Genele

Genomul uman este o entitate extrem de complexă È™i adeseori acestuia i se atribuie în mod eronat rolul principal în ereditate. De fapt, sursa de la care porneÈ™te totul este o mică entitate componentă a ADN -ului È™i anume gena. Numită îniÈ›ial de către Mendel factor ereditar, termenul de genă a fost introdus mai târziu, odată cu definiÈ›ia lui Johansen care considera că gena este unitatea funcÈ›ională a genotipului ce controlează un caracter exprimat fenotipic. Însă, în 1915 Morgan adefinit-o ca fiind unitatea de funcÈ›ie, recombinare È™i mutaÈ›ie a aparatului genetic celular. Actualmente, gena (gr. zenos = descendență) este considerată ca fiind unitatea funcÈ›ională a ADN -ului cromozomial È™i/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 acelaÈ™i cromozom nu sunt izolate între ele, ci sunt dispuse înlănÈ›uit, transmiÈ›ându-se grupat (linkage)
5. Gena este unitatea de recombinare genetică. Când cromozomii omologi suferă procesul de crossing-over, genele alelomorfe (care au aceeaÈ™i funcÈ›ie genetică È™i acelaÈ™i locus pe cromozomii omologi) îÈ™i inversează poziÈ›iile. Acest proces are ca rezultat diversificarea genotipului indivizilor dintr-o populaÈ›ie
6. Gena este unitatea de mutaÈ›ie, fiind segmentul din cromozom care este capabil să-È™i modifice structura, dând naÈ™tere unor forme alelice. Astfel rezultă structuri proteice È™i caractere noi.

Pe un cromozom, genele sunt dispuse liniar È™i adiacent genelor vecine È™i se înlănÈ›uiesc cu acestea formând grupuri linkate de-a lungul axului de dispoziÈ›ie al cromozomului. Gena nu este prin poziÈ›ia ei delimitată morfologic sau chimic de genele vecine ci singurul mod în care se delimitează de celelalte gene este funcÈ›ia sa, mesajul genetic pe care îl transmite prin urmare graniÈ›ele dintre genele situate pe acelaÈ™i cromozom sunt unele strict funcÈ›ionale.
Locusul, poziÈ›ia pe care o ocupă gena pe cromozom este fixă, identică pentru toÈ›i indivizii speciei. Locusul poate fi situat pe autozomi (loci autozomali) sau pe cromozomii sexuali. Gena stabileÈ™te ordinea aminoacizilor în molecula proteică ce determină un anumit caracter. O genă este alcătuită din aproximativ 900-1.500 de nucleotizi (compuÈ™i formaÈ›i dintr-un heterociclu, o pentoză È™i una sau mai multe grupări fosfat) din lanÈ›ul 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: mutaÈ›ii punctiforme, crossing-over inegal, dedublarea accidentală a unei gene sau dedublarea asociată cu mutaÈ›ia unei gene. 2 sau mai multe alele sunt denumite alelomorfe când au acelaÈ™i locus pe cromozomii omologi È™i 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 È™i 0, pentru locusul care determină grupul sangvin. O anumită persoană dintr-o populaÈ›ie posedă în locusul respectiv numai una dintre genele alele care există în grupul populaÈ›ional 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 È™i organismul care le posedă este homozigot (NN sau AA), iar dacă genele alele sunt diferite genotipul, ca È™i organismul este heterozigot (NA). Pe cromozomii umani există o multitudine de loci, prin urmare fiecare om va fi homozigot pentru unii loci È™i heterozigot pentru alÈ›i loci. Termenul de hemizigot este folosit când pe un locus există două alele mutante diferite (A1 È™i A2). De exemplu, la bărbaÈ›i (XY), o genă autozomală de pe cromozomul X nu are de obicei echivalent pe cromozomul Y.
În cursul meiozei (diviziunii) homozigoÈ›ii pot produce un singur tip de gamet È™i se numesc homogametici, iar heterozigoÈ›ii sunt heterogametici producând prin segregarea genelor alele 2 tipuri diferite de gameÈ›i (N È™i A), fiecare în proporÈ›ie de 50%.

Dominant și recesiv

Acestea sunt cele 2 moduri de exprimare fenotipică a genei. Gena È™i caracterul care se exprimă fenotipic la heterozigoÈ›i sunt numinte dominante È™i se notează cu majuscule. Gena care nu se manifestă fenotipic la heterozigoÈ›i È™i se exprimă numai în stare homozigotă se numeÈ™te recesivă È™i 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 prezenÈ›a unei alele asemănătoare, rezultând indivizi homozigoÈ›i cu genotip aa sau nn.
Codominanță- concept ce defineÈ™te manifestarea fenotipică a ambelor alele la heterozigoÈ›i. De exemplu genele A È™i B din sistemul polialelic ABO ce determină grupul sangvin sunt dominante față de gena O È™i codominante una față de alta, din acest proces de codominanță rezultând indivizi cu grupa sangvină AB. Grupele sangvine sau fenotipurile A, B È™i AB sunt determinate de genotipurile A0, B0 È™i AB.

