Curs1

Curs1

GENETICA,ABORDAREA DIN PUNCT DE VEDERE MOLECULARRamurile geneticii: G e n e t i c a este tiina care studiaz ereditatea i variabilitatea lumii vii

Patru ramuri: Genetica fundamental

Genetica populaiilor

Genetica cantitativ

Genetica molecular1. Genetica (fundamental) mendelian

(denumit i genetica clasic) studiaza modul de transmitere ereditar a caracterelor de la o generaie la alta, dar i fenomenele de variabilitate ca urmare a recombinrii materialului genetic prin procesul de crossing-over

Pornete de la fenotip

Analizeaza modalitile de transmitere ale unui caracter n cadrul pedigree-ului unei familii sau n cadrul unor ncruciri ntre organisme experimentale (hibridari).

2.Genetica populaiilor studiaz caracterele la nivelul unei populaii (fie c acest caracter este determinat de una sau de cteva gene).

Analizeaz frecvena genelor i a genotipurilor de la un locus de interes care determin un caracter sau o maladie genetic (de exemplu hemofilia) la om

Modificarea structurii genetice a unei populaii datorit aciunii unor procese ce acioneaz sistematic n populaiile de animale (selecia, migraia, mutaia) sau dispersiv (driftul genetic i consangvinizarea).

Pornete de la fenotip Selecia

3. Genetica cantitativ Studiaz caracterele cantitative (greutate, talie, producii, etc) determinate de gene minore dar i de gene majore

Datele metrice sunt utilizate n procedee matematice pentru estimarea varianelor (s2) care sunt transformate n variana genetic (VG) i de mediu (VE) care determin un caracter cantitativ (VP). Acestea sunt utilizate la determinarea parametrilor genetici: heritabilitate, repetabilitate i corelaii.

mbuntirea produciilor animale prin prisma creterii varianei genetice sau a celei de mediu are loc n schemele de selectie Ameliorarea nsuirilor cantitative (P=A+E) Genetica cantitativ clasic pornete tot de la fenotip sau de la expresia cantitativ a genelor care codific caracterul cantitativ. Estimarea valorii de ameliorare (A) este adesea inexact i ngreunat deoarece la unele specii intervalul dintre generaii este mare, unele nsuiri se manifest doar la un sex, altele se nregistreaz dup sacrificare. VP= VG+ VE VG=VA+VD+VI

VE=VEg+VEs

h2=VA/VP

G=h2*S

4. Genetica molecular este o ramur a geneticii care studiaz la nivel molecular structura i funciile genelor.

Exemplele studiilor de genetic molecular pot fi date pentru fiecare din ramurile geneticii: fundamental, populaional i cantitativ

Utilizeaz informaia genetic la nivel de ADN sau ARN

Uneori utilizeaz informaia de la nivel proteic

Genetica molecular vs. GENOMICADe la principiile clasice la genetica modern Nu exist delimitri nete ntre aceste ramuri

In genetica molecular informaia de la nivel molecular poate fi utilizat pentru :

A) segregarea caracterului (G. Fundamental)

B) structura genetic a populaiei (G.populaiilor)

C) estimarea valorii de ameliorare (G.cantitativ)

Are avantaje majore:

estimarea nu este influenat de condiiile de mediu,

poate fi fcut imediat dup natere,

poate fi realizat la ambele sexe ptr caracterele limitate de sex i pentru cele care se manifest trziu.

Efectul este reducerea intervalului dintre generaii, acurateea crescut n estimare i efecte economice pe termen scurt i lung

Cercetarea fundamental i aplicativ Cercetarea genetic n special i cea tiinific n general poate fi fundamental sau aplicativ.

n cercetarea fundamental experimentele sunt dezvoltate n vederea nelegerii fenomenelor fundamentale care au loc la nivel genetic chiar dac cunotinele dobndite ne conduc ulterior la aplicaii.

