Introducere

De secole întregi, oamenii au ales selectiv anumite animale și plante pentru a le spori productivitatea. În acele vremuri, soiurile și rasele erau dezvoltate fără o înțelegere profundă a mecanismelor de transmitere a trăsăturilor de la o generație la alta, adică fără a cunoaște principiile eredității.

Doar în secolul XX, prin intermediul experimentelor din domeniul geneticii, s-au descoperit și formulat regulile care guvernează acest proces.

Genetica, ramura biologiei dedicată studiului eredității și al variabilității, se ocupă de investigarea modului în care informația genetică este transmisă și modificată în cadrul organismelor.

Ereditatea se referă la capacitatea tuturor ființelor de a deține informație genetică, prin intermediul căreia se pot transfera de la părinți la urmași trăsături ce țin de aspectul exterior, funcționare fiziologică, particularități biochimice și comportament. Această informație este stocată și codificată biochimic în acizii nucleici.

Variabilitatea descrie abilitatea indivizilor de a se diferenția prin caracteristici atât moștenite, cât și dobândite, fapt ce face imposibilă existența unor copii perfect identice.

Johann Gregor Mendel (1822-1884), cunoscut adesea drept "fondatorul geneticii", a fost un om de știință, educator și călugăr devotat. De-a lungul vieții sale, a demonstrat o hotărâre remarcabilă, depășind obstacole dificile pentru a realiza descoperiri fundamentale în domeniul biologiei.

Primele explicații privind modul de transmitere a caracterelor ereditare au fost emise de Gregor Mendel. Acesta, desfășurând o selecție atentă de-a lungul mai multor ani, a cultivat diverse varietăți de mazăre și a observat că anumite trăsături ale plantelor părinte se regăseau la urmași, în timp ce altele dispăreau.

El s-a concentrat asupra a 7 caracteristici clare, fiecare manifestându-se în două forme opuse: culoarea florilor (roșii sau albe), poziția acestora (axilare sau terminale), înălțimea tulpinii (înalte sau scurte), forma bobului (rotundă sau zbârcită), culoarea semințelor (galbene sau verzi), forma păstăii (lățită sau îngustă) și, totodată, culoarea păstăii (galbenă sau verde).

Mazărea nu a fost aleasă întâmplător, ci datorită faptului că această specie se cultivă cu ușurință, produce un număr mare de semințe și are posibilitatea de a se reproduce atât prin autopolenizare, cât și prin încrucișare. Acești factori i-au permis lui Mendel să controleze precis procesul de polenizare și să testeze rapid ipotezele sale experimentale. Prin aplicarea tehnicii de autopolenizare pe varietățile selectate, el a reușit să creeze linii pure de mazăre, în care trăsăturile ereditare erau transmise constant din generație în generație.

Încrucișarea între indivizi care se deosebesc prin unul sau mai multe caractere se numește hibridare.

Hibridarea presupune încrucișarea dintre părinți care prezintă diferențe într-una sau mai multe perechi de trăsături. Astfel, dacă se face referire la o singură pereche distinctă, procesul se numește monohibridare; dacă implică două perechi, se vorbește despre dihibridare; iar în cazul în care sunt implicate mai multe perechi, se utilizează termenul polihibridare. Rezultatul obținut prin acest proces este numit hibrid.

Mendel a observat că, în fiecare generație de plante, anumite trăsături se manifestau într-un mod previzibil. A înregistrat detalii despre aspectul fiecărei plante și a numărat câte dintre ele prezentau o anumită caracteristică. Spre surprinderea sa, toate cele șapte trăsături studiate urmau tipare similare de moștenire:

- A remarcat că o variantă a unei trăsături, cum ar fi înălțimea mare, părea să domine, ascunzând cealaltă variantă, cum ar fi înălțimea mică, în prima generație de hibrizi. A denumit varianta vizibilă "dominantă" și pe cea ascunsă "recesivă".

- În generația următoare, după ce plantele s-au autopolenizat, varianta recesivă a reapărut într-un număr mai mic de exemplare. De regulă, raportul era de aproximativ 3:1, adică trei plante cu trăsătura dominantă pentru fiecare plantă cu trăsătura recesivă.

3:1, adică trei plante cu trăsătura dominantă pentru fiecare plantă cu trăsătura recesivă.

Aceste rezultate l-au condus pe Mendel la enunțarea:

- Legii purității gameților: Gameții sunt întotdeauna puri din punct de vedere genetic, ei conțin numai unul din factorii ereditari pereche.

- Legii segregării independente a perechilor de caractere, conform căreia fiecare pereche de factori ereditari segregă independent de alte perechi de factori ereditari.

Monohibridarea și principiul purității gameților

Gregor Mendel a pus la cale încrucișări între două varietăți de mazăre ce diferă doar printr-o singură trăsătură: Înălțimea taliei, care putea fi fie înaltă, fie scundă. În experiment, unul dintre soiuri a fost folosit ca genitor matern, după ce s-au îndepărtat staminelele din florile hermafrodite, iar celălalt soi a acționat ca genitor paternal, din care s-a recoltat polenul ce ulterior a fost transferat pe stigmatul florilor modificate. Rezultatul primei generații a fost reprezentat de hibrizi heterozigoți, toți manifestând exclusiv trăsătura boabelor netede la nivel fenotipic.

Genotipul unui organism cuprinde totalitatea genelor sale, iar în celulele somatice (diploide, 2n) fiecare factor ereditar se găsește în dublu, comparativ cu gameții (haploizi, n) în care apare o singură dată.

Fenotipul este ansamblul caracteristicilor vizibile și funcționale—morfologice, fiziologice, biochimice și comportamentale—rezultatul interacțiunii dintre genotip și mediu.

Trăsătura observată la hibrizii F₁, talie înaltă, a fost denumită dominantă, în timp ce trăsătura care nu se manifesta (talie scundă) a fost clasificată ca recesivă. Ulterior, prin semănarea plantelor hibride obținute în F₁ și prin autopolenizarea lor, Mendel a generat a doua generație (F₂), unde a constatat un raport fenotipic de 3:1, adică trei plante cu talie înaltă pentru fiecare plantă cu talie scundă.

Mendel a explicat acest raport prin faptul că, fiecare gamet fiind pur din punct de vedere genetic (conținând o singură alelă din fiecare pereche), plantele heterozigote (Nn) formează în mod egal două tipuri de gameți: unul cu alela dominantă (N) și unul cu alela recesivă (n). Pentru a demonstra practic acest principiu, el a efectuat experimente de backcrossing, adică a încrucișat hibrizii heterozigoți din F₁ cu fiecare dintre genitorii homozigoți.

De exemplu, în backcross-ul dintre hibridul (Nn) și genitorul dominant (NN), urmașii au prezentat exclusiv trăsătura taliei înalte, fiind împărțiți în mod egal între homozigoți (NN) și heterozigoți (Nn). La încrucișarea unui hibrid (Nn) cu un genitor recesiv (nn), cele două tipuri de gameți produse de hibrid (N sau n) se combină cu gameții unici ai părintelui recesiv (n), rezultând astfel o distribuție echilibrată: 50% plante heterozigote (Nn) cu talie înaltă și 50% plante homozigote recesive (nn) cu talie scundă.

Dihibridarea și Legea Segregării Independente a Trăsăturilor

Pentru a explora modul în care două trăsături se pot combina și separa, Mendel a realizat o experimente de dihibridare pe plantele de mazăre care diferă prin două caracteristici: forma bobului (netedă versus zbârcită) și culoarea acestuia (galbenă versus verde).

Generația F₁ și Obținerea F₂

1. Încrucișarea inițială:

Mendel a început prin a încrucișa plante care diferă în mod clar prin aceste două trăsături. Rezultatul primei generații (F₁) a fost reprezentat de hibrizi heterozigoți (genotipul NnGg), care au prezentat exclusiv fenotipul dominant -- adică toate plantele aveau boabe netede și galbene.

