula]ii;

- emigra]ia - ie[irea unor indivizi dintr-o popula]ie prin vânz\ri, transfer\ri [i mortalit\]i.

Pentru a stabili modific\rile survenite `n frecven]a genelor `ntr-o popula]ie `n urma migra]iei,

trebuie s\ se cunoasc\ fercven]a genelor `n popula]ia ini]ial\ (p0 [i q0), frecven]a migran]ilor (m) [i

frecven]a genelor la indivizii migran]i (pm [i qm)

Frecven]a genelor din popula]ie dup\ migra]ie (p1 [i q1) se deduce din rela]iile:

p1 = p0 + m (pm - p0)

q1 = q0 + m (qm - q0)

Modificarea frecven]ei genelor ca efect al migra]iei (∆p [i ∆q), se calculeaz\ f\când diferen]a

dintre frecven]a genelor `nainte [i dup\ migra]ie:

∆p = p1 - p0 = p0 + m (pm - po) - p0 = m (pm - p0)

21

∆q = q1 - q0 = q0 + m (qm - q0) - q0 = m (qm - q0)

Migra]ia va produce modific\ri mai mari `n structura genetic\ a populaiei atunci când propor]ia

migran]ilor (m) este mai mare [i când diferen]a dintre frecven]a genelor la migran]i [i frecven]a

genelor `n popula]ia ini]ial\ (pm - p0 [i respectiv qm - q0) este mai mare.

Popula]ia supus\ migra]iei intr\ `n echilibru genetic, respectiv nu se produce nici o modificare

`n structura genetic\ (∆p = 0 [i ∆q = 0), atunci când fercven]a genelor la migran]i este egal\ cu

frecven]a genelor din popula]ia ini]ial\: pm = p0 [i qm = q0.

5.1.2. Muta]ia

Muta]ia este un proces sistematic care modific\ structura genetic\ a popula]iilor, respectiv

modific\ frecven]a genelor [i a genotipurilor.

Muta]ia poate fi de dou\ feluri:

- muta]ie nerepetat\ (nerecurent\), care nu se repet\ `n fiecare genera]ie [I este limitat\ la

un num\r mic de indivizi. Acest tip de muta]ie prezint\ o foarte mic\ importan]\ `n modificarea

structurii genetice a unei popula]ii. O astfel de muta]ie poate produce, `n timp, modificarea structurii

genetice a unei popula]ii `n cazul `n care muta]ia este favorabil\ [i este avantajat\ de selec]ie;

- muta]ie repetat\ (recurent\), care se poate repeta `n fiecare genera]ie [i afecteaz\ mai

mul]i indivizi. Se poate repeta `n fiecare genera]ie, cu o frecven]\ caracteristic\, ce afecteaz\ mai mul]i

indivizi. Acest tip de muta]ie intervine ca proces sistematic `n modificarea structurii genetice a unei

popula]ii.

Dup\ sensul `n care au loc muta]iile, ele pot fi de dou\ feluri:

1. muta]ii `nainte, când o gen\ dominant\ A muteaz\ `ntr-o gen\ recesiv\ a;

2. muta]ii `napoi (retromuta]ie), când o gen\ recesiv\ a muteaz\ `ntr-o gen\ dominant\ A.

Ritmul muta]iei `nainte se noteaz\ cu u [ reprezint\ propor]ia tuturor genelor normale (A) care

sunt transformate `n gene mutante (a)

A a

u

a A

v

22

Ritmul de muta]ie `napoi se noteaz\ cu v [i reprezint\ propor]ia tuturor genelor mutante (a)

care se transform\ `n gene normale (A) de la o genera]ie la alta.

5.1.3. Selec]ia

Selec]ia este cel mai important proces sistematic care modific\ structura genetic\ a popula]iei.

Modificarea produs\ ` structura genetic\ de c\tre selec]ie este ireversibil\ `n momentul `ncet\rii

selec]iei.

Selec]ia const\ `n re]inerea unor indivizi (genotipuri) la reproduc]ie [i eliminarea altor indivizi

de la reproduc]ie.

Modific\rile mai mari sau mai mici `n structura genetic\ a unei popula]ii, produse de c\tre

selec]ie, depinde de dou\ elemente:

valoarea coeficientului de selec]ie (s);

de frecven]a genelor `nainte de selec]ie (p0 [i q0).

Modific\ri mai mari se vor ob]ine atunci când coeficientul de selec]ie (s) este egal cu 1 sau este

apropiat de 1 [i când frecven]a genelor `nainte de selec]ie este mai diferit\ (p0 [i q0).

Coeficientul de selec]ie, notat cu s, ne red\ propor]ia indivizilor dintr-un genotip oarecare,

elimina]i de la reproduc]ie.

Coeficientul de selec]ie poate lua valori `ntre 0 [i 1. Când s = 1 se face o selec]ie total\

`mpotriva genotipului respectiv, când s=0 nu se face selec]ie, iar când s<1 se face selec]ie par]ial\.

~n func]ie de genotipul `mpotriva c\ruia se orienteaz\ selec]ia, pot exista mai multe situa]ii:

selec]ia `mpotriva homozigo]ilor recesivi, selec]ia `mpotriva heterozigo]ilor, selec]ia `mpotriva

homozigotului dominant, selec]ia `mpotriva celor doi homozigo]i [i selec]ia `mpotriva fenotipului

dominant.

Selec]ia `mpotriva homozigo]ilor recesivi

Acest tip de selec]ie presupune eliminarea total\ sau par]ial\ a genotipurilor homozigote

recesive de la reproduc]ie [i admiterea tuturor genotipurilor homozigote dominante [i a celor

heterozigote.

Pentru a putea calcula frecven]a genelor dup\ selec]ie (p1 [i q1) este necesar\ stabilirea

frecven]ei genotipurilor `nainte de selec]ie, a capacit\]ii genotipice [i a contribu]ieie gametice a

fiec\rui genotip. Contribu]ia gametic\ a celor trei genotipur se ob]ine `nmul]ind frecven]a

genotipurilor cu capacitatea genotipic\.

~n principiu frecven]a unei gene dup\ selec]ie se afl\ luând `n considerare la num\r\tor

contribu]ia genetic\ a homozigotului pe gena respectiv\ plus jum\tate din contribu]ia gametic\ a

heterozigo]ilor, raportat\ la suma contribu]iilor gametice a celor trei genotipuri.

23

Genotipurile AA Aa aa

Frecven]a genotipurilor p2 2pq q2

Capacitatea genotipic\ 1 1-s 1

Contribu]ia gametic\ p2 2pq(1-s) q2

Frecven]a genelor dup\ selec]ie se calculeaz\ potrivit rela]iilor de mai jos:

pqsspqpp

21)1(2

1 −−+

=

pqsspqqq

21)1(2

1 −−+

=

Modificarea frecven]ei genelor ca efect al selec]iei se poate calcula ca rezultat al diferen]ei

dintre frecven]a genelor dup\ selec]ie [i frecven]a genelor `nainte de selec]ie:

01 ppp −=∆

01 qqq −=∆

Modific\ri mai mari `n urma selec]iei vor rezulta atunci când coeficientul de selec]ie (s) este

egal cu 1 sau este apropiat de 1 [i când p0 este diferit de qo.

Men]ion\m c\ `n cazul `n care cele dou\ gene au frecven]e inegale `nainte de selec]ie, `n urma

selec]iei `mpotriva genotipului heterozigot va cre[te [i mai mult frecven]a genei care ini]ial avea

ponderea mai mare.

Popula]ia supus\ selec]iei `mpotriva heterozigo]ilor va intra `n echilibru genetic (nu se

produce nici o modificare `n structura genetic\) când frecven]a genelor `nainte de selec]ie este egal\

(p0=q0=0,5).

Selec]ia `mpotriva celor doi homozigo]i

Acest tip de selec]ie presupune admiterea la reproduc]ie a tuturor genotipurilor heterozigote [i

eliminarea par]ial\ sau total\ a genotipurilor homozigote (AA [i aa).

Genotipurile AA Aa aa

Frecven]a genotipurilor p2 2pq q2

Capacitatea genotipic\ 1-s1 1 1-s2

Contribu]ia gametic\ p2(1-s1) 2pq q2(1-s2)

Frecven]a genelor dup\ selec]ie va fi:

1p( )

22

12

12

11

sqsppqsp

−−+−

= q1

( )2

21

22

2

11

sqsppqsq

−−+−

=

~n aceste rela]ii p [i q reprezint\ frecven]a genelor `nainte de selec]ie, iar s1 [i s2, coeficien]ii de

selc]ie cu care se ac]ioneaz\ `mpotriva celor doi homozigo]i.

24

Modificarea frecven]ei genelor ca efect al selec]iei:

∆p=p1-p0

∆p=q1-q0

Modific\ri mai mari `n structura genetic\ se vor produce, atunci când s1 este cât mai diferit de

s2 [i p0 cât mai diferit de q0. Modific\ri `n structura genetic\ se vor realiza atunci când frecven]a

genelor `nainte de selec]ie este apropiat\ [i când cei doi coeficien]i de selec]ie sunt apropia]i ca valoare

de exemplu, p0= 0.55 [i q0= 0,45; s1= 0,20 [i s2= 0.10.

Popula]ia intr\ `n echilibru genetic la valori egale ale coeficien]ilor de selec]ie (s1= s2) [i la

valori egale ale frecven]elor de grn\ (p0=q0= 0.5).

Frecven]a a[teptat\ a genotipurilor dup\ selec]ie se afl\ desf\[urând binomul:

(p1+q1)2= p1

2+2p1 q1+q1 2

Selec]ia `mpotriva homozigotului dominant

Acest tip de selec]ie presupune eliminarea total\ sau par]ial\ a genotipurilor dominante (AA)

de la reproduc]ie [i admiterea tuturor genotipurilor heterozigote [i homozigote recesive.

~n acest caz, cele mai mari modific\ri `n structura genetic\ a popula]iilor se vor produce atunci

când gena dominant\ `nainte de selec]ie are o frecven]\ crescut\ [i când se ac]ioneaz\ cu un coeficient

de selec]ie (s) egal cu 1 sau apropiat de 1.

Genotipurile AA Aa aa

Frecven]a genotipurilor p2 2pq q2

Capacitatea genotipic\ 1-s 1 1

Contribu]ia gametic\ p2(1-s) 2pq q2

Frecven]a genelor dup\ selec]ie :

1p( )

sppqsp

21

2

11−

+−= q1 sp

pqq2

2

1−+

=

Selec]ia `mpotriva fenotipului dominant

~n cazul unui caracter care se transmite dup\ dominan]a complet\ organismele homozigote

dominante [i cele heterozigote manifest\ fenotipul dominant. Selec]ia `ndreptat\ `mpotriva fenotipului

dominant presupune excluderea par]ial\ sau total\ de la reproduc]ie a genotipurilor homozigote

dominante (AA) [i a genotipurilor heterozigote (Aa).

25

5.2. PROCESELE DISPERSIVE CARE MODIFIC| STRUCTURA GENETIC|

A POPULA}IILOR

Procesele dispersive care pot ac]iona `n popula]ii sunt reprezentate de driftul genetic (jocul

`ntâmpl\rii) [i de consangvinizare.

5.2.1. Driftul genetic

Driftul genetic este un proces dispersiv care mofic\ la `ntâmplare structura genetic\ a unei

popula]ii mici (linie, familie).Aceast\ modificare `ntâmpl\toare a structurii genetice se datoreaz\

particip\rii nerandomizate (cu [anse neegale) a game]ilor masculi [i femeli la formarea genera]iei

descendente.

~n popula]iile cu un num\r mare de indivizi, driftul genetic nu se modific\ structura genetic\,

deoarece `n aceste popula]ii to]i game]ii masculi [i femeli particip\ cu [anse egale la fecunda]ie.

Driftul genetic poate conduce la fixarea unor gene `n popula]ii când acestea ating frecven]a 1 [i

la pierderea altor gene când ating frecven]a 0 (p=1 [i q=0 sau p=0 [i q=1).

Driftul genetic conduce la cre[etrea gradului de homozigo]ie [i reducerea gradului de

heterozigo]ie.

Modificarea `n structura genetic\ a unei popula]ii mici, `n urma ac]iunii driftului genetic se

poate aprecia prin intermediul varian]ei erorii de prob\ ( p∆2σ [i qp

2σ ).

p∆2σ =

Nqp

200 × ; q2σ =

Nqp

200 ×

`n care:

p0 [i q0 reprezint\ frecven]a genelor `n popula]ie ini]ial\;

N= m\rimea popula]iei.

Din aceast\ rela]ie se poate constata cu cât num\rul de indivizi din popula]ie (N) este mai mic,

cu atât varian]a erorii de prob\ va fi mai mare, ceea ce `nseamn\ c\ structura genetic\ se va modifica

mai mult.

Pentru exemplificare s\ lu\m `n considerare o popula]ie mare alc\tuit\ din 500.000 indivizi, `n

care frecven]a genelor este p0=q0= 0.5 [i o popula]ie mic\ alc\tuit\ din 50 indivizi, `n care frecven]a

genelor este identic\ cu cea din popula]ia mare, adic\ p0 = q0 = 0.5.

~n popula]ia mai mic\ de 50 indivizi, frecven]a genelor [i a genotipurilor se modific\ mai mult

decât `n cea mare de 500000 indivizi.

Varian]a erorii de prob\ `n cele dou\ popula]ii va fi egeal\ cu :

p∆2σ = q2σ = 0025.0

10025.0

5025.05.0

==×

×

26

p∆2σ = q2σ = 00000025.0

100000025.0

500000025.05.0

==×

×

Rezult\ c\ `n popula]ia mic\ (N=50) varian]a erorii de prob\ este mult mai mare fa]\ de

popula]ia mare (N=500000), ceea ce `nseamn\ c\ `n popula]ia mic\ driftul genetic modific\ mai mult

frecven]a celor dou\ gene.

5.2.2. Consangvinizarea

Consangvinizarea este un proces dispersiv care modific\ frecven]a genotipurilor [i las\

neschimbat\ frecven]a genelor.

Consangvinizarea reprezint\ un sistem de dirijare a `mperecherilor, care presupune

`mperecherea indivizilor `nrudi]i `ntre ei (tat\ x fiic\, mam\ x fiu, semifrate x semisor\). ~mperecherea

indivizilor `nrudi]i, care sunt asem\n\tori genotipic, va duce la ob]inerea unor descenden]i cu un grad

mai mare de homozigo]ie.

Consangvinizarea are trei efecte:

conduce la dispersia popula]iei `n subpopula]ii;

conduce la fixarea unor gene `n popula]ie [i la pierderea alelelor acestora;

conduce la ridicarea gradului de homozigo]ie [i la sc\derea gradului de heterozigo]ie.

