Genetica

Genetica este o ramură a biologiei care ne ajută să înțelegem atât complexitatea speciei umane cât și mecanismul prin care apar bolile ereditare. Prin studiul ei am înțeles de ce arătăm diferit și ne comportăm diferit, de ce avem anumite caracteristici și de ce apar bolile ereditare. Dintotdeauna ne-am întrebat cine suntem, de unde venim și care este locul nostru în univers. Cu ajutorul geneticii am reușit să răspundem la anumite întrebări însă multe necunoscute planează la orizont așteptând ca oamenii de știință să le elucideze misterele.

Concepte de bază in genetică

Genetica provine din cuvântul grecesc „genesis” care înseamnă a da naștere. Este știința eredității, variabilității și reproducerii ființelor vii, laturi fundamentale și inseparabile ale proceselor vieții.

Ereditatea este proprietatea fundamentala a tuturor vietuitoarelor. Asigură transmiterea cu fidenlitate a trăsăturilor morfologice (anatomice), fiziologice și de comportament, adică a caracterelor ereditare, de la părinți la descendenți. Este numită și latura conservatoare, sincronă sau stabilizatoare a ființelor vii, care asigură legătura organică și continuitatea dintre generații prin conservarea caracterelor.

Variabilitatea, a doua latură a geneticii este forma prin care se manifestă diversitatea lumii vii. Datorită ei, fiecare individ este unicat. Este proprietatea urmașilor de a se deosebi de părinți și de frați datorită diferențelor fenotipice calitative sau cantitative. Există trei tipuri de variații: intraindividuale (caracteristici care diferă de la o perioadă la alta în cadrul aceluiași individ), interindividuale (diferențele dintre indivizii aceleiași specii) și de grup sau populaționale (diferențe între indivizii unei specii și indivizii aparținând altei specii). Este considerată latura diacronică a geneticii.

Genotip = constituția genetică a unei celule, organism sau individ, materialul genetic.

Fenotip = caracteristicile biochimice, morfologice, fiziologice și comportamentale, normale sau patologice ale unui individ determinate de constituția sa genetică (genotip) și modulate de factorii de mediu, ambientali.

Caractere ereditare = caracteristicile individuale ce se transmit de la o generație la alta, de la ascendență la descendență în succesiunea generațiilor. Caracterul observat (ex. culoarea ochilor, profilul facial, talia) este denumit caracter fenotipic.

Gameți = celule masculine și feminine, diferențiate din punct de vedere sexual.

Legile fundamentale ale geneticii

Gregor Mendel (1822-1884) este considerat părintele geneticii, întrucât el a fost primul om de știință care a înțeles că trăsăturile ereditare nu sunt transmise direct de la mamă și de la tată la copii, ci transmiterea este una indirectă, prin intermediul factorilor ereditari (denumiți mai târziu gene). El a realizat o serie de experimente de hibridare (încrucișare între indivizi cu caractere diferite) folosind mazărea de grădină (Pisum Sativum). Faptul că a încrucișat plante cu caracteristici fenotipice diferite (înălțime, formă, culoarea bobului și a florii) i-a permis să explice transmiterea caracterelor de la o generație la alta. Mendel a analizat statistic rezultatele încrucișărilor și astfel a putut determina precis frecvența cu care apar diferitele tipuri de caracteristici, nu numai în prima generație de hibrizi ci și în a doua și a treia generație.
Organismele au fost astfel împărțite în două categorii: homozigote (factorii ereditari pereche de la mamă și de la tată sunt de același fel: bob neted AA, bob zbârcit aa) iar cele în care factorii ereditari sunt diferiți se numesc heterozigote (Aa). La indivizii heterozigoți se manifestă doar un singur caracter și anume cel dominant (A), cel recesiv (a) rămânând în stare ascunsă. Condiția ca un caracter recesiv să se manifeste este aceea ca factorul ereditar ce determină acest caracter să fie în dublu exemplar (aa). Studiul modului în care se comportă de-a lungul generațiilor indivizii rezultați în urma monohibridării și dihibridării i-a permis lui Mendel să emită ceea ce astăzi se numesc Legile Eredității ale lui Mendel:

1. Legea purității gameților:

Gameții sunt întotdeauna puri din punct de vedere genetic indiferent dacă provin din indivizi heterozigoți sau homozigoți, deoarece conțin numai unul din factorii ereditari pereche (fie el dominant sau recesiv)

2. Legea segregării independente a perechilor de caractere:

In timpul meiozei, perechea de gene alele se separă (segregă) și fiecare gamet primește câte o genă din perechea inițială. Deci, prin combinarea întâmplătoare a gameților indivizilor din prima generație, apare în generația a doua fenomenul segregării caracterelor. Fiecare pereche de factori ereditari (alele) segregă independent de alte perechi de factori ereditari. Raportul de segregare în generația a doua este de 3 alele dominante raportat la 1 alelă recesivă (3A: 1a) pentru fiecare pereche de factori ereditari (monohibridare). În cazul segregării a două perechi de caractere, raportul de segregare este 9: 3: 3: 1 (dihibridare).

