Bazele cromozomiale ale ereditatii

Bazele cromozomiale ale ereditatii

Cromozomii umani: morfologie, structura, functie

Cuprins:

1.1.       Definirea domeniului citogeneticii

1.2.       Teoria cromozomiala a ereditatii

1.3.       Ciclul celular

1.4.       Morfologia cromozomilor umani

1.5.       Structura spatiala a cromozomului

1.6.       Cariotipul uman normal

1.7.       Cromatina de sex X si mecanismul compensatiei de doza

Obiective:

La sfarsitul acestei unitati de invatare, studentii vor fi capabili sa: . defineasca si foloseasca in context urmatorii termeni:

cromozomi omologi, linkage, crossing-over, centromer,

cromatide, meioza, cariotip

defineasca si descrie stadiile ciclului celular

descrie modul de impachetare a fibrei ADN in cromozom si modificarile de spiralizare suferite pe parcursul unui ciclu celular

numeasca factorii care interfereaza cu diviziunea celulara si modul lor de actiune

explice rolul mitozei si meiozei in viata unui organism

cunoasca formula cromozomiala normala pentru barbat si femeie

sa explice egalizarea functionala a celor doua sexe prin inactivarea cromozomului X la femeie

l.l.Definirea domeniului:

Citogenetica este ramura geneticii care studiaza structura si comportamentul cromozomilor, precum si consecintele medicale si evolutive ale anomaliilor cromozomiale.

Cromozomii (chroma + soma= corpusculi colorati) sunt depozitari si vehicule ale genelor. Cu ajutorul lor genele sunt transmise de la o eelula la alta si de la parmti la descendenti.

morfologia cromozomilor are particularitati de specie si este constanta

sunt prezenti in toate celulele nucleate si se evidentiaza numai in timpul diviziunii celulei sunt similari la toate rasele umane

1.2.Teoria cromozomiala a ereditatii, teorie conform careia cromozomii constituie baza materiala a ereditatii, a fost formulata de Thomas Morgan, fondatorul citogeneticii si al radiogeneticii, c are a si primit premiul Nobel pentru aceasta realizare (1901). Morgan confirma si completeaza legile lui Mendel pe care initial intentionase sa le combata! Principalele teze ale teoriei cromozomiale sunt:

9. plasarea liniara a genelor pe cromozomi

transmiterea inlantuita, in bloc, a genelor plasate in acelasi cromozom, fenomen denumit linkage. In procesul diviziunii celulare cromozomii se comporta ca o unitate

In cursul diviziunii meiotice care caracterizeaza gametogeneza, cromozomii omologi, aranjati in pereche, pot schimba intre ei fragmente cromozomiale, proces numit crossing-over

segregarea cromozomilor in timpul diviziunilor celulare explica segregarea caracterelor mendeliene (genelor)

Totusi, teoria lui Morgan nu era in intregime noua. El ajunge insa sa aduca dovezi clare a faptului ca genele sunt situate in cromozomi, dupa indelungi experiente de inducere a mutatiilor, prin iradierea cu raze X a musculitelor de otet. Prin mutatie se intelege orice modificare ereditara a informatiei genetice, iar prin mutageneza -procesul de generare a mutatiilor.

Morgan alege pentru experimentele sale aceasta specie (Drosophila melanogaster) cu numai patru perechi de cromozomi, specie prolifica si usor de crescut in laborator. Norocul face ca larvele musculitelor sa prezinte in glandele lor salivare cromozomi uriasi, de 150 de ori mai lungi, formati dintr-o succesiune de benzi mai intens sau mai slab colorate. Practic, in acesti cromozomi giganti Morgan reuseste sa vizualizeze modificarile mutatiile prin modificarile modelului de benzi, reusind astfel prima localizare a unor gene. Dar in specia noastra nu exista astfel de de cromozomi giganti bandati in mod natural, astfel ca genetica a trebuit sa imagineze alte drumuri spre gena. Si a reusit, prin tratamente si coloratii speciale cu coloranti normali sau fluorescenti, sa evidentieze un model de benzi longitudinale proprii fiecarui cromozom in parte (fig.5). Benzile reflecta structura intima a cromozomilor, facand posibila identificarea exacta a acestora, precum si a oricaror modificari patologice survenite in structura lor. Cunostintele despre cromozomi au evoluat pornind de la observarea de catre Flemming in 1877 a unor misterioase hieroglife cu semnificatie necunoscuta, pana azi cand putem spune ca au o 'personalitate' proprie, fiindu-le cunoscuta morfologia, modelul de benzi si in mare parte continutul de gene si patologia de care sunt raspunzatori.

