Genele

Genomul uman este o entitate extrem de complexă și adeseori acestuia i se atribuie în mod eronat rolul principal în ereditate. De fapt, sursa de la care pornește totul este o mică entitate componentă a ADN -ului și anume gena. Numită înițial de către Mendel factor ereditar, termenul de genă a fost introdus mai târziu, odată cu definiția lui Johansen care considera că gena este unitatea funcțională a genotipului ce controlează un caracter exprimat fenotipic. Însă, în 1915 Morgan adefinit-o ca fiind unitatea de funcție, recombinare și mutație a aparatului genetic celular. Actualmente, gena (gr. zenos = descendență) este considerată ca fiind unitatea funcțională a ADN -ului cromozomial și/sau mitocondrial responsabilă de sinteza unei proteine specifice.

Particularitățile genei

1. Este unitatea funcțională localizată pe crommozom, care are rolul de determinism genetic pentru exprimarea fenotipică a unui caracter
2. Ocupă o poziție fixă pe cromozom, denumită locus
3. Are o dispoziție liniară și continuă pe cromozom și este strict delimitată funcțional
4. Genele de pe același cromozom nu sunt izolate între ele, ci sunt dispuse înlănțuit, transmițându-se grupat (linkage)
5. Gena este unitatea de recombinare genetică. Când cromozomii omologi suferă procesul de crossing-over, genele alelomorfe (care au aceeași funcție genetică și același locus pe cromozomii omologi) își inversează pozițiile. Acest proces are ca rezultat diversificarea genotipului indivizilor dintr-o populație
6. Gena este unitatea de mutație, fiind segmentul din cromozom care este capabil să-și modifice structura, dând naștere unor forme alelice. Astfel rezultă structuri proteice și caractere noi.

Pe un cromozom, genele sunt dispuse liniar și adiacent genelor vecine și se înlănțuiesc cu acestea formând grupuri linkate de-a lungul axului de dispoziție al cromozomului. Gena nu este prin poziția ei delimitată morfologic sau chimic de genele vecine ci singurul mod în care se delimitează de celelalte gene este funcția sa, mesajul genetic pe care îl transmite prin urmare granițele dintre genele situate pe același cromozom sunt unele strict funcționale.
Locusul, poziția pe care o ocupă gena pe cromozom este fixă, identică pentru toți indivizii speciei. Locusul poate fi situat pe autozomi (loci autozomali) sau pe cromozomii sexuali. Gena stabilește ordinea aminoacizilor în molecula proteică ce determină un anumit caracter. O genă este alcătuită din aproximativ 900-1.500 de nucleotizi (compuși formați dintr-un heterociclu, o pentoză și una sau mai multe grupări fosfat) din lanțul de ADN.

Gene Alele

Alela este o formă alternativă sub care se găsește gena pe un locus dat pe un cromozom. Este o variantă alternativă a unei gene, o formă contrastantă a ei, care ocupă același locus și influențează același caracter.
Polialelie- fenomen prin care o genă suferă mai multe mutații diferite, cu efecte fenotipice variate dar limitate la același caracter (ex. forma feței). Rezultă variante alelice diferite sau alele multiple.
Diversificarea genei în variante alelice este rezultatul mai multor procese: mutații punctiforme, crossing-over inegal, dedublarea accidentală a unei gene sau dedublarea asociată cu mutația unei gene. 2 sau mai multe alele sunt denumite alelomorfe când au același locus pe cromozomii omologi și atunci când sunt separate prin meioză produc efecte fenotipice diferite în exprimarea caracterului- heterozigote, sau efecte fenotipice identice- homozigote.
Exemplu de polialelie: seria de gene alele A1, A2, AB și 0, pentru locusul care determină grupul sangvin. O anumită persoană dintr-o populație posedă în locusul respectiv numai una dintre genele alele care există în grupul populațional prin urmare aceasta va avea grupa sangvină A1 sau A2 sau AB sau 0.
Genele care apar prin modificarea genelor normale sunt numite mutante. Pentru majoritatea locilor de pe cromozomii umani există o variantă de genă standard și una mutantă, fenomen numit bialelie.