27

Capitolul 6

NO}IUNI DE GENETIC| CANTITATIV|

CARACTERELE CANTITATIVE: DEFINI}IE, PROPRIET|}I, DETERMINISM GENETIC

{I COMPONENTELE VALORII MEDII FENOTIPICE

Demonsatrarea interac]iunilor genelor alele [i a genelor nealele , precum [i a modului `n care

diferitele procese sistematice [i dispersive modific\ structura genetic\ a unei popula]ii s-a f\cut prin

luarea `n considerare a unor caractere calitative.

Caracterele calitative sunt caractere manifestate de diferite organisme, care nu pot fi m\surate,

ci pot fi doar descrise (culoarea robei, culoarea penajului, culoarea ochilor, forma aripilor etc).

Caracterele calitative prezint\ urm\toarele propriet\]i:

prezint\ st\ri alternante (prezen]a pigmentului - lipsa pigmentului; pigment de o

culoare- pigment de alt\ culoare; prezen]a coarnelor- lipsa coarnelor etc).

sunt controlate de un num\r mic de perechi de gene (1-3 perechi de gene) , ceea ce duce

la segregarea fenotipurilor `n clase pu]ine [i tran[ante;

varia]ia caracterelor calitative este discontinu\, fiecare fenotip putând fi plasat cu

u[urin]\ `ntr-o clas\ distinct\;

sunt pu]in sau deloc influen]ate de condi]iile de mediu, ca urmare a efectului genelor

majore care le determin\;

rareori ele constituie obiective ale amelior\riii animalelor.

Caracterele cantitative sunt caractere metrice, sau m\surabile. Din aceast\ categorie fac parte

`nsu[irile economice ale animalelor (produc]ia de lapte, produc]ia de lân\, produc]ia de ou\, greutatea

corporal\, procentul de gr\sime din lapte etc).

Caracterele cantitative prezint\ urm\toarele propriet\]i:

nu prezint\ st\ri alternante [i nici discontinuitate `n manifestare;

sunt determinate de un num\r mare de gene, de la loci diferi]i, care ac]ioneaz\ aditiv

(poligene);

prezint\ o varia]ie continu\, care reprezentat\ grafic are forma curbei lui Gauss;

factorii de mediu au o influen]\ mai mare sau mai mic\ asupra manifest\rii fenotipice

a acestora (cele cu heritabilitate mare sunt mai pu]in influen]ate de factorii de mediului, iar cele cu

heritabilitate mic\ sunt mai mult influen]ate de aceea[i factori);

aceste caractere `n toate cazurile obiective ale amelior\rii popula]iilor de animale.

28

6.1. Determinismul genetic al caracterelor cantitative

Caracterele cantitative au un determinism genetic complex, fiind determinate `n principal de

gene minore (poligene) dar uneori [i de gene majore.

Genele minore prezint\ efecte mici luate `n mod izolat [i ele nu au posibilitatea de a cauza o

discontinuitate vizibil\ `n fenotip.

Genele minore se mai numesc [i gene poligene sau gene aditive, deoarece ele `[i acumuleaz\

efectul `n determinarea valorii fenotipice a unui caracter cantitativ.

Varia]ia provocat\ de poligene se nume[te varia]ie poligenic\ (continu\) [i ea este provocat\

de segregarea simultan\ a mai multor perechi de poligene situate `n loci diferi]i. Fiecare gen\ din

complexul poligenic contribuie cu o mic\ propor]ie de varia]ie continu\ a acestor caractere, motiv

pentru care ele se numesc gene minore.

Genele majore intervin [i ele uneori `n determinismul genetic al caracterelor cantitative pe

lâng\ genele minore. Genele majore pot fi implicate `n determinismul genetic al acestor caractere fie

prin interac]iuni alelice (dominan]\, supradominan]\), fie prin interac]iuni nealelice (epistazie).

Genele majore conduc la modificarea (devierea) valorii genetice aditive (efectul mediu al

poligenelor), m\rind-o sau mic[orând-o.

6.2. Valoarea fenotipic\ [i componentele sale

Valoarea unui caracter cantitativ m\surat\ pe un individ este valoarea fenotipic\ a individului

respectiv cu privire la caracterul considerat. Pentru a analiza cauzele determinate a valorii fenotipice

`n p\r]ile ei componente.

Valoarea fenotipic\ a unui caracter cantitativ (P) poate fi descompus\ `n doi componen]i de

baz\, unul atribuit influen]ei condi]iilor negenetice, denumite `n general, condi]ii de mediu (E).

Genotipul este constituit din suma genelor unui individ care determin\ apari]ia unui caracter

oarecare, iar condi]iile de mediu din totalitatea factorilor negenetici care pot devia valoarea genotipic\.

Deci, valoarea fenotipic\ (P) a unui caracter sau a unui individ este compus\ din valoarea genotipic\

(G) [i din devia]ia mediului (E):

P=G+E

Valoarea genotipic\ a caracterelor cantitative nu poate fi m\surat\ direct pe individ datorit\

determinismului genetic poligenic. Ea poate fi estimat\ `ns\ prin intermediul valorii medii fenotipice a

individului sau dup\ valoarea medie fenotipic\ a ascenden]ilor, a rudelor colaterale, sau a

descenden]ilor.

29

Valoarea genotipic\ a unui individ poate fi descompus\ la rândul ei `n urm\toarele

componente: valoarea de amelioarare (valoarea genetic\ aditiv\) notat\ cu A, devia]ia datorat\

dominan]ei notat\ cu D [i devia]ia datorat\ epistaziei notat\ cu I.

G=A+D+I

Valoarea de ameliorare (A) este cea mai important\ component\ a valorii genotipice, fiind

determinat\ de efectul mediului a poligenelor pe care le poart\ un individ [i le transmite descenden]ilor

s\i. Valoarea unui individ apreciat\ prin intermediul valorii medii a descenden]ilor s\i este denumit\

valoare de ameliorare, sau valoare genetic\ de reproduc]ie. ~n princpiu, valoarea de ameliorare a unui

reproduc\tor este egal\ cu de dou\ ori devia]ia descenden]ilor s\i (Md) de la media popula]iei (M).

A= 2(Md-M)

Pentru caracterele cantitative, valoarea de ameliorare constituie m\rimea pe baza c\reia se

apreciaz\ reproduc\torii `n vederea selec]iei. Ea mai este cunoscut\ [i sub denumirea de capacitatea

combinativ\ general\ [i reprezint\ poten]ialul genetic pe care `l poate transmite un reproduc\tor

descenden]ilor s\i indiferent de partenerii cu care se `mperecheaz\.

Devia]ia datorat\ dominan]ei (D). ~n unele cazuri valoarea de ameliorare (A) poate s\ fie

modificat\ de interac]iunile genelor alele (dominan]\, supradominan]\) cu o anumit\ cantitate. Aceast\

cantitate denumit\ devia]ia datorat\ dominan]ei constituie o componen]\ a valorii genotipice.

Rezult\ c\ `n absen]a dominan]ei (D=0) [i a epistaziei (I=0), valoarea de ameliorare coincide cu

valoarea genotipic\ (A=G).

M\rimea devia]iei datorat\ dominan]ei depinde de frecven]a genelor din popula]ie [i de

m\rimea gradului de dominan]\ a alelelor implicate.

Devia]ia datorat\ interac]iunii genelor nealele sau epistaziei (I). Caracterele cantitative

determinate de poligene, deci de gene situate la mai mul]i loci, pot s\ prezinte valoarea de ameliorare

deviat\ [i de efrectele interac]iunii genelor nealele )interac]iunii, epistaziei).

