Genetica Ecologica

8/3/2019 Genetica Ecologica

1/38

CONCEPTE FUNDAMENTALE ALE GENETICII ECOLOGICE

De la apariia sa ca tiin, n anul 1900, cnd Carl Correns, Hugo de Vries i Erick

von Tschermack au confirmat valabilitatea universal a legilor ereditii formulate n anul1865 de ctre Gregor Mendel, genetica s-a dezvoltat ntr-un ritm atins de puine alte tiine.Evoluia de la genetica caracterelor calitative i cantitative la genetica molecular esteimpresionant i a creat bazele pentru progrese uimitoare n domeniul aplicaiilor practice.Conform anticiprilor forurilor tiinifice internaionale, genetica va fi tiina mileniului trei,adic tiina care va avea cel mai puternic impact n evoluia societii.

Studiile de genetic sunt o component esenial pentru aplicaii majore nagricultur, medicin, sau ecologie i protecia mediului. Aplicaiilor simple, cum sunt

transmiterea la descendeni a caracterelor calitative (distincte i constante la diferiiiindivizi) i cantitative (prezentnd o variaie continu), li s-au adugat aplicaii mult maicomplexe, cum sunt studiul variabilitii genetice i implicit fenotipice, determinate derecombinarea genetic n cadrul indivizilor i populaiilor, producerea de mutaii ca efect alaciunii unor factori de mutageni (factori de stres, factori care genereaz instabilitateagenetic, incluznd agenii mutageni chimici, fizici, biologici i elementele geneticetranspozabile), studiul mecanismelor moleculare implicate n modificarea informaieigenetice, studiul cilor de terapie genic, studiul fluxului vertical i orizontal de gene, etc.

Genetica este n prezent o tiin foarte complex, care face adesea apel la metode deinvestigaie i interpretare a rezultatelor aparinnd altor domenii ale tiinei, cum suntstatistica, bioinformatica, biochimia sau biologia celular. Spectrul foarte larg de aplicaii ispecificitatea metodelor de investigaie au determinat apariia unui numr mare de ramuriale geneticii, printre care genetica vegetal, genetica animal, genetica uman,radiogenetica, genetica cantitativ, genetica evoluiei, genetica molecular, genomica,genetica populaiilor, genetica ecologic sau ecogenetica, etc.

De exemplu, ecogenetica este ramura geneticii care are ca obiect de studiu constituiaereditar a organismelor i respectiv caracterele manifestate de indivizii unei populaii caefect al interaciunii dintre genotip i mediu, fcnd distincie ntre variaiile ereditare, careafecteaz genotipul, i variaiile epigenetice, care afecteaz exclusiv fenotipul i nu suntereditare. In timp ce genetica molecular studiaz structura i funciile genelor la nivelmolecular, genetica ecologic sau ecogenetica (ale crei baze au fost puse de Briton E.B.Ford, autorul primei cri cu titlul Genetic Ecologic, aprut n anul 1964) studiaz

populaiile slbatice de organisme. Variabilitatea genetic a indivizilor din cadrulpopulaiilor sau polimorfismul genetic al populaiilor, consecin a recombinrii genetice imutaiilor (genice, cromozomiale i genomice), a fluxului de gene intra- i

interpopulaional, a derivei genetice i a eroziunii genetice, constituie baza adaptrii lacondiiile de mediu i totodat condiia esenial pentru meninerea populaiei i/sausupravieuirea speciei.


2/38

Genele i Cromozomii Suportul Informaiei Genetice Inscrise n ADN

Importana nucleului i a coninutului su a fost recunoscut odat cu observarea fuziuniinucleilor a doi gamei n cursul procesului de fertilizare. Urmtorul pas important a fostdescoperirea cromozomilor, vizibili la microscopul optic cnd sunt colorai cu colorani

bazici. S-a descoperit apoi c cromozomii segreg att n gamei ct i n celulele fiice.In sfrit, au fost observate trei reguli importante n ceea ce privete complementulcromozomial (setul complet de cromozomi) al plantelor superioare i animalelor:

1. Nucleul fiecrei celule somatice (o celul a corpului, n contrast cu o celulgerminal, sau gamet) conine un numr fix de cromozomi, tipic pentru o anumitspecie. Totui, numrul de cromozomi variaz extrem de larg de la o specie la alta,fr a fi dependent de complexitatea organismului.

2. In nucleii celulelor somatice cromozomii sunt prezeni n mod obinuit n perechi.

De exemplu, cei 46 de cromozomi ai indivizilor umani constau n 23 de perechi,iar cei 14 cromozomi ai plantelor de mazre constau n 7 perechi. Unul dincromozomii fiecrei perechi provine de la genitorul matern i cellalt de la genitorulpatern. Celulele cu nuclei de acest fel, coninnd dou seturi similare de cromozomi,sunt denumite diploide.

3. Celulele germinale, sau gameii, care se unesc n cursul fertilizrii pentru a producestadiul diploid al celulelor somatice, au nuclei care conin un singur set decromozomi, constnd dintr-un membru al fiecrei perechi. Aceti nuclei sunthaploizi.

La organismele complexe care se dezvolt din celule unice, prezena unui numr diploid decromozomi n celulele somatice i a unui numr haploid de cromozomi n celulelegerminale indic existena a dou procese de diviziune nuclear. Unul dintre acestea mitoza - menine numrul de cromozomi, pe cnd cellalt meioza - l reduce la jumtate.Aceste dou procese sunt descrise n subcapitolele urmtoare.

Mitoza

Mitoza este un proces precis al diviziunii celulare care asigur ca fiecare dintre cele doucelule fiice s primeasc un complement de cromozomi identic cu cel al celulei parentale.Procesul este n mod esenial acelai la toate organismele i este remarcabil de simplu:

1. Fiecare cromozom este deja prezent ca o structur replicat la nceputul fiecreidiviziuni nucleare.

2. Fiecare cromozom se divide longitudinal n dou jumti identice care se separ unade cealalt.

3. Jumtile de cromozomi separate se mic n direcii opuse, fiecare fiind inclus nuna dintre cele dou celule fiice care se formeaz.

In celulele care nu sunt pregtite pentru mitoz cromozomii nu sunt vizibili la microscopul

optic. Acest stadiu al ciclului celular se numete interfaz. In cadrul pregtirii pentrumitoz are loc sinteza materialului genetic din cromozomi (ADN), care se realizeaz ncursul unei perioade a interfazei trzii denumit S (Figura 2.1). Sinteza ADN este nsoit dereplicarea cromozomilor. Perioada S este precedat de o perioad denumit G1 i urmat de


3/38

o perioada G2, n care nu se realizeaz sinteza ADN. Ciclul celular, sau ciclul de via alcelulei, este n mod obinuit descris n termenii acestor trei perioade ale interfazei, urmatede mitoz (M). Aadar, aa cum se prezint n Fig. 2.1, G 1 S G2 M. In aceastreprezentare, diviziunea citoplasmei n dou pri aproximativ egale coninnd nucleii esteinclus n perioada M. Durata ciclului celular variaz dependent de tipul de celul. Lamajoritatea organismelor superioare ciclul celular dureaz ntre 18 i 24 de ore. Durata

relativ a diferitelor perioade ale ciclului celular variaz de asemenea considerabil n funciede tipul de celul. De regul, mitoza este perioada cea mai scurt a ciclului celular, care serealizeaz ntr-un interval de 1/2 or pn la 2 ore.

Figura 2.1 Fazele ciclului celular.Sinteza ADN se realizeaz numai n faza S, n timp ce n faza presintetic (G1)i n cea postsintetic (G2) cantitatea de ADN rmne constant: simpl n G1

i dubl n G2. Diviziunea celulei se realizeaz n faza M (mitoza)a ciclului celular

Mitoza este divizat convenional n patru stadii - profaza, metafaza, anafaza, itelofaza, avnd urmtoarele particulariti:

1.Profaza. In timpul interfazei, cromozomii au forma unor filamente lungi i nu potfi vizualizai la microscopul optic. Cu excepia a unul sau mai muli corpusculi ntunecai(nucleoli), nucleul are un aspect difuz, granular. Inceputul profazei este marcat de

condensarea cromozomilor n interiorul nucleului sub forma unor iraguri subiri, distincte,vizibile la microscopul optic. Cromozomii sunt deja dublai longitudinal, constnd din dousubuniti strns asociate, denumite cromatide. Fiecare pereche de cromatide este produsulreplicrii unui cromozom n perioada S a interfazei. Cromatidele dintr-o pereche sunt unitentr-o regiune specific a cromozomului denumita centromer. Pe msur ce profaza

progreseaz, ca urmare a unui proces de super-rsucire, cromozomii devin mai scuri i maigroi. In profaza trzie au loc trei evenimente: 1) nucleolii dispar; 2) nveliul nuclear sedezintegreaz; 3) se formeaz fusul mitotic. Fusul este o structur bipolar coninndmnunchiuri de fibre care se ntind ntre polii celulelor. Fiecare cromozom se ataeaz lacteva fibre ale fusului prin intermediul centromerului su.

2. Metafaza. Dup ataarea la fibrele fusului, cromozomii se mic spre centrulcelulei pn ce toi centromerii se aeaz ntr-un plan echidistant de polii fusului mitotic.Perioada n care cromozomii sunt situai n planul central al fusului este denumit metafaz.In acest stadiu cromozomii ating maximum de contractare i sunt cel mai uor de numrat ide studiat sub aspect diferenelor de morfologie.

G1

S

G2

Celule care i nceteaz diviziunea


4/38

3. Anafaza. In anafaz centromerii se divid longitudinal i cele dou cromatidesurori ale fiecrui cromozom se mic opus spre cei doi poli ai fusului. Odat cecentromerii se divid, fiecare cromatid sor devine n fapt un cromozom separat. Micareacromozomilor se realizeaz n parte prin scurtarea progresiv a fibrelor fusului ataate lacentromeri, care trag cromozomii n direcii opuse spre poli. La ncheierea anafazei,

cromozomi sunt dispui n dou grupuri lng polii opui ai fusului. Fiecare grup conineacelai numr de cromozomi care a fost prezent n nucleul interfazic de origine.

4. Telofaza. In timpul telofazei, n jurul fiecrui grup compact de cromozomi seformeaz un nveli, se formeaz nucleolii, iar fusul dispare. Cromozomii parcurg procesulinvers condensrii, pn cnd nu mai sunt vizibili ca entiti distincte. Cei doi nuclei fiidobndesc uor aspectul tipic interfazei, pe msur ce citoplasma celulei se divide n dou

pri care se separ prin sintetizarea unui perete celular nou ntre celulele fiice.

Meioza

Meioza este modul de diviziune celular prin care se formeaz celule cu un singur membrudin fiecare pereche de cromozomi prezent n celula premeiotic. Cnd o celul diploid cudou seturi de cromozomi parcurge meioza, rezult patru celule fiice, fiecare diferit din

punct de vedere genetic, i fiecare coninnd un set haploid de cromozomi.Meioza const din dou diviziuni nucleare succesive, ale cror detalii eseniale sunt

prezentate n continuare.

1. Inainte de prima diviziune nuclear, cei doi membri ai fiecrei perechi decromozomi,

despre care se spune ca sunt omologi unul altuia, devin strns asociai pe toatlungimea lor. Deoarece fiecare cromozom omolog este deja replicat, aceast asociereconst n fapt dintr-un duplex de dou cromatide surori unite n regiuneacentromerului. Prin urmare, mperecherea cromozomilor omologi produce o structurtetra-catenar.

2. In prima diviziune nuclear, cromozomii omologi mperecheai se separ unul decellalt. Se formeaz doi nuclei, fiecare coninnd un set haploid de cromozomiduplicai.