Homozigot și heterozigot

Am stabilit că genele alele pot fi normale (N) sau anormale (A), identice sau diferite. În cazul în care genele alele sunt identice, genotipul, ca și organismul care le posedă este homozigot (NN sau AA), iar dacă genele alele sunt diferite genotipul, ca și organismul este heterozigot (NA). Pe cromozomii umani există o multitudine de loci, prin urmare fiecare om va fi homozigot pentru unii loci și heterozigot pentru alți loci. Termenul de hemizigot este folosit când pe un locus există două alele mutante diferite (A1 și A2). De exemplu, la bărbați (XY), o genă autozomală de pe cromozomul X nu are de obicei echivalent pe cromozomul Y.
În cursul meiozei (diviziunii) homozigoții pot produce un singur tip de gamet și se numesc homogametici, iar heterozigoții sunt heterogametici producând prin segregarea genelor alele 2 tipuri diferite de gameți (N și A), fiecare în proporție de 50%.

Dominant și recesiv

Acestea sunt cele 2 moduri de exprimare fenotipică a genei. Gena și caracterul care se exprimă fenotipic la heterozigoți sunt numinte dominante și se notează cu majuscule. Gena care nu se manifestă fenotipic la heterozigoți și se exprimă numai în stare homozigotă se numește recesivă și se notează cu literă mică. De exemplu, la o persoană cu genotip Na gena N (normală) este cea dominantă, iar indivizii vor avea un fenotip normal, însă vor fi purtători ai genei recesive a (anormală). Prin urmare, purtătorii genei dominante A care au gena recesivă n, vor fi fenotipic bolnavi. Alela recesivă se manifestă numai în prezența unei alele asemănătoare, rezultând indivizi homozigoți cu genotip aa sau nn.
Codominanță- concept ce definește manifestarea fenotipică a ambelor alele la heterozigoți. De exemplu genele A și B din sistemul polialelic ABO ce determină grupul sangvin sunt dominante față de gena O și codominante una față de alta, din acest proces de codominanță rezultând indivizi cu grupa sangvină AB. Grupele sangvine sau fenotipurile A, B și AB sunt determinate de genotipurile A0, B0 și AB.

Linkage și Crossing- Over

Înlănțuirea genetică sau linkage este procesul prin care genele situate pe același cromozom au tendința de a se transmite grupat, o dată cu cromozomul respectiv, prin gameți de la părinți la descendenți. Astfel, genele nealele situate pe același cromozom nu segregă în meioză și se transmit împreună în succesiunea generațiilor formând un grup de înlănțuire sau un haplotip. Numai genele situate foarte aproape una de alta suferă acest proces. Genele situate la o distanță mai mare pe același cromozom suferă procesul de crossing-over, înlănțuirea lor genetică fiind incompletă. Astfel se produc rupturi cromozomice la nivelul cromatinei cromozomilor omologi urmate de schimbul egal de fragmente cromozomice între cromozomii omologi cu schimb de gene între cei doi și rezultă o recombinare a genelor parentale. Cu cât cromozomii au o lungime mai mare, cu atât se pot produce mai multe recombinări. Uneori se poate produce un crossing-over inegal, rezultând o recombinare genică aberantă ce generează anomalii din care rezultă consecințe fenotipice negative ce determină diferite boli genetice.