Linkage și Crossing- Over

ÎnlănÈ›uirea genetică sau linkage este procesul prin care genele situate pe acelaÈ™i cromozom au tendinÈ›a de a se transmite grupat, o dată cu cromozomul respectiv, prin gameÈ›i de la părinÈ›i la descendenÈ›i. Astfel, genele nealele situate pe acelaÈ™i cromozom nu segregă în meioză È™i se transmit împreună în succesiunea generaÈ›iilor formând un grup de înlănÈ›uire sau un haplotip. Numai genele situate foarte aproape una de alta suferă acest proces. Genele situate la o distanță mai mare pe acelaÈ™i cromozom suferă procesul de crossing-over, înlănÈ›uirea 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 È™i 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 consecinÈ›e fenotipice negative ce determină diferite boli genetice.

Genele la eucariote

Celulele eucariote sunt celule complexe formate din nucleu, citoplasmă, membrană È™i organite celulare. Ele alcătuiesc È›esuturile umane È™i animale iar materialul genetic al acestora mult mai complex față de cel al procariotelor (celule fără membrană nucleară È™i 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 transcripÈ›ie (selectarea genelor care vor fi transmise descendenÈ›ilor) È™i translaÈ›ie (sinteza proteinelor în ribozomi- organite celulare intracitoplasmatice- pe baza informaÈ›iei genelor transcrise). Genele nu sunt indivizibile ci sunt fragmentate în introni (regiuni transcrise dar netranslate), exoni (regiuni transcrise È™i translate) È™i regiuni netranscrise (cu rol reglator).
Există două mecanisme de reglaj genetic la eucariote:
- Reglaj pozitiv: genele funcÈ›ionează numai în prezenÈ›a unei proteine inductoare. Este predominant.
- Reglaj negativ: genele funcÈ›ionează numai în prezenÈ›a unei proteine supresoare
Transmiterea caracterelor de la strămoÈ™i la urmaÈ™i are la bază principiul ADN -ARN – Proteină. Nucleul celular organizat în cromozomi conÈ›ine ADN-ul care se divide înainte de diviziunea celulară (replicare) deoarece fiecare celulă trebuie să aibă material genetic prorpiu. Apoi are loc transcripÈ›ia genelor selectate cu sinteza de ARN mesager (ARNm) precursor care include în structura sa atât secvenÈ›e purtătoare de informaÈ›ie (exoni) cât È™i secvenÈ›e noninformaÈ›ionale (introni). Apoi molecula de ARN precursor se fragmentează È™i se separă secvenÈ›ele noninformaÈ›ionale de cele informaÈ›ionale care vor intra în structura ARN mesager matur. Acesta va intra în procesul de translaÈ›ie care are loc la nivel ribozomal rezultând sinteza de catene polipeptidice pe baza informaÈ›iei purtate de ARN mesager, catene care apoi vor fi prelucrate rezultând proteine complexe.

Structura genei

Regiunea centrală a genei alcătuită din introni È™i exoni este cea care este transcrisa integral în ARNm precursor prin acÈ›iunea ARN polimerazei II. Regiunea începe cu situsul de iniÈ›iere al transcripÈ›iei prescurtat S.I.T. după care urmează o regiune necodantă (transcrisă dar netranslatată) de câteva sute de nucleotide numită 5’ UTR (untranslated region) care conÈ›ine codonul iniÈ›iator (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 implicaÈ›i în sinteza proteinelor iar ceilalÈ›i 3 sunt responsabili de oprirea sintezei (codoni stop). Din structura ARNm matur sunt eliminaÈ›i intronii fiind păstraÈ›i doar exonii care codifică anumite părÈ›i structurale sau funcÈ›ionale ale proteinei finale. Procesul de ansamblare al exonilor în ARNm matur se numeÈ™te 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 translaÈ›ie sau sintezei proteice. La capătul 3’ al acestei secvenÈ›e există hexanucleotidul ce reprezintă situsul de terminare al transcripÈ›iei.
Regiunile laterale ale genei sunt secvenÈ›e de reglare care nu intră în procesul de transcripÈ›ie, având rolul de a semnaliza iniÈ›ierea transcripÈ›iei de către ARN polimerază È™i de a regla intensitatea ei. MutaÈ›iile din aceste regiuni nu codifică structura de aminoacizi a proteinei.
Regiunea laterală 5’ este locul unde se fixează ARN polimeraza È™i se dă startul transcripÈ›iei. Ea este numită promotor. Regiunea laterală 3’ conÈ›ine secvenÈ›e semnal care afectează procesarea, stabilitatea È™i durata de viață a ARNm È™i conÈ›ine secvenÈ›e reglatoare de tip activator (enhancer).