3. A doua diviziune nuclear este oarecum asemntoare cu o diviziune mitotic.Nu are loc nici o replicare a cromozomilor, dar n metafaz cromozomii se aliniazn zona central a fusului, iar n anafaz cromatidele fiecrui cromozom se separ nnucleii fii.

Efectul net al celor dou diviziuni este formarea a patru nuclei haploizi, fiecareconinnd echivalentul unei singure cromatide sor din fiecare pereche de cromozomiomologi.

Dei procesul meiozei este similar la toate organismele cu reproducere sexual, attla animalele ct i la plantele femele, doar unul dintre cei patru nuclei se dezvolt ntr-o

celul funcional (ceilali trei se dezintegreaz). La animale, produii meiozei (gameii)sunt ovulele i spermatozoizii. La plante, produii meiozei sunt ovulele i grunciorii depolen.


5/38

Meioza este un proces mult mai complex i considerabil mai lung dect mitoza,necesitnd zile sau chiar sptmni. Esena meiozei const n realizarea a dou diviziuni alenucleului, n condiiile unei singure duplicri a cromozomilor. Diviziunile nucleare -denumite prima diviziune meiotic i a doua diviziune meiotic - pot fi separate ntr-osecven de stadii similare celor descrise n cazul mitozei. Evenimentele distinctive aleacestui important proces se produc pe parcursul primei diviziuni meiotice.

Prima diviziune meiotic

Cele patru stadii definite ale primei diviziuni meiotice sunt profaza I, metafaza I,anafaza I, i telofaza I. In general, aceste stadii sunt mai complexe dect celecorespunztoare n cazul mitozei.

1.Profaza I. Acesta este un stadiu lung, care la majoritatea organismelor superioaredureaz cteva zile, i este mprit convenional n cinci substadii - leptoten, zigoten,pachiten, diploten i diachineza.

In leptoten cromozomii devin vizibili ca structuri lungi asemntoare unor iraguri.Perechile de cromatide surori pot fi distinse prin microscopie electronic. In aceast faziniial a condensrii cromozomilor, la intervale neregulate de-a lungul lor apar numeroasegranule dense. Aceste contractri localizate, denumite cromomere, au numr, mrime i

poziie caracteristic pentru un cromozom dat.Perioada zigoten este marcat prin mperecherea latur pe latur a cromozomilor

omologi, proces denumit sinaps. Imperecherea ncepe n unul sau mai multe puncte de-alungul cromozomilor i are ca rezultat o asociere foarte precis ntre cromomere. Fiecare

pereche de cromozomi omologi aflai n sinaps este denumit ca fiind un bivalent.Pe durata stadiului pachiten, condensarea cromozomilor continu, i complementul

cromozomial este reprezentat de numrul haploid de bivaleni. Fiecare bivalent constdintr-o tetrad de patru cromatide, dar n mod obinuit cele dou cromatide surori alefiecrui cromozom nu pot fi distinse. In cursul pachitenului apare un eveniment importantdin punct de vedere genetic, denumit crossing-over, dar acesta nu este evident dect duptrecerea la diploten.

In diploten, cromozomii aflai n sinaps ncep s se separe. Totui, ei rmn asociaila anumite intervale de-a lungul lungimii lor prin legturi n cruce. Fiecare legtur n cruce,denumit chiasm, este rezultatul unei ruperi i reuniri ntre cromatide non-surori. Cu altecuvinte, o chiasm rezult din schimbul fizic ntre cromatidele cromozomilor omologi(Figura 2.4). In meioza normal, fiecare bivalent are cel puin o chiasm, ns bivaleniiformai din cromozomi lungi au adesea trei sau mai multe.

Pe parcursul perioadei finale a profazei I -diachineza- cromozomii ating maximumde condensare. Cromozomii omologi formnd bivaleni rmn conectai prin cel puin ochiasm, care persist pn la prima anafaz meiotic. Aproape de sfritul diachinezei, esteiniiat formarea fusului i se produce ruperea nveliului nuclear.

2. Metafaza I. Bivalenii se poziioneaz cu centromerii celor doi cromozomi omologin pri opuse ale planului format de mijlocul fusului. Orientarea perechilor de centromeri aifiecrui bivalent spre polii fusului este ntmpltoare (randomizat).

3. Anafaza I. In acest stadiu, cromozomii omologi, fiecare compus din dou cromatideunite printr-un centromer nedivizat, se separ unul de cellalt i se mic spre polii opui ai

fusului.

4. Telofaza I. La ncheierea anafazei I, lng fiecare pol al fusului se afl cte un sethaploid de cromozomi constnd din cte un omolog din fiecare bivalent. In timpul telofazei,


6/38


7/38

Disjuncia Independent a Perechilor de Cromozomi

Studiul comparativ al mitozei i meiozei a artat c al doilea tip de diviziune este cel careasigur libera combinare a cromozomilor i, pe aceast baz, o mare variaie genotipic a

gameilor i a descendenilor. Cromozomii omologi care se asociaz n metafaza I formndbivaleni, se separ ulterior, fiecare pereche independent de celelalte, fapt care determincombinarea pe baz de probabilitate a cromozomilor provenii de la bunici. In mod logic,

posibilitile de a forma mai multe combinaii n cadrul gameilor sunt direct corelate cunumrul de perechi de cromozomi.

Spre exemplu, dac se ncrucieaz dou specii care au 2n=6 i dac pe fiecarepereche de cromozomi se afl cte o singur pereche de gene, hibridul care rezult vamoteni jumtate din cromozomii i factorii ereditari ai fiecruia dintre genitori. Astfel,dac genitorul matern posed geneleAA BB CCi cel patern genele aa bb cc, hibridul va fi

Aa Bb Cc. In cursul diviziunii reducionale, acest hibrid va forma 8 tipuri de gamei datorit

faptului c n metafaza meiozei cromozomii omologi se grupeaz n bivaleni (cte doi) iapoi migreaz la polii celulei n mod diferit, indiferent de originea lor. Rezultatul esteformarea a 8 tipuri de gamei masculi i femeli diferii genotipic (ABC, ABc, AbC, Abc,aBC, aBc, abC, abc), prin a cror combinare se vor obine 64 de indivizi diferii din punctde vedere ereditar.

Cu ct este mai mare numrul cromozomilor i respectiv al genelor n cromozomi, cuatt este mai mare numrul combinaiilor posibile ale gameilor. Astfel, dac n cazul uneispecii cu 8 cromozomi i cte o singur gen n cromozom, probabilitatea ca un gamet s fiediferit de altul este egal cu (1/2)4 = 1/16, iar ca un individ s fie diferit de altul este nconsecin de (1/2)8 = 1/256, la o specie cu 20 de cromozomi (ex. Zea mays) probabilitateaca un gamet s fie diferit de altul este de (1/2) 10 = 1/1.024, iar ca un individ s fie diferitgenotipic este de (1/2)20 = 1/1.048.576. Dac am considera c la porumb sunt numai treigene, plasate una de alta la o distan suficient de mare, astfel nct s se poat separa uor

prin crossing-over, probabilitatea ca un individ s fie diferit genotipic de alii ar fi de (1/2)60.Conform unui calcul fcut de W.R. Singleton (1964), pentru a oferi spaiu tuturorcombinaiilor genotipice posibile ntr-un astfel de caz, ar fi necesar o suprafa de teren de2.000 ori mai mare dect cea a Pmntului.

Inmulirea sexuat a organismelor determin aadar o mare variabilitate genotipic adescendenilor, n primul rnd prin mecanismul de combinare pe baz de probabilitate acromozomilor n cursul diviziunii reducionale. Pe lng aceasta, un rol important nsporirea variaiei genotipice individuale revine fenomenului de schimb de segmente

cromatidice ntre cromozomii pereche (crossing-over) precum i genelor extranucleare.Fenomenul variaiei genotipice are o valoare biologic extrem, reprezentnd

suportul pentru caracterul unic al indivizilor, pentru asigurarea adaptrii organismelor lavariatele condiii de mediu i, n ultim analiz, pentru asigurarea supravieuirii speciilor.

Recombinarea Genelor ntre Cromozomii Pereche (crossing-over)

Studiul mecanismului de transmitere ereditar a artat c nu ntotdeauna genele care facparte din aceeai grup de linkage, deci plasate n acelai cromozom, se transmit nlnuite,

i c de la acest mod de transmitere a informaiei genetice exist unele excepii.Respectivele abateri au fost explicate prin posibilitatea realizrii unui schimb reciproc degene ntre cromozomii pereche, printr-un proces care a fost denumit crossing-over.


8/38

Procesul de crossing-over se poate realiza att ntre genele de pe cromozomii sexului,ct i ntre cele plasate n autozomi. Ca i n cazul cromozomilor sexului, linkage-ulautozomal poate fi absolut (sau complet), toate genele unei grupe de linkage segregndmpreun, sau poate fi relativ (sau incomplet), unele gene devenind separate de celelaltentr-un anumit procentaj de segregri. Efectul imediat al recombinrii este disocierea dintr-olegtur a unor gene i formarea unei noi grupe linkage cu genele cromozomului omolog.

Frecvena crossing-overelor

Frecvena cu care se poate realiza recombinarea prin fenomenul de crossing-over estedependent nu de genele n sine, ci de arhitectura locilor n care sunt plasate. In general,aceasta este foarte redus i numai n cazuri rare se apropie de limita superioar de 50%,valoare care corespunde segregrii independente a caracterelor, conform legilor mendeliene.

Calcularea direct a procentului de recombinare se poate efectua prin analizagenetic, conform procedeului urmtor: se ncrucieaz un organism care prezint dougene, una dominant i una recesiv, n stare homozigot (Ab/Ab), cu un altul care prezint

de asemenea cele dou gene n stare homozigot, gena recesiv i cea dominant fiind nsinversate (aB/aB), i se obine n prima generaie (F1) o descenden n totalitate dubluheterozigot (Ab/aB). In cazul cnd genele sunt plasate pe cromozomi diferii, n urmaefecturii unui backcross ntre un individ (genitor matern) dublu heterozigot din F1 i unindivid (genitor mascul) dublu recesiv homozigot (adic Ab/aB x ab/ab), se va producesegregarea independent, conform legilor mendeliene. Frecvena recombinrilor poate fi deasemenea calculat pe baza rezultatelor ncrucirilor ntre organisme dublu heterozigotedin F1. In cazul descris mai sus, aceasta nseamn ncruciarea ntre indivizi normali iindivizi care prezint concomitent dou mutaii, adic AB/AB x ab/ab, din care vor fiobinui n F1 exclusiv descendeni de tipul AB/ab, care vor produce patru tipuri de gamei(AB,Ab, aB, ab), din combinarea crora vor rezulta att indivizi de tip parental, ct i de tiprecombinat.

Recombinarea Genetic Nereciproc (Conversie)

Spre deosebire de recombinarea genetic reciproc, care se realizeaz prin crossing-over,recombinarea genetic nereciproc apare ca rezultat al fenomenului de conversie.

Conversia se manifest prin aceea c descendena haploid a nucleului heterozigotdiploid (a+ a) nu prezint raportul normal de segregare, respectiv 1:1, una dintre alele avndo frecven mai mare dect cealalt. Astfel, la ciuperci, n locul raportului de segregarenormal 4:4 se ntlnesc raporturile de 5:3; 6:2; 7:1; 8:0. S-a demonstrat c frecvenarecombinrii genetice nereciproce variaz la diferite gene, iar n interiorul unei genefrecvena conversiei crete de la un capt la altul. Fenomenul de polarizare a conversiei ninteriorul aceleeai gene poart denumirea de polaron.

Fenomenul de conversie are loc frecvent la bacteriile lizogene, care conin profagi idin aceast cauz dobndesc caracteristici noi privind producerea de toxine, sensibilitatea lainfecii cu alte virusuri, sau i modific particularitile antigenice. Acest tip de conversiese numete conversie fagic i este cel mai probabil cauzat de adiia de material genetic lagenomul bacterian.

