ORGANIZAREA INFORMAŢIONALĂ A ADN: GENELE

I. STRUCTURA ŞI LOCALIZAREA GENELOR

A. CONCEPŢIA CLASICĂ DESPRE STRUCTURA GENEI

1. Gena - unitatea de structură a materialului genetic

Gena = un segment de pe cromozom precis delimitat, continuu, care determină

un anumit caracter fenotipic.

- ocupă în cromozom o poziţie fixă, întotdeauna aceeaşi = locus:

- pe cromozomi somatici / cromozomii sexuali;

- acelaşi pe cromozomii omologi pentru fiecare tip de genă.

- o genă se poate găsi în forma „ancestrală” sau „sălbatică”:

● mutaţie → o formă alternativă a genei = genă alelă (ocupă

acelaşi locus şi influenţează acelaşi caracter).

● mai multe mutaţii diferite → variante alelice = alele multiple:

- efectele fenotipice diferite, dar limitate la acelaşi caracter;

- ex. clasic - alelele multiple A1, A2, B şi O pentru locusul

grupului sanguin ABO(H).

- Genele alele care ocupă loci omologi pot fi:

- identice = homozigot

- diferite = heterozigot.

- hemizigot = situaţia (≠ de homo- şi heterozigot): la bărbaţii XY o genă de pe

cromozomul X nu are echivalent pe cromozomul Y (există o singură genă pentru

un caracter).

B B B 0

- în meioză:

- homozigoţii → un singur tip de gameţi = homogametici

- heterozigoţii → două tipuri de gameţi = heterogametici

(← segregarea genelor alele)

La heterozigoţi, alelele diferite se pot manifesta fenotipic diferit:

- alela mai puternică, se manifestă fenotipic →

gena şi caracterul care se manifestă la

heterozigoţi = dominante.

- gena care nu se manifestă fenotipic la heterozigoţi,

ci se exprimă numai în stare homozigotă

= recesivă.

0 0

B 0

B B B 0

2. Înlănţuirea genică şi încrucişarea cromozomială (crossing-over)

Fiecare cromozom - alcătuit din mai multe gene nealele:

- ocupă fiecare un locus distinct;

- au o dispoziţie liniară în cromozom, una după alta → înlănţuirea fizică a

locilor aflaţi pe acelaşi cromozom = sintenie.

- genele situate pe acelaşi cromozom - tendinţa de a se transmite grupat de la părinţi

la descendenţi, prin gameţi → înlănţuire genică (linkage) = fenomenul în care genele

nealele situate aproape una de alta pe acelaşi cromozom nu segregă în meioză şi au

tendinţa de a se transmite împreună în succesiunea generaţiilor (loci, nu alele).

Genele dintr-o regiune cromozomială transmise împreună = grup de înlănţuire

(linkage group) sau haplotip.

- genele situate foarte aproape una de alta - transmise totdeauna împreună,

înlănţuite: ex. genele C, D şi E → grupul sanguin Rh (1q)

- genele situate mai la distanţă una de alta pe acelaşi cromozom - separate prin

crossing-over: în profaza meiozei I, împerecherea (sinapsa) cromozomilor omologi

pe întreaga lor lungime → tetrade (excepţie cromozomii sexuali X şi Y- alăturaţi

prin capetele braţelor p); la locul de contact (chiasma) dintre cromatidele dispuse

central ale unei tetrade → fenomene de crossing-over = schimburi reciproce

(încrucişate) şi egale de gene.

= recombinare genetică: o genă trece de pe un cromozom pe omologul său →

schimbarea poziţiei genelor parentale

- probabilitatea producerii crossing-over-ului între două gene - direct proporţională

cu distanţa fizică dintre ele: mai apropiate → şansă mai mică şi invers.

Distanţa dintre două gene de pe acelaşi crz. - centiMorgan (1cM = 1Mb = 106 pb)

Cromatida 1Cromatida 2

Cromatida 3Cromatida 4

Chiasmata

RecombinareRecombinare geneticăprin crossing-over

B. CONCEPŢIA ACTUALĂ DESPRE STRUCTURA GENEI

Gena = complex liniar de secvenţe nucleotidice care produc un polipeptid / o

moleculă de ARN funcţional.

- secvenţe codante, necodante, reglatoare

→ gena = unitate de transcripţie.

