1. Componente i funcii Aparatul genetic este format din: nucleu, mitocondrii, ribozomi i centrul celular. Nucleul - conine 98% din ADN celular - nr. moleculelor de ADN nuclear este dependent de nr. de crs n celule somatice - 46 molecule de ADN n 46 de crs n celule sexuale - 23 molecule de ADN n 23 de crs - informaia genetic constituie gena. Totalitatea genelor din 46 crs ai celulelor somatice formeaz genotipul (50% matern i 50% patern). Mitocondrii - conin 2% din ADN celular i cteva copii mici de ADN circular - informaia genetic constituie plasmotipul - transmiterea IG se face pe linie matern Ribozomi - component a aparatului de translaie (traducere) a IG - controleaz biosinteza proteinelor Centrul celular - formeaz aparatul de diviziune, responsabil pentru repartizarea MG n procesul de transmitere a IG de la: o generaie de celule la altele (mitoza), de la prini la copii (meioza). ADN Macromolecule formate din dou catene polidezoxinucleotidice complementare, antiparalele, n form de dublu helix. IG este nscris sub forma unei secvene, prin succesiunea a patru baze azotate: A, G, C, T Bazele se combin cte trei, formnd tripletele codului genetic. Fiecare triplet codific un anumit aminoacid: AAA - Lys, CAG - Gln, TGC - Cys, CGA - Gly. Succesiunea tripletelor determin succesiunea aminoacizilor dintr-un polipeptid. Succesiunea aminoacizilor determin particularitile funcionale i structurale ale proteinei. Proteinele determin toate structurile celulare. ADN deine IG despre: - structura, particularitie funcionale ale organismului - particulariti de dezvoltare, reproducere, rspunsuri la aciunea factorilor de mediu - interaciunea dintre diferite elemente ale aceluiai organism sau cu alte organisme ADN-ul transmite IG din generaie n generaie, n baza replicrii (1 mol. ADN - 2 mol. ADN). n timpul replicrii, pot aprea mutaii (modificri n secvena nucleotidic). Mutaiile pot fi adaptive sau patologice. Pentru a evita mutaiile patologice, are loc reparaia (revenirea la 2. structura iniial). ADN-ul realizeaza IG n timpul sintezei moleculelor de ARN i proteine. ADN poate fi transcris sub secvene nucleotidice de ARNm, ARNr, ARNt i microARN, care particip la translaia IG i sinteza lanurilor polipeptidice. Procesele de baza din celulele umane sunt: - Replicarea ADN - Reparaia ADN - Transcripia ADN i translaia ARNm Toate aceste procese: - sunt programate - se realizeaz matriceal - se desfoar dup principiul complementaritii bazelor azotate - necesit factori proteici - necesit secvene nucleotidice reglatoare - necesit factori proteici i energie pentru despiralizarea ADN-ului sau ARN-uluica s fie accesate matriele i citite secvenele nucleotidice. - se desfoar n mai multe etape cu cooperarea numeroilor factori proteici, defectul sau absena unei proteine pot compromite calitativ sau cantitativ replicarea, reparaia, transcripia sau translaia. - prezint principii generale comune la diferite organisme, unele aspecte sunt aceleai i la procariote i la eucariote, inclusiv i la om. Genomul nuclear al celulei somatice - reprezint 95-98% din cantitatea de ADN celular, este fragmentat n 24 molecule de ADN: 22 molecule ce formeaz crs autozomi, o molecul ce formeaz crs X i o molecul ce formeaz crs Y - nucleul, conine: a)7 pictograme de ADN b) circa 30k perechi de gene codificatoare de proteine c) 90% regiuni eucromatice i 10% regiuni heterocromatice G.n. reprezint o comunitate simbiotic de secvene nucleotidice, const din elemente: a) obligatorii: determin formarea i transmiterea caracterele de specie, individuale, structurale i funcionale ntr-un ir de generaii. Din aceste elemente fac parte: genele structurale, genele ARNr i ARNt, secvenele inversate i palindromii, secvenele centromerice i telomerice b) facultative: substrat n evoluia genomului, reprezentate de: pseudogene, transpozoni (elemente mobile), secvene de ADN viral, ADNc. Genomul mitocondrial 3. - reprezentat de 2-10 copii circulare de ADN - fiecare molecul de ADN const din 16.569 perechi nucleotide. Ambele catene conin gene structurale care sunt lipsite de introni i se separ unele de altele prin gene ARNt. n fiecare molecul de ADN sunt localizate: 13 gene ce codific proteine, 2 gene pentru ARNr i 22 gene pentru ARNt. Se caracterizeaz prin: - nr. variabil a copiilor per celul - localizarea compact a genelor - lipsa secvenelor necodante - mutabilitate nalt a secvenelor nucleotidice - transmitere pe linie matern Dinamica materialului genetic nuclear MG este reprezentat de complexe nucleoproteice (ADN, ARN, proteine histone i nehistone). Particularitile MG se modific n dependen de: perioada ciclului celular, perioada ontogenetic, tipul celulei, aciunea factorilor de mediu. MG se poate prezenta sub form de: cromatin sau crs (mono- sau bicromatidieni), secvene genetic active i inactive transcripional. Compactizarea MG MG poate fi reprezentat de cromatin (n nucleul interfazic) i de crs (n timpul diviziunii). Cromatina reprezint forma extins i despiralizat a crs, i se clasific n: - eucromatina: regiunea slab condensat, conine gene structurale, poriunea activ a ADN din punct de vedere transcripional. - heterocromatina: regiunea puternic condensat, inactiv genetic, nu se supune transcripiei. Sunt dou tipuri de heterocromatin: a) constitutiv: conine ADN repetitiv (satelit), nu conine secvene codificatoare i nu poate fi transcris. b) facultativ: conine secvene codificatoare neactive, funcia fiind dependent de momentul ontogenetic, de esut sau de sex. Se poate transforma n eucromatin. Cantitatea MG n celulele somatice depinde de perioada ciclului celular. Celula tnr, n perioada G1 a interfazei conine 46 de crs monocromatidieni (46 molecule de ADN). n perioada S crs devin bicromatidieni (92 molecule de ADN). Cromatidele crs rmn unite prin centromer pn n anafaza mitozei, cnd are loc distribuia MG la celulele fiice. Activitatea MG Reprezint capacitatea ADN-ului de a fi transcris. Pentru ca o secven de ADN s fie transcris sunt necesare urmtoarele evenimente: 4. - solicitarea produsului proteic respectiv n celul - activarea unor factori de transcripie specifici - eucromatizarea secvenei respective de crs Eucromatizarea i transcripia sunt posibile doar n interfaz. Sub aciunea unor inductori ai transcripiei, are loc sinteza unei molecule de ARN. Tipul i cantitatea proteinei este n dependen de necesitatea celulei. Produii proteici ai genelor se clasific n: - proteine house keeping - proteine specifice - proteine necesare unei anumite perioade ontogenetice, necesare organismelor de sex feminin sau masculin, necesare n anumite condiii de mediu Variabilitatea Proprietatea de a obine caractere noi, diferite de cele ale prinilor. - determinat de factori ecologici i ereditari - se manifest prin modificri genetice, biochimice, fiziologice i morfologice - polimorfismul genetic i fenotipic individual - selecia natural - supravieuire organismelor n diversele condiii ale mediului Factori ecologici care determin apariia variaiilor: externi (fizici, chimici i biologici) i interni (produi intermediari ai metabolismului, diferite stri fiziologice). Variabilitatea se clasific n: ereditar (genotipic) i neereditar (fenotipic). Varabilitatea genotipic este - combinativ: recombinare genomic, intercromozomic, intracromozomic, genic - mutaional: mutaii genomice, cromozomiale, genice Variabilitatea fenotipic este reprezentat de: modificri ontogenetice, fenocopii, anomalii spontane produse sub aciunea factorilor mezologici, modificri n limitele normei de reacie cu caracter adaptiv. Variabilitatea neereditar (fenotipic) Sau modificaiunile, nu afecteaz genotipul. Reprezint capacitatea organismului de a rspunde prin schimbri morfologice, fiziologice i biochimice fa de factorii mediului ambiant. Se caracterizeaz prin: - variaii fenotipice neereditare - poart un caracter adaptiv - reprezint stri reversibile de durat diferit - determin capacitatea organismelor de a reaciona diferit Modificaiunile se produc n anumite limite, controlate genetic. Pentru fiecare organism aceste 5. limite sunt individuale, i se numesc norma de reacie, care reprezint rspunsul fenotipic al organismului la aciunea factorilor mezologici. Fenotipul rezult din interaciunea genotipului cu mediul ambiant (ecologic, familial, social). Sunt indivizi cu norm larg de reacie (potenial genetic favorabil), n limite relative i n limite restrnse (oligofreni). Unii factori ai mediului pot avea un impact distructiv asupra organismului, prezentnd anomalii de dezvoltare teratogene. Factorii teratogeni (fizici, chimici, biologici), afecteaz dezvoltarea embrionilor, prezentnd anomalii (morfologice, fiziologice sau biologice) la natere. Acestea pot fi confundate cu defectele ereditare, din care motiv se numesc fenocopii. Variabilitatea ereditar (genotipic) Spre deosebire de modificaiuni, variaiile ereditare sunt produse prin modific ale MG. Se caracterizeaz prin: - determinate de modificri specifice ale MG - apar spontan - se transmit de-a lungul generaiilor - sursa principal a evoluiei lumii vii - baza polimofismului populaiei Sursele biologice ale variaiilor sunt mutaiile i recombinarea materialului ereditar. Variabilitatea combinativ Recombinarea MG este asigurat de procesele legate de nmulirea sexuat. Deosebim: - recombinare genomic: n procesul fecundaiei - recombinarea intercromozomic: n anafaza I a meiozei - recombinarea intracromozomic: n procesul crossing-overului. Importana biologic a recombinrii MG: - combinarea aleatorie a genelor de origine parental diferit i naterea unor indivizi cu caractere comune ale ambelor prini - selecia natural prin eliminarea indivizilor cu combinaii defavorabile de gene i supravieuirea celor cu caractere normale - evoluia speciei datorit seleciei genelor evaluante Variabilitatea mutaional Mutaia - fenomen de apariie a variaiilor discontinue n urma modificrilor suferite de MG, prin care apare un fenotip nou. Mutaia apare rar i rmne de-a lungul generaiilor. Procesul apariiei mutaiei se numete mutagenez. Agenii mutageni sunt factorii fizici, chimici i biologici care produc mutaiile. n urma mutaiei, pot aprea gene mutante, cu informaie ereditar diferit de cea iniial (gen de tip