2. Autopolenizarea:

Planta din F₁ a fost lăsată să se autopolenizeze, iar în urma acestui proces s-a obținut generația F₂. În F₂ apar 16 combinații posibile de gameți, rezultând patru fenotipuri principale, cu un raport de segregare de 9:3:3:1. Aceasta înseamnă că, la scară largă, distribuția trăsăturilor în populația F₂ va cuprinde:

- 9/16 din plante cu ambele trăsături dominante (neted și galben),

- 3/16 din plante cu o combinație de trăsături mixte,

- 3/16 din plante cu cealaltă combinație mixtă,

- 1/16 din plante cu ambele trăsături recesive (zbârcit și verde).

De unde provin aceste rapoarte?

Plantele heterozigoți din F₁ (NnGg) generează patru tipuri de gameți:

- NG

- Ng

- nG

- ng.

Aceasta se datorează comportamentului independent al cromozomilor în timpul meiozei. În profaza I, cromozomii omologi se asociază formând bivalenți, iar în prima anafază aceștia se separă aleatoriu către cei doi poli ai celulei. Formula generală 2^n (unde n reprezintă numărul perechilor heterozigote de cromozomi, în cazul nostru n = 2) explică apariția a 4 tipuri de gameți.

Combinarea aleatorie a acestor gameți -- atât la nivel masculin, cât și feminin -- duce la cele 16 variante posibile, iar rezultatele se regăsesc la nivel fenotipic într-un raport de 9:3:3:1.

Segregarea independenței analizată separat

Pentru a arăta că fiecare trăsătură se segregă independent, putem analiza separat distribuția fiecărui caracter:

- Forma bobului:

Boabele netede apar în combinațiile:

- *N-G-*: 9/16

- *N-gg*: 3/16

Împreună, acestea reprezintă 12/16 (sau 3/4 din total).

Boabele zbârcite se regăsesc doar în:

- nnG-: 3/16

- nngg: 1/16

Totalizând 4/16 (sau 1/4 din total).

Simplificând, raportul neted:zbârcit este 3:1.

- Culoarea bobului:

• Boabele galbene se găsesc în combinațiile:

- N-G-: 9/16

- nnG-: 3/16

Totalul fiind 12/16 (3/4 din total).

• Boabele verzi apar în:

- N-gg: 3/16

- nngg:1/16

Totalizând 4/16 (sau 1/4 din total).

Din nou, raportul simplificat este 3:1.

Concluzie

Legea segregării independente arată că, în generația F₂, fiecare pereche de factori ereditari (de exemplu, pentru forma bobului sau pentru culoarea bobului) se separă independent de celelalte perechi. Aceasta explică de ce fiecare trăsătură individuală urmează un raport de 3:1, iar atunci când sunt considerate două trăsături simultan, raportul combinat devine 9:3:3:1.

Această abordare nu doar clarifică modul în care se obțin aceste rapoarte, dar evidențiază și importanța rearanjării aleatorii a cromozomilor în timpul meiozei, fundamentul diversității genetice în cadrul populațiilor de plante.

Introducere

Caracteristicile ereditare studiate de Mendel au fost denumite ulterior gene. Fiecare trăsătură a unei plante, cum ar fi înălțimea, culoarea păstăii sau culoarea florilor, este influențată de cel puțin o pereche de gene, care pot fi identice sau diferite. Sub influența mediului, structura genelor se poate modifica, ducând la apariția alelelor—perechi de gene ce afectează aceeași caracteristică, dar în moduri contrastante. De exemplu, forma seminței poate avea două variații: netedă sau zbârcită.

Experimentele de hibridare realizate pe alte specii au evidențiat abateri de la segregarea mendeliană de tip dominant-recesiv, conducând la raporturi distincte în procesul de separare. Aceste variații apar ca urmare a interacțiunii dintre genele alele și cele nealele.

1) Semidominanța

Semidominanța sau dominanța incompletă reprezintă un tip de interacțiune între genele alele, în care fenotipul unui individ heterozigot (Aa) se manifestă ca o variantă intermediară între cele ale părinților homozigoți (AA și aa). Un exemplu bine cunoscut al acestui fenomen apare la planta Mirabilis jalapa, cunoscută și sub numele de barba-împăratului. Atunci când o varietate cu flori roșii (AA) este încrucișată cu una cu flori albe (aa), toate plantele din prima generație (F₁) dezvoltă flori roz, deoarece sunt heterozigote (Aa).

În generația următoare (F₂), segregarea caracterelor se desfășoară astfel: 25% dintre plante au flori roșii, 25% flori albe, iar 50% flori roz. Acest model de moștenire determină un raport fenotipic de 1:2:1, unde indivizii heterozigoți prezintă o culoare intermediară a florilor.

De asemenea, acest fenomen se mai întâlneşte, în acelaşi mod, la culoarea florii de Antirrhinum majus (gura leului) si la Găinilie de Andaluzia (Aa-găini albastre, AA-găini negre, aa-găini albe)

2) Supradominanța

Fenomenul supradominanței se referă la faptul că indivizii heterozigoți prezintă caracteristici îmbunătățite în ceea ce privește vitalitatea, viabilitatea și capacitatea de reproducere, comparativ cu cei homozigoți. Acest avantaj genetic poate fi ilustrat schematic astfel: AA < Aa > aa. Acest proces stă la baza heterozisului, fenomen prin care hibrizii din prima generație dobândesc o vigoare sporită, având aplicații extinse în diverse domenii.

Explicația acestui efect poate fi asociată cu adaptarea biochimică la factorii de mediu și la variațiile acestora. Organismele heterozigote, având atât gene dominante (A) cât și recesive (a), dispun de două sisteme enzimatice diferite, ceea ce le conferă o mai mare capacitate de ajustare la condițiile externe în schimbare. În a doua generație, raportul de segregare rămâne 1:2:1, iar jumătate dintre indivizi manifestă fenotipul heterozis.

3) Genele letale:

Genele letale sunt acele variante genetice care, în formă homozigotă, provoacă moartea organismului înainte ca acesta să atingă maturitatea sexuală. Studiile realizate pe șoarecii de culoare galbenă au evidențiat că aceștia sunt mereu heterozigoți. Atunci când doi indivizi galbeni sunt încrucișați, urmașii rezultați nu sunt exclusiv galbeni, ci apar și exemplare cu alte culori. În aceste descendențe, raportul dintre șoarecii galbeni și cei cu altă nuanță este de 2:1.

Dacă simbolizăm gena asociată culorii normale a blănii cu "a", iar varianta dominantă, responsabilă de culoarea galbenă, cu " A^y "(y-yellow=galben), atunci prin încrucișarea a doi heterozigoți ( A^y a x A^y a ) în generația F2 rezultă combinațiile genetice: A^y A^y , 2 A^y a și aa . Indivizii cu genotipul A^y A^y , adică cei galbeni homozigoți, nu supraviețuiesc, ceea ce explică segregarea descendenței în raportul de 2:1. Observațiile ulterioare asupra femelelor gestante au confirmat că o parte dintre embrionii galbeni mor înainte de naștere.

Fenomenul genelor letale nu este limitat la animale—în cazul porumbului și al altor specii vegetale, anumite gene aflate în stare homozigotă determină apariția plantelor albinotice, lipsite de clorofilă și incapabile de supraviețuire. Există și forme semiletale, care permit dezvoltarea unor plante cu un conținut redus de clorofilă, ceea ce afectează parțial capacitatea lor de supraviețuire.