Cunotem felul n care anumite gene de la procariote i eucariote sunt reglate ca rezultat al unor cercetri fundamentale realizate pe organisme model cum sunt:bacteria Escherichia coli, drojdia Saccharomyces cerevisiae i musculia de oet Drosophila melanogaster.n cercetarea aplicativ, experimentele sunt realizate avnd un altfel de scop Cercetarea aplicativ pune n acord rezulatele cercetrii fundamentale cu nevoile practice

n domeniul agricol, genetica aplicat a avut un rol major n mbuntirea performaneor animalelor de ferm i a produselor i subproduselor acestora (prin scderea cantitii de grsime din carnea de vit i de porc) iar la plantele de cultur prin creterea cantitii de protein (de exemplu la soia).

n domeniul medical - Un numr relativ mare de maladii umane sunt determinate genetic, progrese considerabile fiind realizate astzi prin nelegerea mecanismelor moleculare care le determin i prin implementarea diagnosticului molecular Cercettorii lucreaz n genere cu un principiu binecunoscut azi: metoda ivestigaiei ipotetico-deductive.

Metoda const n efectuarea de observaii, formularea de ipoteze (care ncearc s explice observaia) i formularea ipotezelor experimental-predictive. n ambele domenii de cercetare: fundamental i aplicativ sunt utilizate tehnici similare care se dezvolt permanent i depind de acumularea de informaii. De ele se ine cont atunci cnd sunt formulate ipotezele. Genetica populaiilor i genetica cantitativ sunt ramuri care fundamenteaz una dintre cele mai importante tiine aplicative i anume ameliorarea plantelor i animalelor. Astzi ambele ramuri sunt abordate prin prisma geneticii moleculare pornind de la informaia molecular i nu de la fenotip

Genetica molecular i ingineria genetic fundamenteaz biotehnologiile.

RESURSELE BIOINFORMATICE N GENETICResurse bioinformatice de baz n genetic: Bazele de date genetice , hrile genetice i organismele model Bazele de date genetice : sunt din ce n ce mai sofisticate i mai complexe pe msura dezvoltrii instrumentelor de analiz computerizat iar accesul la ele via internet a devenit o rutin.

Construirea hrilor genetice de linkage face parte din analiza genetic de aproximativ 100 de ani. Bazele de date Cantitatea de informaie din domeniul genetic a crescut astzi considerabil i se completeaz n fiecare zi.

Astzi pot fi accesate pe internet mai multe baze de date tiiinifice;

datele cercetate trebuie selectate critic avnd n vedere multitudinea de informaie disponibil.

Un site de ncredere pentru accesare, este baza de date a National Center for Biotechnology Information (NCBI) (http://www.ncbi.nlm.nih.gov).

NCBI a fost creat n 1988 ca resurs naional pentru informaia de biologie molecular.

Rolul su a fost de a crea baze de date genetice publice i dezvoltarea de instrumente software pentru analiza datelor genomice, diseminarea informaiei biomedicale pentru o mai bun nelegere a proceselor moleculare care afecteaz sntatea uman dar i ptr nelegerea conceptului de boal n general. Baza de date de biologie moleculara europeana EMBL (European Molecular Biology Laboratory) si cea japoneza a National Institute of Genetics DDJB (DNA Databank of Japan) De asemenea, exista baze de date i pentru proteine (UniProt/SwissProt)Cele trei baze de date sunt interconectate/IAM i ICM

Instrumente de cutare disponibile pe NCBI sunt: PubMed poate fi utilizat pentru accesarea literaturii de specialitate, a citrilor i a rezumatelor i deine linkurile pentru accesarea jurnalelor n format electronic

Unele articole pot fi accesate n ntregime, pentru altele este necesar nscrierea pentru a fi vizualizate.

Cheile de cutare n aceast baze de date sunt multiple:dup numele sau abrevierea genei, proteinei, o maladie, nume autor, titlu, jurnal sau termeni cheie.

OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) este o baz de date care cuprinde genele umane i bolile genetice, creat i editat de ctre Dr. Victor A. McKusick i colegii si. Cutarea n baza de date OMIM se face dup cuvinte cheie iar rezultatul este o list de linkuri, fiecare cu numr specific de pagin. Paginile deschise prezint informaii detaliate specificate n cutarea iniial despre gen sau maladia genetic, inclusiv aspecte genetice, moleculare i biochimice, continuate ntotdeuana cu literatura de specialitate citat i adus la zi.OMIA (Online Mendelian Inheritance in Animals) link extern OMIA este baza de date a genelor, bolilor ereditare i locilor ce determin un anumit caracter la animale. A fost conceput de ctre prof. Frank Nicholas de la universitatea Sydney din Australia, la mbogirea creia au participat numeroi cercettori din ntreaga lume.

Baza de date conine informaii text i referinele bibliografice despre boal, gen sau modalitatea de motenire a ei, precum i linkurile de baz ctre baza OMIM, PubMed, Gene i baza de date Phenotype a NCBI.GeneBank GeneBank este baza de date a secvenelor genetice ale Institutul Naional de Sntate (NIH). Aceast baz de date este o colecie adnotat a zeci de milioane de secvene ADN disponibile. Pentru cutare n acest baz de date se utilizeaz termeni de cutare cu referire la o anumit gen, protein sau maladie (de exemplu) Dac dorim s aflm date despre secvena genei ce determin fibroza chistic, termenul de cutare va fi chiar aceast maladie, urmnd s primim toate intrrile de date de secven ce au fost publicate pn n prezent i literatura de referin. BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) este un instrument de comparare a secvenelor nucleotidice sau proteice cu toate secvenele din baza de date n vederea gsiri de similitudini ntre secvene. Instrumentul este util atunci cnd am secveniat o gen nou i dorim s gsim orice similitudine cu alte secvene incluse n bazele de date.

n plus, genele cu funcii nrudite pot fi listate din bazele de date ceea ce ne ajut n continuare s cercetm funcia genei pe care o studiem. Entrez Entrez este un sistem de cercetare pentru mai multe baze de date de legtur.

Bazele de date includ informaii PubMed, secvenele nucleotidice ADN sau ARN din Genebank, secvenele de aminoacizi pentru proteine, structura tridimensional a macromoleculelor, Genome pentru asamblarea secvenelor genomice; RefSeq o baz de date ce conine colecia de adnotri pentru gene i proteinele derivate din transcript, i PopSet, baza de date pentru studiile populaionale privind bolile genetice umane. Bazele de date ce dorim s le accesm pot fi selectate din meniu.Books Books este o colecie biomedical de cri care pot fi accesate direct. Colecia include cri din domeniul genetic, al biologiei moleculare sau din biologia dezvoltrii. 2. Hrile genetice ncepnd cu anul 1902 au fost realizate primele hri genetice prin analiza de linkage

hrile genetice ne arat poziia genelor de-a lungul unui cromozom precum i distanele dintre acestea

an de an aceste hri au fost completate, mai ales pentru organismele experimentale din genetic.

HARTA DE LINKAGE

Distana genetic dintre genele situate pe acelai cromozom este rezultatul frecvenei de apariie a organismelor recombinate obinute n cadrul retroncrucirilor i se exprim n centiMorgani (cM)Scopul construiri hrilor genetice nelegem modul n care sunt organizate genele de-a lungul unui cromozom (pentru a ne informa dac genele sunt situate pe acelai cromozom i dac da, ele se transmit prin linkage complet sau are loc recombinarea genetic?.

Cu ajutorul hrilor genetice putem obine informaii despre secvenele unui genom.

Hrile fizice distanele se msoar n uniti fizice pB

Hrile genetice se suprapun peste hrile fizice hrile cromozmiale genomice

Prin secveniere - hrile moleculare 3. ORGANISMELE MODEL N CERCETAREA GENETIC

MODELUL GENETIC EUCARIOT

MODELUL GENETIC PROCARIOTOrganismele pentru cercetarea genetic/organismele model De la nceputul secolului XIX , de cnd Gregor Mendel a elaborat prima teorie a ereditii mai multe organisme au fost utilizate n cercetarea din domeniul genetic avnd ca scop principal nelegerea funciilor i ulterior a structurii genelor.

Uneori funciile anumitor gene sunt extrem de conservate , motiv pentru care oamenii de tiin au constatat c funciile acestor gene, pot fi extrapolate de la un anumit organism i aplicate generic i la alte organisme.