slbatic). Sunt trei tipuri de mutaii: - genice: se produc la nivelul moleculei de ADN - cromozomice: modificri structurale ale crs 6. - genomice: modificri ale setului diploid (46) de crs, afectnd fie 1-2 perechi de crs (aneuploidie), fie toi crs (poliploidie). Deseori mutaiile cromozomice i genomice sunt reunite ntr-un singur grup - anomalii crs. Mutaiile genice pot fi spontane sau induse. Mutaiile pot fi clasificate i dup tipul de celul afectat: - germinale: produc gamei anormali - somatice: formeaz o clon celular anormal Modificrile MG se pot rsfrnge asupra proprietilor vitale ale org. mutant, i pot fi: - mutaii evaluante: pozitive, apariia unor caractere noi ce mbuntesc rezistena - mutaii neutre: nu afecteaz vitalitatea, produc polimorfisme genice i fenotipice - mutaii defavorabile: negative, letale sau subletale Polimorfismul ADN Variaii nucleotidice, pot fi n interiorul genelor ct i n regiunile intergenice. Tipuri de polimorfisme ADN: - SNP: variaii a unui singur nucleotid - STR: variaii microsatelitice di-, tri-, tetra- i pentanucleotidice - VNTR: variaii minisatelitice Polimorfismele nu se manifest n fenotip, constituie baza molecular a individualitii ADN-ului uman. Situsurile polimorfe sunt marcheri n identificarea persoanelor (dactiloscopia genomic). Cromozomii umani Corpusculi colorai, n interfaz sunt decondensai i se prezint sub form de filamente, fibre sau bucle de cromatin n nucleul celulei. Deosebim segmente active transcripional (eucromatina) i inactive (heterocromatina). Fiecare crs formeaz o nucleoproteid cu diferite nivele de compactizare: 1) Nucleosomic: apare n urma interaciunii ADN-ului cu proteinele histone. Octamerele histonice (2H2A, 2H2B, 2H3 i 2H4) transform molecula de ADN n filament nucleoproteic polinucleosomic. Gradul de compactizare este de circa 6 ori. 2) Solenoidul: apare n urma supraspiralizrii filamentului de cromatin, n prezena H1. Solenoidul se reprezint sub form de fibr nucleoproteic. Gradul de compactizare este de circa 40 ori. 3) Crs metafazic: apare n urma rsucirii buclelor n jurul axului cromozomial. Gradul de compactizare este de circa 10000 ori. Crs reprezint nivelul supramolecular de organizare a MG. Molecula de ADN este principalul component al crs, ce-l conine sub form de gene. Un crs conine de la sute la mii de gene: - reprezint un grup de nlnuire - asigur ordonarea genelor - asigur transmiterea nlnuit a genelor i caracterelor 7. Crs se autoreproduc n perioada S a interfazei, prin replicare semiconservativ a ADN. La sfritul perioadei S, crs devin bicromatidieni. Crs reprezint structuri dinamice, au structur neomogen. Deosebim segmente: - secvene codficatoare i necodificatoare - secvene unice i repetitive - regiuni ce corespund eucromatinei i heterocromatinei - regiuni ce se deosebesc dup gradul de dimensiune a buclelor - regiuni cu un coninut diferit de perechi A=T/G=C - regiuni cu o cantitate diferit de proteine asociate Fiecare celul are un set diploid de crs. Fiecare crs n setul diploid i are omologul su. Cele 23 de perechi de crs ale celulei umane constituie cariotipul, care se implic n formarea fenotipului organismului uman. Modificrile nr. sau structurii crs produc anomalii de dezvoltare - sindroame crs plurimalformative, sau determin transformarea clonelor celulare anuploide. Tehnicile de cariotipare sunt utilizate pentru depistarea anomaliilor de nr. sau de structur a crs. Morfologia crs metafazici Crs n metafaz sau prometafaz: - se afl n acelai plan - placa ecuatorial - sunt compactizai - sunt bicromatidieni Elemente morfologice: - cromatida: o molecul de ADN liniar, asociat cu proteine histone i nehistone, maximal compactizat. Sunt n numr de dou, unite prin centromer de la perioada S pn n anafaz. - centromer: secvena de ADN asociat cu proteine histone, unete cromatidele. Poziia este fix, mprind cromatidele n dou brae: proximal p i distal q. Controleaz formarea kinetocorilor, asigur distribuia MG. - telomeri: secvene de ADN asociate cu proteine speciale de la capetele crs. Protejeaz capetele crs de nucleaze, mpiedic fuziunea crs, asigur replicarea ADN-ului nuclear. - constricii secundare: regiuni de ADN repetitiv despiralizate, slab colorate, prezente pe braele distale (1, 9, 16) i pe braele proximale (13, 14, 15, 21, 22). - satelii: segmente mici de heterocromatin constitutiv. - situsuri fragile: regiuni crs decondensate, rezisten sczut la aciunea mutagen, determin rearanjamentele crs. Sunt considerai marcheri genetici normali. Se pot asocia cu unele stri patologice. Clasificarea crs umani n celulele somatice exist cte un set diploid de crs (2n=46), adic 23 de perechi: - autosomi: 22 perechi identice la femeie i brbat - gonosomi: 1 pereche diferit la ambele sexe - XY la brbat i XX la femeie Crs omologi: identici morfologic i genic, dar diferii ca origine. n celulele sexuale mature (gamei), exist cte un set haploid de crs (n=23): n ovule 23,X, n 8. spermatozoizi 23,X sau 23,Y. Pentru identificarea crs, se utilizeaz diferite criterii. Criteriul morfologic determin dimensiunile crs. Deosebim criterii cantitative (lungimea crs) i calitative (prezena constriciilor secundare). Dup lungime crs se clasific n: mari, mijlocii i mici. Indicele centromeric caracterizeaz poziia centromerului. Dup poziie, ei se clasific n: metacentrici, submetacentrici i acrocentrici. n baza criteriilor cantitative i calitative, crs se grupeaz n 7 grupe: - A: perechile 1-3, cei mai mari, metacentrici. - B: perechile 4-5, mari, submetacentrici. - C: perechile 6-12, mijlocii, submetacentrici. - D: perechile 13-15, mijlocii, acrocentrici, sunt 16 crs la femeie i 15 la brbat. - E: perechile 16-18, crs 16 este metacentric mijlociu / crs 17-18 sunt submetacentrici mici. - F: perechile 19-20, mici, metacentrici. - G: perechile 21-22, mici, acrocentrici. Ajut la determinarea sexului, la femei sunt 4 acrocentrici mici i la brbai sunt 5 acrocentrici mici. Studiul crs umani Evideniaz polimorfismele individuale, evalueaz nr, forma, structura i prezena unor repere. Se clasific n: - metafazici: colorare omogen, difereniat, autoradiografie - prometafazici: colorare difereniat, autoradiografie - interfazici: FISH, mFISH, SKY, CGH Studiul crs n metafaz este etapa optim, din motiv c crs sunt maximal condensai i dispui ntr-un singur plan. Cerine: - s se obin celule n diviziune - s se blocheze diviziunea n metafaz - s se realizeze un preparat crs Marcajul n benzi Benzile reprezint un grup de tehnici speciale, pentru evidenierea n lungul cromatidelor alternana de zone colorate i necolorate. Ele reflect: - structura discontunu a crs - identificarea unei specii - identificarea perechilor de crs omologi - identificarea fiecrui crs - diagnosticul citogenetic n consecin se obin benzi colorate (pozitive) i necolorate (negative). Tehnici de citogenetic molecular Metode de hibridizare in situ: 9. - FISH Se utilizeaz pentru evidenierea: crs supranumerari, anomalii crs de structur, localizarea genelor. - CGH Determin regiunile cromozomiale deletate sau amplificate ntr-un anumit tip de cancer. - SKY Se bazeaz pe utilizarea unui set de sonde fluorescente cu colorani diferii. Nomenclatura crs umani Cariotip feminin normal - 46,XX Cariotup masculin normal - 46,XY Cariotipurile anormale pot caracteriza anomaliile cromozomiale numerice sau anomaliile structurale: - anomalii ale autosomilor: 47,XX, +21 (trisomia 21), 47,XY, +13 (trisomia 13), 45,XX, -8 (monosomia 8). - anomalii ale gonosomilor: 45,X (monosomia X), 47,XXY (disomia X), 47,XXX (trisomia X). n rezultatul colorrii, observm benzi net conturate, centromer, telomerele. Aceste repere delimiteaz regiuni, care au mai multe benzi i subbenzi. Crs metafazici prezint 400-500 benzi, crs aflai n profaza timpurie prezint 1800-2000 benzi. Nomenclatura benzilor Regiunile i benzile se numeroteaz de la centromer spre telomere pentru fiecare din brae. Exemplu: 7q12 - crs 7, braul distal q, regiunea 1, banda 2. Variaii ale cariotipului la persoane cu fenotip normal Exist o serie de abateri de la regulile generale stabilite, dar care nu reprezint anomalii cromozomice. Variaii numerice - la femeie: dup vrsta de 60 ani, celulele pot pierde unul din crs X, devenind 45,X - la brbat: dup vrsta de 70 ani, celulele pot pierde crs Y, devenind 45,X Variaii structurale - lungimea i forma crs omologi variaz - localizarea sateliilor, de obicei se gsesc n crs acrocentrici, cu excepia crs Y - constriciile secundare reprezint zone decondensate, situate n regiunile proximale ale braelor lungi ale crs Polimorfismele de bandare (benzile Q, G i C) - diferene n ceea ce privete mrimea i aspectul unor zone cromozomice. Polimorfism: nu modific expresia fenotipic. Polimorfismul este utilizat pentru evidenierea unor caractere de la prini la copii, pentru determinarea originii parentale a nedisjunciei n aneuploidii, pentru stabilirea unor grupe de nlnuire genic. 10. Anomalii crs Reprezint modificri ale nr. sau structurii crs caracteristic speciei (la om - 46 crs n celule somatice). Sunt anomalii: - numerice: se divizeaz n poliploidii (tetraploidii 4n i triploidii 3n) i aneuploidii (monosomii 45,X i trisomii 47,XXY, 47,XX,+21). - structurale: se divizeaz n echilibrate (inversii, translocaii reciproce i robertsoniene) i neechilibrate (deleii, duplicaii, izocrs, crs inelari). Anomalii crs de structur Pot fi clasificate n dependen de efectul fenotipic i de mecanismul de producere. Anomaliile crs structurale se mpart n: - echilibrate (inversii, translocaii): nu modific fenotipul. - neechilibrate (deleii, duplicaii): produc fenotipuri anormale. Anomalii crs echilibrate Inversia reprezint o anomalie de structur, caracterizat prin modificarea ordinii genelor de pe un fragment crs. Mecanismul const n ruperea crs n dou puncte i rotirea cu 180* a fragmentului intermediar. Inversiile pot fi de dou tipuri: - pericentrice: produse prin ruptura unui crs n dou puncte situate pe brae diferite, urmat de rotaia 180* a fragmentului intermediar i reunirea fragmentelor. - paracentrice: produse prin ruptura unui crs n dou puncte situate pe acelai bra, urmat de rotaia cu 180* a fragmentului intermediar i reunirea fragmentelor. Translocaiile sunt anomalii