Conversia genic are loc n cursul meiozei i se consider c se realizeaz n dou

etape:

1. In prima etap are loc transferul a 100-200 nucleotide din molecula de ADN depe o cromatid, pe alta, formndu-se astfel scurte secvene de ADN hibrid;


9/38

2. In cea de a doua etap are loc corecia mperecherilor greite dintre nucleotide ncadrul ADN hibrid, n timpul sau imediat dup recombinarea intergenic princrossing-over. Ca urmare, s-a observat existena unei corelaii ntre fenomenulcrossing-over i frecvena conversiei n imediata vecintate.

MUTAIILE

Mutaia definete orice modificare ereditar i detectabil a materialului genetic, care nueste cauzat de recombinarea genetic sau de segregare. Mutaiile cauzate de factori demediu (fizici sau chimici) sau de factori biologici apar spontan i sunt denumite mutaiinaturale. In funcie de materialul genetic afectat, mutaiile sunt clasificate astfel:

a) mutaii genice, cnd sunt afectate genele;b) mutaii cromozomiale, cnd sunt afectai cromozomii;c) mutaii genomice, cnd este afectat ntregul genom (mutaii multiple, la nivelul

mai multor perechi de cromozomi).

In funcie de genele care sunt afectate, implicnd deci exprimarea fenotipic,

mutaiile pot fi clasificate n mutaii dominante, co-dominante, semidominante irecesive. Mutaiile care se produc la nivelul perechilor de nucleotide sunt denumite mutaiipunctiforme i sunt evident mutaii intragenice.


10/38

Mutaiile au fost de asemenea clasificate i n funcie de locul unde sunt plasategenele afectate, respectiv pe autozomi sau heterozomi, n mutaii autozomale i mutaiiheterozomale (care manifest sex-linkage). Exist i mutaii ale genelor din citoplasm,denumite mutaii extranucleare.

O categorie relativ distinct de mutaii o constituie mutaiile letale i mutaiilesemiletale, care afecteaz gene de importan major n organism, prin a cror blocare se

cauzeaz moartea individului, cel mai adesea n perioada embrionar, sau nainte dematuritatea sexual.

Indiferent de nivelul la care se produc (genic, cromozomial, genomic), mutaiile aufrecven variabil. Se apreciaz ns c pot exista gene mutabile, caracterizate printr-omare instabilitate i care, n consecin, prezint o frecven mai mare a mutaiilor,comparativ cu celelalte gene din organism. O astfel de ipotez este de altfel susinut deexistena seriilor de gene polialele, care sunt considerate ca fiind rezultatul instabilitii

pronunate a unor gene sub influena anumitor condiii ale mediului abiotic. S-a sugerat deasemenea posibilitatea existenei unor gene mutatoare, care mresc frecvena mutaiiloraltor gene.

Mutaiile Naturale i Frecvena lor

Se consider c una dintre cauzele mutaiilor naturale care apar la organismele vegetale ianimale este radiaia cosmic, o surs permanent de nuclei de carbon, azot i oxigen, careciocnindu-se cu nuclei ai unor atomi din aer dau natere radiaiei cosmice secundare,format din radiaii electromagnetice i corpusculare. Aceste radiaii acioneaz permanentasupra Pmntului, mpreun cu radiaiile care se produc prin dezintegrarea natural aelementelor radioactive din scoara pmntului i cu gazul radon din atmosfer, alctuindfondul natural de radiaii terestre. Atunci cnd asupra organismelor dintr-o populaie

acioneaz un factor de stres fizic sau chimic, respectiv un factor mutagen, probabilitateaproducerii unor mutaii este semnificativ mai mare i, de regul, are loc o cretere afrecvenei mutaiilor.

Mutaiile naturale au o frecven foarte variat n funcie de condiiile de mediu i de geneleafectate. Frecvena mutaiilor se poate calcula numai pentru o anumit gen, dar nsumndvaloarea frecvenei mutaiilor pentru toate genele se poate estima frecvena mutaiilor pergenom.

Rata mutaiilor nu este constant, ci depinde de diferii factori, printre cei maiimportani fiind genotipul i condiiile de mediu. Genotipul poate influena ntr-o msur

foarte important rata mutaiilor, mai ales la acele organisme la care s-a demonstratexistena aa-numitelor gene mutatoare, care mresc frecvena mutaiilor la diferite altegene. Cauzele posibile ale activrii la nivel molecular a mecanismului de aciune al genelormutatoare pot fi:

a) prezena unei polimeraze anormale, care determin erori n replicaia ADN;b) producerea unor analogi ai bazelor azotate cu caracter mutagen, care n cursul

replicaiei ADN sunt inclui n macromolecula respectiv;c) modificarea unor baze azotate din macromolecula de ADN, avnd ca rezultat

apariia de erori n cursul replicaiei.

Descoperirea unei gene care codific producerea unei polimeraze anormale laorganisme caracterizate printr-o frecven mrit a mutaiilor reprezint o dovad nsprijinul acestei ipoteze.


11/38

Unii derivai purinici sau purine, cum sunt cafeina, azaguanina, sau adenina, auefecte mutagene demonstrate, de la foarte puternic (cafeina) la redus (adenina). In contrast,ribonucleosidele purinice nu numai c reduc frecvena mutaiilor naturale, dar au chiar efect

protector fa de aciunea adeninei sau cafeinei, fapt pentru care au fost denumite substaneantimutagene.

Factorii Mutageni

Faptul c radiaiile pot induce mutaii este cunoscut nc din anul 1927, cnd H.J. Muller,a demonstrat creterea semnificativ a frecvenei mutaiilor induse artificial n raport cuaceea a mutaiilor spontane. Ulterior s-a descoperit c numeroase substane chimice au efectmutagen. S-a demonstrat apoi c ocurile termice pot de asemenea induce apariia demutaii la unele organisme, prin favorizarea instabilitii materialului genetic i a replicriisale eronate.

Factorii mutageni pot fi clasificai aadar n: (1) factori mutageni fizici; (2) factorimutageni chimici; (3) factori mutageni biologici. Indiferent de categoria din care fac parte,

aciunea constant sau prelungit a agenilor mutageni determin a mrire considerabil afrecvenei mutaiilor.

Factorii mutageni fizici

In grupa factorilor mutageni fizici sunt incluse radiaiile ionizante i neionizante, precum iocurile de temperatur. Radiaiile care pot provoca mutaii la nivelul diferitelor uniti alematerialului genetic (gene, cromozomi, genom) sunt clasificate astfel:

Radiaii neionizante (care genereaz reacii fotochimice):

- raze ultraviolete (UV)Radiaii ionizante (care genereaz reacii radiochimice):Radiaii electromagnetice:

- raze X (Rntgen)- raze gamma ()

Radiaii corpusculare- raze beta (electroni)- protoni (nuclei de hidrogen)- neutroni leni sau rapizi- raze alfa (nuclei de heliu)

- particule greleRadiaiile neionizante sunt radiaiile ultraviolete (UV), care fac parte din spectrul

solar invizibil, fiind constituite din fotoni cu energie joas (circa 3-5 ergi/m2) i cu olungime de und cuprins ntre 136 i 4.000 .

Aciunea radiaiilor UV se exercit prin absorbia energiei fotonilor cu diferitelungimi de und de ctre moleculele substratului, care intr ntr-o stare de excitaie.Consecina acestei stri este apariia unor reacii chimice fluorescente i fosforescente, itransmiterea energiei moleculei excitate unei alte molecule. Asemenea fenomene provoacreacii chimice secundare variate n funcie de substratul asupra cruia se exercit aciuneai de lungimea de und a razelor UV.

Radiaiile ionizante includ radiaiile electromagnetice i radiaiile corpusculare, careau un efect similar asupra substratului. Acestea se exercit ca unde sau ca particule ncrcatecu energie diferit i acioneaz la nivelul atomilor, fiind capabile s dezorganizeze sferelede electroni care nconjoar nucleul atomic. Se tie c atomul neutru este ntr-un echilibru


12/38

electrostatic, numrul sarcinilor electrice pozitive din nucleul atomic fiind egal cu cel alsarcinilor electrice negative ale electronilor. Radiaiile electronomagnetice, datorit energieii a vitezei lor foarte mare, sunt capabile s smulg unul sau mai muli electroni de pe orbitaexterioar a atomilor neutri ntlnii n drumul lor. Prin pierderea unui electron, atomulrmne cu o sarcin electric pozitiv n plus, devenind ion pozitiv sau cation. Electronuleliberat nu rmne liber, ci se ataeaz unui alt atom care, primind o sarcin electric

negativ, devine ion negativ sau anion. Acest proces poart numele de ionizare. Dei ioniiprodui n urma iradierii au o via foarte scurt, de ordinul a 10-6 dintr-o secund, totui eiau posibilitatea de a intra ntr-o serie de reacii chimice cu substanele din materia iradiat,determinnd apariia unor compui noi. Dintre radiaiile ionizante, cele mai puternice suntradiaiile electronomagnetice i n special razele gamma i razele Rntgen, care au olungime de und mic i putere foarte mare de penetraie.

Razele gamma, care iau natere n cursul dezintegrrii radioactive, au lungimea deund cea mai mic, cuprins ntre 0.005 i 1.4 . Cea mai cunoscut surs de radiaiigamma este cobaltul radioactiv (60Co).

Razele Rntgen (X) sunt radiaii electronomagnetice cu aciune similar razelor

gamma, avnd o lungime de und cuprins ntre 0.06 i 100 i o energie de activare de0.01-0.1 MeV. Puterea lor de penetraie este mai mic dect aceea a radiaiilor gamma, darsuficient de mare pentru a provoca o ionizare puternic.

Tot din grupa radiaiilor ionizante fac parte radiaiile corpusculare cum sunt razele (electroni), razele (nuclei de heliu), protonii (nuclei de hidrogen), neutronii i diverse

particule grele, emise de asemenea n timpul dezintegrrii radioactive a unor elemente.Razele alfa () sunt formate din nuclei de heliu, alctuii fiecare din doi protoni, cu o

mas de circa 7.000 de ori mai mare dect electronul, ceea ce le confer o putere depenetraie foarte mic. Distana maxim de ptrundere a particulelor alfa emise de exemplude radium este de aproximativ 4 cm n aer i aproximativ 0.07 mm n esuturile biologice,ceea ce face ca utilizarea lor n lucrrile de mutagenez s fie limitat.

Razele beta () reprezint un flux de electroni expulzai de nucleele atomice cu ovitez de 10.000-300.000 km/sec, avnd o mas mic i o putere penetrant de circa 200 deori mai mare ca a razelor alfa. Sursele cele mai cunoscute de raze beta ce pot induce mutaiisunt izotopii radioactivi ai fosforului (32P) sau sulfului (35S).

Neutronii sunt particule elementare neutre emise n cursul unor reacii nucleare, nspecial n reaciile de dezintegrare a nucleului de uraniu i de plutoniu. Fiind lipsii desarcin electric ei sunt atrai sau respini de electroni sau nuclei materiei prin care trec.In funcie de energia pe care o posed, neutronii pot fi rapizi (cu energii mai mari de 0.5MeV), cu o vitez medie (avnd o energie care variaz ntre 0.5 MeV i 1 KeV), leni(cu energie cuprins ntre 1 KeV i 1 eV) i termici (cu energie sub 0.1 eV). In urma

ciocnirilor cu nucleii atomici ai materiei pe care o strbat, acetia ncep fie s emit protoni(ca n cazul iradierii cu neutroni rapizi), fie pot ptrunde n nucleu, fiind capturai de acesta(ca n cazul iradierii cu neutroni leni sau termici). In ambele situaii, iradierea cu neutroniduce la producerea unui numr de particule ncrcate electric i ioni, care genereaz reaciichimice noi, caracteristice materialelor ionizate.