Interac]iuneade epistazie poate s\ formeze obiectul a doi, trei, sau mai mul]i loci. Devia]ia

datorat\ epistaziei (I) reprezint\ devia]ia de la combina]ia aditiv\ a doi sau mai mul]i loci.

~n practica amelior\rii animalelor valorile devia]iei datorat\ dominan]ei (D) [i cele ale

interac]iunii de epistazie (I) au o deosebit\ importan]\, pentru c\ ele semnific\ valoarea de ameliorare

special\, sau capacitatea combinativ\ special\ a unui reproduc\tor.

Capacitatea combinativ\ special\ reprezint\ capacitatea unui individ, rase sau linii de a da

descenden]i mai valoro[i prin `mperecherea numai cu anumi]i indivizi, rase, linii.

Devia]ia datorat\ mediului (E) poate fi descompus\ la rândul ei `n dou\ componente: devia]ia

mediului general (Eg) [i devia]ia mediului special (Es)

Rezult\ c\ factorii de mediu general [i special pot produce devierea valorii genotipice (G),

m\rind-o sau mic[orând-o.

30

Capitolul 7

VARIAN}A FENOTIPIC| {I COMPONENTELE SALE

Varian]a este un statistic care m\soar\ cât sunt de mari diferen]ele dintre indivizii unei

popula]ii cu privire la un caractere cantitativ.

Varian]a este exprimat\ prin media p\tratelor abaterilor.

Varian]a fenotipic\ (total\) a unui caracter cantitativ are dou\ categorii de componen]i:

componen]i cauzali [i componen]i observa]ionali.

7.1. COMPONEN}II CAUZALI AI VARIAN}EI

Componen]ii cauzali ai varian]ei fenotipice sunt de natur\ genetic\ [i de mediu [i sunt

reprezenta]i de :varaian]a genetic\ aditiv\ (VA), varian]a genetic\ de dominan]\ (VD), varian]a genetic\

de epistazie (VI), varian]a mediului general (VEg) [i varian]a mediului special (VEs).

VP= VG+VE= VA+VD+VI+VEg+VEs

Varaian]a genetic\ aditiv\ (VA) este cel mai important component al varian]ei genotipice.

Acest tip de varian]\ este determinat de genele aditive (poligene) care reprezint\ principala categorie

de gene care determin\ caracaterle cantitative. Varian]a aditiv\ este cauza asem\n\rii dintre indivizi

`nrudi]i (fra]i, semifra]i, p\rin]i-descenden]i).

M\rimea varian]ei genetice dintr-o popula]ie depinde de frecven]a genelor implicate `n

determinarea unui caracater cantitativ. Varian]a aditiv\ ia valori maxime când frecven]a genelor care

intervin `n determinarea unui caracater cantitaiv se situeaz\ la valori intermediare. Modificarea

frecven]ei genelor prin intermediul proceselor sistematice (migra]ie, muta]ie, selec]ie) [i prin procesele

dispersive (drift [i consangvinizare) atrage dup\ sine modificarea valorii medii fenotipice a popula]iei

(P), a valorii genetice aditive (A) [i `n acela[i timp modificarea valorii varian]ei genetice aditive (VA).

Varian]a aditiv\ sau varian]a valorii de ameliorare este frac]iunea din varian]a genetic\ care se

poate determina cu u[urin]\ [i precizie pe baza observa]iilor sau m\sur\torilor efectuate `ntr-o

popula]ie, cu privire la un caracter cantitativ. Cunoscând valoarea varian]ei genetice aditive [i a

varian]ei fenotipice cu privire la un caracter cantitativ se poate estima cel mai important parametru

genetic al caracterlor cantitative, respectiv heritabilitatea.

Heritabilitatea (h2) poate fi estimat\ `mp\r]ind varian]a aditiv\ la varian]a fenotipic\ (h2=

VA/VP).

31

Varian]a genetic\ datorat\ dominan]ei (VD) constituie cele de al doilea component al varian]ei

genotipice [i se datoreaz\ interac]iunii genelor alele de tipul dominan]ei complete, dominan]ei

incomplete sau supradominan]ei.

Varian]a datorat\ dominan]ei produce o devia]ie a varian]ei genetice aditive, devia]ie a c\rui

ordin de m\rime depinde de frecven]a genelor, precum [i de gradul de dominan]\ al alelelor implicate.

Varian]a genetic\ datorat\ interac]iunii genelor nealele, sau varian]a de epistazie (VI) este

cel de al treilea component al varian]ei genetice care provoac\ o cantitate suplimentar\ de varia]ie

genetic\, ca urmare a interac]iunii genelor nealele. Varian]a datorat\ interac]iunii va influen]a m\rimea

varian]ei aditive [i a varian]ei datorate dominan]ei.

Varian]a datorat\ interac]inii genelor nealele poate face obiectul a doi, trei sau mai mul]i loci.

Poate s\ existe o interac]iune `ntre dou\ valori de ameliorare , care d\ na[tere unei varian]e

de tipul aditiv x aditiv (VAA). De asemenea, poate s\ existe o interac]iune `ntre valoarea de ameliiorare

de la un locus [i devia]ia de dominan]\ de la alt locus, care provoac\ varian]a aditiv x dominan]a

(VAD), precum [i interac]iunea `ntre devia]ii datorit\ dominan]ei (de la doi loci) care produce varia]ia

dominan]\ x dominan]a (VDD).

~n acest fel varian]a datorat\ interac]iunii poate fi `mp\r]it\ `n componen]ii:

VI= VAA+VAD+VDD+VAAA+VADD+VDDD+…

~n practic\ nu se procedeaz\ la descompunerea varian]ei genetice de interac]iune pe

componen]i, deoarece cota parte cu care particip\ VI `n varian]a genetic\ (VG) este `n general redus\.

Din aceste motive, de cele mai multe ori, acest tip de varian]\ nu se calculeaz\, neglijându-se.

Varian]a de mediu (VE) este componenta varian]ei fenotipice, care provoac\ devia]ia varian]ei

genotipice, accentuând diferen]ele dintre indivizii unei popula]ii cu privire la caracterele cantitative.

Varian]a de mediu constituie toat\ varian]a de origine negenetic\ care poate avea o mare

diversitate de cauze.

Unele caractere cantitative sunt puternic influen]ate `n exteriorizarea lor fenotipic\ de factorii

de mediu, astfel c\ varian]a acestor caractere este constituit\ `n mare m\sur\ de varian]a de mediu.

Caracterele slab heritabile sunt caractere mult influen]ate de factorii de mediu, comparativ cu cele

puternic heritabile.

Varian]a datorat\ mediului poate fi descompus\ `n dou\ componente: varian]a datorat\

mediului general (VEg) [i varian]a datorat\ mediului special (VEs).

VE= VEg+VEs

Mediu general care determin\ varian]a de mediu general (VEg)este reprezentat de toate

condi]iile de mediu care sunt comune tuturor indivizilor dintr-o popula]ie [i care ac]ioneaz\ permanent

asupra indivizilor din popula]ie [i pe toat\ durata vie]ii animalelor, influen]ând astfel toate

performan]ele acestora.

32

Mediul special care determin\ varian]a de mediu special (VEs) este reprezentat de toate

condi]iile de mediu temporare sau `ntâmpl\toare, care ac]ioneaz\ asupra unui grup restrâns de indivizi

sau asupra indivizilor izola]i, `n diferite momente ale vie]ii animalului, sau asupra unei singure

performan]e.