de structur caracterizate prin trecerea unuia sau mai multor fragmente crs de pe un crs pe altul, fr modificri fenotipice. Pot fi de trei tipuri: - reciproce: produse prin ruperea doi crs n cte un punct, urmat de schimbul fragmentelor rupte i realipirea crs - cu inserii: produse prin ruperea a doi crs neomologi, unul ntr-un punct i cellalt n dou puncte de pe acelai bra, urmat de inserarea n punctul de ruptur al primului crs al fragmentului intermediar din al doilea crs. - robertsoniene: produse prin ruperea a doi crs acrocentrici la nivelul centromerului, urmat de fuziunea centric (a braelor lungi) i pierderea braelor scurte. Conduce la scderea nr. de crs de la 46 la 45. Anomalii crs neechilibrate Deleiile: anomalii structurale, caracterizate prin pierderea unor fragmente cromozomice. Pot fi de dou tipuri: - terminale: produse prin ruperea unui crs ntr-un punct, urmat de pierderea fragmentului terminal. - interstiiale: produse prin ruperea unui crs n dou puncte situate pe acelai bra, urmat de pierderea fragmentului intermediar. Deleiile se pot produce i prin crossing-over inegal i segregarea crs anormali n cursul meiozei 11. parentale. Deleia are ca efect apariia unei diferene de lungime ntre crs omologi. Duplicaiile: anomalii structurale, caracterizate prin prezena n dublu exemplar a unui fragment crs. Anomalia se poate produce prin crossing-over inegal i segregare anormal a crs cu translocaie. Crs inelare: apar prin ruperea unui crs n dou puncte situate pe brae diferite, urmat de pierderea segmentelor terminale (acentrice) i reunirea capetelor segmentului centric ntr-o structur inelar. Izocromozomi - crs anormali formai fie numai din brae scurte, fie numai din brae lungi. Mecanismul apariiei const n clivarea transversal a centromerului. Crs dicentrici - crs anormali, au doi centromeri. Mecanismul apariiei const n ruperea a doi crs n cte un punct, urmat de pierderea fragmentelor terminale i unirea celor dou segmente crs, care prezint centromere. Anomaliile crs neechilibrate determin un dezechilibru cantitativ al MG, ce se manifest fenotipic asemntor anomaliilor numerice. Anomalii crs numerice Se clasific n poliploidii (prezena n plus a unor seturi haploide de crs) i aneuploidii (prezena n plus sau absena unui crs ntreg). Poliploidiile se divizeaz n: - triploidia (3n): 69,XXX sau 69,XXY sau 69,XYY, rezult din fecundarea unui gamet normal (n=haploid) a unui gamet anormal (2n=diploid). Are loc din cauza: neseparrii citelor de ordinul II n meioza parental; dispermiei, adic fecundarea unui ovul (n) de ctre 2 spermatozoizi (2n). - tetraploidia (4n): rezult din eroare de clivaj n cursul primei diviziuni mitotice a zigotului i dublarea nr. de crs imediat dup fecundare; fecundarea a 2 gamei diploizi (2n+2n=4n). Poliploidiile la om sunt neviabile. Aneuploidiile apar n urma nedisjunciilor, erori de segregare crs sau cromatidian n cursul diviziunii celulare. Se pot produce n meioza I, II sau n mitoz. Aneuploidiile omogene rezult din fecundarea unui gamet normal de ctre un gamet aneuploid. Aneuploidii n mozaic rezult n urma erorilor de distribuie a MG n cursul mitozei. Aneuploidele se clasific n: a) dup surplus sau lips de crs - monosomie (2n-1): absena unui crs - trisomie (2n+1): prezena unui crs n plus b) dup tipul crs implicat - aneuploidii autozomale - aneuploidii gonozomale c) dup nr. de celule afectate - anomalii omogene: anomalie n toate celulele - anomalii n mozaic: linii celulare anormale i normale n acelai organism d) dup asocierea sau lipsa aneuploidiei cu anomalii de structur - anomalii libere: fr anomalii crs structurale 12. - anomalii prin translocaie: prezena n plus a unui crs ataat la un alt crs (fr modificarea nr. diploid normal) sau falsa absen a acestui crs, n urma fuzionrii cu un alt crs. - anomalii complete: prezena sau lipsa unui crs n ntregime - anomalii pariale: prezena sau lipsa unui segment crs Efectele i gravitatea anomaliilor crs cantitative depind de: - tipul de anomalie i mrimea dezechilibrului genetic - coninutul genic i activitatea crs implicat - tipul i nr. de celule afectate Monosomiile sunt mai grave dect trisomiile. La om, singura monosomie viabil este monosomia X. Trisomiile viabile pot fi doar 8, 13, 18 i 21, fiind responsabile de sindroamele: - trisomiei 8: 47,XX(XY), +8 - Patau: 47,XX(XY), +13 - Edwards: 47,XX(XY), +18 - Down: 47,XX(XY), +21 Particularitile crs X i Y Gonosomii provin dintr-o pereche de autosomi, formnd crs X i Y. n urma acestui proces, crs Y i pstreaz genele determinismului sexual, dar i pierde toate genele somatice, devenind mai mic ca crs X; crs X i conserveaz forma original pstrnd att genele de sexualizare, ct i cele somatice. Aceast difereniere este necesar pentru: - mpiedicarea schimbului de gene ntre crs X i Y n meioz, astfel permind conservarea determinanilor sexuali specific fiecrui crs - a asigura ulterior obinerea unor zigoi cu sexe distincte - XX sau XY Crs X - submetacentric mediu (grupa c), prezent n celulele somatice la ambele sexe (n dublu exemplar la femei i ntr-un singur exemplar la brbai). n ovule este