1.3.Ciclul celular sau totalitatea etapelor prin care trece o celula.

Celulele sunt unitatile reproductive ale vietii: noile celule se produc prin diviziunea celulelor-existente, afirmatie cunoscuta ca' axioma Iui Virchow: 'omnis cellula e cellula'. Aparitia cromozomilor, sub forma unor filamente, este legata de acest moment particular din viata celulei si anume diviziunea celulara. Diviziunile celulare sunt de doua feluri:

lO.diviziunea meiotica sau meioza (gr. meios - redus, pe jumatate): tip de diviziune celulara care are drept rezultat formarea unor celule specializate (gameti), caracterizate printr-un numar de cromozomi redus 1a jumatate, adica numar

haploid (haploos - simplu). Se noteaza: n=23 cromozomi. In meioza, cromozomii omologi formeaza perechi iar injumatatirea numarului de cromozomi dintr-o celula se face astfel incat fiecare nou nucleu primeste un singur membru al flecarei perechi de cromozomi omologi. Meioza are drept rezultat si recombinarea genetica, atat prin crossing-over, proces prin care cromozmii omologi fac schimb de gene, cat si prin formarea unor noi combinatii cromozomiale intre setul matern si patern (vezi asortarea independenta a cromozomilor materni si paterni din meioza). La aceasta se adauga si variabilitatea genetica realizata prin combinarea intamplatoare a garnetilor in fecundatie.

. diviziunea mitotica sau mitoza (gr. mitos = filament): diviziune a celulelor somatice din care rezulta doua celule fiice cu acelasi numar de cromozomi ca al celulei mama. Numarul de cromozomi caracteristic speciei, constand in doua seturi complete de cromozomi, adica numarul diploid (gr. diploos =dublu) se noteaza: 2n = 46

Seria de evenimente care au loc de la formarea unei celule pana cand se divide din nou defineste un ciclu celular. Duplicarea ADN-ului este evenimentul cheie care determina celula sa se divida pentru a-1 distribui apoi in cantitati egale celor doua celule fiice, care sunt identice cu cea originala. Principalele faze ale ciclului celular sunt: interfaza, etapa dintre diviziuni, faza in care cromozomii nu sunt vizibili deoarece structura lor este decondensata iar nucleul pare ca doarme si mitoza sau diviziunea celulara, faza in care cromozomii pot fi vazuti si recunoscuti.

Fig.l: Ciclul celular cu punctele de control

ului si proteinelor, compartimentul replicativ al ciclului celular. Se subimparte in fazele: S, perioada din mijlocul interfazei, in care are loc duplicarea ADN-ului, precedata si urmata de fazele Gl si G2 (gap=gol), fazele de gol metabolic. Divizarea nucleului si a citoplasmei se desfasoara in timpul mitozei, care reprezinta compartimentul distributiv al ciclului celular si are o durata de numai o ora din totalul de aprox. 24 de ore ale unui ciclu celular. Multe din celulele organismelor multicelulare isi limiteaza unele altora diviziunile printr-un mecanism inca putin cunoscut, numit inhibitie de contact (numit asa deoarece contactul cu celulele vecine stopeaza diviziunea). In contrast cu celulele normale celulele canceroase se divid si cresc fara restrictii.

Factori de mediu variati (radiatii, chimicale, virusi) pot impiedica progresia celulei prin toate fazele ciclului ei vital, provocandu-i leziuni mai mult sau mai putin grave.