4) Codominanța

Codominanța este un fenomen genetic observat în determinarea grupelor sanguine la oameni și alte mamifere. Acesta implică prezența mai multor alele genetice, dintre care două sau mai multe sunt dominante, iar una este recesivă, influențând expresia fenotipică a caracterului respectiv. La oameni, sistemul ABO este cel mai cunoscut și răspândit dintre sistemele de grup sanguin, fiind definit prin interacțiunea a trei alele genetice.

Această descoperire fundamentală în genetica umană îi aparține lui Karl Landsteiner, medic și profesor austriac, laureat al Premiului Nobel pentru medicină și fiziologie în 1930. În acest sistem, două alele sunt dominante ( L^A și L^B ), iar una este recesivă ( l ). Relația de dominanță între ele este L^A = L^B > l , ceea ce influențează determinarea grupelor sanguine astfel:

- O singură alelă dominantă, în stare homozigotă sau heterozigotă cu alela recesivă, determină grupa sanguină A ( L^A L^A sau L^A l ), respectiv B ( L^B L^B sau L^B l ).

- Două alele recesive ( ll ) determină grupa sanguină O.

- Prezența ambelor alele dominante ( L^A L^B ), în stare heterozigotă, definește grupa sanguină AB.

Această clasificare are implicații majore în medicină, în special în efectuarea transfuziilor sanguine, unde grupa O este considerată donator universal, iar grupa AB este acceptor universal. De asemenea, sistemul ABO poate contribui la stabilirea paternității și la alte aspecte genetice relevante.

5) Polialelia

Polialelia reprezintă un proces genetic în care un anumit caracter este influențat de mai mult de două alele. Acest fenomen a fost observat atât la plante, cât și la animale, contribuind la diversitatea trăsăturilor vizibile. De exemplu, la iepuri, culoarea blănii este determinată de patru alele distincte, organizate într-o ierarhie de dominanță gradată: C > c^(ch) > c^h > c . Datorită acestui mecanism, există patru genotipuri posibile, fiecare corespunzând unui fenotip diferit.

Un exemplu similar poate fi observat la musculița de oțet, unde există o serie de gene polialele care afectează cantitatea de pigment din ochii insectei. Astfel, în loc de o singură culoare, apar indivizi cu ochi albi, roz, purpurii sau corai, în timp ce forma normală este caracterizată prin ochi roșu-cărămiziu. Acest tip de variație genetică joacă un rol esențial în diversitatea organismelor și în adaptarea lor la mediul înconjurător.

6) Poligenia

Poligenia este un proces genetic prin care un caracter fenotipic este influențat de interacțiunea mai multor gene nealele. Acest fenomen a fost identificat atât la plante, cât și la animale și oameni, având un rol esențial în transmiterea caracterelor cantitative, cum ar fi înălțimea, greutatea, producția de fructe sau semințe, precum și randamentul ouălor sau laptelui.

Un exemplu ilustrativ provine din încrucișarea soiurilor de grâu cu bob roșu și bob alb. În prima generație ( F1 ), au rezultat hibrizi cu boabe de culoare roșu deschis. În a doua generație ( F2 ), datorită segregării genetice, au apărut boabe cu nuanțe variate între roșu și alb, iar distribuția acestora a urmat un raport de aproximativ 15 boabe roșii de diverse intensități la 1 boabă albă. Aceste observații au dus la concluzia că în determinarea culorii bobului sunt implicate două perechi de gene nealele.

7) Epistatis

Epistasis este un fenomen genetic prin care alelele unei gene influențează sau maschează expresia alelelor unei alte gene. Acest mecanism a fost observat la diverse specii, inclusiv la planta Collinsia parviflora, unde două perechi de gene contribuie la determinarea culorii florilor. Fiecare pereche conține atât alele dominante, cât și alele recesive, ceea ce duce la variații cromatice: alb (ww, MM), purpuriu (WW, mm) și albastru (Mm, Ww).

Atunci când se încrucișează indivizi homozigoți pentru culoarea albă (ww, MM) și purpurie (WW, mm), descendenții din prima generație ( F1 ) prezintă un fenotip intermediar, cu flori albastre (Mm, Ww). La încrucișarea acestor hibrizi, în a doua generație ( F2 ) apar toate variantele fenotipice într-un raport de 9:3:4—nouă din 16 indivizi cu flori albastre, trei cu flori purpurii și patru cu flori albe.

Această segregare genetică se explică prin faptul că alela w are un efect epistatic asupra alelelor M și m, ceea ce înseamnă că acestea se pot exprima doar în prezența alelei W. Fenomenul epistazei este esențial pentru înțelegerea mecanismelor de moștenire genetică și a variațiilor fenotipice întâlnite în natură.

După experimentările lui Mendel și până la momentul redescoperirii principiilor eredității, numeroși cercetători au încercat să identifice locația materialului genetic. Gametii erau considerați cei mai potriviți, deoarece reprezentau singura punte între generații. Ovulul și spermatozoidul contribuie în mod egal la transmiterea informației genetice, iar deși dimensiunile lor diferă, nucleii sunt similari ca mărime, fapt care i-a plasat drept principalii candidați pentru păstrarea factorilor ereditari.

Înainte ca teoria cromozomială a eredității să fie formulată, cele mai detaliate observații despre nucleu se refereau la cromozomi, structuri vizibile în timpul diviziunii celulare. Comparând meioza și fecundația cu ipotezele lui Mendel, cercetătorii au identificat numeroase similitudini. Pe baza acestor observații, Sutton și Boveri au fundamentat teoria conform căreia factorii ereditari se află în cromozomi. În 1909, Johannsen a introdus termenul de „genă” pentru a desemna unitatea structurală și funcțională a eredității.

Între 1910 și 1920, Thomas Hunt Morgan a realizat experimente de încrucișare la Drosophila melanogaster (musculița de oțet), formulând mai multe principii ale teoriei cromozomiale:

a. plasarea liniară a genelor pe cromozom;

b. transmiterea înlănțuită a genelor situate pe același cromozom (fenomenul de linkage);

c. numărul limitat al grupelor de linkage;

d. schimbul reciproc de segmente între cromatidele nesurori ale cromozomilor omologi (fenomenul de crossing-over).

a) Plasarea liniară a genelor pe cromozom

Principiul organizării genelor într-o secvență liniară pe cromozomi a fost fundamentat pe observațiile realizate asupra insectei Drosophila melanogaster (musculița vinului), precum și pe alte specii. S-a constatat că numărul genelor depășește cu mult numărul perechilor de cromozomi, ceea ce implică faptul că mai multe gene trebuie să fie localizate pe aceeași pereche de cromozomi. Având în vedere structura fibrei de cromatină și a cromatidelor, care sunt organizate într-o formă liniară, s-a concluzionat că genele sunt plasate într-o succesiune ordonată de-a lungul cromozomului.

Studiul cromozomilor uriași de la Drosophila melanogaster, realizat atât pe indivizi normali, cât și pe diferite mutante, a evidențiat o legătură între poziționarea benzilor cromozomale și manifestarea unor trăsături specifice. De exemplu, s-a observat o corelație între forma ochiului și frecvența regiunii 16A pe cromozomul X (perechea I de cromozomi). În exemplarele cu ochi rotunzi, compuse din 780 de omatidii, regiunea 16A apare o singură dată. La mutanta bar, unde ochiul are aspect alungit, se identifică 360 de omatidii, iar regiunea 16A este prezentă în două exemplare. În cazul mutantei dublu bar, ochiul capătă forma unei fante cu doar 25 de omatidii, iar regiunea 16A apare de trei ori.