prezent ntr-un singur exemplar, circa 1606 gene: structurale pentru caractere somatice i reglatoare feminizante. Crs Y - acrocentric mic (grupa c), braul q este parial heterocromatinizat (inactiv genetic). Prezent ntr-un singur exemplar n celulele somatice i n 50% n spermatozizii indivizilor masculini. Conine circa 397 gene: reglatoare masculinizante, care asigur fertilitatea, structurale somatice i pseudogene. Produii genelor localizate pe crs X ar trebui s fie ntr-o cantitate dubl la femei fa de brbai. Acest lucru nu are loc din cauza inactivrii unui crs X, fiind funcional doar unul la ambele sexe, fenomen numit compensaie de doz a genelor X-lincate. Postulatele acestei ipoteze: 1. n celulele somatice este activ doar un singur crs X, restul fiind inactivai. Crs X inactivat este vizivil n interfaz sub forma corspuscului Barr. 2. Inactivarea se produce la nceptul vieii intrauterine, nainte de implantarea blastocistului. 3. Inactivarea crs X are un caracter ntmpltor i independent n fiecare celul. 13. Consecintee genetice ale inactivrii crs X 1. Compensarea dozajului genic X-lincate. Dac un X este inactivat: - procesul nu este ntotdeauna complet i perfect. - cantitatea total a produilor genelor X va fi aceeai la ambele sexe. - n aneuploidiile X,, sunt prezeni mai muli crs X. 2. Variabilitatea expresiei la femeile heterozigote. Femeile heterozigote pentru genele X-lincate au o variabilitate nalt n expresia fenotipic. 3. Mozaicismul. Femeile prezint mozaicism pentru genele X-lincate, avnd dou populaii de celule, una cu X matern i alta cu X patern. Mecanisme moleculare implicate n lyonizare Sunt gene funcional-active pe crs X inactivat. Acest lucru e posibil din motiv c o parte din ele au gene omoloage pe crs Y, astfel nu necesit compensare. Astfel de gene sunt: STS, MIC-2, DXS, U23E, UBEI, RPS4X. Pe crs X se alfl un segment specific - q13, care este implicat n inactivarea crs X. La acest nivel se gsete gena XIST, care nu are capacitatea de codificare proteic. Testul cromatinei X Cromatina X reprezint un cromocentru vizibil, aparinnd sexului feminin, rezult prin heterocromatinizarea unuia dintre cei doi crs X. Studiul celulelor interfazice din orice esut provenit de la organismul feminin normal permite identificarea cromatinei sexuale X, precum testul Barr. Corpusculul Barr reprezint un crs X heterocromatinizat, puternic condesant i intens colorat bazofil. Are o form oval, discoloidal sau triunghiular. Este situat periferic, lipsit de faa intern a membranei nucleare. n mod normal este prezent ntr-un singur exemplar la femeie, lipsete la brbat (din motiv c este un singur crs X). n cazuri patologice, corpusculul Barr poate fi: prezent la brbat (47,XXY), absent la femeie (45,X) sau prezent n mai multe exemplare la ambele sexe (polisomii X). Testul cromatinei Y Cromatina Y reprezint aspectul interfazic al celor 2/3 distale ale braului q al crs X. Este vizibil n nucleul interfazic, siuat liber sau lipsit de membran nuclear. Este prezent exclusiv la brbat ntr-un singur exemplar, sau poate fi prezent n dou exemplare la persoane cu cariotip 47,XYY. Valoarea practic a testului cromatinei sexuale Este un test rapid, util, care poate fi efectuat cu mijloace modeste: a) prenatal, permite stabilirea sexului genetic al ftului b) la natere, pentru precizarea sexului genetic i punerea n concordan cu sexul civil c) mai trziu, pentru precizarea sexului genetic, diagnosticul disgeneziilor gonadice orhitice sau ovariene. d) n medicina legal i criminalistic, pentru precizarea provenienei feminine sau masculine a unor fragmente de esuturi, pete de snge, fire de pr. 14. DAR - testul cromatinei sexuale, subiectiv, nu poate depista toate mozaicurile i nici anomaliile autozomilor. Transmiterea MG de la celul la celul Transmiterea are loc n dou etape majore: - dublarea ADN cromozomial - repartizarea egal i identic a crs celulelor fiice Dublarea MG i distribuia crs n timpul diviziunii celulare este asigurat de succesiunea evenimentelor ciclului celular. Fiecare ciclu cuprine dou perioade: interfaza i mitoza. Interfaza - perioada dintre diviziuni n care MG este decondensat i se prezint sub form de cromatin. Informaia genetic este realizat prin expresia unor seturi de gene. Celula primete semnale mitogene, astfel ea deruleaz procesele de pregtire ctre mitoz. Dublarea MG Replicarea este procesul molecular prin care se realizeaz dublarea exact a moleculelor de ADN. Are loc datorit proprietilor unice a moleculelor de ADN, care sunt formate din dou catene polinucleotidice, complementare i antiparalele. Caracteristici: - sinteza replicativ este semiconservativ, fiecare caten este folosit ca matri pentru sinteza unei catene noi de ADN. - replicarea ADN-ului nuclear are loc doar o singur dat pe parcursul ciclului mitotic, n perioada sintetic a interfazei. - procesul este asincron, eucromatina se replica mai precoce, pe cnd heterocromatina mai tardiv. n rezultatul dublrii MG, crs devin bicromatidieni. Moleculele de ADN noi obinute, rmn unite prin centromer pn n anafaz. Distribuia MG prin mitoz ecvaional Mitoza asigur