- cele ~ 25.000 de gene umane conţin numai o mică parte (25%) din ADN nuclear

- clasificate în funcţie de produsul codificat şi de ARN-polimeraza care realizează

transcrierea:

● gene ribozomale (gene de clasă I) - ARN-polimeraza I; codifică molecule de

ARNr 28 S, 18 S şi 5,8 S;

● gene care codifică proteine (gene de clasă II) - ARN-polimeraza II;

● gene care codifică ARN t şi alte molecule mici de ARN (ARNsn, ARNsno) (gene

de clasăIII) - ARN-polimeraza III.

- densitate gene nucleare umane = 1/45 Kb ADN (1/0,45 în ADN mitocondrial);

- distanţa medie dintre gene este de 25-35 Kb25-35 Kb.

1. STRUCTURA GENELOR CARE CODIFICĂ PROTEINE

Majoritatea genelor umane - structură discontinuă: secvenţe codante şi necodante.

- alcătuite dintr-un cadru de citire (reading frame), flancat de secvenţe de reglare a

genei.

1. Cadrul de citire1. Cadrul de citire

= regiunea transcrisă în ARN mesager precursor (ARN-polimeraza II);

- aflat în regiunea centrală a genei;

- alcătuit din secvenţe codante - exoni - şi secvenţe necodante - introni.

► Exonii:

= secvenţele codante ale genei: codifică anumite regiuni ale proteinei = domenii;

- orice genă are n exoni şi n-1 introni

- număr - variabil de la o genă la alta (2 ÷ câteva zeci)

- există gene mici cu un singur exon (ADNmt, histone, interferoni,SRY);

- lungime - variabilă (150 pb) (ex. g. insulinei –150 pb, g. distrofinei – 180 pb).

► Intronii:

= secvenţe care nu codifică nici un produs specific;

- transcrise iniţial în ARNm precursor, dar nu se regăsesc în ARNm matur;

- număr - variabil (2 la genele insulinei ÷ 79 la genele distrofinei);

- 0 – g. interferonului, g. histonelor;

- lungime - variabilă (medie = 1.000 pb), mult mai mare ca a exonilor.

- majoritatea: - încep cu 5'GT (situs donor) şi se termină cu 3'AG (situs

acceptor);

- aceste secvenţe → decupare corectă a intronilor în timpul matisării (splicing)

- rol: încă neelucidat: - iniţial - separare a exonilor;

- mai recent - autoclivare ARN, reglarea expresiei

genelor, chiar funcţii codificatoare.

Cadrul de citire:

- începe cu situsul de iniţiere (start) al transcrierii (SIT);

- urmează regiunea netradusă 5'UTR (untranslated region) care conţine:

● o secvenţă consens (prezentă la toate genele)

● codonul start ATG = locul iniţiere translaţie (coresp. primului aminoacid);

- urmează primul exon (E1);

- după ultimul exon - secvenţa netradusă 3'UTR:

- începe cu un codon stop (TGA, TAG, TAA) (= semnal oprire translaţie);

- se continuă cu secvenţa AATAAA = situsul de terminare transcripţie.

Situs poliA

5’ UTR

E 1 E 2

3’ UTR

Situs iniţiere

transcripţie

E 3

Codon START(ATG)

Codon STOP(TAA)

boxa TATA

boxa CAAT

boxa CG

Situs terminare

transcripţie

Secvenţe octamerice

RE

Activator

5’ 3’

Situs poliA

5’ UTR

E 1 E 2

3’ UTR

Situs iniţiere

transcripţie

E 3

Codon START(ATG)

Codon STOP(TAA)

boxa TATA

boxa CAAT

boxa CG

Situs terminare

transcripţie

Elem. expr. specific tisulară

RE

Activator

5’ 3’

La ~ 20 de nucleotide în aval de situsul terminator - situsul de poliadenilare:- la ARNm se adaugă ~ 200 de nucleotide cu adenozină (A); - desprinderea ARN-polimerazei şi eliberarea moleculei ARN sintetizate.