De ex. radiatiile pot provoca, in functie de doza, urmatoarele efecte: fie omoara celula, fie produc rupturi grave in moleculele ADN, impiedecand replicarea ADN si deci diviziunea celulei, fie produc mutatii ce pot fi replicate si transmise in continuare celulelor fiice. Unele mutatii de acest tip pot provoca in celulele somatice cancere caracterizate prin proliferari celulare nelimitate. Proprietatea radiatiilor ionizante de a bloca, in anumite doze, diviziunile este folosita in tratamentul cancerelor. Perioada de sensibilitate maxima a celulelor la radiatii este chiar inainte de mitoza iar bombardarea unui organ cu radiatii va ucide sau va bloca in special celulele canceroase care se divid mult mai rapid decat celulele normale din vecinatate.

Celulele au sisteme enzimatice care recunosc, si pe cat posibil repara leziunile care apar (spontan sau indus) in cromozomi. Mecanismele de verificare ale ciclului celular (Fig. 1) impiedica in mod normal o celula cu rupturi cromozomiale nereparate sa intre in mitoza; daca leziunea nu poate fi reparata, celula comite suicid (apoptoza = moartea programata celular) Categorii de celule in functie de modul de parcurgere a ciclului celular:

celule care si-au pierdut capacitatea de a se divide dupa nastere si sunt oprite in Gl: neuronii, celulele musculare

celule cu capacitate redusa de diviziune, care in anumite conditii se pot divide: hepatocitele, celulele glandelor endocrine

celule care se divid rapid: maduva osoasa, epiderm, epiteliul mucoasei intestinale, celulele liniei spermatogoniale

1.4. Morfologia cromozomilor umani. Cum arata cromozomii la microscopul optic? Fiecare cromozom, la debutul diviziunii celulare este o structura dedublata, alcatuita din doua sub-unitati longitudinale, identice ca marime, forma si informatie genetica, numite cromatide. Cromatidele sunt libere pe toata lungimea lor, cu exceptia unui singur punct=centromerul, sau constrictia primara. Este zona de fixare a cromozomului pe fibrele fusului nuclear care prin divizare in cursul mitozei repartizeaza celulelor fiice cate o singura cromatida, pastrand astfel neschimbat numarul cromozomilor si informatia genetica. Centromerul poate uni cromatidele in orice punct de pe lungimea lor: central, sau catre capete. Fiecare cromatida se termina cu o telomera= capatul cromatidei care confera stabilitate cromozomilor si impiedica asocierea lor.

Centromerul, imparte cromozomul in doua brate denumite p (petit=mic) si q (urmatoarea litera din alfabet). Conventional, bratul p este considerat cel de deasupra centromerului. hi functie de pozitia centromerului deci de raportul bratelor, rezulta tipul morfologic al cromozomului: metacentric (cu centromerul median), submetacentric (cu centromerul plasat catre unul din capete), subtelocentric (cu centromerul plasat si mai excentric), acrocentric (cu centromerul plasat aproape terminal), telocentric (cu centromerul absolut terminal). Acest ultim tip

Fig. 2. Cromozomi metafazici (stg) si partile componente ale cromozomului metafazic (dr.).

1.5.Structura spatiala a cromozomului

Privit din perspectiva moleculara, cromozomul este o structura imensa. Materialul genetic al cromozomilor consta din molecule lineare de ADN - o molecula per cromozom. Fiecare din aceste molecule contine cateva milioane de nucleotide; secventele combinate ale tuturor acestor molecule, apartinand celor 46 de cromozomi umani, determina informatia genetica a fiecarui organism. Structura aceluiasi cromozom este variabila atat de-a-lungul sau,cat si de la un moment la altul al

ciclului celular. Astfel, in interfaza materialul cromozomial despiralizat si infasurat ca un ghem poarta numele de cromatina si este alcatuit dintr-un complex de ADN, ARN si proteine, in principal histone.