Organismele model sunt acele organisme la care se aplic acest principiu. Acestea conin n genom gene cu funcii conservate

Caracteristici generale ale organismelor model:1. Organismele au un ciclu de via scurt astfel nct se poate obine un numr mare de generaii ntr-un interval relativ scurt de timp. Se pot obine date de la mai multe generaii ntr-un timp relativ scurt. De exemplu, la muscuia de oet ciclul generativ este ntre 10 14 zile.2. Produc un numr mare de descendeni n urma unei ncruciri.3. Organismele se pot ntreine uor, n spaii mici (de exemplu, mii de musculie de oet pot fi uor crescute n sticle mici).4. Exista variabilitate genetic ntre indivizii populaiei sau aceasta trebuie indus prin intermediul mutaiilor astfel nct s poat fi studiat motenirea caracterului alterat

Modelul genetic eucariot Att organismele eucariote ct i procariotele sunt utilizate n cercetrile genetice.

Eucariotele sunt organisme cu nucleu adevrat, nconjurat de membran nuclear, n care materialul genetic este reprezentat de ADN.

Eucariotele pot fi unicelulare sau pluricelulare.

Pn recent au fost utilizate ase organisme model eucariot

n cercetarea genetic: drojdia Sacharomyces cerevisiae (drojdia de bere), Drosophila melanogaster (musculia de oet), Caenorhabditis elegans (vierme nematod), Arabidopsis thaliana (plant din familia mutarului), Mus musculus (oarece), i Homo sapiens. Dei este inclus n aceast categorie omul nu ntrunete criteriile descrise mai sus pentru a fi un model experimental, cu toate acestea omul este cel pentru care se fac majoritatea studiilor din genetic. Cunotinelor dobndite n urma cercetrii genetice pe organismele model produc descifrri ale mecanismelor care determin bolile umane, pot fi testate medicamente noi i descifrat rspunsul la un anumit tratament

Cu ajutorul lor este neles procesului de dezvoltare i evoluie. De-a lungul anilor alte apte organisme eucariote au contribuit la dezvoltarea cunoaterii prin experimentele efectuate asupra acestora n calitate de organisme model: Neurospora crasa (fungi filamentosi), Tetrahymena (protozoar), Paramecium hardtii (protozoar), Chlamydomonas reinhardtii (alg verde), Pisum sativum (mazre), Zea mays (porumb) i Danio rerio (petele zebr).

Tetrahymena, Paramecium, Chlamydomonas i Sacharomyces sunt organisme unicelulare, restul fiind pluricelulare. Celula animal i vegetal

Celula animal vs celula vegetal ambele conin o membran celular ns celula animal este lipsit de perete celular.

Nucleii celulelor eucariote conin molecule de ADN organizate n structuri liniare numite cromozomi i asociate cu proteine histonice.

Nucleul este separat de restul celulei (citoplasm i organite celulare) printr-o membran nuclear care este strbtut de pori nucleari, de dimensiuni 20-80 nm, prin care pot trece molecule - nspre citoplasm, cum sunt moleculele de ARNm care transport informaia din nucleu n citoplasm, la ribozomi, unde are loc sinteza proteinelor i dinspre citoplasm n nucleu: cum sunt de exemplu enzimele pentru replicarea ADN, repararea ADN, transcripie i proteinele histonice asociate ADN. Citoplasma i organitele celulare Citoplasma celulelor eucariote conine numeroase organite celulare. De interes specific pentru geneticieni sunt centriolii, reticulul endoplasmatic, ribozomii, mitocondria i cloroplastele.

Centriolii, numii i corpusculi bazali se gsesc n aproape toate celulele animale i lipsesc n celulele vegetale.

O pereche de centrioli sunt localizai n poriunea central a unui centrozom, o regiune a citoplasmei nedifereniat, responsabil de organizarea fibrelor fusului de diviziune pe care se vor ataa cromozomii n timpul segregrii din mitoz i meioz. Reticulul endoplasmatic este o structur dublu-membranar care nconjoar membrana nuclear.