Msurarea radiaiei. Unitatea de msur folosit curent pentru radiaiile ionizanteeste rad-ul (radiation absorbed dose), care reprezint cantitatea de energie absorbit de 1gram de materie vie sau nevie. In paralel cu rad-ul (R) este frecvent folosit o alt unitate demsur, respectivgray-ul (Gy). Cele dou moduri de cuantificare a dozelor de iradiere sunt

compatibile, ntruct 1kR (1.000 razi) este echivalentul a 100 Gy.Pentru studiul efectelor radiaiilor asupra organismului uman se folosete rem-ul(rntgen equivalent man). Aceast unitate de msur este o variant a rntgen-ului (r).Un rntgen este egal cu cantitatea de radiaii capabile s produc 2.08 x 10 9perechi de ioni


13/38

ntr-un cm3 de aer la 0C i la presiunea atmosferic de 760 mm Hg. Cantitatea de radiaiicorespunztoare unei uniti rntgen este capabil s provoace ntr-un esut viu formareaunei cantiti de ioni de aproximativ 1.000 de ori mai mare, respectiv 2,08 x 1012.

Pentru msurarea radiaiei neutronilor rapizi se folosete ca unitate de msurechivalentul fizic rntgen (e.f.r.), care reprezint energia folosit pentru ionizare,echivalent cu energia absorbit de 1 g de ap iradiat cu 1 r de raze X. Msurarea dozelor

de neutroni termici se face direct, prin determinarea cantitii de neutroni cu care estebombardat ntr-o secund o suprafa de 1 cm2 din materialul iradiat (Nt/cm2/s).

Radiosensibilitatea organismelor. Rezultatele unui numr foarte mare de lucrri deinducere a mutaiilor au artat n mod concludent c diferitele organisme prezint difereneconsiderabile n ce privete radiosensibilitatea (Tabel 9). Pentru msurarea radiosensibilitiise folosesc noiunile de doz letal 100 (DL 100) i doz letal 50 (DL 50), care reprezintdoza la care, ntr-un interval de 30 zile, mor toi subiecii supui iradierii, sau 50%.

Efectele radiaiilor la nivel celular sunt foarte variate, ele determinnd ncetinirea saublocarea diviziunilor mitotice, pierderea definitiv a capacitii de diviziune nensoit de

moartea celulelor (sterilizarea celulelor), moartea celulelor dup mai multe ore de la iradiere(fr ca ele s mai intre n diviziune mitotic) sau, n cazul dozelor foarte mari de radiaii(iradiere acut), moartea instantanee a celulelor. Indiferent de tipul de iradiere, respectivcronic (de intensitate sczut i durat lung) sau acut (de intensitate mare i duratscurt), cele mai afectate componente ale celulei sunt nucleul i cromozomii, deci materialulgenetic.Tabel 9. Variaia radiosensibilitii la unele organisme vegetale i animale.

Tipul de organisme Specia DL 50

Plante

Lynum ussitatisimumLycopersicum aesculentum

Brassica napusSecale cerealePhaseolus vulgarisAbies alba

40.000 - 50.00030.000 - 40.000

25.000 - 30.00010.000 - 15.0008.000

600 - 900

Animale

ParameciumDrosophila melanogasterSalamandrobolanBroascoareceCine

350.00046.0003.000850700530325

Om Homo habilis 450

In general, frecvena mutaiilor crete proporional cu doza de iradiere. De exemplu,la Antirrhinum majus frecvena mutaiilor la 400 R este de 1.24%, iar la doza de 800 Rcrete pn la 4.41%. In mod similar, laDrosophila melanogasterfrecvena mutaiilor letalela o doz integrat de iradiere de 750-770 R este de 2.7%, iar la doza de 9.000 R (9 kR)atinge 18.3%.

Efectele Genetice ale Radiaiilor

Efectele genetice ale radiaiilor ionizante sunt dependente de doz, debitul dozei, tipulradiaiei, viteza diviziunii celulare (durata ciclului mitotic), numrul i lungimea


14/38

cromozomilor, concentraia oxigenului intracelular i extracelular, reversibilitatea leziunilorcromozomiale, eficiena mecanismelor de reparare molecular a ADN.

Modificrile structurale ale cromozomilor provocate de aciunea radiaiilor ionizantepot fi corelate sau nu cu mutaii. Acestea constituie ns o surs important de informaiipentru estimarea raportului cantitativ dintre doza de iradiere i daunele produse celulelorsupuse iradierii.

Restructurrile cromozomiale care se produc sub influena radiaiilor ionizante suntvariate. Astfel, ca urmare a unei singure rupturi cromozomiale apare un fragment acentric,care de obicei are tendina de a se uni cu captul liber al cromozomului care a fost afectat derupere. Dac prin aceast reunire, care poart denumirea de restituie, secvena normal agenelor nu este alterat, cromozomul va fi normal att structural ct i funcional. Dac nsnainte de reunire fragmentul acentric face o rotaie de 180, cromozomul va fi modificat din

punct de vedere structural, n sensul schimbrii ordinii locilor. Acest tip de modificarepoart denumirea de inversie terminal sau paracentric. In cazul n care cromozomulsufer dou ruperi, cu producerea a trei segmente, dintre care numai segmentul care poartcentromerul i schimb orientarea, modificarea poart denumirea de inversie pericentric.

Un alt tip de modificare structural a cromozomilor care se poate produce ca urmarea radiaiilor ionizante este deleia, caz n care ruperea nu este urmat de reunireafragmentului acentric cu restul cromozomului. Efectele genetice ale deleiei depind demrimea fragmentului pierdut i de importana genelor situate pe el.

Au fost constatate situaii n care fragmentul acentric formeaz un cromozom inelar(circular) prin unirea celor dou capete ale sale, acesta fiind pierdut la urmtoarea diviziunecelular ca urmare a lipsei centromerului. Alteori, un astfel de fragment se poate suda lacaptul unui cromozom neomolog determinnd o translocaie terminal.

Prin sudarea fragmentului acentric la cromozomul omolog se produce un alt tip derestructurare intracromozomial denumit duplicaie. In funcie de modificarea sau nu aordinii genelor nainte de sudur, aceasta poate fi

duplicaie n tandem, cnd sudura nu

schimb ordinea genelor, sau duplicaie n tandem invers, cnd ordinea iniial a geneloreste schimbat ca urmare a rotirii fragmentului acentric nainte de sudur. Duplicaia ntandem invers poate avea efecte genetice majore, ntruct prin efectul de poziie poate fiafectat expresia caracterelor codificate de genele afectate de restructurareaintracromozomial. Duplicaiile au o frecven mai mare dect deleiile, dar spre deosebirede acestea sunt foarte rare cazurile n care au efect letal.

In cazul producerii de ruperi simultane n doi cromozomi neomologi poate avea locschimbul reciproc de fragmente acentrice, acest tip de restructurare intracromozomial fiinddenumit translocaie reciproc, care, n general, are o frecven mai mare decttranslocaia terminal. Dac fragmentele translocate au centromeri, se vor forma

cromozomi dicentrici sau policentrici. Fragmentele acentrice se pot suda i ele, dar vor filipsite de viabilitate ca urmare a lipsei centromerului. Adeseori, cromozomii dicentrici sau

policentrici formeaz puni n anafaz, acest tip de aberaii cromozomiale determinndapariia de gamei nefuncionali. Translocaiile reciproce pot fi identificate prin analizacitogenetic n cursul meiozei, deoarece datorit transferului de gene ntre cromozomineomologi acetia devin parial omologi i formeaz figuri caracteristice, n form de cruce.

Este un fapt incontestabil c plantele cu cromozomi mari sunt mai susceptibile laapariia de ruperi ale cromozomilor sau cromatidelor, dect cele cu cromozomi mici, deci auo radiosensibilitate mai ridicat. Se consider ns c aprox. 90-95% dintre rupturile primarese reunesc n configuraia iniial (proces denumit restituie) ntr-un interval cuprins ntre

cteva minute i cteva ore. Celelalte rupturi, care nu refac configuraia iniial, pot evoluape urmtoarele dou ci: (a) pot rmne deschise; (b) se pot suda nelegitim cu capetelerupte ale altor cromozomi, avnd ca rezultat producerea de translocaii.


15/38

Aberaiile de primul tip apar ca simple rupturi detectabile n mitoz, iar fragmentelede cromozomi fr centromer se pot pierde, caz n care poate avea loc i o pierdere deinformaie genetic.

Aberaiile de al doilea tip presupun existena simultan a dou rupturi deschise, aflaten imediata apropiere. Pe baza relaiei ntre frecvena aberaiilor i doza de iradiere s-a ajunsla concluzia c n cazul radiaiilor X i gamma, o singur particul are o probabilitate mic

de a produce dou rupturi, fapt care este ns perfect posibil n cazul radiaiilor densionizante. Din aceast cauz, n cazul radiaiilor X sau gamma, existena a dou rupturideschise presupune producerea a dou rupturi independente i de aceea frecvena aberaiilorde acest tip este egal cu produsul frecvenelor celor dou rupturi simple pe care le

presupune. Aadar, dac frecvena aberaiilor de primul tip este dependent de doz,frecvena celor de al doilea tip este funcie de ptratul dozei.

Pentru a explica apariia unor astfel de aberaii cromozomiale ca urmare a iradierii,exist dou ipoteze:

Ipoteza rupturii primare consider c efectul primar al unui agent exogen este oruptur cromatidic sau cromozomic la nivelul unui cromozom interfazic. Ipoteza

presupune c, de obicei, capetele de ruptur se reunesc pentru a restaura configuraiaoriginal (restituie), dar pot exista cazuri n care capetele de ruptur pot rmne deschisesau se pot suda cu capetele altei rupturi. Rezultatul unei astfel de fuziuni a capetelor de ladiferite rupturi ale cromatidelor duce la realizarea a diferite schimburi cromatidice.

Ipoteza schimburilorconsider c efectul primar al iradierii nu este o ruptur, ci unalt tip de leziune la nivelul cromozomului, care poate reveni la starea normal sau poate danatere unui schimb. Cnd astfel de leziuni coincid n timp i spaiu cte dou, ele se pottransforma (ntr-un stadiu ulterior al evoluiei cromozomului) n schimb cromatidic.

Refacerea cromozomilor. Se consider c leziunile produse de iradierea cu agenimutageni pot suferi un proces de restructurare spontan, dar aceasta poate fi provocat i defactori fizici, sau de anumite substane cum sunt unii aminoacizi sau proteine, derivai

purinici i pirimidinici, nucleoside i nucleotide, diferite enzime, etc.Ipotezele referitoare la mecanismele moleculare ce stau la baza reparrii leziunilor

cromozomice sau cromatidice i la reunirea cromozomilor rupi se bazeaz fie pe replicareaADN ca proces esenial al restaurrii, fie pe implicarea unor proteine (enzime) n refacereacromozomilor, fie pe ambele procese. In acest sens s-a demonstrat de altfel c o serie deenzime de tipul endonucleazelor, exonucleazelor, polimerazelor, etc., au un rol foarteimportant n procesul de refacere a cromozomilor afectai de iradiere.

Factori mutageni chimici

Gama substanelor chimice capabile s induc restructurri cromozomiale i mutaii estefoarte larg. Deoarece multe dintre aceste substane au asupra cromozomilor efecte similareradiaiilor, provocnd de exemplu ruperi, au primit denumirea de substane radiomimetice.

Substanele chimice pot induce aberaii variate de tip cromozomial, cromatidic isubcromatidic. In general, ns, substanele chimice mutagene induc aberaii de tipcromatidic i numai puine substane (ex. 8-etoxicofeina i streptonigrina) produc aberaii detip cromozomial sau subcromatidic.