Genomul unei celule haploide are aproximativ 1 m ADN (2 m pentru setul diploid), iar un cromozom de lungime medie are aproximativ 5 cm de ADN. In timp ce o cromatida medie din celula umana este de aproximativ 5 in lungime. C um se realizeaza aceasta formidabila miniaturizare a unei molecule ADN cu lungimea de 5 cm intr-o cromatida de numai 5um lungime? - prin impachetari si condensari succesive ale fibrei ADN pe mai multe nivele (Fig.4):

plierea ADN-ului (2 ture) injurul unor structuri proteice numite

nucleosom(unitatea fundamentala de imachetare) formand o structura

asemanatoare unui

sirag de margele. Asa se vede cromatina in interfaza (rata de impachetare de 1:6 pentru nucleosom si 1:36 pentru fibra de cromatina).

contractia fibrei de ADN si apropierea nucleosomilor intre ei

spiralizarea intr-o structura solenoida helicoidala

o noua compactare prin spiralizare in cromozom (rata de impachetare de 1:10.000 pentru cromozomul metafazic)

Observatii asupra complexitatii structurii genetice umane:

genomul uman contine aproximativ 3 miliarde de baze chimice (A, C, T si G) in fiecare celula

pentru a scrie intreaga secventa a genomului uman, o persoana ar trebui sa tasteze 60 de cuvinte

pe ora, opt ore pe zi, timp de apoximativ 50 de ani

exista aproximativ 100 de trilioane de celule in organismul nostru (100.000.000.000.000)

daca fasiile de ADN din toate celulele organismului nostru ar fi puse cap la cap, s-ar obtine de peste 600 de ori distanta dintre Pamant si Soare.

1.6. Cariotipul uman normal Nucleul unei celule normale contine 46 de cromozomi (23 perechi). Un cromozom al fiecarei perechi este de origine materna, iar celalalt, de origine paterna:

22 de perechi sunt la fel la femei si barbati, neavand nici un rol in determinarea
sexuala = autozomi

. cea de a 23-a pereche formeaza perechea cromozomilor de sex, numiti si

gonozomi XX la femeie si XY la barbat In mod surprinzator, intr-un moment important pentru genetica, acela in care Watson si Crick primeau deja premiul Nobel pentru modelul structurii moleculare a ADN (1953), inca se mai credea ca omul are, la fel cu alte primate, 48 de cromozomi. Dificultatile tehnice de obtinere a unor imagini microscopice fiabile explica de ce de abia in anul 1956 este stabilita formula cromozomiala exacta a omului. Citogenetica se dovedeste astfel a fi cel mai tanar domeniu-al geneticii umane. Cariotipul (gr. karyon=nucleu, typos=model) desemneaza totalitatea cromozomilor unui individ, respectiv unei celule, ordonati in perechi de omologi dupa criterii precise, cum ar fi: lungimea, pozitia centromerului si alte aspecte morfologice. Este un parametru specific invariabil. Ordonarea cromozomilor in cariotip se face conform unui sistem de standardizare si nominalizare international. Conform standardului internationaldenomenclatura,cariotipulumanesteredatprinformulele

cromozomiale:

46,XX - cariotip normal de femeie

46,XY - cariotip normal de barbat

Fig.5 Cariotip normal de barbat: 46,XY. Se observa identitatea modelului de benzi pe cromozomii omologi

1.7.Cromatina de sex X si mecanismul compensatiei de doza

Cromozomii X ocupa o pozitie particulara in universul genetic uman si nu numai, deoarece de-a lungul evolutiei mamiferelor s-au conservat ca atare. Cromozomul X, un cromozom mare continand 5% din intreg genomul, contine pe langa cele cateva gene sexualizante, numeroase gene nesexualizante iar o mutatie situata pe cromozomul X la soarece va ramane tot acolo si la caine si la om. De ex. mutatia care determina hemofilia sau mutatia care determina distrofia musculara Duchenne. Inegalitatea dintre cele doua sexe privind.numarul cromozomilor X, caro se gasesc in dublu exemplar la femei (XX) si intr-un singur exemplar la barbati(XY), face ca si genele nesexualizante de pe cromozomul X sa fie distribuite inegal la femei si la barbati.

- O prima consecinta este aceea ca orice mutatie recesiva situata pe acest cromozom se manifesta fenotipic la barbati, care au o singura copie a genei de pe unicul lor cromozom X, situatie denumita hemizigotie, dar nu se manifesta si la femeile cu o singura copie a mutatiei, deci heterozigote pentru mutatie, la care actiunea genei va

fi mascata de perechea ei dominanta. Aceste femei se numesc purtatoare sau conductoare. Cele doua sexe fiind inegal afectate, transmiterea ereditara produce modele caracteristice si usor de recunoscut in care barbatii sunt victimele mutatiilor recesive plasate pe X.