Din aceste două legi principale geneticienii au desprins mai multe principii:

1. Fiecare caracter al unui organism este controlat de o pereche de gene, numite alele
2. Pentru fiecare caracter al său, organismul are două alele, una de origine maternă, alta de origine paternă.
3. Când alelele pentru un anumit caracter al organismului nu sunt indentice, una se poate exprima fenotipic- alela dominantă (A), iar cealaltă rămâne ascunsă – alela recesivă (a)
4. În timpul meiozei (diviziunii), fiecare gamet poate primi câte o genă din fiecare pereche de gene alele, formându-se astfel în gameți combinații aleatorii de gene (principiul segregării și asortării independente)
5. Fiecare alelă se transmite de la o generație la alta ca o unitate discretă.

Prin studiile sale, Mendel a descoperit deosebirea dintre structura genetică a organismelor - genotipul și înfățișarea organismelor - fenotipul (rezultatul interacțiunii dintre genotip și mediul ambiental).

Teoria cromozomială a eredității

Mai târziu, s-a stabilit că factorii ereditari ai lui Mendel, numiți gene sunt localizați pe cromozomi și a fost elaborată teoria cromozomială a eredității. Astfel, a apărut citogenetica, știință care studiază ereditatea la nivel celular, atât în cazul celulelor procariote (anucleate) cât și în cazul celor eucariote (nucleate). Postulatele teoriei cromozomiale a eredității emisă de Thomas Morgan sunt:

1. Fiecărui caracter îi este asociată cel puțin o genă, iar fiecare genă ocupă un anumit loc (locus- loci) pe cromozom, genele fiind dispuse într-o anumită succesiune în cadrul cromozomului: dispunerea lineară a genelor în cromozomi
2. Genele localizate în același cromozom au tendința de a se transmite împreună la descendenți (proces numit linkage): transmiterea înlănțuită a genelor dispuse în același cromozom
3. Între cromozomii perechi se pot realiza schimburi reciproce de fragmente de ADN (crossing-over): schimbul reciproc de gene între cromozomii omologi.

ADN-ul

Cea mai mare descoperire a geneticii a fost făcută însă în 1953, de către James Watson și Francis Crick care au reușit să descopere structura bicatenară a macromoleculei de ADN cu ajutorul razelor Roentgen. Modelul lor a fost confirmat de Maurice Wilkins, cei 3 primind premiul Nobel pentru medicină și biologie în 1962. O. T. Avery, C. McLeod și M. McCarty descoperiseră înainte că ADN-ul este factorul responsabil de transformarea genetică și de transmiterea caracterelor ereditare, însă structura și proprietățile acestuia au rămas necunoscute până la descoperirea extraordinară a lui Watson și Crick. Ei au arătat că molecula de ADN este formată din două catene polinucleotidice antiparalele, înfășurate plectonemic sub forma unui dublu helix. Această structură explică atât capacitatea ADN-ului de a deține informația genetică sub formă codificată, cât și capacitatea de a transmite fidel această informație de la o generație la alta în cursul diviziunii celulare.

Ramurile geneticii

a) Genetica moleculară- studiază la nivel molecular substanțele fundamentale care guvernează ereditatea, variabilitatea și diferențierea (ADN, ARN, cromozomi, gene)
b) Genetica fenomenologică- studiază modul de transmitere al caracterelor de la o generație la alta și mecanismele prin care se produce această transmitere
c) Genetica umană și medicală- studiază genotipul și fenotipul uman și patologiile aferente mutațiilor genetice și defectelor ereditare
d) Genetica dezvoltării ontogenetice- studiază mecanismele prin care genele coordonează procesul de diferențiere, dezvoltare și reglare a organismului pe toate perioadele ontogenetice (de la stadiul de embrion până la sfârșitul existenței organismului respectiv)
e) Radiogenetica – cercetează efectele radiațiilor ionizante asupra genotipului.
f) Imunogenetica- cercetează mecanismele reglării genetice a răspunsului imun
g) Genetica populației (genetica antropologică) - studiază structura genetică a populațiilor ca rezultat al interferenței dintre genofondul populației (rezervorul genetic al populației) și factorii ambientali
h) Citogenetica- studiază ereditatea la nivel celular
i) Cronogenetica- studiază activitatea aparatului genetic uman pe etape ontogenetice.