Cromozomii uriași, denumiți și cromozomi politeni, sunt rezultatul unui proces numit politenie. Acest fenomen implică multiple diviziuni ale centromerului cromozomului, cromatidele rezultate rămânând adiacente și paralele. Toți centromerii celor patru perechi de cromozomi sunt concentrați într-o structură denumită cromocentru, iar acești cromozomi politeni devin vizibili în faza de interfază.

b) Transmiterea înlănțuită a genelor situate pe același cromozom (fenomenul de linkage);

Cromozomii se comportă ca unități complete în timpul diviziunii celulare, ceea ce determină ca genele localizate pe același cromozom să fie moștenite împreună. Morgan și colaboratorii săi au demonstrat acest fenomen prin experimente efectuate pe Drosophila melanogaster. Cromozomii acesteia sunt în număr de 4 perechi:

Această insectă este ideală pentru studiile genetice deoarece depune sute de ouă, are un ciclu scurt de viață (o generație se formează în aproximativ 14 zile) și se poate crește cu ușurință în laborator, în vase de sticlă pe medii simple. În plus, numărul de cromozomi somatici este redus (2n = 8), fiecare cromozom fiind distinct morfologic. De asemenea, peste 500 de mutații care afectează diferite trăsături au fost identificate, iar cromozomii uriași din celulele glandelor salivare și din celulele tractului intestinal ale larvelor – vizibili în interfaza mitotică, cu o lungime de aproximativ 1180 μm – oferă o platformă excelentă pentru observații detaliate. Dimorfismul sexual evident între masculi și femele facilitează organizarea experimentelor de încrucișare controlată.

La Drosophila melanogaster, notarea genelor recesive se realizează cu inițiala din denumirea caracteristicii recesive, iar alelele dominante se notează, de obicei, prin aceeași literă urmată de semnul „+”. De exemplu, forma recesivă a aripilor – vestigial – este notată cu „vg”, pe când varianta dominantă, responsabilă de aripile lungi, se notează „vg+”. În mod similar, culoarea recesivă a corpului, reprezentată de negru (black), se exprimă prin „b”, iar varianta dominantă, culoarea gri, prin „b+”.

Morgan și colaboratorii săi au realizat încrucișări între indivizi normali și mutanți sau între diferite linii mutant, urmărind modul în care se moștenesc caracterele în funcție de sexul indivizilor utilizați. De exemplu, o femelă cu trăsături dominante (aripi lungi și corp gri) de genotip, de exemplu, (vg+ b+ / vg+ b+), a fost încrucișată cu un mascul mutant care prezenta trăsături recesive (vg b / vg b).

Descendenții heterozigoți din prima generație au manifestat trăsăturile dominante (aripi lungi și corp gri). Pentru a stabili dacă genele studiate se află pe aceeași pereche de cromozomi sau pe cromozomi diferiți, a fost efectuată o încrucișare de tip test cross. Aceasta constă în retroîncrucișarea indivizilor heterozigoți (de exemplu, de genotipul vg+ b+ / vg b) cu un genitor homozigot recesiv pentru trasăturile analizate (vg b / vg b).

Rezultatele obținute au evidențiat existența a doar două categorii fenotipice în generația următoare: 50% indivizi heterozigoți, care au prezentat trăsăturile dominante (aripi lungi și corp gri), și 50% indivizi homozigoți recesivi, cu trăsături recesive (aripi vestigiale și corp negru). Acest tipar de ereditaritate confirmă faptul că genele analizate se află pe aceeași pereche de cromozomi (în exemplul dat, a doua pereche), iar prezența cromozomului Y la masculii heterozigoți împiedică alinierea completă a cromozomilor omologi, limitând schimbul de segmente între cromatidele nesurori, fenomen esențial pentru crossing-over.

c) Numărul limitat al grupelor de linkage;

Observațiile asupra diviziunii celulare relevă că, în timpul acesteia, cromozomii se comportă ca unități complete, migrarea fiind organizată astfel încât cromozomii sau cromatidele lor întregi se deplasează spre polii celulei. Această modalitate de organizare conduce la transmiterea în bloc a genelor aflate pe același cromozom.

Din această perspectivă, numărul grupelor de linkage este dictat în mod direct de numărul perechilor de cromozomi dintr-o specie. De exemplu, Drosophila melanogaster, cu un set diploid de 2n = 8, prezintă 4 grupuri de linkage; la Homo sapiens, unde 2n = 46, rezultă 23 de grupuri; iar la Allium cepa (ceapă), cu 2n = 16, se identifică 8 grupuri de linkage.

Această relație fundamentală între numărul cromozomilor și grupurile în care genele sunt transmise împreună a avut un impact semnificativ în domeniul geneticii clasice, permițând stabilirea hărților genetice ale diferitelor specii.

d) Schimbul reciproc de segmente între cromatidele nesurori ale cromozomilor omologi (fenomenul de crossing-over).

Dacă femelele heterozigote din F, cu genotipul (vg+ b+ / vg b), sunt retroîncrucișate cu masculi homozigoti recesivi pentru genele studiate (vg b / vg b), descendenții din generația F se împart în patru categorii fenotipice diferite. Două dintre aceste grupe, reprezentând câte 41,5% din total, prezintă fie trăsături complet dominante, fie trăsături complet recesive (asemănătoare genotipurilor parentale), iar celelalte două, formând câte 8,5% din populație, afișează o combinație de un caracter dominant și unul recesiv, alternându-se reciproc.

Această diversitate apare deoarece femelele heterozigote generează patru tipuri diferite de gameți. Două tipuri sunt "normale" – unul cu constituția genetică vg+ b+ și celălalt cu vg b – iar celelalte două conțin gene interschimbate, respectiv vg+ b și vg b+. Pe de altă parte, masculii homozigoți recesivi produc un singur tip de gamet, care poartă exclusiv gene recesive (vg b).

Procesul de crossing-over se produce exclusiv între cromatidele nesurori ale cromozomilor omologi. În profasă I a meiozei, acești cromozomi se aliniază și se ating în una sau mai multe zone, unde pot să apară ruperi în cromatidele nesurori ale fiecărui cromozom, urmate de un schimb reciproc de segmente cromatidale – adică de gene. Frecvența acestui eveniment este direct proporțională cu distanța dintre gene; cu cât genele sunt mai depărtate, cu atât este mai probabilă apariția crossing-over-ului. Acest mecanism de recombinare intracromozomială este esențial pentru generarea diversității genetice și stă la baza elaborării hărților cromozomale la eucariote.

Harta cromozomală este o reprezentare schematică care ilustrează organizarea cromozomilor și a genelor din diverse grupuri de linkage, unde distanțele dintre gene sunt exprimate în procente de recombinare.

Au fost elaborate hărți genetice cromozomale pentru numeroase specii de plante și animale de interes economic, cum ar fi grâul, secărea, floarea soarelui, peștii, păsările, câinii, tauri, și, de asemenea, pentru om. Aceste hărți sunt esențiale atât pentru înțelegerea teoretică a eredității, cât și pentru aplicările practice în agricultură, medicină și creșterea animalelor.

Recombinarea genetică reprezintă procesul prin care segmente de informație genetică, provenind din surse diferite, sunt combinate într-o singură unitate. La nivel molecular, acest proces implică transferul unei secvențe de informație de la o moleculă de acid nucleic la alta, prin schimb de fragmente între secvențe de ADN omoloage.

Un exemplu clasic de recombinare este crossing-over-ul, care are loc în celulele eucariote în timpul profazei I a meiozei. Acest fenomen, denumit și recombinare intracromozomială, se traduce prin schimbul de fragmente cromozomiale între cromozomii omologi.

a. Recombinarea Genetică Intracromozomială

Recombinarea intracromozomială se desfășoară în profaza I a meiozei și produce gameți cu combinații genetice noi. În majoritatea speciilor, meioza se parcurge în două etape distincte:

- Diviziunea de reducere (heterotipică), care reduce numărul de cromozomi la jumătate și generează două celule haploide;

- Diviziunea homeotipică, care urmează și rezultă în formarea a patru celule haploide.