O alta consecinta ar fi aceea ca proteinele produse conform genelor X- linkate ar
trebui sa se gaseasca in cantitate dubla la femei fata de barbati. Realitatea ne
contrazice insa pentru ca dozarile enzimatice arata contrariul: femeile functioneaza
din acest punct de vedere la fel cu barbatii. Explicatia logica ar fi ca trebuie sa
existe un mecanism compensator care sa asigure egalizarea sintezei enzimatice
indiferent de numarul cromozomilor X. Fenomenul a fost denumit 'compensarea
dozajului genic'. Cercetarile ulterioare intreprinse de Mary Lyon confirma faptul
ca femeia are nevoie de un singur cromozom X activ, celalt sau ceilalti, daca sunt
mai multi, fiind inactivati prin condensare inca la inceputul vietii embrionare.
Procesul a fost denumit lyonizare iar rezultatul acestei condensari este vizualizat in
nucleul interfazic sub forma corpusculului Barr (dupa numele celui ce 1-a descris
pentru prima oara) sau cromatinei de sex X. Testul Barr de identificare a sexului
genetic se bazeaza pe acest dimorfism sexual evidentiat la nivel celular, sub forma
unui corpuscul mai intens colorat pe fata interna a membranei nucleare, prezent
numai in celulele XX.

Caracteristicile inactivarii cromozomului X:

se realizeaza printr-un mecanism de reglaj genetic : genele exista dar nu functioneaza

are loc incepand din stadiul de 3000-4000 de celule, ceea ce corespunde zilelor 16-18 de viata embrionara.

procesul este intamplator: este inactivat fie X-ul patern, fie X-ul matern

O data realizat, modelul inactivarii se pastreaza pentru toti descendentii celulari ai respectivelor celule, astfel ca femeile pot fi privite ca fiind mozaicuri de celule functional diferite. Blocarea unuia sau a celuilalt cromozom X nu are nici o importanta daca acestia nu contin gene mutante.

Daca insa femeia este heterozigota pentru gene recesive ca de ex. hemofilia, ea poate fi partial afectata.

Explicatia: inactivarea absolut intamplatoare a unuia din cei doi cromozomi X

poate lasa activ in multe din celulele de interes tocmai X-ul purtator al mutatiei.

Frecventa si distributia celor doua populatii celulare - una mutanta, una normala -

poarta din nou amprenta intamplarii.

Observatii:

natura a gasit solutia sa egalizeze functional cele doua sexe, dar sa le pastreze deosebirile.

actiunea sau expresia genelor depinde de mecanismele de reglaj genetic: genele unuia din cei doi cromozomi X exista dar nu functioneaza. Devine clar faptul ca nu genele ele insele determina 'simfonia vietii', ci aceasta depinde de dirijarea 'orchestrei genetice' prin reglajul activitatii genelor.

1.8. Probleme:

1. Cat de lung ar fi genomul uman tipic, daca ar putea fi intins ca o molecula

liniara?

2.          Fiecare dintre noi avem 23 de perechi de cromozomi, 22 perechi fara nici un rol in determinarea sexuala si perechea cromozomilor de sex XX de la femeie sau XY de la barbat. Daca ignoram efectele crossing-overului (schimb de material cromozomial), care este proportia din gametii nostri, ovule sau spermatozoizi, care ar contine toti cromozomii pe care i-am primit de la mama?

3.          Exista posibilitatea sa nu mostenim nici unul din cromozomii unuia dintre bunicii nostri?

4.      Barbatii au un singur cromozom X si, deci, cate o singura copie a genelor de pe X. Fiecare gena este exprimata direct, barbatii fiind hemizigoti. Femeile au doi cromozomi X, unul fiind intotdeauna inactivat. Daca atat la femeie, cat si la barbat, exista numai o copie functionala a lui X ( a tuturor genelor de pe X), atunci de ce femeile nu pot fi considerate hemizigote si de ce nu sunt afectate de gene recesive X-linkate tot atat de frecvent ca si barbatii?

