Genetica-II

1. Genetica-II E o mare primejdie să ajungi a fi mulţumit de tine însuţi.” N. Iorga

2. Complexitatea determinării genetice a caracterelor • Succesul unui organism depinde de caracteristicile fizico-chimice ale materialului genetic, pe de o parte, şi de modul cum se exprimă informaţia genetică în anumite condiţii de viaţă, pe de altă parte. • Genotipul reprezintă totalitatea factorilor ereditari, (informţiei genetice), dar nu este simpla sumă a “efectelor” genelor izolate. • Fenotip reprezintă totalitatea caracterelor observabile ale organismelor. • Fenotipul unui organism este rezultatul interacţiunii dintre genotip şi mediul de viaţă.

3. Genele se manifestăîn anumite condiţii de mediu. Din interacţiunea complexă a genotipului cu mediul pot să apară diferenţe determinate nu numai de natura genelor, ci şi de variaţia condiţiilor de mediu. • Produsul unei gene (de exemplu, o enzimă) poate fi implicat în unul sau mai multe procese metabolice care contribuie la realizarea mai multor funcţii ale unui organism. • Studiul gemenilor monozigoţi reprezintă o modalitate de investigare a interacţiunii complexe dintre genotip şi mediu

4. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Gemenii monozigoţi La gemenii monozigoţi diferenţele fenotipice se datorează exclusiv componentei mezologice (mediul de viaţă). Gradul de implicare a fiecărei din cele două componente (genetică şi mezologică) în realizarea unui fenotip se poate stabili pe baza procentului de concordanţă. Procentul de concordanţă a unor caractere, malformaţii congenitale şi boli la gemeni (monozigoţi şi dizigoţi) este prezentat în tabelul următor.

5. Complexitatea determinării genetice a caracterelor

6. Studiul gemenilor monozigoţi reprezintă o modalitate de investigare a interacţiunii complexe dintre genotip şi mediu, dar un astfel de studiu nu este suficient. Într-un astfel de studiu, nu se pot preciza nici numărul genelor şi nici modul de acţiune al acestora în determinarea unui anumit caracter fenotipic. De asemenea, componenta mezologică trebuie să fie identică pentru cele două categorii de gemeni. În acest context, sunt necesare şi alte tehnici sau metode de investigare.

7. Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Interacţiunile complexe ale componentei genetice cu componenta mezologică pot duce, în anumite condiţii, la manifestarea puternică numai a unei componente. Astfel, manifestarea unei gene se caracterizează prin noţiunile de penetrabilitate şi expresivitate.

8. O genă se poate manifesta în anumite condiţii de mediu la toţi indivizii care o poartă, caz în care se spune că ea manifestă o penetranţă completă sau de 100%. In alte condiţii de mediu, deşi prezentă la toţi indivizii, ea nu se manifestă decât la unii dintre ei şi în acest caz se spune că o asemenea genă are o penetranţă incompletă sau sub 100%. Prinpenetranţă se înţelege deci frecvenţa cu care o genă sau o combinaţie de gene este exprimată fenotipic.

9. Penetrabilitatea se referă la frecvenţa cu care se manifestă o genă în cadrul unei populaţii şi se exprimă în procente. . Penetrabilitatea genelor reflectă heterogenitatea unei populaţii pentru genele modificatoare, care condiţionează exprimarea altor gene. Influenţa mediului se exercită nu numai asupra numărului de indivizi care exprimăîn fenotip o anumită genă, ci şi asupra intensităţii exprimării în fenotip a acelui caracter, aspect care se numeşte expresivitategenică.

10. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Expresivitatea măsoară gradul în care o anumită alelă se exprimă la nivel fenotipic. Astfel, expresivitatea măsoară intensitatea fenotipului. Diferite grade de exprimare a unei gene la diferiţi indivizi se pot datora variabilităţii compoziţiei alelice a restului genomului sau factorilor de mediu. La fel ca penetrabilitatea, expresivitatea se integrează în conceptul de “normă de reacţie”. Figurile următoare exemplifică diferenţa între expresivitate şi penetrabilitate, respectiv variabiltatea expresivităţii genei SP la rasa de câini “beagle”.

11. Penetrabilitate variabilă Expresivitate variabilă Penetrabilitate şi expresivitate variabile Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Exemplificarea noţiunilor de penetrabilitate şi expresivitate

12. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Variabilitatea expresivităţii demonstrată prin 10 grade de intensitate a petelor la rasa de câini beagle. Ficare exemplar are alela SP responsabilă de pete.

13. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Pedigriul pentru o alelă dominantă cu penetrabilitate incompletă La individul Q, alela dominantănu se manifestă la nivelul fenotipului, dar a trecut la cel puţin doi urmaşi. Deoarece penetrabilitatea este incompletă, alţi urmaşi (de ex., individul R) au moştenit sau nu alela dominantă.

14. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Interacţiunea dintre gene şi mediu Fiecare fenotip este rezultatul exprimării unui genotip în anumitecondiţii de mediu. Genotipul stabileşte potenţialul de dezvoltare, dar exprimarea sa într-un fenotip depinde de condiţiile de mediu. Practic, un genotip poate da naştere la mai multe fenotipuri diferite în condiţii diferite de mediu. De exemplu, genotipulGGpoate produce o plantăcare are 10 cm înălţime la 20ºC, dar acelaşi genotip poate produce o plantă de 18 cm la 25ºC. Gama de fenotipuri produse de un genotip în diferite condiţii de mediu (de ex.,înălţimea plantei) se numeştenormăde reacţie.

15. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Interacţiunea dintre gene şi mediu Penetrabilitatea şi expresivitatea pot depinde, de asemenea, de condiţiile mediului extern. La Habrobracon hebetor există gena k (kidney), care la 30ºC este letală pentru toţi indivizii; penetrabilitatea este de 100%. La temperaturi mai scăzute, această genă nu se manifestă deloc sau numai la un număr mic de indivizi. Iepurele de Himalaia, pur din punct de vedere genetic pentru culoarea blănii, este complet alb la 34ºC.

16. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Interacţiunea dintre gene şi mediu Exprimarea unor genotipuridepinde fundamental de prezenţaunui mediu specific. La iepurele de Himalaia, pigmentaţia neagră la nivelul nasului, urechilor şi picioarelor, apare numai la temperaturi de 25ºC sau mai mici; la temperaturi mai mari de 30ºC nu mai apare această pigmentaţie. Alelahimalaianăesteun exemplude alelăsensibilă latemperatură, o alelă al cărei produseste funcţional numai la anumite temperaturi.

18. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Interacţiunea dintre gene şi mediu Unele tipuri de albinism la plante sunt dependente de temperatură. La orz, o alelă recesivă autozomală inhibă sinteza de clorofilă, producând albinism atunci când planta creşte la temperaturi sub 7°C. La temperaturipeste 18°C, o plantă homozigotă pentru alela albino sintetizează normal clorofila şi este verde. În mod similar, laDrosophila melanogaster,homozigoţiipentru mutaţia autozomalăaripi vestigiale, până la 25°C aripile sunt rudimentare, dar la temperaturi mai ridicate aripile au dimensiuni normale.

19. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Normade reacţiepentruaripi vestigialela D. melanogaster.

20. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Interacţiunea dintre gene şi mediu Factorii de mediujoacă, de asemenea, un rol important în exprimarea unorboli geneticela om. Glucozo-6-fosfat dehidrogenazaeste o enzimă implicată în furnizarea de energie necesară unei celule. La om, există mai multe variante genetice de glucozo-6-fosfat dehidrogenază, unele dintre ele inducând hemoliza atunci când organismul este stresat ca urmare a unei infecţiisau dupăconsumul anumitor medicamente sau alimente. Practic, simptomeleunei boli geneticeapar numaiîn prezenţaacestor factori de mediu specifici.

21. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Interacţiunea dintre gene şi mediu O altă boală genetică, fenilcetonuria (PKU), se datoreazăunei aleleautozomale recesive,careîn final se manifestă prin retardare mintală. Boala are la bază o enzimă“defectă”, care în stare normală metabolizează aminoacidulfenilalanină (Phe, F). Când enzimanu funcţionează normal, fenilalaninase acumulează şi determină leziuni cerebrale la copii. Dacă în dieta unui copil cu acest defect se reduce sau se eliminăfenilalanina, retardarea este evitată.

22. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Interacţiunea dintre gene şi mediu Aceste exemple demonstrează că genele şi produşii acestora nu acţionezăîn afara factorilor de mediu, ci foarte frecvent interacţioneză cu aceştia. În anumite situaţii, factorii de mediu singuri pot produce unfenotip identic cu fenotipul produs de un genotip; acest fenotip se numeştefenocopie (phenocopy). De exemplu, la Drosophilamutaţia autozomală recesivăeyeless produce ochi foarte mici. Acelaşifenotip poate rezulta după expunerea larvelor de Drosophila normalăla metaborat de sodiu.

23. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Penetrabilitatea şi expresivitatea genelor Interacţiunea dintre gene şi mediu Exprimarea multor gene este modificată de factorii de mediu. Gama defenotipuri produsă de un genotip în diferite condiţii de mediu se numeşte normăde reacţie. Ofenocopieesteun caracterrezultat în urma acţiunii factorilor de mediuşi“mimează”unfenotip produsde un genotip.

24. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Acţiunea temporală şi temporară a genelor Majoritatea genelor se poate exprima numai la un moment dat (exprimare eşalonată) sau exprimarea lor este temporară sau intermitentă (gene pentru enzime, endorfine, hormoni, anticorpi etc). La om, polidactilia se observă deja la embrionul de 2 luni. Culoarea reală a ochilor se stabilizează numai după naştere. Caracterele sexuale secundare sau distrofia musculară se manifestă numai după vârsta de 10-15 ani. Chelia, cu determinare genetică, începe să se manifeste numai după 25 de ani.

25. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Acţiunea fenotipică multiplă a genelor - pleiotropia Situaţia în care una şi aceeaşi genă poate determina simultan mai multe caractere ale unui organism se numeşte pleiotropie. La Aquilegia vulgaris (căldăruşa), gena responsabilă de culorea roşie a florilor, de culoarea antocianică a ambelor feţe ale limbului şi de coloritul intens al endospermului determină, de asemenea, lungimea tulpinii şi greutatea seminţelor. Culoarea albă a ochiului la Drosophila este determinată de gena white (w), care este responsabilă şi de culoarea şi forma unor organe interne, precum şi de fecunditatea şi durata de viaţă scăzute. La om, anomalia “degete păianjeniforme” merge împreună cu anomalii ale cristalinului.

26. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Acţiunea genelor asupra viabilităţii organismelor Alele letale Oalelăletală este una care provoacă moartea în stadiile timpurii ale dezvoltării - adesea înainte de naştere - şi astfel un anumit genotip poate să nu mai apară la urmaşi. În 1905, Lucien Cuenot a descoperit un “pattern”anormal de ereditate la şoareci. Când a încrucişat doi şoareci galbeni, aproximativ 2/3 dinurmaşi au fost cu blana de culoare galbenă şi 1/3 nu. Analiza genotipurilor a demonstrat că toţi şoarecii cu blana de culoare galbenă erau heterozigoţi (Gg sau Yy);nu a reuşit niciodată să identifice un genotiphomozigot (GG sau YY).

27. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Acţiunea genelor asupra viabilităţii organismelor Alele letale

28. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Acţiunea genelor asupra viabilităţii organismelor Alele letale Iniţial, Cuenot a încrucişat doi şoareci heterozigoţipentru culoarea galbenă a blănii: Yy x Yy. În mod normal, aceastăîncrucişarear trebui să producă: ¼ YY, ½ Yy, ¼ yy. Şoareci homozygoţi pentru genotipulYYsunt “concepuţi”, dar nu ajung niciodată la o dezvoltare completă şi aşa se explică raportulde 2:1 (Yy:yy) la urmaşi. Toţi şoarecii cu blana de culoare galbenă sunt heterozigoţi(Yy).

29. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Acţiunea genelor asupra viabilităţii organismelor Alele letale Un alt exemplude alelă letală, a fost descrisă de Erwin Baur în 1907, la gura leului. Când două plante cu frunze galbene sunt încrucişate, 2/3 dinurmaşi au frunze galbene şi 1/3 frunze verzi. Când plante verzi se încrucişează între ele, toţi urmaşiiau frunze verzi; totuşi, când o plantă galbenă se încrucişează cu o plantă verde, ½ din urmaşi sunt verzi şi ½ sunt galbeni, ceea ce confirmăcă toate plantele cu frunze galbene sunt heterozigote. Un raport de 2:1 este produsaproape totdeauna de o alelă recesivă letală.

30. Complexitatea determinării genetice a caracterelor Acţiunea genelor asupra viabilităţii organismelor Alele letale Înambele exemple, alelele letalesunt recesive deoarece ele provoacă moartea numai în stare homozigotă. Spre deosebire de efectul asupraviabilităţii, efectul alelei asupraculoriieste dominant; atât la şoareci cât şi la gura leului, o singură copiea aleleila heterozigoţi produce culoareagalbenă. Aleleleletalepot fi, de asemenea, dominante; în acest caz, atât homozigoţii cât şi heterozigoţiimor. Alelele letale dominante adevărate nu pot fi transmise decât dacă se exprimă după ce se ajunge la maturitate sexualăca în cazul bolii Huntington.