Aplicațiile geneticii în medicină

Fără genetică, medicina ar fi avansat mult mai greu, deoarece, foarte multe boli pe care medicii le tratează astăzi sunt determinate genetic, iar combinația dintre genotipul individului și anumiți factori de risc poate crea predispoziție către anumite afecțiuni, unul dintre exemplele cele mai cunoscute fiind genele BRCA1 și BRCA2 asociate cu riscul dezvoltării cancerului de sân. Genetica are nenumărate aplicații în medicină, de la teste diagnostice la metode terapeutice, aici fiind enumerate câteva dintre ele:

1. Sfatul genetic - informarea cuplurilor cu privire la riscul de a avea copii cu maladii ereditare în cazul în care unul din părinți este afectat de o astfel de maladie, există antecedente de boală ereditara în familia unuia dintre părinți sau cuplul are deja un copil afectat ereditar și vor să cunoască riscul de a avea alți copii afectați.
2. Diagnosticul prenatal - urmărește detectarea unei maladii cromozomiale sau genetice în primele luni de sarcină prin analiza lichidului amniotic (amniocenteză). În funcție de gravitatea maladiei descoperite se poate lua decizia de a continua sau nu sarcina
3. Fertilizarea in vitro - crearea embrionului în afara corpului uman. Prin contopirea celor 2 gameți, de la mamă și de la tată, în laborator se formează zigotul, care se divide repetat dând naștere embrionului care este transferat la mama purtătoare prin embriotransfer la 72 de ore de la concepție. Nu se intervine în complexul genetic al embrionului, astfel încât între fătul creat in vitro și cel procreat natural (in vivo) nu apar deosebiri de caractere și dezvoltare.
4. Clonarea terapeutică - embrionii se clonează până la stadiul obținerii unei culturi de celule stem, care sunt celule nediferențiate, capabile să formeze orice fel de țesut, fiind folosite astfel pentru refacerea celulelor și țesuturilor necrozate.
5. Terapia genică - tratarea maladiilor ereditare. Constă în transferul de gene în celulele umane aceste gene urmând să le înlocuiască pe cele mutante, responsabile de defectul genetic. Aceasta se află actualmente în fază experimentală.
6. Testele genetice - utile în diagnosticul maladiilor ereditare

Proiectul genomului uman (Human Genome Project)

Început în 1990 și finalizat în 2003, la 50 de ani de la descoperirea epocală a lui Watson și Crick, proiectul genomului uman a urmărit identificarea tuturor celor aproximativ 35.000 de gene ale ADN-ului și să identifice succesiunea a celor peste 3 miliarde de perechi de baze azotate din care este alcătuit acesta. De asemenea s-a urmărit identificarea funcțiilor genelor umane și identificarea elementelor esențiale din regiunile fără gene ale ADN-ului. Însă până acum nu există rezultate spectaculoase, au fost obținuți munți de date care trebuie supuse analizei, această operațiune nefiind finalizată în prezent. Dar, actualmente analiza ADN-ului poate dezvălui predispoziția spre o mulțime de afecțiuni precum diabetul, cancerul sau bolile cardiovasculare și au fost puse bazele câtorva teste genetice personalizate care pot arăta, de exemplu care este probabilitatea ca celulele canceroase din organism să se răspândească sau ca boala să reapară (Dr. Vogelstein- John Hopkins University, Baltimore), sau pot identifica suferinzii de cancer la sân care nu pot fi tratați cu ajutorul chimioterapiei (testul Oncotype DX).
Genetica este o știință în continuă ascensiune iar odată cu dezvoltarea tehnologiei și cu evoluția metodelor experimentale, de testare și diagnostic omenirea va fi capabilă să răspundă din ce în ce mai multor întrebări cu privire la originea, diagnosticul și tratamentul bolilor genetice însă de asemenea, problemele de ordin etic și religios referitoare la ingineria genetică, terapia genică sauclonare vor deveni din ce în ce mai dificil de soluționat.