Agenii chimici care produc rupturi i restructurri cromozomiale sunt clasificaiastfel:

a) precursori ai ADN i analogi ai bazelor azotate;b) ageni alkilani;a) unele antibiotice;b) ali factori mutageni chimici


16/38

Se consider c efectul agenilor mutageni chimici este dependent de durata decontact, concentraia, i nu n ultimul rnd de o serie de factori fizici externi (pH,concentraia O2, temperatura, etc.).

Este cunoscut faptul c agenii mutageni chimici afecteaz mai ales interfaza iprofaza timpurie. Substanele chimice cu efect n perioadele G1 sau S ale interfazei vor

inhiba replicarea cromozomilor prin aciunea lor asupra sintezei de ADN, pe cnd cele cuefect n G2 vor afecta numai formarea cromatidelor libere, ntruct n acest stadiu ADN icromozomii sunt deja replicai.

Unii ageni chimici, cum sunt adenina, 5-fluordeoxiuridina, azaserina, aminopterina,etc., blocheaz sinteza ADN i a precursorilor si. Ali ageni, cum sunt mitomicina-C,actinomicina-D, hidrazida maleic, agenii alkilani, etc., modific proprietile chimice ifizice ale ADN. Se consider c blocarea sintezei unei anumite baze azotate determin

probabil apariia unor erori n procesul de mperechere normal a nucleotidelor purinice i acelor pirimidinice n macromolecula de ADN. Cel mai puternic agent mutagen chimic s-adovedit a fi antibioticul azaserina, care blocheaz sinteza bazelor azotate purinice, acesta

fiind, n acelai timp, i un puternic alkilant.O alt categorie de substane chimice cu efect mutagen este aceea care includederivaii halogenai ai benzenului i toluenului, aminopurinele, cafeina, teofilina iteobromina, care inhib citochineza la plante, avnd ca efect inhibarea diviziunii celularefr a afecta diviziunea cromozomului sau respectiv a nucleului.

O categorie distinct de ageni chimici mutageni este aceea a substanelor careacioneaz asupra fusului de diviziune. Inhibarea formrii fusului are ca efect oprireadiviziunii celulei, fr a fi ns afectai cromozomii, care i continu diviziunea n modnormal.

Precursori ai ADN i analogi ai bazelor azotate

Din aceast grup fac parte un numr relativ mare de substane chimice cu efect derupere a cromozomilor i care induc mutaii, cum sunt: adenina, dezoxiadenozina,5-fluordezoxiuridina, 5-bromdezoxiuridina, 5-clordezoxiuridina, 5-iododezoxiuridina,citozina arabinozid, oxipurinele N-metilate (cafeina, 8-etoxicafeina, teobromina, teofilina,acidul 1,3,7,9-tetrametiluric), 5-bromuracilul, 5-cloruracilul, 5-ioduracilul, 5-floruracilul,2-aminopurina, 2-6-diaminopurina, etc.

Ageni alkilani

Din grupul agenilor alkilani fac parte numeroase substane chimice mutagene,printre care iperita, dietilsulfatul, epoxizii, -propiolactona, azaserina, etc.

Modul de aciune al agenilor alkilani. In general, dei exist mai multe ipotezeprivind procesele care duc la apariia aberaiilor cromozomiale, se consider c acestea suntcel mai probabil rezultatul sensibilitii foarte mari la alkilare a ADN. Agenii alkilaniacioneaz numai n perioada S a ciclului mitotic, deoarece n celelalte perioade ADNcromozomial este protejat de alte substane.

Sub aciunea agenilor alkilani, ADN este denaturat, devenind monocatenar.Fenomenul de alkilare a ADN continu apoi prin separarea bazelor purinice alkilate delanul format de zaharuri i radicali fosforici. Ca urmare are loc ruperea lanului

polinucleotidic al ADN.

Antibiotice cu efect mutagen


17/38

Este un fapt bine cunoscut c mitomicina C, un antibiotic produs de ciupercaStreptomyces caespitotus, induce aberaii cromozomiale cu o frecvena apreciabil, att la

plante, ct i la animale. Acest antibiotic are un puternic efect inhibitor asupra sintezei deADN, fr a influena marcant sinteza ARN i a proteinelor. De asemenea, mitomicina Cinduce degradarea ADN i acioneaz ca un agent alkilant, afectnd preferenial regiuneaconstriciilor secundare.

Ali factori mutageni chimici

In aceast categorie de factori mutageni este inclus o multitudine de substanechimice al cror mecanism de aciune asupra acizilor nucleici este foarte variat i n maremsur necunoscut. Printre aceste substane se numr acidul nitros, hidroxilamina,hidrazina, clorura de mangan, peroxidul de hidrogen, unele metale grele, unii alcaloizi, uniicolorani (ex. acridin orange), etc.

Acidul nitros (HNO2) este unul dintre agenii mutageni al crui efect este cunoscut defoarte mult timp, dar al crui mod de aciune la nivelul acizilor nucleici a fost descoperit

abia n urm cu 3 decenii. Acidul nitros este capabil s induc modificri att nmacromolecula de ADN, ct i n cea de ARN, mecanismul su molecular de aciuneconstnd n dezaminarea unor baze azotate, ceea ce determin transformarea adeninei nhipoxantin, a citozinei n uracil i a guaninei n xantin.

Mecanismul Molecular al Mutaiilor

Printre cauzele care duc la apariia mutaiilor la nivel celular pot fi urmtoarele:

a) modificarea structurii macromoleculei de ADN;b) deleia sau adiia uneia sau mai multor nucleotide n macromolecula de ADN;c) substituia uneia sau mai multor nucleotide n macromolecula de ADN;d) inversia unei secvene de nucleotide din macromolecula de ADN.

Sub influena diverilor factori mutageni se produc erori n procesul de replicaie aacizilor nucleici, care duc la apariia de mutaii. Inlocuirea unei baze purinice nmacromolecula de ADN sau ARN cu o alt baz purinic (A G), sau a unei baze

pirimidinice cu o alt baz pirimidinic (T C) este denumit tranziie, n timp ceschimbarea unei baze purinice cu o baz pirimidinic sau invers (A T; A C; G T;G C) este denumit transversie.

O cauz a unor astfel de erori o constituie existena unor baze azotate sub formtautomeric rar, aprute de exemplu prin schimbarea poziiei unui atom de hidrogen. Inmod normal, adenina se mperecheaz n lanul polinucleotidic cu timina, ns formatautomeric a adeninei se poate mperechea cu citozina, adic A-T devine A-C. inndseama c citozina are afinitate chimic pentru guanin, la replicaia urmtoare amacromoleculei de ADN, legtura A-C se transform n G-C. Aceasta nseamn n fapt c

perechea de baze azotate A-T este nlocuit de perechea de baze G-C, fiind astfel modificatinformaia genetic prin mutaie.

Erorile de includere a unor nucleotide n macromolecula de ADN i erorile dereplicaie a ADN constituie, la nivel molecular, mecanismele de baz care realizeaz

modificarea informaiei genetice i respectiv apariia procesului mutaional.Cercetrile privind mecanismul molecular al procesului de mutagenez au artat

aadar c factorii mutageni acioneaz, de obicei, la nivelul acizilor nucleici, determinndconsecine genetice importante. Modul de aciune al agenilor mutageni este foarte variat,


18/38

acetia provocnd diferite modificri, cum sunt nlocuirea unor nucleotide, adiia sau deleiade nucleotide, rupturi sau chiar depolimerizri ale macromoleculei de ADN, etc. O partedintre aceste modificri se stabilizeaz n procesul replicaiei acizilor nucleici, fapt cedetermin modificri structurale n macromoleculele de ADN i ARN. Ca urmare, aparmodificri ale informaiei genetice i respectiv ale procesului de biosintez a proteinelor.

Mutaiile la nivelul macromoleculelor de ADN nu sunt ntotdeauna reflectate n

schimbri ale secvenei aminoacizilor, din cauza codului genetic degenerat. De exemplu,codonii UAU i UAC codific acelai aminoacid, i anume tirozina. Ca urmare, schimbareanucleotidei ce conine uracil (U) cu o nucleotid ce conine citozin (C) n poziia a treia acodonului nu are ca efect substituirea (nlocuirea) aminoacidului respectiv.

Dintre cei 64 de codoni, un numr de 3 (UAA, UAG, UGA) servesc pentru marcareaterminrii secvenei de aminoacizi a unei catene polipeptidice. O mutaie a acestor 3 codoninu are efecte asupra secvenei de aminoacizi i ca urmare o astfel de mutaie a fost denumitmutaie nonsens. Dac ns are loc o mutaie care determin transformarea ntr-un codonterminal a unuia dintre ceilali 61 de codoni, aceasta poate avea ca efect ncheierea

prematur a secvenei de aminoacizi i deci formarea unei catene polipeptidice mai scurte.

Mutaiile care afecteaz unul dintre cei 61 de codoni i determin de obiceinlocuirea unui aminoacid cu altul, se numesc mutaii cu sens greit. Datorit fenomenuluicolinearitii, mutaia unui codon dintr-o anumit poziie din secvena de nucleotide are carezultat nlocuirea unui aminoacid cu altul n poziia corespunztoare din catena

polipeptidic.Mutaiile care afecteaz codonii, dar care nu duc la nlocuirea unui aminoacid cu

altul, se mai numescmutaii sinonime sau mutaii neutre.

Amplificarea genic

Este un fapt demonstrat c sub aciunea unor factori de stres se poate producereplicarea independent a anumitor secvene de ADN, denumit amplificare genic.Aceasta se poate realiza pe ci variate, cum sunt poliploidizarea (inclusiv endopoliploidia i

politenia), eliminarea ADN sau a unor cromozomi, diferenierea replicrii ADN prinamplificare i subreplicare, restructurarea unor segmente de ADN (n special prin aciuneatranspozonilor), restructurarea unor cromozomi, etc. Unitile de amplificare genic, adicorice secven de nucleotide implicat n amplificarea genic i care devine amplificat(ADN repetitiv), au primit denumirea de ampliconi.

Se consider c fenomenul de amplificare genic are un rol important n procesul

diferenierii celulare, n primul rnd prin afectarea reglajului genetic al funcionrii genelor.Recent s-a demonstrat c stresul este n egal msur un fenomen perturbator alreplicaiei ADN i un factor declanator al amplificrii genice. Este relevant n acest sensconstatarea c prezena unor toxine n culturile de celule determin (ca rezultat al unui

proces de selecie) amplificarea unor secvene de ADN. Producerea amplificrii genice ncondiii de stress este probabil i explicaia pentru apariia rezistenei la diveri ageni(de exemplu, methotrexatul) n culturile de celule animale i umane.

Existena fenomenului de amplificare genic constituie o dovad concludent aplasticitii permanente a genomului. Cunoaterea mecanismelor amplificrii genice poatecontribui ntr-o msur important la apariia unor strategii noi de ameliorare prinmanipularea in vitro a genomului, de exemplu pentru inducerea rezistenei la factorii

abiotici de stress.