Varian]a mediului special constituie o principal\ surs\ de deviere a varian]ei genetice mai ales

prin diferen]ele materne temporarae cu efecte prenatale sau postnatale, precum [i prin diferen]ele de

alimenta]ie [i confort de la o perioad\ la alta.

Varian]a de mediu are deosebit\ importan]\ `n estimarea repetabilit\]ii, care este unul dintre

cei mai importan]i parametri genetici ai caracterelor cantitative. Pentru a estima repetabilitatea este

obligatorie descompunerea varian]ei de mediu (VE) `n cei doi componen]i cauzali.

7.2. COMPONEN}II OBSERVA}IONALI AI VARIAN}EI FENOTIPICE

Componen]ii observa]ionali ai varian]ei fenotipice se ob]in `n urma unei analize de varian]\

cu dou\, respectiv trei surse de varia]ie.

7.2.1. Analiza de varian]\ cu dou\ surse de varia]ie

Modelul de analiz\ a varia]iei mcu dou\ surse de varia]ie se utilizeaz\ la speciile la care se

ob]in mai frecvent familii de semifra]i sau semisurori (taurine, ovine, cabaline etc).

Analiza de varian]\ cu dou\ surse de varia]ie porne[te de la urm\torul model matematic:

ikiik BAX ++= µ

),....1;,....,1( nkpiX ik ==− -reprezint\ valoarea unui caracter (sau media caracterului

determinat `n mod repetat pe acela[i individ) manifestat pe un individ oarecare din popula]ie, respectiv

individul k din familia de semifra]i i;

µ= media popula]iei;

Ai= prima surs\ de varia]ie a valorii individului de la media popula]iei, reprezentat\ de

varian]a dintre familiile de semifra]i (semisurori), determinat\ de diferen]ele genetice dintre masculii

utiliza]i la reproduc]ie;

Bik = a doua surs\ de devia]ie a valorii individului de la media popula]iei [i este reprezentat\ de

c\tre varian]a din interiorul familiilor de semifra]i [i semisurori. Aceast\ varian]\ se datoreaz\

diferen]elor genetice dintre mame, precum [i diferen]elor provocate de condi]iile de mediu.

Componen]ii observa]ionali ai varian]ei `n modelul cu dou\ surse de varia]ie sunt:

varian]a dintre familiile de semifra]i (varian]a dintre ta]i) notat\ cu sI2;

varian]a din interiorul familiilor de semifra]i (varian]a dintre descenden]ii acelea[i

familii) notat\ cu si2;

33

7.2.2. Analiza de varian]\ cu trei surse de varia]ie

Modelul statistic de analiz\ a varian]ei cu trei surse de varia]ie este adecvat situa]iei `n care se

lucreaz\ simultan cu familii de semifra]i (semisurori) [i familii de fra]i buni (surori bune). Se poate

utiliza la speciile prolifice : porcine, p\s\ri, iepuri, vulpi. Acest model este urm\torul:

ijkikiik CBAX +++= µ

),....1;....1;,....,1( rkqjpiX ik ===− -reprezint\ valoarea unui caracter (sau media

caracterului determinat `n mod repetat pe acela[i individ) manifestat pe un individ oarecare din

popula]ie, respectiv individul k din familia de fra]i buni j [i din familia de semifra]i i;

µ= media caracterului la nivel de popula]ie;

Ai= reprezint\ la fel ca [i `n modelul cu dou\ surse de varia]ie, devia]ia de la media popula]iei,

sau variabilitatea creat\ de prima surs\ de varia]ie respectiv varian]a dintre familiile de semifra]i

(semisurori), determinat\ de diferen]ele genetice dintre masculii utiliza]i la reproduc]ie. Din acest

motiv ea se nume[te [i varian]a dintre ta]i;

Bik = reprezint\ devia]ia de la media popula]iei sau variabilitatea provocat\ de cea de a dou\

surs\ de varia]ie, respectiva varian]a din interiorul familiilor de semifra]i [i semisurori. Aceast\

varian]\ se datoreaz\ diferen]elor genetice dintre mame, utilizate la reproduc]ie motiv pentru care se

mai nume[te [i varian]a dintre mame;

Cik= reprezint\ devia]ia de la media popula]iei creat\ de a treia surs\ de varia]ie, respectiv

varian]a din interiorul familiilor de fra]i buni , sau varian]a dintre descenden]ii aceleea[i familii de

fra]i buni. Aceast\ varian]\ este de natur\ negenetic\, fiind provocat\ de c\tre condi]iile de mediu [i

alte surse de eroare.

Componen]ii observa]ionali ai varian]ei care se ob]in prin analiza de varian]\ cu trei surse de

varia]ie sunt: varian]a dintre familia de semifra]i sau dintre ta]i sI2, varian]a dintre familiile de fra]i

buni sau dintre mame sM2, [i varian]a intrafamilii de fra]i buni sau dintre descenden]i si

2;

Analiza de varian]\ cu trei surse de varia]ie presupune parcurgerea acelora[i etape ca `n cazul

analizei de varian]\ cu dou\ surse de varia]ie.

34

Capitolul 8

PARAMETRII GENETICI AI CARACTERELOR CANTITATIVE

Parametrii genetici ai caracterelor cantitative sunt reprezenta]i de heritabilitate h2, repetabilitate R [i

corela]ii (rPxy, rGxy, rExy). Ace[ti parametri genetici servesc la elaborarea [i aplicarea programelor [i

planurilor de ameliorare a diferitelor popula]ii de animale domestice, servind `n mod concret la

estimarea valorii de ameliorare a reproduc\torilor, efectului a[teptat al selec]iei, la alegerea metodelor

de selec]ie [i a sistemelor de ameliorare etc.

8.1. HERITABILITATEA CARACTERELOR CANTITATIVE

Defini]ie- heritabilitatea exprim\ propor]ia varian]ei genetice aditive din varian]a fenotipic\

sau total\. Ea ne arat\ `n ce propor]ie diferen]ele fenotipice dintre indivizii unei popula]ii cu privire la

un anumit caracter le atribuim diferen]elor de natur\ genetic\.

Heritabilitatea poate fi definit\ ca fiind capacitatea de transmitere ereditar\ a unui caracter.

Heritabilitatea poate fi definit\ ca regresia valorii de ameliorare fa]\ de valoarea fenotipic\:

h2= bAP

`n care : bAP- regresia valorii de ameliorare (A) fa]\ de valorea fenotipic\ (P);

Heritabilitatea poate fi definit\ [i ca p\tratul corela]iei dintre valoarea de ameliorare [i cea

fenotipic\:

2h APr 2=

Mod de exprimare. Heritabilitatea se exprim\ prin coeficientul de heritabilitate , care red\ `n

sens larg propor]ia varian]ei genetice din varian]a fenotipic\, iar `n sens restrâns , propor]ia varian]ei

genetice aditive din varian]a fenotipic\.