Chestionar:

1. In specia Homo sapiens, numarul diploid de cromozomi este:

A - 23 C - 92

B-46 D-variabil

2. In specia Homo sapiens, gametii au urmatorul numar de cromozomi:

A - 23 C - 92

B-46 D - variabil

3. Un individ cu cariotipul 46,XY are urmatorul numar de corpusculi Barr

(cromatina de sex X):

A-0 D-3

B-l E-4

C-2

Cuvinte cheie:

. autozom: oricare dintre cromozomi, cu exceptia cromozomilor de sex: 22 perechi

de autozomi . gonozom: cromozom din perechea de cromozomi care determina sexul: perechea

XX pentru sexul feminin si XY pentru cel masculin; sin. heterozom . linkage (engl. linkage = legatura): transmiterea inlantuita a genelor situate pe

acelasi cromozom. Genele situate pe acelasi cromozom formeaza o grupa de

linkage.

. crossing-over (engl. crossing-over = incrucisare): schimb de segmente comozomiale intre cromozomii omologi. Face posibila trecerea genelor pe cromozomul opus si formarea de gameti recombinati

. haploid (gr. haploos = simplu): care are un singur set cromozomial (n =23), asa cum sunt gametii

diploid ( gr. diploos =dublu): care are doua seturi de cromozomi (2n = 46), asa cum sunt celulele somatice

mitoza (gr.mitos - filament; osis = conditie): diviziune a celulelor somatice din care rezulta doua celule fiice cu acelasi numar de cromozomi ca al celulei mama.

meioza (gr. meios =pe jumatate): tip de diviziune celulara care are drept rezultat formarea celulelor sexuale (gameti) caracterizate printr-un numar haploid de cromozomi

interfaza : intervalul dintre doua diviziuni celulare

. cariotip : totalitatea cromozomilor unui individ, respectiv unei celule, ordonati dupa criterii precise

corpuscul Barr (cromatina de sex X) : structura formata cand unul din cei doi
cromozomi X ai fiecarei celule a femelelor de mamifere se condenseaza si devine
inactiv.

Rezumat

Unitatea de invatare 1: Cromozomii umani, morfologie, structura, functie.

Cuprinde informatii cu privire la: 1. definirea domeniului citogeneticii; 2. teoria

cromozomiala a ereditatii; 3. ciclul celular; 4. morfologia croozomilor umani; 5.

structura spatiala a cromozomului; 6. cariotipul uman normal; 7. cromatina de sex X

si mecanismul compensatiei de doza; 8. probleme si scurt chestionar.

Se pot rezuma urmatoarele

T. Morgan furnizeaza prima dovada clara a faptului ca genele sunt situate in cromozomi si a faptului ca segregarea cromozomilor explica segregarea caracterelor mendeliene (genelor). imperecherea cromozomilor omologi, crossing-overul si mecanica separarii acestora in meioza asigura segregarea si variabilitatea genetica in cursul transmiterii materialului genetic din generatie in generatie prin intermediul garnetilor. Acestia contin un singur set cromozomial complet, care pentru om este de 23 cromozomi (numarul haploid).

spre deosebire de meioza, rolul mitozei este acela de a asigura pastrarea intacta a numarului si continutului cromozomial in cursul transmiterii in celulele somatice.

celulele somatice parcurg un proces repetabil, numit ciclu vital iar singura faza a ciclului celular in care cromozomii pot fi vizualizati este diviziunea celulara. Acestea contin doua seruri cromozomiale, adica un numar diploid de 46 cromozomi.

cromozomii'de sex pot fisimilari, asa cum sunt la femeie, desemnati prin XX. Contin atat gene sexualizante, cat si gene nesexualizante. Cromozomul Y, mult mai mic, este specific sexului masculin deoarece contine numai gene care initiaza dezvoltarea caracteristicilor masculine. Nu contine gene nesexualizante.

egalizarea functionala a celor doua sexe in privinta genelor X-linkate nesexualizante
este realizata prin inactivarea a unui cromozom X de la femeie. Cunoscuta ca
mecanism decompensareadozajuluigenic,inactivareaserealizeazaprin

condensarea in interfaza a acestui cromozom, ceeace ii face vizibil sub forma unui mic corpuscul, denumit corpusculul Barr sau cromatina de sex X.