19/38

ELEMENTE GENETICE TRANSPOZABILE

In genomul multor specii vegetale i animale sunt prezente copii multiple ale unor secvenede ADN care au capacitatea de a-i schimba poziia dintr-un locus n altul. Intruct acestesecvene de ADN pot fi integrate n noul locus n cadrul genomului prin alte mecanismedect omologia secvenelor de nucleotide, se consider c ele pot determina recombinareagenetic nelegitim, pot cauza mutaii, modificri n reglajul genetic al unor gene, activareasau inactivarea unor gene i a celor adiacente locusului de integrare, restructurricromozomiale (deleii, duplicaii, inversii, translocaii). Ca urmare a mobilitii lor,transpozonii sunt considerai responsabili pentru o parte considerabil a evenimentelor

mutaionale i capabili s regleze simultan activitatea unor gene independente, acionnd nmomente diferite ale dezvoltrii.La baza descoperirii de ctre Barbara McClintock (1940) a elementelor genetice

mobile sau transpozabile a stat fenomenul de instabilitate somatic observat la porumb,caracterizat prin apariia de mozaicuri de culoare pe frunze, tulpini, inflorescene iendospermul boabelor. Pentru explicarea fenomenului mai sus menionat, McClintock aemis ipoteza existenei anumitor elemente de control care au capacitatea de a circula dintr-oregiune n alta a genomului i se pot insera n diferite locusuri determinnd mutaii alegenelor i chiar restructurri ale cromozomilor. Aceste elemente au fost iniial considerategene sritoare ( jumping genes) i ulterior au primit denumirea de elemente genetice

transpozabile sau transpozoni.Elementele genetice transpozabile sunt secvene ale macromoleculei de ADN avndcapacitatea de a se deplasa n genom dintr-o poziie (locus) n alta, independent de gradul deomologie a acestora. Existena transpozonilor a fost demonstrat att la eucariote ct i la

procariote, dimensiunea lor fiind ns extrem de variabil (ntre 750 i 40.000 pb).Pn n prezent au fost bine descrise patru categorii de transpozoni:

1) elemente de control, din care au fost deja descoperite 8 familii;2) elemente de tip retroviral;3) Mu (abreviere pentru mutator);

4) inserii biologic necaracterizate, cu structur similar transpozonilor.Elementele de control pot fi la rndul lor grupate n dou clase: prima include

elementele autonome, care conin toat informaia necesar pentru propria lor transpoziie,dar a cror activitate (n ciuda autonomiei) poate fi afectat att de fondul genotipic ct i defactorii de mediu; a doua clas conine elementele neautonome, care pot fi mobilizate doarn prezena (oriunde n genom) unui element activ nrudit. Astfel, fragmentul inactiv,mobilizat, i activatorul formeaz un sistem dublu-element. Cel mai bine cunoscut sistem deacest fel este Ac-Ds. Majoritatea elementelorDs sunt considerate a fi elemente Acdegenerate, n sensul c sunt nrudite cu elementele active Ac, dar au suferit mutaii i/sau

deleii care le-au inactivat funcia de transpoziie. Totui, multe elemente Ds sunt omologecu elementele active Ac doar n secvenele terminale repetate, care sunt inte necesare nprocesul de transpoziie. Astfel, un membru neautonom al unei familii dublu-element poatefi construit din segmente terminale adecvate care definesc capetele fragmentelor de


20/38

mobilizat, separate de orice secven.Limita superioar de mrime a segmentelor ADN care pot fi mobilizate de

transpozoni nu a fost nc determinat, dar se apreciaz c mrimea acestora poate fi deordinul sutelor de kb. Secvena de baze pentru integrare pare s fie n mod esenialrandomizat, dar relaia dintre situsul de origine al elementului i situsul n care setranspozeaz nu este n mod necesar randomizat. Astfel, Ac se deplaseaz mult maifrecvent n poziii apropiate celei de origine, dect n poziii ndeprtate i rareori setranspozeaz ntre cromozomi. Ac este n mod obinuit prezent n genom ntr-un numrredus de copii, aa nct este relativ simplu de urmrit transpoziia, att n termeni geneticict i moleculari. In fapt, frecvena de transpoziie este cu att mai redus cu ct numrul decopii ale Ac este mai ridicat. In mod contrastant, Mu pare s se deplaseze randomizat ninteriorul genomului, fr a fi limitat la transpoziii scurte. Fagul Mu este capabil s seinsereze n diverse locusuri n cromozomul bacterian, provocnd o gam larg de mutaiidiferite. Ulterior s-a descoperit c acesta este de fapt un transpozon, care poate s existe isub forma unui virus temperat. Capacitatea de replicare a fagului Mu este asociat cu cea detranspoziie, ceea ce poate determina o serie remarcabil de rearanjamente cromozomiale,cum sunt fuziunea ntre dou molecule separate i autoreplicabile independent (repliconi),deleia unor secvene de nucleotide, inversia unor astfel de secvene, etc.

Se afirm c transpoziia poate avea sau nu efecte detectabile, ns inseria unuielement genetic transpozabil ntr-o secven de codificare determin cu mare probabilitateinactivarea genei respective. Totodat, s-a sugerat c excizia imprecis a transpozonilor

poate genera rearanjamente (deleii, inversii) ale secvenelor cromozomale adiacente.Transpozonii difer n mrime i omologia de ansamblu, dar au ca trstur comun

aceeai secven de flancare, format din 11 pb invers repetate (Figura 6.2 ). Dou dintretipurile cele mai frecvente de transpozoni sunt cele notateAc iDs. Se pare c tipulDs, carecuprinde subtipurile a, b i c cu mrimi cuprinse ntre 0.4 i 4 kb, provine prin deleii ale

tipuluiAc cu o mrime de 4.5 kb (Figura 6.2).

Ac

TAGGGATGAAA TTTCATCCCTGATCCCTACTTT AAAGTAGGGAC

Regiune deletatla Ds a

Ds a

TAGGGATGAAA TTTCATCCCTGATCCCTACTTT Regiune deletat la Dsb AAAGTAGGGAC

Ds b


Ds c


Transpozaza Gena 2


21/38

Figura 6.2 Structura molecular a unor elemente genetice mobile de laZea mays(tipurile Ds-a, Ds-b, Ds-c au aprut prin deleii ale transpozonului Ac)

Cei mai simpli transpozoni sunt cei descoperii la bacterii i cunoscui acum subdenumirea de secvene de inserie sau elemente IS. Similar elementelor transpozabile de laeucariote, aceti transpozoni mici posed secvenele invers repetate la capetele lor icodific propria transpozaz (proteina enzim necesar pentru producerea exciziei i

realizarea transpoziiei); transpozonii bacterieni codific de asemenea una sau mai multeproteine implicate n reglarea ratei transpoziiei. Structura molecular a unei secvene deinserie este prezentat n Figura 6.3.

Transpozonii compleci au dimensiuni mai mari, deoarece pe lng genele necesaretranspoziiei conin i una sau mai multe gene mobile transpozabile, cum ar fi gene pentrurezistena la antibiotice, toxine, etc. Ca structur, un transpozon complex include unsegment de ADN mai mare, avnd la extremiti cte un transpozon simplu (IS), iar n

partea central gena sau genele ce sunt transpozate (Figura 6.4).

IS1

24pb 24pb

720pb

Tn 1681

IS1 IS1

Figura 6.3Structura molecular a unui transpozon simplu (sus) i a unui transpozon complex (jos).

Transpozonii sunt n mod obinuit desemnai prin abrevierea Tn urmat de un numr(de exemplu Tn5). Cnd trebuie s se fac referire la genele purtate de un astfel de element,se folosete i abrevierea pentru acestea. De exemplu Tn5(neo-rble-rstr-r) conine genele

pentru rezistena la trei antibiotice diferite: neomicin (kanamicin), bleomicin istreptomicin (Figura 6.4). Aceste gene reprezint markeri, care fac uoar detectareatranspoziiei unui element complex.

IS50L IS50R

Neo r Ble r Str r

Figura 6.4Structura molecular a transpozonului Tn5 (dup Hartl i Jones., 1998).

Gena transpozazei IR IR

Gena transpozata IR IR IR IR


22/38

LaEscherichia coli sunt cunoscui mai muli transpozoni compleci, cum sunt Tn3,Tn5, Tn10, etc. De exemplu, transpozonul Tn3 este constituit dintr-un segment de ADN de4.957 pb, care are n partea central gena pentru rezistena la ampicilin, iar transpozonulTn10 are o mrime de 9.300 pb i posed gena pentru rezistena la tetraciclin. Exist i

transpozoni compleci mai mari, cum este transpozonul Tn2571, care are o mrime de23.000 pb i posed concomitent mai multe gene de rezisten (la streptomicin,cloramfenicol, sulfonamide, etc.).

Dei existena lor nu a fost dovedit pn n prezent dect la un numr restrns despecii, se apreciaz c elementele genetice transpozabile sunt ubiquitare n natur i cacioneaz ca reglatori ai activitii genelor. Un singur element transpozabil este capabil sregleze simultan activitatea unor gene independente, acionnd n momente diferite aledezvoltrii. Prin inserie, elementele transpozabile cauzeaz duplicarea a 6-8 pb care par srmn ca o amprent genetic dup excizia acestora. In virtutea mobilitii lor,elementele transpozabile pot inactiva gene structurale, altera reglarea genic, reactiva

(posibil) gene silenioase i genera duplicaii i rearanjamente cromozomale. Dei mutaiileinduse de multe elemente transpozabile sunt n fapt instabile genetic, n egal msur ele pot

produce mutante stabile. Prin urmare, elementele genetice transpozabile sunt recunoscute nprezent ca o for major n modelarea structurii genomului i totodat sunt considerate cafiind responsabile pentru o parte considerabil a evenimentelor mutaionale.

Tipuri de Transpoziie

De regul, transpozonii pot migra i se pot insera n orice locus din genom, dei uneoriprefer s se insereze n anumite secvene de nucleotide. S-a demonstrat existena a trei

moduri distincte de realizare a transpoziiei elementelor transpozabile: 1) transpoziiesimpl; 2) transpoziie replicativ; 3) retrotranspoziie.

Prin transpoziia simpl are loc migrarea unui element genetic transpozabil ntr-unalt locus din genom, determinnd astfel apariia unui gol (gap) n vechiul loc de inserie.Inseria sa n noul locus are ca rezultat inducerea unor restructurri cromozomiale,inactivarea unei gene sau a genelor adiacente, mutaii, etc.

Transpoziia replicativ se realizeaz prin replicarea transpozonului, urmat demigrarea copiei sale ntr-un alt locus. Spre deosebire de transpoziia simpl, acest tip detranspoziie nseamn o mrire a numrului de copii ale transpozonului respectiv per genom.

Retrotranspoziia se realizeaz prin transcripia transpozonului n ADN, urmat demigraia n noul locus, unde cu ajutorul enzimei revers-transcriptaza se produce transcripiainvers n ADN. Sub aceast form, retrotranspozonii sunt inserai n noul locus printr-un

proces de recombinare. Un exemplu de retrotranspozon este Ty de la Saccharomycescerevisiae, care se pare c este nrudit cu retrovirusurile care au genom ARN, cum estecazul virusului imunodeficienei umane (HIV).

De regul, mobilitatea transpozonilor este determinat de condiii de stres (deexemplu iradierea cu radiaii ionizante sau neionizante, ocuri de temperatur, aciunea unorageni chimici mutageni, etc.), iar inserarea lor n genom se realizeaz probabilistic.

Intruct elementele genetice transpozabile pot fi integrate n noul locus n cadrulgenomului prin alte mecanisme dect omologia secvenelor de nucleotide, ele pot determinarecombinarea genetic nelegitim, pot cauza mutaii, modificri n reglajul genetic al unorgene, activarea sau inactivarea unor gene i a celor adiacente locusului de integrare,restructurri cromozomiale (deleii, duplicaii, inversii, translocaii).


23/38

GENETICA POPULAIILOR

Genetica populaiilor se ocup cu studiul distribuiei i schimbrii (modificrii)frecvenei alelelor sub influena celor patru fore implicate n procesul evoluiei: selecianatural, driftul genetic, mutaia ifluxul de gene. Genetica populaiilor ia de asemenea nconsiderare subdivizarea populaiei i structura populaiei n spaiu. In primul rnd, se

ncearc explicarea unor fenomene cum sunt adaptarea ispeciaia.Genetica populaiilor a devenit o component esenial a teoriei moderne a evoluiei,

fondatorii ei fiind Sewall Wright, J.B.S. Haldane i R.A. Fisher, care au pus de asemenea ibazele unei discipline nrudite genetica cantitativ.