Propriet\]ile heritabilit\]ii

1. Heritabilitatea este proprie fiec\rui caracter `n parte, ce `nseamn\ c\ valoarea

heritabilit\]ii difer\ de la un caracter la altul, chiar [i `n sânul aceleia[i popula]ii;

2. Heritabilitatea este proprie fiec\rei popula]ii `n care se estimeaz\ ceea ce `nseamn\ c\

ea difer\, pentru acela[i caracter, de la o popula]ie la alta;

3. Heritabilitatea este o proprietate a genera]iei `n care se estimeaz\, ceea ce `nseamn\ c\

un anumit caracter cantitativ poate avea heritabilit\]i diferite `n genera]ii succesive;

4. Heritabilitatea este o proprietate a condi]iilor de mediu `n care tr\ie[te popula]ia, cea

ce `nseamn\ c\ ea poate fi diferit\ de la un caracter la altul, `n func]ie de propor]ia mai mare sau mai

mic\ `n care varia]ia caracterlor respecrtive este influen]at\ de factorii negenetici.

35

Semnifica]ia heritabilit\]ii. Coeficientul de heritabilitate poate lua valori `ntre 0 [i 1, când

este exprimat `n frac]ii zecimale sau de la 0 la 100, când este exprimat `n procente.

Valorile extreme sunt mai pu]in `ntâlnite `n realitate.

Dac\ h2= 0, `nseamn\ c\ `ntreaga varia]ie fenotipic\ a caracterului o atribuim varian]ei

genetice neaditive (VD+VI) [i varian]ei de mediu (VE).

0102 ===

P

A

VVh

Dac\ h2=1 , `nseamn\ c\ `ntreaga varia]ie fenotipic\ a caracterului o atribuim varian]ei

genetice aditive.

1112 ===

P

A

VVh

~n func]ie de valoarea coeficientului de heritabilitate (h2), caracterele pot fi clasificate `n trei

categorii:

1. caractere slab heritabile, când h2<0,2; variabilitatea acestor caractere este influen]at\

mai pu]in de ac]iunea aditiv\ a genelor. Dintre acestea fac parte toate `nsu[irile de reproduc]ie:

procentul de fecunditate, prolificitatea, intervalul dintre dou\ f\t\ri, repausul mamar, service period-ul,

procentul de fecunditate al ou\lor, procentul de ecloziune etc.

2. caractere mijlociu heritabile, când h2= 0,2-0,5; variabilitatea acestor caractere este

influen]at\ atât de factorii genetici cât [i de factorii de mediu, `n propor]ie aproximativ egal\. Dintre

acestea fac parte taote `nsu[irile care exprim\ cantitatea: produc]ia de lapte, produc]ia de lân\,

produc]ia de ou\, sporul mediu zilnic, greutatea corporal\ etc.

3. caractere puternic heritabile , când h2>0,5. Varia]ia fenotipic\ a acestor caractere este

atribuit\ `n mai mare m\sur\ varian]ei genetice aditive [i neaditive [i `ntr-o mai mic\ propor]ie

varian]ei de mediu. Dintre acestea fac parte unele `nsu[iri care exprim\ calitatea unei produc]ii:

procentul de gr\sime din lapte, procentul de protein\ din lapte, greutatea oului, fine]ea lânii, `nsu[irile

carcasei (cantitatea de carne din carcas\, propor]ia oaselor din carcas\, fine]ea fibrei musculare).

Metode de estimare a heritabilit\]ii

Se cunosc trei grupe mari de metode pentru estimarea heritabilit\]ii:

metode bazate pe corela]ia interclas\ dintre semifra]i sau fra]i buni;

metoda regresiei descenden]ilor fa]\ de p\rin]i;

heritabilitatea realizat\.

Metoda corela]iei interclas\- se bazeaz\ pe o analiz\ de varian]\ cu dou\ sau trei surse de

varia]ie, `n urma c\rora se ob]in cei doi [i respectiv trei componen]i observa]ionali. Din componen]ii

observa]ionali ai varian]ei fenotipice se estimeaz\ varian]a genetic\ aditiv\ (component cauzal) [i

varian]a fenotipic\ sau total\.

36

Aceast\ metod\ prezint\ dou\ variante:

a). metoda corela]iei interclas\ dintre semifra]i sau semisurori;

b). metoda corela]iei interclas\ dintre fra]i buni sau surori bune.

a) Metoda corela]iei interclas\ dintre semifra]i sau semisurori

Aceast\ metod\ de estimare a heritabilit\]ii se bazeaz\ pe o analiz\ de varian]\ cu dou\ surse

de varia]ie, `n vederea estim\rii componen]ilor observa]ionali ai varian]ei fenotipice. Metoda poate fi

utilizat\ la speciile unipare: taurine, ovine, cabaline etc.

b) Metoda corela]iei interclas\ `ntre fra]i buni sau surori bune

Aceast\ metod\ de estimare a heritabilit\]ii presupune efectuarea unei analize de varian]\ cu

trei surse de varia]ie, pentru estimarea componen]ilor observa]ionali (sI2, sM

2, si2)

Din componen]ii observa]ionali se estimeaz\ varian]a aditiv\ [i varian]a fenotipic\ sau total\.

Metoda se utilizeaz\ la speciile multipare (porcine, p\s\ri, iepuri, vulpi etc) la care descenden]ii sunt

structura]i `n familii de fra]i buni cât [i de semifra]i.

Metoda regresiei descenden]ilor fa]\ de p\rin]i

Aceast\ metod\ de calcul a heritabilit\]ii se bazeaz\ pe regresia valorilor descenden]ilor (Y)

fa]\ de valorile p\rin]ilor (X) . Coeficientul de regresie dintre valorile descenden]ilor [i cele ale

p\rin]ilor se noteaz\ cu bxy [i este egal cu :

∑∑= 2xxy

bxy

`n care: ∑ xy - suma produselor abaterilor

∑ 2x -suma p\tratelor abaterilor.

Coeficientul de regresie red\ fondul genetic comun al descenden]ilor cu cel al p\rin]ilor, ceea

ce exprim\ chiar heritabilitatea (h2= bxy).

~n cadrul acestei grupe de metode sunt cunoscute dou\ metode: metoda regresiei

descenden]ilor fa]\ de media p\rin]ilor [i metoda regresiei descenden]ilor fa]\ de unul din p\rin]i.

a) Metoda regresiei desecenden]ilor fa]\ de media p\tratelor p\rin]ilor h2= bxy

Aceast\ metod\ de calcul a heritabilit\]ii se poate utiliza numai la caracterele care se manifest\

fenotipic la ambele sexe (produc]ia de lân\, greutatea corporal\, sporul mediu zilnic, talie etc).

b) Metoda regresiei descenden]ilor fa]\ de unul din p\rin]i h2= 2bxy

Aceast\ metod\ de calcul a heritabilit\]ii se bazeaz\ pe regresia valorilor descenden]ilor (y)

fa]\ de valorile unuia dintre p\rin]i (x). Ea poate fi utilizat\ [i pentru caracterele care se manifest\

numai la unul din sexe (produc]ia de lapte, procent de gr\sime, produc]ia de ou\, prolificitate).

37

Deoarece prin `nmul]irea coeficientului de regresie cu 2 se dubleaz\ [i valoarea erorilor ce pot ap\rea

`n cadrul determin\rilor, acestea trebuie efectuate `n acelea[i condi]ii de mediu, atât la p\rin]i cât [i la

descenden]i [i chiar pe descenden]ii aceluia[i mascul.

Heritabilitatea realizat\

Aceast\ metod\ se bazeaz\ pe asem\narea genetic\ dintre p\rin]i [i descenden]i.

Heritabilitatea poate fi determinat\ prin raportul dintre efectul realizat al selec]iei la

descenden]i ( g∆ ) [i diferen]a de selec]ie a p\rin]ilor.

