Complementarea : determinarea faptului că o mutaţie apare la un locus sau la doi loci diferiţi

1. Imagination is more important than knowledge. Knowledge is limited. Imagination encircles the world.

2. Complementarea: determinarea faptului că o mutaţie apare la un locus sau la doi loci diferiţi • La Drosophila melanogaster white este o mutaţie x-linkată care produce ochi de culoare albă. • Apricot este tot o mutaţie x-linkată care duce la apariţia ochilor de culoarea caisei (portocaliu deschis). • Mutaţiile white şi apricot au apărut în acelaşi locus sau în loci diferiţi? • Putem utiliza testul de complementare pentru a răspunde la această întrebare.

3. Testul este uşor de aplicat. Se încrucişează două forme mutante şi se analizează F1. • Dacă în F1 apare fenotipul sălbatic putem concluziona că mutaţiile au loc în gene alele diferite care îmreună contribuie la realizarea fenotipului. • Explicaţie: dacă două gene nealele sunt implicate fiecare genă va avea o mutaţie în una din alele în timp ce cealaltă va fi sălbatică (nemutantă). Deoarece în F1 se vor exprima ambele alele necesare formei sălbatice fenotipul va fi corespunzător formei sălbatice

4. Dacă în F1 nu apare fenotipul sălbatic ci unul mutant, putem concluziona că mutaţiile au loc în interiorul aceleiaşi gene. • Explicaţie: • dacă mutaţiile există în poziţii diferite ale aceleiaşi gene, în F1 fiecare cromozom omolog va prezenta câte o variantă a mutaţiei; • In lipsa produsului genei sălbatice va apărea un fenotip mutant.

7. Moştenirea caracterelor continue • Pâna acum am trecut în revistă carectere care manifestau doar câteva fenotipuri distincte. • În experimentele lui G.Mendel seminţele de mazăre erau: netede sau zbârcite, galbene sau verzi. • În sistemul ABO există 4 grupe de sânge distincte: A, B, AB, O • Astfel de caractere care determină doar câteva fenotipuri distincte au fost numite caractere discontinui.

9. Nu toate caracterele prezintă fenotipuri discontinue. • La om, greutatea corporală şi talia (înălţimea) sunt astfel de caractere deoarece nu întâlnim greutăţi sau înălţimi distincte ci un şir gradat de fenotipuri de la cele mai mici valori până la cele mai mari. • Astfel de caractere care prezintă o distribuţie continuă a fenotipurilor au fost denumite caractere continue • Deoarece aceste caractere prezintă multe fenotipuri şi trebuie descrise în termeni cantitativi au fost denumite şi caractere cantitative.

11. Caracterele continui apar, cel mai adesea, datorită faptului că gene din mai mulţi loci diferiţi interacţionează pentru a produce un anume fenotip. • Când un caracter este codificat de două alele de la un singur locus, există doar 3 genotipuri posibile. • Când sunt implicaţi doi loci cu două alele fiecare, vor fi 32=9 genotipuri posibile. • Când caracterul este determinat de 8 loci, fiecare cu două alele, sunt posibile 38 = 6561 genotipuri diferitepentru acel caracter. • Numărul de genotipuri posibile pentru un caracter este egal cu 3n unde n este egal cu numărul de loci cu două alele care contribuie la determinarea caracterului respectiv.

12. Caracterele acăror determinara este datorată mai multor perechi de alele din loci diferiţi şi interacţiunii lor cu mediu, au fost denumite caractere poligenice multifactoriale. • La om, numeroase caractere normale (inteligenţă, talie, greutate, culoarea pielii, a ochilor) sau patologice (autismul, cancerul, diabetul, hipertensiunea, schizofrenia etc.) au o astfel de determinare.

13. Acţiunea polimeră a genelor • Prin polimerie sau acţiune polimeră a genelor se înţelege contribuţia mai multor gene nealele la realizarea unui caracter. • Polimeria poate fi cumulativă sau necumulativă. Polimeria cumulativă • Nillson-Ehle, în 1908, a studiat moştenirea culorii bobului la diferite soiuri de grâu, deşi nu ştia de diploidie, tetraploidie şi hexaploidie. • Ulterior, s-au identificat două perechi de gene, dispuse fiecare pe câte o pereche de cromozomi omologi (A1a1 şi A2a2). • Fiecare din perechile de gene prezintă o relaţie interalelică de dominanţă şi recesivitate completă. Alelele dominante prezintă un efect cumulativ.

14. Astfel, culoarea roşu intens se datorează genotipului dominant A1A1 A2A2, iar culoarea albă genotipului recesiv a1a1 a2a2; alte 3 fenotipuri rezultă prin combinarea alelelor. • 4 alele dominante = roşu intens; 3 alele dominante = roşu; 2 alele dominante = roşu deschis; 1 alelă dominantă = roz. • La soiurile hexaploide de grâu culoarea bobului depinde de trei perechi de gene. • Încrucişarea unui soi având toate genele dominante cu un soi având toate genele recesive are drept rezultat în F1 un trihibrid care va da 8 tipuri de gameţi şi va determina în F2 64 de combinaţii genotipice cu 7 clase fenotipice. • Reprezentarea celor 7 clase fenotipice în funcţie de frecvenţa lor este de tip binomial, în care frecvenţa maximă corespunde fenotipului cu 3 gene dominante.