Tipuri de gene

• Gene care codifică proteine (proteine membranare, citoscheletale, reglatoare, semnalizatoare)
• Gene care codifică produÈ™i funcÈ›ionali (enzime, hormoni)
Genele care codifică proteine sunt de 2 feluri: ubicuitare È™i tisulare. Cele ubicuitare codifică proteine implicate în procesele celulare care se desfășoară global, în toate celulele organismului (producere È™i stocare de energie, metabolism etc.) È™i a căror transcripÈ›ie este permanentă. Cele tisulare sunt prezente în fiecare celulă din organism dar sunt active doar în anumite È›esuturi. Factorii reglatori locali care se fixează în regiunea 5’ a genei le coordonează transcripÈ›ia. Sunt clasificate în: gene unice, familii de gene (gene cu structură asemănătoare) È™i familii de supergene.
Există È™i unele secvenÈ›e genice care nu au o poziÈ›ie fixă în genom, fiind capabile să-È™i schimbe locusul, numite elemente genetice mobile sau transpozoni. Ei sunt implicaÈ›i în transferul genelor de rezistență la antibiotice de la o bacterie la alta. Pot fi transcriÈ™i în ARN servind ca matriță pentru sinteza ADN. ProduÈ™ii ADN de reverstranscripÈ›ie se numesc retrotranspozoni. Când aceÈ™tia sunt integraÈ›i într-o secvență genică ei pot suprima activitatea genei sau produce mutaÈ›ii genetice.

Familii de gene

S-a constatat că în genom există gene care deÈ™i sunt diferite ca locus È™i dimensiune, au exoni comuni. Prin urmare, acest lucru face ca aceste gene numite neomologe deoarece sunt diferite ca poziÈ›ie pe cromozomi, să codifice proteine identice sau înrudite. Seria de gene cu locusuri rezultă prin duplicaÈ›ii È™i mutaÈ›ii seriate dintr-o genă sălbatică sau ancestrală È™i este numită familie multigenică. Familia poate fi grupată pe acelaÈ™i cromozom sau pe cromozomi diferiÈ›i. 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.
PenetranÈ›a reprezintă raportul dintre numărul de indivizi care manifestă boala È™i numărul de indivizi purtători ai genei mutante A, înmulÈ›it cu 100. Determină frecvenÈ›a manifestării genei mutante în raport cu numărul total de purtători. PenetranÈ›a poate fi completă atunci când boala se manifestă la toÈ›i purtătorii genei mutante A È™i incompletă când unele persoane heterozigote An, nu manifestă boala deÈ™i au gena mutantă, însă pot transmite gena anormală urmaÈ™ilor, care pot fi afectaÈ›i. Boli cu penetranță completă: miozita osificantă, ataxia-telangectazia, sindromul Von Hippel- Lindau. Boli cu penetranță încompletă: retinoblastomul, otoscleroza, exostoza multiplă.
Expresivitatea defineÈ™te gradul (intensitatea) de manifestare fenotipică a unei gene mutante. Procesul prin care aceeaÈ™i boală se manifestă diferit la indivizi afectaÈ›i din aceeaÈ™i familie sau din familii diferite se numeÈ™te expresivitate variabilă. De exemplu în cadrul Sindromului Marfan cu afectare scheletică, oculară È™i 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 È™tiință 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 È™i exoni. Procesul de splicing al exonilor din structura ARNm matur se poate face diferenÈ›iat astfel încât aceeaÈ™i genă poate codifica proteine diferite. De exemplu gena calcitoninei asigură sinteza hormonului tiroidian calcitonină È™i sinteza calcitonin gene-related peptide, o proteină neuromodulatoare din hipotalamus. RelaÈ›ia mai multe gene- o proteină a fost identificată în cazul proteinelor policatenare cum sunt imunoglobulinele, fiecare catenă peptidică fiind realizată pe baza informaÈ›iei genetice a unor familii de gene alcătuite din gene diferite care ocupă loci diferiÈ›i pe acelaÈ™i cromozom sau pe cromozomi diferiÈ›i.

Gena, ca unitate informaÈ›ional-activă a genomului este unitatea de bază a eredității, deci, pentru a înÈ›elege modul în care sunt transmise caracterele de la părinÈ›i la urmaÈ™i este important să-i cunoaÈ™tem caracteristicile morfologice È™i funcÈ›ionale.