proprietatea celulelor de a transmite n succesiunea generaiilor MG identic. Reprezint o diviziune ecvaional determinat de: - condensarea MG. - toi crs sunt bicromatidieni, cromatidele sunt unite prin centromer de la sfritul perioadei S pn n anafaz. - n regiunea centromerului se maturizeaz cte o pereche de kinetocori. - organizarea aparatului de diviziune. - cromozomii maximal condensai, se aranjeaz n placa metafazic (plan ecuatorial). - segregarea MG se realizeaz prin: dublarea i clivarea longitudinal a centromerilor, disjuncia cromatidelor surori, migrarea simultan i sincron a cromatidelor surori spre polii opui ai celulei. - procesul de repartizare se finalizeaz prin formarea a doi nuclei identici urmat de citochinez. Rol biologic: transmiterea egal i identic a MG n succesiunea generaiilor de celule, internive n procesul de regenerare a esuturilor, reprezint mecanismul universal de nmulire a celulelor somatice. 15. Erorile mitozei Sunt anomalii de distribuie a MG n timpul diviziunii celulare. Din diverse motive, procesele de ditribuie a materialului ereditar, segregarea cromatidelor i migrarea lor spre polii celulei, pot fi dereglate: - asamblarea anormal a fusului acromatic i interaciunea defectuoas cu kinetocorii - depolimerizare asincron a microtubulilor - defecte n structura centromerului - modificarea vscozitii citoplasmei Erorile ce conduc la distribuia anormal a MG: - clivarea transversal a centromerului - nedisjuncia cromatidian - ntrzierea anafazic Clivarea transversal a centromerului n anafaz, crs bicromatidian se separ n doi crs monocromatidieni prin clivarea centromerului. Clivarea are loc n plan longitudinal, rezultnd doi crs, avnd un bra proximal (p) i un bra distal (q). Dar mai rar are loc clivarea n plan transversal, rezultnd doi crs monocromatidieni diferii. Aceti crs se numesc izocromozomi, ce conin dou brae: - iso p (ip) - crs format din dou brae p, fiind absent braul q - iso q (iq) - crs format din dou brae q, fiind absent braul p n rezultatul clivrii transversale a centromerului i segregrii crs, celulele fiice vor moteni MG dublat al unui bra i absena altui bra al crs implicat n anomalie. Exemple: 46,X,i(Xp) - cariotip feminin, cu un iso p al crs X 46,X,i(Xq) - cariotip feminin, cu un iso q al crs X 46,X,i(Yp) - cariotip masculin, cu un iso p al crs X Nedisjuncia cromatidian Cromatidele surori, rezultate prin replicarea premitotic a ADN-ului crs, se separ una de alta dup clivarea centromerului. n caz de neseparare, cromatidele vor migra la acelai pol, determinnd o repartizare inegal a MG. n rezultat, una dintre celulele fiice va moteni un crs n plus (trisomie), iar cealalt celul va lipsi crs respectiv (monosomie). Exemplu: 45,X / 47,XXX - cariotip feminin, monosomia X i trisomia X 45,X / 47,XYY - ambele sexe, monosomia X i trisomia gonosomal Y 45,XX, -13 / 47,XX, +13 - cariotip feminin, monosomia 13 i trisomia 13 ntrzierea anafazic Dup separarea cromatidelor surori, are loc migrarea crs monocromatidieni spre polii opui. La fiecare pol ajung cte 46 crs. n urma defectelor de dezasamblare a microtubulilor sau a modificrii vscozitii citoplasmei, migrarea crs poate fi asincron. n rezultat, celulele fiice motenesc seturi diferite de crs. 16. Exemple: 45,X / 46,XX - cariotip feminin, monosomia X i set normal 45, X / 46,XY - ambele sexe, monosomia X i set normal 45,XX, -13 / 46,XX - cariotip feminin monosomia 13 i set normal Consecinele erorilor din mitoz Erorile de distribuie a MG n mitoz determin apariia celulelor cu seturi diferite de crs - mozaicuri celulare crs ce pot genera dou sau mai multe linii sau clone celulare, care difer prin nr. de crs. n rezultatul clivrii transversale, se poate produce mozaicul de tipul: - 46,isop/46,isoq - eroarea afecteaz diviziunea zigotului - 46 /46,isop /46,isoq - eroarea apare n cursul diviziunii altei celule n rezultatul nedisjunciei cromatidiene, apar mozaicuri de tipul : - 45/47: cnd eroarea afecteaz diviziunea zigotului - 45/46/47: cnd eroarea apare n cursul diviziunii altei celule n rezultatul ntrzierii anafazice, eroare caracterizat prin migrarea cu vitez redus sau blocarea migrrii unei cromatide dup ce disjuncia cromatidian s-a produs normal, determin apariia unui mozaic crs de tipul 45/46. Evoluia clonelor celulare anormale depinde de viabilitatea celulelor, care prezint anomalia crs: - anomaliile grave determin moartea celulelor anormale - anomaliile mai puin grave permit multiplicarea celulei anormale cu apariia unei clone anormale Trisomiile sunt mai puin grave ca monosomiile, anomaliile gonosomilor sunt mai puin grave ca anomaliile autosomilor, crs mai mici au mai puine gene i anomaliile lor sunt mai puin grave ca anomaliile crs mari. Consecinele fenotipice ale clonelor anormale depind de momentul ontogenetic al apariiei lor. Dac se produc n timpul embriogenezei, este perturbat formarea normal a esuturilor i organelor producnd anomalii congenitale. Dac se produc postnatal, se produce perturbarea structurii sau funciei anumit esut sau organ, apare o degenerare neoplazic. Transmiterea informaiei genetice de la prini la copii La organismele cu reproducere sexuat, legtura material dintre generaii, transmiterea i conservarea informaiei genetice de la o generaie la alta, este asigurat de dou procese genetice: - gametogeneza, producerea celulelor sexuale maturi cu set haploid de crs (n=23) - fecundarea gameilor i formarea zigotului cu set diploid de crs (2n=46) Gametogeneza Este ansamblul proceselor genetice, biochimice i morfologice, care determin formarea i maturaia gameilor n gonade. 