Scopul teoretic al geneticii populaiilor este cel definit de Lewontin n anul 1974. Eli-a imaginat dou spaii: un spaiu genotipic i un spaiu fenotipic. Misiunea unei teoriicomplete a geneticii populaiilor este aceea de a pune la dispoziie un set de legi care ofer

posibilitatea elaborrii unei hri predictibile a genotipurilor unei populaii (G1)corespunztoare unui spaiu fenotipic (P1), n care are loc selecia, i a unui alt set de legi ce

permite cartarea populaiei care rezult (P2) n funcie de spaiul genotipic (G2), n care

genetica Mendelian poate prezice genotipurile urmtoarei generaii, completnd astfelciclul. Exprimarea ntr-o formul matematic a acestui ciclu este urmtoarea (dupLewontin, 1974):

unde T1 reprezint legile genetice i epigenetice, aspectele biologiei funcionale sau aledezvoltrii, care transform un genotip ntr-un fenotip. In continuare ne vom referi laaceasta sub formularea harta genotip - fenotip. T2 este transformarea datorat selecieinaturale, T3 sunt relaiile epigenetice care prezic genotipurile pe baza fenotipurilor selectatei, n sfrit, T4 legile geneticii Mendeliene.

Frecvena aleleloreste o msur a frecvenei relative a unei alele la un locus ntr-opopulaie. In mod obinuit este exprimat ca o proporie sau ca un procentaj. In geneticapopulaiilor, frecvenele alelelor arat diversitatea genetic a populaiei unei specii sau,echivalent, bogia ansamblului de gene. Frecvena alelelor este definit dup cum urmeaz:

Date fiind urmtoarele:

1. un locus particular pe cromozom i o gen ocupnd acel locus2. o populaie de indivizi purttori ai n loci n fiecare dintre celulele lor somatice (de

exemplu doi loci n celulele unei specii diploide, care conin dou seturi decromozomi)

3. o variant sau alel a unei gene,

atunci frecvena alelelor este fracia sau procentajul de loci pe care le ocup alelele n cadrulpopulaiei.

Genetica populaiilor studiaz diferitele fore ce pot s conduc la modificri aledistribuiei frecvenelor alelelor, cu alte cuvinte, la evoluie. Pe lng selecie, aceste foresunt reprezentate de driftul genetic, mutaie i fluxul de gene (sau migraie).

Efectul mutaiei

S considerm rata de mutaie a alelei A la o alel a (probabilitatea ca o copie agenei A s devin a n cursul replicrii ADN ce precede meioza). Dac pt este frecvena


24/38

aleleiA n generaia t, dac qt = 1 pt este frecvena alelei a n generaia t, i dac nu existalte cauze ale modificrii frecvenei genei (de exemplu, nu acioneaz selecia natural),atunci schimbarea n frecvena alelei ntr-o generaie este:

unde pt 1 este frecvena la generaia anterioar. Aceasta ne spune c frecvena lui Adescrete (i frecvena lui a crete) cu o msur ce este proporional cu rata de mutaie icu proporiap a tuturor genelor care sunt nc disponibile pentru mutaii. Astfel, p devinemai mic pe msur ce frecvena lui p nsi descrete, deoarece sunt din ce n ce mai puinealele A care pot fi transformate prin mutaie n alele a. Putem s aproximm c dup ngeneraii de mutaie,

Selecia natural este procesul prin care organismele individuale cu caracterefavorabile au o probabilitate mai ridicat de a supravieui i reproduce dect cele cucaractere nefavorabile. Selecia natural acioneaz asupra individului ca ntreg, dar numaicomponenta ereditar va fi trecut la descendeni, rezultatul fiind acela c caracterelefavorabile, ereditare, vor deveni mai comune n generaia urmtoare. Dup o perioad lungde timp, acest proces pasiv d natere la adaptri i duce la speciaie.

Un exemplu binecunoscut de selecie natural n aciune este acela al dezvoltriirezistenei la antibiotice de ctre microorganisme. Antibioticele au fost folosite pentru alupta mpotriva bolilor bacteriene nc de la descoperirea penicilinei, n anul 1928, de ctreAlexander Fleming. Totui, folosirea larg i mai ales greit a antibioticelor a condus lacreterea rezistenei bacteriilor fa de antibiotice, pn la situaia n care Staphylococcus

aureus rezistent la meticilin a fost descris ca un superduntor din cauza pericoluluipentru sntate i a relativei sale invulnerabiliti fa de medicamentele existente.Populaiile bacteriene naturale conin, printre indivizii al cror numr este

incalculabil, o variaie considerabil la nivelul materialului lor genetic, n primul rnddatorit mutaiilor. Atunci cnd sunt expuse la antibiotice, majoritatea bacteriilor mor rapid,dar unele pot s posede mutaii care le fac mai puin susceptibile. Dac expunerea laantibiotic este scurt, aceti indivizi vor supravieui tratamentului. Aceast eliminare aindivizilor neadaptai sau slab adaptai dintr-o populaie este un exemplu concludent deselecie natural n aciune. Bacteriile care supravieuiesc se vor reproduce n continuare

producnd urmtoarea generaie. Datorit eliminrii indivizilor neadaptai din generaia

trecut, aceast populaie conine mai mult bacterii care au o anumit rezisten fa deantibiotic. In acelai timp, se produc mutaii noi, adugnd variaie genetic n plus la ceaexistent. Mutaiile spontane sunt foarte rare, foarte puine au vreun efect i de regul oriceefect (dac exist) este negativ (nefavorabil). Totui, populaiile de bacterii sunt enorme ise ntmpl ca un numr mic de celule bacteriene s dobndeasc mutaii benefice. Dac omutaie nou reduce susceptibilitatea unor bacterii la un antibiotic, ele vor avea o

probabilitate mult mai mare de supravieuire cnd vor fi confruntate cu un antibiotic. Dupo perioad de timp suficient de lung i expuneri repetate la antibiotic, va apare o populaiede bacterii rezistente la respectivul antibiotic. Recent au aprut cteva tulpini noi deStaphylococcus aureus care sunt rezistente la vancomicin i teicoplanin. Ecesta este unexemplu de ceea ce se numete cursa narmrii, n care bacteria continu s formezetulpini care sunt mai puin susceptibile la antibiotic, n timp ce cercetarea medical continus dezvolte noi antibiotice care le pot omor. O situaie similar este aceea a rezistenei pecare o dezvolt insectele la pesticidele folosite pentru protecia plantelor de cultur.


25/38

Selecia natural acioneaz asupra fenotipului. Fenotipul este rezultatul de ansamblual constituiei genetice a unui individ (genotip), mediului, i a interaciunilor dintre gene idintre gene i mediu. Adesea, selecia natural acioneaz asupra caracterelor specifice aleunui individ. Unele caractere sunt determinate de o singur gen, dar majoritatea suntdeterminate i influenate n exprimare de mai multe gene diferite. Variaia are n cazulmajoritii acestor gene efecte slabe asupra fenotipului.

Elementul cheie n nelegerea seleciei naturale este conceptul de adecvare lacondiiile de via (mediu). Selecia natural acioneaz asupra indivizilor, dar efectul sumediu asupra tuturor indivizilor cu un genotip particular este adecvarea acelui genotip.Adecvarea este msurat ca proporia descendenei care supravieuiete, multiplicat cumedia fecunditii, i este echivalentul pentru succesul reproductiv al genotipului. O valoarea adecvrii mai nalt de 1 indic c frecvena acelui genotip crete n populaie, n timp ceo valoare mai mic de 1 indic c aceasta scade. Adecvarea relativ a genotipului esteestimat ca proporia adecvrii unui genotip de referin. Coeficientul de selecie este omsur a adecvrii relative, reprezentnd diferena dintre adecvarea relativ a dougenotipuri. Cu ct coeficientul de selecie este mai mare, cu att selecia natural va aciona

mai puternic mpotriva genotipului cu cea mai sczut adecvare.Selecia natural se produce n fiecare stadiu de via al unui individ (Figura *) i eapoate afecta n oricare dintre aceste stadii posibilitatea ca un individ s supravieuiasc i sse reproduc. Dup natere, un individ trebuie s supravieuiasc pn la vrsta adultnainte de a se putea reproduce, i selecia celor care ating acest stadiu este denumit

selecia pentru viabilitate. La multe specii, adulii trebuie s concureze unii cu alii pentrumperechere ( selecia sexual), i succesul n aceast competiie asigur participarea laformarea urmtoarei generaii. Cnd speciile se reproduc mai mult de o dat, o supravieuiremai lung n etapa de reproducere are ca rezultat creterea numrului de descendeni( selecia pentru supravieuire). Fecunditatea femelelor (de exemplu, cte ou depune o

pasre) i a masculilor (de exemplu, sperma gigantic la anumite specii de Drosophila)poate fi limitat (selecia pentru fecunditate). Viabilitatea gameilor produi poate s difere,n timp ce conflictul intragenomic dintre gameii haploizi poate avea ca rezultat seleciagametic sau selecia genic. In sfrit, unele combinaii ale gameilor pot fi maicompatibile dect altele (selecia dup compatibilitate).

Selecia are ca inte caractere specifice ale individului, i dac un astfel caracter are ocomponent ereditar se constat tendina ca el s devin mai comun n urmtoareageneraie. Formele sub care se poate manifesta selecia pentru caracterele specifice pot ficonsiderate ca selecia pentru i selecia de. Selecia pentru se refer la caracterele intale seleciei, respectiv la cauzele seleciei, pe cnd selecia de se refer la efectele sale.Selecia pentru un caracter specific determin prin urmare selecia anumitor indivizi.Selecia pentru un caracter specific poate s aib de asemenea ca rezultat selecia indirect aaltor caractere. Aceasta se poate ntmpla cnd dou sau mai multe caractere sunt legategenetic prin mecanisme cum sunt pleiotropia (o singur gen afecteaz caractere multiple)i dezechilibrul de linkage (asocierea nerandomizat a dou gene).

Teoria genetic a seleciei naturale

Selecia natural este un concept simplu, n care diferenele de adecvare dintrefenotipuri joac un rol crucial. Totui, puterea explicatorie a seleciei naturale vine dininterpretarea mecanismului seleciei pe baza suportului su genetic.

Direcionarea seleciei


26/38

Cnd o component a unui caracter este ereditar, selecia va altera frecvenelediferitelor alele (variante ale genei) implicate. Selecia poate fi divizat n trei clase, pe bazaefectului asupra frecvenei alelelor.

Selecia pozitiv sau direcional apare cnd o anumit alel are o adecvare maimare dect celelalte, determinnd o cretere a frecvenei acelei alele pn la adecvareatotal la mediu, ceea ce face ca ntreaga populaie s exprime fenotipul adecvat.

Mult mai comun este selecia stabilizatoare saupurificatoare, care scade frecvenaalelelor care au efecte nefavorabile asupra fenotipului (ceea ce ar nsemna o mai slabadecvare), pn la eliminarea lor din populaie. Selecia purificatoare determin conservarea

peste timp a trsturilor genetice funcionale (de exemplu, secvene de codificare a proteinelor sau secvene reglatoare) datorit presiunii asupra variantelor duntoare(negative).