2hSg∆=

Efectul realizat al selecv]iei ( g∆ ) estimeaz\ varian]a genetic\ aditiv\ transmis\ descenden]ilor

`n mod real de p\rin]ii selec]iona]i [i rezult\ din diferen]a `ntre media fenotipic\ a descenden]ilor

( DX ) [i media fenotipic\ a popula]iei parentale X .

Diferen]a de selec]ie S reprezint\ diferen]a dintre media p\rin]ilor selec]iona]i [i media

popula]iei din care au fost selec]iona]i.

Denumirea de heritabilitate realizat\ a fost dat\ de D.S. Falconer, deoarece reprezint\ propor]ia

real\ a varian]ei aditive mo[tenite de descenden]i din varian]a fenotipic\ a p\rin]ilor.

Importan]a [i utilizarea heritabilit\]ii

Heritabilitatea prezint\ importan]\ `n elaborarea [i proiectarea programelor [i planurilor de

ameliorare a diferitelor popula]ii de animale.

Heritabilitatea are urm\toarele utiliz\ri:

1) ~n estimarea efectului a[teptat al selec]iei, notat cu g∆ :

g∆ = h2 x S

S= XX S −

S= diferen]a de selec]ie , care reprezint\ superioritatea animalelor selec]ioante fa]\ de media

`ntregii popula]ii.

2) ~n estimarea valorii de ameliorare a reproduc\torilor (Ai)

PPhA ii −= (2 )

3) Alegerea metodei de selec]ie se face `n func]ie de valoarea de heritabilitate . pentru

caracterele cu heritabilitate mare se recomand\ selec]ia dup\ fenotipul propriu, care este mai ieftin\ [i

mai simpl\. Pentru caractere cu heritabilitate mic\ se recomand\ selec]ia dup\ descenden]i sau rude

colaterale, care asigur\ o corectitudine mai mare a aprecierii.

38

4) ~n func]ie de valoarea heritabilit\]ii, durata de ameliorare a caracterelor va fi diferit\, `n

sensul c\ pentru caracterele cu heritabilitate mare, durata amelior\rii va fi mai redus\ fa]\ de cea a

caracterelor cu heritabilitate mic\.

5) ~n func]ie de valoarea heritabilit\]ii se alege sistemul de ameliorare. Pentru caracterele

cantitative cu heritabilitate mare se recomand\ sistemul de ameliorare `n ras\ curat\, bazat pe selec]ia

varia]iilor genetice aditive, `n timp ce pentru caracterele cu heritabilitate mic\ se recomand\ sistemul

de ameliorare prin `ncruci[are, bazat pe exploatarea varia]iei genetice neaditive.

8.2. REPETABILITATEA CARACTERELOR CANTITATIVE

Repetabilitatea caracterlor cantitative este un parametru genetic care se estimeaz\ la

caracterele repetabile. Prin caracter repetabil se `n]elege acel caracter care poate fi m\surat de mai

multe ori `n via]a unui individ (produc]ia cantitativ\ de lapte, cantitatea de gr\sime din lapte, produc]ia

de lân\, produc]ia de ou\ etc).

Defini]ii Repetabilitatea indic\ gradul de asem\nare a valorilor unui caracter de la o

m\sur\toare la alta.

Repetabilitatea m\soar\ constan]a valorilor unui caracter determinate `n mod repetat pe acela[i

individ.

Repetabilitatea red\ propor]ia varian]ei genetice [i varian]ei de mediu general din varian]a

fenotipic\.

Repetabilitatera m\soar\ gradul `n care varia]ia fenotipic\ a unui caracter este liber\ de

influen]ele temporare de mediu special.

Mod de exprimare. Repetabilitatea se exprim\ prin coeficientul de repetabilitate notat cu R,

care, reprezint\ raportul dintre varian]a genetic\ plus varian]a mediului general [i varian]a fenotipic\

total\:

R=P

EgG

VVV +

Propriet\]ile repetabilit\]ii

1. Repetabilitatea este o proprietate a caracterului cantitativ pentru care se estimeaz\;

2. Este o proprietate a popula]iei `n care se estimeaz\ (repetabilitatea unui caracter poate

fi diferit\ de la o popula]ie la alta);

3. Este o proprietate a genera]iei `n care se estimeaz\ (repetabilitatea poate fi diferit\ de

la o genera]ie la alta, datorit\ modific\rilor care survin `n structura genetic\ a popula]ieie de la o

genra]ie la alta);

39

4. Este o proprietate a condi]iilor de mediu `n care tr\ie[ate popula]ia, ceea ce `nseamn\

ca valoarea repetabilit\]ii unui caracter poate fi diferit\ ca urmare a ponderii diferite a varian]ei

mediului general [i a varian]ei mediului special, de la o popula]ie la alta.

Semnifica]ia repetabilit\]ii

Coeficientul de repetabilitate poate lua valori de la 0 la 1, când se exprim\ `n frac]ii zecimale,

sau de la 0 la 100, când se exprim\ `n procente.

Dac\ R=0 `nseamn\ c\ `ntreaga varia]ie fenotipic\ a caracterului o atribuim varian]ei de

mediului special.

Dac\ R=1 `nseamn\ c\ `ntreaga varia]ie fenotipic\ a caracterului o atribuim varian]ei genetice

[i varian]ei de mediu general.

~n func]ie de valoarea coeficientului de repetabilitate, caracterele pot fi clasificate `n trei

categorii:

1. caractere slab repetabile, când R<0,2; `n aceast\ categorie intr\ toate `nsu[irile de

reproduc]ie (prolificitatea, natalitatea, fecunditatea ou\lor, intervalul dintre f\t\ri, repausul mamar

etc). Varia]ia fenotipic\ a acestor caractere este atribuit\ `ntr-o mai mare m\sur\ , varian]ei mediului

special.

2. caractere mijlociu repetabile, când R variaz\ `ntre 0,2 [i 0,5; `n aceast\ categorie intr\

toate `nsu[irile de produc]ie care redau cantitatea: produc]ia de lapte, lân\, ou\, spor mediu zilnic.

3. caractere puternic heritabile când R>0,5; din aceast\ categorie fac parte `nsu[irile care

redau calitatea unei produc]ii: procentul de gr\sime din lapte, fine]ea lânii, greutatea ou\lor etc.

Varia]ia fenotipic\ a acestor caractere este atribuit\ `ntr-o mai mic\ m\sur\ varian]ei mediului special.

Importan]a [i utilizarea repetabilit\]ii

Repetabilitatea prezint\ importan]\ `n elaborarea programelor [i planurilor de ameliorare,

precum [i luarea deciziilor care se iau `n activitatea dee ameliorare.

1. Repetabilitatea se utilizeaz\ pentru cre[terea certitudinii aprecierii reproduc\torilor.

2. Repetabilitatea se utilizeaz\ `n calculul heritabilit\]ii multiple [i a efectului a[tepatat al

selec]iei.

8.3. CORELA}IA CARACTERELOR CANTITATIVE

Corela]ia dintre dou\ sau mai multe caractere poate fi de trei feluri: corela]ie fenotipic\ (rPxy),

corela]ie genetic\ (rGxy), corela]ie de mediu (rExy).

Defini]ii. Corela]ia fenotipic\ red\ sensul [i gradul de interdependen]\ (leg\tura) dintre

valorile fenotipice a dou\ caractere X [i Y.

40

Corela]ia genetic\ red\ sensul [i gradul de interdependen]\ (leg\tura) dintre valorile de

ameliorare a dou\ caractere X [i Y.