Etapele schimbului de segmente cromozomiale în timpul meiozei sunt următoarele:

1. Apropierea cromozomilor omologi: Cromozomii, care formează perechi (omologi), se adună, iar cromatidele nesurori sunt apropiate de o nucleoproteină ce le stabilizează.

2. Formarea sinapsei: Cromozomii proveniți din partea maternă și cea paternală se aliniază de-a lungul întregii lor lungimi, astfel încât centromerele și genele corespondente se aliniază perfect. Acest aranjament generează bivalenții sau tetradele cromozomiale.

3. Realizarea chiasmelor și crossing-over-ul: În punctele de contact numite chiasme, cromatidele nesurori suferă rupturi și se reatașează, schimbând segmente. Astfel, o regiune de pe o cromatidă maternă se poate uni cu cea de pe cromatida paternală, rezultând în cromozomi recombinați.

4. Diversificarea cromatidelor surori: După crossing-over, cromatidele surori ale unui cromozom nu mai sunt identice, reflectând noile combinații genetice.

Ulterior, când sinapsa se desface, cromozomii omologi se separă, fiecare migrând către un pol al fusului de diviziune, formând nucleele noilor celule fiice. Frecvența chiasmelor crește odată cu lungimea cromatidelor, iar analiza hibridarilor prin frecvența crossing-over-urilor permite calcularea distanțelor dintre gene și construirea hărților cromozomiale. Aceste hărți reprezintă aranjamentul genelor, bazat pe procentele de recombinare, și contribuie la diversitatea genetică a gameților, precum și la cea a descendenților.

b. Recombinarea Genetică Intercromozomială

Recombinarea genetică intercromozomială rezidă în segregarea independentă și aleatorie a cromozomilor omologi în timpul anafazei I a meiozei. În această etapă, perechile de bivalenți se separă astfel încât cromozomii migrează independent către polii opuși ai fusului de diviziune. Ca urmare, celulele fiice primesc combinații diferite de cromozomi, proveniți de la ambii părinți.

Numărul de combinații posibile prin acest mecanism este direct proporțional cu numărul de perechi de cromozomi. Astfel, formula 2^n, unde „n” reprezintă numărul perechilor de cromozomi, descrie diversitatea posibilă a gameților. De exemplu, la specia umană, cu 23 de perechi de cromozomi, pot exista 2^23 (adică 8.388.608) combinații diferite de gameți. Când acești gameți se unesc aleatoriu în timpul fertilizării, descendenții dobândesc un număr imens de genotipuri, asigurând variabilitatea genetică și unicitatea față de părinți.

Experiențele de hibridare întreprinse de Mendel, Morgan și alți cercetători pe diverse specii de eucariote au evidențiat existența eredității determinate de genele localizate pe cromozomi, adică în nucleu. Cu excepția genelor situate pe cromozomii sexuali – adică a genelor sex-linkate, care se transmit la frecvențe diferite între sexe (conform detaliilor prezentate în subcapitolul „Genetica umană”) – rezultatul hibridizărilor se manifestă, în mod obișnuit, identic, indiferent de sexul genitorilor. Totuși, în anumite cazuri, natura specifică a genitorilor influențează rezultatul. De exemplu, la încrucișarea dintre cal (Equus caballus) și asin (Equus asinus), diferența în numărul de cromozomi – calul posedând 64 de cromozomi în celulele somatice, iar asinul doar 62 – conduce la obținerea de hibrizi viabili cu număr intermediar de cromozomi (2n = 63). Dacă femela este calul, încrucișarea generează bardoul, în timp ce dacă femela este asina, se formează catârul.

Rezultate similare au fost observate și în alte tipuri de încrucișări. Deși gameții ambelor sexe conțin același număr de cromozomi și, implicit, aceeași cantitate de ADN nuclear, cantitatea de citoplasmă care înconjoară nucleul este foarte diferită. Gametul masculin, de regulă, reține doar o peliculă subțire de citoplasmă, aproape lipsită de organite, pe când gametul feminin dispune de o cantitate abundentă de citoplasmă, în care se găsesc organitele celulare precum mitocondriile, cloroplastele (sau proplastidele la plantele verzi), plasmidele și, în anumite cazuri, simbioți intracelulari. Atât mitocondriile, cât și cloroplastele, la fel ca și plasmidele sau simbioții intracelulari, dețin propriul ADN care conține anumite gene. Deoarece aceste organite se găsesc în mod esențial doar în citoplasma gametului feminin, ele se transmit exclusiv de la mamă. Forma de ereditate care rezultă din transmiterea genelor din ADN-ul citoplasmatic este denumită ereditate citoplasmică, ereditate extra-nucleară sau ereditate non-mendeliană, întrucât nu se realizează segregarea conform raporturilor mendeliene clasice.

În funcție de tipul de organit care transmite genele, se disting mai multe categorii de ereditate extranucleară: plastidică, mitocondrială, plasmidică și cea prin simbioți intracelulari.

1. Ereditatea extranucleară plastidică:

Aceasta a fost identificată inițial de către Carl Correns la specia Mirabilis jalapa. Correns a efectuat experimente pe plante care prezentau ramuri cu tipuri diferite de frunziș: unele cu frunze verzi, altele cu frunze mutant albe sau galbene (mutanta albino sau xantha) și ramuri cu frunze variegate, ce cuprindeau sectoare verzi intercalate cu sectoare mutant (albino sau xantha). În urma încrucișărilor dintre flori provenite de pe ramuri diferite, s-a constatat că atunci când genitorul feminin provenea de pe o ramură cu frunze omogene (fie verzi, fie mutant), indiferent de ramura de proveniență a polenului, semințele au dezvoltat plante ale căror frunze erau identice cu cele ale genitorului feminin. Segregarea trăsăturii s-a produs doar în cazul ramurilor variegate, rezultând în semințele hibride plante cu frunze verzi, mutant sau variegate. Explicația acestui fenomen este dată de transmiterea exclusivă a cloroplastelor prin citoplasma bogată a gametului feminin. Pe ramurile cu frunze verzi se găsesc numai cloroplaste normale, pe cele cu frunze mutante – exclusiv cloroplaste modificate, iar pe ramurile variegate se găsesc ambele tipuri. Astfel, primordiile cloroplastelor corespunzătoare se găsesc în citoplasma ovulului și se transmit descendenților. Analize ulterioare ale caracteristicilor structurale și genetice ale cloroplastelor de la plante normale și de la diferite mutante clorofiliene au evidențiat diferențe semnificative în structura acestor organite.

2. Ereditatea extranucleară mitocondrială:

Aceasta se bazează pe ADN-ul conținut în mitocondrii și a fost demonstrată la numeroase specii de organisme. De exemplu, în ciuperca Neurospora crassa s-a identificat o mutantă caracterizată printr-o creștere încetinită a talului, determinată de mutații ale citocromilor din mitocondrii, care intervin în ciclul respirator. Tipul cu creștere normală este desemnat ca tipul sălbatic (wild), iar cel cu creștere redusă este cunoscut ca tipul „poky”. Studiile au arătat că rata de creștere a talului ciupercii este determinată întotdeauna de gametul matern, deoarece în citoplasma acestuia se găsesc precursori mitocondriali ce se transmit descendenților.

3. Ereditatea extranucleară plasmidică:

Această formă de ereditate se datorează prezenței plasmidelor, molecule de ADN care pot fi liniare sau circulare și care se găsesc fie independent de cromozomul bacterian, fie integrate în structura acestuia. S-a raportat recent existența plasmidelor nu doar în cromozomii bacterieni, ci și în mitocondrii și în nucleul celulelor eucariote. În bacterii, plasmidele de tip F (factori de fertilitate) sunt esențiale în procesele de para-sexualitate, contribuind astfel la inducerea variabilității genetice.