2. Secvenţele de reglare a genei = secvenţe netranscrise, dispuse de o parte şi de alta a cadrului de citire (majoritatea la capătul 5’)a) Promotorul = succesiune secvenţe situate în amonte de cadrul de citire (pe o distanţă de ~ 150 pb faţă de SIT) - conţine mai multe secvenţe nucleotidice scurte, pe care se fixează proteine reglatoare = factori de transcripţiefactori de transcripţie (TF II – “transcription factors”):

- leagă ARN-polimeraza II a.î. transcripţia să înceapă exact la SIT - cu primul nucleotid,

- activează enzima (ARN-polimeraza nu poate recunoaşte direct promotorul şi nu poate

iniţia singură transcripţia).

- cuprinde mai multe secvenţe scurte:

(1)(1) Boxa Boxa (cutia) (cutia) TATATATA (Hogness)(Hogness)

= secvenţa TATAAA, situată la 25-35 pb în amonte faţă de SIT;

- reprezintă locul la care se fixează ARN-polimeraza II (prin intermediul TFIID);

- necesară pentru iniţierea corectă a procesului de transcriere (în punctul de start);

- asigură expresia genei la un nivel bazal;

Situs poliA

5’ UTR

E 1 E 2

3’ UTR

Situs iniţiere

transcripţie

E 3

Codon START(ATG)

Codon STOP(TAA)

boxa TATA

boxa CAAT

boxa CG

Situs terminare

transcripţie

Elem. expr. specific tisulară

RE

Activator

5’ 3’

- mutaţie → posibilă iniţierea transcripţiei, dar deplasarea punctului de start faţă de

normal;

- prezentă la majoritatea genelor specifice unui anumit tip de ţesut (specific

tisulare);

- la genele comune („housekeeping genes”) - secvenţa GC (insule GC).

(2) (2) Boxa CAATBoxa CAAT

= secvenţa GGCCAATCT, situată în amonte de boxa TATA, la ~ 70-80 pb faţă de SIT

(3)(3) Boxa GCBoxa GC

= secvenţa GGGCGG, situată în amonte de boxa TATA, la ~ 90 pb faţă de SIT

- de (2) şi (3) se fixează alţi TF (cresc eficienţa transcrierii).

Situs poliA

5’ UTR

E 1 E 2

3’ UTR

Situs iniţiere

transcripţie

E 3

Codon START(ATG)

Codon STOP(TAA)

boxa TATA

boxa CAAT

boxa CG

Situs terminare

transcripţieElem. expr.

specific tisulară

RE

Activator

5’ 3’

În regiunea proximală a promotorului - secvenţe ADN care (după fixarea anumitor

TF) stimulează intens / blochează transcripţia → specificitatea expresiei unei gene:

(3)(3) Secvenţele octamerice Secvenţele octamerice (ATTTGCAT)

= secvenţe care determină expresia specifică a anumitor gene în funcţie de tipul

de celulă / stadiul dezvoltării ontogenetice.

(4)(4) Secvenţele (elemente) de răspuns Secvenţele (elemente) de răspuns (“response elements” - RE)

= secvenţe care reglează transcripţia unei gene în funcţie de anumite semnale

extracelulare (t°, C% unor ioni, substanţe nutritive, hormoni, morfogeni) →

activarea anumitor FT → fixare pe RE ale anumitor gene → transcripţia

temporară.

Situs poliA

5’ UTR

E 1 E 2

3’ UTR

Situs iniţiere

transcripţie

E 3

Codon START(ATG)

Codon STOP(TAA)

boxa TATA

boxa CAAT

boxa CG

Situs terminare

transcripţieElem. expr.

specific tisulară

RE

Activator

5’ 3’

b) Intensificatorii (activatori, amplificatori) (enhancers)

= secvenţe ADN care cresc nivelul bazal al transcripţiei ← amplifică activitatea

promotorului (zeci-mii x);

- situaţi în amonte faţă de promotor (la sute / mii de pb faţă de SIT);

- unii funcţionează predominant sau exclusiv în anumite ţesuturi → sugerează

rolul în diferenţierea celulară;

c) Atenuatorii (silencers)

= secvenţe ADN situate în amonte de promotor;

- reduc / reprimă (blochează) transcripţia unor gene.

2. CLASIFICAREA GENELOR CARE CODIFICĂ PROTEINE

Genele care codifică proteine - gene comune şi gene specifice.