In sfrit, exist un numr de forme de selecie de echilibrare, care nu determinadecvarea total dar permit meninerea unei alele la frecvene intermediare ntr-o populaie.Aceasta poate s apar la speciile diploide cnd indivizii cu o combinaie de dou alelediferite ntr-un locus de pe cromozom (heterozigoi) au o adecvare mai ridicat dect

indivizii care au dou alele identice (homozigoi). Aceasta se numete avantajulheterozigoiei asupra supradominanei. Meninerea variaiei alelice poate s apar deasemenea prin selecia disruptivsau diversificatoare, care favorizeaz genotipurile care seabat (deprteaz) de la medie n orice direcie, i poate determina o distribuie bimodal avalorilor caracterului. In sfrit, poate s apar prin selecia dependent de frecven, ncazul creia adecvarea unui fenotip particular depinde de distribuia n populaie a celorlaltefenotipuri.

Selecia i variaia genetic

O parte din ntreaga variaie genetic este neutr din punct de vedere funcional; deexemplu, ea nu produce efecte fenotipice sau diferene semnificative n adecvare. Anteriorse considera c partea cea mai mare a variaiei genetice este coninut n ADNnecodificator, dar studii recente au artat c pri largi ale secvenelor care l alctuiesc suntnalt conservate i aflate sub aciunea puternic a seleciei purificatoare; de exemplu ele nuvariaz prea mult de la un individ la altul, indicnd c mutaiile n aceste regiuni auconsecine negative. Cnd variaia genetic nu determin diferene de adecvare, selecia nu

poate afecta direct frecvena acesteia.Inlnuirea genelor condiioneaz ntr-o msur important rezultatul seleciei, n

special cnd sunt implicate gene plasate foarte aproape pe cromozom. n cursul formriigameilor, recombinarea materialului genetic determin regruparea alelelor. Totui, ansa ca

o astfel de regrupare s aib loc ntre dou alele depinde de distana dintre acele alele; cu ctsunt mai aproape una de alta, cu att este mai puin probabil ca s se produc regruparea.In consecin, cnd selecia intete o alel, aceasta va determina automat i seleciaceleilalte alele; prin acest mecanism, selecia poate avea o puternic influen asupramodelelor de variaie n genom.

Echilibrul mutaie selecie

Selecia natural determin reducerea variaiei genetice prin eliminarea indivizilorneadaptai i, prin aceasta, a mutaiilor care cauzeaz inadaptarea. Totodat, se produc

mutaii noi, determinnd un echilibru ntre mutaii i selecie. Rezultatul exact al celor douprocese depinde att de rata cu care se produc mutaii noi ct i de tria seleciei naturale. Inconsecin, modificri ale ratei mutaiilor sau presiunii de selecie vor determina schimbareaechilibrului mutaii - selecie.


27/38

Deriva genetic (driftul genetic)

Deriva genetic este termenul folosit n genetica populaiilor pentru a face referire laderiva statistic n timp a frecvenei alelelor ntr-o populaie finit datorit efectelor deselecie ntmpltoare n formarea generaiilor succesive. Intr-un sens mai ngust, deriva

genetic se refer la dinamica ateptat a alelelor neutre n populaie (acelea care nu au niciefect pozitiv, nici efect negativ asupra adecvrii) care pot ajunge la o frecven de 100% nabsena mecanismelor ce afecteaz distribuia lor. In timp ce selecia natural descrietendina alelelor benefice de a deveni mai comune cu trecerea timpului (i a celordetrimentale de a deveni mai puin comune), deriva genetic se refer la tendinafundamental a oricrei alele de a varia ntmpltor ca frecven n timp. Deriva genetic

poate fi modelat ca un proces stochastic care ia natere ca urmare a seleciei ntmpltoaren producerea descendenilor. Genele fiecrei noi generaii nu sunt simple copii ale genelorindivizilor din generaia anterioar care au avut succes n reproducere, ci mai degrab oselecie, care include unele erori statistice. Deriva este efectul cumulativ n timp al acestei

erori de selecie asupra frecvenei alelelor n populaie.Prin definiie, deriva genetic nu are o direcie preferat. O alel neutr poate screasc sau s scad ca frecven n orice generaie dat cu aceeai probabilitate(probabilitate egal). Totui, dac timpul este suficient de lung, alela (aa cum preziceanaliza matematic a derivei genetice) fie va disprea, fie va deveni 100% prezent n

populaie, dup care nu mai exist variaie a frecvenei genei respective. Din acest punct devedere, deriva genetic tinde s elimine n timp din populaie variantele genei, astfel ncttoi indivizii speciei vor deveni eventual homozigoi pentru aceast gen. Deriva geneticeste aadar opus fenomenului mutaional, prin care, n populaie, sunt introduse noivariante (mutaii ntmpltoare). Ca i selecia, deriva genetic acioneaz asupra

populaiilor, alternd frecvena alelelor i predominana caracterelor. Deriva este observatcel mai puternic n populaiile mici i determin modificri care nu trebuie s fie n modnecesar adaptative.

Frecvena alelelor

Cnd alelele unei gene nu difer n ceea ce privete adecvarea, numrul de purttoridintr-o generaie este n medie proporional cu numrul de purttori din generaia anterioar.Dar media nu este niciodat concordant, deoarece fiecare generaie reprezint ascendena

pentru urmtoarea o singur dat. De aceea, frecvena unei alele difer adesea ladescenden de frecvena sa la generaia parental. In generaia descendenilor, alela ar

putea prin urmare s aib o frecven p, uor diferit de p. In aceast situaie, se spune cfrecvenele alelelor au suferit o deriv (drift). Trebuie menionat faptul c n generaiileurmtoare frecvena alelei nu va fi determinat de noua frecven p, ceea ce nseamn cdriftul este un proces fr memorie. Tria efectului de deriv genetic este guvernat demrimea populaiei efective. Cnd mrimea populaiei efective este mic, driftul genetic vafi mai puternic. Alele n deriv au de obicei o durat de via finit. Deriva se ncheie atuncicnd alelele fie ating o frecven zero i dispar din populaie, fie ating frecvena de 100% idevin alele unice n populaie. Ulterior unui astfel de eveniment, frecvena alelelor se poateschimba doar prin introducerea sau apariia unei noi alele, rezultat dintr-o nou mutaie.

Durata de via a unei alele este guvernat de mrimea efectiv a populaiei. Intr-o

populaie foarte mic, vor fi necesare doar cteva generaii pn la stabilizarea deriveigenetice. Intr-o populaie mare, stabilizarea va avea loc dup mult mai multe generaii. Inmedie, o alel va fi fixat n 4Ne generaii, undeNe este mrimea efectiv a populaiei.


28/38

Conform principiului Hardy-Weinberg, care susine c frecvenele genelor ntr-opopulaie de gene nu se schimb peste timp, o populaie trebuie s fie suficient de largpentru a preveni ca deriva genetic s schimbe frecvenele alelelor n timp. Aa se explicde ce legea este instabil ntr-o populaie mic.

Driftul genetic i selecia natural acioneaz rar separat, ambele fore fiind activentr-o populaie. Totui, gradul n care alelele sunt afectate de deriva genetic i selecie

variaz dependent de mprejurare. Intr-o populaie mare, n care deriva genetic apare foartencet, chiar i o selecie slab asupra unei alele va mpinge frecvena sa n sus sau n jos(dependent de faptul dac alela este favorabil sau duntoare). Totui, dac populaia estefoarte mic, deriva genetic va predomina. In acest caz, efectele selective mici pot s nu fievizibile n nici o msur, ntruct micile schimbri ale frecvenei care s-ar produce ar fimascate de deriva genetic.

Calcularea frecvenei alelelor pornind de la frecvena genotipurilor

Dacf(AA),f(Aa), if(aa) sunt frecvenele celor trei genotipuri la un locus cu dou

alele, atunci frecvenap a aleleiA i frecvena q a alelei a poate fi obinut prin numrareaalelelor. Deoarece fiecare homozigot AA const numai din alele A, i deoarece jumtatedintre alelele fiecrui heterozigotAa sunt aleleA, frecvena totalp a alelelorA n populaiese calculeaz ca:

frecvena luiA

In mod similar, frecvena q a alelei a este dat de:

frecvena lui a

Ar fi de ateptat ca suma lui p i q s fie 1, ntruct ele sunt frecvenele singurelor doualele prezente. Intr-adevr, suma lor este 1:

i din aceasta obinem:

q = 1 p i p = 1 q

Dac exist mai mult de dou forme alelice diferite, frecvena fiecrei alele estesimplu frecvena homozigoilor plus jumtate din suma frecvenelor tuturor heterozigoilorn care apar.

Este interesant de remarcat c frecvena alelei poate fi ntotdeauna calculat pornindde la frecvena genotipului. Reciproca, totui, cere ntrunirea condiiei mperecherii(polenizrii, n cazul plantelor) la ntmplare (randomizate), luat n calcul de legea Hardy Weinberg. Aceasta se datoreaz n parte frecvenelor celor trei genotipuri i frecvenelorcelor dou alele.

Exemplul urmtor este foarte relevant. Considerai o populaie de zece indivizi i un locusdat, cu dou alele posibile,A i a. Presupunei c genotipurile indivizilor sunt urmtoarele:

AA,Aa,AA, aa,Aa,AA,AA,Aa,Aa, iAA


29/38

Atunci, frecvenele aleleiA i respectiv alelei a sunt:

Deriva genetic n populaii

Deriva genetic (driftul genetic) poate avea efecte profunde i adesea bizare asupraistoriei evolutive a unei populaii. Aceste efecte pot avea efecte nefavorabile pentrusupravieuirea populaiei. Intr-o populaie care datorit unor factori adveri se reducenumeric, deriva genetic poate determina modificri brute i dramatice ale frecveneialelelor, care apar independent de selecie. In astfel de situaii, multe dintre adaptrile

benefice pot fi eliminate chiar dac ulterior populaia revine la mrimea sa obinuit.In mod similar, populaiile migratoare se pot confrunta cu efectul de fondator, caz n

care civa indivizi cu o alel rar din generaia originar pot genera o populaie care arefrecvene ale alelelor ce par a fi n contradicie cu selecia natural. Efectele de fondatorsunt uneori considerate a fi responsabile de frecvenele ridicate ale unor boli.

Aadar, pentru orice populaie (de microorganisme, plante, animale) echilibrul estestarea n care frecvenele de apariie a variatelor mutaii sunt fixe peste timp (n decursulgeneraiilor). Dup un timp suficient, orice populaie cu rate constante ale mutaiilor artrebui s ating echilibrul. Cnd o populaie ajunge la echilibru, mutaiile nefavorabile

(negative, duntoare) vor intra n populaie i vor prsi populaia cu aceeai rat. Aceastanseamn c o mutaie care este doar uor duntoare se va rspndi la cea mai mare parte aindivizilor din populaie, n schimb o mutaie care este foarte duntoare se va rspndi la o

proporie foarte mic din populaie. Ambele tipuri de mutaii vor cauza un numr de deceseper generaie egal cu frecvena lor de apariie n populaie. Astfel, cnd populaia este nechilibru, ansa ca un ovul fertilizat s supravieuiasc este mai mic sau egal cu ansa pecare o are atunci cnd nu au aprut mutaii noi duntoare. De aceea, cnd populaia a ajunsla echilibru, dac exist o ans mic ca un descendent s nu prezinte defecte noi, atunciexist o ans ca el s supravieuiasc. In acest context este necesar s se neleag ce este omutaie duntoare. Trebuie considerat duntoare orice mutaie care afecteaz organismul

ntr-un mod pe care acesta nu este capabil s l compenseze. Intruct populaiile sunt ngeneral stabile peste perioade lungi de timp, aceasta nseamn c un organism cu o mutaieduntoare va avea n mod tipic mai puin de un descendent care supravieuiete. Este deasemenea important s se neleag c numai genele eseniale vor persista ntr-o populaie cagene funcionale pentru perioade lungi de timp. Genele neeseniale vor suferi mutaii care levor distruge funcia, i deoarece organismul este ca

Genetica Ecologica

Documents

Transcript of Genetica Ecologica