4. Ereditatea prin simbioți intracelulari:

Pe lângă mitocondrii și cloroplaste – care își au originea din bacterii heterotrofe și, respectiv, autotrofe, ce au intrat într-o relație simbiotică cu celulele primitive și ulterior au devenit organite celulare – există numeroase cazuri de simbioți intracelulari ce se transmit exclusiv prin citoplasma gametului feminin. La Paramecium aurelia, ca răspuns la tratamentul cu paramecină, se disting două tipuri de indivizi: sensibili și rezistenți. S-a observat că celulele indivizilor rezistenți conțin particule numite „kappa”, implicate în sinteza de paramecină, substanță care, eliberată în mediul înconjurător, induce moartea celor sensibili aflați în vecinătate. Cercetările ulterioare au arătat că particulele kappa reprezintă, de fapt, bacterii intracelulare simbiotice, identificate ca Caedobacter teniospiralis, care posedă gene esențiale pentru sinteza paramecinei. Capacitatea acestor particule de a induce sinteza paramecinei este condiționată de prezența, în nucleul parameciului, a genei dominante K (de la „killer”, adică ucigaș), fie în stare homozigotă (KK) fie heterozigotă (Kk). Prin urmare, în cazul conjugării dintre un parameci sensibil (lipsit de particule kappa în citoplasmă și cu genotip nuclear homozigot recesiv, kk) și un parameci rezistent (care posedă particule kappa în citoplasmă și are genotipul KK sau Kk), particulele kappa pot fi transmise în citoplasma partenerului sensibil. Totuși, în absența genei dominante K în condiție favorabilă (KK sau Kk), partenerul sensibil nu va putea sintetiza paramecina. Studiile au identificat și alte exemple de ereditate determinată de simbioți intracelulari, cum ar fi particulele mu de origine bacteriană care induc moartea partenerului în încrucișările la parameci, factorii sigma (virușii cu ADN) care, prin prezența lor în citoplasma unor rase de Drosophila, afectează sensibilitatea musculaturii la concentrații crescute de dioxid de carbon, precum și particulele infecțioase lambda la Drosophila melanogaster, influențând predominanța sexului feminin în descendență.

În celulele umane, numărul de mitocondrii poate varia în general de la 2 la 10, iar în ovule poate ajunge chiar la 100.000. ADN-ul mitocondrial (ADNmt) este, de regulă, mai puțin constant decât ADN-ul cloroplastic (ADNcp), prezentând deficiențe în contracararea efectelor unor factori de mediu; în celulele canceroase s-au identificat anomalii structurale și funcționale ale ADNmt. Analiza genomurilor mitocondrial și cloroplastic a condus la concluzia că aceste organite își au originea în organisme procariote care au stabilit simbioze cu celulele gazdă eucariote, întrucât în celulele procariote nu există mitocondrii sau cloroplaste. Transmiterea acestor organite se realizează, de asemenea, nemendelian, exclusiv pe linie maternă. Acest tip particular de ereditate a fost intuit încă din anul 1902 de C. Correns, care a studiat modul de transmitere descendentă a varietății cu frunze pătate (pete albe) la specia Mirabilis jalapa (barba-împăratului). Experimentele sale au demonstrat că doar descendenții obținuți prin fecundarea unui ovul provenit de la plante cu frunze pătate moștenesc această trăsătură, datorită faptului că organitele cloroplaste se transmit împreună cu citoplasma oosferei, pe când pelicula fină de citoplasmă a nucleelor spermatici nu conține aceste structuri.

Ereditatea extranucleară a fost verificată și în cazul animalelor. La speciile de gasteropode acvatice din genul Limnaea, direcția de răsucire a cochiliei (dextrală sau senestrală) este determinată de genele mitocondriale materne.

Cunoașterea modului de transmitere a eredității extranucleare are implicații practice considerabile. De exemplu, sterilitatea masculină la plante (androsterilitatea) reprezintă o afecțiune transmisă pe cale maternă, rezultat al interacțiunilor complexe dintre ADN-ul mitocondrial, ADN-ul extra-nuclear și ADN-ul nuclear, manifestându-se prin producerea de polen nefuncțional. Această anomalie este exploatată în agricultură pentru obținerea hibrizilor care prezintă fenomenul de heterozis, ce se manifestă în prima generație după încrucișarea între organisme omozigote. În acest context, prevenirea autopolenizării reprezintă o problemă majoră în obținerea heterozisului, iar sterilitatea masculină oferă o soluție eficientă pentru această provocare.

Relația dintre caracterele fenotipice și structura cromozomilor

Relația strânsă dintre trăsăturile observabile (fenotipul) și structura cromozomială este fundamentală în determinarea sexului la organisme. Morgan, studiind musculița de oțet (Drosophila melanogaster), a demonstrat că diferențele fenotipice între masculi și femele corespund variațiilor de formă și mărime ale unei anumite perechi de cromozomi (conform figurii 3.13). Analiza unui număr mare de specimene a relevat că, deși toate celulele conțin perechi omoloage de cromozomi, o singură pereche prezintă diferențe între sexe. La Drosophila, setul diploid constă din 8 cromozomi organizați în 4 perechi (I, II, III și IV). În timp ce perechile II, III și IV sunt identice la ambele sexe, perechea I diferă: la femele ambii cromozomi sunt în formă de bastonaș, iar la masculi unul menține forma de bastonaș, iar celălalt apare sub forma unui bastonaș frânt. Această diferență specifică este întotdeauna asociată cu sexul masculin și a dus la denumirea acestor cromozomi drept „cromozomi ai sexului” sau heterozomi, iar restul sunt numiți autozomi.

Identificarea acestor diferențe cromozomiale a condus la elucidarea mecanismului principal de determinare a sexelor – determinismul cromozomal. În organismele mai evoluate, genele care reglează sexualitatea se găsesc organizate pe cromozomi separați, iar acest mecanism permite menținerea unui raport de 1:1 între masculi și femele. În funcție de natura diferențelor între cromozomii sexuali, acestea pot fi de ordin morfologic (forme distincte între sexe) sau numeric (număr diferit de cromozomi la masculin și feminin).

Determinismul cromozomal al sexului la specii cu femele homogametice și masculi heterogametici

1. Tipul Drosophila – diferențe morfologice În acest model, femela este homogametică și posedă două cromozomi sexuali identici (XX), iar masculul este heterogametic (XY). Cromozomul Y este, în general, mai mic și heterocromatic, conținând un număr redus de gene. La Drosophila melanogaster – model valabil nu doar pentru multe specii de insecte și nevertebrate, ci și pentru toate mamiferele –, femela produce un singur tip de gamet, conținând jumătate din autozomi plus un cromozom X. În schimb, masculul generează două tipuri de gameti, în proporții egale: unul cu setul de autozomi și un cromozom X și altul cu setul de autozomi și cromozomul Y. Astfel, fecundația câștigă un zigot XX (femelă) atunci când un gamet X masculin se unimă cu cel X feminin, iar un zigot XY (mascul) când un gamet Y se combină cu cel X femel. Această producție egală de joculețe asigură raportul de 1:1 între sexe. Un exemplu similar se regăsește și la plantele dioice, cum ar fi cânepa: populațiile de cânepă de vară, reprezentate de indivizi masculi cu cromozomi XY, se maturizează mai timpuriu, pe când cele de toamnă, formate exclusiv din femele cu cromozomi XX, se dezvoltă ulterior.