Corela]ia de mediu red\ sensul [i gradul de interdependen]\ (leg\tura) dintre devia]iile

provocate de condi]iile de mediu a celor dou\ caractere.

Propriet\]ile corela]iilor

1. Corela]iile sunt proprii caracterelor `ntre care acestea se estimeaz\, ceea ce `nseamn\

c\ valorile corficien]ilor de corela]ie sunt diferite de la un cuplu de caractere la altul, chiar [i `n cadrul

aceleia[i popula]ii;

2. Sunt proprii fiec\rei popula]ii `n care acestea se estimeaz\, ceea ce `nseman\ c\

valorile corela]iei aceluia[i cuplu de caractere difer\ de la o popula]ie la alta;

3. Sunt proprii genera]iei `n care se estimeaz\, ceea ce `nseamn\ c\ valoarea

coeficientului de corela]ie estimat\ pentru un cuplu de caractere este diferit\ de la genera]ia p\rin]ilor

la genera]ia descenden]ilor.

4. Sunt proprii condi]iilor de mediu `n care tr\ie[te popula]ia, ceea ce `nseamn\ c\

valoarea coeficientului de corela]ie dintre dou\ caractere poate fi diferit\ [i datorit\ influen]ei

condi]iilor de mediu.

Cauzele corela]iilor. Corela]iile dintre dou\ sau mai multe caractere a dou\ cauze: genetice [i

de mediu.

Cauze genetice:

Ac]iunea pleiotrop\ a genelor, care const\ `n proprietatea unei gene sau a unui bloc de

gene dea intra `n componen]a a dou\ sau mai multor genotipuri, participând la determinarea [i

controlul a dou\ sau mai multor caractere;

Linkage-ul sau transmiterea `nl\n]uit\ a genelor situate pe acela[i cromozom, poate

constitui cauza corela]iilor numai `n absen]a crosiing-overului.

Cauze de mediu:

Factorii de mediu constituie o cauz\ a corela]iei fenotipice. Ei pot influen]a simultan dou\ sau

mai multe caractere `n acela[i sens, sau `n sens opus. Prin modificarea condi]iilor de mediu, se

modific\ valorile caracterelor cantitative, precum [i varian]ele [i covarian]ele fenotipice.

Factorii de mediu constituie o cauz\ a corela]iei fenotipice. Ei pot influen]a simultan dou\ sau

mai multe caractere `n acela[i sens, sau `n sens opus. Prin modificarea condi]iilor de mediu, se

modific\ valorile caracterelor cantitative, precum [i varian]ele [i covarian]ele fenotipice.

Mediul poate determina modificarea `n acela[i sens a valorilor celor dou\ caractere, rezultând o

corela]ie de mediu pozitiv\, sau `n sensuri opuse, determinând o corela]ie de mediu negativ\.

Semnifica]ia corela]iilor

Coeficientul de corela]ie poate lua valori `ntre - 1 [i +1 nefiind exclus\ valoarea 0.

41

Dup\ semn, corela]iile pot s\ fie pozitive, când coeficientul de corela]ie ia valori `ntre 0 [i +1

sau poat s\ fie corela]ii negative, când coeficientul de corela]ie ia valori `ntre 0 [i -1.

O corela]ie egal\ cu 0 semnific\ faptul c\ cele dou\ caractere sunt controlate de seturi genice

diferite, adic\ nu de gene pleiotrope.

O corela]ie apropiat\ de +1 sau -1 semnific\ faptul c\ cele dou\ caractere sunt controlate de

seturi de gene comune (gene pleiotrope).

~n func]ie de valoarea coeficientului de corela]ie , pot exista:

1. caractere strâns corelate, când coeficientul de corela]ie (r) este mai mare de 0,5;

2. caractere mijlociu corelate, când coeficientul de corela]ie (r) este cuprins `ntre 0,2 [i 0,5;

3. caractere slab corelate, când coeficientul de corela]ie (r) este mai mic de 0,2.

Importan]a [i utilizarea corela]iilor

Corela]iile dintre caractere prezint\ importan]\ `n elaborarea programelor [i planurilor de

ameliorare, `n stabilirea obiectivelor amelior\rii [i a metodelor de selec]ie.

Utilizarea corela]iilor

1. Corela]iile servesc la stabilirea num\rului de obiective ale amelior\rii. Dac\ `ntre

caractere exist\ corela]ie, se va stabili un num\r mic de obiective, deoarece f\când selec]ia dup\ un

caracter se amelioreaz\ [i celelalte caractere `ntr-o propor]ie oarecare.

Dac\ `ntre caractere nu exist\ corela]ie, num\rul obiectivelor de ameliorare va fi mai mare.

2. Corela]iile pot fi utilizate pentru estimarea efectului corelat al selec]iei yR∆ `n cazul

efectu\rii selec]iei indirecte.

PyGxyyxy irhhR σ ′××××=∆ 22

`n care:

hx2 [i hy

2= heritabilitatea celor dou\ caractere

rGxy= corela]ia genetic\ dintre cele dou\ caractere

i = intensitatea selec]iei

Pyσ = devia]ia standard fenotipic\ a caracterului principal y

Selec]ia indirect\ vizeaz\ ameliorarea unui caracter principal Y `ns\, selec]ia se reface pe un

caracter secundar X.

O selec]ie indirect\

Se practic\ la porcine. ~n acest caz selec]ia se face pe grosimea stratului de gr\sime m\surat pe

viu cu ultrasunete (caracterul X), `ns\ selec]ioa vizeaz\ mm\rirea cantit\]ii de carne din carcas\

(caracterul Y). Aceast\ selec]ie indirect\ se bazeaz\ pe corela]ia negativ\ care exist\ `ntre cele dou\

caractere.

42

Selec]ia indirect\ se recomand\ pentru caractere care se manifest\ la un singur sex sau pentru

caracterele care sunt mai greu de m\surat.

3. Corela]iile se utilizeaz\ pentru alegerea celei mai potrivite metode de selec]ie: selec]ia

dup\ un singur caractere, sau selec]ia dup\ mai multe caractere (`n tandem, dup\ nivele selective

independente; dup\ indicii de selec]ie ).

4. Corela]iile servesc la estimarea interac]iunii dintre genotip [i mediu.

Dac\ corela]ia genetic\ stabilit\ pentru acela[i caracter `n dou\ medii diefrite este mare, adic\

apropiat\ de +1, rezult\ c\ nu exist\ interac]iune genotip x mediu, deci este indiferent `n ce mediu se

va efectua selec]ia [i `n ce mediu vor cre[te descenden]ii, diferen]ele fiind minime.

Dac\ corela]ia genetic\ este sc\zut\, este mai avantajos ca selec]ia s\ se efectueze `n condi]iile

de mediu `n care se va dezvolta popula]ia descendent\.

43

BIBLIOGRAFIE

1. Buc\taru, N. (1993) - Genetic\. Editura Universitas, Chi[in\u.

2. C`rlan, M. (1996) - Elemente de Genetic\ animal\ normal\. Editura Polirom, Ia[i.

3. Creang\ {t., 1999 – Elemente fundamentale ale eredit\]ii animale. Editura “Ion Ionescu de la

Brad”, Ia[i.

4. Falconer, D.S. (1969) - Introducere `n genetica cantitativ\. Editura Agrosilvic\, Bucure[ti.

5. Pipernea N. (1977) - Ereditatea principalelor caractere [i `nsu[iri la animalele domestice. Editura Ion Ionescu de la Brad Ia[i,