15. Polimeria necumulativă • Gradul de realizare al unui caracter nu depinde decât de prezenţa genelor şi nu de doza lor. • Forma normală, triunghiulară, a fructului la traista ciobanului este determinată de două perechi de gene dominante (A1A1A2A2) cu efect polimer necumulativ. • În F2 toate genotipurile cu doze variate de gene dominante au fructe de formă triunghiulară; numai genotipul complet recesiv are fructe de formă ovoidală.

16. Exprimarea fenotipică a caracterelor cantitative este puternic influenţată de mediu. • Variabilitatea fenotipică a unui caracter cantitativ se determină prin metode biometrice. • Varianţa = valoarea medie a pătratului abaterilor de la media aritmetică a caracterului respectiv (σ2). • Varianţa fenotipică (σ2F) este suma varianţei genotipice (σ2G) şi a varianţei determinate de mediu (σ2M). • Raportul dintre varianţa genotipică şi varianţa fenotipică arată măsura în care un caracter cantitativ este determinat genetic. Acest raport se notează cu (h2) şi se numeşte HERITABILITATE. (h2) = σ2G / σ2F = σ2G / (σ2G+σ2M)

17. Reglarea activităţii genelor • Genele sunt secvenţe de ADN care se transcriu în ARN. • Activitatea genelor poate fi reglată la orice nivel de la ADN la proteine. • Elementele reglatoare pot fi: • Secvenţe de ADN care nu se transcriu în ARN dar influenţează exprimarea genelor; • Proteine care se leagă de ADN şi care funcţie de structura lor pot fi grupate în mai multe clase.

19. Reglarea activităţii genelor la bacterii • Mediul în care bacteriile traiesc şi se reproduc nu este constant. • Prin procese evolutive au apărut şi s-au dezvoltat mecanisme ce compensează modificările ambientale permiţând bacteriilor să supravieţuiască într-o varietate de medii. • Una din căile prin care un organism se poate adapta la un nou mediu de viaţă este modificarea activităţii genelor astfel încât să se sintetizeze produşi adecvaţi noilor condiţii.

20. Într-o celulă bacteriană, genele a căror produşi participă la aceeaşi cale metabolică sunt grupate într-o unitate transcripţională numită operon. • De regulă un operon cuprinde: câteva gene structurale, un promotor pentru genele structurale şi un operator adică o secvenţă de ADN unde se poate lega produsul unei gene reglatoare. • Genele a căror activitate este reglată ca răspuns la nevoile unei celule se numesc gene reglabile. • Genele a căror produşi sunt necesari pentru creşterea şi diviziunea celulară, indiferent de mediu şi care sunt întotdeauna active sunt definite ca gene constitutive.

21. Prin legarea proteinelor reglatoare se poate fieactiva, fie bloca transcrierea.

22. Există două tipuri principale de control la nivelul transacrierii: • Control pozitiv-proteina reglatoare (activatorul) se leagă de ADN iniţiind transcrierea; • Control negativ –proteina reglatoare (represorul) se leagă de ADN blocând transcrierea; • Unii operoni sunt inductibili – în mod normal transcrierea este blocată şi trebuie pornită. • Alţi operoni sunt represibili - în mod normal transcrierea este pornită şi trebuie blocată.

23. Operon represibil – control negativ

24. Operon inductibil– control pozitiv

25. Operoni inductibili • Genele a căror exprimare apare numai când în mediu pătrunde o substanţă numită inductor (ex. Lactoza) se numesc inductibile; • E. coli este capabilă să crească pe un mediu simplu ce conţine săruri şi o sursă de carbon precum glucoza. • Energia necesară pentru creştere şi diviziunea bacteriei provine di metabolismul glucozei. • Enzimele necesare metabolismului glucozei sunt codificate de gene constitutive. • Când în loc de glucoză, lactoza este disponibilă ca sursă de carbon, bacteria va sintetiza rapid enzime necesare metabolizării acestui glucid.

26. Enzimele vor fi sintetizate deoarece genele cre le codifică vor fi transcrise şi traduse în prezenţa alolactozei. • Operonul lac la E. coli controlează transcrierea a 3 gene implicate în metabolismul Lactozei: • lacZ – codifică β-galacozidaza care determină izomerizarea lactozei ăn alolactoză dar şi scindarea acesteia în glucoză şi galactoză; • lacY – codifică permeaza necesară pentru transportul lactozei din mediu de creştere în celulă; • lacA – codifică tiogalactozid transacetilaza

27. Operonul lac is inductibil: o genă reglatoare produce un represor care se leagă de operator blocând transcrierea unor gene structurale.