Genele la eucariote

Celulele eucariote sunt celule complexe formate din nucleu, citoplasmă, membrană și organite celulare. Ele alcătuiesc țesuturile umane și animale iar materialul genetic al acestora mult mai complex față de cel al procariotelor (celule fără membrană nucleară și lipsa majorității organitelor celulare). Moleculele liniare de ADN dublu catenar formează complexe cu proteinele histonice, proteine care contribuie la organizarea nucleozomilor în cadrul ADN. Genele eucariotelor sunt unitare în replicare, dar neunitare în transcripție (selectarea genelor care vor fi transmise descendenților) și translație (sinteza proteinelor în ribozomi- organite celulare intracitoplasmatice- pe baza informației genelor transcrise). Genele nu sunt indivizibile ci sunt fragmentate în introni (regiuni transcrise dar netranslate), exoni (regiuni transcrise și translate) și regiuni netranscrise (cu rol reglator).
Există două mecanisme de reglaj genetic la eucariote:
- Reglaj pozitiv: genele funcționează numai în prezența unei proteine inductoare. Este predominant.
- Reglaj negativ: genele funcționează numai în prezența unei proteine supresoare
Transmiterea caracterelor de la strămoși la urmași are la bază principiul ADN -ARN – Proteină. Nucleul celular organizat în cromozomi conține ADN-ul care se divide înainte de diviziunea celulară (replicare) deoarece fiecare celulă trebuie să aibă material genetic prorpiu. Apoi are loc transcripția genelor selectate cu sinteza de ARN mesager (ARNm) precursor care include în structura sa atât secvențe purtătoare de informație (exoni) cât și secvențe noninformaționale (introni). Apoi molecula de ARN precursor se fragmentează și se separă secvențele noninformaționale de cele informaționale care vor intra în structura ARN mesager matur. Acesta va intra în procesul de translație care are loc la nivel ribozomal rezultând sinteza de catene polipeptidice pe baza informației purtate de ARN mesager, catene care apoi vor fi prelucrate rezultând proteine complexe.

Structura genei

Regiunea centrală a genei alcătuită din introni și exoni este cea care este transcrisa integral în ARNm precursor prin acțiunea ARN polimerazei II. Regiunea începe cu situsul de inițiere al transcripției prescurtat S.I.T. după care urmează o regiune necodantă (transcrisă dar netranslatată) de câteva sute de nucleotide numită 5’ UTR (untranslated region) care conține codonul inițiator (codon start). Codonul este o secvență de 3 nucleotide ale ARNm care codifică un aminoacid specific. Există în totalitate 64 de codoni dintre care 61 sunt implicați în sinteza proteinelor iar ceilalți 3 sunt responsabili de oprirea sintezei (codoni stop). Din structura ARNm matur sunt eliminați intronii fiind păstrați doar exonii care codifică anumite părți structurale sau funcționale ale proteinei finale. Procesul de ansamblare al exonilor în ARNm matur se numește splicing. După ultimul exon din zona centrală transcrisă a genei există o secvență 3’UTR necondantă care începe cu unul din codonii stop ce reprezintă semnalul de oprire a translație sau sintezei proteice. La capătul 3’ al acestei secvențe există hexanucleotidul ce reprezintă situsul de terminare al transcripției.
Regiunile laterale ale genei sunt secvențe de reglare care nu intră în procesul de transcripție, având rolul de a semnaliza inițierea transcripției de către ARN polimerază și de a regla intensitatea ei. Mutațiile din aceste regiuni nu codifică structura de aminoacizi a proteinei.
Regiunea laterală 5’ este locul unde se fixează ARN polimeraza și se dă startul transcripției. Ea este numită promotor. Regiunea laterală 3’ conține secvențe semnal care afectează procesarea, stabilitatea și durata de viață a ARNm și conține secvențe reglatoare de tip activator (enhancer).

Tipuri de gene

• Gene care codifică proteine (proteine membranare, citoscheletale, reglatoare, semnalizatoare)
• Gene care codifică produși funcționali (enzime, hormoni)
Genele care codifică proteine sunt de 2 feluri: ubicuitare și tisulare. Cele ubicuitare codifică proteine implicate în procesele celulare care se desfășoară global, în toate celulele organismului (producere și stocare de energie, metabolism etc.) și a căror transcripție este permanentă. Cele tisulare sunt prezente în fiecare celulă din organism dar sunt active doar în anumite țesuturi. Factorii reglatori locali care se fixează în regiunea 5’ a genei le coordonează transcripția. Sunt clasificate în: gene unice, familii de gene (gene cu structură asemănătoare) și familii de supergene.
Există și unele secvențe genice care nu au o poziție fixă în genom, fiind capabile să-și schimbe locusul, numite elemente genetice mobile sau transpozoni. Ei sunt implicați în transferul genelor de rezistență la antibiotice de la o bacterie la alta. Pot fi transcriși în ARN servind ca matriță pentru sinteza ADN. Produșii ADN de reverstranscripție se numesc retrotranspozoni. Când aceștia sunt integrați într-o secvență genică ei pot suprima activitatea genei sau produce mutații genetice.