Reticulul endoplasmatic rugos are ataai ribozomii (care conin ARNr) i care dau aspectul rugos.

La ribozomi are loc sinteza de proteine ce vor fi excretate n celul sau fi depozitate n membrana plasmatic sau n altete organite celulare din interiorul celulei.

Sinteza de proteine, altele dect cele distribuite via reticulul endoplasmatic rugos, sunt sintetizate de ribozomii liberi din citoplasm. Mitocondria este cel mai larg organit celular nconjurat de o membran dublu-stratificat, ce joac un rol esenial n producerea energiei necesare celulei.

De asemenea mitocondria are un genom propriu format din ADN dublu catenar circular (DNAmt) ce codific anumite proteine cu rol funcional la nivelul local i cele implicate n mainria de producere de energie mitocondrial necesar celulei. Cloroplastele din celula vegetal Celulele vegetale conin cloroplase mari, triplu stratificate ce conin organite implicate n fotosintez.

Cloroplastele conin ADN cloroplastic (ADNcp) ce codific proteine cu rol funcional i alte cteva componente ale sistemului de sintez proteic cloroplastic.

ADNcl alturi de ADNmt formeaz genomul extranuclear (citoplasmatic) al plantelor Modelul procariot n contrast cu eucariotele, procariotele nu au membran nuclear care nconjoar nucleoidul.

Toate bacteriile fac parte din categoria procariotelor, care cuprind celule de forme sferice, bastona sau spiralate.

Forma bacteriei este meninut de un perete celular rigid situat nafara membranei celulare.

Procariotele sunt mprite n dou grupe mari: Bacteria i Archea.

Grupul Bacteria cuprinde majoriatatea bacteriilor cu rspndire variabil: n corpul organismelor vii, n sol, n ap.

Archea cuprinde bacteriile strvechi, adaptate la condiii din ce n ce mai vitrege cum sunt: ape termale, ape hiperhaline, zcminte de petrol, medii bogate n metan sau cu presiuni nalte cum sunt adncurile oceanelor.

Modelul procariot- Escherichia coli n majoritatea cazurilor, procariotele studiate n genetic fac parte din grupul Bacteria. Cel mai mult studiat, cunoscut i complet caracterizat este E.coli, o bacterie saprofit ntlnit n intestinul animalelor cu snge cald, n soluri i ape, care cuprinde nu mai puin de 1000 specii, majoritatea saprofite. Grupul Archea cuprinde i specii ce triesc n condiii naturale normale cum sunt ape i soluri.

Bacteriile variaz n dimensiuni ntre 100 nm i 10 m n n diametru.

Cele mai mari specii cum este Thiomargarita namibiensis, de form sferic poate avea un diametru de mm, fiind vizibil chiar i cu ochiul liber (avnd mrimea unui ochi de la Drosophila melanogaster). STRUCTURI CELULARE CU ROL GENETIC LA PROCARIOTE I LA EUCARIOTE

GENOMUL NUCLEAR

GENOMUL EXTRANUCLEARStructuri celulare cu rol genetic Sunt considerate c au rol genetic acele structuri celulare ce ndeplinesc dou condiii de baz: capacitatea de autoreproducere n momentul diviziunii celulare i continuitate fizic de la o generaie la alta.

n celula animal, aceste condiii sunt ndeplinite de cromozomi i nucleoli la nivelul nucleului i de mitocondrii i structurile productoare de fibrile (centrioli i kinetosomi) la nivelul citoplasmei.

La plante, plastidele i mitocondriile, iar la bacterii, plasmidele localizate n citoplasm, asigur ereditatea extranuclear.

Structura fizic a cromozomilor eucarioi Cromozomii sunt corpusculi cu afinitate pentru colorani bazici de unde i denumirea lor: chroma culoare, soma corp. Se gsesc n toate celulele somatice ale organismelor eucariote, cu excepia hematiilor.

Morfologia cromozomilor poate fi descris n metafaza mitozei cnd acetia sunt mai scuri, mai groi i mai uor de identificat dup o colorare prealabil.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Grupe morfologice de cromozomi dup poziia centromerului Metacentrici (p=q)

Submetacentrici (p