2. Tipul Protenor – diferențe numerice La unele specii, diferența sexuală nu constă în modificări morfologice ale cromozomilor, ci în numărul lor. Printr-un proces de heterocromatinizare intensă, cromozomul Y poate suferi o reducere atât de accentuată a dimensiunilor încât dispare practocal. În aceste cazuri, femelele sunt XX, iar masculii apar ca XO („O” indicând absența cromozomului Y). La speciile de lăcuste, precum Protenor bleifragei, și în alte nevertebrate, masculii formează în mod egal două tipuri de gameti: unul ce conține cromozomul X și altul lipsit de acesta (notat O), iar femelele, care formează un singur tip de gamet cu setul de autozomi și un cromozom X, se fecundă astfel încât zigotul rezultant să fie XX (femelă) sau XO (mascul). Această distribuție egală din punct de vedere proporțional asigură un raport de sex de 1:1.

Determinismul cromozomal al sexului la specii cu femele heterogametice și masculi homogametici

1. Tipul Abraxas – diferențe morfologice La unele insecte, nevertebrate și în mod constant la păsări, femela este heterogametică, având cromozomi sexuali diferiți (notați ZW sau, alternativ, XY), iar masculul este homogametic cu doi cromozomi identici (ZZ sau XX). Femelele produc în mod egal două tipuri de gameti, fiecare având jumătate din autozomi adăugați la un cromozom sexual – fie Z, fie W. Deoarece cromozomul W este de regulă mai mic și conține mai puține gene datorită heterocromatizării, el se regăsește numai la femele. Fecundația astfel rezultă într-un raport de 50% masculi (ZZ) și 50% femele (ZW).

2. Tipul Fluture – diferențe numerice Acest tip, mai rar întâlnit, apare la anumite specii de fluturi din Australia și reprezintă o situație inversă față de tipul Protenor. La femele, o heterocromatinizare accentuată a cromozomului W determină piromic micșorare sau chiar dispariția completă a acestuia, astfel încât acestea devin ZO, în timp ce masculii rămân cu setul complet ZZ. La masculi, se formează un singur tip de gamet ce conține jumătate din autozomi și un cromozom Z. Femelele, însă, generează două tipuri de gameti: unul care conține jumătate din autozomi și cromozomul Z și altul care prezintă doar jumătate din autozomi (notat O). Aceste procese de fecundație duc la obținerea unui raport egal de 50% masculi (ZZ) și 50% femele (ZO).

Pe lângă modelele Drosophila și Abraxas, natura prezintă și alte sisteme cromozomiale pentru determinarea sexului, deși acestea apar mai rar.

• De exemplu, la rozătorul Mus minutoides minutoides se observă un mecanism în care, prin duplicarea și translocarea heterozomilor, sexul este determinat de mai mult de o pereche de cromozomi. În acest caz, femelele prezintă configurația X₁X₁X₂X₂, iar masculii au componența X₁X₂Y.

• Un alt exemplu este cel întâlnit la albina (Apis mellifera), unde determinarea sexuală se bazează pe diferența de ploidie: femelele, care se dezvoltă din ovule fecundate, sunt diploide (2n), în timp ce masculii provin din ovule nefecundate și sunt haploide.

Efectul factorilor de mediu asupra materialului genetic se manifestă prin apariția mutațiilor. O mutație reprezintă o modificare neprogramată a structurii materialului genetic, care nu rezultă din procese de recombinare. La nivelul ADN-ului, aceasta constă în schimbări ale secvenței nucleotidelor, modificări care pot genera noi proprietăți la nivelul celulei. În funcție de amploarea modificărilor suferite, mutațiile se împart în trei categorii principale: mutații genice, cromozomiale și genomice.

• Mutațiile genice implică modificări ale unui număr redus de nucleotide.

• Mutațiile cromozomiale presupun rearanjări ale unor segmente din cromozomi.

• Mutațiile genomice alterează numărul cromozomilor din celule (conform figurii 3.15).

Impactul mutațiilor asupra cromozomilor și genelor este foarte variat. La om, în multe cazuri, anumite mutații pot fi letale, împiedicând dezvoltarea normală a organismului. De exemplu, aproximativ 20% dintre sarcini se încheie spontan înainte de 12 săptămâni, iar din acestea, 50% prezintă anomalii genetice. Mutațiile la nivel genei pot genera un număr mare de alele pentru același locus cromosomic, ceea ce conduce la creșterea heterozigotiei și, implicit, la diversificarea fondului genetic al unei populații. Pe de altă parte, unele tipuri de mutații cromozomiale pot modifica secvența genelor, conducând la apariția unor caractere avantajoase. Un beneficiu suplimentar al acestor modificări constă în tendința anumitor segmente genetice de a se transmite împreună, fără a fi separate prin crossing-over, ceea ce este avantajos în cazul în care mutația produce o trăsătură utilă.

Majoritatea mutațiilor sunt recesive față de gena „normală”, rămânând neexprimate în populație până când gena mutantă apare în formă homozigotă și se manifestă fenotipic. Foarte rar se produce o mutație dominantă, caz în care efectele se exprimă imediat la nivel fenotipic.

Factorii care pot induce mutații sunt denumiți mutageni. Mutațiile pot surveni spontan sau pot fi induse experimental prin aplicarea unor agenți mutageni variabili. Datorită modificărilor fenotipice asociate, identificarea mutațiilor devine relativ facilă. Procesul de apariție a unei mutații, desfășurat în intervalul dintre acțiunea agentului mutagen și manifestarea efectelor sale, se numește mutageneză. Acești factori pot crește frecvența mutațiilor față de frecvența mutațiilor spontane și se împart în trei categorii: factori fizici, chimici și biologici.

Factori mutageni fizici

Printre principalii factori mutageni de natură fizică se numără radiațiile ultraviolete și radiațiile ionizante.

• Radiațiile ultraviolete determină ionizarea bazelor azotate în timpul replicării ADN-ului, rezultând în imperecheri aberante, cum ar fi TG, GT sau TT.

• Radiațiile ionizante pot veni sub formă corpusculară (electroni, protoni, neutroni, deutroni, particule alfa) sau sub formă electromagnetică (raze gamma și raze Roentgen). Aceste radiații pot provoca fragmentări ale cromozomilor și/sau ale cromatidelor și pot transforma apa în peroxizi, ceea ce are efecte nocive asupra materialului genetic.

Factori mutageni chimici

Factorii mutageni de natură chimică se împart în următoarele categorii: analogi ai bazelor azotate, agenți alkilanti, antibiotice, acridine, acidul nitros și cofeină.

• Analogii bazelor azotate (precum 5-bromouracil, 5-clorouracil, 5-iodouracil, 2-bromodeoxiuridina sau 2-aminopurina) induc tranziții de la AT la GC în timpul replicării ADN-ului și, uneori, aceste tranziții sunt bidirecționale, ceea ce poate determina reversia mutațiilor produse.

• Agenții alkilanti (ex: dimetilul, dietilsulfatul, etilul, metilmetansulfonatul, epoxizii, colchicina și iperita) conțin grupări alchil (de exemplu, CH₃ și -CH₂) și pot cauza fragmentarea macromoleculelor nucleice, erori de replicare, eliminarea bazelor purinice și blocarea diviziunii celulare prin inhibarea fusului mitotic. Colchicina, de exemplu, blocând fusul celular, duce la rămânerea unuia sau a ambilor cromozomi perechi pe placa metafazică.

• Antibioticele pot interacționa cu enzimele implicate în procesele de replicare și transcripție sau pot afecta direct structura ADN-ului, generând astfel mutații.

• Acidul nitros acționează prin înlocuirea grupării amino din bazele purinice și pirimidinice, conducând la imperecheri eronate (de exemplu, dezaminarea citozinei determină legarea acesteia cu adenina, nu cu guanina).

• Cofeina, la concentrații ridicate, poate inhiba sinteza bazelor azotate, în special adenina și guanina, perturbând etapele normale ale ciclului celular.