(1) Genele comune

= gene care se exprimă în toate celulele;

= gene menajere (housekeeping genes);

- codifică proteine indispensabile funcţiilor celulare

(metabolisme intermediare, sinteză de proteine, etc.);

- reprezintă: > 90% din genele exprimate în orice tip celular;

- se află în regiunile de eucromatină bogate în GC;

- transcrierea lor este în general permanentă, dar la un nivel

scăzut.

(2) Genele specifice

= genele a căror expresie este limitată în timp sau în spaţiu.

Limitare temporală = expresia genelor în anumite stadii ale

dezvoltării, diferenţierii sau ciclului celular.

Limitare spaţială = exprimarea specifică a genelor în

anumite:

- ţesuturi (ex. muscular, nervos, etc),

- linii celulare (ex. celulele derivate din creasta

neurală),

- tipuri celulare (ex. celulele liniei eritrocitare),

- celule individuale (ex. neuroni olfactivi, limfocite B).

- acest tip de expresie stă la baza diferenţierii celulare.

a) Majoritatea genelor - unice (două copii în genomul diploid)

- unele gene - duplicate în cursul evoluţiei →

► pot fi aproape identice şi folosite alternativ în

transcripţie (genele α1 şi α2 pentru α-globină);

► pot suferi modificări minime care nu le alterează funcţia

→ se exprimă:

- în diferite perioade ontogenetice (genele α, β, ε şi γ

pentru

globină) sau

- în ţesuturi sau organe diferite (genele pentru amilaza

salivară / pancreatică).

► pot fi nefuncţionale = pseudogene (ψ)

b. În genom pot fi prezente un număr mai mare/mai mic de secvenţe similare unor

gene funcţionale. Genele care au structură asemănătoare = familii de gene:

(1) Familii clasice de gene

- ex. fam. genelor ARNr, fam. genelor histonelor, fam. genelor β-globinei;

- au ? origine comună ← duplicaţia unei gene ancestrale;

- fiecare genă dintr-o familie poate codifica proteine aseamănătoare structural şi

funcţional;

- unele dintre genele familiei pot fi nefuncţionale → pseudogene.

(2) Familii de gene care codifică factori de transcripţie

- ex. familiile genelor HOX, PAX, SOX, etc. - intervin în embriogeneză;

- genele acestor familii au în comun o secvenţă care codifică un domeniu identic

al proteinei, prin care aceasta se fixează pe ADN-ul genei ţintă

- ex. domeniul homeobox pentru genele HOX.

(3) Superfamilii de gene

- conţin un număr mare de copii ale unei gene ← duplicaţia excesivă a unei gene

ancestrale;

- au structură şi funcţie diferită.

- ex.: ▪ superfamilia genelor imunităţii (genele pentru Ig, genele pentru R

limfocitelor T, genele HLA)

▪ superfamilia genelor care codifică R nucleari pentru hormoni.

3. ELEMENTE GENETICE MOBILE

- unele secvenţe ADN se pot deplasa dintr-o poziţie cromozomială în alta =

transpoziţie; secvenţele = elemente transpozabile / transpozoni.

În funcţie de mecanismele realizării transpoziţiei - transpozoni şi retrotranspozoni.

(1) Transpozonii

= elemente care se deplasează ca atare (sub formă de secvenţe ADN);

- conţin în structura lor şi genele care codifică enzimele necesare exciziei şi

inserţiei lor – transpozaze;

- elementul transpozabil de origine îşi păstrează de obicei poziţia neschimbată →

doar copiile acestuia (← replicare) se deplasează şi se integrează în altă poziţie

din genom;

- la om – încă discutabil.

(2) Retrotranspozonii

- denumirea ← mecanismele transpoziţiei ~ deplasării retrovirusurilor;

- migrarea se realizează prin intermediul transcriptelor ARN;

- cea mai importantă etapă = copierea ARN (reverstranscriptază) într-o moleculă

de ADN → integrată, la întâmplare, într-o altă regiune a genomului.

- au originea în elemente retrovirale, care se integrează în genomul celulelor

germinale → transmise în stare latentă în succesiunea generaţiilor.

- reprezintă marea majoritate a elementelor transpozabile la om → ocupă circa

10% din genom; reprezentate de 2 familii:

- LINEs = produşii transcripţiei ARN-polimerazei II

- SINEs = produşii transcripţiei ARN-polimerazei III.

Existenţa elementelor genetice mobile → plasticitate genom