Familii de gene

S-a constatat că în genom există gene care deși sunt diferite ca locus și dimensiune, au exoni comuni. Prin urmare, acest lucru face ca aceste gene numite neomologe deoarece sunt diferite ca poziție pe cromozomi, să codifice proteine identice sau înrudite. Seria de gene cu locusuri rezultă prin duplicații și mutații seriate dintr-o genă sălbatică sau ancestrală și este numită familie multigenică. Familia poate fi grupată pe același cromozom sau pe cromozomi diferiți. Exemple de familii de gene dispuse în tandem pe cromozomii umani: HLA pe cromozomul 6, IgA1 pe cromozomul 14, IgK pe cromozomul 2, genele sistemului eritrocitar Rh pe cromozomul 1.

Interacțiunea gene-mediu

Expresia caracterelor codificate de gene poate fi influențată de către factorii ambientali, fapt dovedit de existența unor boli cu transmitere autozomal dominantă dar cu manifestare fenotipică variată exprimată prin penetranță incompletă și expresivitate variabilă.
Penetranța reprezintă raportul dintre numărul de indivizi care manifestă boala și numărul de indivizi purtători ai genei mutante A, înmulțit cu 100. Determină frecvența manifestării genei mutante în raport cu numărul total de purtători. Penetranța poate fi completă atunci când boala se manifestă la toți purtătorii genei mutante A și incompletă când unele persoane heterozigote An, nu manifestă boala deși au gena mutantă, însă pot transmite gena anormală urmașilor, care pot fi afectați. Boli cu penetranță completă: miozita osificantă, ataxia-telangectazia, sindromul Von Hippel- Lindau. Boli cu penetranță încompletă: retinoblastomul, otoscleroza, exostoza multiplă.
Expresivitatea definește gradul (intensitatea) de manifestare fenotipică a unei gene mutante. Procesul prin care aceeași boală se manifestă diferit la indivizi afectați din aceeași familie sau din familii diferite se numește expresivitate variabilă. De exemplu în cadrul Sindromului Marfan cu afectare scheletică, oculară și cardiovasculară, unii indivizi pot prezenta doar 1 din manifestări iar severitatea clinică a simptomelor poate fi diferită între indivizi.

Relația genă-proteină

Înainte oamenii de știință credeau că o singură genă codifică o singură proteină însă cercetările privind structura genei au arătat că este posibil ca o genă să codifice mai multe proteine sau mai multe gene să codifice o singură proteină. Gena este o structură discontinuă alcătuită din introni și exoni. Procesul de splicing al exonilor din structura ARNm matur se poate face diferențiat astfel încât aceeași genă poate codifica proteine diferite. De exemplu gena calcitoninei asigură sinteza hormonului tiroidian calcitonină și sinteza calcitonin gene-related peptide, o proteină neuromodulatoare din hipotalamus. Relația mai multe gene- o proteină a fost identificată în cazul proteinelor policatenare cum sunt imunoglobulinele, fiecare catenă peptidică fiind realizată pe baza informației genetice a unor familii de gene alcătuite din gene diferite care ocupă loci diferiți pe același cromozom sau pe cromozomi diferiți.

Gena, ca unitate informațional-activă a genomului este unitatea de bază a eredității, deci, pentru a înțelege modul în care sunt transmise caracterele de la părinți la urmași este important să-i cunoaștem caracteristicile morfologice și funcționale.