28. Prezenţa alolactozei inactivează represorul permiţând transcrierea genelor structurale ale operonului lac.

29. În concluzie la operonul lac proteina represoare împiedecă transcrierea genelor structurale prin legarea sa de operator când inductorul nu este prezent. • Represorul exercită un efect negativ asupra exprimării genelor structurale motiv pentru care despre acest operon se spune că este sub control negativ (reglaj negativ). • S-a constatat insă că că există şi un sistem de reglaj pozitiv al operonului lac. • Acest sistem de reglaj pozitiv asigură exprimarea genelor structurale numai dacă lactoza este singura sursă de carbon dar nu şi în situaţia în care glucoza este şi ea prezentă.

30. Dacă în mediu sunt prezente atât glucoza cât şi lactoza, bacteria va utiliza prefenţial glucoza, iar genele structurale ale operonului lac nu vor fi exprimate. • În aceste condiţii operonul lac este represat datorită concentraţiei reduse a unei molecule ce exercită un reglaj pozitiv prin leagare de operon pentru a facilita transcrierea. • Molecula ce exercită un reglaj pozitiv este un complex format din proteina CAP (catabolite activator proteine) cu cAMP. • Acest complex se leagă de un situs de legare specific din ADN, facilitând ataşarea ARN polimerazei de promotor în prezenţa inductorului.

31. În prezenţa glucozei se manifestă aşa numitul efect al glucozei sau represia catabolitului. • Un produs de scindare al glucozei (un catabolit) determină o scădere rapidă a cAMP. • Cantitatea insuficientă de complexCAP-cAMP nu va mai facilita legarea ARN polimerazei de promotor. • Acest fapt ce va bloca transcrierea chiar dacă represorul nu este legat de secvenţa operatoare.

34. Operoni represibili • Aşa cum glucoza poate lipsi din mediu de creştere a bacteriilor, este posibil ca şi unii aminoacizi necesari sintezelor proteice să lipsească. • Dacă un aminoacid liseşte, bacteria posedă operoni capabili să sintetizeze acel aminoacid pentru a putea creşte şi a se putea reproduce. • Fiecare pas în căile de biosinteză a aminoacizilor este catalizat de o enzimă specifică, codificată de o genă specifică.

35. Când toţi cei 20 de aminoacizi sunt prezenţi, genele care codifică enzimele necesare sintezei lor, sunt inactive transcripţional. • Când un aminoacid lipseşte, transcrierea genelor ce codifică enzimele necesare sintezei lui va fi activată. • Spre deosebire de operonul lac în care activitatea genelor este declanşată când în mediu apare inductorul, în sistemul represibil, activitatea genelor este represtă când în mediu apare o moleculă numită corepresor. • Astfel de operoni se numesc represibili.

36. Un astfel de operon este trp care controlează sinteza aminoacidului triptofan la E. coli.

37. Într-un operon represibil, transcrierea genelor este activa şi trebuie represată. • Represarea se realizează prin legarea triptofanului de represor care astfel devine activ. • Represorul activ se leagă de secvenţa operatoare împiedecând ARN polimeraza să transcrie genele structurale. • Un alt mecanism de reglare al operonului trp este atenuarea. • În atenuare, transcrierea este iniţiată dar este terminată prematur.

38. Reglajul pozitiv şi negativ la operonul arabinozei • La procariote, reglajul la nivelul transcrierii, nu este adesea, pur pozitiv sau pur negatv. • În multe cazuri par a fi suprapuse sau mixate diferite aspecte ale reglajelor pozitiv şi negativ, în diferite moduri. • Operonul arabinozei reprezintă un astfel de exemplu în care o singură proteină reglatoare ce se leagă de ADN poate funcţiona atât ca represor cât şi ca activator.

39. În prezenţa arabinozei, proteina AraC se leagă de regiunea araI. • Complexul CAP-cAMP se leagă de un situs adiacent regiunii araI. • Această legare stimulează transcrierea genelor araB, araA şi araD.

40. În absenţa arabinozei, proteina AraC se leagă atât de regiunea araI cât şi de regiunea araO fapt ce duce la formarea unei bucle de către molecula de ADN. • Această legare împiedecă transcrierea genelor structurale ale operonului.

42. ARN antisens şi reglajul genetic la procariote • O moleculă de ARN antisens este complementară unei secvenţe dintr-o moleculă de ARN sau ADN. • În celula bacteriană ea poate inhiba traducerea ARNm prin legarea de o secvenţă din regiunea 5’ UTR a RNAm împidecând legarea ARNm de ribozom. • La E. coli două gene, ompF şi ompC, produc proteine ce intră în structura membranei externe şi funcţionează ca pori de difuziune permiţând bacteriei să se adapteze la osmolaritatea externă. • În cea mai mare parte a condiţiilor cele două gene sunt transcrise şi traduse.

43. Când osmolaritatea mediului creşte, o genă reglatoare numită micF este activată, transcrisă şi ARNm pentru ea va apărea în citoplasmă. • ARN-ul pentru gena micF este de fapt un ARN antisens ce se leagă pe bază de complementaritate de o secvenţă din regiunea 5’ UTR a RNAm pentru gena ompF, împiedecând legareaacestuia de ribozom.