Factori mutageni biologici

Principalii factori mutageni de natură biologică sunt virusurile, care pot acționa direct asupra materialului genetic. Prin interacțiunea cu ADN-ul celulelor gazdă, virusurile pot provoca fragmentări cromozomiale, translocații, transformări maligne ale celulelor și modificări ale proceselor de diviziune și diferențiere celulară. Cel mai important mecanism prin care virusurile modifică ADN-ul gazdei constă în inserarea unor segmente de ADN proprii sau preluate din alte celule. Aceste fragmente, odată integrate, devin funcționale și conduc la sinteza unor proteine noi, care pot genera trăsături noi în organism. Datorită capacității lor de a modifica materialul genetic, virusurile sunt folosite ca vectori în terapia genetică, pentru introducerea unor gene utile în genomul altor celule – gene care pot fi destinate producției de medicamente sau înlocuirii genelor defecte.

1. Metode ce cercetare utilizate in genetica umană

Din cauza imposibilității de a efectua încrucișări controlate în genetică umană – spre deosebire de modul în care se procedează în genetică vegetală sau animală – s-au dezvoltat tehnici speciale de investigare a eredității.

Metoda genealogică (pedigriul): Această tehnică presupune studierea modului în care se transmit trăsături și afecțiuni ereditare pe mai multe generații, începând de la un proband (un individ la care s-a identificat un caracter particular). Analiza transmisiei acestor trăsături duce la elaborarea unui arbore genealogic – o reprezentare grafică a fenotipurilor membrilor unei familii sau a unor familii înrudite, întinsă pe mai multe generații. Această metodă permite studiul maladiilor monogenice dominante (de ex.: polidactilia, brahidactilia, sindactilia, prognatismul, hemeralopia) și al celor ereditare recesive (de ex.: hemofilia, daltonismul, albinismul, fenilcetonuria).

Metoda studiului gemenilor monozigoți: Gemenii monozigoți provin din același ovul și spermatozoid, deci dispun de același genotip și, implicit, prezintă o asemănare deosebită din punct de vedere anatomic, fiziologic și comportamental, având întotdeauna același sex. Studiul lor a fost esențial pentru determinarea caracterului ereditar al unor afecțiuni, cum ar fi debilitatea mintală, și pentru evidențierea faptului că alte boli (precum tuberculoza) pot fi prezente în familie pe parcursul mai multor generații fără a fi direct determinate genetic.

Metoda familiilor consangvinizate și a populațiilor izolate endogame: În anumite comunități izolate geografic, etnic sau religios, se practică căsătoriile între rude apropiate (de exemplu, între veri sau între unchi și nepoate), ceea ce favorizează homozygotizarea genelor recesive și, astfel, manifestarea fenotipică a acestora. În populațiile mici, unde are loc endogamia, consangvinizarea conduce la o incidență mai mare a maladiilor și malformațiilor. Astfel, deși albinismul se întâlnește în general la o frecvență de aproximativ 1 la 20.000 de indivizi, în anumite grupuri, precum amerindienii din Panama (Caribe-Cuna) sau în unele regiuni din SUA, incidența poate ajunge la 1 la 400.

Metode din citogenetică: Aceste tehnici implică studiul cariotipului (atât în condiții normale, cât și patologice), al cromatinei sexuale și al apendicilor nucleari. Ele permit identificarea anomaliilor (structurale sau numerice) ale cromozomilor și sunt esențiale pentru investigarea genomului uman și a modului de transmitere a genelor.

Metoda biochimică: Aceasta reunește toate tehnicile folosite pentru analiza acizilor nucleici și a structurii genelor (atât normale, cât și patologice), precum și a funcționării lor în procesele de transcripție și traducere. În cadrul acestei metode se înscrie și ingineria genetică, care presupune sinteza artificială a genelor și manipularea lor pentru obținerea unor genotipuri specifice.

Metoda hibridării somatice și moleculare: Această tehnică permite localizarea genelor pe cromozomi și realizarea hărții genetice umane. Studiile din cadrul Proiectului Genomul Uman au condus la descifrarea a aproximativ 30.000–35.000 de gene, oferind o bază de referință crucială pentru cercetările ulterioare în genetică.

Metoda matematică: Aplicată la nivel statistic, această metodă facilitează determinarea frecvenței genelor normale sau mutant în populația umană și ajută la stabilirea mecanismelor polifactoriale de determinare a anumitor trăsături.

Metode moderne de studiu ale eredității umane: Progresele științifice și perfecționarea tehnicilor de investigație au condus la dezvoltarea unor metode noi care permit diagnosticarea precoce a maladiilor genetice. Printre acestea se numără:

• Studiul complementului cromozomal prin tehnici de bandare, care identifică modificările apărute în numărul și structura cromozomilor.

• Analiza cromatinei sexuale, bazată pe heterocromatinizarea unuia dintre cromozomii de la sexul feminin, metodă care permite atât determinarea sexului fătului, cât și identificarea aberatiilor ale heterozomilor.

• Metodele matematice de evaluare a frecvenței genelor.

• Determinările biochimice ale mutațiilor din materialul genetic și ale proteinelor implicate.

• Diagnoza prenatală prin amniocenteză, tehnică ce oferă posibilitatea de a investiga direct materialul genetic și proteic din celulele fătului.

2. Cariotipul uman normal

Cariotipul reprezintă ansamblul cromozomilor unei celule diploide, aranjați în perechi și grupați în funcție de mărime, formă, poziția centromerului și alte caracteristici morfologice.

Numărul corect de cromozomi ai omului a fost stabilit în anul 1956 de citogeneticienii H. Tjio și A. Levan, iar cariotipul uman normal este 2n = 46. Acesta este compus din 44 de autozomi (adică 22 de perechi) și o pereche de cromozomi sexuali (numiți și gonozomi sau heterozomi). Caracteristicile cromozomilor umani, observabile cel mai bine în stadiul metafazic sau în profaza târzie (atunci când cromozomii sunt mai extinși), sunt similare cu cele întâlnite la alte animale și plante. Un cromozom în stadiul metafazic este format din două cromatide surori, rezultate în urma compactării fibrelor de cromatină din nucleul interfazic, și conține întreaga cantitate de ADN nuclear.

Capetele cromozomilor, numite telomere, sunt rotunjite și alcătuite din secvențe repetitive de ADN. Aceste structuri au rolul de a proteja integritatea cromozomilor, iar absența telomerelor (precum în cazul delețiilor terminale) poate conduce la fuziunea cromozomilor între ei.

Centromerul se găsește în regiunea de constricție primară a cromozomului și reprezintă locul în care cele două cromatide surori sunt unite. Acesta împarte cromozomul în două brațe: brațul scurt (notat p) și brațul lung (notat q). În funcție de poziția centromerului, cromozomii umani pot fi clasificați astfel:

• Metacentrici: centromerul este localizat aproximativ în mijlocul cromozomului.

• Submetacentrici: centromerul se găsește puțin deplasat de la centru.

• Acrocentrici: centromerul este situat aproape de unul din capete (dar nu la extremitate). La om, doar anumiți autozomi acrocentrici prezintă o constricție secundară pe brațul scurt, urmată de un satelit.

La nivelul centromerului se află kinetocorul, o structură esențială în ancorarea cromozomilor pe fibrele contractile ale fusului de diviziune în timpul profazei mitotice.

În practica citogenetică, cromozomii se evidențiază cel mai bine în stadiul de metafază, când se aplică tehnici de colorare ce generează un model de benzi specifice. Această bandare, determinată de alternanța zonelor de eucromatină (mai puțin condensată) și heterocromatină (mai condensată), permite identificarea precisă a perechilor de cromozomi omologi și recunoașterea unor anomalii structurale (cum ar fi translocațiile, delețiile sau adițiile).