17. Ovogeneza este mecanismul de difereniere a ovulelor haploide din celule sexuale primare diploide (ovogonii), se desfoar n ovare. Spermatogeneza reprezinta procesul de difereniere a spermatozoizilor haploizi din celule sexuale primare diploide, are loc n testicule. Etapele gametogenezei: - formarea gametogoniilor (2n=2c) - formarea gametociilor de ordinul I (2n=46) - formarea gameilor haploizi, prin meioz - transformarea spermatidelor n spermatozoizi Fecundarea Este procesul de contopire a gameilor haploizi de origine parental diferit. Rezult celula zigot, care conine MG al ambilor gamei. Participarea ovulelor i spermatozoizilor la fecundaie este aleatorie, asigurnd formarea diferitor variante genetice de zigoi, ceea ce se numete recombinare genomic. Organismul uman matur, posed dou linii celulare: - celule somatice: alctuiesc esuturile i organele, au set diploid de crs (2n=46), provin din zigot, se nmulesc prin mitoz. - celule sexuale: asigur transmiterea MG de la prini la descendeni la formarea zigotului, au set haploid de crs (n=23)m provin din gametogonii, se maturizeaz n gonade prin meioz. Dinamica crs n meioz Meioza este un mecanism complex ce implic desfurarea succesiv a dou diviziuni, care se termin cu njumtirea setului de crs. Din fiecare set diploid (46crs) se formeaz 4 gamei cu cte 23 crs (set haploid). Meioza este precedat de o interfaz premeiotic n care are loc replicarea ADN-ului. ntre cele dou diviziuni, exist perioada interkineza, n care ADN-ul nu se replic. Diviziunea reducional, prima diviziune a meiozei, asigur transformarea gametocitelor de ordinul I cu 46 crs bicromatidieni n gametocite de ordinul II cu 23 de crs bicromatidieni. Reducerea nr. de crs este determinat de: - conjugarea crs omologi cu formarea a 23 de bivaleni (tetrade) n profaza I - aranjarea bivalenilor n plan ecuatorial n metafaza I - disjuncia crs omologi i migrarea spre polii celulei a crs bicromatidieni - citokineza asigur separarea masei citoplasmatice cu formarea a dou celule cu nr. haploid de crs, gametocite de ordinul II Paralel cu procesele ce asigur segregarea crs, are loc recombinarea MG: - recombinarea intracromozomial, crossing-overul, reprezint schimbul reciproc de fragmente ntre crs omologi materni i paterni - recombinarea intercromozomial, reprezint asortarea independent a crs neomologi materni i paterni, n timpul anafazei I. 18. A doua diviziune a meiozei este cea ecvaional, asigur repartizarea egal i identic a MG n celulele-gamei. Formarea gameilor haploizi (1n=1c) din gametociii de ordinul II (1n=2c) este asigurat de: - maturizarea a doi kinetocori pentru fiecare centromer - aranjarea la ecuator a crs ntr-un singur plan - clivarea longitudinal a centromerului i disjuncia cromatidelor surori - migrarea simultan i sincron a cromatidelor - separarea masei citoplasmatice cu formarea a doi gamei haploizi din fiecare gametocit de ordinul I. Rolul biologic al meiozei - pentru reproducerea organismelor - de a produce i a menine variabilitatea genetic n populaiile umane prin fenomene de recombinare intra- i inter-cromozomic - demonstreaz corelaia dintre dinamica crs i legile ereditii ale lui Mendel Erorile meiozei i consecinele lor Se pot produce divese anomalii de distribuie a MG: - crossing-overul inegal: va fi cauza apariiei unor crs cu deleie i cu duplicaie (23,X(Y),1p- i 23,X(Y),1p+) - nedisjuncia cromozomial sau cromatidian: are loc n anafaza I. Se formeaz gamei cu aneuploidii crs. - ntrzierea anafazic: se formeaz gamei nulisomici, ct i gamei normali. - nesepararea gametocitelor: se produc gamei diploizi (2n), care dup fecundare cu gameii normali vor forma zigoi triploizi (3n). - clivarea transversal a centromerului: se vor forma gamei cu isocrs p i isocrs q. La fecundarea gameilor 23,ip sau 23,iq vor rezulta zigoi 46,ip. Toate aceste erori duc la formarea gameilor aneuploizi, iar dup fecundare formeaz zigoi aneuploizi. n consecin apar tulburri de reproducere: sterilitate, avorturi spontane, nou nscui mori sau malformaii etc. Erori la fecundare Ovarul elibereaz n momentul ovulaiei dou ovule, iar prin fecundare, ele vor forma doi zigoi, care se unesc formnd himera. Dac zigoii vor avea acelai sex, se realizeaz o sexualizare normal. Dac zigoii care s-au unit sunt de sexe diferite, se realizeaz o constituie XX/YY cu tulburrj - hermafroditism adevrat. Dispermia este posibil cnd un ovul este fecundat de doi spermatozoizi, rezultnd zigoi triploizi (69,XXX sau 69,XXY sau 69,XYY) Diginia sau diandria reprezint fenomenul cnd unul din gamei este diploid i cellalt este haploid, rezultnd zigoi triploizi.